JP2010536036A - 対称型差分容量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

対称型差分容量センサ（６０）が、幾何学的中心である回転軸（７０）の周りに旋回可能な可動要素（６６）を備えている。前記要素（６６）は区分（８６、８８）を備えている。区分（８６、８８）はそれぞれ、回転軸（７０）から等しく離れて配置された止め具（９４、９６）を有する。また区分（８６、８８）はそれぞれ、異なる構成（１０４、１０８）のアパーチャ（１０２、１０６）を有する。アパーチャ（１０２、１０６）の構成（１０４、１０８）によって、区分（８６、８８）間で質量不均衡が生じる結果、要素（６６）が、加速度に応答して回転軸（７０）の周りで旋回する。またアパーチャ（１０２、１０６）によって、製造中のエッチ・リリースが促進され、要素（６６）が回転するときの空気制振が減る。アパーチャ（１０２、１０６）の下に設けられた電極（７８、８０）内にアパーチャ（１２６、１２８）を形成して、可動要素（８６）の二つの区分（８６、８８）間で容量を整合させ、同じ双方向駆動能力を実現する。

Description

本発明は、概して、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electro-mechanical systems）センサに関する。より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳ対称型差分容量型加速度計に関する。

加速度計とは、加速力を測定するために通常用いられるセンサである。このような力は、重力の一定力のように静的な場合もあるし、動的となることもある。これは、加速度計を移動させるかまたは振動させることによって生じる。加速度計は、加速度または他の現象を、一つ、二つ、または三つの軸または方向に沿って検知する場合がある。この情報から、加速度計が組み込まれている装置の動きまたは向きを確認することができる。加速度計は、慣性誘導システム、車両内のエアバッグ展開システム、種々の装置に対する保護システム、ならびに他の多くの科学的および工学的なシステムにおいて用いられる。

容量検知ＭＥＭＳ加速度計のデザインは、高重力環境および小型装置における動作に対して、またその比較的低いコストに起因して、非常に望ましい。容量型加速度計は、加速度に対する電気容量の変化を検知して、作動する回路の出力を変化させるものである。加速度計の共通する形態の一つは、「シーソー」または「シーソー」構成を有する２層の容量性トランスデューサである。この一般に用いられるトランスデューサ方式では、ｚ軸加速度の下で基板上方で回転する可動要素またはプレートを用いている。この加速度計構造は、二つの別個な容量を測定して、差分または相対容量を決定することができる。

図１に、従来のヒンジ取り付け型または「シーソー」型のセンサとして構成される従来技術の非対称型容量型加速度計２０の側面図を示す。容量型加速度計２０は静的基板２２を備えている。静的基板２２は、表面上に所定の構成の金属電極要素２４および２６が堆積されて、対応するコンデンサ電極または「プレート」が形成されている。可動要素２８（一般的に「試験質量」と言われる）が、ねじれ浮遊要素３０によって基板２２上方に柔軟に浮遊し、回転軸の周りに回転する（双方向矢印３２によって表わす）。回転軸３２の一方の側の可動要素２８の区分３４は、回転軸３２の他方の側の可動要素２８の区分３６よりも比較的大きな質量で形成される。区分３４の質量の方が大きい状態は通常、可動要素２８の幾何学的中心３８から回転軸３２をずらすことによって形成される。回転軸３２の両側の質量が異なっているため、可動要素２８は、加速度に応答して旋回または回転する。その結果、静的な検知電極２４および２６に対する可動要素２８の位置が変化する。このように位置が変化する結果、可動要素２８と電極２４および２６それぞれとの間の電気容量が変化する。図１に示すコンデンサ４０および４２は、可動要素２８が加速度に応答して旋回するときのこの容量（より詳細には容量の変化）を示している。容量間の差（すなわち、差分容量）は加速度を示している。コンデンサ４０および４２は、この容量を象徴するものであり、加速度計２０の物理的構成要素ではないことに留意されたい。

加速度計２０が大きな加速度を受けると、可動要素２８は回転して基板２２に接触するため、さらに回転することを防止できる。この停止の特徴は、可動要素２８の構造破損を回避すること、およびコンデンサ４０，４２のいずれかにおける短絡を回避することの少なくとも何れか一つに対して有用である。いくつかの実施形態においては、止め具またはポスト構造４４を、可動要素２８の対向する長手方向の端部４６に、止め具特徴部として導入する場合がある。止め具４４の表面積が比較的小さいために、可動要素２８がその下に設けられた電極および基板の少なくとも何れか一つに貼り付くことが大いに防止される。すなわち、止め具４４がない場合には、可動要素２８は表面積がより大きいために、その下に設けられた電極および基板の少なくとも何れか一つに貼り付くことがあり、その結果、加速度計２０が使用できなくなる場合がある。

図２に、正弦波励振の下での非対称型加速度計２０（図１）の典型的な出力信号４６のチャートを示す。止め具４４のその非対称な構成および非対称な配置に起因して、可動要素２８は正の方向と負方向との間で、異なる加速度振幅で停止する。このように停止する結果、正の加速度値４８における振幅制限は、負の加速度値５０における振幅制限と異なることになる。この結果、過負荷応答における時間平均出力値５２が非ゼロになる。正弦波励振の時間平均出力値はゼロでなければならない。そのため、非ゼロ値５２であると、加速度測定値が不正確となり、加速度計２０が組み込まれている装置に動作不良が発生する可能性がある。

