JP2013525747A - ピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子および相応の測定方法 - Google Patents

ピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子および相応の測定方法 Download PDF

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Abstract

基板（１）と、基板に変位可能に懸架されたサイズモ質量体（３）と、基板とサイズモ質量体の間に設けられた少なくとも１つのピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）と、測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’，Ｍ１’’）とを有するピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子において、
ピエゾ抵抗性の梁は、サイズモ質量体の変位時に抵抗変化し、
ピエゾ抵抗性の梁は、側面および／または表面および／または裏面の導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）を有しており、
導体路は、ピエゾ抵抗性の梁を少なくとも部分的に覆っており、基板の領域の中まで延在しており、
測定装置は、基板および導体路に電気的に接続されており、抵抗変化を測定するために、基板からピエゾ抵抗性の梁を通って延在し、かつ、ピエゾ抵抗性の梁から導体路を通って延在する回路経路によって構成されている、
ことを特徴とするセンサ構成素子。

Description

本発明は、ピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子および相応の測定方法に関する。
本発明ならびに本発明の基礎となる課題は、任意のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子に適用可能であるが、以下ではピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサに関連させて説明する。
今日の加速度センサは、通常は静電容量によって評価される。しかしながら同様にピエゾ抵抗による評価も実施されており、このようなピエゾ抵抗による評価は、一層の小型化が図られているという点からより大きな可能性を示している。本願ではピエゾ抵抗型加速度センサと呼んでいる、ピエゾ抵抗によって評価される加速度センサの場合には、原則的に以下の２つのバリエーションを区別することができる。
一方のバリエーションは構造化されたドーピングであり、この場合にはピエゾ抵抗は、撓み梁上において変位時に最大機械的張力が生じる箇所にドーピングがなされる。
他方のバリエーションは均一なドーピングであり、この場合には、均一にドーピングされた撓み梁全体が評価のために用いられる。このためには梁において均一に分布した機械的張力が必要である。均一なドーピングの場合には撓み梁全体が評価のために利用されるので、均一なドーピングは小型化の観点から有利である。
刊行物『J. Micromech. Microeng. 15』（Schusen Huang et al.）２００５年、９９３−１０００頁から、均一にドーピングされた撓み梁を有するピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサが公知である。
図６は、上記公知のピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサの斜視図である。
図６では、参照符号１が基板を表しており、基板１の上には犠牲酸化物層Ｓ１とカバー層Ｓ２とが設けられている。カバー層Ｓ２からサイズモ質量体３が構造化されており、サイズモ質量体３は、ドーピングされていない撓み梁Ｂを介して基板１に係留されている。サイズモ質量体３の先端には、サイズモ質量体３を過大変位から保護するストッパー３０が設けられている。サイズモ質量体３と撓み梁Ｂの下には、空洞部Ｋが存在している。
撓み梁Ｂの隣では、サイズモ質量体３が、均一にドーピングされた２つのピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２を介して基板に接続されている。基板平面にてサイズモ質量体３が変位した時の、ピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２の抵抗変化を検出するために、金属被覆領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５が設けられている。これらの金属被覆領域は、ハーフブリッジ評価が可能となるよう、ピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２に接続されている。
当該構造では、サイズモ質量体３から基板１への信号フィードバックのために、ピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２に加えて付加的に撓み梁Ｂが必要不可欠となっている。しかしながらその他に前提となる要求が同じ場合には、この付加的な撓み梁Ｂのせいで機械的感度が減少し、および／または、必要とされるトレンチに関する工程コストが増加してしまう。とりわけ梁ＰＲ１，梁Ｂ，梁ＰＲ２の間にはできるだけ狭いアイソレーショントレンチ（ＳＴＩ）が必要であり、これが工程コストの増加となっている。
請求項１に記載の本発明のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子、および、請求項１１に記載の本発明の相応の方法は、公知の解決アプローチに比べてより簡単かつ低コストの構造が可能になるという利点を有しており、この構造によって一層の小型化が可能となる。
本発明の基礎となる技術思想は、１つまたは複数のピエゾ抵抗性の梁の表面における測定信号の電気的フィードバックのために、構造化された導体路層、例えば金属層を使用することにある。
