JP2005534897A

JP2005534897A - モノリシックシリコン加速度センサー

Info

Publication number: JP2005534897A
Application number: JP2004513783A
Authority: JP
Inventors: マホン、ジェフリー、エル．
Original assignee: ヴェーテーイーテクノロジーズオサケユキチュア
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-11-17
Also published as: US20030230143A1; WO2003107016A1; DE60319528D1; AU2003238497A1; EP1514123A1; ATE388408T1; EP1514123B1; DE60319528T2; US6829937B2

Abstract

複数の加速の直交軸に沿った加速を検出することができる、モノリシックシリコン加速度センサーを開示する。モノリシックシリコン加速度センサーは、１またはそれ以上のセンサーセルを形成するためにシリコンからマイクロマシン加工されており、個々のセンサーセルは、シリコン支持構造に固定されたビーム部材によって位置決めされた慣性質量を有する。加速による慣性質量の移動は、慣性質量の互いに反対側にある面と、カバープレート構造の上部および底部にある導電層との間における、静電容量測定値の差によって、あるいは位置決めしているビーム部材に固定されたピエゾ抵抗素子の抵抗測定値によって検出される。本発明の実施態様は、２つの加速の直交軸に沿って、または３つの加速の直交軸に沿って、面内での加速の検出ができる。

Description

発明の分野
本発明は、シリコンからマイクロマシン加工された加速度センサーに関し、より詳しくは、トーションまたはカンチレバーの支持部材によって位置決めされた慣性質量を有するセンサーに関する。

発明の背景
シリコンウエハーを１軸に沿った加速度を検出できる適切な構成へとマイクロマシン加工することによって、小型でコンパクトな加速度センサーを作成することが可能であることが、当該技術では知られている。マイクロマシン加工プロセスは、通常複数のシリコンウエハーのバッチに対し実施される。当該プロセスは、マスキングすること、ウエハー表面にエッチング停止材料のパターンを形成すること、露出したシリコンをエッチングすること、エッチング停止材料を除去すること、メタライジングすること、およびボンディングすることからなる。シリコンウエハーは、個々の加速度センサーデバイスへとダイスカットされ、該デバイスは、パッケージされ、適切な電子回路に接続されて加速度計が形成される。これらの技術を用いて、２軸または３軸加速度センサーは、それぞれ、２または３の直交する加速軸に沿って正確に機械的に位置合わせされた２または３のダイスカットされた個別デバイス(discrete devices)を必要とする。マイクロマシン加工プロセスにより作成された速度センサーの例は、以下の米国特許に記載されている（米国特許第４，５７４，３２７号、米国特許第４，９３０，０４３号、米国特許第５，００８，７７４号）。

シリコン加速度センサーの以前の形態としては、加速に対応して移動する慣性質量が採用されており、カンチレバー支持部材により位置決めされ、該支持部材は、望んでいない交差軸の感度をもたらす非対称を招き得るものであった。この望んでいない非対称の効果を避けるべく、これらのデバイスは、加速に対する応答が、慣性質量と支持部材の平面に対して垂直な軸に優先的に沿うように、柔軟な支持部材が慣性質量の周囲を囲むように設計されている。さらに、１軸の加速度レスポンスを制限するために、支持部材は、時には慣性質量の中央平面に配置されたり、慣性質量の上部および下部表面に対称に配置されたりしている。このようにして製造されたデバイスは、デバイス同士の間で広範囲のパラメーター変動を示し得る。さらに、多軸のアプリケーションでは、複数の個別デバイスが、それぞれの加速軸に機械的に正確に整列されていなければならない。製造において直面する困難性は、中央面の正確な位置と複数のデバイスの正確な整列を含んでおり、製造プロセスを複雑で時間がかかり、かつ高価なものにしている。

上記の理由により、比較的に簡単な製造プロセスによってシリコンからマイクロマシン加工される（その結果、低い機械的ストレスで、温度適性があり、デバイス同士の間でタイトなパラメーター公差を有するデバイスとなる）モノリシック多軸加速度センサーが求められている。個別デバイスの要求される正確な機械的整列を、ダイシングプロセスの後に行なうことよりもむしろ、いずれの要求される多軸整列も、デバイス製造で用いられるリソグラフィープロセスの一部として行なうことが望ましい。製造プロセスは、所定の加速度感度をもつデバイスを製造するために、低感度デバイスから高感度デバイスまでの範囲のバッチで、バッチベースで調整可能であることがさらに望ましい。

発明の要旨
本発明は、比較的に簡単な製造プロセスによってシリコンからマイクロマシン加工され、デバイス間でタイトなパラメーター公差を有し、低い機械的ストレスで、温度安定性のあるモノリシック多軸加速度センサーに関する。当該モノリシック多軸加速度センサー(monolithic multiple axes acceleration sensor)は、デバイス製造において用いられるリソグラフィープロセスにより整列され得るものであるため、個別デバイスの、直交した加速軸に沿った正確な機械的整列が必要とされない。本発明の製造プロセスは、所定の加速度感度をもつデバイスを製造するために、低感度デバイスから高感度デバイスまでの範囲のバッチで、バッチベースで調整可能である。

シリコン加速度センサーの以前の形態が、非対称の交差軸の感度を避けようとしていたところ、本発明は、この交差軸の効果をモノリシック多軸加速度センサーの製造が可能となるよう利用したものである。当該シリコン加速度センサーの発明は、１、２、３または４つのシリコン加速度センサーセルを有し、それぞれのセンサーセルは、移動可能なシリコン慣性質量を有し、該シリコン慣性質量は、加速に応じて移動し、かつ、シリコン慣性質量の第１表面と同一平面にあるビーム部材により位置決め(position)されており、かつ、シリコン支持構造体に固定されている。慣性質量とシリコン支持構造体の加速による、慣性質量の移動または起きたビーム部材のたわみを検知する手段が提供される。各慣性質量の相対的ポジションは、ビーム部材の位置を角度の基準(reference)として用いて、各シリコン質量の第１表面を見た場合に、隣接する慣性質量に対して直角になっている。本発明を具体化するシリコン加速度センサーデバイス（移動可能な一つのシリコン慣性質量を有する単一センサーセルを持つ）は、直交する２つの軸の加速を感知できるが、一方の軸に沿った加速と他方とを区別することができない。２つのセンサーセルを有するデバイスは、各センサーセルが、ビーム部材を角度の基準として用いて、シリコン質量の第１表面を見た場合、他のセンサーセルの慣性質量に対し１８０度の角度で位置決めされた移動可能なシリコン慣性質量からなるのであるが、直交する２つの軸の加速を感知でき、また２つの軸に沿った加速を区別することができる。３つのセンサーセルを有するデバイスは、各センサーセルが、ビーム部材を角度の基準として用いて、シリコン質量の第１表面を見た場合、お互いに対し０、９０および１８０度の角度で位置決めされた移動可能なシリコン慣性質量からなるのであるが、直交する３つの軸の加速を感知でき、また３つの軸それぞれに沿った加速を区別することができる。４つのセンサーセルを有するデバイスは、各センサーセルが、ビーム部材を角度の基準として用いて、シリコン質量の第１表面を見た場合、お互いに対し０、９０、１８０および２７０度の角度で位置決めされた移動可能なシリコン慣性質量からなるのであるが、直交する３つの軸の加速を感知でき、また３つの軸それぞれに沿った加速を区別することができる。４つのセンサーセルからなるデバイスは、各慣性質量の第１表面を見た場合、物理的に対称な幾何学図形であり、反対方向の非線形性を打ち消す能力を与える。従って、多軸加速度感知は、複数の別個の１軸加速度感知デバイスの正確な機械的整列を要求しない、一つのモノリシックデバイスにより達成できる。慣性質量の移動を検知するための一つの手段は、移動可能な慣性質量の第１表面と、第１表面から間隔をあけて支持シリコン構造に関して固定された第１導電層との間の静電容量を測定すること、および第１表面とは反対側の移動可能な慣性質量の第２表面と、第２表面から間隔をあけて支持しているシリコン構造に関して固定された第２導電層との間の静電容量（キャパシタンス）を測定することによる。慣性質量の移動を検知するための別の手段は、位置決めしているビーム部材上に置かれたピエゾ抵抗素子の抵抗を測定することである。ビーム部材は、カンチレバー（片持ち梁）の構成、トーション（捩り）の構成のいずれであってもよい。慣性質量の形状は、発明の好ましい態様では、直方体として概して記載されている。