図１を再び参照して、駆動電極（図示せず）が、基板２２上で可動要素２８の区分３４の下で電極２４のそばに配置されることがある。このような駆動電極は、自己診断機能に対して用いることができる。しかしながら、単一の駆動電極を回転軸３２の一方の側で用いた場合には、単一方向の自己診断のみが可能である。方法によっては、両方向における駆動（すなわち、双方向の自己診断）が必要である。加速度計２０が非対称構成である場合、双方向の自己診断を可能にする技術の一つは、電極２４および２６の両方の有効面積を減らし、その面積の一部を付加的な駆動電極の対に対して用いることである。

しかしながら、電極２４および２６の面積の低減は、加速度計性能の劣化につながる可能性がある。

従来のヒンジ取り付け型または「シーソー」型のセンサとして構成された従来技術の非対称型容量型加速度計を示す側面図である。 正弦波励振の下で図１の非対称型加速度計の典型的な出力信号を示すチャートである。 本発明による対称型差分容量センサを示す平面図である。 図３の対称型差分容量センサを示す側面図である。 図３のセンサの基板上に配置された電極を示す平面図である。 本発明による処理加工中の差分容量センサを示す側面図である。 本発明の別の実施形態による対称型差分容量センサを示す平面図である。 図７のセンサの基板上に配置された電極を示す平面図である。 差分容量センサを組み込んでも良い装置を示す図である。

詳細な説明および特許請求の範囲を図面とともに考慮して参照することによって、本発明をより完全に理解することが可能である。図面において、同様の参照番号は図面の全体に渡って同様の部材を示す。

図３および４を参照すると、図３は、本発明による対称型差分容量センサ６０の斜視図を示し、図４は、対称型差分容量センサ６０の側面図を示す。センサ６０は、たとえば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計または他のＭＥＭＳ検知装置であっても良い。以下の説明の目的上、以下、センサ６０を容量型加速度計６０と言う。容量型加速度計６０は、幾何学的に対称なシーソー構成である。この構成によって、非対称の振幅制限によって生じる非ゼロの時間平均出力値がなくなり、ダイ面積の利用が最適化されてより良好な検知が実現され、双方向の自己診断および「閉ループ」もしくはフィードバック設計の少なくとも何れか一つに対して用いても良い十分な静電駆動が可能になる。

容量型加速度計６０は、基板６４上に配置される静的伝導層６２を備える。別の伝導層（本明細書では、可動検知要素６６と言う）が、伝導層６２の上方に形成されている。可動検知要素６６は、ヒンジ要素６８によって支持され、ヒンジ要素６８によって規定される回転軸７０の周りに旋回できるようになっている。多くの屈曲部、ヒンジ、および他の回転のメカニズムを用いて、回転軸７０の周りの可動検知要素６６の旋回の動きを可能にしても良いことを理解されたい。

静的伝導層６２は、基板６４上に配置されるとともに、可動要素６６の表面７２に対向する四つの電極またはプレートの形態にある少なくとも一つの電極を備える。これらの電極は、別の検知電極７６から電気的に絶縁されている検知電極７４と、駆動電極８０から電気的に絶縁されている駆動電極７８とを含む。検知電極７４および７６と駆動電極７８および８０とは、可動要素６６の下に設けられている。したがって、図３の平面図（通常、電極は見えない）では、電極７４、７６、７８、および８０を破線で表わして、可動要素６６および回転軸７０に対するそれらの箇所を例示している。

簡単に前述したように、容量型加速度計６０は、幾何学的に対称なシーソー構成である。その目的のために、ヒンジ要素６８を、回転軸７０が可動要素６６の端部８２および８４間で実質的に幾何学的中心になるように配置する。区分８６が回転軸７０と端部８２との間に形成され、区分８８が回転軸７０と端部８４との間に形成されている。全体的な幾何学的形状に関して、端部８２から回転軸７０までの長さ９０は、端部８４と回転軸７０との間の長さ９０と実質的に同等である。可動要素６６は実質的に矩形である。したがって、区分８６および８８それぞれの幅９２も実質的に同等である。

止め具９４および９６が、可動要素６６の表面７２の端部８２および８４からそれぞれ、基板６４に向かって延びている。可動要素６６の旋回動作は、止め具９４および９６が、基板６４上に配置されて止め具９４および９６と同じ電位に保持される対応する専用のコンタクト・プレート９８および１００に接触したときに停止する。止め具９４および９６は、回転軸７０から同等な距離だけ変位している。したがって可動要素６６は、正および負の両方向において加速度の実質的に同じ振幅において停止する。その結果、従来技術のデザインにおいて非対称な振幅制限によって生じている非ゼロの時間平均出力値がなくなる。

