JP3037416B2 - マイクロメカニック式の回転値センサ - Google Patents

マイクロメカニック式の回転値センサ

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Description

【発明の詳細な説明】 従来技術 本発明は請求項１に記載した形式の回転値センサから
出発している。例えば主としてヨー軸を中心とした自動
車の旋回速度を測定するため、走行動作を調整するため
又は操縦のために１秒あたり数度の範囲にある回転のわ
ずかな回転値をセンサで検出することはすでに公知であ
る。この場合には回転軸に対して平行に配向された同調
フォーク構造が一平面内で励振される。回転軸を中心と
して回転すると、コリオリスク力が振動する同調フォー
ク歯に、回転軸に対して直角にかつ励起方向、すなわち
回転運動が存在していない場合の歯の変位に対して直角
に作用する。回転値は励起方向に対して直角にコリオリ
スク力により惹起されるフォーク歯の変位を介して検出
されかつ評価される。
US−PS4836023号においては振動体と該振動体をフレ
ームに懸吊する手段とを有する回転値センサであって、
冒頭に述べた原理で働く形式のものが記載されている。
振動体はフォーク状に形成され、４つの懸吊具によりフ
レームに固定されている。振動体と懸吊具とフレームは
一様な弾性を有する唯一の材料ブロックか組織されてい
る。振動体の励振も信号の取出しも圧電的に行われる。
振動体の上に配置された圧電的な部材は導電性の薄膜層
を介して外に位置するスイッチ回路に接続されている。
さらにセンサは上方と下方のカバーを有している。
DE−PS3417858号においてはセンサ構造を圧電材料、
例えば石英又は人口クリスタルから製造することが提案
されている。さらに２つの不動のフレーム部材の間に配
置されたシャフトにこれに対して直角又は平行に同調フ
ォーク構造が対を成して固定されている、複数の同調フ
ォーク構造を有するセンサシステムが記載されている。
さらに測定信号を容量的に検出することが提案されてい
る。
発明の利点 請求項１の特徴を有する本発明のセンサは、振動可能
なすべての構造部材が単晶のシリジュームから製作され
ているという利点を有している。この場合、センサの信
頼性は有利には単晶のシリジュームのきわめて良い機械
的特徴によって決定される。さらに、シリジュームの電
気的な特性は、機械的な構造部材として構成された振動
体が同時にプレートコンデンサの電極として用いられか
つ（又は）圧電的な部材を備え、振動体の懸吊ウエブが
電極及び（又は）圧電部材のための給電体を形成するこ
とによって有利な形式で活用される。さらに有利である
ことはセンサが広い温度範囲で使用できることである。
何故ならば振動可能な構造体が統一的な温度特性を有す
る同一材料から製造されているからである。センサ構造
を不動態化されていないモノクリスタルのシリジューム
ウエーハから構成することにより、補償することが困難
である機械的な応力は排除され、測定方向での有害な励
振は減少させられる。別の利点は、測定信号のための評
価回路もセンサ基板の上に統合できることである。本発
明のセンサは特に小さい構成体積で実現できるので、自
動車分野の使用によって特に有利である。さらに本発明
のセンサはコスト的な理由からバッチ製作を可能にす
る、規格的にマイクロクメカニックにおいて使用されて
いる方法で製造することができる。
請求項２以下に記載した特徴によっては請求項１に記
載したセンサの有利な実施例が可能である。測定信号の
容量的な取出しを可能にするためには、可動な電極とし
て役立つ振動体と不動の対応電極との間に過負荷状態に
おいても過負荷状態後においても間隔があることが保証
されていなければならない。これは特に有利には、定置
の電極が取付けられているカバーが振動体の範囲に空洞
を有しているか又は振動体自体及び懸吊ウエブの厚さが
減少されており、カバーとセンサ構造との間に振動体の
範囲において空洞が存在することにより達成される。過
負荷状態が発生すると、カバーは振動体の変位制限部と
して役立つ。振動体が定置の電極に貼付くことを回避す
るためにはスペーサを定置の電極及び（又は）センサ部
材の上に取付けることが特に有利である。特に有利であ
ることはセンサ部材を（110）−結晶配列のシリジュー
