JP2007316056A - 表面加工により形成される可変厚さの共振型マイクロ慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】部品を一層小型化するための新規の設計法を提供すると同時に、部品の縮小化に伴う感度の低下を解決する表面搭載型ＭＥＭＳ共振センサ、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】平面内で励振する共振器４を備えた表面型ＭＥＭＳ共振センサであって−第１の厚さ（Ｅ_１）を有し、振動マスを構成する、いわゆる厚い第１領域２と、−第１の厚さより小さい第２の厚さ（Ｅ_２）を有し、検出を行なう薄い第２領域４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にシリコンにより作製されるマイクロセンサ、例えば慣性センサ、特に加速度計又はジャイロメータに関するものである。
本発明は、自動車産業、携帯電話産業、及び航空機産業等の種々の分野に適用することができる。

共振センサは以下のような公知の方法により製造することができる。
−ボリューム技術により、ウェットエッチングを使用してシリコン基板又は石英基板の厚さ全体に渡ってセンサの受感要素を形成する。このような技術は特許文献１に記載されている。
−表面技術。この技術は非特許文献１に記載されている。
ボリューム技術により作製される慣性センサは、共振器の平面外部の静電励振に基づいている。従って、これらのセンサでは２つの基板を搭載する必要がある。それら基板の一方は励振／検出電極（群）を形成するために使用され、他方の基板はキャビティを真空状態で閉鎖するために使用される。従って、使用される技術が複雑である。

更に、共振器は振動マスとは異なる厚さを有する。中でもこのような厚みの低減は、平面の外部で生じるビーム振動モードによって必要になる。
この種類の技術に関する別の問題は共振器の位置決めであり、つまりこの位置決めを最適化してテコの原理を利用することができないことである。実際、共振器とその励振電極との間のギャップを最小にするために、共振器は基板の表面に配置される。最適には、共振器はヒンジ（マスの回転軸）の出来るだけ近くに配置する必要がある。

表面加工により作製される慣性センサでは、共振器は平面内で振動する。先行技術による慣性センサの原理を図９Ａ及び９Ｂにそれぞれ上面図及び断面図として示す。
これらの図では、軸ＸＸ’２０１はセンサの受感軸である。参照番号２０２、２０４、及び２０６は、振動マス、共振器、及びヒンジをそれぞれ指す。断面図は、マス２０２及び共振器２０４が同じ厚さを有することを示している。
受感要素２０２はｍｍ^２オーダーの表面積（上面図において）を有する。

しかしながら、多くの用途において、特にセンサに対する要求が大きくなりつつある自動車産業又は携帯電話産業等で行われるような大量生産の用途において、特に低価格、機能向上（センサ数の増大）、処理電子部品の高密度化、及びエネルギー消費の低減を確保するための競争により、部品の小型化が重要な課題となっている。
従って、加速度計の場合、好適には０．１ｍｍ^２未満、場合によっては０．０１ｍｍ^２未満のバルクを備えた現時点で公知のマスよりも小さいマスを備える、更に小型化された部品の新規の設計法を提供する必要がある。

同様に、小型化のために、電子部品とＭＥＭＳ及び／又はＮＥＭＳとを単一基板の上に組み合わせることが模索されている。このような組み合わせには２つの選択肢がある。
第１の、いわゆる「Ａｂｏｖｅ ＩＣ」（又はＡＩＣ）アプローチでは、ＭＥＭＳを既に製造されているＭＯＳ回路に移す。この場合、ＭＥＭＳは堆積層によって形成される。堆積させる材料の機械的品質が単結晶シリコンを使用して得られるものよりもかなり低いため、このようにして形成されるセンサの測定性能はかなり低い。

「Ｉｎ−ＩＣ」アプローチでは、ＣＭＯＳ回路と同じ層にＭＥＭＳを形成する。この場合、単結晶シリコンを処理してＭＥＭＳを形成し、従って高い性能を達成することが可能である。
クラス１０^−２の（クラス１０^−２以上の）センサの場合、ＡＩＣ技術により、所望のサイズで必要な性能レベルを達成することは現実的ではないと考えられる。従って、「Ｉｎ−ＩＣ」アプローチの方がはるかに有望であると考えられる。しかしながら、このアプローチは、機械構造が十分に小さくない限り有用ではない。実際、このような集積化をコスト面で現実的なものにするためには、センサが占有するシリコン表面をＣＭＯＳ回路の利点が得られる程度にまで最小化することが適切である。この種類の加速度計の最大バルクは、約０．０５ｍｍ^２を超えないと推定される。比較として、ＭＥＭＳ加速度計（クラス１０^−２であるか又は１０Ｇの測定レンジを持つ）の受感要素の従来の表面積は０．５ｍｍ^２（コンタクトパッドを考慮に入れない）を下回ることがほとんどない。ＭＥＭＳジャイロスコープの場合、受感要素の通常の表面積は２０ｍｍ^２超である。

