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Dokumentenidentifikation DE102004024050B4 19.04.2007
Titel Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokyo, JP
Erfinder Tsugai, Masahiro, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 14.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004024050
Offenlegungstag 09.12.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse G01P 15/125(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01C 19/56(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01P 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Trägheitssensor und im Spezielleren auf einen kapazitiven Trägheitssensor, der eine Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit durch Erfassen einer Änderung der Kapazität eines Kondensators erfasst.

Eine herkömmliche kapazitive Sensorvorrichtung umfasst ein Substrat und einen Aufbau, welcher auf dem Substrat ausgebildet ist und ein von einem Ausleger gehaltertes, bewegliches Massenteil und ein Paar Abtastelektroden umfasst, die zusammen mit dem beweglichen Massenteil eine Differentialkapazität bilden. Die Abtastelektroden sind auf dem Substrat befestigt, und vor der Messung, und zwar, bevor das bewegliche Massenteil durch Eingangsbeschleunigung verschoben wird, wird der Abstand (der anfängliche Abstand) zwischen dem beweglichen Massenteil und den Abtastelektroden auf einen bestimmten Wert festgelegt. Findet eine Beschleunigung statt, die das bewegliche Massenteil verschiebt, wird eine auf der Verschiebung beruhende Veränderung der Differentialkapazität in eine Spannung umgewandelt, die durch einen Strom-/Spannungswandler (eine Strom-/Spannungswandlerschaltung) ausgegeben wird, so dass in Abhängigkeit des Verschiebungsbetrags des beweglichen Massenteils ein Sensorausgangssignal erzeugt wird (siehe beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung mit der Offenlegungsnr. 08-32090).

Ein Beschleunigungssensor, der eine seismische Masse (2) mit beweglichen Elektroden (3) und zwei feststehenden Abtastelektroden (4a, 4b), die jeweils einen Differentialkondensator bilden, aufweist, wird außerdem in der Druckschrift DE 44 32 837 A1 vorgeschlagen. Hierbei sind zusätzliche Elektroden (10) für einen Selbsttest vorgesehen.

Weiterhin wird in der Druckschrift DE 101 30 713 A1 eine Halbleitersensoranordnung mit einer beweglichen Elektrode (24) und jeweils zwei feststehenden Abtastelektroden (32, 42), welche wiederum einen Kondensator bilden, und ein Verfahren zu deren Herstellung offenbart.

Im Falle einer kapazitiven Sensorvorrichtung der geregelten Art, wird der Potentialunterschied zwischen der einen Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil und der Potentialunterschied zwischen der anderen Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil so gesteuert, dass eine elektrostatische Kraft erzeugt wird, welche die beschleunigungsinduzierte Verschiebung des beweglichen Massenteils aufhebt. In solch einem Fall wird die Verschiebung des beweglichen Massenteils unterdrückt, so dass gleichzeitig eine Verbesserung bei der Empfindlichkeit und der gewünschten Frequenzkennlinie hergestellt werden kann (siehe beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung mit der Offenlegungsnr. 11-326409).

Die Ausgangsempfindlichkeit eines kapazitiven Beschleunigungssensors (pro Trägheitskrafteinheit) ist im Grunde proportional zu u/g0, (Verschiebungsverhältnis), dem Verhältnis des Betrags (u) der pro Trägheitskrafteinheit eintretenden Abtastelektrodenverschiebung zum anfänglichen Abstand (g0). Damit die herkömmliche Sensorvorrichtung mit den auf dem Substrat befestigten Abtastelektroden eine gesenkte oder erhöhte Empfindlichkeit hat, muss die Verschiebung u des beweglichen Massenteils pro Trägheitskrafteinheit gesenkt oder erhöht werden. Das bedeutet, dass die natürliche Schwingungswinkelfrequenz &ohgr;0 (=(K/M)0,5) eingestellt werden muss, welche durch die Masse (M) des beweglichen Massenteils und der Federkonstante (K) des Auslegers bestimmt ist, der das bewegliche Massenteil haltert. Dies bedeutet jedoch, dass die Sensorstrukturen je nach den einzelnen gewünschten Empfindlichkeiten jeweils unabhängig ausgelegt sein sollten, und dass Sensorvorrichtungen mit jeweils einer geeigneten natürlichen Winkelfrequenz jeweils unabhängig hergestellt werden sollten; das wirft aber das Problem eines Anstiegs bei den Herstellungskosten auf. Die Resonanzwinkelfrequenz ist ein Parameter, der die effektive Erfassungsfrequenz (Bandbreite oder Band) des Sensors bestimmt. Wird die Resonanzwinkelfrequenz reduziert, um die Empfindlichkeit zu verbessern, wird die Bandbreite verschmälert. Auf diese Weise besteht ein Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit des Sensors und der Bandbreite.

Die Empfindlichkeit kann einfach dadurch erhöht werden, dass der anfängliche Abstand verkleinert wird. Dennoch ist das Verhältnis der Dicke H des Aufbaus zum machbaren Abstand g0 (das Längenverhältnis H/g0) in sich eingeschränkt, was die Herstellung anbelangt. Somit kann der Abstand nicht gleich oder kleiner als die Einschränkung sein, und dies bedeutet eine Einschränkung der Verbesserung bei der Empfindlichkeit.

Manchmal tritt ein Anhaften (eine Anzieherscheinung) zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode (zwischen den Elektroden) durch einen bestimmten Unterschied in der Steuerspannung zur Erfassung auf (ein Spannungsunterschied zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode), das im Allgemeinen von der Auslegung der Schaltung zum Erfassen der Kapazitätsveränderung abhängt. Die Anziehschwellenspannung Vth zwischen den Elektroden hängt vom Abstand zwischen den Elektroden und der Federkonstante des das bewegliche Massenteil halternden Auslegers ab. Somit sollte, wenn der Abstand reduziert ist, auch die Anziehspannung reduziert werden, damit ein Anhaften nicht so leicht auftreten kann.

34 zeigt ein Simulationsergebnis, bei den ein Verhältnis zwischen der Anziehspannung Vth und dem Abstand g0 zwischen den Elektroden gezeigt ist. In diesem Beispiel wird die Anziehspannung Vth erhalten, indem ein Abstand g0 zwischen parallelen Flachplattenelektroden als Parameter unter den wie in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen verwendet wird. In diesem Beispiel beträgt die Ausgangskapazität Co (C1 = C2) 1,87 pF, wenn die Sensorvorrichtung eine Resonanzfrequenz von ca. 6,9 kHz in der Hauptachsenverschiebungsrichtung (y-Richtung) und einen anfänglichen Abstand g0 von 5 &mgr;m hat. Die Anziehschwellenspannung Vth berechnet sich durch die folgende Formel:

34 zeigt, dass beispielsweise ein anfänglicher Abstand g0 von 5 &mgr;m eine Vth von ca. 4,95 V erzeugt; ein g0 von 1 &mgr;m eine reduzierte Vth von ca. 0,44 V erzeugt; ein g0 von 0,1 &mgr;m (100 nm) eine weiter reduzierte Vth von 0,014 V erzeugt.

Aus dem Ergebnis dieses Beispiels wird deutlich, dass der Steuerspannungsunterschied sehr klein ausgelegt werden muss, insbesondere um ein Anhaften zu verhindern, wenn der Abstand g0 sehr klein eingestellt ist, so dass die elektrische Erfassungsempfindlichkeit signifikant niedrig sein kann.

Andererseits ist es relativ einfach, die Empfindlichkeit durch elektrische Verstärkung zu senken oder zu erhöhen, wenn ein bestimmter Widerstandswert ausgewählt wird, um den Verstärkungsgewinn eines OP-Verstärkers (Operationsverstärkers) zu senken oder zu erhöhen. Jedoch nimmt das Rauschen in entsprechender Weise zu oder ab; und somit kann im Grunde das SN-Verhältnis (SN – Sensitivity to Noise, also das Rauschempfindlichkeitsverhältnis) nicht verbessert werden. Wird die effektive Erfassungsfrequenz auf einem bestimmten Bemessungswert gehalten und die Empfindlichkeit erhöht, ist es deshalb im Grunde unmöglich, das Rauschempfindlichkeitsverhältnis proportional zur Anstiegsrate der Empfindlichkeit zu erhöhen.

Sensoren, die eine sehr geringe Beschleunigung in der Größenordnung von mG oder &mgr;G zu messen in der Lage sind, haben das Problem, dass, da sie eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweisen, ein Stoß zum Zeitpunkt ihres Anbringens am Messobjekt dazu führen kann, dass sie Schaden nehmen oder die Elektroden aneinander anhaften, so dass sie eine Funktionsstörung aufweisen können.

Wird das bewegliche Massenteil durch eine Trägheitskraft verschoben, kann der Abstand auf der einen Abtastelektrode kleiner werden als der andere, weil die Abtastelektroden feststehend sind. Falls der Abstand nach der Verschiebung deutlich kleiner ist als der anfängliche Abstand (die Verschiebungsrate hoch ist), kann die Nichtlinearität des Sensorausgangs hoch sein.

Im Falle, dass sich die Eingangsbeschleunigung von einem Moment zum nächsten verändert, sollte die Höchstbeschleunigung geschätzt und ein Beschleunigungssensor mit einem die Höchstbeschleunigung einschließenden Bereich verwendet werden. Diese Situation kann das Problem aufwerfen, dass die Messgenauigkeit bei einer geringeren als der Höchstbeschleunigung gesenkt werden muss. Falls zusätzlich die Beschleunigung über den geschätzten Beschleunigungsbereich hinaus erfolgt, können die Elektroden miteinander kollidieren; somit kann der Sensor eine Funktionsstörung aufweisen (wie einen Elektrodenbruch).

Bei einem Beschleunigungssensor der geregelten Art ist die Resonanzwinkelfrequenz des Aufbaus so niedrig, dass die Empfindlichkeit hoch sein kann, während eine erhöhte elektrische Federkonstante und somit eine erhöhte elektrostatische Kraft bereitgestellt werden, um eine Abnahme der Bandbreite und eine Zunahme der Elektrodenverschiebung des beweglichen Massenteils zu unterdrücken, was andernfalls mit niedriger Frequenz verbunden wäre. Was den geregelten Sensor anbelangt, erfordert deshalb eine große Bandbreite oder eine verbesserte Linearität des Sensorausgangs eine hohe elektrische Federkonstante, was einen großen Potentialunterschied zwischen den Elektroden erforderlich macht. Da der Potentialunterschied zwischen den Elektroden von der Energiequelle für die geregelte Schaltung abhängt, kann jedoch die Verbesserung bei Empfindlichkeit, Bandbreite oder Linearität des Sensorausgangs durch die Obergrenze der Energiequelle für die geregelte Schaltung eingeschränkt sein. Andererseits kann ein kleiner Abstand zwischen den Elektroden eine hohe elektrische Federkonstante bereitstellen. Allerdings kann der Abstand nur innerhalb der Einschränkungen der Herstellung klein eingestellt werden.

Beim Trägheitssensor ist die Abtastelektrode oder die bewegliche Elektrode im Allgemeinen auf einem Substrat ausgebildet (damit kontaktiert), das mindestens eine elektrische Isolierung aufweist und somit unterschiedliche Koeffizienten linearer Materialwärmeausdehnung oder eine Verwerfung aufweist, die beim Kontaktieren entstehen. Verändert sich die Temperatur der Sensorvorrichtung, kann sich deshalb auch der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der Abtastelektrode ändern, und der Änderungsbetrag kann schwanken, so dass die zwischen den Elektroden entstandene Kapazität eine Temperaturabhängigkeit aufweisen kann. Diese Situation kann das Problem aufwerfen, dass der ausgegebene Nullpunkt (der Abweichungsausgang) oder die Empfindlichkeit des Sensors schwanken kann.

Bei einem Trägheitssensor der kapazitätserfassenden Art, insbesondere bei einem kapazitätserfassenden Kreiselschwingungssensor, wird die durch bei rotierender Masse prinzipgemäß entstehende Coriolis-Kraft hervorgerufene Verschiebung des beweglichen Massenteils durch eine Veränderung bei der Kapazität erfasst, die zwischen der feststehenden Elektrode und dem beweglichen Massenteil (der beweglichen Elektrode) entsteht. In einem solchen System ist es auch aus demselben Grund wie zuvor zum Beschleunigungssensor erwähnt, relativ schwierig, die Verschiebungsrate oder die Empfindlichkeit zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung zu bilden, welche gerade die Nachteile von feststehenden Abtastelektroden beseitigt.