ムウエーハから製造することである。何故ならば、前記
ウエーハにおいてはアニソトロップウエットエッチング
プロセスに際してウエーハ表面に対して垂直に、センサ
構造にとって特に有利である側方のエッチング制限壁が
形成されるからである。さらに層の間にドーピング移行
層を有する多層シリジュームウエーハの使用も製造方法
を簡易化する。特に有利であるのはpn−移行層である、
何故ならばpn−移行層はセンサ構造の個々の部分を電気
的に互いに絶縁する可能性を呈するからである。３層の
シリジュームウエーハを用いた場合には拡大された地震
質量を有し、これによって測定効果が有利に拡大される
振動体を実現できる。妨害信号を回避するために特に有
利であるのは、懸吊ウエブを配置する場合に振動体に対
して対称的な質量分布を考慮することである。何故なら
ば測定信号は他の妨害信号に較べて弱く、この妨害信号
によりカバーされやすいからである。
励振は特に有利には電磁的又は熱機械的に行われる。
何故ならばこのためには振動体の機械的な特性に影響を
及ぼす処置、例えば別の層を施すことが必要ないからで
ある。平行に配向された振動体対を電磁的に励振するも
っとも簡単な可能性は、両方の振動体を適当な手段で電
気的に互いに直列に接続し、両方の振動体を逆向きに電
流が流れるようにし、電流の方向に対して直角に磁場が
形成されるようにすることである。熱機械的な励振の特
に簡単な可能性は懸吊ウエブに電流パルスを作用させ、
この電流パルスでウエブの長さ変化を生ぜしめることで
ある。熱機械的な励振に際して振動体の変位方向を固定
するためには、懸吊ウエブは有利にはわずかな誤差角で
互いに平行にかつ検出方向に対して直角に配向させられ
る。有利には振動体は振動体間又は懸吊ウエブとフレー
ムにおける対応する対応電極との間に電気的なフィール
ドを作用させて静電的に励振させられる。さらに振動体
は振動体の懸吊ウエブが櫛歯状の構造を有し、この櫛歯
構造が定置の対応電極の櫛歯構造に係合させられてレル
クタンス駆動装置で駆動されることも有利である。この
場合には互いに係合しあう櫛歯構造の間に電気的なフィ
ールドが形成される。さらに有利であることは、いずれ
も定置の電極を備えた、上方及び下方のセンサ部材カバ
ーを使用して簡単に容量的な信号取出しに対する差配置
を実現することである。測定効果を高めるため又は励振
と信号取出しとを分離するためには、２倍又は４倍の同
調フォーク構造を有する構造を使用することが有利であ
る。これは例えば有利にはグリッド状のフレームが用い
られ、そのステーの両側から対を成して振動体が延びて
おり、これらの振動体がステーと一緒に複数の同調フォ
ーク構造を形成することで実現される。
さらに請求項34以下には本発明による回転値センサの
有利な製法が記載されている。この場合にはマイクロメ
カニックにおいて一般的なプロセス段階だけが実施され
る。特に有利であるのは、これに関連して移行層の種々
の可能性を方法の家庭で考慮するだけでなく、規定され
た電気的な状態を得るためにも考慮し、多層に構成され
た振動体が帯電形式に関して統一的なドーピングを有す
ることである。
図面 本発明の実施例は図面に示されており、以下に説明す
る。
第１図はセンサ部材の平面図、第２図はこのセンサ部
材をII−II線に沿って断面した図、第３図はこのセンサ
部材をIII−III線に沿った断面図、第４図は別のセンサ
部材の平面図、第５図はセンサの断面図、第６図は別の
センサの断面図、第７図は熱機械式駆動装置の略示図、
第８図は熱機械式駆動装置とセンサ部材とを示した平面
図、第９図と第10図は静電的な駆動装置と振動体とを示
した図、第11図は静電的な駆動装置とセンサ部材とを示
した平面図、第12図は前記センサ部材のXII−XII線に沿
った断面図、第13図はレルクタンス駆動装置と振動体の
平面図、第14図は多重同調フォーク構造を示した図、第
15a図からｆは２層のシリジュームウエーハからセンサ
部材を製造する方法を示した図、第16a図からｆは３層
のシリジュームウエーハからセンサ部材を製造する方法
を示した図、第17a図からｇは３層のウエーハからセン
サ部材を製造する別の方法を示した図である。
本発明の説明 第１図においてはセンサ部材１のトポグラフィが示さ
れている。センサ部材１はフレーム10と、ウエブ41から