シリコン加速度センサーデバイス（導電性シリコンの移動可能な慣性質量を持つ単一のシリコン加速度センサーセルを有する）を製造する方法は、導電性シリコンの第１ウエハーセクションと、導電性シリコンの第２ウエハーセクションに挟まれた、エッチング停止層の層状サンドイッチを形成することを有しており、第１ウエハーセクションは露出した第１表面を有するシリコンからなり、第２ウエハーセクションは露出した第２表面を有するシリコンからなる。シリコン慣性質量の第２セクションは、露出した第２表面からエッチング停止層に達するまで第２ウエハーセクションについて長方形の枠形溝をエッチングすることによって形成される。シリコン慣性質量の第１セクションは、露出した第１表面からエッチング停止層に達するまで第１ウエハーセクションについてＵ形溝(U-shaped channel)および線条形溝(bar-shaped channel)をエッチングすることにより形成され、第１ウエハーセクションについて線条形溝およびＵ形溝は、第２ウエハーセクションの長方形の枠形溝と水平に整列し、等しい面積となるように位置している。エッチング停止層を貫通するかまたは慣性質量のエッチングされた表面上に、慣性質量の第２セクションと慣性質量の第１セクションを電気的に接続する手段が提供される。エッチングされた枠形溝、エッチングされたＵ形溝およびエッチングされた線条形溝により露出した二酸化ケイ素層は、その後、除去され、それにより、ビーム部材により位置決めされシリコン支持構造体に固定された直方体型移動可能シリコン慣性質量が作成される。慣性質量の第２セクションと慣性質量との第１セクションとを電気的に接続する他の手段としては、生成するエッチングされ除去された構造の上に、導電性ポリシリコン層をデポジションすることである。このデポジションプロセスは、非導電性シリコンウエハーセクションの使用が望まれている場合でも、用いることができる。慣性質量の第１表面と第１導電層との間の第１静電容量測定のために、シリコン支持構造体に対し、慣性質量の第１表面から離れた第１導電層を固定することにより；または、慣性質量の第２表面と第２導電層との間の第２静電容量測定のために、シリコン支持構造体に対し、慣性質量の第２表面から離れた第２導電層を固定することにより、シリコン慣性質量の移動を検知する手段が提供される。これらの導電層は、好ましくは、組成は金属である。あるいは、シリコン支持構造体に固定された位置決めされたビーム部材上にピエゾ抵抗素子を置き、ビーム部材が曲がったまたは捩れた場合の抵抗の変化を測定することにより、慣性質量の移動を検知する手段が提供される。

少なくとも一つのシリコン加速度センサーセルを有するシリコン加速度センサーの製造方法の好ましい態様では、移動可能なシリコン慣性質量の第１セクションは、露出した第１表面から二酸化ケイ素層に達するまで第１シリコン層について、Ｕ形溝および線条形溝をエッチングすることにより形成され、第１シリコン層について線条形溝およびＵ形溝は、第２シリコン層の長方形の枠形溝と水平に整列し、等しい面積となるように位置している。線条形溝は、Ｕ形溝の開いた上部を横切って位置しており、Ｕ形溝の開いた上部の外側寸法内で中心にあり、Ｕ形溝の上部の外幅全体と同じ長さまで伸びている。線条形溝の端は、空間的分離が、シリコン慣性質量がトーションビーム部材により位置決めされた状態のデバイスをもたらすようＵ形溝の上部から空間的に離れている。

本発明の好ましい態様は、エッチング停止層として二酸化ケイ素を用いているが、他の実施態様もある。これら他の態様は、窒化ケイ素の層、ドープされたケイ素の層、２つの異なるドープされたシリコンセクションの接合に関連した空乏層を含む。

少なくとも一つのシリコン加速度センサーセルを有するシリコン加速度センサーの製造方法の別の態様では、移動可能なシリコン慣性質量の第１セクションが、露出した第１表面から二酸化ケイ素層に達するまで第１シリコン層について、Ｕ形溝および線条形溝をエッチングすることにより形成され、第１シリコン層について線条形の溝およびＵ形の溝は、第２シリコン層の長方形の枠形溝と水平に整列し、等しい面積となるように位置している。線条形溝は、Ｕ形溝の開いた上部を横切って位置しており、Ｕ形溝の開いた上部の内側寸法内で中心にあり、Ｕ形溝の上部の内幅より短い長さに伸びている。線条形溝の端は、空間的分離が、シリコン慣性質量がカンチレバービーム部材により位置決めされた状態のデバイスをもたらすようＵ形溝の内側上部から空間的に離れている。

少なくとも一つのシリコン加速度センサーセルを有するシリコン加速度センサーの製造方法のさらなる態様では、第１シリコンウエハーセクションの厚さを調整することによってビーム部材の厚さを調整することによるか、Ｕ形溝と線条形溝との間の空間的分離を調整することによってビーム部材の幅を調整するか、またはエッチングされた溝の幅を調整することによってビーム部材の長さを調整することによって、加速度感度が変化されるべきである。

それぞれが、移動可能なシリコン慣性質量からなる２つのシリコン加速度センサーを有するデバイスの製造方法は、位置決めされたビームを角度の基準として用い、シリコン質量の露出した第１表面を見た場合に、第２慣性質量が第１慣性質量に対し、リソグラフィー的に、その上物理的に９０、１８０または２７０（これは機能的には９０と同じ）度の角度で位置決めされている点を除き、１つの移動可能なシリコン慣性質量からなる一つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法と同じである。それぞれのセンサーセルが移動可能なシリコン慣性質量からなる、３つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法は、位置決めされたビームを角度の基準として用い、シリコン質量の露出した第１表面を見た場合に、第３慣性質量がリソグラフィー的に、その上物理的に、第２慣性質量に対し９０度の角度で位置決めされかつ第１慣性質量に対し、１８０度の角度で位置決めされている点を除き、２つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法と同じである。それぞれのセンサーセルが移動可能なシリコン慣性質量からなる、４つのシリコン加速度センサーを有するデバイスの製造方法は、位置決めされたビームを角度の基準として用い、シリコン質量の露出した第１表面を見た場合に、第４慣性質量がリソグラフィー的に、その上物理的に、第３慣性質量に対し９０度の角度で位置決めされ、第２慣性質量に対し１８０度の角度で位置決めされかつ第１慣性質量に対し、２７０度の角度で位置決めされている点を除き、３つのシリコン加速度センサーセルを有するデバイスの製造方法と同じである。このようにして、モノリシック多軸加速度センサーは、複数の分離した単軸加速度センサーを正確に機械的に整列させるという必要がなく、作成することが可能である。

発明の詳細な説明
図１Ａを参照すると、モノリシックシリコン加速度センサー１００の一部が示されており、該センサーは、一つのシリコン加速度センサーセルを有し、該セルは、導電性の移動可能なシリコン慣性質量３００を有し、該質量は、導電性のシリコン支持構造体２００に固定されたトーションビーム部材４００によって位置決めされており、Ｘ軸５１０、Ｙ軸５２０、およびＺ軸５３０が示されている。同様に、図１Ｂは、モノリシックシリコン加速度センサー１００の一部を示しており、該センサーは、一つのシリコン加速度センサーセルを有し、該セルは、導電性の移動可能なシリコン慣性質量３００を有し、該質量は、導電性のシリコン支持構造体２００に固定されたカンチレバービーム部材４１０によって位置決めされており、Ｘ軸５１０、Ｙ軸５２０、およびＺ軸５３０が示されている。本発明の好ましい態様は、図１Ａに示されたトーションビーム部材４００を、移動可能なシリコン慣性質量３００の位置決めするために利用しているので、図１Ａは、本発明の動作を記述する目的で参照として用いられるが、図１Ｂのカンチレバーの構成にも同様に議論が適用できることは理解されるべきである。Ｚ軸５３０に関する加速について考えると、シリコン加速度センサー１００が、Ｚ軸５３０に沿って＋Ｚ方向に加速された場合、慣性質量３００は、トーションビーム部材４００により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体２００に関してＺ軸５３０に沿って−Ｚ方向に移動する。反対に、シリコン加速度センサー１００が、Ｚ軸５３０に沿って−Ｚ方向に加速された場合、慣性質量３００は、トーションビーム部材４００により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体２００に関してＺ軸５３０に沿って＋Ｚ方向に移動する。Ｘ軸５１０に関する加速について考えると、シリコン加速度センサー１００が、Ｘ軸５１０に沿って＋Ｘ方向に加速された場合、慣性質量３００は、トーションビーム部材４００により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体２００に関してＸ軸５１０に沿って−Ｘ方向に移動する。反対に、シリコン加速度センサー１００が、Ｘ軸５１０に沿って−Ｘ方向に加速された場合、慣性質量３００は、トーションビーム部材４００により形成された軸について回転しながら、シリコン支持構造体２００に関してＸ軸５１０に沿って＋Ｘ方向に移動する。Ｙ軸５２０に関する加速について考えると、シリコン加速度センサー１００が、Ｙ軸５２０に沿って＋Ｚまたは−Ｚ方向のいずれかに加速された場合、慣性質量３００は、トーションビーム部材４００により形成された軸について回転することができない。なぜなら加速により慣性質量にかかる力は、トーションビーム部材４００により形成される軸に対して、ラジアルではなくむしろ一直線上にあるからである。このように、図１Ａのシリコン加速度センサー構成は、２つの直交する加速度軸に沿って、すなわち、Ｚ軸５３０に沿っておよびＸ軸５１０に沿って加速を感知することができるが、これら２つの軸の加速度の間の違いを区別することはできない。