Somit richtet sich die Erfindung auf eine kapazitive Trägheitserfassung zum Erfassen einer durch Trägheitskraft hervorgerufenen Veränderung der Kapazität eines Sensorbauteils, wobei das Sensorbauteil ein Substrat und einen am Substrat befestigten Aufbau mit einem dazwischen eingehaltenen Abstand umfasst, wobei der Aufbau eine verschiebbare Einheit und mindestens ein Paar Erfassungseinheiten umfasst, um den Verschiebungsbetrag der verschiebbaren Einheit zu erfassen, wobei die verschiebbare Einheit umfasst: ein bewegliches Massenteil, welches in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist; ein Paar Ausleger, welche mit dem beweglichen Massenteil verbunden sind und es in einem Raum über dem Abstand haltern; und ein Paar Anker, welche die Ausleger haltern und am Substrat befestigt sind, und wobei jedes Paar Erfassungseinheiten ein Paar Abtastelektroden umfasst, welche der verschiebbaren Einheit entgegengesetzt angeordnet sind, wobei die Abtastelektroden jeweils derart in einem Raum über dem Substrat gehaltert sind, dass sich ein variabler Abstand zwischen jeder Abtastelektrode und der verschiebbaren Einheit bildet.

Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung können die Abtast elektroden derart auf dem Substrat vorgesehen sein, dass sich ein variabler Abstand zwischen dem beweglichen Massenteil und jeder Elektrode bildet. Bei einem solchen Aufbau ist deshalb der anfängliche Abstand g0 frei variabel. Auf diese Weise ist die Sensorempfindlichkeit in einem einzelnen Sensoraufbau ohne Konstruktionsänderung breit variabel. Zusätzlich kann die Empfindlichkeit ohne elektrische Verstärkung erhöht werden. Somit kann das Rauschempfindlichkeitsverhältnis proportional zur Anstiegsrate der Empfindlichkeit erhöht werden. Wenn der anfängliche Abstand klein eingestellt ist, kann die Anfangskapazität hoch eingestellt werden, und somit kann die Auswirkung von Potentialstreukapazität klein sein, welche andernfalls eine Fehlerursache wäre, so dass das Rauschen oder die Nichtlinearität des Ausgangs des Sensors reduziert werden kann. Zusätzlich verändert sich die Resonanzwinkelfrequenz, die durch die bewegliche Masse und die Feder des diese halternden Auslegers bestimmt wird, im Wesentlichen nicht; somit verändert sich im Prinzip das Erfassungsfrequenzband vorteilhafter Weise nicht (verschlechtert sich nicht).

Bevor der Sensor am zu messenden Objekt befestigt wird, kann der anfängliche Abstand groß eingestellt werden, um eine niedrige Empfindlichkeit zu erzeugen, und, nachdem der Sensor befestigt wurde, kann man die Abtastelektroden sich in einer berührungsfreien Art so bewegen lassen, dass der Abstand so eingestellt werden kann, dass er eine hohe Empfindlichkeit erzeugt. Nach der Befestigung des Sensors kann deshalb die Empfindlichkeit so eingestellt werden, dass eine sehr geringe Beschleunigung wie diejenige in der Größenordnung von mG oder &mgr;G gemessen werden kann. Somit kann auf vorteilhafte Weise verhindert werden, dass der Sensor eine Funktionsstörung bekommt, was ansonsten durch einen Stoß bei der Befestigung der Fall wäre.

Erfindungsgemäß sind, während die verschiebbare Einheit des Sensorbauteils ein bewegliches Massenteil umfassen kann, welches in einem Raum durch ein Paar von Auslegern, die auf dem Substrat befestigt sind, gehaltert wird und in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, mindestens ein Paar von Erfassungseinheiten zum Erfassen der Verschiebung der verschiebbaren Einheit derart auf dem Substrat vorgesehen, dass ein variabler Abstand zwischen der verschiebbaren Einheit und jeder Erfassungseinheit vorhanden ist. Bei einem solchen Aufbau kann jeder anfängliche Abstand frei zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil eingestellt werden. Solch ein Aufbau kann die Empfindlichkeit und das Rauschempfindlichkeitsverhältnis des Sensors erhöhen und seine Temperaturabhängigkeit senken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Draufsicht, die einen Aufbau eines Sensorsbauteils 1A für einen Sensor nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

2 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A des Sensorbauteils 1A von 1;

3 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B des Sensorbauteils 1A von 1;

4 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie C-C des Sensorbauteils 1A von 1;

5 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie D-D des Sensorbauteils 1A von 1;

6 ist eine schematische Darstellung, die eine äquivalente Schaltung des Sensorbauteils 1A von 1 zeigt;

die 7A bis 7E sind schematische Querschnittsansichten (Reihe I), die ein Herstellungsverfahren für das Sensorbauteil 1A von 1 zeigen;

die 8F bis 8I sind schematische Querschnittsansichten (Reihe II), die ein Herstellungsverfahren für das Sensorbauteil 1A von 1 zeigen;

9 ist eine schematische Darstellung (I), die eine Differentialkapazitätserfassungsschaltung für den Sensor nach der ersten Ausführungsform zeigt;

10 ist eine schematische Darstellung, die Taktabläufe zum Ansteuern eines Schalters des Sensors nach der ersten Ausführungsform zeigt;

11 ist eine schematische Darstellung (II), die eine weitere Differentialkapazitätserfassungsschaltung für den Sensor nach der ersten Ausführungsform zeigt;

12 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau des Sensorbauteils 1A von 1 zu dem Zeitpunkt zeigt, wenn sich jede Erfassungseinheit zum beweglichen Massenteil hin bewegen darf;

13 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie D-D des Sensorbauteils 1A von 12;

14 ist eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Sensorausgang und Eingangsbeschleunigung zeigt;

15 ist eine schematische Draufsicht, die einen Aufbau eines Sensorbauteils 1B für einen Sensor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

16 ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht, die den Aufbau des Sensorbauteils 1B von 15 zeigt;

17 ist eine schematische Darstellung, die die Konfiguration des Sensors I nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

18 ist eine schematische Draufsicht, die die Konfiguration eines Sensorbauteils 1C für einen Sensor nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

19 ist eine schematische Darstellung, die die Konfiguration eines Sensors II nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

20 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Arbeitsablauf zeigt, der im Sensor II nach der vierten Ausführungsform der Erfindung abläuft;

21 ist eine schematische Darstellung, die die Konfiguration eines Sensors III nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt;

22 ist eine schematische Draufsicht, die einen Aufbau eines Sensorbauteils IE für einen Sensor nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

23 ist eine schematische Draufsicht des rückseitigen Aufbaus des Sensorbauteils 1E von 22;

24 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A des Sensorbauteils 1E von 22;

25 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B des Sensorbauteils 1E von 22;

die 26A bis 26H sind schematische Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren für das Sensorbauteil 1E von 22 zeigen;

27 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau des Sensorbauteils 1E von 22 zu dem Zeitpunkt zeigt, wenn sich jede Erfassungseinheit zum beweglichen Massenteil hin bewegen darf;

28 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Aufbau des Sensorbauteils 1E von 22 zu dem Zeitpunkt zeigt, wenn sich jede Erfassungseinheit zum beweglichen Massenteil hin bewegen darf;

29 ist eine schematische Darstellung, die den Schaltungsaufbau eines geregelten Sensors IV nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

30 ist eine schematische Darstellung, die eine Temperaturabhängigkeit eines Abweichungsausgangs V0 zeigt;

31 ist eine schematische Darstellung, die eine Temperaturabhängigkeit eines Elektrodenabstands g1 bzw. g2 zeigt;

32 ist eine schematische Darstellung, die einen Aufbau einer Abweichungsausgleichseinrichtung eines Sensors V nach einer achten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

33 ist eine schematische Darstellung, die eine Temperaturabhängigkeit einer in 32 gezeigten Steuerspannung Vd1 bzw. Vd2 zeigt; und

34 ist eine grafische Darstellung, die ein Simulationsergebnis im Hinblick auf das Verhältnis zwischen der Anziehschwellenspannung und dem Abstand zwischen den Elektroden zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

1 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau eines Sensorbauteils für einen kapazitiven Trägheitssensor nach einer ersten Ausführungsform zeigt; 2 ist eine Querschnittsansicht von 1 entlang der Linie A-A; 3 ist eine Querschnittsansicht von 1 entlang der Linie B-B; 4 ist eine Querschnittsansicht von 1 entlang der Linie C-C; und 5 ist eine Querschnittsansicht von 1 entlang der Linie D-D.

Mit Bezug auf 1 umfasst das Sensorbauteil ein Substrat 10, das beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht auf seiner Fläche aufweist, eine auf deren Oberfläche untergebrachte verschiebbare Einheit 2 und ein Paar von Erfassungseinheiten 7A und 7B, wobei die verschiebbare Einheit 2 jedem Paar von Erfassungseinheiten 7A und 7B entgegengesetzt angeordnet und um einen bestimmten Abstand von jeder der Erfassungseinheiten 7A und 7B getrennt ist. Das Substrat 10 kann ein Siliziumsubstrat mit einer Oxidschicht, Nitridschicht oder dergleichen auf seiner Oberfläche sein, oder ein elektrisch isolierendes Substrat wie eine Glasplatte.

Mit Bezug auf 2 umfasst die verschiebbare Einheit 2 ein bewegliches Massenteil 21, welches in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, ein Paar von Auslegern 22 und 22, welche mit dem beweglichen Massenteil 21 verbunden sind, um das Teil 21 in einem Raum über dem Abstand 11 zu haltern, ein Paar von Ankern 23 und 23, welche die Ausleger 22 und 22 haltern und jeweils mit dem Substrat 10 verbunden sind, und einen auf der Oberfläche eines der Anker ausgebildeten Anschluss 24. In dieser Ausführungsform ist das bewegliche Massenteil 21 im Ansprechen auf Trägheitskraft durch die Biegeelastizität jedes Auslegers 22 in Richtung der y-Achse verschiebbar.

Der Aufbau des Paars von Erfassungseinheiten 7A und 7B wird nun nachstehend durch die Darstellung der Erfassungseinheit 7A beschrieben. Die Erfassungseinheit 7A umfasst eine Erfassungselektrodeneinheit 3A und eine Steuereinheit 5A, die beide über eine Isolierschicht 4A angeschlossen sind. Bei diesem Aufbau weist die Erfassungselektrodeneinheit 3A ein Paar von entgegengesetzten Seitenflächen auf, wovon eine mit der elektrisch isolierenden Schicht 4A verbunden und die andere durch einen bestimmten Abstand g0 von der Seitenfläche des beweglichen Massenteils 21 getrennt und der Seitenfläche des beweglichen Massenteils 21 entgegengesetzt angeordnet ist. Mit Bezug auf 3 umfasst die Erfassungselektrodeneinheit 3A eine Abtastelektrode 31a, welche in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, ein Paar von Auslegern 32a und 32a, welche jeweils mit der Abtastelektrode 31a verbunden sind, um sie in einem Raum über dem Abstand 11 zu haltern, ein Paar von Ankern 33a und 33a, welche die Ausleger 32a und 32a haltern und am Substrat 10 befestigt sind, und einen Anschluss 34a, der auf einer Fläche eines der Anker ausgebildet ist. Mit Bezug auf 5 umfasst die Steuereinheit 5A ein Paar von feststehenden Elektroden 55a und 56a, die parallel angeordnet und auf dem Substrat 10 befestigt sind, eine Steuerelektrode 51a, welche die feststehenden Elektroden 55a und 56a umgibt und in der horizontalen Richtung über der Oberfläche des Substrats 10 bewegbar ist, ein Paar von Auslegern 52a und 52a, welche jeweils mit der Steuerelektrode 51a verbunden sind, um die Elektrode 51a in einem Raum über dem Abstand 11 zu haltern, ein Paar von Ankern 53a und 53a, welche die Ausleger 52a und 52a haltern und am Substrat 10 befestigt sind, einen Anschluss 54a, der auf der Fläche eines der Anker ausgebildet ist, und Anschlüsse 57a und 58a, die jeweils auf der Fläche der feststehenden Elektroden 55a bzw. 56a ausgebildet sind.

Aus nachstehend beschriebenen Gründen muss die Abtastelektrode von der Steuerelektrode elektrisch isoliert sein. Die Steuerelektrode stellt den Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil durch ihre physikalische Ortsveränderung ein. Somit wird bevorzugt, dass sich die Steuer- und die Abtastelektrode in der Struktur gemeinsam verschieben sollten. Wenn sie an eine Differentialkapazitäterfassungsschaltung angeschlossen ist, ist es unwahrscheinlicher, dass die Abtastelektrode fest auf ein konstantes Potential eingestellt werden kann (beispielsweise liegt kein festes Potential an der Elektrode in der wie in 9 gezeigten Schaltung an). Hingegen sollte die Steuerelektrode fest auf das gewünschte Potential (bzw. Gnd- oder Massepotential) eingestellt sein, damit der Potentialunterschied zwischen der Steuerelektrode und dem Paar von feststehenden Elektroden, die parallel angeordnet sind, so auf dem gewünschten Wert gehalten werden kann, dass mittels Gleichstrom eine stabile Verschiebung erzielt werden kann. Deshalb müssen die Abtast- und die Steuerelektrode voneinander elektrisch isoliert sein, damit beide unabhängig jede Funktion erfüllen können.

