专利名称：位移量监测电极的构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及位移量监测电极的构造，尤其涉及如下位移量监测电极的构造:相对于基板固定的固定电极和能够在与基板平行的预定轴方向上移动的可动电极以使相互的电极指彼此啮合的方式相对配置，基于固定电极与可动电极之间的静电电容的变化量，监测以目标振幅驱动的检测质量块的位移量。
背景技术：
以往公知一种位移量监测电极的构造，构成角速度传感器等，为了使检测质量块以一定的目标振幅驱动振动而监测其位移量(例如，參照专利文献I)。位移量监测电极具有梳齿状的固定电极和梳齿状的可动电扱。固定电极由基部和从该基部朝向与基板平行的预定轴方向延伸的电极指构成，相对于于基板固定。另外，可动电极由基部和从该基部朝向与基板平行的预定轴方向延伸的电极指构成，能够相对于基板在预定轴方向上移动。在该位移量监测电极中，如果可动电极相对于基板在预定轴方向上移动，则固定电极与可动电极之间的静电电容变化。此时，静电电容的变化量与可动电极的位移量对应。并且，基于该静电电容的变化量来监测检测质量块的位移量(振幅)，控制成以目标振幅驱动该检测质量块。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2008-170455号公报

发明内容
发明要解决的课题然而，固定电极与可动电极之间的静电电容的变化量通常与检测质量块的振幅对应而直线地变化，但不仅根据该检测质量块的振幅而变化，还根据固定电极与可动电极的间隙、相对面积而变化。具体而言，如果因应カ变化、尺寸偏差等而使其间隙或者相对面积变化，则静电电容的变化量相对于可动电极的位移量的灵敏度(傾斜度)变化了与该变化对应的量。在这种情况下，检测质量块以目标振幅驱动时(即，可动电极的位移达到与该目标振幅对应的目标位移量时)的上述静电电容的目标电容变化量设定在静电电容的变化量相对于可动电极的位移量而直线地变化的直线变化区域，在这种结构中，如果由于在监测电极的组装时所施加的应力、温度变化、尺寸偏差等而使固定电极与可动电极之间隙、相对面积与所希望的情况不一致，则产生在静电电容的变化量达到目标电容变化量时可动电极的位移量与目标位移量不一致的状況，因此难以将检测质量块的振幅保持为一定的目标振幅。本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种位移量监测电极的构造，即使固定电极与可动电极的相对关系发生变化，也能够将检测质量块的振幅保持为一定的目标振幅。用于解决课题的手段
通过位移量监测电极的构造来实现上述目的，在该位移量监测电极的构造中，配置有固定电极与可动电极，并基于所述固定电极与所述可动电极之间的静电电容的变化量来监测应以目标振幅驱动的检测质量块的位移量，所述固定电极和所述可动电极分别由基部和从该基部向与基板平行的预定轴方向延伸的电极指构成为梳齿状，所述固定电极相对于所述基板固定，所述可动电极能够向所述预定轴方向移动，所述固定电极和所述可动电极以使相互的所述电极指彼此啮合的方式相对配置，伴随所述可动电极向所述预定轴方向移动，所述静电电容的变化量直线地变化的直线变化区域和所述静电电容的变化量非直线地变化的非直线变化区域各存在至少ー个，含有所述非直线变化区域中的所述静电电容的变化量相对于所述可动电极向所述预定轴方向的位移量的变化灵敏度比所述直线变化区域中的所述变化灵敏度大的特性，并且，所述可动电极向所述预定轴方向的位移达到与所述目标振幅对应的目标位移量时的所述静电电容的目标电容变化量被设定在所述非直线变化区域。发明效果根据本发明，即使固定电极与可动电极的相对关系发生变化，也能够将检测质量块的振幅保持为一定的目标振幅。


图1是采用本发明的第I实施例的位移量监测电极的构造的传感器的结构图。图2是本实施例的位移量监测电极的俯视图。图3是本实施例的位移量监测电极的剖视图。图4是根据应カ变化而变形时的位移量监测电极的剖视图。图5是表示与位移量监测电极的尺寸偏差等对应而变化的、可动电极的驱动位移量X和固定电极与可动电极之间的静电电容变化量A C的关系的图。图6是表示本实施例的位移量监测电极中的、可动电极的驱动位移量X和固定电极与可动电极之间的静电电容变化量A C的关系的图。图7是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图8是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图9是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图10是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图11是本发明的变形例的位移量监测电极的立体图。图12A是图11所示的位移量监测电极的侧视图。图12B是图11所示的位移量监测电极的俯视图。图13是本发明的变形例的位移量监测电极的立体图。图14A是图13所示的位移量监测电极的侧视图。图14B是图13所示的位移量监测电极的俯视图。图15是本发明的变形例的位移量监测电极的立体图。图16是本发明的变形例的位移量监测电极的立体图。图17是本发明的变形例的位移量监测电极的立体图。图18A是图17所示的位移量监测电极的侧视图。
