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Diese
Anmeldung basiert auf der am 25. April 2007 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr.
2007-115595 , auf deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich
Bezug genommen wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, bei der eine
Mehrzahl von Erfassungsblöcken jeweils Signale in Übereinstimmung mit
einer von außen aufgebrachten dynamischen Größe
erzeugt, wobei ein Differenzausgangssignal aus den Signalen der
Erfassungsblöcke gewonnen wird, um so durch externe Störeffekte
verursachte Abweichungen aufzuheben und nur die benötigten Änderungen
der dynamischen Größe zu erfassen.
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Bei
einem Mikrominiatur-Winkelgeschwindigkeitssensor eines elektrostatisch
kapazitiven Typs oder einem Mikrominiatur-Beschleunigungssensor eines
elektrostatisch kapazitiven Typs (nachstehend als Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensor
bzw. als Mikro-Beschleunigungssensor bezeichnet), die winzige Änderungen
einer elektrostatischen Kapazität erfassen müssen,
können große Änderungen bzw. Abweichungen
im Nullpunkt eines Ausgangserfassungssignals des Sensors auftreten,
wenn Änderungen in der elektrostatischen Kapazität
auftreten, die aus Gründen auftreten, die sich von den Änderungen (in)
der Beschleunigung oder der Winkelgeschwindigkeit unterscheiden.
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Solch
ein Sensor basiert im Allgemeinen auf einem Sensorchip, auf dessen
einen Fläche ein Sensorelement befestigt ist und bei dem Änderungen
der Kapazität zwischen Kammelektroden des Sensorelements
erfasst werden, um ein Ausgangssignal zu gewinnen. Diese Art von
Sensor weist momentan jedoch das Problem einer Biegeverformung des
Sensorchips auf. Solch eine Verformung kann durch eine ther mische
Verformung und dergleichen eines Gehäuses, welches den
Sensorchip enthält, oder einer Platine, auf der solch ein
Gehäuse befestigt ist, verursacht werden. Dies stellt dahingehend
ein Problem dar, dass solch eine Verformung des Sensorchips eine
entsprechende Verformung des auf dem Sensorchip befestigten Sensorelements
hervorrufen kann, durch welche die Abstände zwischen den
Kammelektroden des Sensorelements oder Überlappungsbereiche
zwischen den jeweiligen Kammelektroden verändert werden
können. Änderungen dieser Abstände oder Überlappungsbereiche
werden erfasst (als elektrische Signale, die aus den Änderungen
der elektrostatischen Kapazität resultieren), um Änderungen
einer dynamischen Größe, wie beispielsweise einer
Beschleunigung, zu erfassen. Folglich wird der Nullpunkt solch einer
Erfassung abweichen und sich die Erfassungsgenauigkeit hierdurch bedingt
verschlechtern, wenn solch eine Verformung des Sensorchips auf das
Sensorelement übertragen wird.
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Die
JP 2006-98168 offenbart
einen Sensor mit einem mehrschichtigen Chipaufbau, bei welchem die
Effekte einer thermischen Verformung reduziert werden, indem ein
Material, wie beispielsweise ein weicher Klebefilm, zwischen den
Chips angeordnet wird. Derartige Maßnahmen reichen jedoch
nicht aus, um die vorstehend beschriebenen Abweichungen im Nullpunkt
zu verhindern.
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Bei
der Elementestruktur eines Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensors oder
eines Mikro-Beschleunigungssensors ist das Element im Wesentlichen
in eine Mehrzahl von Erfassungsblöcken unterteilt (die
beispielsweise jeweils ein Paar gegenüberliegender vermaschter
Kammelektroden aufweisen). Eine Differenzschaltung gewinnt ein Differenzausgangssignal
aus den jeweils erfassten Beträgen der Kapazität,
die über die Erfassungsblöcken erhalten werden.
Systemfremde Änderungen der elektrostatischen Kapazität,
die aus bestimmten Gründen verursacht werden, können
hierdurch aufgehoben bzw. entfernt werden, so dass nur die benötigten Änderungen
der elektrostatischen Kapazität (d. h. durch Änderungen
einer dynamischen Größe, wie beispielsweise eine
Beschleunigung oder eine Winkelgeschwindigkeit, bewirkte Änderungen)
erfasst werden.