一般に、慣性センサの種類に関係なく、サイズの単純な相似縮小による小型化には、不可避的に大きな感度低下が伴う。これは非特許文献２に示されている。
換言すれば、相似縮小による小型化には、慣性力に対する機械構造の「相対的剛性化」が伴う。
フランス国特許第２７６３６９４号 フランス国特許第２８７４２５７号 Aikele等による「Resonant accelerometer with self test」（Sensors and Actuators, A92, 2001, 161-167頁） C. Heroldによる記事「from micro- to nanosystems: mechanical sensors go nano」（Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, S1-S11, vol. 14, 2004）

従って、部品を一層小型化するための新規の設計法を提供するという課題に加えて、部品のあらゆる縮小化に伴う感度の大きな低下を解決するという課題がある。

これらの課題を達成するため、本発明は、「３次元」プレーナー技術を使用して共振器による検出を行なうＭＥＭＳセンサを製造する方法を提案する。
本発明は、表面加工により作製され、複数の厚さを有し、且つ共振器が平面内で励振する共振ＭＥＭＳセンサに関する。共振ＭＥＭＳセンサは、例えば加速度計又はジャイロメータである。通常、同じ部品に２つの異なる厚さを持たせることができるだけでなく、２つよりも多くの厚さ、例えば３つの厚さを持たせることができる。

厚い第１領域は、第１の厚さを有し、振動マス部分、例えば加速度計又はジャイロメータに使用される。薄い第２領域は、第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する。これらの２つの厚さの比は、例えば２〜１０である。第２領域は検出に使用され、ヒンジ（又は、ジャイロスコープの場合はねじれ軸）の形成に使用することができる。
本発明によれば、表面加工により作製される共振センサの設計は、振動マス部分と検出部分との相関を低下させることにより変更される。

第１の領域は、加速度計の場合は０．１ｍｍ^２未満、ジャイロメータの場合は５ｍｍ^２未満の表面積Ｓを有することが好ましい。
第１及び第２の領域は、ＳＯＩ基板の表面の半導体層に形成することができる。

本発明によるセンサはまた、ヒンジ（又は、ジャイロメータの場合はねじれ軸）を構成する第３領域を備えることができ、前記第３領域は、第１領域の厚さと第２領域の厚さとの間の厚さを有するか、第１領域の厚さに等しい厚さを有するか、或いは第２領域の厚さに等しい厚さを有する。
本発明によって、センサの種々の部分、すなわち
−共振器（群）、
−ヒンジ（群）又はねじれ軸、
−振動マス、
を個別に最適化することができる。

本発明は、非常に経済的な「Ｉｎ−ＩＣ」アプローチに適用することもできる。
機械的なストップを設けて振動マスの動きを制限することができる。
デジタル検出手段を設けることもでき、この手段は、例えば信号のデジタルフィルタリング及び／又はデジタル処理のための手段を含む。

本発明は、本発明による装置の製造方法にも関し、本方法では、第１領域及び／又は第２領域及び／又は第３領域における、振動マスの平面に垂直な方向の深さに差を持たせるエッチング工程を行なう。
本発明は、特に、平面内で励振する共振器を備えた表面型ＭＥＭＳ共振センサの製造方法に関し、本方法は、
−第１の厚さ（Ｅ_１）を有して振動マスを構成する厚い領域を形成すること、及び
−第１の厚さより小さい第２の厚さ（Ｅ_２）を有して検出を行なう薄い領域を形成すること
を含む。

厚い領域及び薄い領域は、半導体材料層を３次元方向にエッチングすることにより形成できる。
これらの領域は、ＳＯＩ基板の表面の半導体材料層を、前記ＳＯＩ基板の主平面に直交する方向（ｚ）にエッチングすることにより形成することができる。

このような方法は更に、第１領域の厚さと第２領域の厚さの間の厚さか、又は前記２つの領域の厚さの内の一方に等しい厚さを有し、ヒンジ又はねじれ軸領域と呼ばれる第３の領域を形成することを含むことができる。
有利には、薄い領域は表面の半導体層に形成され、このとき厚い領域は、前記表面層上のエピタキシャル半導体層と、前記表面層とに形成される。