图18B是图17所示的位移量监测电极的俯视图。图19是表示图17所示的位移量监测电极中的、可动电极的驱动位移量X和固定电极与可动电极之间的静电电容变化量A C的关系的图。图20是本发明的第2实施例的位移量监测电极的俯视图。图21是表示本实施例的位移量监测电极中的、可动电极的驱动位移量X和固定电极与可动电极之间的静电电容变化量A C的关系的图。图22是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图23是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图24是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。图25是本发明的变形例的位移量监测电极的俯视图。
具体实施例方式以下，使用

本发明所涉及的位移量监测电极的构造的具体的实施方式。实施例1图1表示采用本发明的第I实施例的位移量监测电极10的构造的传感器12的结构图。本实施例的传感器12为例如装配于车辆等的用于检测绕与X-Y平面垂直的Z轴产生的角速度的角速度传感器。传感器12形成于硅等的半导体基板14上，通过对半导体基板14的表面实施微细加工的蚀刻而形成。传感器12具有:相互具有相等质量的一对构造体16、18 ;用于在半导体基板14上在X轴方向上激励驱动构造体16、18的驱动电极20-1、20-2、22-1、22-2 ;用于检测在半导体基板14上构造体16、18所产生的Y轴方向的振动(振幅)的检测电极24-1、24-2、26-1、26-2 ;以及用于监测在半导体基板14上构造体16、18向X轴方向的驱动位移量的位移量监测电极28-1、28-2、30-1、30-2。构造体16、18在从形成绝缘层的半导体基板14的表面浮起预定距离的状态下，配置于该半导体基板14上的相互对称位置。以下，将位移量监测电极28-1、28-2、30-1、30-2统称为位移量监测电极10。驱动电极20-1、20-2、22-1、22-2和检测电极24-1、24-2、26-1、26-2分别由相对于半导体基板14固定的固定电极和相对于半导体基板14在X轴方向或者Y轴方向上可动的可动电极构成。这些固定电极经由焊盘而与信号处理部连接。另外，这些可动电极构成构造体16、18的一部分。驱动电极20-1、20-2、22-1、22_2分别为如下电极:通过对固定电极施加驱动电压而使静电引力作用于固定电极与可动电极之间，从而使构造体16、18相对于半导体基板14在X轴方向上驱动。另外，检测电极部24-1、24-2、26-1、26-2分别为如下电极:通过检测伴随构造体16、18的Y轴方向的位移而引起的固定电极与可动电极之间的静电电容的变化，检测构造体16、18相对于半导体基板14的Y轴方向的振动。具体而言，驱动电极20-1、20-2、22-1、22-2分别通过对固定电极施加与构造体16、18的共振频率大致相等的频率的驱动电压而使静电引力作用于固定电极与可动电极之间，产生以与该构造体16、18的共振频率大致相等的频率在X轴方向上以一定振幅激励驱动该构造体16、18的驱动力。此外，使驱动电极20-1和驱动电极20-2以相互同相产生驱动カ并且使驱动电极22-1和驱动电极22-2以相互同相产生驱动力，另ー方面，使驱动电极20-1,20-2和驱动电极22-1、22-2以相互反相产生驱动力。另外，在检测电极24-1、24-2、26-1、26_2中，分别根据对构造体16、18相对于半导体基板14向Y轴方向施加的振动位移，在固定电极与可动电极之间产生静电电容变化。此外,检测电极24-1、24-2中的静电电容变化与检测电极26-1、26-2中的静电电容变化相互为反相。在构造体16、18向Y轴方向的振动位移量为零的情况下，检测电极24-1、24-2、26-1、26-2的静电电容变化大致为零，构造体16、18向Y轴方向的振动位移量越大该静电电容变化也越大。检测电极24-1、24-2、26-1、26-2的固定电极分别将固定电极与可动电极之间的静电电容变化作为检测位移信号而输出到信号处理电路。