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Bei
einem Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensor wird die Differenz zwischen
den Ausgangssignalen jeweiliger Differenzschaltungen gewonnen, um
so die Änderungen der elektrostatischen Kapazität
aufzuheben, die durch einen von außen aufgebrachten Stoß verursacht
werden. Bei einem Mikro-Beschleunigungssensor wird die Differenz
zwischen den Ausgangssignalen zweier Erfassungsblöcke gewonnen.
Abweichungen bei der Fertigung der Schwingungselemente und dergleichen
können dazu führen, dass die jeweiligen Sollwerte
der elektrostatischen Kapazität dieser Erfassungsblöcke
abweichen, oder dass der Nullpunkt im Wesentlichen für
jeden der Erfassungsblöcke abweicht. Wenn die Differenz
zwischen den jeweiligen Ausgangssignalen dieser zwei Erfassungsblöcke
verwendet wird, können die Einflüsse der Sollwert-
und Nullpunktabweichungen aufgehoben werden.
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Solch
eine Anordnung ermöglicht es ferner, die Einflüsse
bestimmter Arten einer Chipverformung auf die elektrostatische Kapazität
in einem Sensorelement, d. h. Arten einer Verformung, wie sie in
den 9A und 9B gezeigt
ist, aufzuheben. Eine Achse, welche die Mittelpunkte gegenüberliegender Seiten
eines Sensorchips oder eines Sensorelements verbindet, wird nachstehend
als Mittelachse des Chips oder des Elements bezeichnet. Die Art
der in den 9A und 9B gezeigten
Verformung kann durch eine thermische Verformung verursacht werden.
Bei dem in 9A gezeigten Beispiel weist ein
Sensorchip 101 in einer miniaturisierten Sensorvorrichtung,
wie beispielsweise einem Mikro-Beschleunigungssensor, ein Sensorelement 102 auf, das
auf seiner oberen Fläche befestigt ist, und wird der Sensorchip 101 bezüglich
einer seiner Mittelachsen bogenförmig verformt. Bei dem
in 9B gezeigten Beispiel liegt die gleiche bogenförmige
Verformung um die andere Mittelachse des Sensorchips 101 vor. Änderungen
in den Werten der elektrostatischen Kapazität (die vom
Sensorelement 102 erhalten werden), die aus dieser Art
von Verformung resultieren, können, wie vorstehend beschrieben,
durch ein Differenzausgangssignal aufgehoben werden, indem beispielsweise
die Differenz zwischen den jeweiligen Ausgangssignalen zweier Differenzblöcke im
Sensorelement 102 verwendet wird.
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Es
muss jedoch ebenso die Art der in der 10 gezeigten
Verformung berücksichtigt werden, bei der Biegekräfte
auf die Ecken des Sensorchips 101 wirken. Dies führt
zu einer Biegeverformung des Chips, die durch Kräfte hervorgerufen
wird, die auf die diagonal gegenüberliegenden Ecken des
Chips wirken. Die Änderungen der elektrostatischen Kapazität,
die aus dieser Art von Verformung hervorgehen, können nicht
in ausreichendem Maße aufgehoben bzw. entfernt werden,
indem einfach ein Differenzausgangssignal gewonnen wird. Folglich
tritt eine Nullpunktabweichung auf. Dies stellt dann, wenn ein Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensor
oder ein Mikro-Beschleunigungssensor genau betrieben werden soll,
ein ernst zu nehmendes Problem dar.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine miniaturisierte
Sensorvorrichtung bereitzustellen, die ein Differenzausgangssignal
gewinnt, um die Einflüsse von Störkräften,
die einen Sensorchip der Sensorvorrichtung stören, aufzuheben,
um so nur diejenigen Änderungen einer dynamischen Größe
zu erfassen, die zu erfassen sind. Hierdurch kann im Wesentlichen
verhindert werden, dass sich die Nullpunktgenauigkeit bedingt durch
solch eine Verformung des Sensorchips, und insbesondere durch eine
Verformung, welche die jeweiligen Ecken des Sensorchips verschiebt,
verschlechtert.
