JP2013508705A - 面内ピエゾ抵抗検出センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、一方向（Ｙ１）に沿った向きの変位を測定するための面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスであって、基板に対して懸架された振動質量（２０２）であって、前記基板の面に垂直な軸（Ｚ）周りに旋回可能な振動質量（２０２）と、振動質量（２０２）及び基板に機械的に接続された少なくとも一つのピエゾ抵抗歪みゲージとを備え、ピエゾ歪みゲージ（８）が振動質量の厚さよりも小さな厚さを有し、ピエゾ抵抗歪みゲージ（８）の軸（Ｙ）が、振動質量（２０２）の旋回軸（Ｚ）及び重心（Ｇ）を含む面に直交していて、該面が、測定される方向（Ｙ１）に直交している、面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスに関する。

Description

本発明は面内ピエゾ抵抗検出センサに関する。

本発明の分野は特に、マイクロ／ナノセンサ、加速度計、及び慣性センサの分野である。

センサは、振動質量（ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｓｓ）又は可動質量の変位の感知軸が基板に平行な面内に位置する場合に、面内と称され、振動質量が基板に垂直な方向に沿って変位している面外センサとは対照的である。

フィンガーが設けられた懸架振動質量を備えたＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム，ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）又はＮＥＭＳ（ナノ電気機械システム，ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）加速度計が存在しており、そのフィンガーは、固定部が有するフィンガーとインターディジット（交互）に配置されている。フィンガー間のキャパシタンスの変化が測定されて、質量の変位を決定することができ、質量の加速度を得ることができる。

こうしたシステムのサイズを減少させることが試みられているが、寸法を減少させることによって、システムの感度も減少する傾向にある。実際、構造は、慣性力に対して“相対的にかたく”なる傾向にある。

外力の影響下で変位するための振動質量（その質量に対する回転軸を形成する梁によって懸架されている）と、振動質量の変位を検出することができる一以上のピエゾ抵抗ゲージとを備えたタイプの加速度計も存在している。このような加速度計は、特許文献１及び非特許文献１において知られている。

これらの文献に記載されている加速度計は、ヒンジを形成する梁によって懸架された振動質量と、梁の両側に設けられてその梁に平行な二つのピエゾ抵抗ゲージとを備える。この加速度計は、構造の面内にあり梁に直交する加速度を測定するためのものである。

しかしながら、この加速度計は感度が低い。

一方、この加速度計は、横加速、つまり梁の軸に平行な向きの加速に対して非常に敏感である。何故ならば、ピエゾ抵抗ゲージの感知軸がこの横方向に平行だからである。

米国特許出願公開第２００７／００８４０４１号明細書

Ｅ．Ｊｅｓｐｅｒ Ｅｋｌｕｎｄ、Ａ．Ｍ．Ｓｈｋｅｌ、"Ｓｉｎｇｌｅ‐ｍａｓｋ ＳＯＩ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｏｎ‐ｃｈｉｐ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ"、Ｓｅｎｓｏｒｓ、２００５ ＩＥＥＥ、２００５年１０月３０日〜１１月３日、ｐ．６５６−６５９

従って、本発明の課題の一つは、横変位に対する感度の減少を提供する一方で感知面内におけるピエゾ抵抗検出が増強されたデバイスを提供することである。

上述の課題は、デバイス面に直交する軸の旋回接続部を形成する少なくとも一つの梁によって懸架された振動質量であって、その軸周りに面内に変位可能な振動質量と、少なくとも一つのピエゾ抵抗ゲージとを備えた面内ピエゾ抵抗検出デバイスによって解決される。ゲージは、振動質量の厚さよりも減少した厚さを有し、振動質量の旋回接続軸及び重心を接続する軸は、測定される加速度の方向に垂直であり、ゲージの軸は、振動質量の旋回接続軸及び重心を接続する軸に垂直である。

ピエゾ抵抗ゲージの厚さの減少は、応力を集中させて、感度を増大させることを可能にする。更に、ピエゾ抵抗ゲージが非常に低い曲げ感度を有しているので、ゲージの特定の構成は、横変位に対する非常に低い感度をデバイスに付与する。この横加速に対する非常に低い感度は、振動質量の回転軸及び振動質量の重心の特定の構成によって更に増強される。

本発明の主題は、主に、一方向に沿った向きの変位を測定するための面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスであり、そのデバイスは、基板に対して懸架された振動質量であって、基板面に垂直な軸周りに旋回可能な振動質量と、振動質量と基板との間に懸架されていて、その一端が振動質量に対して、他端が基板に固定された埋め込みパッドに対して機械的及び電気的に直接接続された少なくとも一つのピエゾ抵抗歪みゲージとを備え、振動質量は少なくとも一つの梁によって基板に対して懸架されて、少なくとも一つの梁は、ゲージが基板に接続される領域とは別の領域において基板に接続され、ピエゾ抵抗ゲージは、振動質量の厚さよりも小さな厚さを有し、ピエゾ抵抗ゲージの軸は、振動質量の旋回軸及び重心を含む面に直交して、その面は、測定される変位の方向に直交して、つまり、ゲージの軸は、検出される加速度の方向に平行である。