该信号处理电路通过处理来自各检测电极24-1、24-2、26-1、26-2的检测位移信号，检测构造体16、18向Y轴方向的振动位移量，并基于该振动位移量检测绕Z轴产生的角速度。接着，说明本实施例的传感器12的动作。在进行绕与X轴和Y轴这两者正交的Z轴的角速度的检测吋，在传感器12中，驱动电极20-1、20-2、22-1、22-2被激励驱动。具体而言，具有与构造体16、18的共振频率大致相等的频率的驱动电压被施加到驱动电极20-1、20-2、22-1、22-2的固定电极。如果被施加上述驱动电压，则在各个驱动电极20-1、20-2、22-1、22-2中在固定电极与可动电极之间产生向X轴方向激励驱动构造体16、18的驱动力，从而构造体16、18以相互反相且以与共振频率大致相等的频率向X轴方向以一定振幅被激励驱动。在构造体16、18如上所述向X轴方向被激励驱动的状态下没有产生绕Z轴的角速度时，对构造体16、18没有作用科氏力(Coriolis force)。在这种情况下,检测电极24-1、24-2、26-1、26-2不向Y轴方向振动位移，在检测电极24_1、24-2,26-1,26-2的固定电极与可动电极之间不产生静电电容变化，因此从检测电极24-1、24-2、26-1、26-2输出的检测位移信号成为表示构造体16、18的Y轴方向的振幅大致为零的信号。另ー方面，在构造体16、18如上所述向X轴方向被激励驱动的状态下产生了绕Z轴的角速度时，对构造体16、18作用有科氏力。在这种情况下，通过上述科氏力的作用使检测电极24-1、24-2、26-1、26-2向Y轴方向振动位移，在检测电极24-1、24_2、26-1、26_2的固定电极与可动电极之间产生静电电容变化。如果产生了上述静电电容变化，则从检测电极24-1、24-2、26-1、26-2输出的检测位移信号成为表示构造体16、18的产生了 Y轴方向的振幅的角速度的大小的信号。构造体16、18在作用有科氏力时关于Y轴方向相互反相地振动位移。因此,根据传感器12，能够检测对象绕Z轴所产生的角速度。图2表示本实施例的位移量监测电极10的俯视图。另外，图3表示本实施例的位移量监测电极10的剖视图。位移量监测电极10由相对于半导体基板14固定的固定电极32和相对于半导体基板14在X轴方向上可动的可动电极34构成。固定电极32经由焊盘而与信号处理部连接。另外，可动电极34构成构造体16、18的一部分。位移量监测电极10通过检测伴随构造体16、18的X轴方向的位移而引起的固定电极32与可动电极34之间的静电电容的变化，来监测构造体16、18相对于半导体基板14的X轴方向的驱动位移量。固定电极32和可动电极34分别形成为梳齿状，分别由延伸设置为较宽幅的基部32-1,34-1和从基部32-1、34-1向与半导体基板14平行的X轴方向延伸的电极指32_2、34-2构成。电极指32-2、34-2分别形成为截面四边形状，从与基部32_1、34_1的连接部到前端分别具有相同的截面积(在Y轴方向上相同的宽度wl、w2且在Z轴方向上相同的厚度T1、T2)。电极指32-2、34-2设置为相对于ー个基部32_1、34_1相互平行地隔开相等间隔而在Y轴方向上排列多个。固定电极32和可动电极34配置为:基部32-1、34-1彼此在X轴方向上相对，并且电极指32-2、34-2彼此在Y轴方向上相对而啮合。固定电极32的全部的电极指32-2形成为:在Y轴方向上具有同一宽度wl，在Z轴方向上具有同一厚度Tl，并且在X轴方向上具有同一长度。另外，可动电极34的全部的电极指34-2形成为:在Y轴方向上具有同一宽度w2，在Z轴方向上具有同一厚度T2，并且在X轴方向上具有同一长度。可动电极34在X轴方向不可动时，在固定电极32的电极指32_2的前端与可动电极34的基部34-1之间在X轴方向上隔开间隙dl，并且在固定电极32的基部32-1与可动电极34的电极指34-2的前端之间在X轴方向上隔开间隙d2。可动电极34的各电极指34-2配置为进入到固定电极32的两个电极指32_2之间。在固定电极32的电极指32-2与可动电极34的电极指34-2之间在Y轴方向上隔开间隙dm。此外，电极指34-2可以配置于两个电极指32-2之间的中央位置，也可以偏向某一个电极指32-2而配置。在电极指34-2偏向某一个电极指32-2而配置的情况下，在电极指34-2的Y轴方向两侧形成有相互不同的间隙dml、dm2。另ー方面，在电极指34_2配置于两个电极指32-2之间的中央位置的情况下，在电极指34-2的Y轴方向两侧形成有相互相同的间隙dml、dm2。另外，电极指32-2与电极指34-2在厚度方向即Z轴方向上重叠的部位的厚度(即，电极指32-2的侧壁与电极指34-2的侧壁在Z轴方向上相対的部位的高度)为Tm。此夕卜，该厚度Tm可以为在上述间隙dml侧的值(Tml)和dm2侧的值(Tm2)不同。