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Zum
Lösen der obigen Aufgabe wird gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung
mit einem auf einem Sensorchip befestigten Sensorelement bereitgestellt, wobei
das Sensorelement derart ausgerichtet ist, dass seine jeweiligen
Mittelachsen durch die Ecken des Sensorchips verlaufen. Auf diese
Weise wird sichergestellt, dass bei einer Biegeverformung des Sensorchips
(die beispielsweise durch eine thermische Verformung verursacht
wird), die bewirkt, dass die Ecken des Sensorchips verschoben, d.
h. bezüglich der Hauptflächen des Chips nach oben
oder nach unten gezogen werden, eine gleiche bzw. ähnliche Verformung
des Sensorelements durch eine Verschiebung der Ecken des Sensorelements
im Wesentlichen verhindert wird. Dies wird dadurch realisiert, dass
die Ecken des Sensorelements bei solch einem Aufbau so weit wie
möglich von den Ecken des Sensorchips entfernt angeordnet
sind.
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Auf
diese Weise kann eine Nullpunktabweichung der Sensorvorrichtung,
die durch solch eine Verformung des Sensorelements bedingt durch
eine Verschiebung der Ecken des Sensorelements verursacht wird,
im Wesentlichen verhindert werden.
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Das
Sensorelement kann rechteckig und der Sensorchip rautenförmig
ausgebildet sein. In diesem Fall verlaufen die Mittelachsen des
Sensorelements vorzugsweise entlang der jeweiligen diagonalen Symmetrielinien
zwischen den gegenüberliegenden Eckpaaren des Sensorchips.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist jede der Seitenflächen des
Sensorchips derart ausgebildet, dass sie zur unteren Fläche
des Chips (d. h. der Fläche des Chips, die mit einer weiteren
Komponente, wie beispielsweise einem Schaltungschip, verbunden wird)
nach innen geneigt ist, um so die Kontaktfläche zwischen dem
Sensorchip und der Komponente, die mit der unteren Fläche
zu verbinden ist, zu verringern. Auf diese Weise kann der Abstand
zwischen der Mitte der unteren Fläche des Sensorchips und
jeder Ecke der Kontaktfläche verkürzt werden.
Dies hilft ferner dabei, eine Verformung des Sensorelements durch
eine Verschiebung der Ecken des Sensorelements, die durch eine Verformung
des Sensorchips verursacht wird, welche die Ecken des Sensorchips
verschiebt, zu verhindern. Ferner gelangt eine Bondversiegelung (die
beim Bonden des Sensorchips an eine weitere Komponente aufgebracht
wird) mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf die obere Fläche
des Sensorchips.
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Alternativ
kann der Abstand zwischen der Mitte der unteren Fläche
des Sensorchips und jeder Ecke der Kontaktfläche verkürzt
werden, indem ein unterer Abschnitt von jeder Ecke des Sensorchips entfernt
wird (d. h. eine dreieckige Abschrägung gebildet wird,
die sich zur unteren Fläche des Sensorchips hin erstreckt).
Hierdurch kann die Kontaktfläche zwischen dem Sensorchip
und einer mit der unteren Fläche des Sensorchips zu verbindenden
Komponente ebenso verringert werden.
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In
beiden Fällen sind die Bondkontaktstellen des Sensorchips
dann, wenn die Kontaktfläche auf diese Art verringert wird,
vorzugsweise in einem Bereich angeordnet, welcher der Kontaktfläche
entspricht.
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Die
obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht
wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt/zeigen:
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1 den
Aufbau eines Sensorchips gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der als MEMS-Winkelgeschwindigkeitssensor realisiert
ist;
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2 eine
Teilschnittansicht des Aufbaus des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 der
ersten Ausführungsform;
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3 einen
Schaltplan einer Differenzverstärkerschaltung der ersten
Ausführungsform;
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4A und 4B eine
Seitenansicht bzw. eine Draufsicht der unteren Fläche des
Sensorchips der ersten Ausführungsform;
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5 ein
Sensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform,
das als MEMS-Beschleunigungssensor realisiert ist;
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6 eine
der 5 entsprechende Darstellung zur Veranschaulichung
des Effekts einer auf das Sensorelement aufgebrachten Beschleunigung;
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7 eine
Draufsicht der unteren Fläche eines Sensorchips gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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8 eine
Draufsicht zur Veranschaulichung einer bevorzugten Anordnung von
Bondkontaktstellen auf einem gemäß der 7 aufgebauten Sensorchip;
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9A und 9B Ansichten
zur Veranschaulichung einer Biegeverformung eines Sensorchips bezüglich
zweier Mittelachsen des Chips; und
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10 eine
Ansicht zur Veranschaulichung einer Biegeverformung eines Sensorchips,
welche die sich diagonal gegenüberliegenden Ecken des Chips
verschiebt.