容量型加速度計６０がその検知機能を行なうためには、可動要素６６上のモーメント（または回転軸７０の周りに運動を発生させる傾向）を形成する必要がある。これは、区分８６および８８のそれぞれにおいて可動要素６６を通って延びるアパーチャを、サイズおよび量の少なくとも何れか一つが異なる状態で形成することによって行なう。たとえば、区分８６におけるアパーチャ１０２を構成１０４で配置し、区分８８におけるアパーチャ１０６を構成１０８で配置する。構成１０４および１０８は、対応する区分８６および８８におけるアパーチャ１０２および１０６のうち対応するもののサイズおよび量を表現するものである。たとえば、構成１０４のアパーチャ１０２は、構成１０８のアパーチャ１０６よりも直径が小さくて数が少ない。

より小さいアパーチャ１０２およびより少ないアパーチャ１０２の少なくとも何れか一つを区分８６に配置し、より大きくかつより多いアパーチャ１０６を区分８８に配置することによって、回転軸７０に対して質量の不均衡が形成される。この質量の不平衡を、アパーチャ１０２および１０６を回転軸７０から遠位に位置させることによって効果的に増大させ、その結果、可動要素６６のモーメント・アームが増加する。この方法では、区分８８の質量は区分８６よりも小さい。この不均衡があるために、モーメントが入力される加速度によって形成されて、可動要素６６が回転軸７０の周りに旋回する。したがって検知機能は、コンデンサ１１０およびコンデンサ１１２（対応する検知電極７４および７６と可動要素６６との間に形成される）の間の差分容量信号を検出することによって実現される。加えて、駆動機能が、駆動電極７８と可動要素６６との間に形成されるコンデンサ１１１と、駆動電極８０と可動要素６６との間に形成されるコンデンサ１１３とによって実現される。二つの構成１０４および１０８を示しているが、アパーチャ１０２および１０６のサイズおよび量を変えることによって、回転軸７０に対して不均衡な可動要素６６が形成されるということに想到できることが明らかである。

アパーチャ１０２および１０６はさらに、可動要素６６が旋回するときの空気の制振効果を最適化することに対して有用である。制振器とは、機械、音響、電子、または空気力学的な振動の振幅を調整する存在である。可動要素６６と基板６４との間に捕捉される空気は制振器として働き、望ましくない大きな制振になる可能性がある。望ましくない大きな制振があると、可動要素６６の応答が過渡に遅くなることが、特に大きな加速度の場合に起こる可能性がある。逆に、可動要素６６と基板６４との間に捕捉される空気の体積が不十分である場合、可動要素６６の振動が多すぎて加速度の測定が不正確になり過負荷となる場合がある。アパーチャ１０２および１０６が存在することによって、可動要素６６とその下に設けられた構造との間の空気が多少漏れて、空気制振効果を適切に制御することができる。

図５に、容量型加速度計６０の基板６４上に配置された電極７４、７６、７８、および８０の平面図を示す。図５の平面図では、可動要素６６を破線で表わして、電極７４、７６、７８、および８０に対するその箇所を例示している。一般的に、区分８６は、回転軸７０に隣接して配置される近位領域１１４と、端部８２に隣接して配置される遠位領域１１６とを有するとして特徴付けることができる。同様に、区分８８は、回転軸７０に隣接して配置される近位領域１１８と、端部８４に隣接して配置される遠位領域１２０とを有するとして特徴付けることができる。

実施形態においては、検知電極７４は区分８６の近位領域１１４に面し、検知電極７６は区分８８の近位領域１１８に面している。より重要なことに、検知電極７４および７６は回転軸７０に対して対称的に配置されているため、電極７４および７６それぞれと回転軸７０との間の距離１２２が実質的に等しい。駆動電極７８は区分８６の遠位領域１１６に面し、駆動電極８０は区分８８の遠位領域１２０に面している。電極７４および７６と同様に、駆動電極７８および８０は回転軸７０に対して対称的に配置されているため、電極７８および８０それぞれと回転軸７０との間の距離１２４は実質的に等しい。

駆動電極７８は、可動要素６６の区分８８におけるアパーチャ１０６（図３）と同様に、構成１０８で配置されるアパーチャ１２６を有している。加えて、駆動電極８０は、可動要素６６の区分８６におけるアパーチャ１０２（図３）と同様に、構成１０４で配置されるアパーチャ１２８を有している。電極７４、７６が対称的に配置されているために、容量が整合されている。すなわち、コンデンサ１１０および１１２（図４）の間の容量は等しくて反対である。このため、両方向において検知電極７４、７６の同等な検知能力が実現される。電極７８、８０の対称的な配置ならびにアパーチャ１０６に対するアパーチャ１２６とアパーチャ１０２に対するアパーチャ１２８との「鏡像」またはフリップ対称によって、コンデンサ１１１および１１３（図４）間の容量が整合されている。このため、両方向において駆動電極７８、８０の同等な駆動能力が実現されている。

駆動電極７８および８０のいずれかと可動要素６６との間にバイアスを印加すると、静電気力が効果的に発生して駆動機能を実現することができる。可動要素６６の区分８６の遠位領域１１６の正味の表面積は、可動要素６６の区分８８の遠位領域１２０の正味の面積とは異なっている。この方法では、構成１０４（図３）が備えるアパーチャ１０２は、構成１０８（図３）の場合よりも小さくかつ数が少ない。結果として、区分８６の遠位領域１１６における残りの可動要素６６の正味の表面積は、区分８８の遠位領域１２０における残りの可動要素６６の正味の表面積よりも大きい。