44を介して両側でフレーム10に結合された２つの振動体
21,22とを有している。振動体21,22はその懸吊に関し対
称的な質量分布を有している。さらに振動体21,22は互
いに平行に懸吊されている。フレーム10内には、懸吊ウ
エブ41−44がフレーム10と結合される側に、エッチング
ビット11がある。エッチングビット11内には懸吊ウエブ
のための電気的な接続部31,32,33が配置されている。第
２図は第１図に示されたセンサ部材１のII−II線に沿っ
た断面図である。センサ部材１は２層のシリジュームウ
エーハから構成され、もちろんフレーム10の範囲だけに
おいて基板３とその上に取付けられた別の層２からなっ
ている。たいていエピタキシャルプロセスで生ぜしめら
れる別の層２は基板３に異原子を拡散させることによっ
て生ぜしめることができる。この別の層２と基板３との
間にはドーピング移行層、この場合にはpn移行層があ
る。この場合にはp+ドーピングされた層とn-ドーピング
された基板であることができる。ウエブ41,42と振動体2
1との間の範囲には背面エッチング85があり、ウエブ41,
42と振動体21はもっぱら別の層２に構成されている。フ
レーム10におけるエッチングビット11は別の層２を完全
に貫き、ウエブ41,42と振動体21はセンサ部材１の残り
のよって絶縁されている。エッチングビット11内には振
動体21のための電気的な接続部31と32がある。この場
合、接続部31,32と振動体との間の導電的な接続は懸吊
ウエブ41,42によって行われる。接続部31,32,33は基板
と機械的に結合されているが基板３と別の層２とビット
との間のpn移行層によって互いに電気的に絶縁されてい
る。このような形式で不動態化層及び導電路は完全に回
避できるので、可動な構造にこれによって生じる機械的
な応力が回避される。懸吊ウエブ41,42と振動体21はウ
エーハ表面から出発して厚さにおいて減少させられてい
る。すなわち、懸吊ウエブ41,42と振動体２はもっぱら
別の層２に構成されているが別の層２の全厚さは有して
いない。この処置は第３図に示すように上方のカバー４
が存在している場合にも振動体21,22の振動性を保証し
ようとするものである。これはもちろん、上方のカバー
４にウエブ41から44と振動体21,22の範囲に空洞を設け
ることによっても達成可能である。プレートコンデンサ
の片側として役立つ振動体21,22に向き合ってカバー４
には定置の電極23が取付けられ、振動体21,22がこの方
向に変位すると、この変位は容量変化として検出され得
る。定置の電極23はカバー４における金属化として実現
できる。電極21から23のこの配置は電極21,22が回転運
動に際して反対方向に変位されることを考慮すれば差配
置を成す。マイクロメカニック式に組織されたウエーハ
と、有利にはガラス保持体のために使用されるカバーと
の間の結合は、例えばアノード状のボンディングで行う
ことができる。定置の電極23と接続部31から33までの電
気的な接続は外部へ導びくために適している。第１図か
ら第３図までに示された実施例はそれぞれ２つの細いウ
エブ41から44に両側で締込まれた同調フォークのように
懸吊された振動体21,22を有している。この構造の拡大
として第４図には、各振動体21,22が全部で４つのウエ
ブに懸吊されている実施例が示されている。この実施例
は振動体21,22が著しく良好に保持され、Ｘ方向に励振
した場合に独りでに懸吊軸線を中心として回動できない
という利点を有している。第１図から第４図までに示さ
れたセンサ構造の励振は電磁的に行うことができる。接
続部31から振動体21を介して接続部32へかつ振動体22を
介して接続部33に向かってＸ方向に流れる電流はことに
Ｚ方向に配向された磁場において、電極21,22を逆向き
にＸ方向に変位させるカロレンツを生ぜしめる。
第１図から第４図に示されたセンサ部材は別の層２に
相応して数マイクロメータの厚さしか有していない可動
な構造を有している。これによってコリオリスの力によ
ってＺ方向に加速されるわずかな質量しか与えられな
い。第５図と第６図に示された実施例は３層のシリジュ
ームウエーハ10から構成されたセンサ部材を有してい
る。シリジュームウエーハ10はこの場合には両側に別の
層2a,2bが取付けられている基板３から成っている。基