特に有利には、ピエゾ抵抗ゲージと振動質量との間の機械接続部は、重心及び旋回軸を含む面の上に又はその面に可能な限り近く配置される。

例えば、振動質量は、振動質量に接続されるゲージの端部を収容する凹部を備え、そのゲージの端部は凹部の底に接続され、その凹部の底は、重心及び旋回軸を含む面内に、又はその面に可能な限り近く配置される。

有利には、振動質量は、ピエゾ抵抗ゲージとの接続部において面内テーパ状領域を備えるように設けられ得る。

振動質量の厚さ及びピエゾ抵抗ゲージの厚さは、有利には、数十μｍから数百μｍの間である。

旋回軸及び重心を含む面は、振動質量を懸架する手段に対する対称面を有利に形成する。

例えば、振動質量を懸架されたままに保ち且つその質量の回転軸を有する手段は、ピエゾ抵抗ゲージの厚さ以上であり且つ振動質量の厚さ未満の厚さを有する少なくとも一つの梁を備える。

一つの有利な例では、振動質量を懸架されたままに保ち且つその質量の回転軸を有する手段の少なくとも一つの梁は、基板面に平行な重心を含む面内に実質的に設けられる。

他の例示的な実施形態では、振動質量を懸架されたままに保ち且つその質量の回転軸を有する手段は、振動質量の厚さに等しい厚さを有する少なくとも一つの梁を備える。

その振動質量を懸架されたままに保ち且つその質量の回転軸を有する手段は、二つの別の点において基板に固定され且つ旋回軸が通る一点において振動質量に固定された実質的に同じ長さの二つの梁を備える。

本発明に係る面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスは、前記面に対して対称な差動装置として取り付けられた二つのピエゾ抵抗ゲージを有利に備えることができる。差動装置として取り付けられた両ピエゾゲージの取り付けは、ホイートストンハーフブリッジの取り付けと関連付けられている。

本発明の他の主題は、本発明に係る面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスの製造方法であり、本方法は、
‐ 少なくとも一つのピエゾ抵抗ゲージを形成し且つ第一の厚さを有する第一の薄い領域を形成するステップと、
‐ 少なくとも一つの振動質量を形成し且つ第一の厚さよりも大きな第二の厚さを有する第二の厚い領域を形成するステップとを備える。

第一の薄い領域は、半導体層内部に第二の犠牲層の一部分を形成するステップと、その部分及び第一の犠牲層をエッチングするステップとによって形成可能である。

半導体層内部に第二の犠牲層の一部分を形成するステップは、
‐ 第一の犠牲層上に位置する第一の半導体層をエッチングするステップと、
‐ 第二の犠牲層を堆積及びエッチングして前記一部分を形成するステップと、
‐ 半導体、導体、又は絶縁体の第二の層を形成するステップとを備えることができる。

一つの例示的実施形態では、半導体の第二の層の形成は、エピタキシャル成長によって達成される。

他の例示的実施形態では、半導体の第二の層は多結晶半導体である。

或る厚さを有するヒンジ領域と称される第三の領域の形成するステップが、第一の領域を形成するステップと第二の領域を形成するステップとの間に生じ得る。

例えば、第一の領域及び第三の領域は、互いに独立したエッチングステップによって得られる。第三の領域のエッチングは、第一及び第二の領域のエッチング前に、例えばＤＲＩＥで行われ得る。

本発明は、以下の説明及び添付図面によってより良く理解されるものである。

本発明に係るデバイスの第一の実施形態の平面図である。 本発明に係るデバイスの第一の実施形態の側面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの代替デバイスの平面図である。 本発明に係る面内検出デバイスの第二の有利な実施形態の第一例の平面図である。 本発明に係る検出デバイスの第二の実施形態の第二例の平面図である。 図５は、図４のデバイスの代替例の側面図であり、ヒンジの厚さが振動質量の厚さに対して減少している。図５’は、図５のデバイスの代替例である。 第二の実施形態に係る測定デバイスの平面図であり、ピエゾ抵抗ゲージが差動装置として取り付けられている。 ホイートストンブリッジを取り付けた差動ピエゾ抵抗ゲージが設けられた第二の実施形態に係る測定デバイスの平面図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第一の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 本発明に係るデバイスを製造するための第二の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 質量の厚さに対して厚さの減少したヒンジを作製することを可能にする本発明に係るデバイスを製造するための第三の例示的な方法のステップの概略図である。 第二の実施形態を実現するための他の例の平面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに、本発明に係るデバイスの第一の例示的な実施形態を見て取ることができる。