本発明のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子における電気的評価も、種々の利点と結びついている。ピエゾ抵抗性の梁の表面に設けられた導体路ないしフィードバック線路は、ドーピングされた梁におけるフィードバック線路に比べて寄生抵抗が少ない。抵抗変化を、それぞれのピエゾ抵抗性の梁において別個に評価することができる。これによって無電流の電圧測定（３点測定および４点測定）が可能となり、これによって線路の寄生抵抗が測定結果を阻害することがなくなる。電気的分離によって、電流ミラーに基づいた簡単な差分評価回路が可能となる。このような評価方法は、回路におけるパラメータ変化に対して非感受性である。
技術的な利点として、感度が変わらない場合、梁と梁の間のアイソレーショントレンチをより広く形成することが可能となる。これによって均一なドーピングに基づいたピエゾ抵抗性加速度センサを、技術的により容易に実現することができる。
従属請求項には、本発明の各対象に関する有利な実施形態と改善策とが示されている。
１つの有利な実施形態によれば、サイズモ質量体が、１つないし複数のピエゾ抵抗性の梁を介して基板に懸架されている。これによって、機械的な懸架構造全体を検出ないし評価のために使用することができるという利点が得られる。可能な限り小型のサイズモ質量体に基づき、より高い機械的感度ないし面積利得が可能となる。
別の１つの有利な実施形態によれば、サイズモ質量体が接続梁を介して基板に懸架されており、当該接続梁と基板の間にピエゾ抵抗性の梁が設けられている。これによってデザインの自由度が格段に増加する。
本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示す。 図２ａ−ｃは、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態の図１のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の、線Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’に沿った断面図を示す。 図３は、本発明の第２の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示す。 図４は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第１の実施形態を説明するための第１の測定装置を示す図である。 図５は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第２の実施形態を説明するための第２の測定装置を示す。 図６は、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態の公知のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の斜視図を示す。
図中における同一の参照番号は、同一の構成部材または機能的に等しい構成部材を表す。
図１は、本発明の第１の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示し、図２ａ−ｃは、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態の図１のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の、線Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’に沿った断面図を示す。
図１において参照符号５は、ピエゾ抵抗式マイクロメカニカル加速度センサを表す。基板１からサイズモ質量体３に向かって、均一にドーピングされた２つのピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂが延在しており、サイズモ質量体３はこれらの梁１ａ，１ｂを介して基板１に接続されている。梁１ａ，１ｂおよびサイズモ質量体３の下には空洞部Ｋが存在している。
ピエゾ抵抗性の梁１ａと１ｂの間にあるアイソレーショントレンチＧは、シャローアイソレーショントレンチ（ＳＴＩ）として構成することもできる。これによって梁１ａ，１ｂを回転点のより近傍に取り付けることができ、これによってクランク作用が強化される。
ｘｙ平面（基板平面）においてサイズモ質量体３の重心点６に作用する加速度は、梁１ａの圧縮および梁１ｂの伸張を生じさせる、ないしは、梁１ａの伸張および梁１ｂの圧縮を生じさせる。この際、梁１ａ，１ｂの均一なピエゾ抵抗性のドーピングにより、これらの梁の電気抵抗が変化する。この抵抗変化は測定装置Ｍ１、Ｍ２によって検出することができる。測定装置Ｍ１、Ｍ２は梁１ａ，１ｂのそれぞれの現在の抵抗値を検出し、この抵抗値はＲ１ａないしＲ１ｂで表されている。したがって検出された抵抗変化は、サイズモ質量体の均衡点からの、該サイズモ質量体３の変位を示す尺度となる。
この実施形態においては、上記の検出が双方のピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂに対してそれぞれ別個に行われ、このために基板１には電気的分離用のアイソレーショントレンチ１１ａが設けられている。
電気的に分離された基板１の２つの半分の部分は、その下に位置する基板１と機械的に接続する必要があるが、電気的には分離する必要がある（例えば、センサ全体の下に設けられる電気絶縁された犠牲層によって）ということにもさらに注意すべきである。エッチングの際にはサイズモ質量体と梁の下にある犠牲層は除去し、基板１の下にある犠牲層は残しておく必要がある。
抵抗変化を検出するために、基板１は、それぞれの梁１ａ，１ｂ、および、梁１ａ，１ｂの表面に設けられた各導体路２ａ，２ｂと、それぞれ直列接続されている。導体路２ａ，２ｂは、梁１ａ，１ｂの表面を部分的ないし完全に覆っており、この実施形態においては金属層から構造化されている。とりわけ各導体路２ａ，２ｂは、この実施形態においては、サイズモ質量体３から梁１ａ，１ｂの全体に亘って、基板１の領域の中まで延在している。基板１との短絡を阻止するために、基板１の領域にある導体路２ａ，２ｂの下には、導体路２ａ，２ｂと基板１とを電気的に絶縁させる絶縁層Ｉが設けられている。同様にして、導体路２ａ，２ｂと梁１ａ，１ｂの間にあるこの絶縁層Ｉは、導体路２ａ，２ｂと梁１ａ，１ｂとが電気的にコンタクトしている各コンタクト領域Ｋに至るまで設けられている。この絶縁層Ｉは、とりわけ図２ｂおよび２ｃに詳細に図示している。