板３と両方の層2a,2bとの間にはドーピング移行層が生
じる。振動体21,22はこの場合には、一杯のウエーハ厚
さに構成されている。この場合、基板３は振動体21,22
の範囲において地震質量13として役立つ。振動体21,22
はできるだけ対称的に懸吊したいので、懸吊ウエブ41か
ら48は両方の別の層2aと2bに構成されている。第５図と
第６図に示された実施例においてはウエーハ10はウエブ
41から48と振動体21,22の範囲において両方のウエーハ
表面から出発してその厚さが減少させられている。セン
サ部材の上には両側にカバー401と402が取付けられてい
る。ウエブ41から48と振動体21,22の範囲には振動体の
運動性を保証する中空室12が存在している。振動体21,2
2の範囲において電極23,24はカバー401と402の上に取付
けられている。振動体21,22がカバー401,402の方向に大
きく変位した場合には振動体21,22を該当する定置の電
極23,24と接触させることができる。振動体21,22が電極
23,24の一方に固着することを阻止するためには振動体2
1,22の、電極23,24に向いた表面に隆起部の形をしたス
ペーサ14が構成されている。該スペーサ14は振動体21,2
2が電極23,24に所定の間隔をおいて接近することしか可
能にしない。しかしながら同様に考えられることは、ス
ペーサをカバー401,402の上に配置することである。別
の層2a,2bにおいてのみ構成されているウエブ41から48
はアンダエッチング86によって露出させられているの
で、基板はウエブ41から48の範囲ではほぼ完全にエッチ
ングで除去されている。第６図は第５図と同じセンサ構
造を示している。この場合にはただ、センサ部材は３層
に構成されているがpn移行部しかウエブ41から48の範囲
に有していないウエーハ10から構成されている。この詳
細は主としてセンサ部材の製造に関して意味を持ってい
る。これについては第17aからｇまでの説明で詳しく述
べることにする。第５図と第６図に横断面で示されたセ
ンサ部材の地形図は選択的に第１図又は第４図に示され
たものに相応することができる。
第１図から第７図までに示された構造の励振は電磁的
にだけではなく熱機械式に行うこともできる。ウエブ41
から48までを通って流れる電流はウエブを加熱し、これ
によってウエブの長さ膨張Δｌを惹起する。これは略示
的に第７図の振動体21のために示されている。ウエブ41
から48に適当な寸法を与え、電流インパルスで適当に共
振励振させることにより、振動体21,22は有利な方向に
変位させられる。したがって薄い懸吊ウエブ41から48を
励振方向に対して直角ではなく、わずかな不足角をもっ
て配向することが有利である。これによって熱機械的に
生ぜしめられた変位は著しく良好に規定されるようにな
る。第８図には熱機械的に励振可能なセンサ部材１が示
されている。振動体21,22はそれぞれ２つのウエブ41,42
と43,44でフレーム10と結合されている。しかしながら
ウエブ41,42と43,44は励振方向に対して正確に直角では
なく、わずかな不足角で配向されているので、ウエブは
加熱によるウエブ41−44の長さ変化に際して逆向きにＸ
方向に振動する。
この場合、第８図のセンサ部材は第１図、第５図又は
第６図で記述したようなセンサ部材であることができ
る。形成されたエッチングピット11によって接続部材3
1,32,33は互いに電気的に絶縁される。したがって両方
の接続部31と33の間の電圧差を加えると両方の接続部31
と33との間を電流が流れる。この電流はウエブ41−44、
振動体21,22及び接続部32を介して流れる。第１図と第
５図のセンサの場合にはピット11はｎ基板の上のｐ層を
完全に貫通するような深さを有している。これは第１図
のセンサの場合には基板３の上面側だけであって、第５
図のセンサの場合には基板３の両側である。第６図のセ
ンサの場合にはピット11は基板３の両側で、厚くドーピ
ングされたｐ層を完全に貫通している。ウエブ41から44
と振動体21,22の表面層は強くドーピングされているの
で、接続部31と33の間を流れる電流の小部分だけが基板
３を介して流れる。この場合にもピット11によりウエブ
を介する電流の流れが可能にされる。同じ形式で振動体