本発明による共振慣性センサ１００の一実施例について、図１Ａ及び１Ｂを参照して説明する。このようなセンサ１００は、例えば加速度計又はジャイロメータとすることができる。センサは、表面加工により作製された、平面で励振する共振器を備えるセンサを含む。
これらの図では、軸ＸＸ’１はセンサの受感軸である。参照番号２及び４は、それぞれ振動マス及び共振器を指す。参照番号６は加速度計の場合はヒンジを、ジャイロメータ（ジャイロメータについては図８に関連して後述する）の場合はねじれ軸を指す。断面図（図１Ｂ）に示すように、マス２と共振器４の厚さは同じではない。マス２の厚さは、例えばμｍオーダーの第１の厚さＥ_１であり、これは共振器の厚さＥ_２よりも大きい。比Ｅ_１／Ｅ_２は、例えば２〜１０である。

ヒンジによって、単一平面、すなわち図１Ａの平面又は振動マス２によって画定される平面内に振動マスを維持することが可能になる。図１Ａの平面における振動マスの寸法は、この平面に直交する方向の寸法より明らかに大きい。ヒンジは、Ｅ_１又はＥ_２と等しくすることができるか、或いはＥ_１とＥ_２との間とすることができる厚さＥ_３を有する。図１Ａに示すように、ヒンジ６及び共振器４は振動マス２によって画定される平面に平行に、マス２の平面にほぼ直交する方向ｚに沿って異なる深さに（図１Ｂ）形成される。ヒンジ６は、共振器部分４と平行である必要はなく、例えば図１Ｃに示すような異なる配置とすることができる。図１Ｃでは、図１Ａ及び１Ｂの参照記号と同じ参照記号は、同じか又は対応する構成要素を指す。
図１Ｃは、本発明による装置の上面図であり、この図ではヒンジが共振器にほぼ直交する。これらの図の平面においては、図１Ａ〜１Ｂ及び１Ｃとは異なる構成を設定することができる。

参照番号１０（図１Ａ）は、システム１００から到来する信号をデジタル処理する手段を指す。この手段は、図示しないが、他の図に示す実施形態に使用することができる。
本発明は、差別構造、すなわち複数のセンサが差別的にアセンブルされる構造に適用することもできる。従って、図１Ｄは、上記のような構造１００、及び同じ種類であるが「頭−尾結合式」に又は差別的にアセンブルされた第２の構造２００を模式的に示している。

共振器による測定は小型化に非常に適している。例えば、本発明による加速度センサは、０．１ｍｍ^２未満、場合によっては０．０５ｍｍ^２未満の表面積Ｓ（振動マス２の上面の面積又は図１Ａの平面における表面積）を有する。ジャイロメータの場合、この値は、上記の値よりも大きいが、好ましくは５ｍｍ^２のオーダーである。
共振センサは、外部応力（この場合は慣性力）の影響下にある共振器（音叉型又は振動ビーム型）に固有の周波数変化を測定する。利用される応答が周波数であるので、信号のデジタルフィルタリング及び／又はデジタル処理を行う手段１０によって直接的に、信号のフィルタリング（ノイズ制限）、及びデータのデジタル処理が可能になる等、電気信号の処理に関連して多数の利点が得られる。実際、振動周波数の測定は、容量測定（ｉ＝ｄ（ＣＶ）／ｄｔ−ＣｄＶ／ｄｔ＋Ｖ ｄＣ／ｄｔ、測定される量はＶ ｄＣ／ｄｔである）によって行なわれる。図１Ａでは、参照番号１５、１５’は、それぞれ励振電極及び検出電極を表わす。ＭＯＳ測定を行なうこともでき、この場合、チャネルの電流が、トランジスタのゲートを構成する共振器構造の動きによって変化する。

このような共振器測定原理によって以下も可能になる。
−機械的共振による動作。すなわち、振動ボディ２の振幅の最適化による動作。これによって容量検出の精度が高まる。
−容量変化に関連する電気ノイズに殆ど依存しない測定精度。
サイジングの観点から、共振器の断面を極めて小さくすることは無関係ではない。

感度の有意な増大はΔｆ／ｆに等しく、ここでΔｆは振動マス（群）の動きによって生じる機械応力の影響を受けている状態での共振周波数変化である。Δｆ／ｆは、加速度計の場合は加速度の関数であり、ジャイロメータの場合は回転速度の関数である。このような感度の増大によって、センサの応答の非線形性が、加速度の大きさ（加速度計の場合）、又は回転速度の大きさ（ジャイロメータの場合）に従って著しく大きくなる。従って、測定範囲、受感要素２の質量及び共振器４の断面積の間に良好なバランスが取れていることが望ましい。
薄い領域内の種々の機械的要素の断面を小さくすることにより、応力の集中度を高めることができる。これらの応力を解析して、例えば衝撃を受けたときのこれらの要素のゆがみ及び破裂を防止することができる。この問題を解決又は制限するために、マスの動きを制限する機械的なストップを付加することができる。このような機械的なストップ１２を図１Ｂに示す。