図２を参照すると、単純化されたモノリシック多軸シリコン加速度センサー１４０の一部が示されており、該センサーは４つのシリコン加速度センサーセルを有し、各セルは移動可能なシリコン慣性質量３１０、３２０、３３０、３４０を有している。第１カバープレート構造体は、図２では図示していないが、これは、ビーム部材に関して、慣性質量の相対的な角度のポジショニングを見えるようにするためである。４つの慣性質量のそれぞれは、図１Ａに示された移動可能なシリコン慣性質量３００と同様に構成されており、シリコン支持構造体２４０に固定されたトーションビーム部材４００により位置決め(positioned)されている。しかし、慣性質量３１０だけが、トーションビーム部材４００により形成された回転軸（Ｘ軸５１０およびＹ軸５２０で参照される）の向きに関して、図１Ａに示された慣性質量３００と同様に配向している。これに対応して、慣性質量３１０だけが、図１Ａの慣性質量３００と同様に、トーションビーム部材４００により形成された軸について回転することにより、Ｘ軸５１０およびＺ軸５３０に沿った加速に応答する。加速度の３つの直交する軸に沿った加速の方向に起因する慣性質量３１０の移動方向は、図３の表のラベル３１０の下の欄に示す。加速度センサーの加速に関して、図１Ａ中の慣性質量の動作を決定するために用いられる解析と同様の解析を用いて、慣性質量３２０、３３０、３４０の動作は、容易に決定し得る。Ｘ軸５１０、Ｙ軸５２０、Ｚ軸５３０に沿った加速に関して図２に示された加速度センサー１４０の４つの慣性質量３１０、３２０、３３０、３４０の動作の方向は、図３の表中に示している。

図３の表について考えると、図２の加速度センサー１４０の＋Ｘ方向の加速は、図２の慣性質量３１０の−Ｚ方向の移動と、図２の慣性質量３３０の＋Ｚ方向の移動と、図２の慣性質量３２０、３４０の無移動とによる、唯一の組み合わせとなっている。逆に、図２の加速度センサー１４０の−Ｘ方向の加速は、図２の慣性質量３１０の＋Ｚ方向の移動と、図２の慣性質量３３０の−Ｚ方向の移動と、図２の慣性質量３２０、３４０の無移動とによる、唯一の組み合わせとなっている。図２の加速度センサー１４０の、＋Ｙ、−Ｙ、＋Ｚおよび−Ｚ方向の加速に応じた慣性質量の動作を同様に考えることにより、１つ、２つ、または３つ全ての直交する加速軸に沿って、同時に起こる加速の大きさと方向とのいかなる組み合わせに対しても、４つの慣性質量の動作の唯一の組み合わせがあるということが、図３に示された結果からわかる。このようにして、図２に示された加速度センサーは、軸から外れた加速に起因する成分を含む、加速の３つの直交軸に沿った、加速の方向と大きさとを同時に感知することができる。図２は、対称的に配置された４つの慣性質量の構成を示しており、図３に従って対応しているが、１つ、２つ、または３つの直交する加速軸に沿った、または軸から外れた加速の成分の組合わせに沿った、加速の方向と大きさとを同時に区別するためには、３つの慣性質量だけが必要であるということが示されていることにも留意すべきである。

図４Ａは、シリコン支持構造体２２０に固定されたトーションビーム部材により位置決めされた３つの慣性質量３１０、３２０、３４０を有する、単純化されたモノリシック多軸シリコン加速度センサー１２０の一つの可能な配置である。図４Ｂは、シリコン支持構造体２３０に固定されたトーションビーム部材により位置決めされた３つの慣性質量３１０、３２０、３４０を有する、単純化されたモノリシック多軸シリコン加速度センサー１３０の別の可能な配置である。第１カバープレート構造体は、図４Ａおよび図４Ｂでは示していないが、これは、ビーム部材に関する慣性質量の相対的な角度のポジショニングが見えるようにするためである。

１つまたは２つの直交する加速軸に沿った、同様に軸から外れた成分に沿った、加速の方向と大きさを同時に区別するためには、２つの慣性質量だけが必要であるということも示されている。図５は、シリコン支持構造体２１０に固定されたトーションビーム部材４００により位置決めされた２つの慣性質量３２０、３４０を有する単純化されたモノリシックシリコン加速度センサー１１０の可能な配置を示す。第１カバープレート構造体は、図５では示していないが、これは、ビーム部材に関する慣性質量の相対的な角度のポジショニングが見えるようにするためである。

図６を参照すると、図６は、カバー構造なしで、図１に部分的に示した加速度センサーの全部を示した斜視図を部分的に破断して示している。図６は、１つのシリコン加速度センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサー１５０の部分的に破断した斜視図を示すことにより、本発明の単一センサーセル版の好ましい態様を示している。該センサーセルは、導電性シリコンの移動可能な慣性質量３００を有し、該質量は、第１表面３０２および反対側の第２表面３０４を有する。慣性質量３００は、図６には示されていないが、図１Ａにはトーションビーム部材４００として示された導電性トーションビーム部材により、静的に位置決めされている。トーションビーム部材は、導電性シリコン支持構造体２００に固定されており、該シリコン支持構造体２００は、第１表面２０２および反対側の第２表面２０４を有する。第１カバープレート構造体６００は、慣性質量３００の第１表面３０２から離れた第１金属層６４０を有し、第１金属層６４０はシリコン支持構造体２００の第１表面２０２に固定された、第１絶縁体６１０、好ましくはガラスの上に形成されている。第１金属層６４０と、慣性質量３００の第１表面３０２とは、慣性質量３００の位置に依存する値を持つ第１可変キャパシターを形成している。第２カバープレート構造体７００は、慣性質量３００の第２表面３０４から離れた第２金属層７４０からなり、第２金属層７４０はシリコン支持構造体２００の第１表面２０４に固定された、第２絶縁体７１０、好ましくはガラスの上に形成される。第２金属層７４０と慣性質量３００の第２表面３０４とは、慣性質量３００の位置に依存する値を持つ第２可変キャパシターを形成している。慣性質量３００の移動がもたらす加速度の大きさは、第１可変キャパシターの値と第２可変キャパシターの値との差の大きさを測定することにより示される。慣性質量３００を容量測定回路に電気的に接続する好ましい手段は、電気リード線８８０を、導電性ビーム部材を通して導電性の慣性質量３００に電気的に接続された導電性シリコン支持構造体２００の外部表面上に形成された電気的ボンディングパッド８７０に接続することによる。第１カバープレート構造体６００の第１金属層６４０を容量測定回路に電気的に接続する好ましい手段は、第３の導電性シリコンウエハーセクション６２０によるものであり、該セクションは、第２表面６２４を有し、第１絶縁体６１０上にマウントされており、第１絶縁体６１０を通って第１金属層６４０と電気的に接触している第１の導電性シリコンメサ６３０を有する。容量測定回路に接続された電気リード線８８０はまた、第３シリコンウエハーセクション６２０の第２表面６２４上の電気的ボンディングパッド８７０に接続されており、第１金属層６４０へ電気的な接続を達成している。同様に、第２カバープレート構造体７００の第２金属層７４０を容量測定回路に電気的に接続する好ましい手段は、第４の導電性シリコンウエハーセクション７２０によるものであり、該セクションは、第２表面７２４を有し、第２絶縁体７１０上にマウントされ、第２絶縁体７１０を通って第２金属層７４０と電気的に接触している第２の導電性シリコンメサ７３０を有する。容量測定回路に接続された電気リード線８８０はまた、第４シリコンウエハーセクション７２０の第２表面７２４上の電気的ボンディングパッド８７０に接続されており、第２金属層７４０へ電気接続を達成している。本発明のこの好ましい態様では、シリコン慣性質量３００の形状は直方体であり、慣性質量３００の第１表面３０２は、可変キャパシターのための誘電空間をあけるために、シリコン支持構造体２００の第１表面２０２からは、わずかに低い位置に下げられ、慣性質量３００の第２表面３０４は、可変キャパシターのための誘電空間をあけるために、シリコン支持構造体２００の第２表面２０４からは、わずかに低い位置に下げられている。