測定装置Ｍ１ないしＭ２は、一方では、導線Ｌ１，Ｌ２とコンタクト部Ｋ１，Ｋ２とを介して基板１に接続されており、他方では、導線Ｌ３，Ｌ４とコンタクト部Ｋ３，Ｋ４とを介して導体路２ａ、２ｂに接続されている。
この実施形態では、ピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂの抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの抵抗変化がそれぞれ別個に評価されるが、上に述べたように例えば図６と同じようにハーフブリッジ回路において梁１ａと１ｂを一緒に評価することも可能である。所要の安定基準を満たすことが可能であれば、ピエゾ抵抗性の梁を１つだけ設けることも可能である。
さらには、個々の１つのピエゾ抵抗性の梁の上に複数のフィードバック線路を設けることができ、これらのフィードバック線路は別個に評価される。
図３は、本発明の第２の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置５’の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示す。
図３に図示する第２の実施形態では、ドーピングされていない撓み梁７が設けられており、この撓み梁７はサイズモ質量体３と基板１とを接続している。この場合、均一にドーピングされたピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂ’は、基板１とサイズモ質量体３との間に設けられているのではなく、基板１と撓み梁７との間に設けられている。このように、ピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂ’を撓み梁７に対して角度α（ここでは９０°）で取り付ける形態によって、幾何形状の自由度がより高くなり、例えばサイズモ質量体３の重心点６と基板１の取り付け点との間の距離（クランクアーム長さ）が変わらない場合でも、梁１ａ，１ｂの長さを変更させることが可能となる。
もちろんこの角度αは９０°に限定されているわけではなく、自由に選択することができる。梁１ａ’，１ｂ’は必ずしも同一の角度αを有する必要はない。
ピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂ’の上に設けられた導体路２ａ’，２ｂ’は、図１の第１の実施形態と同じように構成されており、図１の関連において既に説明したように、ピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂの抵抗変化の評価を可能にしている。第１の実施形態と同じように、絶縁層Ｉは、導体路２ａ’，２ｂ’と梁１ａ’，１ｂないし基板１との間にて、それぞれのコンタクト領域Ｋ’に至るまで設けられている。コンタクト領域Ｋ’では、導体路２ａ’，２ｂと梁１ａ’，１ｂとが電気的にコンタクトしている。
図４は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第１の実施形態を説明するための第１の測定装置を示す。
図４に図示した測定装置Ｍ１’は、４つのピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのフルブリッジ接続に基づいている。これらの梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは２つ１組で、接続ノードＪ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を介して、供給電位Ｕ０と基準電位ＲＥＦとの間に並列接続されている。抵抗変化を検出するために、接続ノードＪ３，Ｊ４において、サイズモ質量体３の変位時の抵抗変化に対する直接的な尺度となる電圧値Ｕ＋およびＵ−が取り出され、公知の方法で伝送される。
４つのピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを、ただ１つのサイズモ質量体３に設けるか、または、隣接配置された２つの加速度センサに亘って実現させることができ、この際には場合によって、対応する２つのサイズモ質量体同士を機械的に結合することもできる。
図５は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第２の実施形態を説明するための第２の測定装置を示す。
図５に図示された測定装置Ｍ’’は、シグマデルタ変調を用いた電流ミラー回路装置である。基準電圧ＶＲｅｆが印加されている差分増幅器１０は、ピエゾ抵抗性の梁１ａを介して降下する電圧が、常に基準電圧ＶＲｅｆと同じになるようにする。このことはトランジスタＴ１を相応に制御することによって行われる。トランジスタＴ１は別の１つのトランジスタＴ２と共に、ピエゾ抵抗性の梁１ａに対して直列に接続されている。ピエゾ抵抗性の梁１ａを通る電流Ｉは、供給電圧源ＶＤＤから出発して、トランジスタＴ２とトランジスタＴ１とを介して、ピエゾ抵抗性の梁１ａを通って、基準電圧源ＶＳＳ（通常はアース電位）へと流れるものである。当該枝路にて発生する電流は、ピエゾ抵抗性の梁１ａに接続されたサイズモ質量体３の変位に基づく該ピエゾ抵抗性の梁１ａの抵抗変化によって変化する。
別の１つの分岐は、直列接続されたトランジスタＴ３およびＴ５と、直列接続されたトランジスタＴ４およびＴ６とからなる。これらはそれぞれ電流ミラーとして接続されており、したがってそれぞれ対応する制御可能なスイッチＣが閉成されている場合には、ピエゾ抵抗性の梁１ａを流れる正の電流値がトランジスタＴ４を流れ、スイッチＣ’が閉成されている場合には、ピエゾ抵抗性の梁１ａを流れる負の電流値がトランジスタＴ６を流れる。