21,22とウエブ41−44との間の絶縁又は基板３に対する
絶縁が電磁的な励振又は第９図と第10図に記述した静電
的な励振に際して達成される。ポテンシャルの異なる電
極の間の静電力を利用した別の励振は第９図と第10図と
に示されている。この形式の励振でも振動体は基板から
電気的に絶縁される。さらにウエブ41から44までの傾斜
した配向によって第５図と第６図に示されたセンサを製
造する場合にウエブのアンダエッチングが容易にされ
る。
別の励振変化態様は静電駆動である。この場合には第
９図と第10図に示された構造に相応して振動体21,22に
は定置の対応電極25が励振方向に向き合っている。静電
励振をできるだけ有効に行うためには振動可能な電極と
して役立つ振動体21,22と定置の対応電極25との間隔は
できるだけわずかでなければならない。そのためにこの
ような構造は有利には（110）−配列シリジュームから
構成される。さらに電極表面はできるだけ大きくなけれ
ばならないのでウエーハの全厚さで構成された振動構造
が使用される。懸吊は両面で４つ又は８つのウエブ41〜
48において行われる（第９図）。しかし振動体を片面で
２つ又は４つのウエブ41,43,45,47に懸吊することもで
きる（第10図）。片面で懸吊された振動体を有する構造
はきわめてフレキシブルで高い感受性を有している。静
電駆動されかつ振動体が片面懸吊されたセンサ構造の別
の可能性は第11図と第12図に示されている。このセンサ
構造は有利には２層ウエーハとして実現される。センサ
部材はパドル状の１対の振動体21,22を有している。振
動体21,22はそれぞれ１つの懸吊ウエブ41と44を介して
フレーム10と結合され、懸吊ウエブ41,44と協働して同
調フォーク構造を形成する。ウエブ41,44は一杯のウエ
ーハ厚さに構成され、それぞれ励振コンデンサの一方の
電極側として役立つ。ウエブ41,44に向き合って定置の
対応電極25が励振コンデンサの第２の電極側として配置
されている。振動体21,22はパドル状に、励振方向に対
して直角な運動性を可能にするために別の層２だけに構
成されている。
静電駆動は振動体21,22と懸吊ウエブ41から48とがも
っぱら別の層２に構成されているセンサ部材には特に有
利には使用できない。何故ならばこの場合には励振電極
の面は別の層２の厚さがわずかであるためにきわめてわ
ずかであるからである。もちろんこの構造はレルクタン
ス駆動装置で静電的に動かすこともできる。第13図には
励振方向にフィンガ52を有する櫛歯状の構造を有する定
置の対応電極25が示されている。この対応電極25に向き
合って同様に櫛歯状の構造を励振方向に有する懸吊ウエ
ブ41が配置され、ウエブ41から伸びるフィンガ51が定置
の電極25の櫛歯状の構造に突入させられている。電気的
なフィールドを櫛歯状に電極51,52に作用させると、ウ
エブ41が励振方向に引張られ、それに固定された振動体
21をこの方向に移動させる。
第14図においては多重同調フォーク構造が示されてい
る。フレーム10は複数のステー101から103から成り、例
えばグリッド状に構成されている。フレーム10の１つの
ステー102からは両側に対を成して振動体211,221,212,2
22が延びており、ステー102と共に多重同調フォーク構
造を構成している。振動体211,221,212,222は片側でス
テー102と結合されているか又は両側で別のステー101,1
03と結合されていてもよい。多重同調フォーク構造は１
対の振動体211,221に種々の駆動メカニズムによって振
動を励起させることができるという利点を有している。
この振動はウエブ102を介して対向する振動体対212,222
に伝達され、この振動体対212,222において信号が取出
される。
次に第１図から第14図までに示したセンサ構造を製造
する方法を説明する。第15a図からｆまでには２層のウ
エーハからセンサ部材を構成する方法段階が示されてい
る。シリジュームウエーハ10は基板３と別の層２とから
成っている。この場合、基板３と別の層２との間にはド
ーピング移行部が形成されている。これはこの場合のよ
うにpn移行部であるか又はpp+又はnp+移行部であること
ができる。ウエーハ10はまず両側に不動態化層70,71を
備えている。別の層２の上に取付けられた不動態化層70