フリンジング電界とは、周囲サイズに起因する電界の磁束を表すものである。すなわち、電界がエッジ（たとえばアパーチャ１０２および１０６（図３）それぞれの周囲）に集中する。このフリンジング電界があるために、電極７８および８０と可動要素６６との間の容量をやはり、区分８６および８８間で妥当な程度まで整合させることができ、したがってまた、両方向において駆動電極７８および８０において同等な駆動能力が実現される。

駆動電極７８および８０はそれぞれ、「自己診断」動作および／またはフィードバック「閉ループ」動作に対する駆動を実現するため優位である。「自己診断」動作の場合、それらは、差分加速度計６０の機能を試験するための大きな駆動を実現することができる。フィードバック動作の場合、それらによって、大きな加速度を抑制する能力が実現される。こうして、フィードバック動作では、フィードバック信号を駆動電極７８および８０に印加して、可動要素６６の位置を容量を用いて検知することができるとともに、静電バイアスを駆動電極に与えて可動要素を静止状態に保つことができるか、または特定の周波数範囲に動きを制限することができる。たとえば、高周波の動きは可能にするが低周波の動きを抑制するように、動きを制限しても良い。たとえば、パッケージ応力によってもたらされる任意の温度および時間の少なくとも何れか一つに依存性のオフセットである。その結果として、容量型加速度計６０の対称的なシーソー・デザインによってさらに、自己診断、フィードバック、オフセット取り消しなどに対する効果的な双方向の駆動が実現される。

電極７４および７８の組み合わせは実質的に、可動要素６６の区分８６全体の下に設けられていることに注意されたい。同様に、電極７６および８０の組み合わせは実質的に、可動要素６６の区分８８全体の下に設けられている。この構成によって、可動要素６６の表面積全体が効率的に利用されることになり、利用されないシールド領域を有する従来技術の非対称型の試験質量構成とは対照的である。また、この構成によって、試験質量（すなわち、可動要素６６）を最適に寸法取りすることが可能になり、一方でコンデンサ１１０および１１２のかなりの容量性出力が可能になり、駆動電極７８および８０における十分な駆動電圧が可能になる。

図６に、本発明による処理加工中の差分容量センサ６０の側面図を示す。基板６４は、シリコンを含む半導体ウェハであっても良いが、任意の機械的な支持基板を用いても良い。従来の製造実務によれば、基板６４が非伝導性である場合には、絶縁層１３０を基板６４の表面上に形成する。静的伝導層６２はポリシリコンを含んでも良いが、他の伝導性材料を用いても良い。伝導層６２を、既知の方法（たとえば成膜およびスパッタリング）によって形成する。たとえば、伝導層６２を基板６４の表面上にブランケット層として堆積させて、次にパターニングおよびエッチングして、検知電極７４および７６と駆動電極７８および８０（それぞれ、アパーチャ１２６および１２８を有する（図５））とを形成する。次に、コンタクト・プレート９８および１００を基板６４上に形成する。コンタクト・プレート９８および１００は、既知の方法によっておよび既知の材料から形成しても良い。保護層（図示せず）を、任意的に伝導層６２上に配置し、必要に応じてパターニングおよびエッチングして、将来の処理加工ステップ中に基板６４を保護しても良く、また伝導層６２と可動要素６６との間の短絡および／または溶着を防止しても良い。

次に、パターニングおよびエッチングされた伝導層６２ならびにコンタクト９８および１００上に犠牲層１３２を形成する。以前の層と同様に、犠牲層１３２も、共形的に形成した後に、必要に応じてパターニングおよびエッチングする。たとえば、コンタクト開口部を犠牲層１３２内に形成して、ヒンジ要素６８を基板６４に機械的に取り付けるように働くヒンジ・アンカー１３３が成膜できるようにしても良い。犠牲層１３２は通常、酸化ケイ素であり、当業者に既知である化学気相成長法によって堆積することができる。他の犠牲材料を酸化ケイ素の代わりに用いても良いことを理解されたい。たとえば、リン珪酸ガラスまたはホウ素リン珪酸ガラスである。

次の伝導層、すなわち、止め具８２および８４を有する可動要素６６は、ポリシリコンを含んでおり、伝導層上に位置するシーソー構造として、既知の方法によって形成する。加えて、アパーチャ１０２およびアパーチャ１０６（図３）を、可動要素６６内で、既知の方法によってパターニングおよびエッチングすることができる。一実施形態においては、この伝導層のマスキング、パターニング、およびエッチングを単一のプロセスで行なって、可動要素６６の種々の要素を規定する。図示した実施形態においては、これらには、ヒンジ・アンカー１３３、ヒンジ要素６８、止め具８２および８４を有する可動要素６６、ならびにアパーチャ１０２および１０６が含まれる。次に、他の成膜プロセスを実施してもよく、たとえば、別の犠牲層を可動要素６６上に成膜することなどが挙げられる。これは、当業者に知られている通りである。