6 zeigt eine elektrisch äquivalente Schaltung des Sensorbauteils für die Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform. Die äquivalente Schaltung umfasst einen Differentialkapazitäterfassungsabschnitt 80 und einen Erfassungsempfindlichkeitserfassungsabschnitt 81. Der Differentialkapazitäterfassungsabschnitt 80 umfasst einen Kondensator 60 mit einer Kapazität C1, der zwischen dem beweglichen Massenteil 21 und einer Abtastelektrode 31a ausgebildet ist, und einen Kondensator 61 mit einer Kapazität C2, der zwischen dem beweglichen Massenteil 21 und der anderen Abtastelektrode 31b ausgebildet ist. Das bewegliche Massenteil 21 und das Paar von Abtastelektroden 31a und 31b weisen jeweils Anschlüsse 24, 34a und 34b auf.

Der Erfassungsempfindlichkeitserfassungsabschnitt 81 umfasst einen Kondensator 66 mit einer Kapazität Ci1, der aus der Abtastelektrode 31a der einen Erfassungseinheit 7A, der elektrisch isolierenden Schicht 4A und der Steuereinheit 5A besteht, einen Kondensator 67 mit einer Kapazität Ci2, der aus der Abtastelektrode 31b der anderen Erfassungseinheit 7B, einer elektrisch isolierenden Schicht 4B und einer Steuereinheit 5B besteht, Kondensatoren 62 und 63 mit Kapazitäten C1b bzw. C1a, die jeweils zwischen den feststehenden Elektroden 55a und 56a der einen Erfassungseinheit 7A und der Steuerelektrode 51a ausgebildet sind, und Kondensatoren 64 und 65 mit Kapazitäten C2a bzw. C2b, die jeweils zwischen den feststehenden Elektroden 55b und 56b der anderen Erfassungseinheit 7B und einer Steuerelektrode 51b ausgebildet sind. Ein Anschluss 54a ist am Anker 53a der Steuereinheit 5Aausgebildet; Anschlüsse 57a und 58a sind jeweils auf den feststehenden Elektroden 55a und 56a ausgebildet; ein Anschluss 54b ist auf einem Anker 53b der Steuereinheit 5B ausgebildet; und Anschlüsse 57b und 58b sind jeweils auf den feststehenden Elektroden 55b und 56b ausgebildet. Diese Anschlüsse sind jeweils elektrisch an die nachfolgende Schaltung oder eine Stromversorgung angeschlossen.

Mit Bezug auf die schematischen Schnittansichten der 7A bis 7E und 8F bis 8I erfolgt nachstehend eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens für das Sensorbauteil nach dieser Ausführungsform. Die 7A bis 7E und 8F bis 8I entsprechen jeweils einer Querschnittsansicht entlang der Linie E-E von 1. Zunächst wird ein SOI-Substrat (SOI – Silicon On Insulator) bereitgestellt, dessen Oberflächenabschnitt eine ca. 40 &mgr;m dicke, aktive Siliziumschicht 92 aufweisen kann, in welche ein Störstoff mit hoher Konzentration diffundiert ist, und eine ca. 1 &mgr;m dicke, unter der Schicht 92 angeordnete Siliziumoxidschicht 91 (7A). Eine ca. 1 &mgr;m dicke Siliziumoxidschicht 93 kann auf der Oberfläche der aktiven Siliziumschicht 92 ausgebildet werden.

Die Zone der wie in 1 gezeigten elektrisch isolierenden Schicht 4A wird dann wie folgt ausgebildet. Die Siliziumoxidschicht 93 wird teilweise durch Photolithographie oder Nassätzen entfernt, und dann wird die aktive Siliziumschicht 92 unter der Schicht 93 durch ICP-RIE (Inductive Coupled Reactive Ion Etching – induktives, gekoppeltes Reaktionsionenätzen) o. dgl. abgetragen, um einen Graben 94 zu bilden (7B). Eine ca. 2500 Angström dicke Nitridschicht 95 wird dann durch LPCVD (chemisches Niedrigdruckdampfabscheidungsverfahren) (7C) über dem Graben 94 und der Siliziumoxidschicht 93 ausgebildet. Dann wird durch LPCVD eine Polysiliziumschicht 96 über der Nitridschicht 95 ausgebildet und der Graben 94 mit Polysilizium gefüllt (7D).

Dann wird die Polysiliziumschicht 96 mit Ausnahme des Polysiliziumabschnitts 97 im Graben 94 durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren) (7E) entfernt. Der Oberflächenabschnitt des Polysiliziumabschnitts wird dann durch Wärme oxidiert, damit sich eine Siliziumoxidschicht 98 bildet, und dann wird die Nitridschicht 95 durch RIE o. dgl. derart entfernt, dass nur der auf der Seite und am Grund des Polysiliziumabschnitts 97 befindliche Abschnitt als Polysiliziumschutzabschnitt 95a zurückbleibt (8F). Beim Prozess zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts wird die Siliziumschicht 93 teilweise entfernt und dann Al oder Cr/Au durch Sputtern aufgetragen und durch ein Abhebeverfahren o. dgl. strukturiert, um eine Anschlussstelle 100 zu bilden (8G). Beim Prozess zur Ausbildung einer Siliziumstruktur wird die Oxidschicht 93 in die gewünschten Gestaltung strukturiert und geätzt (8G). Die aktive Siliziumschicht 92 wird dann durch ICP-RIE zu einer bestimmten Struktur geätzt (8H). Nassätzen mit Fluorwasserstoffsäure o. dgl. wird dann durchgeführt, um die Siliziumoxidschicht 91 so zu entfernen, dass nur der Abschnitt einer Ankersiliziumoxidschicht 103 zur Ausbildung eines unteren Abschnitts des Ankers zurückbleibt. In diesem Prozess wird nur die Ankersiliziumoxidschicht 103 zurückgelassen, indem die Endzeit des Ätzvorgangs gesteuert wird. Die durch den vorstehend beschriebenen Prozess entstandene Siliziumstruktur umfasst: einen Ankerabschnitt 101, der die Ankersiliziumschicht 103 umfasst, die den unteren Abschnitt des Ankers bildet, und eine Ankersiliziumschicht 102, die den oberen Abschnitt des Ankers bildet; einen Ausleger 104 der Steuereinheit, der vom Ankerabschnitt 101 gehaltert wird; eine Steuerelektrode 105 der Steuereinheit 105, die mit dem Ausleger 104 verbunden ist; eine elektrisch isolierende Schicht 107, die mit der Steuerelektrode in Kontakt ist und den Polysiliziumabschnitt 97 und den Polysiliziumschutzabschnitt 95a umfasst, mit dem der Polysiliziumabschnitt mit Ausnahme der Oberseite bedeckt ist; eine Abtastelektrode 106, die mit der elektrisch isolierenden Schicht 107 in Kontakt ist; und ein bewegliches Massenteil 108, welches um einen Abstand g0 von der Elektrode 106 getrennt und der Elektrode 106 entgegengesetzt angeordnet ist, wobei die Siliziumstruktur beweglich ist.

Es erfolgt eine Beschreibung des grundlegenden Betriebs des Sensorbauteils für die Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform.

Wenn eine Trägheitskraft in der +y-Richtung auf das bewegliche Massenteil wirkt und eine Verschiebung u in der +y-Richtung hervorruft, verändern sich die Erfassungskapazitäten C1 und C2 in etwa wie folgt: C1 = C0/(1 – u/g0), C2 = C0/(1 + u/g0)(2) worin C0 eine Kapazität zu der Zeit ist, wenn das bewegliche Massenteil nicht verschoben und annähernd mit dem Abstand g0 zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode, dem Passflächenbereich S und der dielektrischen Konstante &egr; durch die folgende Formel berechnet wird: C0 = &egr;S/g0(3)

Die durch die Verschiebung u induzierte Kapazitätsveränderung kann einen Spannungsausgang Vout erzeugen, wie beispielsweise unten durch eine Differentialkapazitäterfassungsschaltung (einen Strom-/Spannungswandler) (in 9 gezeigt) dargestellt ist, wie im japanischen Patent Nr. 3125675 offenbart ist.

Mit Bezug auf 9 umfasst die Schaltung ein Sensorbauteil 115, einen Operationsverstärker oder OP-Verstärker A1, einen Rückkopplungs- und Abtastkondensator 113 (mit einer Kapazität C3), und einen Haltekondensator 114 (mit einer Kapazität C4). Ein einzelner Operationsverstärker A1, der Rückkopplungs- und Abtastkondensator 113 und der Haltekondensator 114 bilden einen Kondensatorschaltkreis und eine Spannungshalte- und Rückkopplungsschaltung 116.

Beim zeitlichen Ablauf des wie in 10 gezeigten Taktsignals &PHgr;1 wird eine Ladung Q3 durch eine Eingangsabweichungsspannung VOS des OP-Verstärkers im Rückkopplungs- und Abtastkondensator 113 gespeichert. In den Kondensatoren 111 und 112, welche das Sensorbauteil 115 bilden, werden jeweils Ladungen Q1 und Q2 gespeichert. Q1 = [Vs – (Vos + Vm)]·C1Q2 = (Vos + Vm)·C2Q3 = Vos·C3(4) worin Vm ein Potential eines invertierenden Eingangsanschlusses des OP-Verstärkers zu einer bestimmten Abtastzeit am Taktsignal &PHgr;1 und Vs eine Eingangsstromversorgungsspannung darstellt.

Ein Unterschied &Dgr;Q der jeweils in den Kondensatoren 111 und 112 gespeicherten Ladungen wird beim zeitlichen Ablauf des Taktsignals &PHgr;2 in einen Potentialunterschied &Dgr;V mit der Summe der kombinierten Kapazitäten der Kondensatoren 113, 111 und 112, C1 + C2 + C3 umgewandelt. Dabei wird der Ausgangsanschluss des OP-Verstärkers synchron mit dem Taktsignal &PHgr;2 mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des OP-Verstärkers verbunden; und somit wird der Potentialunterschied &Dgr;V dem OP-Verstärker als Unterschied zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Potential zur Verfügung gestellt. Somit nimmt der Ausgang des OP-Verstärkers je nach dem Vorzeichen des Potentialunterschieds &Dgr;V zu oder ab. Je nach dem Potential von Vout fließt Ladung aus dem OP-Verstärker in den Kondensator 114 oder aus dem Kondensator 114, und beim zeitlichen Ablauf des Taktsignals &PHgr;1 bleibt die Spannung zwischen den Anschlüssen des Kondensators 114 auf einem Potentialpegel zur Zeit unmittelbar, bevor das Taktsignal &PHgr;2 einen Niedrigpegel erreicht. Dieser Vorgang wird wiederholt, damit der Ausgang des OP-Verstärkers eine konstante Spannung Vout erreicht, damit die Kondensatoren 111 und 112 dieselbe Ladung speichern können.

Somit wird die folgende Formel festgelegt: Vs = (Q1 – Q2 + Q3)/(C1 + C2 + C3)(5)

Ein Einsetzen der Formel (4) in Formel (5) und eine Neuanordnung ergibt die folgende Formel: Vout = [C1/(C1 + C2)]·Vs(6)

Ein Einsetzen der Formel (2) in Formel (6) und eine Neuanordnung ergibt die folgende Formel: Vout = (1 + u/g0)·Vs/2(7) worin Vs eine Erfassungsschaltungssteuerspannung ist.

Wirkt eine Trägheitskraft einer Gleichstrombeschleunigung A auf das bewegliche Massenteil, wird die Verschiebung u des verschiebbaren Massenteils durch die Formel dargestellt: u = MA/K(8)

Die Sensorausgangsempfindlichkeit St pro Trägheitskrafteinheit wird durch die folgende Formel dargestellt: St = MVs/(2g0K) = Vs/(2g0&ohgr;2)(9) worin K eine Federkonstante der Feder (Ausleger) und M die Masse des beweglichen Massenteils ist.

Somit kann es drei Wege geben, die Empfindlichkeit St zu verbessern: die Resonanzwinkelfrequenz &ohgr;2 (= K/M) des Schwingungssystems niedrig auszulegen; den Abstand g0 klein auszulegen; und die Erfassungsschaltungssteuerspannung Vs hoch auszulegen.

Beim Konstruktionsprozess für eine herkömmliche Sensorvorrichtung wird die Resonanzwinkelfrequenz &ohgr;2 oftmals niedrig ausgelegt, um die Sensorausgangsempfindlichkeit zu erhöhen. Und zwar, weil der Auslegungsspielraum für die Erfassungsschaltungssteuerspannung nicht so groß ist. Jedoch führt eine niedrige Resonanzwinkelfrequenz zu Einschränkungen des effektiven Frequenzbereichs (Bandbreite und Band) aufgrund der Resonanzwinkelfrequenz, und somit sollte ein Kompromiss zwischen Sensorausgangsempfindlichkeit und Band gefunden werden. Der Wert des Abstands g0 ist hingegen beim Sensorbauteil dieser Ausführungsform variabel, wodurch die Sensorausgangsempfindlichkeit erhöht werden kann und die Bandbreite des Sensorausgangs im Grunde nicht eingeschränkt wird.