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Erste Ausführungsform
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Nachstehend
wird ein Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensor (nachstehend der Einfachheit halber
als Winkelgeschwindigkeitssensor bezeichnet) gemäß einer
Aus führungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die 1 bis 4 beschrieben. 2 zeigt
eine Schrägansicht des Sensors, bei der Teile eines Gehäuses
und eines Substrats des Sensors entfernt sind, um den Innenaufbau zu
veranschaulichen. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 weist
einen Sensorchip 2, der als MEMS-(Micro Electric Mechanical
Systems)-Chip realisiert ist, einen Schaltungschip 3, der
auf der Unterseite des Sensorchips 2 befestigt ist, und
ein Keramikgehäuse 4 auf, in welchem der Sensorchip 2 und der
Schaltungschip 3 untergebracht sind. Der Sensorchip 2,
der Schaltungschip 3 und das Keramikgehäuse 4 sind
jeweils anhaftend aneinander befestigt.
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Der
Sensorchip 2 weist, wie in 1 gezeigt, feste
und bewegliche Elektroden auf, die jeweils kammförmig ausgebildet
sind. Bei dieser Ausführungsform ist die zu erfassende
dynamische Größe eine Winkelgeschwindigkeit, die
als Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen
den festen und den beweglichen Elektroden erfasst wird. Der Sensorchip 2 weist
beispielsweise eine Fläche von annähernd 20 mm2 auf.
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Der
Schaltungschip 3 dient zur Verarbeitung der vom Sensorchip 2 übertragenen
Signale. Der Sensorchip 2 und der Schaltungschip 3 sind über Bonddrähte 5a elektrisch
miteinander verbunden, im Innenraum eines Keramikgehäuses 4 angeordnet und
durch eine Abdeckung 6 versiegelt. Eine Innenseite des
Keramikgehäuses 4 weist einen Satz von verbindenden
Leitungsanschlüssen (nachstehend als Leitungsanschlüsse
bezeichnet) 4a auf, über die Signale vom Schaltungschip 3 nach
außerhalb geben werden können. Die Leitungsanschlüsse 4a und der
Schaltungschip 3 sind über Bonddrähte 5b elektrisch
miteinander verbunden.
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1 zeigt
eine Draufsicht zur Veranschaulichung des Aufbaus des Sensorchips 2.
Auf dem Sensorchip 2 ist, wie in 1 gezeigt,
ein Sensorelement 7 angeordnet, um Änderungen
der nachstehend noch beschriebenen elektrostatischen Kapazität
zu erfassen. Das Sensorelement 7 wird mit Hilfe eines Mikrobearbeitungsverfahrens
auf einem Halbleitersubstrat gebildet.
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Das
Sensorelement 7 ist aus einem ersten und einem zweiten
Erfassungsblock 8 und 9, die jeweils auf der linken
Seite in der 1 gezeigt sind, und einem dritten und
einem vierten Erfassungsblock 10 und 11, die jeweils
auf der rechten Seite in der 1 gezeigt
sind, aufgebaut. Der erste und der zweite Erfassungsblock 8 und 9 sind
bezüglich von einer der Mittelachsen des Sensorelements 7 (d.
h., wie in 1 gezeigt, bezüglich
der horizontalen Mittelachse des Sensorelements 7) symmetrisch
gegenüberliegend angeordnet. Gleichermaßen sind
der dritte und der vierte Erfassungsblock 10 und 11 bezüglich
der genannten horizontalen Mittelachse des Sensorelements 7 symmetrisch
gegenüberliegend angeordnet. Ferner ist das Paar von Erfassungsblöcken 8 und 9 dem
Paar von Erfassungsblöcken 10 und 11 bezüglich
der anderen Mittelachse des Sensorelements 7 (d. h., wie
in 1 gezeigt, bezüglich der vertikalen Mittelachse
des Sensorelements 7) symmetrisch gegenüberliegend
angeordnet.