前述した構造を形成した後で、犠牲層１３２を取り除いて、可動要素６６が自由に旋回できるようにする。たとえば、選択エッチング液として、静的伝導層６２および可動要素６６のポリシリコンに目に見えるほどの損傷を与えることなくリン珪酸ガラス犠牲層を取り除くことができるものを用いても良い。可動要素６６におけるアパーチャ１０２および１０６（図３）はさらに、容量型加速度計６０の製造中に有用な機能を提供する。エッチング液を犠牲層１３２に、アパーチャ１０２および１０６を通して適用しても良い。この結果、エッチング液の伝搬が効果的に増加するため、製造中に犠牲層１３２をエッチングすること、その後に可動要素６６をその下に設けられた構造から解放することが容易になる。

図７および図８を参照すると、図７は、本発明の別の実施形態による対称型差分容量センサ１３４の平面図を示し、図８は、センサ１３４の基板１４０上に配置される電極１３６および１３８の平面図を示す。電極１３６および１３８は、可動要素１４２の下に設けられていることに留意されたい。したがって、図７の平面図では、電極１３６および１３８を破線で表わして、可動要素１４２の幾何学的中心の回転軸１４４に対するそれらの箇所を例示している。加えて、図８の平面図では、可動要素１４２を破線で表わして、電極１３６および１３８に対するその箇所を例示している。

容量センサ１３４は、容量型加速度計６０の複数の特徴部を備えており、たとえば可動要素１４２である。可動要素１４２は、構成１０４で配置されるアパーチャ１０２、構成１０８で配置されるアパーチャ１０６、およびヒンジ要素６８を備えている。加えて、電極１３６は、構成１０８で配置されるアパーチャ１２６を備えており、アパーチャ１３８は、構成１０６で配置されるアパーチャ１２８を備えている。また電極１３６および１３８は、回転軸１４４に対して対称的に配置されている。これらの特徴部は、図３〜図５に関連して前述しており、本明細書ではそれらの説明および優位性を繰り返すことはせずに、省略する。

センサ１３４の可動要素１４２は、回転軸１４４によって線引きされる要素１４２の対向する半分を画定する区分１４６および区分１４８を備える。材料１５０が、可動要素１４２の区分１４６上に、アパーチャ１０２の構成１０４の付近に配置されている。材料１５０は、たとえば、可動要素１４２の区分１４６上に配置される金属または他の材料であても良い。材料１５０の堆積およびパターニングを、既知のプロセスによって行なっても良い。材料１５０は、可動要素１４２の区分１４６の質量を区分１４８に対してさらに増加させて、区分１４６および１４８間により大きな不均衡を形成する働きをする。その結果、センサ１３４の感度を、ねじれのバネ定数を変える必要なく、またはセンサのサイズを大きくすることなく、増加させることができる。

一般的に、可動要素１４２の区分１４６を、回転軸１４４に隣接して配置される近位領域１５２と、可動要素１４２の端部１５６に隣接して配置される遠位領域１５４とを有するものとして特徴付けることができる。同様に、区分１４８を、回転軸１４４に隣接して配置される近位領域１５８と、端部１６２に隣接して配置される遠位領域１６０とを有するものとして特徴付けることができる。可動要素１４２は、区分１４６の近位領域１５２を通って延びるアパーチャ１６４と、区分１４８の近位領域１５８を通って延びるアパーチャ１６６とを備える。アパーチャ１６２および１６４はそれぞれ、アパーチャ１６４および１６６の数量およびサイズを規定する共通の構成１６８で配置される。また、アパーチャ１６４および１６６は、回転軸１４４の対向する側面上に対称的に配置されている。アパーチャ１６４および１６６は、区分１４６および１４８間の質量不均衡を形成する働きはせず、したがってそれらの共通の構成１６８および回転軸１４４に対する対称的な配置を形成する。むしろ、アパーチャ１６４および１６６は、可動要素１４２と回転軸１４４に最も近いその下の構造との間のエッチ・リリースを促進するものである。

図７および図８の実施形態では、電極１３６は可動要素１４２の区分１４６に面し、電極１３８は可動要素１４２の区分１４８に面している。電極１３６および１３８はそれぞれ、外周１７０が可能な限り大きく作られている。たとえば、電極１３６および１３８それぞれの周囲１７０は、それらの対応する上部の区分１４６および１４８の外周１７２とほぼ同等である。電極１３６および１３８はそれぞれ、組み合わされた機能を提供する。すなわち、電極１３６および１３８はそれぞれ、検知機能および駆動機能の両方を提供する。典型的な方法では、電極要素１３６および１３８の単一の組が、駆動またはフィードバック信号を検知信号上に重ね合わせたときに、検知および駆動の両電極またはフィードバック電極として動作し、一方で、可動要素６６の表面積全体が効率的に利用されている。この電極構成によって、検知および駆動能力が両方とも効果的に改善される。