ロジック装置ＬはスイッチＣ，Ｃ’の閉成を交番的に制御し、閉成時にはそれぞれの電流が積分器２０において積分され、この電流の平均値はゼロである。スイッチＣ，Ｃ’のデューティ比はピエゾ抵抗性の梁を流れる電流Ｉを表しており、この電流Ｉは出力信号ＯＵＴ（Ｉ）として測定装置Ｍ１’’から伝送される。
以上、本発明を有利な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、多様に変更が可能である。
これら２つの実施形態では、導体路１ａ，１ｂないし１ａ’，１ｂ’は金属層から構造化されている。しかしながらこれらの梁を、高ドーピングされた半導体層またはその他の導体路層によって形成することも十分に可能である。
これまで本発明をピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサに関連させて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば回転速度センサや圧力センサ等のような他のピエゾ抵抗型マイクロメカニカル構成素子のために使用することも可能である。
本発明のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子は、これまでに示したｘｙ平面での検出方向を有する加速度センサの他に、ｚ方向における検出のために使用することも可能である。この場合には、導体路２ａ，２ｂは非対称の補強部であり、これによってｚ方向の加速度が作用する際に梁１ａ，１ｂに均一な機械的張力が生じる。この場合には、梁１ａ，１ｂにおいて機械的張力が調整されている。こうすることによって、フィードバックのためにただ１つの梁と１つの金属製導体路とを有するｚ方向の加速度センサを実現することができる。
原則的に、ｘｙｚ方向のセンサ構成素子は、１つまたは複数の側面の導体路と、１つまたは複数の表面および／または裏面の導体路とによって実現することができる。
本発明は、ピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子および相応の測定方法に関する。
本発明ならびに本発明の基礎となる課題は、任意のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子に適用可能であるが、以下ではピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサに関連させて説明する。
今日の加速度センサは、通常は静電容量によって評価される。しかしながら同様にピエゾ抵抗による評価も実施されており、このようなピエゾ抵抗による評価は、一層の小型化が図られているという点からより大きな可能性を示している。本願ではピエゾ抵抗型加速度センサと呼んでいる、ピエゾ抵抗によって評価される加速度センサの場合には、原則的に以下の２つのバリエーションを区別することができる。
一方のバリエーションは構造化されたドーピングであり、この場合にはピエゾ抵抗は、撓み梁上において変位時に最大機械的張力が生じる箇所にドーピングがなされる。
他方のバリエーションは均一なドーピングであり、この場合には、均一にドーピングされた撓み梁全体が評価のために用いられる。このためには梁において均一に分布した機械的張力が必要である。均一なドーピングの場合には撓み梁全体が評価のために利用されるので、均一なドーピングは小型化の観点から有利である。
刊行物『J. Micromech. Microeng. 15』（Schusen Huang et al.）２００５年、９９３−１０００頁から、均一にドーピングされた撓み梁を有するピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサが公知である。
図６は、上記公知のピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサの斜視図である。
図６では、参照符号１が基板を表しており、基板１の上には犠牲酸化物層Ｓ１とカバー層Ｓ２とが設けられている。カバー層Ｓ２からサイズモ質量体３が構造化されており、サイズモ質量体３は、ドーピングされていない撓み梁Ｂを介して基板１に係留されている。サイズモ質量体３の先端には、サイズモ質量体３を過大変位から保護するストッパー３０が設けられている。サイズモ質量体３と撓み梁Ｂの下には、空洞部Ｋａｖが存在している。
撓み梁Ｂの隣では、サイズモ質量体３が、均一にドーピングされた２つのピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２を介して基板に接続されている。基板平面にてサイズモ質量体３が変位した時の、ピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２の抵抗変化を検出するために、金属被覆領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５が設けられている。これらの金属被覆領域は、ハーフブリッジ評価が可能となるよう、ピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２に接続されている。
当該構造では、サイズモ質量体３から基板１への信号フィードバックのために、ピエゾ抵抗性の梁ＰＲ１，ＰＲ２に加えて付加的に撓み梁Ｂが必要不可欠となっている。しかしながらその他に前提となる要求が同じ場合には、この付加的な撓み梁Ｂのせいで機械的感度が減少し、および／または、必要とされるトレンチに関する工程コストが増加してしまう。とりわけ梁ＰＲ１，梁Ｂ，梁ＰＲ２の間にはできるだけ狭いアイソレーショントレンチ（ＳＴＩ）が必要であり、これが工程コストの増加となっている。
請求項１に記載の本発明のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子、および、請求項１１に記載の本発明の相応の方法は、公知の解決アプローチに比べてより簡単かつ低コストの構造が可能になるという利点を有しており、この構造によって一層の小型化が可能となる。
本発明の基礎となる技術思想は、１つまたは複数のピエゾ抵抗性の梁の表面における測定信号の電気的フィードバックのために、構造化された導体路層、例えば金属層を使用することにある。