ピエゾ抵抗ゲージ検出デバイスＤ１は、外部歪みの影響下、例えば加速度計の場合の加速の影響下において動かされる振動質量２を備える。方向Ｙ１に平行な加速度が測定される。

振動質量２は、基板７に固定された埋め込みパッド６に接続された梁４を用いて、基板７の上方に懸架される。梁４は、振動質量を基板７に実質的に平行に保つ。

また、デバイスＤ１は、軸Ｙを有する振動質量２と第二の埋め込みパッド１２との間の懸架梁タイプのピエゾ抵抗歪みゲージ８も備える。ゲージ８の軸Ｙは、ゲージ８の最大寸法の方向に延伸している。

梁４は縦軸Ｘを有する。梁４は、基板面に垂直な軸Ｚを有するヒンジ１１又は旋回接続部を形成し、その軸Ｚ周りで、振動質量は、加速の影響下において旋回する。基板面はＸＹと指称される。

軸Ｘ及び軸Ｚは、基板面に垂直な梁の対称面を形成し、より一般的には、基板に対して質量を懸架し及びヒンジで動かすための手段の対称面を形成する。振動質量２の重心Ｇは、面ＸＺ内に含まれる。デバイスは、軸Ｚ及び重心Ｇを含む面が方向Ｙ１に垂直になるように向けられる。

本発明によると、ゲージ８は、方向Ｙ１に平行で且つ旋回接続部１１の軸Ｚ及び重心Ｇを含む面に垂直な軸Ｙを有する。

以下、ピエゾ抵抗歪みゲージの動作を振り返る。ゲージがその軸に沿って変形し、その長さが変化すると、その電気抵抗も変化して、この抵抗の変化を測定することによって、振動質量の変位を導出することができて、外部加速度が求められる。電気抵抗の変化は、ゲージ８に電流を流すことによって測定される。

従って、本発明に係るゲージ８の配向に起因して、デバイスＤ１は、横変位、つまり方向Ｙ１に直交する方向に沿った変位に対してあまり敏感ではない。何故ならば、横変位は、ゲージ８があまり敏感ではない曲げ歪みをゲージ８に印加するからである。

更に、デバイスは、温度に対してもあまり敏感ではない。何故ならば、梁の伸長において、温度も、ゲージ８が敏感ではない曲げ歪みをゲージ８に印加するからである。

また、図１Ｂの断面図に見て取れるように、振動質量２は、ゲージ８の厚さＥ２よりも大きな厚さＥ１を有する。例えば、Ｅ１は数μｍから数十μｍの間（例えば５０μｍ）であり、Ｅ２は０．１μｍから０．５μｍの間である。

ヒンジ梁４は厚さＥ３を有し、図示されている例では、Ｅ３は、Ｅ１に等しいが、Ｅ２に等しく又はＥ２とＥ１との間であり得る。

ゲージ８の厚さの減少、つまりはその断面積の減少は、その減少した断面内に、振動質量２の変位に起因してゲージ８が受ける応力を集中させることを可能にして、検出デバイスＤ１の感度を増大させる。

製造方法に起因して、基板７に向き合うゲージ８の面は、基板７に向き合う振動質量２の面と同じ面内に位置する。

ゲージに一定の張力を印加し、ゲージを流れる電流の変化を測定して電流方向の測定を処理する手段（図示せず）も、デバイスＤ１に付随している。

図示されている例では、電流は、ゲージ８及びヒンジを介して、ゲージの埋め込みパッド１２と梁４の埋め込みパッド６との間を流れる。

一代替例では、二つの直列に電気接続されたストランドによって形成されたゲージが使用可能であり、測定される電流は、第一の接触ストランドにおいて接地部に向かう一方向に流れ、第二のストランドにおいて接地部からパッド１２に流れる。

本発明に係る構成は、レバー効果を提供するという利点を有し、旋回軸Ｚ及び重心Ｇを接続する軸がレバーとして機能し、旋回軸Ｚ周りに旋回する。重心Ｇに印加される歪みは、振動質量２に対するゲージ８のアンカー部におけるレバー効果によって増幅される。従って、小さな加速度も検出可能となる。

以下、本検出デバイスの動作を説明する。

デバイスＤ１は、加速度を測定したい環境内に提供され、例えば、加速度を測定したい物体に取り付けられる。ゲージ８の配向は、ピエゾ抵抗ゲージ８の軸Ｙが測定される加速度の方向と平行になるようにされる。

環境がそのような加速度を経験すると、振動質量２は、矢印Ｆ１の方向又は矢印Ｆ２の方向において軸Ｚ周りに動く。振動質量２のこの変位は、ピエゾ抵抗ゲージ８に応力を印加し、その応力は、変位が方向Ｆ１における場合には引っ張り応力であり、変位が方向Ｆ２における場合には圧縮応力である。