図９に、差分加速度計６０を組み込み可能な装置１７４を示す。装置１７４を、差分加速度計６０が内部に組み込まれているとして示しているが、装置１７４の別の実施形態では、差分加速度計１３４（図７）が内部に組み込まれていても良い。装置１７４は、多くの装置、たとえば慣性誘導システム、車両内のエアバッグ展開システム、種々の装置に対する保護システム、ならびに多くの他の科学的および工学的なシステムのいずれかとすることができる。装置１７４は、差分加速度計６０が組み込まれた加速度計パッケージ１７６を備えている。この典型的な状況では、加速度計パッケージ１７６は回路１７８と通信状態にある。回路１７８には、たとえば、プロセッサ、ハード・ディスク・ドライブ、および当業者には既知である従来のバス構造を介して相互接続される他の構成要素が含まれていても良い。当業者には理解できるように、装置１７４には、本明細書では説明せずに省略されている他の多くの構成要素が含まれていても良い。さらに、装置１７４は、本明細書で特定される構造を有している必要はない。

一般的に、回路１７８は、加速度計パッケージ１７６から出る信号をモニタする。これらの信号には、Ｚ軸に沿って生じる加速度が含まれる。加速度計パッケージ１７６の差分加速度計６０によって、Ｚ軸加速度（Ａｚ）１８０が検知される。本発明によれば、Ｚ軸加速度１８０は、図４と関連して前述したように、コンデンサ１１０および１１２に由来する容量によって形成される。差分加速度計５０から出る容量信号は、入出力回路チップ１８２の検知回路に通信されて、当業者には既知である好適な処理が、回路１７８に出力される前に施されるようになっている。

加速度計パッケージ１７６はさらに、回路１７８と通信状態にある駆動電圧入力ポート１８４を備えて、デジタル入力電圧信号１８６を印加できるようになっている。電圧信号１８６は、Ｉ／Ｏ回路チップ１８２の駆動回路１８８に信号を送って、駆動電圧（Ｖ＋およびＶ−）１９０を駆動電極７８および８０の少なくとも何れか一つに印加する。回路１７８はさらに、装置１７４の外部にあるポート（図示せず）と通信状態にあっても良く、その結果、外部の入力信号が回路１７８に通信されても良い。回路１７８上のプロセッサ・ソフトウェアまたはハードウェアが、その後に電圧信号１８６を発生させ、これが入力ポート１８４に伝えられる。

本明細書で説明した実施形態には、対称的なシーソー構造として作製された差分容量センサを備える装置が含まれている。別の実施形態には、本発明の微小電気機械システム対称型差分容量センサを製造する方法が含まれている。止め具が、シーソー試験質量の幾何学的中心の回転軸から等しい距離において可動要素から延びているため、可動要素は正および負の両方向において同じ加速度振幅において停止する。その結果、非対称な振幅制限によって生じる非ゼロの時間平均出力値がなくなる。加えて、複数のアパーチャが可動試験質量の各遠位部分に配置されている。回転軸の一方の側にあるアパーチャは、回転軸の他方の側にあるアパーチャとはサイズおよび数量の少なくとも何れか一つが異なるため、試験質量の対向する半分の間で質量不均衡が形成される。また、回転軸の両側にあるアパーチャが、可動要素の回転軸から遠位に位置していて、可動要素の大きなモーメント・アームを形成している。この結果、Ｚ軸において生じる加速度に応答して可動試験質量要素が回転することが可能になる。さらなる材料（たとえば金属）を可動試験質量の重い側に配置して、その質量をさらに増加させることができる。また試験質量内にアパーチャがあることによって、センサ製造中の犠牲酸化物のエッチングが容易になり、またアパーチャによって、可動試験質量が旋回するときの空気制振が効果的に減少する。駆動電極がシーソー試験質量構造の幾何学的中心の回転軸から遠位の等しい距離に配置される結果、比較的大きな検知電極を、回転軸に隣接して集めることができる。可動質量におけるアパーチャの下に設けられる電極を、対応する「鏡像」アパーチャを含むように形成し、その結果、駆動電極と可動試験質量との間の容量を重い端部と軽い端部との間で整合して、同じ駆動能力が得られるようにすることができる。検知電極と駆動電極との構成によって、可動要素の表面積全体を効率的に利用して検知および駆動能力の向上を実現することができる。

本発明の好ましい実施形態を例示し詳細に説明してきたが、当業者には容易に明らかとなるように、本発明の趣旨または添付の請求項の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行なっても良い。たとえば、駆動電極を、駆動が要求されない応用例では、検知電極として用いても良い。このような状況の下では、容量出力の量を相応に増加させることができる。