機械領域を薄くすることにより、振動マス２によって各領域に印加される応力が移動する。このような厚みの低減により、実際に、共振器に力が加わるポイントに向かってマスの重心がずれる（ｚ方向、すなわち厚さ方向、図１Ｂを参照）。このずれによって寄生トルクが生じ、この寄生トルクによって例えば直交加速度に対して感受性となる。
共振器を薄くすることはまた、振動の励起能及び／又は検出能を低下させる。電気感度の低下を制限するため、電子部品群を出来る限り近接させるように配置して（できればセンサを「Ｉｎ−ＩＣ」アプローチを用いて形成することにより）、信号対雑音比を悪化させ得る寄生容量及び／又は寄生抵抗を小さくすることができる。

本発明による装置のサイズを決定するために、ＡＮＳＹＳ又はＣｏｖｅｎｔｏｒのような「有限要素」法ソフトウェア、又はＦＥＭＬａｂ又はＭａｔｌａｂのような他のいずれかの設計ソフトウェアを使用することができる。
本発明による共振センサでは、「３次元」プレーナー技術を使用することにより（すなわち、マス２の平面のエッチングだけでなく、前記平面に直交する方向のエッチングも行なうことにより）、センサの検出部分（ビーム４又は共鳴音叉）と慣性部分（マス２）との相関を低下させることができる。これにより、これらの２つの要素を個別に最適化して、慣性センサの小型化によって生じる感度の低下を克服することができる。このような個別の最適化は、例えば製造段階において、例えば後述するようにそれぞれの領域を個別にエッチングすることにより行なうことができる。

実際、共振器に加わる慣性力は、使用する振動マスの容積に直接比例する。従って、小型化により必ずこの力が小さくなり、よって感度が低下する。
検出共振器の場合、共振器の一定の寸法（断面）を低減すると、感度が増大する。つまり、所定の応力に対する共振周波数の変化が大きくなる。即ち、共振器の断面が小さい程、共振器に加わる応力に応じた共振器の共振周波数の変化が大きくなる。所定の外力が共振器に加わる場合、共振器の共振周波数ｆの変化は、共振器４の断面が小さい程大きくなる。

上の式において、
ｆは、軸方向応力Ｆ_ｉが印加される共振器の固有周波数であり、
ｆ_０は、応力が印加されない（Ｆ_ｉ＝０）場合の中心周波数であり、
Ｆ_ｉは、ビーム４に加わる慣性力であり、
Ｌ、ｔ及びｌは、それぞれビーム４の長さ、厚さ及び幅であり、
Ｅはヤング率である。
Δｆ＝ｆ_Ｆｉ≠０−ｆ_０；Δｆ／ｆ_０はセンサの感度であり、共振器の断面が小さい程大きくなる。
項ｔｌ^３を小さくして比Δｆ／ｆ_０を大きくすることが望ましい。

ビーム４の横方向の寸法を小さくすると、感度が高くなる。それでも、このような横方向寸法の縮小は技術による限界を有し、リソグラフィ解像度及びエッチングのアスペクト比によって制限される（エッチングされるパターンの幅がＤＲＩＥ装置の場合の約１０分の１まで小さくなり、共振器の幅が小さくなることにより共振器の品質因子も低下し易くなる）。
共振器の断面を更に小さくするために、振動マス２及びアンカー部に影響を及ぼすことなく共振器４を薄くすることができ、加速度計の場合はヒンジ６、ジャイロメータの場合はねじれ軸といったセンサの他の可動部分を薄くすると確実に有利である。この処理では、「３次元」表面加工技術（又はプレーナー技術）を使用するか、又はＭＥＭＳの特定の部分を選択的に薄くする本発明による方法を使用する。

本発明による装置の３つの例示的実施形態を以下に示す。これらの３つの実施例は互いに組み合わせることもできる。これらの実施例は、加速度計の場合に関して説明する。ジャイロメータの場合、「ヒンジ」という用語は「ねじれ軸」に置き換えられる。
第１の方法について、図２Ａ〜２Ｇ及び図３Ａ〜３Ｆを参照して説明する。

