JP2004506203A - マイクロマシニング技術を用いた構成素子 - Google Patents

Abstract

基板（１）と、この基板（１）の表面に配置された可動構造体（２）とを備えた、マイクロマシニング技術を用いた構成素子が提案される。この場合、可動構造体（２）は基板（１）の表面に対して平行に可動である。可動構造体（２）はフレーム（３）によって取り囲まれている。このフレーム（３）にはカバーキャップ（４）が固定されている。カバーキャップ（４）は可動素子（２）の領域にストッパ（６）を有している。このストッパ（６）によって、基板（１）の表面に対して垂直な方向での可動素子（２）の運動が制限される。

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の、マイクロマシニング技術を用いた構成素子から出発する。マイクロマシニング技術を用いた構成素子は既知である。この既知の構成素子には可動構造体が設けられている。この可動構造体は基板の表面に対して平行に可動である。また、可動構造体はフレームによって取り囲まれている。このフレームにはカバーキャップが固定されている。
【０００２】
発明の利点
独立請求項の特徴を備えた本発明による、マイクロマシニング技術を用いた構成素子は従来のものに比べて、基板の表面に対して垂直な方向での可動素子の変位が制限されているという利点を有している。この手段によって、可動素子の過度に大きな変位が回避される。この手段によって、マイクロマシニング技術を用いた構成素子の運転確実性が高められる。
【０００３】
従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した、マイクロマシニング技術を用いた構成素子の有利な構成および改良形が可能となる。カバーキャップは、プレートへの切欠きのエッチングによって特に簡単に得られる。この場合、シリコンから成るプレート状の材料が特に適している。ストッパの領域に設けられた付加的な層によって、可動素子の変位を一層減少させることができる。カバーキャップとフレームとの結合は付加的な層によって特に簡単に行われる。スペースボールの埋込みによって、結合層の厚さを正確にコントロールすることができる。
【０００４】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【０００５】
図１には、基板１の平面図が示してある。この基板１には可動構造体２が配置されている。基板１は有利にはシリコン基板である。このシリコン基板には、ポリシリコン（多結晶シリコン）から成る可動構造体２が配置されている。この可動構造体２はアンカブロック１０によって基板１に固く結合されている。このような形式のアンカブロック１０には撓みばね１１が固定されている。この撓みばね１１はサイズモ質量体１５を支持している。図１に示したサイズモ質量体１５は４つの撓みばね１１によって４つのアンカブロック１０に固定されている。サイズモ質量体１５には可動電極１２が固定されている。この可動電極１２は細長いサイズモ質量体１５に対してほぼ垂直に配置されている。可動電極１２に向き合って位置するように固定電極１３が配置されている。この固定電極１３自体は再びアンカブロック１０によって基板１に固く結合されている。
【０００６】
可動構造体２は加速度センサとして作用する。この加速度センサの測定軸線は矢印１４によって設定されている。軸線１４の方向での加速時には、所定の力がサイズモ質量体１５に作用する。このサイズモ質量体１５と、撓みばね１１と、可動電極１２とは基板１に結合されていないので、サイズモ質量体１５への力作用に基づき撓みばね１１の撓みが生ぜしめられる。すなわち、サイズモ質量体１５ひいては、これに相応して、可動電極１２も軸線１４の方向で変位させられる。したがって、この変位は基板１の表面に対して平行に生ぜしめられる。変位によって、可動電極１２と固定電極１３との間の間隔が変化させられる。固定電極１３と可動電極１２とが平板コンデンサとして使用されると、両電極１２，１３の間の容量の変化によって、サイズモ質量体１５の変位を検出することができる。この変位量は、軸線１４の方向での、加えられた加速度に比例しているので、図１に示した装置によって加速度を測定することができる。したがって、図１に示した装置は加速度センサである。しかし、本発明は加速度センサに限定されるものではなく、基板１の表面に配置されたあらゆる可動構造体に使用することができる。
【０００７】
基板１の表面に設けられた可動構造体２はフレーム３によって取り囲まれている。このフレーム３はカバーキャップ４のためのアンカ部として設けられている。このカバーキャップ４は、可動構造体２を平面図で見ることができるようにするために図１には示していない。しかし、カバーキャップ４は図２に示してある。図２には、マイクロマシニング技術を用いた構成素子の横断面図が示してある。この横断面図は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図に相当している。しかし、図１には、カバーキャップ４を示していないので、図２は、基板１と、フレーム３と、可動構造体２とに関してしか図１の横断面図に相当していない。
【０００８】