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Ein
Paar von Abschnitten CS1, CS3 zur Erfassung einer elektrostatischen
Kapazität, die entgegengesetzte Polaritäten annehmen,
wenn sie angesteuert werden, ist auf der linken bzw. der rechten Seite
des Sensorblocks 8 (gemäß der 1)
angeordnet. Gleichermaßen ist ein Paar von Abschnitten CS2,
CS4 zur Erfassung einer elektrostatischen Kapazität, die
entgegengesetzte Polaritäten annehmen, wenn sie angesteuert
werden, auf der linken bzw. der rechten Seite des Sensorblocks 9 (gemäß der 1) angeordnet.
Ferner ist ein Paar von Abschnitten CS5, CS7 zur Erfassung einer
elektrostatischen Kapazität, die entgegengesetzte Polaritäten
annehmen, wenn sie angesteuert werden, auf der linken bzw. der rechten
Seite des Sensorblocks 10 (gemäß der 1) angeordnet.
Ferner ist ein Paar von Abschnitten CS6, CS8 zur Erfassung einer
elektrostatischen Kapazität, die entgegengesetzte Polaritäten
annehmen, wenn sie angesteuert werden, auf der linken bzw. der rechten
Seite des Sensorblocks 11 (gemäß der 1) angeordnet.
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In
der Mitte der Erfassungsblöcke 8, 9, 10 und 11 ist
jeweils ein entsprechender elektrostatischer Ansteuerabschnitt 8a, 9a, 10a bzw. 11a angeordnet,
um die Abschnitte CS1 bis CS8 zur Erfassung einer elektrostatischen
Kapazität anzusteuern. Die elektrostatischen Ansteuerabschnitte 8a, 9a, 10a und 11a steuern
den ersten und den zweiten Erfassungsblock 8 und 9 und
den dritten und den vierten Erfassungsblock 10 und 11,
wie in 1 gezeigt, in lateraler Richtung an, wobei das
Paar von Erfassungsblöcken 8 und 9 mit
entgegengesetzter Polarität zu den Erfassungsblöcken 10 und 11 angesteuert
wird.
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Der
Sensorchip 2 ist rautenförmig ausgebildet, wobei
seine Symmetrieachsen, wie in 1 gezeigt,
jeweils entlang der Mittelachsen des Sensorelements 7 verlaufen.
D. h., jede Linie, die gegenüberliegende Ecken des Sensorchips 2 verbindet,
verläuft entlang einer Mittelachse des Sensorelements 7 bzw. fällt
mit einer Mittelachse des Sensorelements 7 zusammen. Durch
solch einen Aufbau können die Ecken 7a des Sensorelements 7 beabstandet
von den Ecken 2a des Sensorchips 2 angeordnet
werden.
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In
dem Schaltungschip 3 ist eine Differenzverstärkerschaltung
mit dem in der 3 gezeigten Schaltungsaufbau
gebildet. Betrachtet man die Abschnitte zur Erfassung einer elektrostatischen
Kapazität des ersten bis vierten Erfassungsblocks 8 bis 11 des
Sensorelements 7, so sind die Abschnitte CS1 und CS5 zur
Erfassung einer elektrostatischen Kapazität parallel zum
invertierenden Eingangsanschluss eines ersten Operationsverstärkers 13 geschaltet, die
Abschnitte CS2 und CS6 zur Erfassung einer elektrostatischen Kapazität
parallel zum nicht invertierenden Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 13 geschaltet,
die Abschnitte CS3 und CS7 zur Erfassung einer elektrostatischen
Kapazität parallel zum invertierenden Eingangsanschluss
eines zweiten Operationsverstärkers 14 geschaltet
und die Abschnitte CS4 und CS8 zur Erfassung einer elektrostatischen
Kapazität parallel zum nicht invertierenden Eingangsanschluss
des zweiten Operationsverstärkers 14 geschaltet.
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Der
Ausgangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 13 ist über
einen Widerstand 16 mit dem invertierenden Eingangsanschluss
eines dritten Operationsverstärkers 15 verbunden,
und der Ausgangsanschluss des zweiten Operationsverstärkers 14 ist über
einen Widerstand 17 mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss
des dritten Operationsverstärkers 15 verbunden.
