JP2006145505A - Tilt-measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、たとえば半導体工場のウェハーのハンドリングや精密な加工を行う加工装置の傾きを精密に測定する傾斜センサに関するものである。 The present invention relates to a tilt sensor that accurately measures the tilt of a processing apparatus that performs wafer processing and precise processing in a semiconductor factory, for example.
傾斜センサはレーザを用いたものや質点の変位量を測定するもの等があるが、質点の変位量を測定するものは構造が簡単で、小型のものに多く用いられている。 There are tilt sensors that use a laser and those that measure the amount of displacement of the mass point, and those that measure the amount of displacement of the mass point have a simple structure and are often used for small ones.
このような技術として例えば特許文献1及び特許文献2に開示されたものがある。
特許文献1に開示されたものはジャイロのドリフトを抑制するもので、三角柱状の震動体14の各面に圧電素子を設けたものである。
The one disclosed in Patent Document 1 suppresses gyro drift, and is provided with a piezoelectric element on each surface of a triangular prism-
しかし特許文献1に記載のものは、三角柱状の震動体14の震動を圧電素子で検出するものであり、極めて微小な加速度では三角柱状の震動体14が大きく変位することはなく、それを圧電素子で検出するのも困難で微小な重力加速度の方向を検出するには適していないものである。
However, the device disclosed in Patent Document 1 detects the vibration of the triangular prism-
また特許文献2に開示されたものは加速度によって加わる応力が互いに逆である圧電素子を用いたもので圧電素子を含む発振回路の位相差を検出することによって感度を上げるようにしたものである。
Also, the one disclosed in
しかしこれには、素子そのものの感度を上げるという考えはない。このため、極めて小さな加速度の方向の変化を検出して、例えば傾斜計に用いることは困難であるという問題がある。
本発明はそのような傾斜センサの一種であり、極めて検出感度が高くかつ容易に量産が可能なものを提供するものである。また、そのような傾斜センサを用いて極めて高感度の傾斜センサを提供するものである。
However, there is no idea of increasing the sensitivity of the element itself. For this reason, there is a problem that it is difficult to detect an extremely small change in the direction of acceleration and use it in, for example, an inclinometer.
The present invention is a kind of such a tilt sensor, and provides a sensor that has extremely high detection sensitivity and can be easily mass-produced. In addition, the present invention provides an extremely sensitive tilt sensor using such a tilt sensor.
本件発明は以上のような課題を解決するため、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度の方向変動によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにした。 In order to solve the above-described problems, the present invention has a displacement portion that is displaced with respect to the fixed portion, and the displacement portion is displaced due to a change in the direction of gravitational acceleration. The displacement amount of the displacement part was measured by the change in capacitance.
本発明の傾斜センサは上記の如く構成したので、感度を上げるには変移部の質量を大きくすることで容易に対応可能である。また幅狭部のバネ定数を小さくすることができ、これによっても感度を上げることができる。 Since the tilt sensor according to the present invention is configured as described above, increasing the mass of the transition portion can be easily adapted to increase sensitivity. Further, the spring constant of the narrow portion can be reduced, and this can also increase the sensitivity.
また固定部と変位部および幅狭部を一体に形成する場合には、例えば水晶板等をエッチングすることで、上記各部を一度に構成することができ、生産性を高めることができる。 When the fixed portion, the displacement portion, and the narrow portion are integrally formed, for example, by etching a crystal plate or the like, each of the above portions can be configured at a time, and productivity can be improved.
さらに三方晶系の結晶を用いて3つの固定部と変位部および幅狭部を一体に形成する場合には、それぞれが正確に120度ずつずれた点対称の位置となるものを容易に得ることができる。あるいは立方晶系の結晶を用いて4つの固定部と変位部および幅狭部を一体に形成する場合には、それぞれが正確に90度ずつずれた点対称の位置となるものを容易に得ることができる。 Furthermore, when three fixed parts, a displacement part, and a narrow part are integrally formed using a trigonal crystal, it is easy to obtain a point-symmetrical position that is shifted by 120 degrees. Can do. Alternatively, when four fixed parts, a displacement part, and a narrow part are integrally formed using a cubic crystal, it is possible to easily obtain a point-symmetrical position that is shifted by 90 degrees. Can do.
本発明の請求項1に記載の発明は、固定部に対して変位する変位部を有し、重力加速度によって変位部が変位し、これに伴う固定部と変位部との間の静電容量の変化で変位部の変位量を測定するようにしたため、僅かの加速度によって変位部が変位し、その変位を固定部と変位部との間の重力加速度方向の変化で検出できるという作用を有する。 The invention according to claim 1 of the present invention has a displacement portion that is displaced with respect to the fixed portion, and the displacement portion is displaced by gravitational acceleration, and the electrostatic capacitance between the fixed portion and the displacement portion associated therewith is changed. Since the displacement amount of the displacement portion is measured by the change, the displacement portion is displaced by a slight acceleration, and the displacement can be detected by a change in the gravitational acceleration direction between the fixed portion and the displacement portion.