本発明のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子における電気的評価も、種々の利点と結びついている。ピエゾ抵抗性の梁の表面に設けられた導体路ないしフィードバック線路は、ドーピングされた梁におけるフィードバック線路に比べて寄生抵抗が少ない。抵抗変化を、それぞれのピエゾ抵抗性の梁において別個に評価することができる。これによって無電流の電圧測定（３点測定および４点測定）が可能となり、これによって線路の寄生抵抗が測定結果を阻害することがなくなる。電気的分離によって、電流ミラーに基づいた簡単な差分評価回路が可能となる。このような評価方法は、回路におけるパラメータ変化に対して非感受性である。
技術的な利点として、感度が変わらない場合、梁と梁の間のアイソレーショントレンチをより広く形成することが可能となる。これによって均一なドーピングに基づいたピエゾ抵抗性加速度センサを、技術的により容易に実現することができる。
従属請求項には、本発明の各対象に関する有利な実施形態と改善策とが示されている。
１つの有利な実施形態によれば、サイズモ質量体が、１つないし複数のピエゾ抵抗性の梁を介して基板に懸架されている。これによって、機械的な懸架構造全体を検出ないし評価のために使用することができるという利点が得られる。可能な限り小型のサイズモ質量体に基づき、より高い機械的感度ないし面積利得が可能となる。
別の１つの有利な実施形態によれば、サイズモ質量体が接続梁を介して基板に懸架されており、当該接続梁と基板の間にピエゾ抵抗性の梁が設けられている。これによってデザインの自由度が格段に増加する。
本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示す。 図２ａ−ｃは、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態の図１のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の、線Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’に沿った断面図を示す。 図３は、本発明の第２の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示す。 図４は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第１の実施形態を説明するための第１の測定装置を示す図である。 図５は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第２の実施形態を説明するための第２の測定装置を示す。 図６は、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態の公知のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の斜視図を示す。
図中における同一の参照番号は、同一の構成部材または機能的に等しい構成部材を表す。
図１は、本発明の第１の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示し、図２ａ−ｃは、マイクロメカニカル加速度センサ装置の形態の図１のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の、線Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’に沿った断面図を示す。
図１において参照符号５は、ピエゾ抵抗式マイクロメカニカル加速度センサを表す。基板１からサイズモ質量体３に向かって、均一にドーピングされた２つのピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂが延在しており、サイズモ質量体３はこれらの梁１ａ，１ｂを介して基板１に接続されている。梁１ａ，１ｂおよびサイズモ質量体３の下には空洞部Ｋａｖが存在している。
ピエゾ抵抗性の梁１ａと１ｂの間にあるアイソレーショントレンチＧは、シャローアイソレーショントレンチ（ＳＴＩ）として構成することもできる。これによって梁１ａ，１ｂを回転点のより近傍に取り付けることができ、これによってクランク作用が強化される。
ｘｙ平面（基板平面）においてサイズモ質量体３の重心点６に作用する加速度は、梁１ａの圧縮および梁１ｂの伸張を生じさせる、ないしは、梁１ａの伸張および梁１ｂの圧縮を生じさせる。この際、梁１ａ，１ｂの均一なピエゾ抵抗性のドーピングにより、これらの梁の電気抵抗が変化する。この抵抗変化は測定装置Ｍ１、Ｍ２によって検出することができる。測定装置Ｍ１、Ｍ２は梁１ａ，１ｂのそれぞれの現在の抵抗値を検出し、この抵抗値はＲ１ａないしＲ１ｂで表されている。したがって検出された抵抗変化は、サイズモ質量体の均衡点からの、該サイズモ質量体３の変位を示す尺度となる。
この実施形態においては、上記の検出が双方のピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂに対してそれぞれ別個に行われ、このために基板１には電気的分離用のアイソレーショントレンチ１１ａが設けられている。
電気的に分離された基板１の２つの半分の部分は、その下に位置する基板１と機械的に接続する必要があるが、電気的には分離する必要がある（例えば、センサ全体の下に設けられる電気絶縁された犠牲層によって）ということにもさらに注意すべきである。エッチングの際にはサイズモ質量体と梁の下にある犠牲層は除去し、基板１の下にある犠牲層は残しておく必要がある。
抵抗変化を検出するために、基板１は、それぞれの梁１ａ，１ｂ、および、梁１ａ，１ｂの表面に設けられた各導体路２ａ，２ｂと、それぞれ直列接続されている。導体路２ａ，２ｂは、梁１ａ，１ｂの表面を部分的ないし完全に覆っており、この実施形態においては金属層から構造化されている。とりわけ各導体路２ａ，２ｂは、この実施形態においては、サイズモ質量体３から梁１ａ，１ｂの全体に亘って、基板１の領域の中まで延在している。基板１との短絡を阻止するために、基板１の領域にある導体路２ａ，２ｂの下には、導体路２ａ，２ｂと基板１とを電気的に絶縁させる絶縁層Ｉが設けられている。同様にして、導体路２ａ，２ｂと梁１ａ，１ｂの間にあるこの絶縁層Ｉは、導体路２ａ，２ｂと梁１ａ，１ｂとが電気的にコンタクトしている各コンタクト領域Ｋ５，Ｋ６に至るまで設けられている。この絶縁層Ｉは、とりわけ図２ｂおよび２ｃに詳細に図示している。