図２には、基板１が横断面図で示してある。この基板１にはアンカブロック１０が固定されている。さらに、このアンカブロック１０には固定電極１３が固定されている。ここでは、この固定電極１３もアンカブロック１０を介してしか基板１に結合されていないので、固定電極１３と基板１との間には中間室が設けられている。しかし、固定電極１３の幾何学的な寸法は、軸線１４に沿った加速によって、固定電極１３の変位が全く生ぜしめられないかもしくは無視できる僅かな変位しか生ぜしめられないように規定されている。図２の横断面にも同じくサイズモ質量体１５を見ることができる。このサイズモ質量体１５も同じく基板１に対して所定の間隔を有している。サイズモ質量体１５は、撓みばね１１と、この撓みばね１１に固定されたアンカブロック１０とによってしか基板１に結合されていないので、サイズモ質量体１５は基板１に対して相対的に任意に運動することができる。基板１に対して相対的なサイズモ質量体１５の可動性は撓みばね１１によって規定される。この撓みばね１１は、加速軸線１４の方向で特に単純な変位が生ぜしめられるように設計されている。しかし、このためには、撓みばね１１が特に長く形成されているので、極めて激しい加速の発生時には、図２に示したように、軸線１６の方向、すなわち、基板１に対して垂直な方向での変位も生ぜしめられ得る。この場合、軸線１６の方向での激しい加速と軸線１４の方向における成分とが同時に発生すると、極めて激しい変位が生ぜしめられ、特に可動電極１２が各固定電極１３上にまたは各固定電極１３の背後に位置するようになり、したがって、構造体の、互いに入り組んだ引っ掛かりが生ぜしめられ得る。この引っ掛かりを回避するために、本発明によれば、カバーキャップ４がストッパ６を備えている。このストッパ６は軸線１６の方向での、すなわち、基板１に対して垂直な方向でのサイズモ質量体１５の変位を制限している。
【０００９】
図２には、横断面図でカバーキャップ４を見ることができる。このカバーキャップ４は結合層５によってフレーム３に結合されている。この場合、結合層５によって、カバーキャップ４とフレーム３との間に固い結合が形成され、したがって、特にカバーキャップ４とフレーム３との間の空気密な結合を形成することが可能となる。これによって、可動素子２を、規定された圧力内に閉じ込めることが可能となる。サイズモ質量体１５の領域、すなわち、可動構造体２の領域にはストッパ６が設けられている。カバーキャップ４の残りの領域の厚さは、そこに切欠き７が設けられていることによって減少させられている。したがって、カバーキャップ４は、フレーム３に結合されている結合領域８およびストッパ６の領域にしか十分な厚さを有しておらず、残りの領域は切欠き７によって薄くされているので、この切欠き７の領域では、マイクロマシニング技術を用いた構造体と、カバーキャップ４との間の間隔がより大きく寸法設定されている。切欠き７によって、構造体が閉じ込められている空気室の容積が増加させられる。したがって、カバーキャップ４と基板１との間の間隔の変化を招くプロセス変動は、閉じ込められたガスの圧力の僅かな変化しか生ぜしめない。
【００１０】
図３には、カバーキャップ４の下面図が示してある。このカバーキャップ４はほぼ長方形に形成されており、中央領域にストッパ６が設けられている。このストッパ６は切欠き７によって完全に取り囲まれている。カバーキャップ４の外側の領域には結合領域８が設けられている。この結合領域８は、図１のフレーム３とほぼ同じ幾何学的な寸法を示している。結合領域８はフレーム３との結合のために結合層５によってカバーされている。
【００１１】
図２の横断面図もしくは図３の下面図に見ることができるように、カバーキャップ４の外側の縁部と切欠き７との間の移行領域もしくはストッパ６と切欠き７との間の移行領域は斜面として形成されている。このことは、カバーキャップ４のための例として、異方性エッチングによって加工されたシリコン基板が使用されていることに起因している。シリコンの異方性エッチング時には一般的に斜めの移行領域が形成される。この移行領域はシリコンプレートの結晶構造によるものである。しかし、カバープレート４のために別のあらゆる種類の材料が可能である。すなわち、シリコンのほかに別の材料、たとえばガラス、セラミックスまたはこれに類するものが使用されてもよい。この場合、ガラスまたはセラミックスの構造化は別のエッチングプロセス、たとえばドライエッチングプロセスまたは相応に別のウエットケミカルエッチング法によって行われる。
【００１２】
図１〜図３の例では、カバープレート４がその結合領域８とストッパ６の領域とに同じ厚さを有している。したがって、ストッパ６とサイズモ質量体１５との間の間隔が結合層５の厚さによって一定に設定される。
【００１３】
図４には、フレーム３とカバーキャップ４の結合領域８との間の結合層５の間隔がどのようにして大きな精度で調整可能であるかという方法が示してある。このためには、結合層５の材料内にスペースボール２５が埋め込まれている。このスペースボール２５は、規定された直径を有している。結合層５のための材料として、たとえば溶融される接着剤またはガラス層が使用される。この場合、層の厚さはスペースボール２５の直径によって規定される。
【００１４】
図５には、別の手段が示してある。この手段は、ストッパ６と可動素子もしくはサイズモ質量体１５との間の間隔に影響を与えるために適している。このためには、ストッパ６の領域に付加的なスペース層９が設けられている。このスペース層９の厚さは結合層５よりも薄く規定されている。したがって、ストッパ６とサイズモ質量体１５との間の間隔を結合層５の厚さよりも少ない値に調整することもできる。この手段は、結合層５の厚さが比較的大きく寸法設定されており、特に結合層５の厚さが、基板１に対して垂直な方向での可動構造体２の厚さよりも大きく寸法設定されている場合に有利である。そのほかの点では、図５に示した、マイクロマシニング技術を用いた構成素子は、すでに図２に示しかつ説明した構造に相当している。付加的なスペース層９は、図４のスペースボール２５に対して付加的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
基板の平面図である。
【図２】
マイクロマシニング技術を用いた構成素子の横断面図である。
【図３】
カバーキャップの下面図である。
【図４】
結合領域の詳細図である。
【図５】
マイクロマシニング技術を用いた構成素子の別の横断面図である。
【符号の説明】
１　基板、　２　可動構造体、　３　フレーム、　４　カバーキャップ、　５　結合層、　６　ストッパ、　７　切欠き、　８　結合領域、　９　スペース層、　１０　アンカブロック、　１１　撓みばね、　１２　可動電極、　１３　固定電極、　１４　軸線、　１５　サイズモ質量体、　１６　軸線、　２５　スペースボール