然而，优选Tl = T2 = Tm (BP, Tl = T2 = Tml = Tm2)成立。在具有上述构造的位移量监测电极10中，如果构造体16、18向X轴方向激励驱动，则伴随该激励驱动，可动电极34向X轴方向位移。在这种情况下，与可动电极34的位移对应，在固定电极32与可动电极34之间产生静电电容变化。此外，位移量监测电极28-1、28-2中的静电电容变化与位移量监测电极30-1、30-2中的静电电容变化相互反相。位移量监测电极10的静电电容变化随着构造体16、18向X轴方向的驱动位移量变大而变大。位移量监测电极10的固定电极分别将固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化作为驱动位移量监测信号向信号处理电路输出。该信号处理电路通过处理来自各位移量监测电极10的驱动位移量监测信号，监测构造体16、18向X轴方向的驱动位移量。并且，基于该驱动位移量来控制对驱动电极20-1、20-2施加的驱动电压，以使构造体16、18向X轴方向以一定振幅激励驱动。然而，为了高精度地检测在传感器12中绕Z轴的角速度，需要将作为检测质量块的构造体16、18向X轴方向激励驱动的振幅总是保持一定。并且，为了将构造体16、18向X轴方向的驱动振幅保持一定，通常将位移量监测电极10的固定电极32与可动电极34之间的电容变化量维持一定，优选以使该电容变化量维持一定的方式控制对驱动电极20-1、20-2施加的驱动电压，具体而言，进行驱动控制，以在上述电容变化量达到了目标的电容变化量的时刻使构造体16、18的驱动位移量达到了目标位移量(目标振幅)。图4表示根据应カ变化而变形的情况的位移量监测电极10的剖视图。另外，图5是表示与位移量监测电极10的应カ变化、尺寸偏差等对应而变化的、构造体16、18即可动电极34的驱动位移量X和固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化量A C的关系(倾斜度)的图。此外，在可动电极34向X轴方向不可动的情况下，将可动电极34的电极指34-2的前端所处位置的驱动位移量X设为“0”，将该电极指34-2的前端接近固定电极32的基部32-1的一侧设为X > 0，将该电极指34-2的前端远离固定电极32的基部32_1的一侧设为X < O。但是，固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化量A C不仅根据构造体16、18的驱动位移量X而变化，还根据固定电极32与可动电极34的间隙、相对面积而变化。即，上述驱动位移量X和静电电容变化量A C 的关系对应于上述间隙、相对面积而变化。可动电极34的电极指34-2进入到固定电极32的两个电极指32_2之间，在其进入量不太多的情况下，固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化仅产生于电极指32-2、34-2彼此之间。在这种情况下，固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化量A C相对于可动电极34的驱动位移量X而直线地变化(直线变化区域)。另ー方面，如果可动电极34的电极指34-2进入到固定电极32的两个电极指32_2之间的进入量较多，则固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化不仅产生于电极指32-2、34-2彼此之间，还产生于基部32-1与电极指34-2的前端之间和电极指32-2的前端与基部34_1之间。在这种情况下，固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化量A C相对于可动电极34的驱动位移量X呈非直线地变化(非直线变化区域)。如图5所示，在可动电极34达到与构造体16、18的目标振幅对应的目标位移量AO时的、固定电极32与可动电极34之间的目标电容变化量CO被设定在上述直线变化区域的结构中，如果由于位移量监测电极10的应カ变化、尺寸偏差等而使固定电极32与可动电极34的间隙、相对面积较大地背离了所希望的情況，则会产生在静电电容变化量A C达到目标电容变化量CO时可动电极34的驱动位移量X较大地背尚目标位移量AO的状况，因此难以将构造体16、18的振幅保持为一定的目标振幅。图6是表示本实施例的位移量监测电极10中的、构造体16、18即可动电极34的驱动位移量X和固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化量A C的关系的图。固定电极32与可动电极34之间的静电电容变化量A C根据下述式(I)而算出。其中，固定电极32与可动电极34之间的介电常数设为e，位移量监测电极10的电极相对数(具体而言，可动电极34中的电极指34-2的个数)设为N。此外，(I)式的右边的第I项和第2项表示直线变化区域，第3项和第4项表示非直线变化区域。[数I]