ゲージ８に印加される応力は、ゲージの電気抵抗の変化を生じさせて、これは、ゲージを流れる電流の変化として測定される。この抵抗の変化は、振動質量２の変位の振幅を求め、それから、環境に印加された加速度の値を導出することを可能にする。

図２に、図１Ａ及び図１Ｂのデバイスの代替例を見て取ることができ、ヒンジ又は旋回接続部は、面内においてフレキシブルな単一の梁４によって設けられているのではなく、面内においてフレキシブルな二つの梁４．１及び４．２によって設けられていて、それらの梁の一端は、二つの別々の点においてパッド６に接続され、他方の端は、共通の点において振動質量２に接続されていて、振動質量２に対する共通の取り付け点において旋回軸Ｚを形成している。この構成は、軸Ｚ周りの振動質量２の純回転又はほぼ純回転が得られるという有利な効果を有する。

デバイスＤ２の動作はデバイスＤ１の動作と同一である。

図３に、本発明に係る検出デバイスＤ３の特に有利な第二の実施形態を見て取ることができる。

本実施形態では、振動質量１０２と一体の歪みゲージ８の端部が、振動質量１０２の旋回軸Ｚ及び重心Ｇを通過する軸Ｘ上において、振動質量１０２に接続されている。

この構成は、振動質量１０２の変位によって印加される全て又はほぼ全ての応力強度が、歪みゲージ８の軸Ｙに沿った変形に寄与するという利点を有する。実際、ゲージ８のアンカー部が、旋回接続部及び重心Ｇを通過する軸に対してずらされている場合、第一の実施形態の場合のように、変形応力の一部は、ゲージに対して圧縮又は引っ張り応力と組み合わさった曲げ応力を付与するが、この曲げ応力は、ピエゾ抵抗ゲージ８の電気抵抗の変化にほとんど又は全く寄与しない。

図３に示される例では、振動質量１０２は、ゲージ８側における、その側面１０２．１に凹部１４を備え、その凹部が軸Ｘと整列された底部１６を備えているので、ゲージ８を凹部１４の底部１６において振動質量１０２に接続することを可能にする。軸Ｚを有する旋回接続部が、デバイスＤ２のように、互いに向けて傾斜した二つの梁によって設けられる。

このような凹部を備えるがその底部が軸Ｘに整列されていない振動質量は、本発明の範囲から逸脱するものではなく、ゲージと質量との間の接続を軸Ｘのより近くにすることができる。

図４に、第二の実施形態に係る第二の例示的な検出デバイスＤ４を見て取ることができ、振動質量１０２の形状が変更されている。

本例では、振動質量２０２は、大きな幅を有する第一の平行六面体部分１８と、大きい方の底辺が第一の部分の辺と共通の第二の台形部分２０と、一方が旋回手段に接続され他方が歪みゲージ８に接続された第三の部分２２とを備える。この可動質量２０２は、軸Ｘに対して実質的に対称である。

第三の部分２２も平行六面体の形状であり、第二の部分の小さい方の底辺と同一の小さな幅を有し、凹部２４を備えていて、ゲージを、軸Ｘ上に又は可能な限り軸Ｘの近くに位置する箇所において振動質量に接続することを可能にする。凹部２４の深さは、図３のデバイスＤ３の凹部１４の深さに対して減少している。

振動質量２０２は一般的にはモノリシックであり、三つの部分への分割は、説明を単純にするためのものであって、工業的な実施を必ずしも表すものではない。

振動質量２０２とゲージ８との間の接続部における振動質量２０２のこのテーパ形状は、短いピエゾ抵抗ゲージ８を実現することを可能にする。実際、振動質量に対するゲージ８の接続領域をリリースすることによって、アンカーパッド１２をその領域により近づけて、より短いゲージを実現することができる。短いゲージの実現は、電気抵抗の減少したゲージを利用可能にして、測定ノイズを減少することを可能にする。

軸Ｚを有する旋回接続部は、デバイスＤ２のように、互いに向けて傾斜した二つの梁によって設けられる。

ゲージが接続される第三の部分２２は、振動質量２０２が基板に垂直で第三の部分２２に位置する軸周りに旋回せずに軸Ｚ周りに旋回するように、旋回接続部Ｚの剛性よりも高い剛性を有するように設けられる。

上述の例では、ヒンジ梁は、振動質量の厚さに等しい厚さを有していて、これは、横加速にあまり敏感ではなくて、また、ヒンジが質量と同時に作製されるので実施が簡単なデバイスを提供するという利点を有する。

図５に、Ｄ４に非常によく似たデバイスＤ５の断面図を見て取ることができるが、この場合、旋回接続部を形成する梁の厚さＥ３は、振動質量の厚さＥ１よりも小さくて、ゲージ８の厚さよりも大きい。