In dieser Ausführungsform kann das Verhältnis zwischen einer Obergrenze zur messbaren Frequenz und dem Rauschempfindlichkeitsverhältnis deutlich verbessert werden, was beim herkömmlichen kapazitiven Beschleunigungssensor schwer zu bewerkstelligen war. Die Obergrenze zur messbaren Frequenz wird durch die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems eingeschränkt, welche durch die bewegliche Masse M und die Federkonstante des die Masse halternden Auslegers bestimmt wird. In dieser Ausführungsform ist es jedoch möglich, die Resonanzfrequenz hoch und somit den effektiven Frequenzbereich groß auszulegen. Nach Formel (9) sinkt die Empfindlichkeit im umgekehrten Verhältnis zum Quadrat der Resonanzwinkelfrequenz &ohgr;. Wird jedoch der Abstand g mittels der Abstandveränderungsfunktion klein ausgelegt, kann eine Abnahme bei der Empfindlichkeit vermieden oder unterdrückt werden. Auf diese Weise kann eine Messung bis in einen bestimmten Frequenzbereich vorgenommen werden, der bisher mit dem herkömmlichen kapazitiven Sensor schwer zu messen war.

Nun erfolgt eine Beschreibung einer Einrichtung zum Verändern des Abstands g0.

Zum Beispiel kann das Verfahren zum Anlegen einer Spannung an die Differentialkapazitäterfassungsschaltung eingesetzt werden, das im japanischen Patent Nr. 3125675 beschrieben ist. 11 zeigt Spannungen, die an die Anschlüsse 57a, 57b, 58a und 58b des Erfassungsabstandeinstellabschnitts 81 angelegt werden, indem die entsprechende Schaltung von 9 verwendet wird. 12 ist eine schematische Draufsicht, die den Zustand des Sensorbauteils 1 zu der Zeit zeigt, zu der die Erfassungseinheiten 3A und 3B näher an das bewegliche Massenteil 21 herangebracht werden. 13 ist eine schematische Querschnittsansicht von 1 entlang der Linie A-A.

In diesem Beispiel sind die Anschlüsse 54a und 54b der Steuereinheiten 5A und 5B jeweils an elektrische Masse (Gnd) gelegt; die Anschlüsse 57a und 57b, die mit den feststehenden Elektroden 56a und 56b in Verbindung stehen, sind jeweils an Masse gelegt; und die Anschlüsse 58a und 58b, die mit den Elektroden 55a und 55b in Verbindung stehen, sind jeweils an eine Spannungsquelle V1 angeschlossen. Somit wirkt eine elektrostatische Anziehung zwischen der feststehenden Elektrode 55a und der Steuerelektrode 51a, die vom Potentialunterschied V1 und der Luftspaltkapazität C1a zwischen der feststehenden Elektrode 55a und der Steuerelektrode 51a abhängt, so dass die Erfassungseinheit 3A um ua in der Bewegungsrichtung zum beweglichen Massenteil 21 hin verschoben wird. Die Erfassungseinheit 3B wird auch durch dieselbe Einrichtung um ua in der Bewegungsrichtung zum beweglichen Massenteil 21 hin verschoben. Somit wird der Abstand zwischen dem beweglichen Massenteil 21 und der Abtastelektrode 31a bzw. 31b um ua vom anfänglichen g0 auf g1 reduziert.

Im Ergebnis wird die Ausgangsspannung Vout' des vorliegenden Sensorbauteils durch die Formel dargestellt: Vout' = (1 + u/g1)·Vs/2(10)

Die Sensorempfindlichkeit St' wird durch die Formel dargestellt St' = Vs/(2g1&ohgr;2)(11)

Somit stellen sich die Empfindlichkeiten vor und nach der Verschiebung der Erfassungseinheit durch die Formel dar: St'/St = g0/g1(12)

Dies zeigt an, dass die Empfindlichkeit erhöht werden kann, wenn g1 kleiner ausgelegt wird.

14 zeigt ein Beispiel des Verhältnisses zwischen dem Sensorausgang und der Eingangsbeschleunigung, bei dem sich die Erfassungseinheit so bewegen darf, dass der anfängliche Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil drei verschiedene Werte ga, gb und gc erreicht. Im Hinblick auf jeden Abstand ist ein lineares Verhältnis zwischen dem Sensorausgang und der Eingangsbeschleunigung gegeben, bei dem der Gradient der geraden Linie die Sensorempfindlichkeit ergibt. Der Abstand variiert in der Größenordnung von ga > gb > gc, und die Sensorempfindlichkeiten St1, St2 und St3 entsprechen jeweils den anfänglichen Zwischenräumen ga, gb und gc. Das wie in 14 gezeigte Ergebnis zeigt an, dass der kleinste anfängliche Abstand gc die höchste Empfindlichkeit erzeugt. Wird das Brownsche Rauschen vernachlässigt, sollte andererseits die gesamte Rauschbreite N des Sensorausgangs konstant sein, ungeachtet der Größe des anfänglichen Abstands, wie durch den diagonal schraffierten Bereich in der Zeichnung gezeigt ist. Wenn die Erfassungseinheit sich so bewegen darf, dass sie einen kleineren anfänglichen Abstand erzeugt, kann der Sensor somit ein höheres Rauschempfindlichkeitsverhältnis haben.

In manchen Fällen können im Hinblick auf die allgemeine Ursache für eine Zunahme des Sensorrauschens oder eine Verschlechterung bei der Genauigkeit Streukapazitäten, welche zwischen den jeweiligen Elektroden zwischen Verdrahtungen zum elektrischen Anschluss (wie Leitungen, Kontaktierungsdrähten und Kontaktflecken) oder aus der Eingangskapazität der Erfassungsschaltung entstehen, im Verhältnis zur anfänglichen Kapazität Co des Kondensators unvernachlässigbar hoch sein. Wenn der anfängliche Abstand klein eingestellt ist, geht jedoch aus Formel (3) hervor, dass die anfängliche Kapazität Co hoch eingestellt werden kann. Somit kann der Einfluss der Streukapazität so reduziert werden, dass das Rauschen reduziert und die Genauigkeit erhöht werden kann.

Jede Differentialkapazitäterfassungsschaltung kann verwendet werden, welche die Funktionen aufweist, die Verschiebung des beweglichen Massenteils zu messen und sie zu einem Spannungsausgang (elektrischen Ausgang) umzusetzen. Insbesondere in dem wie in 9 gezeigten Strom-/Spannungswandler wird das Potential der beweglichen Elektrode auf eine Weise bestimmt, dass dieselbe Ladung in den beiden Erfassungskondensatoren C1 und C2, die zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil ausgebildet sind, gespeichert werden kann und somit die elektrostatische Anziehung zwischen den jeweiligen Elektroden relativ gering ausgelegt werden kann. Die wie in 11 gezeigte Kombination der beweglichen Erfassungseinheit und des Strom-/Spannungswandlers vom Ladungsausgleichstyp kann den signifikanten Vorteil haben, das die Anzieherscheinung selbst dann kaum auftreten kann, wenn der anfängliche Abstand für höhere Empfindlichkeit sehr klein eingestellt ist.

Der Strom-/Spannungswandlers vom Ladungsausgleichstyp ist nicht auf den wie in 9 gezeigten Wandler beschränkt. Es ist auch jeder andere Wandler anwendbar, der das System aufweist, bei dem eine entsprechende Ladung zwischen dem beweglichen Massenteil und jeder Abtastelektrode gespeichert werden kann.

In dieser Ausführungsform kann man die Erfassungseinheit sich auch auf eine solche Weise bewegen lassen, dass der anfängliche Abstand zunimmt. Beispielsweise kann das Problem bestehen, dass der Sensor aufgrund eines übermäßigen Stoßes G, der entsteht, wenn der Sensor am Objekt zur Messung einer sehr geringen Beschleunigung von beispielsweise in Höhe einiger mG oder &mgr;G befestigt wird, bricht oder eine Funktionsstörung an den Tag legt. Um einem solchen Problem entgegenzuwirken, kann der anfängliche Abstand, bevor der Sensor am Objekt befestigt wird, groß ausgelegt werden, um eine niedrige Empfindlichkeit zu erzeugen. Um eine sehr geringe Beschleunigung zu messen, kann der anfängliche Abstand dann elektrisch klein ausgelegt werden, so dass die Erfassungsempfindlichkeit durch einen externen elektrischen Vorgang auf berührungslose Weise hoch ausgelegt werden kann. Somit kann verhindert werden, dass der Sensor bei der Befestigung durch einen übermäßigen Stoß G bricht oder eine Funktionsstörung an den Tag legt.

Beispielsweise kann das nachstehende Verfahren eingesetzt werden, um den anfänglichen Abstand groß auszulegen (die Empfindlichkeit zu senken). Um die Empfindlichkeit zu senken, wird das Potential im Vergleich zu der in 9 gezeigten umgekehrten Weise an die feststehenden Elektroden angelegt. Insbesondere werden die Anschlüsse 58a und 58b auf Massepotential eingestellt, und die Anschlüsse 57a und 57b werden auf das Potential V1 eingestellt, so dass die Erfassungseinheiten 3A und 3B jeweils in der y-Richtung verschoben werden, um vom beweglichen Massenteil 21 entfernt zu sein. Auf diese Weise wird der anfängliche Abstand g0 um ub vergrößert, und g2 wird größer als g0 (g2 > g0), so dass die Sensorempfindlichkeit von derjenigen des anfänglichen Abstands g0 gesenkt werden und der Eingangsbeschleunigungsbereich weiter sein kann.

In dieser Ausführungsform wird zur Darstellung eine Kombination des Potentials V1 und des Massepotentials (Gnd) zum Anlegen von Spannung an die feststehenden Elektroden verwendet. Jedoch kann auch jede beliebige Kombination aus jedem Steuereinheitspotential und jedem feststehenden Elektrodenpotential ohne Einschränkung verwendet werden. Der Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil kann durch eine Gesamtsteuerung der elektrostatischen Anziehung auf den gewünschten Wert eingestellt werden.

Nun erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels des Verfahrens zum Kalibrieren der Sensorempfindlichkeit und eines Beispiels der Art und Weise, die Spannung zu regeln, die an jede feststehende Elektrode angelegt wird. Die Kalibrierung der Sensorempfindlichkeit ist ein Vorgang, ein Abstandpaar, das zwischen dem beweglichen Massenteil ausgebildet ist bzw. das Paar von Abtastelektroden elektrisch aufeinander abzustimmen. Wirkt keine Trägheitskraft, ist der Betrag der Verschiebung u des beweglichen Massenteils 0, und somit wird im Hinblick auf die Nullpunktausgabe des Sensors (Abweichungsausgang) die Formel Vout = Vs/2 ideal aus der Formel (1) und (2) hergestellt.

In dieser Ausführungsform werden beispielsweise einige Spannungen (0 < V1 < V2 < V3 ...) an die eine feststehende Elektrode 55a der Steuereinheit 5A im Sensorbauteil angelegt. Dann kann eine Spannungssteuerung so an der feststehenden Elektrode 55b der Steuereinheit 5B vorgenommen werden, dass der Abweichungsausgabewert jedes Mal, wenn Spannung angelegt wird, gleich V2/2 sein kann. Bei diesem Vorgang wird die zur feststehenden Elektrode 55b geleitete Spannung moduliert, während der Wert des Sensorausgangs Vout mit V2/2 verglichen wird. Ist der Sensorausgang Vout höher als V2/2, wird die auf die feststehende Elektrode 55b wirkende Spannung erhöht. Durch einen solchen Vorgang wird die Abweichungsspannung auf V2/2 eingestellt, wenn Spannung an die feststehenden Elektroden 55a und 55b angelegt wird. Die feststehenden Elektroden 56a und 56b werden auf Massepotential eingestellt. Somit wird jede Spannung, die an die feststehende Elektrode 55b (V1', V2', V3' ...) angelegt werden soll, bei welcher der Abweichungsausgang auf V2/2 eingestellt werden kann, in Abhängigkeit von jeder an die feststehende Elektrode 55a angelegte Spannung (V1', V2', V3' ...) bestimmt. Die Paare der Spannungen (V1, V1'), (V2, V2') etc. entsprechen den wie jeweils eingestellten Zwischenräumen g1, g2, etc., und entsprechen auch jeweils den Sensorempfindlichkeiten S1, S2, etc.