权利要求
1.一种位移量监测电极的构造，配置有固定电极与可动电极，并基于所述固定电极与所述可动电极之间的静电电容的变化量来监测应以目标振幅驱动的检测质量块的位移量，所述固定电极和所述可动电极分别由基部和从该基部向与基板平行的预定轴方向延伸的电极指构成为梳齿状，所述固定电极相对于所述基板固定，所述可动电极能够向所述预定轴方向移动，所述固定电极和所述可动电极被配置成相互的所述电极指彼此啮合，所述位移量监测电极的构造的特征在干， 伴随所述可动电极向所述预定轴方向移动，所述静电电容的变化量直线地变化的直线变化区域和所述静电电容的变化量非直线地变化的非直线变化区域各存在至少ー个， 含有所述非直线变化区域中的所述静电电容的变化量相对于所述可动电极向所述预定轴方向的位移量的变化灵敏度比所述直线变化区域中的所述变化灵敏度大的特性，并且， 所述可动电极向所述预定轴方向的位移达到与所述目标振幅对应的目标位移量时的所述静电电容的目标电容变化量被设定在所述非直线变化区域。
2.如权利要求1所述的位移量监测电极的构造，其特征在干， 将所述目标位移量设为A0，将所述固定电极的所述电极指与所述可动电极的所述电极指在与所述预定轴方向正交的垂直方向上离开的离开距离设为dml、dm2，将所述固定电极和所述可动电极的所述电极指彼此离开并相対的部位中的厚度设为Tml、Tm2，将每个所述固定电极的所述电极指面向所述可动电极的所述基部的面积设为SI，将每个所述可动电极的所述电极指面向所述固定电极的所述基部的面积设为S2，将所述可动电极的所述基部与所述固定电极的所述电极指的 前端的距离设为dl，并且将所述固定电极的所述基部与所述可动电极的所述电极指的前端的距离设为d2时，满足以下所示的条件式(A):
3.如权利要求2所述的位移量监测电极的构造，其特征在干， 所述固定电极的所述电极指的厚度和所述可动电极的所述电极指的厚度在任意部位均为一定值，所述Tml、Tm2与该电极指自身的厚度一致，将所述固定电极的所述电极指面向所述可动电极的所述基部的宽度设为wl，并且将所述可动电极的所述电极指面向所述固定电极的所述基部的宽度设为《2时，满足以下所示的条件式(B)
4.如权利要求2所述的位移量监测电极的构造，其特征在干， 在所述固定电极和所述可动电极被配置成在与所述预定轴方向正交的垂直方向上所述电极指彼此不相对时，满足以下所示的条件式(C
5.如权利要求1、2和4中任一项所述的位移量监测电极的构造，其特征在干， 所述固定电极和所述可动电极中至少一方的所述电极指形成为，其面向所述可动电极或者所述固定电极的所述基部的前端的面积大于该前端以外的部位的截面积。
6.如权利要求1或5所述的位移量监测电极的构造，其特征在干， 在所述固定电极和所述可动电极中至少一方的、所述电极指的前端和所述基部中至少一方的表面配置电介质材料。
7.如权利要求6所述的位移量监测电极的构造，其特征在干， 将所述目标位移量设为A0，将所述固定电极的所述电极指与所述可动电极的所述电极指在与所述预定轴方向正交的垂直方向上离开的离开距离设为dml、dm2，将所述固定电极和所述可动电极的所述电极指彼此离开并相対的部位中的厚度设为Tml、Tm2，将每个所述固定电极的所述电极指面向所述可动电极的所述基部的面积设为SI，将每个所述可动电极的所述电极指面向所述固定电极的所述基部的面积设为S2，将所述可动电极的所述基部与所述固定电极的所述电极指的前端的距离设为dl，将所述固定电极的所述基部与所述可动电极的所述电极指的前端的距离设为d2，并且在所述固定电极和所述可动电极各自的所述电极指的前端和所述基部各自的表面配置厚度为CU且介电常数为er的电介质材料吋，满足以下所示的条件式(D):
全文摘要
本发明的位移量监测电极的构造，即使固定电极与可动电极的相对关系发生变化，也能够将检测质量块的振幅保持为一定的目标振幅，而且伴随可动电极向预定轴方向移动，固定电极与可动电极之间的静电电容的变化量直线地变化的直线变化区域和静电电容的变化量非直线地变化的非直线变化区域各存在至少一个，含有非直线变化区域中的静电电容的变化量相对于可动电极向预定轴方向的位移量的变化灵敏度比直线变化区域中的变化灵敏度大的特性，并且可动电极向预定轴方向的位移达到与检测质量块的目标振幅对应的目标位移量时的静电电容的目标电容变化量被设定在非直线变化区域。
文档编号G01B7/02GK103140736SQ20118004725
公开日2013年6月5日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者成田胜俊 申请人:丰田自动车株式会社