は組織化され、すなわち振動体21,22とウエブ41から48
がその厚さを減少させられる範囲に切欠き80を備えてい
る。しかし、第15a図にしめすようにマスキング層はス
ペーサ14が組織される振動体の個所においては残され
る。
第15b図は不動態化層70の切欠き80がエッチングされ
かつ第２のフォトプロセスのあとでスペーサ14が規定さ
れた高さにエッチングされたあとのウエーハ10が示され
ている。この方法段階あとでウエーハ10の前面側及び背
面側の不動態化層70,71が除去される。次のプロセス段
階の前でウエーハ10の組織化された前面側があらためて
不動態化される。前面側701の不動態化層には別の層２
における振動体21,22が露出させようとする個所におい
て切欠き81が設けられる。さらに例えば電気的な接続部
を別の層２に入れるために役立つ切欠き82が不動態化層
701に生ぜしめられる。背面側711の不動態化層711にも
切欠き83が設けられる。この切欠き83はウエブ41,48と
振動体21,22を露出させるために背面エッチングにより
基板３が除去される範囲に設けられる。これは第15c図
に示されている。有利には湿化学的異方性で行われる背
面エッチングにとっては比較的に長いエッチング時間が
必要であるので、ウエーハ10の背面側には特に抵抗性の
大きい不動態化層711を備えていなければならない。こ
の不動態化層は例えば析出された酸化物その上に析出さ
れた窒化物とから合成されていることができる。第15d
図は背面エッチングが行われ、背面切欠き85が形成され
たあとのウエーハ10が示されている。別の層２を背面エ
ッチングに対して不動態化するためには、別の層２にエ
ッチングストップ接続部74を介して対応電圧がかけられ
る。各ウエーハにはp/n移行層あたり１つのエッチング
ストップ接続部しか、ウエーハにいくつのセンサ部材が
組織化されているかとは無関係に必要ではない。背面エ
ッチングの後で、背面側の組織化された不動態化層は除
去され、組織化された背面側にあらためて不動態化層71
2が設けられる。エッチングストップ接続部74を除いた
あとで、別の層２はウエーハ10の前面側から出発してエ
ッチングされる。ウエーハ10は第15e図においては、不
動態化層711の切欠き81と82が別の層２に伝達されたあ
との状態で示されている。第15f図においては不動態化
層701と702を除去しかつ上方のカバー401と下方のカバ
ー402でカプセル化されたあとの状態が示されている。
センサ構造は懸吊ウエブ41でフレームに結合された振動
体21を有している。この場合、振動体21と懸吊ウエブ41
の厚さは減少され、それらはもっぱら別の層２に構成さ
れている。さらに振動体21は２つのスペーサ14を有し、
これらのスペーサ14は振動体21がそれに向き合ってカバ
ー401に配置された定置の電極23に貼着することを阻止
する。カバー401と402は有利にはガラスから成り、有利
にはアノードボンディングによってセンサ部材と結合さ
れる。ここに記載した方法においては過負荷状態のあと
でもセンサの機能性を保証するスペーサ14はセンサ部材
から組織化されていることをもう一度指摘しておく。し
かし、振動体21,22とウエブ41から48を別の層２の一杯
の厚さに構成し、上方のカバー401に空洞を設けること
もできる。該空洞は振動体21,22の範囲に定置の電極を
有し、さらに振動体21,22の範囲にスペーサ14を備えて
いる。
第16aからｅ図までには３層のウエーハ10のための同
様な方法が示されている。基板３の上には前面側と背面
側とに別の層2a,2bが析出されている。別の層2aと2bと
基板３との間にはドーピング移行部、この場合には再び
pn移行部が生じている。第16aからｃ図には第15aからｃ
図までに相当する、別の層2aと2cの表面のための方法段
階が示されている。しかしながらこの場合には振動体を
露出させるためにまず別の層2a,2bの不動態化層701aと7
01bとにおける切欠き81aと81bとが別の層2a,2bに伝達さ
れる。この場合、別の層2aと2bは完全に貫通エッチング
される。これはウエブの周囲の範囲においても行われ
る。第16d図においてはウエーハ10は、別の層2a,2bが貫
通エッチングされたあとの状態が示されている。別のプ
ロセス段階で、ウエーハを完全に貫通エッチングしよう