Claims (20)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備える装置であって、
   前記センサは、
   基板と、
   前記基板に取り付けられた可動検知要素であって、前記可動検知要素は、前記可動検知要素の第１および第２の端部間の実質的に幾何学的中心の回転軸に対する動きに対して適合されるとともに、前記回転軸と前記第１の端部との間の第１の区分と、前記回転軸と前記第２の端部との間の第２の区分とを形成し、前記第１の区分は、第１の質量を有する前記第１の区分を形成するように前記可動検知要素を通って延びる第１のアパーチャを備え、前記第２の区分は、前記第１の質量より小さい第２の質量を有する前記第２の区分を形成するように前記可動検知要素を通って延びる第２のアパーチャを備える、前記可動検知要素と、
   前記基板上に位置し前記可動検知要素の前記第１および第２の区分に対向する少なくとも一つの電極とを備える、装置。
2. 前記第１のアパーチャは前記回転軸から前記第１の端部に向かって変位し、前記第２のアパーチャは前記回転軸から前記第２の端部に向かって変位している、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のアパーチャは前記第１の区分において第１の構成で配置され、
   前記第２のアパーチャは前記第２の区分において第２の構成で配置され、前記第２の構成は前記第１の構成とは異なり、前記第１および第２の構成の各々は、前記第１のアパーチャおよび前記第２のアパーチャの対応するもののサイズおよび数量を表現する、請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも一つの電極は、
   前記第１の区分に対向する第１の電極であって、前記第２の構成で配置され、前記第１のアパーチャに対向する第３のアパーチャを有する第１の電極と、
   前記第２の遠位領域に対向する第２の電極であって、前記第１の構成で配置され、前記第２のアパーチャに対向する第４のアパーチャを有する前記第２の電極と、を備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１の区分を通って延びるとともに、第３の構成で配置される前記第３のアパーチャと、
   前記第２の区分を通って延びるとともに、前記第３の構成で配置される第４のアパーチャと、をさらに備え、
   前記第３および第４のアパーチャは、前記可動検知要素上に前記回転軸に対して実質的に対称的に配置される、請求項３に記載の装置。
6. 前記第１の区分は、前記回転軸に隣接して配置される第１の近位領域と前記第１の端部に隣接して配置される第１の遠位領域とを備え、
   前記第２の区分は、前記回転軸に隣接して配置される第２の近位領域と前記第２の端部に隣接して配置される第２の遠位領域とを備え、
   前記少なくとも一つの電極は、前記第１の近位領域に対向する第１の検知電極と、前記第２の近位領域に対向する第２の検知電極とを備え、
   前記第１および第２の検知電極は、前記回転軸に対して実質的に対称的に配置される、請求項１に記載の装置。
7. 前記少なくとも一つの電極は、
   前記第１の遠位領域に対向する第１の駆動電極と、
   前記第２の遠位領域に対向する第２の駆動電極とをさらに備え、
   前記第１および第２の駆動電極は、前記回転軸に対して実質的に対称的に配置される、請求項６に記載の装置。
8. 前記少なくとも一つの電極は、
   前記第１の区分に対向するとともに、前記第１の区分の区分周囲とほぼ同等の周囲を有する第１の電極と、
   前記第２の区分に対向するとともに、前記第２の区分の前記区分周囲とほぼ同等の前記周囲を有する第２の電極とを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１の電極は、前記第１の区分における前記第１のアパーチャに対向する第３のアパーチャを備え、
   前記第２の電極は、前記第２の区分における前記第２のアパーチャに対向する第４のアパーチャを備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記試験質量の前記第１の区分上に配置された材料をさらに備え、前記材料は、前記第１の区分の前記第１の質量を前記第２の質量に対して増加させる、請求項１に記載の装置。
11. 前記センサはさらに、
    前記第１の端部に隣接する前記可動検知要素の表面から延びる第１の止め具であって、前記表面は前記基板に対向する、前記第１の止め具と、
    前記第２の端部に隣接する前記可動検知要素の前記表面から延びる第２の止め具と、を備え、
    前記第１および第２の止め具はそれぞれ、前記回転軸から実質的に同等の距離だけ変位している、請求項１に記載の装置。
12. 前記基板は、
    前記可動検知要素に対向する第１のコンタクト・プレートであって、前記第１の止め具は前記第１のコンタクト・プレートと選択的に接触可能である、前記第１のコンタクト・プレートと、
    前記可動検知要素に対向する第２のコンタクト・プレートであって、前記第２の止め具は前記第２のコンタクト・プレートと選択的に接触可能である、前記第２のコンタクト・プレートと、を備え、
    前記第１および第２の止め具は、前記第１および第２のコンタクト・プレートと実質的に同等な電位である、請求項１１に記載の装置。
13. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを製造する方法であって、
    基板を用意する工程と、
    前記基板上に静的伝導層を第１の電極および第２の電極を備えるように形成する工程であって、前記第１の電極は前記第２の電極から電気的に絶縁されている、工程と、
    前記第１の伝導層上に犠牲層を形成する工程と、
    前記第１の犠牲層上に可動要素を形成する工程であって、前記可動要素は、前記可動要素の第１および第２の端部間の幾何学的中心である回転軸に対する動きに対して適合されるとともに、前記回転軸と前記第１の端部との間の第１の区分と、前記回転軸と前記第２の端部との間の第２の区分とを形成する、工程と、