本発明の別の態様は、図１Ｂに示されたカンチレバービーム４１０の使用を含んでおり、該ビームは図６に示された慣性質量３００を位置決めするためのものである。本発明の別の態様は、図１Ａに示されたトーションビーム部材４００上に、または図１Ｂに示されたカンチレバービーム部材４１０上に、ピエゾ抵抗素子を形成することである。図７は、シリコン加速度センサー１００の単純化された単一センサーセルの態様を表しており、シリコン支持構造２００に固定されたシリコンカンチレバービーム部材４１０により位置決めされたシリコン慣性質量３００を示している。ピエゾ抵抗素子４２０は、ビーム部材４１０に結合され、メタライズされた配線８９０を通して直列に電気的ボンディングパッド８７０に接続されている。ビーム部材４１０の曲がりのレベル（それは、慣性質量３００の移動の量を与え、慣性質量３００が受けた加速の大きさの量でもある）を決定するために、ボンディングワイヤー８８０が、これらのピエゾ抵抗素子を抵抗測定回路に接続している。

図６の第１金属層６４０を容量測定回路に電気的に接続する代替態様は、図８に示されており、同図は、代替のカバープレート構造体６５０を示している。代替のカバープレート構造体６５０は、第１表面６６２および反対側の第２表面６６４を有する代替の絶縁体６６０を有する。電気的ボンディングパッド８７０が、第１表面６６２上に位置し、代替の金属層６６８が、絶縁体６６０の第２表面６６４上に位置する。メタライズされたホール６６６が絶縁体６６０中に位置決めされ、金属層６６８をボンディングパッド８７０に接続しており、ボンディングパッド８７０に接合された電気リード線８８０が、容量測定回路に接続されている。これら２つの代替構造は、図６に示された第１カバープレート構造体６００および第２カバープレート構造体７００を形成する。図は、慣性質量を立方体の形状で示しているが、慣性質量は、慣性質量のサイズの増大によりセンサー感度を向上させるために、直方体の形状としてもよい。

図２のいくつかの構成の典型的な寸法は、次のとおりであってよい。各立方体形の慣性質量３１０、３２０、３３０、３４０は、約３００ミクロンから約４００ミクロンの間の辺を有する。ビーム部材４００は、約５ミクロンから約１０ミクロンの間の厚さを有する。溝幅として知られている、慣性質量３１０、３２０、３３０、３４０と支持構造２４０との間の間隔は、約２０ミクロンである。典型的な４つの慣性質量３１０、３２０、３３０、３４０を有するシリコン加速度センサー１１０は、約１２００ミクロンの辺を有する。与えられた典型的な寸法は、実例とした典型的態様のみを意図したものであり、デバイスのいかなる物理的パラメーターへの限定としても解釈されるべきではない。

図６のいくつかの部品の典型的な寸法は、次のとおりであってよい。第１絶縁体の厚さは約７５ミクロンであり、第２絶縁体の厚さは約７５ミクロンである。慣性質量３００の第１表面３０２と第１カバープレート構造体６００との間の間隔は、約１ミクロンである。慣性質量３００の第２表面３０４と第２カバープレート構造体との間の間隔は、約１ミクロンである。第１金属層６４０の厚さは、およそ数オングストロームであり、第２金属層７４０の厚さは、およそ数オングストロームである。

上記で述べたように、図２、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に示された構成は、ビーム部材に対する慣性質量の相対的な角度のポジショニングを見るために第１カバープレートが外された、４、３または２の加速度センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサーデバイスである。図６に示された構造と図２、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に示されたデバイスの構造の重ね合わせが、これらのモノリシックデバイスの完全な構造となる。

モノリシックシリコン加速度センサーの製造方法についてであるが、図２、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に示された複数センサーセル、並びに図６に示された典型的なセンサーデバイス１２０の製造にマイクロマシン加工技術が用いられる。これらのデバイスの多数は、通常、シリコンウエハーを用いてバッチ製造される。当該モノリシックシリコン加速度センサーの製造方法は、次の工程に細かく分けることができる。即ち、工程（１）２つの導電性シリコン層に挟まれた二酸化ケイ素の層状サンドイッチを形成する、工程（２）移動可能なシリコン慣性質量、ビーム部材、シリコン支持構造体を製造する、工程（３）第１カバープレート構造体および第２カバープレート構造体を製造し、第１および第２カバープレート構造体をシリコン支持構造体に接合する、および工程（４）得られた構造を１、２、３または４のセンサーセルデバイスにダイスカットし、電気リード線を接合し、デバイスを封止する。工程（４）は、当該技術において、常法および周知の技術が使用されるため、これらの手法の詳細な記述を示す必要はないであろう。以下の記載は、単一センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサーデバイスの製造方法を記すものであるが、複数の単一センサーセルデバイスが同時にバッチ製造されるだけでなく、複数の、複数軸に沿った加速を感知するのに用いられる複数センサーセルデバイスもまた同時にバッチ製造され得るものである。単一デバイス中にある複数センサーセル同士の間の主たる差異は、お互いのセンサーセルに対する角度の配向と電気的接続構成である。それ故に、以下の記載は、単一センサーセルデバイスの製造に焦点を当てている。というのは、一旦これが理解されれば、どのように多数の複数センサーセルデバイスが同時に製造されるのかがより簡単に理解されるからである。記載中の寸法は、本発明の好ましい態様のための代表的なものであり、実例を挙げる目的のためのものであることに留意されたい。実際のデバイス寸法は、所望のデバイスパラメーターによって変わるものである。

本発明の好ましい態様は、露出した第１表面を有する導電性のシリコンの第１層と、露出した第２表面を有する導電性のシリコンの第２層との間に、二酸化ケイ素からなる層状のサンドイッチを形成することから始まり、シリコンの第１層とシリコンの第２層とは互いに電気的に接続されている。図９について考えると、同図は、第２導電性シリコンウエハー２９２のセクション２５０を示しており、代表的には４００ミクロン厚である。その後の製造工程で考慮される同様の第１ウエハーセクション、第３ウエハーセクションおよび第４ウエハーセクションもまたあることに留意されたい。図１０Ａに示された第２ウエハーセクション２５０もまた、代表的には４００ミクロン厚であり、代表的には６００ミクロン平方である第１表面２５６および第２表面２５８を有する。層状サンドイッチを製造する好ましい方法は、後の製造工程で行われるエッチング操作を妨げない位置に、第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５６上に窒化ケイ素のドットを形成させることである。第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５６は、その後熱的に酸化され、選択的な第１二酸化ケイ素層２５４が窒化ケイ素２５２のドットに覆われていない場所に形成される。図１０Ｂは、酸化プロセスにより形成されるシリコンメサ２６２を有する図１０Ａの第２ウエハーセクション２５０の断面を示す。第１二酸化ケイ素層２５４は、第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５６からその後除去され、シリコンと窒化ケイ素のドット２５２との界面に関連して、第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５６に凹部を残す。図１１Ａおよび図１１Ｂは、第２ウエハーセクション２５０を示しており、第２ウエハーセクション２５０に形成された凹部内に第２二酸化ケイ素層２６０が熱的に成長し、図１０Ｂの窒化ケイ素ドット２５２とシリコンの間の界面に対応するレベルまで伸び、そして窒化ケイ素ドット２５２が除去された後のものである。このようにして、平坦な表面が、図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるようにシリコンメサ２６２が散りばめられた第２二酸化ケイ素層２６０からなる第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５６の近くに形成される。図１２Ａおよび図１２Ｂは、代表的には６００ミクロン平方の第１表面２７６および第２表面２７８を有する第２導電性シリコンウエハーの第１ウエハーセクション２７０を示す。この第１ウエハーセクション２７０は、第１ウエハーセクションの第２表面２７８が形成された平面表面に接触するように、形成された第２ウエハーセクション２５０の平面表面に接合されている。第１ウエハーセクション２７０は、その後、代表的には５から１０ミクロンの間の値まで研磨除去されている。当該値が、後の製造工程で形成されるビーム部材の厚さを決定する。これが、約４００ミクロンの代表的厚さを有する、第１シリコンウエハーセクション２７０と第２シリコンウエハーセクション２５０とに挟まれた二酸化ケイ素の層状サンドイッチをもたらし、これにより、第１ウエハーセクション２５０と第２ウエハーセクション２７０とは、シリコンメサ２６２によって、二酸化ケイ素層を通じて相互接続される。