このヒンジの薄化は、デバイスの感度を更に増大させることを可能にする。

図５’に示される特に有利な例では、ヒンジは、減少した厚さＥ３を有し、基板面に平行で振動質量２０２の重心Ｇを含む面内に位置している。この構成は、横加速に対する感度を更に減少させることを可能にする。Ｅ３はゲージ８の厚さＥ２よりも小さくなり得る。

図６に、第二の実施形態に係る検出デバイスＤ６の他の例示的な実施形態を見て取ることができて、差動装置として取り付けられた二つのピエゾ抵抗ゲージ３０８、３０８’を備える。振動質量２０２は、この例では、テーパ形状を有するが、これは限定的なものではない。

ゲージは、軸Ｘに対して対称に設けられる。振動質量２０２は、軸に対称な二つの凹部３２４、３２４’が設けられた第三の部分３２２を備えて、両ゲージ３０８、３０８’が、可能な限り軸Ｘの近くにおいて振動質量２０２に接続されるようにする。両ゲージ３０８、３０８’の軸は、回転軸Ｚ及び重心Ｇを含む面に直交する。

第三の部分３２の寸法は、その剛性が軸Ｚ周りの旋回接続部の剛性よりも高くなるように選択される。

この差動取り付けは、温度変化の影響を取り除くことを可能にする。

図７に、検出デバイスＤ７の他の例示的な実施形態を見て取ることができ、ホイートストンブリッジ取り付け、より正確にはホイートストンハーフブリッジに付随した差動装置として取り付けられたピエゾ抵抗ゲージ４０８、４０８’を備える。

ゲージ４０８’の抵抗は、Ｒ＋ｄＲと表され、ゲージ４０８の抵抗はＲ−ｄＲと表される。実際、両ゲージ４０８、４０８’の抵抗は逆に変化する。

電圧Ｖ_ｅが印加されて、電圧Ｖ_ｓが点Ａと点Ｂとの間で測定されるが、点Ｂは、この場合、軸Ｚ周りの旋回接続部を形成する梁を固定するためにパッド６上に位置して、両ゲージ４０８、４０８’の接続点と同じ電位にある。

他の抵抗は値Ｒを有する。

ミルマンの定理を適用すると、
Ｖ_出力＝（Ｖ_入力／２）（ｄＲ／Ｒ）
と得られる。

これから、
ｄＲ＝２Ｒ（Ｖ_出力／Ｖ_入力）
と導出される。

この振動質量２０２の変位に起因する抵抗の変化の測定から、デバイスが受けた加速度を導出することができる。

ホイートストンブリッジの取り付けも為され得て、この場合、好ましくは、二つの差動取り付けピエゾ抵抗ゲージにそれぞれ付随した二つの可動質量が用いられる。

この取り付けは、本発明に係る検出デバイスの感度を更に増大させることを可能にする。

図示されている例では、質量は固体であり、これに凹部を設けることもできる。また、製造方法に応じて、質量をリリースするポートを設けることができる。

本発明によると、ピエゾ抵抗ゲージの断面積を減少させることによって、ピエゾ抵抗検出デバイスの感度に対する顕著な利得を得ることができる。

また、厚さの異なる振動質量及びピエゾ抵抗ゲージを作製することは、それらを分離して、別々に最適化することを可能にする。

更に、振動質量を懸架している梁とピエゾ抵抗ゲージを直角に配置することによって、加速度計の横感度が強力に制限される。

また、レバー効果によってゲージに印加される応力の増幅という利点が得られる。

更に、旋回軸及び重心を接続する軸の上に又は可能な限りその近くにピエゾ抵抗ゲージの領域を接続することで、変位による応力が、完全に又はほぼ完全に軸方向のものになる。

有利には、接続領域と、旋回軸及び重心を接続する軸との間の距離は１μｍのオーダである。例えば、長さ３００μｍ、幅２００μｍ及び厚さ１５μｍの質量と、長さ４μｍ、厚さ０．１５μｍ及び幅０．２５μｍのゲージとの場合、この距離は２μｍのオーダである。

以下、本発明に係るピエゾ抵抗検出デバイスの製造方法の例示的な実施形態をいくつか説明する。

図８Ａから図８Ｇに、本発明に係るデバイスの製造方法の第一の例の異なるステップを見て取ることができる。

まず、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板は、例えば、シリコン層２６と、厚さ１μｍのシリコン酸化物層（埋め込み酸化物）２８と、シリコン層３０（例えば、層２８の０．３倍の厚さを有する）とを備える。層２８は犠牲層を形成する。積層体は、Ｓｉ層３０を層２６及び２８の積層体上に移すことによっても作製可能であり、又は、層３０の堆積を層２８上に行うことができる。好ましくは、層３０は単結晶シリコン製である。

次に、フォトリソグラフィを行い、続いて、シリコン層３０をエッチングして、ピエゾ抵抗ゲージ８を形成し、基板との接触領域を画定する。エッチングは、ＳｉＯ_２層上で停止する（図８Ａ）。