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Der
dritte Operationsverstärker 15 gibt an seinem
Ausgangsanschluss ein verstärktes Signal aus, wobei dieser
Ausgangsanschluss über einen Widerstand 18 mit
dem invertierenden Eingangsanschluss dieses Operationsverstärkers
verbunden ist.
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Der
Grund dafür, die Schaltung 12 mit dem in der 3 gezeigten
Schaltungsaufbau zu verwenden, liegt darin, sicherzustellen, dass Änderungen der
elektrostati schen Kapazität, die aus externen Störeffekten,
wie beispielsweise Stößen, hervorgehen, keine
entsprechenden Änderungen im Ausgangssignal verursachen,
und ferner Abweichungen der elektrostatischen Kapazität
von den Konstruktionswerten und größere Nullpunktabweichungen
zu verhindern.
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Bei
diesem Schaltungsaufbau werden die Abschnitte CS1 bis CS8 zur Erfassung
einer elektrostatischen Kapazität in horizontaler Richtung
(gemäß der 1) von den
elektrostatischen Ansteuerabschnitten 8a bis 11a angesteuert
und wirken dann, wenn der Sensorchip einer Winkelbeschleunigung um
eine vertikal zur Papierebene (der 1) als Mittelachse
verlaufenden Linie unterliegt, in einer Aufwärts- und Abwärtsrichtung
(gemäß der 1) wirkende
Kräfte auf die Abschnitte CS1 bis CS8 zur Erfassung einer
elektrostatischen Kapazität. Folglich kann die Winkelgeschwindigkeit
des Sensors auf der Grundlage des Differenzausgangssignals der Differenzverstärkerschaltung 12 mit
dem in der 3 gezeigten Schaltungsaufbau
gewonnen werden.
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Die
untere Fläche 2b des Sensorchips 2, die mit
dem Schaltungschip 3 verbunden ist, ist, wie in den 4A und 4B gezeigt,
mit schrägen Seitenflächen ausgebildet. Auf diese
Weise ist an jeder der Ecken 2a des Sensorchips 2 ein
unterer Teil der Ecke entfernt worden, d. h., die Spitze der Ecke
ist derart entfernt, dass sie den Schaltungschip 3 nicht mehr
berührt.
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Wenn
eine thermische Verformung des Gehäuses oder der Platine
(auf welcher das Gehäuse befestigt ist) auf den Sensorchip 2 übertragen
wird, kann dies zu einer Biegeverformung des Sensorchips 2 führen.
In diesem Fall kann, wie in den 9A und 9B gezeigt,
ein Biegen (Krümmen) des Sensorelements 7 um eine
Mittelachse auftreten, das zu Nullpunktabweichungen führt.
Diese Art von Abweichung kann durch den Betrieb der Differenzverstärkerschaltung 12 aufgehoben
werden. Es kann jedoch eine Verformung des Sensorelements 7 auftreten,
bei der ein Paar gegenüberliegender Ecken 7a,
wie in 10 gezeigt, nach oben (oder
nach unten) gezogen wird. Eine aus dieser Art von Verformung des
Sensorelements 7 resultierende Nullpunktabweichung kann
durch den Betrieb der Differenzverstärkerschaltung 12 nicht
aufgehoben werden.
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Folglich
wird bei der vorliegenden Erfindung ein Aufbau angewandt, bei dem
jede der Ecken 7a des Sensorelements 7 im Wesentlichen
entfernt bzw. beabstandet von den Ecken 2a des Sensorchips 2 angeordnet
ist. Folglich kann selbst dann, wenn die Ecken 2a des Sensorchips 2 durch
Verformungskräfte verschoben werden, eine resultierende
Verformung des Sensorelements 7 durch eine Verschiebung
eines Paares zweier diagonal gegenüberliegenden Ecken 7a des
Sensorelements 7 (d. h. eine Verschiebung, durch die ein
Paar zweier diagonal gegenüberliegenden Ecken 7a bezüglich
der Papierebene (gemäß der 1) nach
oben oder nach unten gezogen wird) verhindert oder im Wesentlichen
unterdrückt werden.