上記好ましい態様に加え、シリコンの２つの層の間に挟まれた二酸化ケイ素の層状サンドイッチを形成するいくつかの別の態様がある。図１２Ａおよび図１２Ｂに示された構造と類似の構造を製造する別の態様の一つは、図１２Ａおよび図１２Ｂの第１シリコンウエハーセクション２７０を図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、第２ウエハーセクション２５０上の第２二酸化ケイ素層２６０の平面表面に接合する前に、図１１Ａおよび図１２Ｂに示した第２ウエハーセクションの第２二酸化ケイ素層２６０の表面下に、代表的には５から１０ミクロンの深さで、イオンを注入することである。第１ウエハーセクションは、上記のように、研磨除去されないが、結果得られる構造は、熱的な衝撃を受ける。熱的な衝撃の結果、第２ウエハーセクション２５０は、イオン注入と、第２ウエハーセクション２５０の残りのシリコンとの接合に沿って割れを起こし、結果、図１２Ａおよび図１２Ｂに示された構造を反転させた構造を生じ、その構造において、第２ウエハーセクション２５０は、代表的には５から１０ミクロン厚であり、第１ウエハーセクションは代表的には４００ミクロン厚である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示された構造と類似の構造を製造するその他の別の態様は、図１３Ａに示すように、第２ウエハーセクション２５０上に二酸化ケイ素の第１層２５４を形成し、その後、二酸化ケイ素層２５４を通して第２ウエハーセクション２５０の幾つかの小さいエリア２５５を露出させ、溶融したシリコンの液溜りをつくり、図１３Ｂに示されるように、溶融したシリコンの液溜りを第１二酸化ケイ素層２５４の露出した表面にくみ上げることである。溶融したシリコンが冷えたとき、図１３Ｂに示すようにシリコンの第１層２７０が二酸化ケイ素層２５４の上に形成され、図１２Ａおよび図１２Ｂと同様の構造を生じる。図１２Ａおよび図１２Ｂに示された構造と類似の構造を製造するその他の別の態様は、図１３に示したように、第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５６の上に二酸化ケイ素の第１層２５４を形成する。第１ウエハーセクション２７０の第２表面は、図１３Ｃに示すように第１二酸化ケイ素層２５４に接合されている。複数の小さい孔は、二酸化ケイ素層２５４へ延び、第１ウエハーセクション２７０と第２ウエハーセクション２５０のいずれかに露出し、露出した二酸化ケイ素層２５４を除去し、導電性ポリシリコンまたは他の導電性材料を小さい孔に充填する。これは、図１３Ｂに示すように、第１ウエハーセクション２７０と第２ウエハーセクション２５０の間の電気的接続の形成をもたらす。

第２工程の好ましい態様は、図１Ａに示すように、移動可能なシリコン慣性質量３００、ビーム部材４００、およびシリコン支持構造体２００を製造することである。図１２Ａおよび図１２Ｂに示された第１ウエハーセクション２７０および第２ウエハーセクション２５０に挟まれた二酸化ケイ素層２６０の層状サンドイッチは、この第２肯定の出発点となる。後の工程で形成される慣性質量の移動のための空間を作成するために、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、第１１ミクロン凹部２８４が、第１ウエハーセクション２７０の第１表面２７６上に形成され、第２１ミクロン凹部２６４が、第２ウエハーセクション２５０の第１表面２５８上に形成される。図１４Ｂに示される第２二酸化ケイ素層２６０およびシリコンメサ２６２は、製造プロセスの以前の工程で形成されたことに留意されたい。第１凹部２８４および第２凹部２６４は、図１４Ｂに示すように、第１ウエハーセクション２７０の露出した第１表面２７６上の窒化ケイ素の第１層および第２ウエハーセクション２５０の露出した第１表面２５８上の窒化ケイ素の第１層を形成することにより形成される。窒化ケイ素の第１層と窒化ケイ素の第２層は、第１長方形凹部２８４および第２長方形凹部２６４のために、第１および第２の露出した長方形エリアを提供すべくマスキングされる。第１および第２の露出した長方形エリアは、互いに水平に整列して配置されている。第１および第２の露出した長方形エリアはその後、二酸化ケイ素層から除去され、シリコンの第１および第２長方形エリアが第１ウエハーセクション２７０および第２ウエハーセクション２５０上に露出する。二酸化ケイ素層は、第１および第２長方形エリアの露出したシリコン上に形成される。窒化ケイ素層のマスキングが除去され、窒化ケイ素および二酸化ケイ素が除去され、図１４Ａおよび図１４Ｂに示されたように、二酸化ケイ素層が形成されていた場所に、第１ウエハーセクション２７０の第１表面２７６上の１ミクロンの凹部および第２ウエハーセクション２５０の第２表面２５８上の１ミクロンの凹部が残る。

移動可能なシリコン慣性質量の第２セクション３０８は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、図１４Ｂの第２凹部２６４の外周の中に、通常２０ミクロンの幅の長方形の枠形エリアでマスキングすることにより、図１４Ｂに示す第２ウエハーセクション２５０に形成され、ここで長方形の枠形エリアは、大(major)寸法と小(minor)寸法とを有する。二酸化ケイ素層は、図１４Ｂの第２ウエハーセクション２５０の第２表面２５８の残りの露出エリアの上に形成され、枠形マスクは取り除かれ、図１４Ｂに示す第２ウエハーセクション２５０の第２表面２５８上の第２凹部２６４内にシリコンの枠形エリアが露出される。露出したシリコンは、露出した第２表面２５８からエッチング停止部を形成する図１４Ｂの二酸化ケイ素層２６０に至るまで、エッチング、好ましくはレジスティブイオンエッチング（ＲＩＥ）され、図１４Ｂの第２ウエハーセクション２５０に枠形溝２６６を形成し、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、シリコン支持構造体２００および慣性質量の第２セクション３０８を生じる。溝２６６の内部には、第２表面３０４を有する慣性質量の第２セクション３０８があり、該第２表面３０４は、以前には、図１４Ｂの第２ウエハーセクション２５０の第２表面２５８の一部であった。溝２６６の外側には、第２表面２０４を有するシリコン支持構造体２００があり、該第２表面２０４は、以前には、図１４Ｂの第２ウエハーセクション２５０の第２表面２５８の一部であった。図１Ａの移動可能なシリコン慣性質量３００の第１セクション３０６およびトーションビーム部材４００は、第１凹部２８４の外周内に、それぞれ通常２０ミクロン幅を有する、Ｕ形エリアと線条形エリアをマスキングすることにより、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、図１４Ｂの第１ウエハーセクション２７０に形成される。線条形エリアは、図１５Ａおよび図１５Ｂに示す長方形の枠形溝２６６の大寸法とそろった、長寸法を有する。Ｕ形エリアと線条形エリアは、図１５Ａの長方形の枠形溝２６６（以前に、図１４Ａの第２ウエハーセクション２５０に形成されている）と水平に整列されかつ等しい面積となるように位置している。この整列は、直方体形の慣性質量を、この後の慣性質量第１セクション３０６のエッチングプロセスの後に形成することを可能にする。二酸化ケイ素層は、図１４Ａの第１ウエハーセクション２７０の第１表面２７６の残りの露出エリア上に形成され、Ｕ形および線条形マスクは除去され、図１４Ａの第１ウエハーセクション２７０の第１表面２７６上の第１凹部２８４内にシリコンのＵ形および線条形エリアが露出される。露出したシリコンは、露出した第１表面２７６からエッチング停止部を形成する図１４Ａの二酸化ケイ素層２６０に至るまでエッチング（好ましくはＲＩＥ）され、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように図１４Ａの第１ウエハーセクション２５０にＵ形溝２８６および枠形溝２８８を形成する。Ｕ形溝２８６と線条形溝２８８の間の隙間のシリコンは、トーションビーム部材４００を形成する。Ｕ形溝２８６および線条形溝２８８の内部には、第１表面３０２を有する慣性質量の第１セクション３０６があり、該第１表面３０２は、以前には、図１４Ａに示す第１ウエハーセクション２７０の第１表面２７６の一部であった。溝２８６、２８８の外側には、第１表面２０２を有するシリコン支持構造体２００があり、該第１表面２０２は、以前には、図１４Ｂに示す第１ウエハーセクション２７０の第１表面２７６の一部であった。図１６Ａおよび図１６Ｂに示された、結果得られた構造は、シリコン支持構造体２００に固定されたトーションビーム部材と二酸化ケイ素のウェブにより所定の位置に支持された図１Ａの慣性質量３００である。図１６Ｂに示された慣性質量は、図１４Ｂの二酸化ケイ素層２６０と第１ウエハーセクション２７０の一部であった第１セクション３０６、および図１４Ｂの第２ウエハーセクション２５０の一部であった第２セクション３０８を有する。図１６Ｂに示されたシリコン支持構造体２００は、図１４Ｂの、第１ウエハーセクション２７０の一部と、二酸化ケイ素層２６０、および第２ウエハーセクション２５０を有する。