測定装置Ｍ１ないしＭ２は、一方では、導線Ｌ１，Ｌ２とコンタクト部Ｋ１，Ｋ２とを介して基板１に接続されており、他方では、導線Ｌ３，Ｌ４とコンタクト部Ｋ３，Ｋ４とを介して導体路２ａ、２ｂに接続されている。
この実施形態では、ピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂの抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの抵抗変化がそれぞれ別個に評価されるが、上に述べたように例えば図６と同じようにハーフブリッジ回路において梁１ａと１ｂを一緒に評価することも可能である。所要の安定基準を満たすことが可能であれば、ピエゾ抵抗性の梁を１つだけ設けることも可能である。
さらには、個々の１つのピエゾ抵抗性の梁の上に複数のフィードバック線路を設けることができ、これらのフィードバック線路は別個に評価される。
図３は、本発明の第２の実施形態に基づく、マイクロメカニカル加速度センサ装置５’の形態のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子の平面図を示す。
図３に図示する第２の実施形態では、ドーピングされていない撓み梁７が設けられており、この撓み梁７はサイズモ質量体３と基板１とを接続している。この場合、均一にドーピングされたピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂ’は、基板１とサイズモ質量体３との間に設けられているのではなく、基板１と撓み梁７との間に設けられている。このように、ピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂ’を撓み梁７に対して角度α（ここでは９０°）で取り付ける形態によって、幾何形状の自由度がより高くなり、例えばサイズモ質量体３の重心点６と基板１の取り付け点との間の距離（クランクアーム長さ）が変わらない場合でも、梁１ａ，１ｂの長さを変更させることが可能となる。
もちろんこの角度αは９０°に限定されているわけではなく、自由に選択することができる。梁１ａ’，１ｂ’は必ずしも同一の角度αを有する必要はない。
ピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂ’の上に設けられた導体路２ａ’，２ｂ’は、図１の第１の実施形態と同じように構成されており、図１の関連において既に説明したように、ピエゾ抵抗性の梁１ａ’，１ｂの抵抗変化の評価を可能にしている。第１の実施形態と同じように、絶縁層Ｉは、導体路２ａ’，２ｂ’と梁１ａ’，１ｂないし基板１との間にて、それぞれのコンタクト領域Ｋ５’，Ｋ６’に至るまで設けられている。コンタクト領域Ｋ５’，Ｋ６’では、導体路２ａ’，２ｂと梁１ａ’，１ｂとが電気的にコンタクトしている。
図４は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第１の実施形態を説明するための第１の測定装置を示す。
図４に図示した測定装置Ｍ１’は、４つのピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのフルブリッジ接続に基づいている。これらの梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは２つ１組で、接続ノードＪ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を介して、供給電位Ｕ０と基準電位ＲＥＦとの間に並列接続されている。抵抗変化を検出するために、接続ノードＪ３，Ｊ４において、サイズモ質量体３の変位時の抵抗変化に対する直接的な尺度となる電圧値Ｕ＋およびＵ−が取り出され、公知の方法で伝送される。
４つのピエゾ抵抗性の梁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを、ただ１つのサイズモ質量体３に設けるか、または、隣接配置された２つの加速度センサに亘って実現させることができ、この際には場合によって、対応する２つのサイズモ質量体同士を機械的に結合することもできる。
図５は、本発明によるピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子を使用した測定方法の第２の実施形態を説明するための第２の測定装置を示す。
図５に図示された測定装置Ｍ’’は、シグマデルタ変調を用いた電流ミラー回路装置である。基準電圧ＶＲｅｆが印加されている差分増幅器１０は、ピエゾ抵抗性の梁１ａを介して降下する電圧が、常に基準電圧ＶＲｅｆと同じになるようにする。このことはトランジスタＴ１を相応に制御することによって行われる。トランジスタＴ１は別の１つのトランジスタＴ２と共に、ピエゾ抵抗性の梁１ａに対して直列に接続されている。ピエゾ抵抗性の梁１ａを通る電流Ｉは、供給電圧源ＶＤＤから出発して、トランジスタＴ２とトランジスタＴ１とを介して、ピエゾ抵抗性の梁１ａを通って、基準電圧源ＶＳＳ（通常はアース電位）へと流れるものである。当該枝路にて発生する電流は、ピエゾ抵抗性の梁１ａに接続されたサイズモ質量体３の変位に基づく該ピエゾ抵抗性の梁１ａの抵抗変化によって変化する。
別の１つの分岐は、直列接続されたトランジスタＴ３およびＴ５と、直列接続されたトランジスタＴ４およびＴ６とからなる。これらはそれぞれ電流ミラーとして接続されており、したがってそれぞれ対応する制御可能なスイッチＣが閉成されている場合には、ピエゾ抵抗性の梁１ａを流れる正の電流値がトランジスタＴ４を流れ、スイッチＣ’が閉成されている場合には、ピエゾ抵抗性の梁１ａを流れる負の電流値がトランジスタＴ６を流れる。
ロジック装置ＬはスイッチＣ，Ｃ’の閉成を交番的に制御し、閉成時にはそれぞれの電流が積分器２０において積分され、この電流の平均値はゼロである。スイッチＣ，Ｃ’のデューティ比はピエゾ抵抗性の梁を流れる電流Ｉを表しており、この電流Ｉは出力信号ＯＵＴ（Ｉ）として測定装置Ｍ１’’から伝送される。