以下本発明の傾斜センサの実施例について図に沿って詳細に説明する。本発明の傾斜センサは、基本的に図1に示す構造である。つまり水晶等の基板1をエッチング加工して固定部2及び変位部3が形成されている。
また固定部2と変位部3とは幅狭部4によって連結され、この幅狭部4も固定部2及び変位部3とともに1枚の基板1をエッチング加工して作られている。これによって固定部2と変位部3とに加速度が加わると、変位部3の質量によって幅狭部4が湾曲し、変位部3の下端が図1の矢印方向つまり左右に揺動する。
Embodiments of the tilt sensor of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The tilt sensor of the present invention basically has the structure shown in FIG. That is, the
The
変位部3の下端には溝5が複数形成されており、この溝5内に挿入される櫛状の対向部6が固定部2に形成されている。さらに溝5の側面には図2に示すように変位電極7が形成されており、対向部6の側面には変位電極7と対向する固定電極8が形成されている。
A plurality of
また図1及び図2に示されるように、変位電極7と固定電極8にはそれぞれ導電薄膜9、10が接続され、導電薄膜9,10にはそれぞれ接続端子11,12が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, conductive
この実施例1の傾斜センサは重力加速度が加わると、幅狭部4が湾曲し変位部3の下端が図1の矢印方向のいずれかに変位する。これによって変位電極7と固定電極8の間隔が変化し、その間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することによって変位電極7の変位量を検出することができ、変位部3の質量と幅狭部4のバネ定数によって傾斜センサに加わった傾斜角度を検出することができる。
In the tilt sensor of the first embodiment, when gravitational acceleration is applied, the
次に本発明の実施例2について説明する。この実施例2のものは図3に示すように幅狭部4が長く形成され、より感度を鋭敏にしている。さらに溝5と櫛状の対向部6が5組形成されている。この溝5と対向部6には図示していないが図2と同様の変位電極7と固定電極8が形成され、変位電極7と固定電極8には導電薄膜9、10が接続され、導電薄膜9,10にはそれぞれ接続端子11,12が設けられている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the
これによって、図4に示すように変位電極7と固定電極8によって構成される5つのコンデンサが並列に接続された状態となり、このコンデンサの並列回路は接続端子11,12によって外部と接続される。
As a result, as shown in FIG. 4, five capacitors constituted by the
この実施例2のものは、幅狭部4が長く形成され、かつ変位電極7と固定電極8の数が多いため、実施例1のものと比較して格段に感度を上げることができる。この実施例2では溝5と櫛状の対向部6が5組形成されているが、さらに数を増やしてもよい。
Since the
次に図5に示すように単一結晶基板13に2つの検出部14,15が互いに90度ずつ回転した関係となるように形成された実施例3を説明する。
Next, as shown in FIG. 5, a third embodiment will be described in which two
たとえばシリコンのような立方晶系の結晶基板を使用し、エッチングによって2つの検出部14,15を作ると、それぞれの検出部は正確に90度回転した点対象の位置に作ることができる。ここで各検出部14,15はそれぞれ図3に示す形状である。
For example, when a cubic crystal substrate such as silicon is used and the two
この実施例3のものは、各検出部14,15は正確に90度ずれており、基板13の面と垂直な方向からの重力加速度の方向つまり傾斜角度であれば、どの方向からのものであっても、その方向と大きさを検出することが可能である。
In the third embodiment, each of the
次に図6に示すように水晶よりなる単一の基板16に2つの検出部17,18が互いに120度ずれた関係となるように形成された実施例4を説明する。
Next, a description will be given of a fourth embodiment in which two
水晶は三方晶系の結晶を構成する。このためにエッチングによって検出部17,18を作ると、それぞれの検出部17,18は正確に120度回転した点対象の位置に作られる。ここで各検出部17,18それぞれ図3に示す形状である。
Quartz constitutes a trigonal crystal. For this reason, when the
この実施例4のものは、各検出部17,18は正確に120度ずれており、基板16の面と垂直な方向からの重力加速度の方向つまり傾斜角であれば、どの方向からのものであっても、その方向と大きさを検出することが可能である。
In the fourth embodiment, each of the
さらに、この実施例4のように、3個の検出部17,18,19を正確に120度ずれて配置することにより、さらに性能の高いセンサを構成することができる。
Furthermore, a sensor with higher performance can be configured by disposing the three
以上説明の実施例3のものは正確に90度ずれた2つの検出部14,15を有し、実施例4のものは正確に120度ずつずれた2つまたは3つの検出部17,18,19を有している。よって実施例3のものも、実施例4のものも、それぞれの検出部のデータより、どの方向から重力加速度の方向が加わったのか知ることができる。
The third embodiment described above has two
よって重力加速度の大きさと方向から、傾斜角を知ることができる。このため、本発明の傾斜センサを応用して精密な傾斜センサを得ることができる。 Therefore, the inclination angle can be known from the magnitude and direction of the gravitational acceleration. For this reason, a precise inclination sensor can be obtained by applying the inclination sensor of the present invention.