第１の方法では半導体エピタキシー技術を使用する（この場合はシリコンである。他にシリコンゲルマニウムを用いることができる）。この技術では、薄い第１の厚さ部分に共振器部分を形成し、次いで、第１の厚さ部分の上にエピタキシャル成長させた、前記第１の厚さよりも大きな厚さを有する第２の厚さ部分に振動マス及びヒンジを形成することができる。
まず、ＳＯＩ基板２０を選択する（図２Ａ）。例えば、ＳＯＩ基板は、厚さ１μｍのシリコン層２２を、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２酸化皮膜２４の上に備える。

次に、シリコン層２２に対してリソグラフィを行い、次いでエッチングを行なって、共振器のギャップ３０を画定する（図２Ａ及び３Ａ）。従って、このギャップは、表面に存在する薄い半導体層内に画定される。
エッチングはＳｉＯ_２層の位置で停止する。次に、例えば２μｍの厚さを有するＳｉＯ_２層を堆積させ（図示せず）、続いて平坦化を行なってシリコン層２２の位置で停止し、その後、例えば約０．４μｍの厚さを有するＳｉＯ_２３２を堆積させる（図２Ｂ）。

次に、ＳｉＯ_２層３２に対してリソグラフィエッチングを行なって（図２Ｃ及び３Ｂ）共振器の上に保護膜３４を形成し、保護膜は励振／検出電極の位置で重複させる。
次に、初期の表面半導体層２２の上に、例えば約３μｍの厚さのシリコンエピタキシー３５を成長させ、層３２より厚くする（図２Ｄ及び３Ｃ）。

次に、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ金属を堆積させ、続いてリソグラフィエッチングを行って（図２Ｅ及び３Ｄ）、コンタクト３６を形成する。
次に、機械構造に対してリソグラフィ及び異方性エッチング（例えば、ＤＲＩＥ）を行ない（図２Ｆ及び３Ｅ）、エッチングはＳｉＯ２二酸化皮膜２４の位置で停止する。この工程によって、同じ処理の間に、振動マス及びヒンジ６を同じ厚さに形成することができる。
次に、皮膜２４のＨＦエッチング（ウェット又は気相）を行なうことにより装置を解放する（図２Ｇ及び３Ｆ）。

本発明による第２の方法では、エッチングにより共振器４及びヒンジ６の厚みを小さくする（図４Ａ〜４Ｆ及び５Ａ〜５Ｅ）。
まず、ＳＯＩ基板２０を選択する（図４Ａ）。例えば、ＳＯＩ基板は、厚さ４μｍのシリコン層２２を、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２酸化皮膜の上に備える。

次に、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ金属を堆積させ、続いてリソグラフィエッチングを行ってコンタクト３６を形成する（図４Ａ及び５Ａ）。
次に、機械構造のリソグラフィ及びＤＲＩＥエッチングを行ない（図４Ｂ及び５Ｂ）、エッチングはＳｉＯ_２二酸化皮膜２４の位置で停止する。この工程によって、同じ処理の間に、同じ厚さの材料から、振動マス２と、ヒンジ６及び共振器部分４が形成される領域とを形成することができる。

樹脂層３５を堆積させた後、リソグラフィを行ない（図４Ｃ及び５Ｃ）、これによって、励振／検出電極の位置で重複する共振器４の開口、及びヒンジ６上の開口を形成することができる。
ヒンジ６及び共振器４の領域の厚さを、例えばエッチング（例えば、ＲＩＥ又はＤＲＩＥ）により小さくする（図４Ｄ及び５Ｄ）。次に、樹脂３５を除去する（図４Ｅ）。

層２４のＨＦエッチング（ウェット又は気相）を行なうことにより装置を解放する（図４Ｆ及び５Ｅ）。
この方法では、ヒンジ領域及び共振領域は、同じ工程で軸ｚに沿った深さ方向にエッチングされるので、ヒンジ領域及び共振領域は同じ厚さを有する。一方、振動マスを形成する領域のパターンはこの方向にはエッチングされない。

本発明による第３の方法は、第２の方法の変形であり、この方法では、共振器４及びヒンジ６（又は、別の機械部分）の厚さを差別的に小さくする。まずＳＯＩ基板２０を選択する（図６Ａ）。例えば、ＳＯＩ基板は、厚さ４μｍのシリコン層２２を、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_２酸化皮膜２４の上に備える。
次に、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ金属を堆積させ、続いてリソグラフィエッチングを行ってコンタクト３６を形成する（図６Ａ及び７Ａ）。