完全な構造は、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されたように、エッチングされた枠形溝２６６、エッチングされたＵ形溝２８６およびエッチングされた線条形溝にある露出した二酸化ケイ素が除去されたものであり、それにより、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されたように、第１表面２０２および第２表面２０４を有するシリコン支持構造体２００に固定されたビーム部材により位置決めされた、第１表面３０２および第２表面３０４を有する直方体型慣性質量３００が作成される。使用される除去剤は、通常、フッ化水素である。

図１７Ａおよび図１７Ｂに示す移動可能なシリコン慣性質量３００、ビーム部材４００およびシリコン支持構造体２００を製造するための好ましい実施態様が、幾つか別にある。それらの別なものの一つは、図１４Ａの第１ウエハーセクション２７０の厚さを調整することにより、ビーム部材４００の厚さを調整することを含み、図１４Ａの第１ウエハーセクション２７０の露出した第１表面２７６の上にシリコンをエピタキシャルで形成することによって、または第１ウエハーセクション２７０の露出した第１表面２７６を、イオンミリング若しくは研磨することによりなされてもよい。他の別の態様では、図１６ＡのＵ形溝２８６および線条形溝２８８の間の空間的分離を調整することによってビーム部材の幅を調整する、または、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すようにエッチングされた溝２６６、２８６、２８８の幅を調整することによりビーム部材の長さを調整する。トーションビーム部材４００を作成するための好ましい態様は、図１Ａに示すように、図１６Ａおよび図１６Ｂを参照して、Ｕ形溝２８６の開いた上部(open top)を横切って、線条形溝２８８をポジショニングさせ、Ｕ形溝２８６の外側寸法内で、線条形溝２８８を中心に置き、線条形溝２８８の長さをＵ形溝２８６の上部の外幅一杯まで伸ばし、線条形溝２８８の端をＵ形溝２８６の上部から空間的に離すことによる。別の態様では、図１Ｂに示すようにカンチレバービーム部材を作成する。図１８を参照して、線条形溝２８８をＵ形溝２８６の開いた上部を横切って位置取らせ、線条形溝２８８はＵ形溝２８６の開いた上部の内側寸法内で中心にあり、線条形溝２８８の長さはＵ形溝２８６の上部の内幅より短い長さに伸びており、線条形溝２８８の端はＵ形溝２８６の内側上部から空間的に離れることによって形成される。第１ウエハーセクション２７０と第２ウエハーセクション２５０とを電気的に接続するための別の態様は、Ｕ形溝２８６、枠形溝２６６および線条形溝２８８の側壁上に、導電性材料、好ましくはポリシリコンを、これらのエリア内で露出した二酸化ケイ素層２６０を除去した後に堆積させることである。

ビーム部材４１０にピエゾ抵抗素子４２０を固定することによる、慣性質量３００の移動を検知するための別の態様は、簡単な第１カバープレート構造体６００および簡単な第２カバープレート構造体７００を必要とし、例えばガラス等の絶縁材料の両者は、図７に示すように、シリコン支持構造体２００に接合される。ピエゾ抵抗素子はその後、加速に応じた慣性質量の移動により、ビーム部材の捩れたまたは曲がった程度を測定するために、適切な測定回路に電気的に接続される。

本発明の第３工程の好ましい態様は、図１９に示すように、第１カバープレート構造体６００および第２カバープレート構造体７００の製造およびカバープレートのシリコン支持構造体２００への接合である。慣性質量の移動を検知する好ましい態様は、２つの可変静電容量を測定することである。第１の可変静電容量は、慣性質量３００の第１表面３０２と、シリコン支持構造体２００に固定かつ絶縁されている第１カバープレート構造体６００に固定された第１金属層６４０との間である。第２の可変静電容量は、慣性質量３００の第２表面３０４と、シリコン支持構造体２００に固定かつ絶縁されている第２カバープレート構造体７００に固定された第２金属層７４０との間である。図１９に示すように、第１カバープレート構造体は、第２カバープレート構造体７００の鏡像なので、簡潔のために、第１カバープレート構造体の製造だけを記載している。

図２０Ａを参照し、第１カバープレート構造体６００の製造のための好ましい態様は、二酸化ケイ素の第１層６２６を、導電性第３ウエハーセクション６２０の露出した第１表面６２２条に形成することであり、第３ウエハーセクション６２０は、第１表面６２２の反対側に第２表面６２４を有している。第３ウエハーセクション６２０上の二酸化ケイ素の第１層６２６は、図２０Ａに示すように、二酸化ケイ素表面が、慣性質量の位置と一致するように位置取りされた、小さい加工された方を除いて露出するよう、マスキングされる。露出した二酸化ケイ素層６２６は、マスキングされた加工された型を除き、第３ウエハーセクション６２０の第１表面６２２のシリコンを露出するために除去される。露出したシリコン表面は、図２０Ｂに示すように、小さいシリコンメサ６３０が第３ウエハーセクション６２０の第１表面６２２に形成されるように、通常７５ミクロンの深さまでエッチングされる。その後、通常、第３ウエハーセクション６２０の半分の深さ、または約２００ミクロンの深さまで、第３ウエハーセクション６２０の第１表面６２２上に、長方形のクロスハッチパターンで溝が形成される。長方形のクロスハッチは、シリコンメサを含み、図２０Ｂに示すように、慣性質量の位置と一致するように位置取りされる。

図２１は、第１カバープレート構造体６００の部分的に破断した斜視図であって、溝の掘られた第３ウエハーセクション６２０を示しており、これは、溝がガラスで満たされ、シリコンメサ６３０がガラスで覆われるように、ガラス層が第３ウエハーセクション６２０の第１表面６２２上で溶融した後のものである。ガラス表面は、フラットに研磨され、露出したメサ６３０の上面を有する平坦なガラス表面６１２を形成しており、第３ウエハーセクションの第２表面６２４は、バックグラウンドになっており、図２１に示すように、ガラスで満たされた溝が露出している。第１の金属長方形パターン層６４０は、当該金属層６４０が、導電性シリコンメサ６３０により反対側の導電性第３ウエハーセクション６２０およびその第２表面６２４に電気的に接続するように、第１カバープレート構造体の平面ガラス表面６１２上に形成される。第１金属層６４０は、図１９に示す慣性質量３００の第１表面３０２と一致するよう大きさおよび位置が決められる。

図２１に示された第１カバープレート構造体６００のガラス表面６１２は、図１９に示すように第１可変キャパシターが、第１表面３０２と第１金属層６４０との間に形成されるよう、第１金属層６４０が、慣性質量３００の第１表面と一致しかつ離れるようにして、図１９に示すシリコン支持構造体２００の第１表面２０２に接合される。同様にして、第２カバープレート構造体７００は、図１９に示すように第２可変キャパシターが、慣性質量の第２表面３０４と第２金属層７４０との間に形成されるように、シリコン支持構造体２００の第２表面２００に接合される。電気的ボンディングパッド８７０は、図６に示すように、第３ウエハーセクション６２０の第２表面６２４上、シリコン支持構造体２００の表面上および第４ウエハーセクション７２０の第２表面７２４上に形成される。電気リード線８８０は、図６に示すように、第１可変キャパシターの値および第２可変キャパシターの値を測定するために、第１カバープレート構造体６００、シリコン支持構造体２００および第２カバープレート構造体を、電子回路に接続し、センサーが受ける加速度の大きさおよび方向の表れとなる、慣性質量３００の移動の測定を提供する。図２２は、静電容量測定電子回路に接続された単一センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサーの断面を示す。

別の第１カバープレート構造体６５０を製造する別の態様は、図８に示すように、第１表面６６２および第２表面６６４を有する電気的に絶縁する材料６６０のセクション中に、小さい孔を慣性質量の位置と一致するように形成する。孔６６６の表面が、絶縁材料６６０の第２表面６６４上の第１長方形金属層６６８と同様にメタライズされ、当該第２表面６６４上の長方形金属層６６８が、メタライズされた孔によって第１表面に電気的に接続され、かつ、慣性質量の第１表面と一致した大きさおよび位置となっている。電気的ボンディングパッド８７０は、メタライズされた孔６６６に電気的に接触して、絶縁材料６６０の第１表面６６２条に形成される。絶縁材料６６０の第２表面６６４は、メタライズさえた層６６８が慣性質量の第１表面と一致し、かつ離れているようにシリコン支持構造体の第１表面に接続され、それによって第１可変キャパシターが形成される。第２カバープレート構造体が同様に形成され、シリコン支持構造体の第２表面に接続される。