図８Ｂに示される後続ステップ中に、ＳｉＯ_２層３２を、例えば厚さ０．３μｍで堆積して、障壁層を形成する。

次に、フォトリソグラフィを、ピエゾ抵抗ゲージを覆う層３２の部分３２．１を境界付けるために行う。次に、層３２のエッチングを行い、部分３２．１以外の層３２を除去する。基板との接触領域内のＳｉＯ_２もエッチングされる。ストリッピングを行って、エッチング及びマスク残留物を除去することができる。

図８Ｃに示される後続ステップ中に、Ｓｉ層３４の堆積を、Ｓｉ層３０上及びＳｉＯ_２部分３２．１上のエピタキシャル成長によって、行う。この層は、例えば２０μｍの厚さを有し、単結晶シリコン製の部分３４．１と、ＳｉＯ_２部分３４．１上の多結晶シリコン製の部分３４．２とを備える。層３４の自由表面の化学機械研磨を行って、部分３２．１によって導入された平面欠陥を除去することができる。

図８Ｄに示される後続ステップ中に、フォトリソグラフィを行って、コンタクトパッド３６の位置を画定する。そして、その位置のマスク部分の除去及びパッド３６の実装を行う。次に、アニーリングステップを行う。

図８Ｅに示される後続ステップ中に、電気コンタクト３８が設けられる金属層の堆積を行う。そして、パッド３６の上方の金属層を保護するこの層に対して、フォトリソグラフィを行う。金属層は、コンタクト３８のみを残して、エッチングされる。ストリッピングを行って、エッチング及びマスク残留物を除去することができる。

図８Ｆに示される後続ステップ中に、層３４を選択的にエッチングすることを可能にするための、特に、ピエゾ抵抗ゲージ上方の部分３４．１を除去して、マスクと、アンカーパッドと、層２６とのコンタクトを形成するためのフォトリソグラフィが行われる。そして、垂直エッチング４０を、例えばＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング，ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）によって、層３４の厚さ方向に、酸化物層２８及び酸化物部分３２．１まで行う。

そして、ストリッピングを行い、エッチング残留物を除去する。

図８Ｇに示される後続ステップ中に、例えば硫酸の液体及び／又は蒸気を用いて、酸化物層２８を除去することによって、振動質量２及びヒンジをリリースし、部分３２．１を除去することによって、ピエゾ抵抗ゲージ８をリリースする。これは時間をかけて行われるエッチングである。振動質量をリリースする一方でシステムの固定部分の下にいくらかの犠牲層を残すのに必要な時間にわたって、硫酸を、酸化物層２８及び酸化物と接触させたままにする。

図９Ａから図９Ｇに、本発明に係るピエゾ抵抗検出デバイスの他の例示的な製造方法を見て取ることができる。

まず、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板は、例えば、シリコン層１２６と、厚さ１μｍのシリコン酸化物層（埋め込み酸化物）１２８と、層１２８上のシリコン層１３０（例えば厚さ０．１５μｍ）とを備える。有利には、層１３０は単結晶Ｓｉである。

そして、フォトリソグラフィを行い、これに、シリコン１３０のエッチングが続き、ピエゾ抵抗ゲージ８を形成し、基板との接触領域を画定する。エッチングはＳｉＯ_２層上で停止する（図９Ａ）。

図９Ｂに示される後続ステップ中に、ＳｉＯ_２層３２の堆積が、例えば厚さ０．３μｍで行われ、障壁層を形成する。

次に、フォトリソグラフィが、ピエゾ抵抗ゲージを覆う層１３２の部分１３２．１を境界付けるために行われる。そして、層１３２のエッチングが行われ、部分１３２．１を残して層１３２を除去する。基板との接触領域のＳｉＯ_２もエッチングされる。ストリッピングを行って、エッチング及びマスク残留物を除去することができる。

図９Ｃに示される後続ステップ中に、多結晶Ｓｉ層１３４の堆積が、Ｓｉ層３０上及びＳｉＯ_２部分３２．１上に行われる。この層は例えば１５μｍの厚さを有する。層１３４の自由表面の化学機械研磨を行って、部分１３２．１によって導入された平面欠陥を除去することができる。層１３４は、導体又は絶縁体にもなり得る。実際、層１３４は層１３０と同じ物質製である必要はない。何故ならば、層１３４は質量及びヒンジを形成するために使用され、ゲージを形成するのには使用されないからである。絶縁体の場合、シリコン層１２６上に電気コンタクトをリカバーする更なるステップが提供される。

図９Ｄに示される後続ステップ中に、フォトリソグラフィが行われ、コンタクトパッド１３６の位置を画定する。そして、その位置におけるマスク部分の除去及びコンタクトパッド１３６の実装が行われる。そして、アニーリングステップが行われる。