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Da
das Sensorelement 7 derart ausgerichtet ist, dass jede
seiner Mittelachsen entlang einer Linie verläuft, die ein
Paar zweier diagonal gegenüberliegenden Ecken des Sensorchips 2 verbindet,
ist bei dieser Ausführungsform jede der Ecken 7a des
Sensorelements 7 im Wesentlichen getrennt von den Ecken 2a des
Sensorchips 2 angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform
ist dem Stand der Technik folglich dahingehend überlegen,
das die Ecken 7a des Sensorelements 7 nicht leicht
durch eine Verschiebung der Ecken des Sensorchips 2, die
durch auf den Sensorchip 2 wirkende Biegekräfte
verursacht wird, verschoben werden. Folglich können aus solch
einer Verformung des Sensorchips 2 resultierende Nullpunktabweichungen
im Wesentlichen verhindert werden.
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Dieser
Vorteil wird jedoch einfach dadurch erzielt, dass die Ausrichtung
des Sensorelements 7 bezüglich des Sensorchips 2 geändert
wird, und kann somit ohne eine Erhöhung der Fertigungskosten
erreicht werden.
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Ferner
können bedingt durch die Tatsache, dass Abschnitte der
Ecken 2a des Sensorchips 2, die benachbart zur
unteren Fläche 2b des Sensorchips 2 angeordnet
sind (d. h. benachbart zur Fläche des Sensorchips 2,
die an einer oberen Fläche des Schaltungschips 3 befestigt
wird), entfernt werden (siehe 4A, 4B),
die Einflüsse der Biegekräfte, die vom Schaltungschip 3 auf
die Ecken 2a des Sensorchips 2 aufgebracht werden,
verringert werden. D. h., es kann bedingt durch die Tatsache, dass
der Abstand von der Mitte des Sensorchips 2 zu den Positionen
von jeder der Ecken 2a (d. h. den Positionen, an denen
diese Ecken die untere Fläche 2b des Sensorchips 2 erreichen)
verkürzt wird, ein Betrag der Verschiebung der diagonal
gegenü berliegenden Ecken 2a des Sensorchips 2 aufgrund
derartiger auf den Schaltungschip 3 wirkenden Kräfte
im Wesentlichen verringert werden.
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Zweite Ausführungsform
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Nachstehend
wird ein miniaturisierter MEMS-Beschleunigungssensor gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben. 5 zeigt
den Aufbau des Sensorelements dieser Ausführungsform. Ein
Sensorelement 21 ist, wie in 5 gezeigt,
aus einer kammförmigen beweglichen Elektrode 22 mit
sich in seitlicher Richtung erstreckenden Zahnabschnitten aufgebaut.
Das Sensorelement 21 wird derart getragen, dass es in vertikaler
Richtung (gemäß 5) beweglich
ist. Eine erste feste Elektrode 23 ist derart angeordnet,
dass ihre Zahnabschnitte jeweils den Zahnabschnitten gegenüberliegen,
die sich auf einer Seite der beweglichen Elektrode 22 erstrecken,
während eine zweite feste Elektrode 24 derart
angeordnet ist, dass ihre Zahnabschnitte jeweils den Zahnabschnitten
gegenüberliegen, die sich auf der anderen Seite der beweglichen
Elektrode 22 erstrecken.
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Zwischen
der beweglichen Elektrode 22 und der ersten festen Elektrode 23 und
zwischen der beweglichen Elektrode 22 und der zweiten festen
Elektrode 24 bilden sich elektrostatische Kapazitäten
C1 bzw. C2. Eine Differenzschaltung 25 erzeugt ein Differenzausgangssignal
aus den Spannungen über den elektrostatischen Kapazitäten
C1 und C2. Folglich kann ein Anzeichen für die Beschleunigung
des Sensorelements 21 auf der Grundlage des Differenzausgangssignals
der Differenzschaltung 25, basierend auf den Änderungen
+ΔC und –ΔC der elektrostatischen Kapazitäten
C1 und C2, erhalten werden. Diese Änderungen werden, wie
in 6 gezeigt, durch eine Verschiebung der Zahnabschnitte
der beweglichen Elektroden bedingt durch die Beschleunigung bewirkt.
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Bei
dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 21 mit
der gleichen Ausrichtung, wie vorstehend bezüglich des
Sensorblocks 8 der ersten Ausführungsform beschrieben,
auf einem Sensorchip 2 angeordnet, d. h. verlaufen die
Mittelachsen des Sensorelements 21 entlang von Linien,
die symmetrisch gegenüberliegende Ecken des Sensorchips 2 verbinden.