上記において、１よりも多いセンサーを有するモノリシック加速度センサーは、互いのセンサーに関し、ビーム部材の角度の配向を単に変えることによって、上記の方法により製造され得ることを指摘した。図５は、第１および第２の加速度センサーセルを有するモノリシック加速度センサーを示し、それによると、慣性質量３２０を有する第２センサーセルは、ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第１表面を見た場合、慣性質量３４０を有する第１センサーセルから１８０度の角度に方向付けられている。図４Ａおよび図４Ｂは、第１、第２、および第３加速度センサーセルを有する別のモノリシック加速度センサー１２０、１３０を示し、それによると、ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第１表面を見た場合、慣性質量３１０を有する第２センサーセルは、慣性質量３４０を有する第１センサーセルから９０度の角度に方向付けられており、慣性質量３２０を有する第３センサーセルは、慣性質量３４０を有する第１センサーセルから１８０度の角度に方向付けられている。図２は、第１、第２、第３、および第４加速度センサーセルを有する別のモノリシック加速度センサー１４０を示し、それによると、ビーム部材を角度の基準として用い、慣性質量の第１表面を見た場合、慣性質量３１０を有する第２センサーセルは、慣性質量３４０を有する第１センサーセルから９０度の角度に方向付けられており、慣性質量３２０を有する第３センサーセルは、慣性質量３４０を有する第１センサーセルから１８０度の角度に方向付けられており、慣性質量３３０を有する第４センサーセルは、慣性質量３４０を有する第１センサーセルから２７０度の角度に方向付けられている。

本発明は、その特定の好ましいバージョンに関してかなり詳細に記載してきたが、他のバージョンも可能である。ここで記載した態様は、代表的なものだけであり、多くの他の態様、さらなる態様が、当業者にとって明白であろうことは理解されるべきである。従って、そのような他の態様は、ここで明白に記載されていなくとも、本発明の精神に入ると解釈されるべきであり、本発明は、この文書に付加するクレームの内容と範囲によってのみ制限される。

第１および第２のカバープレート構造体が無く、シリコン支持構造体に固定されたトーションビームにより位置決めされた慣性質量を有する、一つのシリコン加速度センサーセルを有する単純化したモノリシックシリコン加速度センサーを示す、部分的に破断した斜視図である。第１および第２のカバープレート構造体が無く、シリコン支持構造体に固定されたカンチレバービームにより位置決めされた慣性質量を有する、一つのシリコン加速度センサーセルを有する単純化したモノリシックシリコン加速度センサーを示す部分的に破断した斜視図である。第１カバープレート構造体が無く、ＸおよびＹ軸の平面についてビーム部材を見た場合に、それぞれのセンサーが異なる角度に配向した慣性質量を有し、それぞれの慣性質量が、シリコン支持構造体に固定されたトーションビーム部材により位置決めされている、４つのシリコン加速度センサーセルを有する単純化したモノリシック多軸加速度センサーを示す斜視図である。３つの直交加速軸にそった加速度センサーの加速により、図２に示された移動可能な慣性質量のそれぞれの移動の方向を示す表である。第１カバープレート構造体が無く、ＸおよびＹ軸の平面についてビーム部材を見た場合に、それぞれのセンサーが異なる角度に配向した慣性質量を有し、それぞれの慣性質量が、シリコン支持構造体に固定されたトーションビーム部材により位置決めされている、３つのシリコン加速度センサーセルを有する単純化したモノリシック多軸加速度センサーを示す２つの斜視図である。第１カバープレート構造体が無く、ＸおよびＹ軸の平面についてビーム部材を見た場合に、それぞれのセンサーが異なる角度に配向した慣性質量を有し、それぞれの慣性質量が、シリコン支持構造体に固定されたトーションビーム部材により位置決めされている、３つのシリコン加速度センサーセルを有する単純化したモノリシック多軸加速度センサーを示す２つの斜視図である。第１カバープレート構造体が無く、ＸおよびＹ軸の平面についてビーム部材を見た場合に、それぞれのセンサーが異なる角度に配向した慣性質量を有し、それぞれの慣性質量が、シリコン支持構造体に固定されたトーションビーム部材により位置決めされている、２つのシリコン加速度センサーセルを有する単純化したモノリシック多軸加速度センサーを示す斜視図である。一つのシリコン加速度センサーセルからなるモノリシックシリコン加速度センサーの、部分的に破断した斜視図である。ピエゾ抵抗素子がカンチレバービーム部材上にある単純化した非導電性単一セルモノリシックシリコン加速度センサーを示す、部分的に破断した斜視図である。カバープレート構造体の別の態様を示す。導電性シリコンウエハーセクションの斜視図である。一方の表面に窒化ケイ素ドットおよび第１二酸化ケイ素層を有する第２シリコンウエハーセクションの斜視図である。一方の表面に窒化ケイ素ドットおよび第１二酸化ケイ素層を有する第２シリコンウエハーセクションの断面図である。一方の表面にシリコンメサが散らばった第２二酸化ケイ素層を有する第２シリコンウエハーセクションの斜視図である。一方の表面にシリコンメサが散らばった第２二酸化ケイ素層を有する第２シリコンウエハーセクションの断面図である。第１シリコンウエハーセクションが二酸化ケイ素層と結合し、グランドオフした図９に示されたウエハーセクションの斜視図である。第１シリコンウエハーセクションが二酸化ケイ素層と結合し、グランドオフした図９Ａに示されたウエハーセクションの斜視図である。シリコンウエハーセクション上に形成した二酸化ケイ素層の斜視図である。別の製造方法により形成されたシリコンウエハー間に挟まれた二酸化ケイ素層の、部分的に破断した斜視図である。別の製造方法により形成されたシリコンウエハー間に挟まれた二酸化ケイ素層の斜視図である。第１および第２表面に形成された凹部のある図１２Ａに示された層状サンドイッチ構造の斜視図である。第１および第２表面に形成された凹部のある図１２Ｂに示された層状サンドイッチ構造の断面図である。形成された慣性質量の第２セクションの斜視図である。形成された慣性質量の第２セクションの断面図である。形成された慣性質量の第２および第１セクションの斜視図である。形成された慣性質量の第２および第１セクションの断面図である。シリコン支持構造体に固定されたビーム部材により位置決めされた形成された慣性質量の斜視図である。シリコン支持構造体に固定されたビーム部材により位置決めされた形成された慣性質量の断面図である。カンチレバービーム部材の形成を示すために用いられる構造の斜視図である。シリコン支持構造体へのカバープレート構造体の取り付けを示す。二酸化ケイ素層を持つウエハーセクションを示す、部分的に形成されたカバープレート構造体の斜視図である。シリコンメサを持つ溝加工されたウエハーセクションを示す、部分的に形成されたカバープレート構造体の斜視図である。カバープレート構造体の好ましい態様の部分的に破断した斜視図である。静電容量測定回路に接続された単一センサーセルを有するモノリシックシリコン加速度センサーの断面図である。