Claims (6)

1. マイクロマシニング技術を用いた構成素子であって、基板（１）と、該基板（１）の表面に配置された可動構造体（２）とが設けられており、該可動構造体（２）が、基板（１）の表面に対して平行に可動であり、構造体（２）が、基板（１）の表面に配置されたフレーム（３）によって取り囲まれており、さらに、カバーキャップ（４）が設けられており、該カバーキャップ（４）が、フレーム（３）に結合されていて、可動構造体（２）の上方で延びている形式のものにおいて、カバーキャップ（４）が、可動素子（２）の領域にストッパ（６）を有しており、該ストッパ（６）が、基板（１）の表面に対して垂直な方向での可動素子（２）の運動を制限するようになっていることを特徴とする、マイクロマシニング技術を用いた構成素子。
2. カバーキャップ（４）が、プレートへの少なくとも１つの切欠き（７）の加工成形によって形成されており、該切欠き（７）によってストッパ（６）と結合領域（８）とが規定されるようになっており、構造化によってカバーキャップ（４）を形成したプレートが、ストッパ（６）と結合領域（８）の領域とに同じ厚さを有している、請求項１記載の構成素子。
3. カバーキャップ（４）が、シリコンプレートから構造化されている、請求項２記載の構成素子。
4. カバーキャップ（４）に設けられたストッパ（６）の領域に少なくとも１つの付加的な層（９）が被着されており、これによって、ストッパ（６）と可動構造体（２）との間の間隔が調整されるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成素子。
5. フレーム（３）が、結合層（５）によってカバーキャップ（４）に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成素子。
6. 結合層（５）内に、規定された直径を備えたスペースボール（２５）が設けられており、該スペースボール（２５）によって結合層（５）の厚さが調整されるようになっている、請求項５記載の構成素子。