Danach kann der Sensor mit jeder beliebigen Beschleunigung beaufschlagt werden, indem eine Skaker- oder Schwerebeschleunigung verwendet und dann die Ausgangsspannung geprüft oder die elektrische Verstärkung moduliert wird, bevor die Kalibrierung der Sensorempfindlichkeit abgeschlossen wird. Eine solche Serie von Spannungsbeaufschlagungsdaten und die entsprechenden Empfindlichkeitsdaten (mV/G-Daten) werden während der Sensorkalibrierung elektrisch in einen EPROM eingeschrieben. Auf der Basis dieser eingeschriebenen Daten kann der Benutzer des Sensors später die gewünschte Empfindlichkeit digital abrufen.

In einem Fall, bei dem das bewegliche Massenteil durch statische Schwerebeschleunigung zu einer der Abtastelektroden hin verschoben wird, kann jedes Verfahren, das ähnlich dem vorstehenden Kalibrierungsverfahren ist, zur Bestimmung der an die feststehenden Elektroden anzulegenden Spannung verwendet werden, damit das Paar von Zwischenräumen zwischen dem beweglichen Massenteil und den Abtastelektroden zueinander gleich sein, nämlich der Abweichungsausgang auf einen spezifischen Wert (Vs/2) eingestellt werden kann. Im Allgemeinen nimmt die Nichtlinearität des Sensorausgangs mit der Verschiebungsrate zu. Wird jedoch der Abweichungsausgang auf den spezifischen Wert (Vs/2) gesteuert, können die Zwischenräume zwischen dem beweglichen Massenteil und den Abtastelektroden zueinander gleich sein. Somit kann die Nichtlinearität des Sensorausgangs im Hinblick auf jede andere als Schwerebeschleunigung konstant niedrig gehalten werden.

Zweite Ausführungsform

15 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Sensorbauteils 1B für einen Sensor nach dieser Ausführungsform zeigt; 16 ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht, die den Aufbau einer Steuereinheit 5C des Sensorbauteils 1B zeigt; und 17 ist eine schematische Darstellung, die die Konfiguration eines Sensors I zeigt, der das Sensorbauteil 1B verwendet.

Das wie in 1 gezeigte Sensorbauteil der ersten Ausführungsform besitzt ein Paar von feststehenden Elektroden, welche in der Steuereinheit parallel angeordnete Flachplattenelektroden und eine Steuerelektrode (Massepotential) umfassen. In einem solchen Fall kann die elektrostatische Anziehung, die zwischen der Steuerelektrode und dem Paar von feststehenden Elektroden entsteht, proportional umgekehrt zum Quadrat des Abstands sein; somit kann das Verhältnis zwischen der Verschiebung und dem Differentialunterschied zwischen den Elektroden nichtlinear sein. Zusätzlich kann eine große Verschiebung eine Anhafterscheinung zwischen der feststehenden Elektrode und der Steuerelektrode hervorrufen. Deshalb kann beispielsweise die Steuereinheit eine kammförmige Steuereinheit sein, wie sie in 1 von P.G. Harwell et al., „Single Mask Lateral Tunneling Acceleromete", IEEE, Micro Electro Mechanical System Symposium, S. 340 – 344, 1998 (MEMS98) offenbart ist. Bei solch einer kammförmigen elektrostatischen Steuereinheit hat der Potentialunterschied zwischen der feststehenden Elektrode und der Steuereinheit ein lineares Verhältnis zur Verschiebung der Steuereinheit. Wenn die Kalibrierung durchgeführt wird, hat deshalb das Potential der feststehenden Elektrode ein lineares Verhältnis zur Empfindlichkeit, und somit können die Kalibrierungsdaten einfach behandelt werden. Ein solcher Aufbau hat auch das Verdienst, dass die Anzieherscheinung kaum auftreten kann, was ansonsten bei parallel angeordneten Flachplattenelektroden auftreten könnte.

Das Sensorbauteil nach dieser Ausführungsform kann denselben Aufbau haben wie das Sensorbauteil 1A nach der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die Steuereinheit umfasst: ein Paar von kammförmigen Elektroden als feststehende Elektroden; und kammförmige Vorsprünge, welche auf der Steuerelektrode vorgesehen und den kammförmigen Elektroden entgegengesetzt angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen jedem Vorsprung und jeder kammförmigen Elektrode vorgesehen ist. Insbesondere sind in einer Steuereinheit 5C kammförmige Vorsprünge 511c und 512c einer Steuerelektrode 51c den kammförmigen feststehenden Elektroden 56c und 55c entgegengesetzt, jeweils mit einem Abstand zwischen diesen vorgesehen. Auch in einer Steuereinheit 5D sind kammförmige Vorsprünge einer Steuerelektrode 51d den kammförmigen feststehenden Elektroden 56d und 55d entgegengesetzt, jeweils mit einem Abstand zwischen diesen vorgesehen.

Bei einem solchen Aufbau wird durch ein wie in 12 gezeigtes Verfahren Spannung an die feststehenden Elektroden angelegt. Insbesondere sind Anschlüsse 54c und 54d der Steuereinheiten 5C und 5D jeweils an elektrische Masse (Gnd) gelegt; ein mit der kammförmigen feststehende Elektrode 56d in Verbindung stehender Anschluss 58c ist an eine Spannungsquelle V2 angeschlossen, ein mit der kammförmigen feststehenden Elektrode 56c in Verbindung stehender Anschluss 58d ist an eine Spannungsquelle V3 angeschlossen; und mit den kammförmigen feststehenden Elektroden 55c und 55d in Verbindung stehende Anschlüsse 57c und 57d sind jeweils an Masse gelegt. Der Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil kann auf einen anfänglichen Abstand g1 eingestellt werden (welcher kleiner ist als der anfängliche Abstand g0 zum Herstellungszeitpunkt des Sensors (g0 > g1)). Solch ein kleinerer anfänglicher Abstand kann eine höhere Sensorempfindlichkeit hervorrufen.

Wenn sich das bewegliche Massenteil durch Trägheitskraft verschiebt, werden in dieser Ausführungsform der Betrag und die Richtung der Verschiebung mittels der Erfassungsschaltung für eine Differentialkapazitätveränderung erfasst, und die Abtastelektrode kann sich in eine solche Richtung bewegen, dass sich der Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil nicht verändert. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil konstant gehalten werden. In dem in 15 gezeigten Beispiel werden, wenn sich das bewegliche Massenteil in der +y-Richtung verschiebt, jeweils Spannungen V2(V1 – &Dgr;V) und V3(V1 + &Dgr;V)(V2 < V3) an die Anschlüsse 58c und 58d angelegt, um die jeweiligen Abtastelektroden um denselben Betrag zu verschieben wie das bewegliche Massenteil, so dass der Abstand zwischen jeder Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil auf dem anfänglichen Abstand g1 gehalten wird. Die an jeden Anschluss angelegte Spannung ist nicht auf die in 15 gezeigte beschränkt. Beispielsweise kann das Massepotential für den entsprechenden Anschluss durch jedes andere Potential ersetzt werden.

Mit Bezug auf 17 erfasst im Sensor I nach dieser Ausführungsform eine Erfassungsschaltung 82 für eine Differentialkapazitätveränderung eine Kapazitätveränderung im Sensorbauteil 1A. Im Ansprechen auf den Eingang aus der Erfassungsschaltung 82 für eine Differentialkapazitätveränderung, gibt eine Regelsystemsteuerschaltung 83, die eine Rückkopplungseinrichtung 86 darstellt, eine Spannung aus, die an jeden feststehenden Elektrodenanschluss angelegt wird. Die Rückkopplungseinrichtung 86 legt eine Spannung an die Steuereinheit an, um die Abtastelektrode sich bewegen zu lassen, derart, dass nach der Verschiebung der Abstand zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode zum ursprünglichen, vor der Verschiebung eingestellten Wert zurückkehren kann. Die Regelsystemsteuerschaltung 83 hat eine PID-Regelfunktion, um die Phase oder Verstärkung des Ein- und Ausgangs der Hauptsteuerschaltung zu regeln. Die Ausgangsspannung kann auch ein sehr kleiner Ausgang der Erfassungsschaltung 82 für eine Differentialkapazitätveränderung sein. Jedoch wird die Ausgangsspannung geregelt, um sich nicht zu verändern; somit wird bevorzugt eine direkt beeinflusste Variable verwendet, eine Rückkopplungsspannung, die in der Regelsystemsteuerschaltung 83 entsteht. Die Rückkopplungsspannung kann durch die nachfolgende Ausgangssteuerschaltung 84 so verarbeitet werden, dass der Ausgang oder der Nullpunktausgang gesteuert und im Hinblick auf die gewünschte Beschleunigung beispielsweise auf digitale Weise eingestellt wird.

Beim Sensor I nach dieser Ausführungsform wird der Abstand zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode im Prinzip konstant gehalten. Deshalb weist der Sensor den signifikanten Vorteil auf, dass im Prinzip die Verschlechterung der Linearität des Sensorausgangs verhindert werden kann, die ansonsten bei einem herkömmlichen Sensor auftreten könnte, wenn die Verschiebung des beweglichen Massenteils bezüglich des Abstands relativ groß ist. Selbst in einem Fall, bei dem der anfängliche Abstand schmal eingestellt ist, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, kann der Sensor vorteilhafter Weise weniger anfällig für eine Kollision oder ein Haftenbleiben zwischen den Elektroden und weniger anfällig für einen dadurch hervorgerufenen Schaden am Sensoraufbau sein, womit ein Beschleunigungssensor mit einem breiten Messbereich realisiert werden kann.

Bei einem Beschleunigungssensor der geregelten Art, welcher tatsächlich eine elektrische Federkonstante verwendet, kann, wenn der Abstand vom Aufbau her variabel ist, die elektrische Federkonstante verbessert werden. Und zwar, weil ein kleinerer Abstand eine stärkere elektrostatische Anziehung selbst bei demselben Potentialunterschied zwischen den Elektroden erzeugen kann. Somit kann die Bandbreite des Sensors breiter ausgelegt werden, welche andernfalls durch die Grenze (Obergrenze) der Stromversorgung für die herkömmliche Regelsystemschaltung eingeschränkt wäre. Andererseits bedeutet dies, dass die Empfindlichkeit erhöht werden könnte, wenn die Bandbreite so ausgelegt wird, dass sie konstant bleibt.

Andererseits kann die Erfassungsschaltung vom Ladungsausgleichstyp sein, wie er beim Sensor der ersten Ausführungsform verwendet wurde. In einem solchen Fall kann die elektrostatische Anziehung zwischen den Elektroden konstant ausgeglichen werden, und somit kann der Sensor vorteilhafter Weise weniger anfällig für die Anzieherscheinung sein.

In dieser Ausführungsform kann sich die Abtastelektrode, auch wenn das bewegliche Massenteil durch Trägheitskraft verschoben wird, durch die aus der Regelsystemsteuerschaltung ausgegebene Steuerspannung so bewegen, dass der ursprüngliche Abstand beibehalten werden kann. In solch einem Fall sollte der anfängliche Abstand g1 vor der Verschiebung kleiner eingestellt sein als der anfängliche Abstand g0 zum Herstellungszeitpunkt. Und zwar, weil solch ein kleinerer anfänglicher Abstand eine stärkere elektrostatische Anziehung zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil erzeugen kann, so dass die an die Abtastelektrode angelegte Spannung niedrig sein kann, auch wenn das bewegliche Massenteil verschoben wird.

Dritte Ausführungsform

18 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau eines Sensorbauteils 1C für einen Sensor nach dieser Ausführungsform zeigt. Das Sensorbauteil 1C kann denselben Aufbau haben wie das Sensorbauteil 1A der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass es mehrere Paare von Erfassungseinheiten anstatt eines Paars von Erfassungseinheiten hat. Mit Bezug auf 18 umfasst das Sensorbauteil 1C eine verschiebbare Einheit 120 und vier Paare von auf einem Substrat angeordneten Erfassungseinheiten mit ersten Erfassungseinheiten 130A und 130B, zweiten Erfassungseinheiten 131A und 131B, dritten Erfassungseinheiten 132A und 132B und vierten Erfassungseinheiten 133A und 133B. Die verschiebbare Einheit 120 umfasst ein bewegliches Massenteil 121, das in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, ein Paar von Auslegern 122, die jeweils mit dem beweglichen Massenteil 121 verbunden sind, um es in einem Raum über dem Abstand zu haltern, ein Paar von Ankern 124, welche die Ausleger haltern und am Substrat befestigt sind, und einen Anschluss 123. Die vier Paare von Erfassungseinheiten sind der verschiebbaren Einheit entgegengesetzt angeordnet und bilden zusammen mit dem beweglichen Massenteil jeweils denselben oder verschiedene Zwischenräume, wobei die erste bis dritte Erfassungseinheit dem beweglichen Massenteil 120 entgegengesetzt angeordnet sind, und die vierte Erfassungseinheit 133 dem Ausleger 122 entgegengesetzt angeordnet ist. Jede Erfassungseinheit kann denselben Aufbau haben wie die in der ersten Ausführungsform beschriebene Erfassungseinheit 7A bzw. 7B, und ein solcher Aufbau ist in 18 nicht gezeigt.