とする個所においても基板は両側において、別の層2a,2
bにおける切欠き81a,81bから出発して両方の切欠き81a
と81bとが切欠き81と１つになるまで別の層2aと2bがエ
ッチングされる。別の層2aと2bとにおいてウエブ41から
48を露出させることはウエブを別の層2aと2bにおける開
口から出発してアンダエッチングすることで行われる。
この場合、ウエブは電圧を別の層2aと2bと基板３との間
のpn移行層に遮断方向にエッチングストップ接続部74a
と74bとを介してかけることにより不動態化される。第1
6f図にはセンサ部材は不動態化層701aと701b及びエッチ
ングストップ接続部74aと74bを除去し、上方のカバー40
1と下方カバー402を取付けたあとの状態で示されてい
る。カバー401と402はそれぞれ振動体21の範囲に対応電
極23,24を有している。このエッチング方法によっては
地震質量13で重み付けした、ほぼ全ウエーハ厚さを有す
る振動体21を備えたセンサ部材を製造することができ
る。
第17aからｇ図までには３層のシリジュームウエーハ
からセンサ部材を製作できる方法が示されている。この
方法はほぼ第16a〜ｆ図に示された方法に相応してい
る。もちろん第17aからｃ図においては固有の層構造が
記述されている。この方法においてはまず表面にラック
マスク72aと72bが施される、Ｐドーピングされた基板３
から出発する。組織化されたマスキング層72aと72bはP+
拡散が懸吊ウエブ41から48を構成しようとする個所にお
いて基板表面に侵入することを阻止し、この個所が電気
的に接続可能にする。基板３のマスキングされた表面に
P+ドーピングを施し、マスキング層72a,72bを除いたあ
とでそれぞれ基板３の上面と背面にｎエピタキシャル層
2a,2bが析出される。このようにプレパレートされた表
面の上には不動態化層70a,70bが備えられる前面及び背
面側の上の接続個所を除いて、硼素含有ガラス73a,73b
が設けられる。硼素含有ガラスの代わりに他の適当な材
料、ポジティブなイオンを含有する材料を使用すること
もできる。別のプロセス段階においてP+ドーピング5a,5
bも硼素含有ガラス73aと73bのホジティブなイオンも両
側でエピタキシャル層2a,2b内に駆進される。これは第1
7b図に示されている。これによってＰドーピングされた
１つの基板３と、ウエブを構成しようとする個所におけ
る掘下げられたｎ−領域を除いてかつエッチングストッ
プ個所におけるｎ−領域でドーピングされた２つの別の
層5aと5bとから成る３層ウエーハが生じる。これは第17
c図に示されている。この掘下げられたｎ領域はウエブ4
1から48をアンダエッチングしかつ露出させる場合にき
わめて効果的にエッチングストップ限界として用いるこ
とができる。これは第17f図に示されている。この方法
の利点は、同等の帯電体で一貫してドーピングされ、し
たがって電極として役立つ振動体に規定された電気的な
状態が存在する振動体を製造できることである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロートライ，マンフレート ドイツ連邦共和国 Ｗ―7521 クライヒ タール ジューデンシュトラーセ 41 (72)発明者 ツァプラー，エーリッヒ ドイツ連邦共和国 Ｗ―7513 シュトゥ ーテンゼー ベー１ ブルンヒルトシュ トラーセ 11 (72)発明者 プファフ，ゲオルク ドイツ連邦共和国 Ｗ―7145 マルクグ レーニンゲン ウルメンヴェーク 13 (72)発明者 エルハルト，ライナー ドイツ連邦共和国 Ｗ―7000 シュツッ トガルト 80 アム ヴァルグラーベン 18 (72)発明者 マレーク，イーリ ドイツ連邦共和国 Ｗ―7410 ロイトリ ンゲン 22 ライプルシュトラーセ 10 ／１ (72)発明者 ヴォルフ，イェルク ドイツ連邦共和国 Ｗ―7500 カールス ルーエ ルシュグラーベン 63 (72)発明者 バンティーン，フランク ドイツ連邦共和国 Ｗ―7257 ディッツ ィンゲン クニールシュトラーセ 44 (56)参考文献 特開 