以上、本発明を有利な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、多様に変更が可能である。
これら２つの実施形態では、導体路１ａ，１ｂないし１ａ’，１ｂ’は金属層から構造化されている。しかしながらこれらの梁を、高ドーピングされた半導体層またはその他の導体路層によって形成することも十分に可能である。
これまで本発明をピエゾ抵抗型マイクロメカニカル加速度センサに関連させて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば回転速度センサや圧力センサ等のような他のピエゾ抵抗型マイクロメカニカル構成素子のために使用することも可能である。
本発明のピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子は、これまでに示したｘｙ平面での検出方向を有する加速度センサの他に、ｚ方向における検出のために使用することも可能である。この場合には、導体路２ａ，２ｂは非対称の補強部であり、これによってｚ方向の加速度が作用する際に梁１ａ，１ｂに均一な機械的張力が生じる。この場合には、梁１ａ，１ｂにおいて機械的張力が調整されている。こうすることによって、フィードバックのためにただ１つの梁と１つの金属製導体路とを有するｚ方向の加速度センサを実現することができる。
原則的に、ｘｙｚ方向のセンサ構成素子は、１つまたは複数の側面の導体路と、１つまたは複数の表面および／または裏面の導体路とによって実現することができる。

Claims (15)

  1. 基板（１）と、前記基板（１）に変位可能に懸架されたサイズモ質量体（３）と、前記基板（１）と前記サイズモ質量体（３）の間に設けられた少なくとも１つのピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）と、測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）とを有するピエゾ抵抗型マイクロメカニカルセンサ構成素子において、
    前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）は、前記サイズモ質量体（３）の変位時に抵抗変化し、
    前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）は、側面および／または表面および／または裏面の導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）を有しており、
    前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）は、前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を少なくとも部分的に覆っており、前記基板（１）の領域の中まで延在しており、
    前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’，Ｍ１’’）は、前記基板（１）および前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）に電気的に接続されており、
    前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’，Ｍ１’’）は、前記抵抗変化を測定するために、前記基板（１）から前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を通って延在し、かつ、該ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）から側面および／または表面および／または裏面の前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）を通って延在する回路経路によって構成されている、
    ことを特徴とするセンサ構成素子。
  2. 前記サイズモ質量体（３）は、前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を介して前記基板（１）に懸架されている、
    ことを特徴とする請求項１記載のセンサ構成素子。
  3. 前記サイズモ質量体（３）は、接続梁（７）を介して前記基板（１）に懸架されており、前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ）は、前記接続梁（７）と前記基板（１）との間に設けられている、
    ことを特徴とする請求項１記載のセンサ構成素子。
  4. 前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）のうち、前記基板（１）の領域に延在する領域と前記基板（１）との間に、電気絶縁層（Ｉ）が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のセンサ構成素子。
  5. 前記基板（１）と前記サイズモ質量体（３）との間に、複数のピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）が設けられており、
    複数の前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）は、それぞれ１つの表面の導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）を有しており、
    表面の前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）は、対応する前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を少なくとも部分的に覆っており、前記基板（１）の領域の中まで延在しており、