Nach dieser Ausführungsform sind die vier Paare von Erfassungseinheiten so positioniert und angeordnet, dass sie durch verschiedene Zwischenräume von der verschiebbaren Einheit getrennt und dieser entgegengesetzt sind, wobei eine Erfassungseinheit mit einem Messbereich, der sich für die tatsächliche Beschleunigung eignet, und mit einer geeigneten anfänglichen Kapazität Co ausgewählt werden kann. Wird beispielsweise der Beschleunigungsmessbereich zu einem niedrigen Bereich verschoben (die Empfindlichkeit erhöht), werden Abtastelektroden verwendet, die eine bestimmte anfängliche Kapazität bilden, die sich für den niedrigen Messbereich eignet, so dass eine stabilere Messung möglich ist, was die Vermeidung des Problems mit der Erfassungskreisstabilität anbelangt.

Bei dem Aufbau mit einem Paar von Erfassungseinheiten kann die Empfindlichkeit erhöht werden, wenn der anfängliche Abstand klein ausgelegt ist, wobei die entgegengesetzten Elektrodenbereiche konstant gehalten werden. Die Verkleinerung des anfänglichen Abstands kann jedoch einen deutlichen Anstieg bei der anfänglichen Kapazität hervorrufen. In solch einem Fall können unnötige Kapazitäten ansteigen und das Messkreissystem beeinträchtigen, während der Vorteil besteht, dass die Streukapazität wegen der Verkleinerung des anfänglichen Abstands weniger Einfluss hat.

Die Erfassungseinheit, die dem Ausleger zum Haltern des beweglichen Massenteils in einem Raum entgegengesetzt ist, kann auch einen breiteren Bereich an Wahlmöglichkeiten für Messbereiche bereitstellen. Wird der gesamte Bereich mit Beschleunigung beaufschlagt, verschiebt sich der Ausleger weniger als das Massenteil. Insbesondere kann die Verschiebung desjenigen Abschnitts geringer sein, der näher am feststehenden Ende des Auslegers liegt. Auf diese Weise kann der vorstehende Aufbau einen breiteren Bereich an Wahlmöglichkeiten für das bewegliche Massenteil pro Beschleunigungseinheit bereitstellen.

In dieser Ausführungsform kann ein Dämpfungsabschnitt ausgebildet sein, in welchem Abtastelektroden mindestens eines der Paare von Erfassungseinheiten einen Abstand bilden, der schmäler ist als diejenigen, die von den Elektroden der übrigen Erfassungseinheiten gebildet werden. Bei einem solchen Aufbau kann der Dämpfungsabschnitt mit der verschiebbaren Einheit in Kontakt kommen, bevor die Abtastelektroden der übrigen Einheiten mit der verschiebbaren Einheit in Kontakt kommen. Wird aus irgendeinem Grunde eine Stoßbeschleunigung in das Sensorbauteil eines kapazitiven Beschleunigungssensors eingegeben, die über den Messbereich hinausgeht, kann das bewegliche Massenteil der verschiebbaren Einheit mit der Abtastelektrode kollidieren und einen Elektrodenbruch verursachen, und in manchen Fällen kann der Betrieb des Sensorelements ausfallen. Solch einem Problem entgegenwirkend, kann der Dämpfungsabschnitt, der mindestens eine der Erfassungseinheiten umfasst, den Stoß auffangen, wenn das bewegliche Massenteil kollidiert, so dass die Verschiebung des beweglichen Massenteils eingeschränkt werden kann. Wird das Sensorbauteil mit einer über den Messbereich hinausgehenden Stoßbeschleunigung beaufschlagt, kann somit verhindert werden, dass der Stoß das Sensorbauteil zerstört. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Erfassungseinheit des Dämpfungsabschnitts einen Abstand, der kleiner ist als der größte Abstand der Paare von Erfassungseinheiten.

Vierte Ausführungsform

19 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel des Aufbaus eines Sensors nach dieser Ausführungsform zeigt. In dem Sensor nach dieser Ausführungsform umfasst das Sensorbauteil: mehrere Paare von Erfassungseinheiten mit unterschiedlichen Zwischenräumen, wodurch unterschiedliche Messbereiche bereitgestellt werden; und eine automatische Bereichsänderungseinrichtung, welche die Ausgangsspannung des Sensorbauteils mit einer bereichsfestlegenden Schwellenspannung (bereichsfestlegenden Schwellenspannungen) eine bestimmte Zeitdauer lang vergleicht, um eine Erfassungseinheit auszuwählen, deren Schwellenspannung höher oder niedriger ist als die Ausgangsspannung, wobei von Zeit zu Zeit je nach dem zeitlichen Ablauf der Eingangsbeschleunigung ein optimaler Messbereich ausgewählt werden kann. Insbesondere umfasst das Sensorbauteil 1D: mehrere Paare von Erfassungseinheiten mit einer ersten, zweiten und dritten Erfassungseinheit 140a, 140b und 140c. Die jeweiligen Veränderungen bei der Kapazität der Erfassungseinheiten werden durch Strom-/Spannungswandler 141a, 141b und 141c jeweils in Spannungen umgewandelt, und jede Spannung wird an eine automatische Bereichsänderungseinrichtung 142 übertragen, die umfasst: eine Datensteuereinheit 143 mit einem Mikrocomputer, einem Speicher und einer A/D-Umsetzereinheit; und eine Änderungs-/Erzeugungsschaltung 144 für die Steuerspannung. Die automatische Bereichsänderungseinrichtung 142 wählt eine Erfassungseinheit mit einem für die Eingangsbeschleunigungsmessung geeigneten Messbereich basierend auf den Veränderungen bei der Kapazität der Paare von Erfassungseinheiten aus, und gibt einen Messwert aus der ausgewählten Erfassungseinheit aus. Die Änderungs-/Erzeugungsschaltung für die Steuerspannung der automatischen Bereichsänderungseinrichtung hat die Aufgabe, den anfänglichen Abstand für jedes der Paare von Erfassungseinheiten auf einen bestimmten Wert festzulegen. 19 zeigt auf veranschaulichende Weise drei Paare der Erfassungseinheiten, es können aber auch beliebig viele andere Paare verwendet werden.

20 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel des im Sensor von 21 stattfindenden Arbeitsablaufs zeigt. Wie in 20 gezeigt ist, haben die drei Paare von Erfassungseinheiten drei Messbereiche vom hohen zum niedrigen Bereich in der Reihenfolge dritter > zweiter > erster. Der Arbeitsablauf umfasst einen ersten Verarbeitungsablauf S10 für eine Messung in der dritten Erfassungseinheit, einen zweiten Verarbeitungsablauf S20 für eine Messung in der zweiten Erfassungseinheit, und einen dritten Verarbeitungsablauf S30 für eine Messung in der dritten Erfassungseinheit.

Wird eine Beschleunigung eingegeben, beginnt die Messung in der dritten Erfassungseinheit mit einem höchsten Messbereich (erste Bereichseinstellung S11). Zu diesem Zeitpunkt hat die dritte Erfassungseinheit für die Messung einen Abstand, der kleiner ist als der Abstand im Bereitschaftszustand. Andererseits befinden sich die erste und zweite Erfassungseinheit ohne Messung im Bereitschaftszustand. Der Ausgang aus der dritten Erfassungseinheit wird über eine Ausgabeeinheit 3 als Spannung V3 ausgegeben, bis eine bestimmte Zeit &Dgr;T ab der Messbeginnzeit T2 verstreicht (erste Ausgangsverarbeitung S12). Während des ersten Messprozesses wird die Ausgangsspannung V3 aus der Ausgabeeinheit 3 mit einer Schwellenspannung V3th verglichen, und falls die Ausgangsspannung V3 höher ist als die Schwellenspannung V3th, geht die Messung gemäß der ersten Messverarbeitung S11 weiter; falls V3 niedriger ist als V3th, wird der Messbereich auf einen mittleren oder niedrigen Bereich abgeändert (erste Entscheidungsverarbeitung S13).

Die Ausgangsspannung V3 wird auch mit einer Schwellenspannung V2th der zweiten Erfassungseinheit mit einem mittleren Messbereich verglichen. Falls die Ausgangsspannung V3 höher als ist die Schwellenspannung V2th, und ein solcher Zustand eine bestimme Zeitdauer &Dgr;T lang andauert, wird die Erfassungseinheit auf die zweite Einheit mit einem mittleren Messbereich abgeändert; falls V3 kleiner ist als V2th, und ein solcher Zustand &Dgr;T lang dauert, wird der Messbereich auf den niedrigen Bereich der ersten Erfassungseinheit abgeändert (zweite Entscheidungsverarbeitung S21).

Wird der Messbereich auf den niedrigen Bereich abgeändert, werden die zweite und dritte Erfassungseinheit in einen Bereitschaftszustand versetzt, während in der ersten Erfassungseinheit der Abstand vom Bereitschaftsabstand zum Messabstand abgeändert wird, so dass die Messung beginnt (dritte Bereichseinstellung S32). Während die Messung in der ersten Erfassungseinheit weitergeht (Messverarbeitung S33), wird ihre Ausgangsspannung V1 mit der Schwellenspannung V1th der ersten Erfassungseinheit verglichen. Ist V1 höher als V1th, wird der Messbereich auf den mittleren Bereich abgeändert; ist V1 niedriger als V1th, geht die Messung im niedrigen Bereich weiter (dritte Entscheidungsverarbeitung S34) und ihre Spannung V1 wird ausgegeben (dritte Ausgangsverarbeitung S35).

Andererseits werden, wenn der Messbereich auf den mittleren Bereich abgeändert wird, die erste und dritte Erfassungseinheit in einen Bereitschaftszustand versetzt, während in der zweiten Erfassungseinheit der Abstand vom Bereitschaftsabstand zum Messabstand abgeändert wird, so dass die Messung beginnt (zweite Bereichseinstellung S22). Ihre Ausgangsspannung V2 wird mit der Schwellenspannung V2th der zweiten Erfassungseinheit dahingehend verglichen, ob erstere höher oder niedriger ist als zweitere. Ist V2 höher als V2th, wird der Messbereich auf einen hohen Bereich abgeändert; ist V2 niedriger als V2th, geht die Messung im mittleren Bereich weiter (vierte Entscheidungsverarbeitung S23), und die Spannung V2 wird ausgegeben (vierte Ausgangsverarbeitung S24).

Ist V2 niedriger als V2th, und ein solcher Zustand hält ab dem Messbeginnzeitpunkt T2 eine Zeitdauer &Dgr;T oder länger an, wird der Messbereich auf den niedrigen Bereich abgeändert (fünfte Entscheidungsverarbeitung).

Wie vorstehend beschrieben, weist der Sensor nach dieser Ausführungsform mehrere Erfassungseinheiten auf, die sich im Messbereich unterscheiden, wobei eine Erfassungseinheit automatisch ausgewählt wird, deren Messbereich sich für die gemessene Beschleunigung eignet. Somit kann eine sich von Augenblick zu Augenblick verändernde Beschleunigung mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Fünfte Ausführungsform

21 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Sensors nach dieser Ausführungsform zeigt. Das Sensorbauteil des Sensors nach dieser Ausführungsform kann anstatt des Paars von Erfassungseinheiten, wie sie in der vierten Ausführungsform verwendet wurden, ein Paar von Erfassungseinheiten verwenden, wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet wurden. Das Sensorbauteil umfasst: ein Paar von Erfassungseinheiten, welche durch den Schritt des schrittweisen Veränderns des Abtastelektrodenabstands unterschiedliche Messbereiche haben können; und eine automatische Bereichsveränderungseinrichtung, welche die Ausgangsspannung des Sensorbauteils mit einer messbereichsfestlegenden Schwellenspannung eine bestimmte Zeit lang vergleicht, um den Messbereich durch den Schritt des Änderns des Abstands derart zu verändern, dass er eine Schwellenspannung aufweist, die kleiner ist als die Ausgangsspannung. Insbesondere umfasst das Sensorbauteil 1A, das ein Paar von Erfassungseinheiten aufweist, eine Strom-/Spannungswandlerschaltung 150 und eine automatische Bereichsänderungseinrichtung 151, welche automatisch einen Bereich zum Messen auf der Basis von Spannungsdaten aus der Strom-/Spannungswandlerschaltung 150 auswählt. Die automatische Bereichsänderungseinrichtung 151 umfasst: eine Datensteuereinheit 152 mit einem Mikrocomputer, einem Speicher und einem A/D-Umsetzer; und eine Änderungs-/Erzeugungsschaltung für Steuerspannung 153, welche jede Erfassungseinheit auf der Basis des Signals aus der Datensteuerschaltung 152 ansteuert. Das Sensorbauteil verwendet den Aufbau der ersten Ausführungsform, es kann aber auch jeder andere Aufbau eingesetzt werden, der ein Paar von Erfassungseinheiten aufweist.