    前記可動要素の前記第１の区分を通って延びる第１のアパーチャを形成して、第１の質量を有する前記第１の区分を形成する工程と、
    前記可動要素の前記第２の区分を通って延びる第２のアパーチャを形成して、前記第１の質量よりも小さい第２の質量を有する前記第２の区分を形成する工程と、
    前記伝導層が前記可動要素から離れて配置されるように前記犠牲層を選択的に取り除き、前記第１の電極が前記第１のアパーチャに面して第２の電極が前記第２のアパーチャに対向するように前記伝導層を形成する工程と、を備える方法。
14. 前記第１のアパーチャを前記第１の区分の第１の遠位領域に渡って第１の構成で配置されるように形成する工程であって、前記第１の遠位領域は前記第１の端部に隣接して配置される、工程と、
    前記第２のアパーチャを前記第２の区分の第２の遠位領域に渡って第２の構成で配置されるように形成する工程であって、前記第２の遠位領域は前記第２の端部に隣接して配置され、前記第２の構成は前記第１の構成とは異なり、前記第１および第２の構成はそれぞれ、前記第１のアパーチャおよび前記第２のアパーチャの対応するもののサイズおよび数量を表す、工程とをさらに備える請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の電極を形成する前記工程は、前記第１の電極を、前記第１の遠位領域と対向する関係で位置決めする工程と、第３のアパーチャを前記第１の電極内に前記第２の構成で配置されるように形成する工程とを含み、
    前記第２の電極を形成する前記工程は、前記第２の電極を、前記第２の遠位領域と対向する関係で位置決めする工程と、第４のアパーチャを前記第１の電極内に前記第１の構成で配置されるように形成する工程とを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 第３のアパーチャを、前記第１の区分の第１の近位領域に渡って第３の構成で分配されるように形成する工程であって、前記第１の近位領域は前記回転軸に隣接して配置される、工程と、
    第４のアパーチャを、前記第２の区分の第２の近位領域に渡って前記第３の構成で分配されるように形成する工程であって、前記第２の近位領域は前記回転軸に隣接して配置され、前記第３および第４のアパーチャは、前記第１および第２の近位領域のうち対応するものに渡って、前記回転軸に対して前記第３の構成で実質的に対称的に分配される、工程と、をさらに備える請求項１３に記載の方法。
17. 基板と、
    前記基板に取り付けられた可動検知要素であって、前記可動検知要素は、前記可動検知要素の第１および第２の端部間の実質的に幾何学的中心である回転軸に対する動きに対して適合されるとともに、前記回転軸と前記第１の端部との間の第１の区分と、前記回転軸と前記第２の端部との間の第２の区分とを形成し、前記第１の区分は、第１の質量を有する前記第１の区分を形成するように前記可動検知要素を通って延びる第１のアパーチャを備え、前記第２の区分は、前記第１の質量より小さい第２の質量を有する前記第２の区分を形成するように前記可動検知要素を通って延びる第２のアパーチャを備え、前記第１のアパーチャは前記第１の区分において第１の構成で配置され、前記第２のアパーチャは前記第２の区分において第２の構成で配置され、前記第２の構成は前記第１の構成とは異なり、前記第１および第２の構成の各々は、前記第１のアパーチャおよび前記第２のアパーチャの対応するもののサイズおよび数量を表す、前記可動検知要素と、
    前記第１の端部に隣接する前記可動検知要素の前記表面から延びる第１の止め具と、
    前記第２の端部に隣接する前記可動検知要素の前記表面から延びる第２の止め具であって、前記第１および第２の止め具の各々は、前記回転軸から実質的に同等の距離だけ変位している、前記第２の止め具と、
    前記基板上に位置し前記可動要素の前記第１および第２の区分に対向する少なくとも一つの電極と、を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ。
18. 前記少なくとも一つの電極は、
    前記第１の区分に対向する第１の電極であって、前記第２の構成で配置され前記第１のアパーチャに対向する第３のアパーチャを有する第１の電極と、
    前記第２の遠位領域に対向する第２の電極であって、前記第１の構成で配置され前記第２のアパーチャに対向する第４のアパーチャを有する第２の電極とを備える、請求項１７に記載のセンサ。
19. 前記第１の区分は、前記回転軸に隣接して配置される第１の近位領域と、前記第１の端部に隣接して配置される第１の遠位領域とを備え、前記第２の区分は、前記回転軸に隣接して配置される第２の近位領域と、前記第２の端部に隣接して配置される第２の遠位領域とを備え、
    前記第１の近位領域に対向する第１の検知電極と、
    前記第２の近位領域に対向する第２の検知電極であって、前記第１および第２の検知電極は、前記回転軸に対して実質的に対称的に配置される、前記第２の検知電極と、
    前記第１の遠位領域に対向する第１の駆動電極と、
    前記第２の遠位領域に対向する第２の駆動電極であって、前記第１および第２の駆動電極は、前記回転軸に対して実質的に対称的に配置される、前記第２の駆動電極と、を備える請求項１７に記載の装置。
20. 前記少なくとも一つの電極は、
    前記第１の区分に面して前記第１の区分の区分周囲とほぼ同等の周囲を有する第１の電極であって、前記第１の区分における前記第１のアパーチャに対向する第３のアパーチャを備える前記第１の電極と、
    前記第２の区分に面して前記第２の区分の前記区分周囲とほぼ同等の前記周囲を有する第２の電極であって、前記第２の区分における前記第２のアパーチャに対向する第４のアパーチャを備える前記第２の電極とを備える、請求項１７に記載の装置。

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