次に、機械構造に対し、樹脂の塗布、リソグラフィ及びエッチング（ＲＩＥ又はＤＲＩＥ）を行ない（図６Ｂ及び７Ｂ）、エッチングはＳｉＯ_２二酸化皮膜２４の位置で停止する。この工程によって、同じ処理の間に、同じ厚さの材料から、振動マス２と、ヒンジ６及び共振器４が形成される領域を形成することができる。
従って、この工程により、振動マスを形成する領域、共振器を形成する領域、及びヒンジ領域のパターンをエッチングすることができる。このとき、共振器を形成する領域及びヒンジ領域のパターンは、軸ｚに沿った深さ方向に、別々にエッチングすることができ（図６Ｃ及び６Ｄ）、よってそれぞれの最終的な厚さを個々に制御することができる。

従って、樹脂３５の塗布（図６Ｃ）を行なった後、リソグラフィにより共振器のための開口を、励振／検出電極の位置に重複部分を有するように形成する。
軸ｚに沿って共振器のエッチング（例えば、ＲＩＥ又はＤＲＩＥ）を行なった後で樹脂３５を除去する。

次に（図６Ｄ）、別の樹脂３７を塗布した後、リソグラフィによりヒンジ６の位置に開口を形成する。ＤＲＩＥエッチングを、軸ｚに沿って再度、しかしこの場合ヒンジ６に対して行ない、樹脂３７を除去する。
層２４のＨＦエッチング（ウェット又は気相）を行なうことにより装置を解放する（図６Ｅ及び７Ｅ）。
この第３の方法では、ヒンジ領域及び共振領域の厚さは、これらの領域が異なる工程の間に軸ｚに沿った深さ方向にエッチングされるために互いに異なり、一方振動マスを形成する領域のパターンはこの方向にはエッチングされない。

第１の実施形態は、他の実施形態よりやや複雑である（平坦化工程及びエピタキシー工程が追加される）が、この第１の実施形態によって、電気機械共振器の電気感度を最適化することができる（実効容量を増大させることにより信号対雑音比を最適化する）。実際、共振器と励振／検出電極との間のギャップが、非常に微細なシリコン部分に直接形成される。ギャップが非常に薄い厚さにエッチングされるので、非常に高い機械加工分解能が得られる。他の２つの実施形態では、共振器及びギャップは大きなシリコン厚さに形成されるので、厚さを小さくする前の機械加工の微細度が小さくなる。例えば、ＤＲＩＥエッチングによってアスペクト比１０が実現されるとすると、２μｍのシリコンに０．２μｍのギャップを得ることができるが、２０μｍのシリコンに２μｍ未満のギャップを得ることはできない。

本発明では、センサに異なる厚さの領域を設ける。本発明によるセンサは、シリコン又は半導体材料を３次元方向に機械加工することにより製造できる。
３次元機械加工を半導体材料に対して行なうことにより得られる本発明の共振器は、共振器による検出を行なうジャイロメータに特に適している。このようなジャイロメータの原理は特許文献２に示唆されており、図８にも概略を示す。このようなジャイロメータは支持体（図示せず）及び２つの振動マス１２０、１２０’を備え、これらの振動マスは支持体の平面（Ｘ，Ｙ）内において可動であり、特に振動することができる。これらの２つのマスは連結手段によって接続され、これらの連結手段も支持体に対して可動である。図示の構成では、本実施例では平行な２つの連結アーム１４０、１４０’が、手段１６０、１６０’により可動マスに接続されている。手段１６０、１６０’は、アーム１４０、１４０’に対して２つのマス１２０、１２０’を可動とするのに十分な可撓性を有する一方、マス１２０、１２０’の動きをアーム１４０、１４０’に伝達するのに十分な剛性を有する。好適には、連結アーム１４０、１４０’、及び可撓性手段又は曲がりアーム１６０、１６０’は、矩形フレームを形成する。可撓性手段１６０、１６０’は、例えば曲がりバネ、又は取り付けタブとすることができる。手段は、マス１２０、１２０’を支持体の平面（Ｘ，Ｙ）内で振動させるために設けられる。この支持体は、例えば各可動マス１２０、１２０’の一方又は両方の面内に収まる励振コーム１８０、１８０’である。コーム１８０、１８０’は、静電気力によって、第１方向Ｘに（この場合は図面の左から右に向かって）各マス１２０、１２０’を前後に動かす。電磁励振のような他の手段も考慮可能である。

特に、マス１２０、１２０’は、共振周波数で、又は共振周波数の近傍で、「ギザギザ」のコーム構造１８０、１８０’によって印加される静電気力により励振される。このように、マス１２０、１２０’及び連結手段１４０、１４０’、１６０、１６０’は、第１励振共振器２００を形成する。共振周波数で動作することにより、実際に、大きな運動振幅と高い品質因子とが得られ、ジャイロメータの感度を高めることができる。マス１２０、１２０’の振動の位相がずれていると有利である、つまり、これらのマスは、各時点で反対方向に運動させる。２つのマス１２０、１２０’を分離する距離は、可撓性連結手段１６０、１６０’によって許容される範囲で可変である。これによって、第２共振器による検出が可能になる。