Im Sensor dieser Ausführungsform wird die Schwellenspannung, welche jedem Messbereich entsprechend eingestellt ist, mit der Ausgangsspannung aus dem Sensorbauteil dahingehend verglichen, ob erstere höher oder niedriger ist als zweitere, und der Abstand wird schrittweise geändert, um einen Messbereich herzustellen, der sich für die Ausgangsspannung eignet. Somit kann ein geeigneter Messbereich in Abhängigkeit von der Beschleunigungsgröße ausgewählt werden, und es kann auch eine sich über die Zeit verändernde Beschleunigung mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Da die entgegengesetzten Bereiche konstant sind, besitzt der vorliegende Sensor einen engeren Messbereich als derjenige der vierten Ausführungsform. Dennoch kann der vorliegende Sensor bei Sensorbauteil und Steuerschaltung einfache Strukturen und somit einen hohen Flexibilitätsgrad bei der Auslegung haben.

Sechste Ausführungsform

Der Sensor nach dieser Ausführungsform kann anstelle der Steuereinheiten der ersten Ausführungsform kammförmige Steuereinheiten haben, wovon jede kammförmige Elektroden umfasst. 22 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau eines Sensorbauteils 1E für einen Sensor nach dieser Ausführungsform zeigt; 23 ist eine schematische Rückansicht von 23; 24 ist eine schematische Querschnittsansicht von 22 entlang der Linie A-A; und 25 ist eine schematische Querschnittsansicht von 22 entlang der Linie B-B. Mit Bezug auf 22 umfasst das Sensorbauteil 1E ein Substrat 10, das beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht auf seiner Fläche aufweist, eine auf der Oberfläche von dieser angeordnete verschiebbare Einheit 2, und ein Paar von Erfassungseinheiten 3A und 3B, wobei die verschiebbare Einheit 2 jeder der beiden Erfassungseinheiten 3A und 3B entgegengesetzt angeordnet und um einen bestimmten Abstand von diesen getrennt ist. Das Substrat 10 kann ein Siliziumsubstrat mit einer Oxidschicht, Nitridschicht o. dgl. auf seiner Fläche sein, oder ein elektrisch isolierendes Substrat wie eine Glasplatte.

Wie in 22 gezeigt ist, umfasst die verschiebbare Einheit 2 ein bewegliches Massenteil 21, welches in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, ein Paar von Auslegern 22 und 22, welche jeweils mit dem beweglichen Massenteil 21 verbunden sind, um es in einem Raum über einem Abstand 11 zu haltern, ein Paar von Ankern 23 und 23, welche die Ausleger 22einen Bruch des Teils 21 verhindert, der ansonsten durch eine große Verschiebung und eine Kollision des Teils 21 mit dem Substrat 10 auftreten könnte. Wenn das Substrat 10 und das bewegliche Massenteil 21 dasselbe Potential haben, kann ein Anhaften wirksam verhindert werden.

Ein Herstellungsverfahren für das Sensorbauteil wird mit Bezug auf die schematischen Querschnittsansichten der 24 bis 26A bis 26H beschrieben, welche jeweils einer Querschnittsansicht von 22 entlang der Linie A-A entsprechen. Als Erstes wird ein SOI-Substrat (SOI – Silicon On Insulator) bereitgestellt, welches eine aktive Siliziumschicht 93 mit niedrigem Widerstand umfasst, die beispielsweise ca. 40 &mgr;m dick ist; eine ca. 1 &mgr;m dicke Siliziumoxidschicht 92, die unter der Schicht 93 ausgebildet ist; und ein einige hundert &mgr;m dickes Siliziumsubstrat 91 mit ähnlich geringem Widerstand (26A). Eine ca. 1 &mgr;m dicke Siliziumoxidschicht 90 ist auch auf der unteren Fläche des Siliziumsubstrats 91 ausgebildet.

Um die beweglichen Bereiche und die endgültigen, durchgeätzten Bereiche wie in 22 gezeigt im Siliziumsubstrat auszubilden, wird herkömmliche Resist-Photolithographie oder Nass- oder Trockenätzen verwendet, um die Siliziumoxidschicht 90 teilweise zu entfernen, und dann wird das Siliziumsubstrat 91 unter der Schicht 90 durch ICP-RIE (Inductive Coupled Reactive Ion Etching – induktives, gekoppeltes Reaktionsionenätzen) o. dgl. abgetragen, um (z.B. ca. 5 &mgr;m dicke) Gräben 96 auszubilden (26B). Die Oxidschicht wird dann entfernt, und es wird wieder eine ca. 1 &mgr;m dicke Oxidschicht auf jeder Seite des Wafers durch Bearbeitung in einem Wärmeoxidationsofen o. dgl. ausgebildet. Es wird herkömmliche Resist-Photolithographie oder Nass- oder Trockenätzen verwendet, um die Siliziumoxidschicht auf der Unterseite des Siliziumsubstrats teilweise zu entfernen (um durch Ätzen Durchgangszonen im Siliziumsubstrat auszubilden) (26C). Das Siliziumsubstrat 91 wird dann durch ICP-RIE (Inductive Coupled Reactive Ion Etching – induktives, gekoppeltes Reaktionsionenätzen) o. dgl. abgetragen, um (z.B. ca. einige hundert &mgr;m dicke) Gräben 97 auszubilden (26D).

Die substratseitige Oxidschicht, die zum Grabenätzen verwendet wird, wird dann nur unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure o. dgl entfernt und 22 haltern und schließlich jeweils am Substrat 10 befestigt sind, und einen auf der Fläche eines der Anker ausgebildeten Anschluss 24. In dieser Ausführungsform ist das bewegliche Massenteil 21 durch die Biegeelastizität jedes Auslegers 22 in der y-Achsenrichtung verschiebbar.

Der Aufbau der Paars von Erfassungseinheiten 3A und 3B wird nachstehend durch Veranschaulichung der Erfassungseinheit 3A beschrieben. Die Erfassungseinheit 3A umfasst eine Steuereinheit 5A, die über eine Isolierschicht 4A angeschlossen ist. Bei diesem Aufbau ist die Seitenfläche der Erfassungseinheit 3A um einen bestimmten Abstand g0 von der Seitenfläche des beweglichen Massenteils 21 getrennt und der Seitenfläche des beweglichen Massenteils 21 entgegengesetzt angeordnet. Wie in 22 gezeigt ist, umfasst die Erfassungseinheit 3A eine Abtastelektrode 31a, welche in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, ein Paar von Auslegern 32a und 32a, die jeweils mit der Abtastelektrode 31a verbunden sind, um sie in einem Raum über dem Abstand 11 zu haltern, ein Paar von Ankern 33a und 33a, welche die Ausleger 32a und 32a haltern, und einen auf der Fläche eines der Anker ausgebildeten Anschluss 34a. Wie in 23 gezeigt ist, umfasst die Steuereinheit 5A: ein Paar von feststehenden Elektroden 55a und 56a, die in einer Richtung außerhalb der Ebene angeordnet und auf dem Substrat 10 befestigt sind; eine Steuerelektrode 51a, welche über die Abtastelektrode 31a an den feststehenden Elektroden 55a und 56a und der dazwischen befindlichen Isolierschicht 4A befestigt und zusammen mit der Abtastelektrode in der horizontalen y-Richtung beweglich ist; ein Paar von Auslegern 52a und 52a, die jeweils mit der Steuerelektrode 51a verbunden sind, um sie in einem Raum über dem Abstand 11 zu haltern; ein Paar von Ankern 53a und 53a, welche die Ausleger 52a und 52a haltern und am Substrat 10 befestigt sind; ein auf der Fläche eines der Anker ausgebildeten Anschluss 54a; und Anschlüsse 57a und 58a, die jeweils auf der Fläche der feststehenden Elektroden 55a und 56a ausgebildet sind. Ein Antihaftanschlag 12 kann unmittelbar unter dem beweglichen Massenteil 21 auf dem Substrat 10 vorgesehen sein, um sich unter dem beweglichen Massenteil 21 zu einer Anschlagelektrode 41 mit einem Anschluss 42 zu erstrecken. Der Antihaftanschlag 12 kann so vorgesehen sein, dass er die Verschiebung des beweglichen Massenteils 21 einschränkt und und ein Glassubstrat 95 durch anodisches Bonden o. dgl. am Siliziumsubstrat 91 befestigt (26E). Das Glassubstrat wird als Beispiel verwendet, alternativ kann aber auch irgendein Siliziumsubstrat mit einer Isolierschicht auf seiner Fläche verwendet werden, wobei die Siliziumsubstrate durch direktes Bonden, eutektisches Bonden (wie AuSi), oder irgendeines verschiedener Verfahren zum Bonden (wie TiNi) befestigt werden können.

Um eine Struktur aus der aktiven Siliziumschicht zu bilden, wird herkömmliche Photolithographie verwendet, um die Oxidschicht auf der aktiven Siliziumschichtseite teilweise zu entfernen (26F).

Dann erfolgt ein Durchätzen der aktiven Siliziumschicht 93 durch ICP-RIE (26G). Dann wird die Siliziumoxidschicht 92 durch Nassätzen mit Fluorwasserstoffsäure teilweise entfernt, um Komponentenzonen auszubilden, wie in den 24 bis 26 gezeigt ist (26H). Dann erfolgt ein Dampfabscheiden oder Sputtern von Cr, Au o. dgl. mit einer Schattenmaske o. dgl., um die Elektrodenanschlüsse auszubilden.

Im Sensorbauteil 1E dieser Ausführungsform kann der Abstand auch durch das wie in der ersten Ausführungsform beschriebene Verfahren verändert werden. Beispielsweise kann das wie in 11 gezeigte Verfahren zum Anlegen von Spannung verwendet werden, um die Erfassungseinheit 3A oder 3B sich zum beweglichen Massenteil 21 hin bewegen zu lassen. 27 ist eine schematische Draufsicht, die den Zustand des Sensorbauteils zu dem Zeitpunkt zeigt, an dem die Erfassungseinheiten 3A und 3B sich zum beweglichen Massenteil 21 hin bewegen können; und 28 ist eine schematische Querschnittsansicht von 27 entlang der Linie A-A.

In dieser Ausführungsform werden die kammförmigen Steuereinheiten verwendet. Somit kann der Potentialunterschied zwischen der feststehenden Elektrode und der Steuerelektrode ein lineares Verhältnis zur Verschiebung der Steuereinheit haben. Ist die Sensorempfindlichkeit kalibriert, kann deshalb des Potential der feststehenden Elektrode ein lineares Verhältnis zur Empfindlichkeit haben, so dass die Kalibrierungsdaten einfach behandelt werden können. Der Sensor ist vorteilhafter Weise auch weniger anfällig für die Anzieherscheinung, welche ansonsten bei parallel angeordneten Plattenelektroden auftreten könnte.

Siebte Ausführungsform

29 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Konfiguration eines Sensors IV nach dieser Ausführungsform zeigt. Dieser Sensor kann jedes der Sensorbauteile umfassen, wie sie in der ersten bis sechsten Ausführungsform verwendet wurden.

Im vorliegenden Sensor kann Spannung an die feststehenden Elektroden des Sensorbauteils durch dasselbe Verfahren angelegt werden, wie mit Bezug auf die 27 und 28 beschrieben wurde. Insbesondere sind die Anschlüsse 57a und 57b der Steuereinheiten 5A und 5B jeweils an elektrische Masse (Gnd) gelegt; ein mit der kammförmigen feststehenden Elektrode 55a in Verbindung stehender Anschluss 58a ist an eine Spannungsquelle V2 angeschlossen; ein mit der kammförmigen feststehenden Elektrode 55b in Verbindung stehender Anschluss 58b ist an eine Spannungsquelle V3 angeschlossen; und Anschlüsse 54a und 54b sind an Masse gelegt. Der Abstand zwischen jeder Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil ist auf einen anfänglichen Abstand g1 eingestellt, welcher kleiner ist als der anfängliche Abstand g0 zum Herstellungszeitpunkt. Solch eine Einstellungsreihe für Abstände wird mittels einer Elektrodenzwischenabstandssteuerschaltung 85 bewerkstelligt. Wie in der ersten Ausführungsform ist der anfängliche Abstand klein ausgelegt, damit die Sensorempfindlichkeit erhöht werden kann.