Claims

モノリシックシリコン加速度センサーであって、当該センサーは少なくとも１つのシリコン加速度センサーセルを有し、該センサーセルは第１表面と反対側の第２表面とを持つ移動可能なシリコン慣性質量を有し、該慣性質量はビーム部材によって位置決めされ、該ビーム部材は、第１および反対側の第２表面を有するシリコン支持構造に固定されており、該シリコンセンサーセルが、２つの加速の直交軸に沿った加速に応じた慣性質量の移動を検出する手段を有することを特徴とする、前記モノリシックシリコン加速度センサー。
移動可能なシリコン慣性質量が、トーションビーム部材によって位置決めされていることを特徴とする、請求項１記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
移動可能なシリコン慣性質量が、カンチレバービーム部材によって位置決めされていることを特徴とする、請求項１記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
移動可能なシリコン慣性質量の動きを検出するための手段が、
慣性質量と、該慣性質量の第１表面から離れてシリコン支持構造の第１表面に固定された第１カバープレート構造との間の静電容量、および、
シリコン慣性質量と、該慣性質量の第２表面から離れてシリコン支持構造の第２表面に固定された第２カバープレート構造との間の静電容量を、
測定することによるものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
慣性質量の動きを検出するための手段が、ビーム部材に取り付けられたピエゾ抵抗デバイスの抵抗を測定することによるものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
当該センサーが、さらに、２つの加速の直交軸に沿った加速を感知するための第１および第２の加速度センサーセルを有し、慣性質量の第１表面を見た場合に、ビーム部材を角度の基準として用いて、第２センサーセルが第１センサーセルに対して１８０度の角度に方向付けされていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
当該センサーが、さらに、３つの加速の直交軸に沿った加速を感知するための第１、第２および第３の加速度センサーセルを包含し、慣性質量の第１表面を見た場合に、ビーム部材を角度基準として用いて、第２センサーセルが第１センサーセルに対して９０度の角度に方向付けされ、第３センサーセルが第１センサーセルに対して１８０度の角度に方向付けされていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
センサーがさらに４つの加速直交軸に沿った加速を感知するための第１、第２、第３および第４の加速度センサーセルを有し、慣性質量の第１表面を見た場合に、ビーム部材を角度基準として用いて、第２センサーセルが第１センサーセルに対して９０度の角度に方向付けされ、第３センサーセルが第１センサーセルに対して１８０度の角度に方向付けされ、第４センサーセルが第１センサーセルに対して２７０度の角度に方向付けされていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
モノリシックシリコン加速度センサーであって、当該センサーは２つの直交軸に沿った加速を感知するための加速度センサーセルを有し、該加速度セルが、
（ａ）導電性の移動可能なシリコン慣性質量を有し、該慣性質量は、第１表面とその反対側の第２表面とを有し、かつ該慣性質量は、第１および第２表面を有する導電性シリコン支持構造に固定された導電性ビーム部材によって位置を定められており、
（ｂ）第１導電層を有する第１カバープレート構造を有し、該第１導電層は、慣性質量の第１表面から離されており、かつシリコン支持構造の第１表面に固定された第１絶縁体上に形成されており、該第１導電層と、慣性質量の第１表面とが、慣性質量の位置に基づく値をもつ第１可変キャパシタを形成しており、
（ｃ）第２導電層を有する第２カバープレート構造を有し、該第２導電層は、慣性質量の第２表面から離されており、かつシリコン支持構造の第２表面に固定された第２絶縁体上に形成されており、該第２導電層と、慣性質量の第２表面とが、慣性質量の位置に基づく値をもつ第２可変キャパシタを形成しており、かつ、
（ｄ）慣性質量、第１カバープレート構造の第１金属層、および第２カバープレート構造の第２金属層を、第１および第２の可変キャパシタの静電容量値を測定することができる電子回路へ電気的に接続するための手段を有することを、
特徴とする、前記モノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）慣性質量を電子回路へ電気的に接続するための手段が、シリコン支持構造への金属ボンディングによるものであること、
（ｂ）第１カバープレート構造の第１金属層を電気的に接続するための手段が、第１絶縁体にマウントされた第３導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第３導電性シリコンウエハーセクションは、第１絶縁体を通って第１金属層と電気的接触している第１導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されており、かつ、
（ｃ）第２カバープレート構造の第２金属層を電気的に接続するための手段が、第２絶縁体にマウントされた第４導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第４導電性シリコンウエハーセクションは、第２絶縁体を通って第２金属層と電気的接触している第２導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていること、
を特徴とする、請求項９記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
第１カバープレート構造の第１金属層を電気的に結合するための手段が、
第１絶縁体に孔を第１金属層まで形成し、第１金属層への該孔をメタライズし、そして、電気的リードワイヤを、第１金属層とは反対側のメタライズした孔へボンディングすることによるものであり、
第２カバープレート構造の第２金属層を電気的に結合するための手段が、
第２絶縁体に孔を第２金属層までドリル加工し、第２金属層への該孔をメタライズし、そして、電気的リードワイヤを、第２金属層とは反対側のメタライズした孔へボンディングすることによるものであることを、
特徴とする、請求項１０記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
慣性質量が、直方体の形をしていることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
慣性質量が、立方体の形をしていることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）誘電空間が第１可変キャパシタに備えられるように、慣性質量の第１表面が、シリコン支持構造の第１表面からわずかに下げられていること、および
（ｂ）誘電空間が第２可変キャパシタに備えられるように、慣性質量の第２表面が、シリコン支持構造の第２表面よりわずかに下げられていることを、
特徴とする、請求項９〜１３のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）第１カバープレート構造の第１金属層が、ガラスの第１絶縁層上に形成され、該第１ガラス層を通った電気的接続を有すること、および、
（ｂ）第２カバープレート構造の第２金属層が、ガラスの第２絶縁層上に形成され、該第２ガラス層を通った電気的接続を有することを、
特徴とする、請求項９〜１３のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）第１カバープレート構造が第１絶縁層を有し、該第１絶縁層は、慣性質量の第１表面から離されておりかつシリコン支持構造の第１表面に固定されており、
（ｂ）第２カバープレート構造が第２絶縁層を有し、該第２絶縁層は、慣性質量の第２表面から離されておりかつシリコン支持構造の第２表面に固定されており、
（ｃ）ピエゾ抵抗素子がビーム部材に取り付けられており、かつ、
（ｄ）ピエゾ抵抗素子の抵抗を測定するための電子回路へピエゾ抵抗素子を接続するための手段が備えられていることを、
特徴とする、請求項９〜１３のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
当該センサーが、さらに、２つの加速の直交軸に沿った加速を感知するための第１および第２の加速度センサーセルを有し、慣性質量の第１表面を見た場合に、ビーム部材を角度の基準として用いて、第２センサーセルが第１センサーセルに対して９０度または１８０度のいずれかの角度に方向付けされていることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）慣性質量を電子回路に電気的に接続するための手段が、シリコン支持構造への金属ボンディングによるものであること、
（ｂ）第１カバープレート構造の第１金属層を電気的に接続するための手段が、第１ガラス絶縁体にマウントされた第３導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、該第３導電性シリコンウエハーセクションが、第１ガラス絶縁体を通過して第１金属層と電気的に接触している第１導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていること、および、
（ｃ）第２カバープレート構造の第２金属層を電気的に接続するための手段が、第２ガラス絶縁体にマウントされた第４導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第４導電性シリコンウエハーセクションが、第２ガラス絶縁体を通過して第２金属層と電気的に接触している第２導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていることを、
特徴とする、請求項１７記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
当該センサーが、さらに、３つの加速の直交軸に沿った加速を感知するための、第１、第２、および第３の加速度センサーセルを有し、慣性質量の第１表面を見た場合に、ビーム部材を角度の基準として用いて、第２センサーセルが第１センサーセルに対して９０度の角度に方向付けされ、第３センサーセルが第１センサーセルに対して１８０度の角度に方向付けされていることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）慣性質量を電子回路に電気的に接続するための手段が、シリコン支持構造への金属ボンディングによるものであること、
（ｂ）第１カバープレート構造の第１金属層を電気的に接続するための手段が、第１ガラス絶縁体にマウントされた第３導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第３導電性シリコンウエハーセクションが、第１ガラス絶縁体を通過して第１金属層と電気的に接触している第１導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていること、および、
（ｃ）第２カバープレート構造の第２金属層を電気的に接続するための手段が、第２ガラス絶縁体にマウントされた第４導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第４導電性シリコンウエハーセクションが、第２ガラス絶縁体を通過して第２金属層と電気的に接触している第２導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていることを、
特徴とする、請求項１９記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
当該センサーが、さらに、３つの加速の直交軸に沿った加速を感知するための、第１、第２、第３、および第４の加速度センサーセルを有し、慣性質量の第１表面を見た場合に、ビーム部材を角度の基準として用いて、第２センサーセルが第１センサーセルに対して９０度の角度に方向付けされ、第３センサーセルが第１センサーセルに対して１８０度の角度に方向付けされ、第４センサーセルが第１センサーセルに対して２７０度の角度に方向付けされていることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
慣性質量が、トーションビーム部材によって位置決めされていることを特徴とする、請求項９〜２１のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
慣性質量が、カンチレバービーム部材によって位置決めされていることを特徴とする、請求項９〜２１のいずれかに記載のモノリシックシリコン加速度センサー。
（ａ）慣性質量を電子回路に電気的に接続するための手段が、シリコン支持構造への金属ボンディングによるものであること、
（ｂ）第１カバープレート構造の第１金属層を電気的に接続するための手段が、第１ガラス絶縁体にマウントされた第３導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第３導電性シリコンウエハーセクションが、第１ガラス絶縁体を通過して第１金属層と電気的に接触している第１導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていること、および、
（ｃ）第２カバープレート構造の第２金属層を電気的に接続するための手段が、第２ガラス絶縁体にマウントされた第４導電性シリコンウエハーセクションによるものであり、第４導電性シリコンウエハーセクションが、第２ガラス絶縁体を通過して第２金属層と電気的に接触している第２導電性シリコンメサを有し、かつ、金属ボンディングパッドを有し、該パッドには電子回路に接続されたリードワイヤが結合されていることを、
特徴とする、請求項２１記載のモノリシックシリコン加速度センサー。