図９Ｅに示される後続ステップ中に、電気コンタクト１３８が設けられる金属層の堆積が行われる。そして、フォトリソグラフィを、パッド１３６上方の金属層を保護するこの層に対して行う。金属層が、コンタクト１３８のみを残して、エッチングされる。ストリッピングを行って、エッチング及びマスク残留物を除去することができる。

図９Ｆに示される後続ステップ中に、層１３４を選択的にエッチングすることを可能にするための、特にピエゾ抵抗ゲージ上方の部分を除去して、質量と、アンカーパッドと、層１２６とのコンタクトとを形成するためのフォトリソグラフィが行われる。そして、垂直エッチング１４０が、例えばＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング）によって、層１３４の厚さ方向において、酸化物層１２８及び酸化物部分１３２．１まで行われる。

次に、ストリッピングを行って、エッチング残留物を除去する。

図９Ｇに示される後続ステップ中に、例えば、硫酸の液体及び／又は蒸気を用いて、酸化物層１２８を除去することによって振動質量２及びヒンジがリリースされ、部分１３２．１を除去することによってピエゾ抵抗ゲージ８がリリースされる。これは時間をかけて行われるエッチングである。振動質量をリリースする一方でシステムの固定部分の下方にいくらかの犠牲層を残すのに必要な時間にわたって、硫酸を酸化物層１２８及び酸化物と接触させたままにする。

上述の例示的な方法では、振動質量の厚さに等しい厚さの旋回接続部を形成する一以上の梁が得られる。図１０Ａから図１０Ｇには、本発明に係るピエゾ抵抗検出デバイスの他の例示的な製造方法が概略的に示されていて、これは、図５のデバイスのように、振動質量の厚さよりも小さくてピエゾ抵抗ゲージの厚さよりは大きな厚さの旋回接続部を形成する一以上の梁を設けることを可能にする。１０Ａから１０Ｅのステップは、９Ａから９Ｅのステップと同様であり、９Ａから９Ｅのステップの上記説明が援用可能なので、以下で繰り返さない。

１０Ｆのステップでは、旋回接続部１１を形成するために、層１３４の全深さｈよりも小さな深さｐで多結晶シリコン層１３４を部分的に除去することを可能にするためのフォトリソグラフィを行う。層１３４のこの部分の除去は、例えばＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング）によって略５μｍの深さに対して得られる。これは、例えば、時間をかけて行われるエッチングである。

図１０Ｇに示される後続ステップ中に、例えば硫酸の液体及び／又は蒸気を用いて、酸化物層１２８を除去することによって振動質量２及びヒンジ１１がリリースされ、部分１３２．１を除去することによってピエゾ抵抗ゲージ８がリリースされる。これは時間をかけて行われるエッチングである。振動質量をリリースする一方でシステムの固定部分の下にいくらかの犠牲層を残すのに必要な時間にわたって、硫酸を酸化物層１２８及び酸化物に接触させたままにする。

図１１に、本発明に係る他の特に有利な例示的検出デバイスを見て取ることができる。

この実施例では、歪みゲージ８は、懸架アーム４２によってアンカーパッド１２に接続されて、その懸架アームは、アンカーパッド１２上に固定される。アンカーパッド１２は、振動質量２のアンカーパッド６の近くに配置される。

懸架アーム４２は、測定される加速度の方向、つまり軸Ｙの方向に高い剛性を提供する。

このゲージ８のアンカーパッド１２と振動質量２のアンカーパッド６との近い配置は、両アンカー部２、１２の間の異なる膨張を制限して、外部機械応力及び温度の関数としての加速度のドリフトを制限することを可能にする。

懸架アーム４２は振動質量２と同時に作製される。図１１に見られる孔は、他の実施例と同様に、振動質量及び懸架アームをリリースすることを可能にするためのものである。

２ 振動質量
４ 梁
６ パッド
７ 基板
８ ピエゾ抵抗歪みゲージ
１１ 旋回接続部
１２ パッド

Claims (21)