Wie in 29 gezeigt ist, besitzt der vorliegende Sensor eine Rückkopplungseinrichtung 87 mit einer Regelsystemsteuerschaltung 83, um den Abstand zwischen der Abtastelektrode und der beweglichen Elektrode auf einem vorher eingestellten Wert zu halten. Steht die Verschiebung des beweglichen Massenteils durch Trägheitskraft bevor, werden der Betrag und die Richtung der Verschiebung durch die Erfassungsschaltung 82 für eine Differentialkapazitätveränderung erfasst, und die Regelsystemsteuerschaltung 83 der Rückkopplungseinrichtung 87 bestimmt das Potential für die Abtastelektrode so, dass keine Verschiebung des beweglichen Massenteils hervorgerufen wird (das spezielle Verfahren ist im japanischen Patent Nr. 3264884 beschrieben). Wenn die Verschiebung des beweglichen Massenteils bevorsteht, wird insbesondere eine Rückkopplungsspannung von der Regelsystemsteuerschaltung 83 an einen Anschluss 24 angelegt, um den Potentialunterschied zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode so zu verändern, dass eine elektrostatische Anziehung wirkt, um die Verschiebung des beweglichen Massenteils auszuschalten. Besonders wenn der anfängliche Abstand g1 kleiner eingestellt ist als der anfängliche Abstand g0 zum Herstellungszeitpunkt, kann eine stärkere elektrostatische Anziehung zwischen dem beweglichen Massenteil und der Abtastelektrode wirken; somit kann selbst ein geringer Potentialunterschied die Verschiebung des beweglichen Massenteils ausschalten. Deshalb kann der Abstand zwischen der Abtastelektrode und dem beweglichen Massenteil konstant auf einem spezifischen eingestellten Wert gehalten werden (tatsächlich kann die Verschiebung kleiner sein als unter einem offenen Regelkreis). Die an jeden Anschluss angelegte Spannung ist nicht auf diejenige beschränkt, die mit Bezug auf 11 beschrieben wurde. Beispielsweise kann das Massepotential für den entsprechenden Anschluss durch irgendein anderes Potential ersetzt werden. Die Ausgangsspannung kann ein sehr kleiner Ausgang der Erfassungsschaltung 82 für eine Differentialkapazitätveränderung sein. Die Ausgangsspannung wird jedoch geregelt, damit sie sich nicht verändert; somit wird bevorzugt eine direkt beeinflusste Variable verwendet, eine Rückkopplungsspannung, die in der Regelsystemsteuerschaltung 83 entsteht. Die Rückkopplungsspannung kann durch die nachfolgende Ausgangssteuerschaltung 84 so verarbeitet werden, dass der Ausgang oder der Nullpunktausgang gesteuert und im Hinblick auf die gewünschte Beschleunigung beispielsweise auf digitale Weise eingestellt wird.

Auch bei einem Beschleunigungssensor der geregelten Art, welcher tatsächlich eine elektrische Federkonstante verwendet, kann, wenn der Abstand vom Aufbau her variabel ist, die elektrische Federkonstante und durch Erweiterung die Regelkreisverstärkung verbessert werden. Und zwar, weil, wenn der Abstand kleiner wird, die elektrostatische Anziehung proportional zum Quadrat seines Verhältnisses zunehmen kann, auch wenn derselbe Potentialunterschied zwischen den Elektroden besteht. Somit kann die Bandbreite des Sensors breiter ausgelegt werden, welche andernfalls durch die Grenze (Obergrenze) der Stromversorgung für die herkömmliche Regelsystemschaltung eingeschränkt wäre. Andererseits bedeutet dies, dass die Empfindlichkeit erhöht werden kann, wenn die Bandbreite so ausgelegt wird, dass sie konstant bleibt.

Achte Ausführungsform

30 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel der Temperaturabhängigkeit des Sensorabweichungsausgangs (Nullpunktausgang) in dem Fall zeigt, wenn keine Trägheitskraft wirkt. Zum Beispiel ist eine Temperaturabhängigkeit gezeigt (unterbrochene Linie), bei welcher der Ausgang proportional zur Temperatur zunimmt. Eine signifikante Ursache für die Temperaturabhängigkeit der Differentialerfassungskapazitäten C1 und C2 sollte eine Temperaturabhängigkeit des Abstands zwischen den Elektroden sein (siehe Formel (2), (3), (6) und (7)). Solch eine Temperaturabhängigkeit führt zu der Temperaturabhängigkeit des Abweichungsausgangs oder der Empfindlichkeit, wie durch die unterbrochene Linie in 30 angegeben ist. Sie sollte auf einen temperaturabhängigkeitsfreien Zustand berichtigt werden, wie durch die durchgezogene Linie in 30 angegeben ist. 31 zeigt eine Temperaturabhängigkeit eines Abstands g1 bzw. g2 zwischen einem Elektrodenpaar, welche der durchgezogenen Linie von 30 entspricht. Um die Temperaturabhängigkeit des Abweichungsausgangs zu unterdrücken, kann Spannung derart an die feststehenden Elektroden angelegt werden, dass ein Paar von Abständen zwischen dem beweglichen Massenteil und den Abtastelektroden einander gleich sein kann.

Der erfindungsgemäße Trägheitssensoraufbau weist einen variablen Abstand zwischen den Elektroden auf. Bei einem solchen Aufbau kann der Abstand zwischen den Elektroden durch die Bewegung der Abtastelektroden derart eingestellt werden, dass die Temperaturabhängigkeit des Abweichungsausgangs aufgehoben werden kann. 32 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Sensors V nach dieser Ausführungsform zeigt, welcher irgendeines der Sensorbauteile umfasst, wie sie in der ersten bis sechsten Ausführungsform verwendet wurden, eine Strom-/Spannungswandlerschaltung 150, und eine Abweichungsausgleichseinrichtung 155. Die Abweichungsausgleichseinrichtung 155 umfasst eine Datensteuereinheit 152 mit einem Mikrocomputer, einem Speicher und einem A/D-Umsetzer; und eine Elektrodenzwischenabstandssteuerschaltung 154, welche jede Erfassungseinheit basierend auf Signalen aus der Datensteuerschaltung 152 ansteuert. Wie in 32 gezeigt ist, sind beispielsweise Anschlüsse 58a und 57b an Massepotential gelegt, und Anschlüsse 57a und 58b sind jeweils an Spannungsquellen Vd1 (= Vd2) und Vd2 angeschlossen. Bei einem solchen Aufbau wird g1 kleiner, wenn g2 größer wird, so dass beide Abstandswerte einander angepasst werden können. Somit kann die Temperaturabhängigkeit des Abweichungsausgangs so ausgeschaltet werden, dass der Abweichungsausgang auf einem bestimmten Wert gehalten werden kann. Insbesondere wird bei jeder Temperatur eine durch die Temperatursteuerspannungskurve von 33 bestimmte Steuerspannung angelegt.

Insbesondere ist das Sensorbauteil in einer Wärmekammer untergebracht, und die Messung erfolgt an der Temperaturabhängigkeit des Abweichungsausgangs bei jeder Temperatur. Jeder ausgleichbare Spannungswert bei jeder Temperatur wird dann im Speicher der Datensteuereinheit 152 der Abweichungsausgleichseinrichtung 155 basierend auf den Spannungsdaten aus der Strom-/Spannungswandlerschaltung 150 gespeichert. Bei jeder Temperatur wird eine bestimmte Ausgleichssteuerspannung derart an die Abtastelektrode angelegt, dass der Abweichungsausgang basierend auf Signalen aus der Datensteuereinheit 152 aufgehoben werden kann. In einem tatsächlichen Einsatzfall wird die Ausgleichssteuerspannung bei jeder Temperatur im Ansprechen auf Sensorsignale eines (nicht gezeigten) Temperaturfühlers eingestellt, um die Abtastelektroden zu verschieben und anzusteuern. Somit kann die Temperaturabhängigkeit des Nullpunktausgangs und der Empfindlichkeit ausgeglichen werden, ohne dass irgendeine Temperaturabhängigkeit des Abstands zwischen den Elektroden auftritt.


Anspruch[de]
Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer durch Trägheitskraft hervorgerufenen Veränderung bei der Kapazität eines Sensorbauteils (1A),

wobei das Sensorbauteil ein Substrat (10) und einen am Substrat (10) befestigten Aufbau mit einem dazwischen eingehaltenen Abstand umfasst,

wobei der Aufbau eine verschiebbare Einheit (2) und mindestens ein Paar von Erfassungseinheiten (7A, 7B) zum Erfassen des Verschiebungsbetrages der verschiebbaren Einheit umfasst,

wobei die verschiebbare Einheit (2) ein bewegliches Massenteil (21), welches in der Richtung der Trägheitskraft verschiebbar ist, ein Paar von Auslegern (22), welche mit dem beweglichen Massenteil (21) verbunden sind und es in einem Raum über dem Abstand haltern, und ein Paar von Ankern (23), welche die Ausleger (22) haltern und am Substrat (10) befestigt sind, umfasst,

wobei jedes Paar von Erfassungseinheiten (7A, 7B) ein Paar von Abtastelektroden (31a, 31b) umfasst, welche der verschiebbaren Einheit entgegengesetzt angeordnet sind, und

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abtastelektroden (31a, 31b) jeweils so in einem Raum über dem Substrat (1) gehaltert sind, dass zwischen jeder Abtastelektrode (31a, 31b) und der verschiebbaren Einheit (2) ein variabler Abstand (g0) über eine Steuereinheit (5A, 5B) zur Veränderung der Sensorausgangsempfindlichkeit (St) auf berührungslose Weise eingestellt werden kann, wobei die Steuereinheit über eine Isolierschicht (4A, 4B) mit der Abtastelektrode (3A, 3B) verbunden ist.
Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5A, 5B) ein Paar von auf dem Substrat (10) befestigten feststehenden Elektroden (55a/56a, 55b/56b) und eine Steuerelektrode (51a, 51b) umfasst, welche durch eine zwischen der feststehenden Elektrode (55a/56a, 55b/56b) und der Steuerelektrode (51a, 51b) wirkende elektrostatische Anziehung verschiebbar ist. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitserfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Rückkopplungseinrichtung (86) umfasst, welche eine Spannung an die Steuereinheit (5A, 5B) anlegt, um die Abtastelektrode (31a, 31b) sich so bewegen zu lassen, dass nach der Verschiebung der Abstand zwischen dem beweglichen Massenteil (21) und der Abtastelektrode (31a, 31b) zum ursprünglichen Wert zurückkehrt, der vor der Verschiebung eingestellt was. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil mehrere Paare von Erfassungseinheiten (130A/130B, 131A/131B, 132A/132B, 133A/133B) umfasst und ein Dämpfungsabschnitt ausgebildet ist, in welchem Abtastelektroden mindestens eines der mehreren Paare von Erfassungseinheiten einen Abstand bilden, der schmäler ist als derjenige, der durch die Elektroden der übrigen Erfassungseinheiten gebildet ist, wodurch der Dämpfungsabschnitt mit der verschiebbaren Einheit in Kontakt kommt, bevor die Abtastelektroden der übrigen Einheiten mit der verschiebbaren Einheit in Kontakt kommen. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil unterschiedliche Messbereiche aufweist, die durch mehrere Paare von Erfassungseinheiten (140a, 140b, 140c) festgelegt sind, und die Erfassungsvorrichtung eine automatische Bereichsänderungseinrichtung (142) umfasst, welche die Ausgangsspannung des Sensorbauteils mit einer messbereichfestlegenden Schwellspannung vergleicht und entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs einen optimalen Messbereich auswählt. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil verschiedene Messbereiche aufweist, die durch den Schritt des Schrittweisen Veränderns des Abtastelektrodenabstandes (g0) eingestellt werden, und die Erfassungsvorrichtung eine automatische Bereichsänderungseinrichtung (151) umfasst, welche die Ausgangsspannung des Sensorbauteils mit einer messbereichsfestlegenden Schwellspannung vergleicht und den Messbereich durch den Schritt des Veränderns des Abstandes (g0) entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs verändert. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitserfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Rückkopplungseinrichtung (87) umfasst, welche den Potentialunterschied zwischen dem beweglichen Massenteil (21) und der Abtastelektrode (31a, 31b) so verändert, dass die elektrostatische Anziehung ausgeübt wird, um die Verschiebung des beweglichen Massenteils (21) aufzuheben. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitserfassungsvorrichtung darüber hinaus eine Abweichungsausgleichseinrichtung (155) zum Ausgleichen der Temperaturabhängigkeit des Nullpunktausganges und der Empfindlichkeit umfasst, wobei eine Spannung an die Steuereinheit angelegt wird, um ein Paar von Abständen zwischen dem beweglichen Massenteil (21) und der Abstandselektrode auf den selben Wert einzustellen. Kapazitive Trägheitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitserfassungsvorrichtung darüber hinaus einen Strom-/Spannungswandler (150) umfasst, um eine Veränderung bei der Kapazität in eine Spannung umzuwandeln, wobei der Wandler in einem Paar von Kondensatoren, die zwischen einem Paar der Abtastelektroden und dem beweglichen Massenteil ausgebildet sind, dieselbe Ladung speichert.






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