Auf diese Weise können die Ecken 21a des Sensor elements 21 im
Wesentlichen beabstandet von den Ecken des Sensorchips 2 angeordnet
werden, wodurch die obigen Vorteile der ersten Ausführungsform
erzielt werden, indem das Ausmaß, mit dem eine Biegeverformung
des Sensorchips 2 Biegekräfte auf die Ecken des
Sensorelements 21 aufbringen kann, verringert wird. Folglich
kann eine Nullpunktabweichung bei einem Mikro-Beschleunigungssensor
dieser Ausführungsform, wie bei dem Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensor
der ersten Ausführungsform, im Wesentlichen verhindert
werden.
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Weitere Ausführungsformen
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Bei
der in den 4A und 4B gezeigten ersten
Ausführungsform wird eine Entfernung eines unteren Teils
jedes Eckabschnitts des Sensorchips 2 erzielt, indem die
Eckabschnitte (die sich jeweils zwischen einem Paar von Ecken erstrecken)
der unteren Fläche 2b des Sensorchips 2 entfernt
werden. Das gleiche Ergebnis kann jedoch erzielt werden, indem ein
sich von der unteren Fläche 2b des Sensorchips 2 erstreckender
Dreiecksabschnitt an jeder der Ecken 2a des Sensorchips 2 entfernt
wird. Dies ist in der 7 gezeigt, bei welcher die untere
Fläche 2b des Sensorchips 2 als Draufsicht
gezeigt ist. Jeder der an den Ecken 2a des Sensorchips 2 in
der 7 gezeigten Dreiecksbereiche 2d sollte
derart verstanden werden, das er eine Abschrägung darstellt,
die von der Papierebene (gemäß der 7)
in Richtung einer entsprechenden Ecke 2a an der oberen
Fläche des Sensorchips 2 nach unten geneigt ist.
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Bei
solch einem Aufbau sind die Bondkontaktstellen 2c des Sensorchips 2 (zur
elektrischen Verbindung des Sensorchips 2 mit dem Schaltungschip 3),
wie in 8 gezeigt, vorzugsweise an Positionen angeordnet,
welche dem Bereich der unteren Fläche 2b entsprechen
(d. h. an Positionen angeordnet, die direkt oberhalb des Bereichs
der unteren Fläche 2b liegen), der mit dem Schaltungschip 3 verbunden
wird. Hierdurch kann die Gefahr, dass eine Bondversiegelung bzw.
Bonddichtungsmaterial bei einem Drahtbonden auf den Sensorchip 2 fließt,
verringert werden.
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Weitere Ausgestaltungen
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Sowohl
der Sensorchip 2 als auch der Schaltungschip 3 können
rechteckig oder in einer anderen Form ausgebildet sein.
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Die
vorliegende Erfindung ist ferner nicht darauf beschränkt,
auf einen Mikro-Beschleunigungssensor oder einen Mikro-Winkelgeschwindigkeitssensor
mit den kammförmigen Elektroden angewandt zu werden, sondern
kann auf einen beliebigen miniaturisierten Sensor angewandt werden,
bei dem Abweichungen einer erfassten dynamischen Größe, die
durch systemfremde auf ein Sensorelement wirkende Störkräfte
verursacht werden, aufzuheben sind.
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Vorstehend
wurde eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Änderungen
einer dynamischen Größe und gleichzeitiger Unterdrückung
von Erfassungsabweichungen, die durch eine Biegeverformung eines
Sensorchips verursacht werden, offenbart.
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Ein
miniaturisierter Sensor, wie beispielsweise ein Mikro-Beschleunigungssensor,
weist einen Sensorchip mit einem darauf befestigten Sensorelement
auf, wobei das Sensorelement derart ausgerichtet ist, dass seine
Mittelachsen durch die Ecken des Sensorchips verlaufen. Folglich
sind die Ecken des Sensorelements im Wesentlichen getrennt von den
Ecken des Sensorchips angeordnet, so dass im Wesentlichen verhindert
wird, dass eine die Ecken des Sensorchips verschiebende Biegeverformung eine
Verschiebung der Ecken des Sensorelements verursacht. Auf diese
Weise kann eine aus solch einer Verschiebung resultierende Erfassungsungenauigkeit
verhindert oder reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-115595 [0001]
- - JP 2006-98168 [0005]