    前記基板（１）および前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）に電気的に接続されている前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）は、前記抵抗変化を測定するために、前記基板（１）からそれぞれの前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を通って延在し、かつ、それぞれの該ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）から対応する表面の前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）を通って延在するそれぞれの回路経路によって構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のセンサ構成素子。
  6. 前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）は、複数の前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化をそれぞれ別個に評価するよう構成されている、
    ことを特徴とする請求項５記載のセンサ構成素子。
  7. 前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）は、複数の前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化を、ハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路（Ｍ１’）にて合わせて評価するよう構成されている、
    ことを特徴とする請求項５記載のセンサ構成素子。
  8. 前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）は、１つまたは複数の前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化を、電流ミラー回路（Ｍ１’’）にてシグマデルタ変調によって評価するよう構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載のセンサ構成素子。
  9. 前記基板（１）は、２つの隣り合う前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を通る前記回路経路を電気的に分離するためのトレンチ（１１ａ）を有する、
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載のセンサ構成素子。
  10. 前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）は、金属被覆層から構造化された金属製導体路である、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載のセンサ構成素子。
  11. 複数の結合されたサイズモ質量体（３）が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載のセンサ構成素子。
  12. 基板（１）に変位可能に懸架されたサイズモ質量体（３）の変位を、前記基板（１）と前記サイズモ質量体（３）との間に設けられたピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化によって検出するための測定方法であって、
    前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）は、前記サイズモ質量体（３）の変位時に抵抗変化する、
    測定方法において、
    前記基板（１）から前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を通って延在し、かつ、該ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）から側面および／または表面および／または裏面の導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）を通って延在する回路経路を形成するステップであって、
    前記導体路（２ａ，２ｂ；２ａ’，２ｂ’）は、前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）を少なくとも部分的に覆っており、前記基板（１）の領域の中まで延在している、ステップと、
    前記サイズモ質量体（３）の変位を検出するために、前記回路経路に接続された測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）によって前記抵抗変化を評価するステップと、
    を有することを特徴とする測定方法。
  13. 前記基板（１）と前記サイズモ質量体（３）との間に設けられた複数のピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化を、前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’；Ｍ１’’）によってそれぞれ別個に評価する、
    こと特徴とする請求項１２記載の測定方法。
  14. 前記基板（１）と前記サイズモ質量体（３）との間に設けられた複数のピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化を、ハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路（Ｍ１’）にて合わせて評価する、
    こと特徴とする請求項１２記載の測定方法。
  15. １つまたは複数の前記ピエゾ抵抗性の梁（１ａ，１ｂ；１ａ’，１ｂ’）の抵抗変化を、前記測定装置（Ｍ１；Ｍ２；Ｍ１’，Ｍ１’’）によって電流ミラー回路（Ｍ１’’）にてシグマデルタ変調を用いて評価する、
    ことを特徴とする請求項１２記載の測定方法。
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