ジャイロメータにおいて、支持体に直交する軸Ｚを中心とした角度運動が生じる場合、軸Ｘ及びＺに直交する方向、従ってこの場合は図面の垂直方向Ｙに向くコリオリの力が各マス１２０、１２０’に生じる。このようなコリオリの力は、要素１８０、１８０’によって生じる振動が角速度Ωと合成されることに由来する。コリオリの力は、可撓性連結手段１６０、１６０’によってアーム１４０、１４０’に伝達される。第２共振器２２０がアーム１４０に接続される場合、この第２共振器もコリオリの力による応力を受ける。この応力は、検出共振器２２０の共振周波数を変動させる。これにより、軸Ｚを中心とする角速度Ωは、測定される周波数変動により推定される。特に、共振器２２０は励振され、好適には、共振器の最大共振周波数又は最大共振周波数近傍の周波数に制御される。デジタル電子システムによって、各時点で共振周波数を容易に達成することが可能である。共振器２２０は、例えば、図８に概略的に示すような振動ビームの形状とすることができ、この振動ビームの第１端は連結アーム１４０に接続され、他端は公知のいずれかの手段２４０によって基板に固定される。好適な実施形態によれば、共振器２２０は、検出も行なう固定電極群によって共振周波数で静電容量効果により励振される。検出電極２６０を励振電極２８０とは別に設けることもできる。圧電計を用いた検出が可能であるように、電磁励振も考慮可能である。共振器２２０の検出能力及び感度を上げるため、有利には、各アーム１４０、１４０’がねじれ軸３００、３００’を有し、これらのねじれ軸は、マス１２０、１２０’の位置に加わるコリオリの力を、レバーアーム効果によって前記ねじれ軸３００、３００’を中心とした１組の力に変換することを目的としており、これによって、可能な最大応力を共振器に加えることができる。従って、各ねじれ軸の一端は支持体によってアンカー３２０、３２０’に取り付けられており、他端は構造２００の中心に向かって連結アーム１４０、１４０’、１６０、１６０’に取り付けられており、これによりジャイロメータの温度ドリフトが制限されている。

特許文献２の図４Ａ〜４Ｄに示されるような他の実施形態が可能であり、例えば、同じ連結アーム１４０上の２つの共振器（図４Ａ）、ねじれ軸によって定義される可動装置の軸の同じ側に位置する２つの共振器（図４Ｂ）、音叉型共振器（図４Ｃ）、又はこの同文献の図４Ｄのように配置された共振器とすることができる。
これらの装置の全てに関し、本発明では、振動マス（群）の断面より小さい断面、又は振動マス（群）の厚さよりも小さい厚さを有する、一つ以上の共振器の作製が可能である。

この種類の部品に生じる力は、マイクロセンサの規模では極端に小さい（コリオリの力）。従来の表面加工技術を使用することにより、共振器の幅の最小化を試みることで技術の限界（限界はリソグラフィ及びＤＲＩＥによって決まる）を駆使しても、感度が非常に低くなってしまう。共振器の断面を３次元加工によって小さくすることができると、容量検出を行なうジャイロメータに、他の設計では実現が難しい非常に高い感度を得ることができる。
本発明によって、非常に小さなサイズで非常に高い性能（感度）を実現する慣性センサ（加速度計又はジャイロメータ）を得ることができる。

Ａ及びＢは、本発明による慣性センサのそれぞれ上面図及び側面図であり、Ｃは、平面内の構成要素の配置を変えた本発明による慣性センサの上面図であり、Ｄは、本発明による２つの慣性センサが差別的にアセンブルされた本発明による装置の上面図である。 Ａ〜Ｇは、本発明による方法の第１の実施形態を示す。 Ａ〜Ｆは、本発明による方法の第１の実施形態を示す。 Ａ〜Ｆは、本発明による方法の第２の実施形態を示す。 Ａ〜Ｅは、本発明による方法の第２の実施形態を示す。 Ａ〜Ｅは、本発明による方法の第３の実施形態を示す。 Ａ〜Ｅは、本発明による方法の第３の実施形態を示す。 ジャイロメータを示す。 Ａ及びＢは、先行技術による慣性センサのそれぞれ上面図及び側面図である。