1. 一方向（Ｙ１）に沿った向きの変位を測定するための面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスであって、基板（７）に対して懸架された振動質量（２、１０２、２０２）であって、前記基板（７）の面（ＸＹ）に垂直な軸（Ｚ）周りに旋回可能な振動質量（２、１０２、２０２）と、前記振動質量と前記基板（７）との間に懸架されていて、一端が前記振動質量（２）に対して、他端が前記基板に固定された埋め込みパッド（６）に対して機械的及び電気的に直接接続された少なくとも一つのピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）とを備え、前記振動質量（２、１０２、２０２）が少なくとも一つの梁によって基板に対して懸架されていて、前記少なくとも一つの梁が、前記ピエゾ抵抗歪みゲージが前記基板に接続されている領域とは別の領域において前記基板に接続されていて、前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）が前記振動質量（２、１０２、２０２）の厚さ（Ｅ１）よりも小さな厚さ（Ｅ２）を有し、前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）の軸（Ｙ）が前記振動質量（２、１０２、２０２）の旋回軸（Ｚ）及び重心（Ｇ）を含む面（ＸＺ）に直交していて、該面（ＸＺ）が、測定される変位の方向（Ｙ１）に直交している、面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
2. 前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）と前記振動質量（２、１０２、２０２）との間の機械接続部が、前記重心（Ｇ）及び前記旋回軸（Ｚ）を含む前記面（ＸＺ）の上に又は該面（ＸＺ）の可能な限り近くに配置されている、請求項１に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
3. 前記振動質量（２、１０２、２０２）が、前記振動質量（２、１０２、２０２）に接続される前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）の端部を収容する凹部を備え、前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）の端部が前記凹部の底に接続されていて、前記凹部の底が、前記重心（Ｇ）及び前記旋回軸（Ｚ）を含む前記面の上に又は該面の可能な限り近くに配置されている、請求項２に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
4. 前記振動質量（２０２）が、前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）との接続部において面内テーパ状領域を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
5. 前記振動質量（２、１０２、２０２）の厚さ（Ｅ１）が数十μｍのオーダであり、前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８、３０８、３０８’、４０８、４０８’）の厚さ（Ｅ２）が数μｍのオーダである、請求項１から４のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
6. 前記旋回軸（Ｚ）及び前記重心（Ｇ）を含む前記面（ＸＺ）が、前記振動質量を懸架する手段に対する対称面を形成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
7. 前記振動質量（２、１０２、２０２）を懸架されたままに保ち且つ前記振動質量の回転軸を有する手段が、前記ピエゾ抵抗歪みゲージの厚さ（Ｅ２）以上であって前記振動質量の厚さ（Ｅ１）未満の厚さ（Ｅ３）を有する少なくとも一つの梁を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
8. 前記振動質量を懸架されたままに保ち且つ前記振動質量の回転軸を有する手段が、前記基板（７）の面（ＸＹ）に平行な前記重心を含む面内に実質的に設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
9. 前記振動質量（２、１０２、２０２）を懸架されたままに保ち且つ前記振動質量の回転軸を有する手段が、前記振動質量（２）の厚さ（Ｅ１）に等しい厚さ（Ｅ３）を有する少なくとも一つの梁を備える、請求項６と組み合わせて請求項１から９のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
10. 前記手段が、二つの別の点において前記基板（７）に固定されていて且つ前記旋回軸（Ｚ）が通過る一点において前記振動質量（２、１０２、２０２）に固定された実質的に同じ長さの二つの梁を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
11. 前記面に対して対称な差動装置として取り付けらえた二つのピエゾ抵抗歪みゲージ（３０８、３０８’、４０８、４０８’）を備えた請求項１から１０のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
12. 差動装置として取り付けられた前記二つのピエゾ抵抗歪みゲージ（４０８、４０８’）の取り付けが、ホイートストンハーフブリッジの取り付けと関連付けられている、請求項１１に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
13. 電流が、前記軸（Ｚ）周りに前記基板に対して、前記ピエゾ抵抗歪みゲージ（８）及び前記振動質量のヒンジ（１１）を介して、前記少なくとも一つのピエゾ抵抗歪みゲージ（８）の埋め込みパッド（１２）と前記梁の埋め込みパッド（６）との間を流れる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイス。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の面内ＭＥＭＳ又はＮＥＭＳ検出デバイスを製造するための方法であって、
    少なくとも一つのピエゾ抵抗ゲージを形成し且つ第一の厚さ（Ｅ２）を有する第一の薄い領域を形成するステップと、
    少なくとも一つの振動質量を形成し且つ第一よりも大きな前記第一の厚さ（Ｅ２）よりも大きな第二の厚さ（Ｅ１）を有する第二の厚い領域を形成するステップとを備えた方法。
15. 前記第一の薄い領域が、半導体層（２２）内部に第二の犠牲層の一部分を形成するステップ、及び、該一部分及び第一の犠牲層をエッチングするステップによって形成される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記半導体層（２２）内部に第二の犠牲層の一部分を形成するステップが、
    前記第一の犠牲層上に位置する第一の半導体層をエッチングするステップと、
    前記第二の犠牲層を堆積及びエッチングして前記一部分を形成するステップと、
    半導体、導体又は絶縁体の第二の層を形成するステップとを備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記一部分上に半導体の前記第二の層を形成することが、半導体のエピタキシャル成長によって達成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第二の層が多結晶半導体である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第一の領域の厚さと前記第二の領域の厚さの間の厚さを有するヒンジ領域と称される第三の領域を形成するステップを更に備えた請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記第一の領域及び前記第三の領域が互いに独立なエッチングステップによって得られる、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第三の領域のエッチングが、前記第一の領域及び前記第二の領域のエッチング前に、例えばＤＲＩＥによって行われる、請求項２０に記載の方法。

Images