さらに、精度の高いセンサを実現するための構成例である実施例5を図7に示す。図2と同様の第1の静電容量を構成する電極7−1,8−1に加えて、第2の静電容量を構成する電極7−2,8−2を設ける。加速度により変位部が矢印方向に変位すると、第1の静電容量は増加し第2の静電容量は減少する。この第1の静電容量から第2の静電容量を差し引いた結果から加速度を検出することで、温度や検出すべき加速度以外の外乱に対して安定で精度の高いセンサが実現できる。 Furthermore, Example 5 which is a structural example for implement | achieving a highly accurate sensor is shown in FIG. In addition to the electrodes 7-1 and 8-1 constituting the first capacitance similar to those in FIG. 2, electrodes 7-2 and 8-2 constituting the second capacitance are provided. When the displacement portion is displaced in the direction of the arrow by acceleration, the first capacitance increases and the second capacitance decreases. By detecting the acceleration from the result of subtracting the second capacitance from the first capacitance, a sensor that is stable and accurate with respect to disturbances other than temperature and acceleration to be detected can be realized.
さらには、このように2組の静電容量の差から加速度を検出するセンサにおいて、その製造を容易にし安価なセンサを提供する実施例6の構成を図8に示す。図7においては7−1と7−2、また8−1と8−2の各々の電極を分離する必要があるが、微細な構造部での電極の分離には高度な製造技術が要求される。図8で微細部において電極を分離する必要がない構成を説明する。 Further, FIG. 8 shows the configuration of the sixth embodiment that facilitates the manufacture of the sensor that detects acceleration from the difference between the two sets of capacitances and provides an inexpensive sensor. In FIG. 7, it is necessary to separate the electrodes 7-1 and 7-2, and 8-1 and 8-2, but high-level manufacturing technology is required for separating the electrodes in a fine structure. The FIG. 8 illustrates a configuration in which it is not necessary to separate electrodes in a fine portion.
変位部電極9−1と固定部電極10−1で構成される第1の静電容量部、また変位部電極9−2と固定部電極10−2で構成される第2の静電容量部から成る。第1の静電容量部では5−1−1の隙間に比べて5−1−2の隙間を十分に大きくしてあるために、第1の静電容量は実質的に5−1−1の隙間で決定される。したがって、変位部の電極は分離する必要がなく、固定部の電極も分離する必要がない。同様に、5−2−1に比べて5−2−2の隙間を十分に大きくしてあるために、第2の静電容量は5−2−1の隙間で決定される。9−1と9−2、および10−1と10−2は微細部ではない部分で分離する構成にする。 The 1st electrostatic capacitance part comprised by the displacement part electrode 9-1 and the fixed part electrode 10-1, and the 2nd electrostatic capacity part comprised by the displacement part electrode 9-2 and the fixed part electrode 10-2 Consists of. In the first capacitance portion, the gap of 5-1-2 is sufficiently larger than the gap of 5-1-1. Therefore, the first capacitance is substantially 5-1-1. Determined by the gap. Therefore, it is not necessary to separate the electrode of the displacement part, and it is not necessary to separate the electrode of the fixed part. Similarly, since the gap of 5-2-2 is sufficiently larger than that of 5-2-1, the second capacitance is determined by the gap of 5-2-1. 9-1 and 9-2, and 10-1 and 10-2 are separated at a portion that is not a fine portion.
加速度により変位部が矢印方向に変位したとき、第1の静電容量は増加し第2の静電容量は減少する。この第1の静電容量から第2の静電容量を差し引いた結果から加速度を検出できる。 When the displacement portion is displaced in the direction of the arrow due to acceleration, the first capacitance increases and the second capacitance decreases. The acceleration can be detected from the result of subtracting the second capacitance from the first capacitance.
このような構成にすることで、微細部分で電極を分離する必要がなくなるので製造が容易になり安価なセンサを提供することができる。 By adopting such a configuration, it is not necessary to separate the electrodes at fine portions, so that the manufacture becomes easy and an inexpensive sensor can be provided.
本発明は、量産性に優れ、半導体の製造プロセスを用いて量産可能で高感度な傾斜センサを提供する。 The present invention provides a highly sensitive tilt sensor that is excellent in mass productivity and can be mass-produced using a semiconductor manufacturing process.
1 基板
2 固定部
3 変位部
4 幅狭部
5 溝
6 対向部
7 変位電極
8 固定電極
9,10 導電薄膜
11,12 接続端子
13 基板
14,15 検出部
16 基板
17,18,19 検出部
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