符号の説明

１ 受感軸ＸＸ’
２ 振動マス
４ 共振器、ビーム
６ ヒンジ又はねじれ軸
１０ 信号のデジタル処理手段
１５、１５’ 電極
２０ ＳＯＩ基板
２２ シリコン層
２４ ＳｉＯ_２酸化皮膜
３０ ギャップ
３２ ＳｉＯ_２層
３４ 保護層
３５、３７ 樹脂層
３６ コンタクト
１００、２００ 共振センサ
１２０、１２０’ 振動マス
１４０、１４０’ 連結アーム
１６０、１６０’ 可撓性手段、曲がりアーム
１８０、１８０’ 励振コーム
２００、２２０ 共振器
２４０ 連結手段
２６０、２８０ 電極
３００、３００’ ねじれ軸
３２０、３２０’ アンカー

Claims (22)

1. 平面内で励振する共振器（４）を備えた表面型ＭＥＭＳ共振センサであって、
   −第１の厚さ（Ｅ_１）を有して振動マスを形成する、第１の、いわゆる厚い領域（２）、及び
   −第１の厚さより小さい第２の厚さ（Ｅ_２）を有して検出を行なう第２の、薄い領域（４）
   を備えることを特徴とするセンサ。
2. 第１領域（２）の表面積Ｓが０．１ｍｍ^２未満であることを特徴とする、加速度計である請求項１記載のセンサ。
3. 第１領域（２）の表面積Ｓが５ｍｍ^２未満であることを特徴とする、ジャイロメータである請求項１記載のセンサ。
4. 第１及び第２領域が、ＳＯＩ基板（２０）の表面の半導体層（２２）内に形成されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のセンサ。
5. ヒンジ又はねじれ軸を形成する第３領域（６）を備えることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 第３領域の厚さが、第１領域の厚さと第２領域の厚さとの間であることを特徴とする、請求項５記載のセンサ。
7. 第３領域の厚さが第１領域の厚さに等しいことを特徴とする、請求項５記載のセンサ。
8. 第３領域の厚さが第２領域の厚さに等しいことを特徴とする、請求項５記載のセンサ。
9. 振動マス（２）の動きを制限する機械的なストップ（１２）を更に備えることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のセンサ。
10. 検出手段（１０）を更に備えることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のセンサ。
11. 検出手段（１０）が、信号のデジタルフィルタリング及び／又はデジタル処置を行う手段を備えることを特徴とする、請求項１０記載のセンサ。
12. 差別型にアセンブルされた第１共振センサ（１００）及び第２共振センサ（２００）を備え、各センサが請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のセンサであることを特徴とする、表面検出装置。
13. 表面型ＭＥＭＳ共振センサの製造方法であって、前記センサが平面内で励振する共振器を備えることを特徴とし、
    −第１の厚さ（Ｅ_１）を有して振動マスを形成する厚い第１の領域を形成すること、及び
    −第１の厚さより小さい第２の厚さ（Ｅ_２）を有して検出を行なう薄い第２の領域を形成すること
    を含む方法。
14. 厚い領域及び薄い領域は、半導体材料層（２２）に対して３次元方向のエッチングを行なうことにより形成することを特徴とする、請求項１３記載の方法。
15. 薄い領域及び厚い領域は、ＳＯＩ基板の表面半導体材料層を、前記ＳＯＩ基板の主平面に直交する方向（ｚ）にエッチングすることにより形成することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 第１領域の厚さと第２領域の厚さの間の厚さを有する、ヒンジ又はねじれ軸領域と呼ばれる第３領域（６）の形成を更に含むことを特徴とする、請求項１３ないし１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 第２領域及び第３領域は、互いに独立したエッチング工程により形成することを特徴とする、請求項１６記載の方法。
18. 第１領域の厚さに等しい厚さを有する、ヒンジ又はねじれ軸領域と呼ばれる第３領域（６）の形成を更に含むことを特徴とする、請求項１３ないし１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 第１領域及び第２領域は、第３領域の形成を可能にするエッチング工程とは別の、単一のエッチング工程の間に形成されることを特徴とする、請求項１８記載の方法。
20. 第２領域の厚さに等しい厚さを有する、ヒンジ又はねじれ軸領域と呼ばれる第３領域（６）の形成を更に含むことを特徴とする、請求項１３ないし１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 第２領域及び第３領域は、第１領域の形成を可能にするエッチング工程とは別の単一のエッチング工程の間に形成されることを特徴とする、請求項２０記載の方法。
22. 薄い領域を表面半導体層（２２）内に形成し、厚い領域を、前記表面層の上にエピタキシャル成長させた表面半導体層（３５）内及び前記表面層内に形成することを特徴とする、請求項１３ないし２１のいずれか一項に記載の方法。

Images