昭62−93668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−185118（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−213814（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−139719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−114123（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−501520（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／14285（ＷＯ，Ａ１) 西独国特許出願公開3625411（ＤＥ, Ａ１) 欧州特許出願公開309782（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (33)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つのカバーとセンサ部材
    （１）とを有する回転値センサであって、センサ部材
    （１）が定置のフレーム（10）、少なくとも１つの振動
    体（21,22）、有利には互いに直交する２つの方向に振
    動可能な少なくとも１対の振動体（21,22）を有し、こ
    の場合、少なくとも１つの前記振動体（21,22）が単数
    又は複数のウエブ（41−48）でフレーム（10）に結合さ
    れており、この場合、ウエブ（41−48）が少なくとも１
    つの前記振動体（21,22）に振動を励起するための給電
    用の導体及び信号供給もしくは導出用の導体を形成して
    おり、この場合、フレーム振動体及びウエブ（41−48）
    が単晶のシリジュームウエーハから組織化されており、
    振動体に第１の振動方向に振動を励起するための手段が
    設けられており、この場合、第１の振動方向に対して直
    角に配向された第２の振動方向の振動を検出する手段と
    して少なくとも１つの前記振動体（21,22）が板コンデ
    ンサの一方の電極側を形成しており、少なくとも１つの
    前記振動体（21,22）に向き合って、少なくとも１つの
    カバー（401,402）の上に第２の振動方向に少なくとも
    １つの定置の電極（23,24）が板コンデンサの他方の電
    極として配置されている形式のものにおいて、センサ部
    材（１）が、１つの基板（３）とその上面と下面とに設
    けられたそれぞれ１つの別の層（2a,2b）とから３層に
    構成されたシリジュームウエーハから組織化されてお
    り、前記別の層（2a,,2b）と基板（３）との間にドーピ
    ング移行層が生じており、振動体（21,22）のウエブ（4
    1,48）が前記別の層（2a,2b）に構成されており、振動
    体（21,22）が基板（３）から組織化された、基板厚さ
    の地震質量（13）を有していることを特徴とする、回転
    値センサ。
  2. 【請求項２】少なくとも１つのカバーとセンサ部材
    （１）とを有する回転値センサであって、センサ部材
    （１）が定置のフレーム（10）、少なくとも１つの振動
    体（21,22）、有利には互いに直交する２つの方向に振
    動可能な少なくとも１対の振動体（21,22）を有し、こ
    の場合、少なくとも１つの前記振動体（21,22）が単数
    又は複数のウエブ（41−48）でフレーム（10）に結合さ
    れており、この場合、ウエブ（41−48）が少なくとも１
    つの前記振動体（21,22）に振動を励起するための給電
    用の導体及び信号供給もしくは導出用の導体を形成して
    おり、この場合、フレーム振動体及びウエブ（41−48）
    が単晶のシリジュームウエーハから組織化されており、
    振動体に第１の振動方向に振動を励起するための手段が
    設けられており、この場合、第１の振動方向に対して直
    角に配向された第２の振動方向の振動を検出する手段と
    して少なくとも１つの前記振動体（21,22）が板コンデ
    ンサの一方の電極側を形成しており、少なくとも１つの
    前記振動体（21,22）に向き合って、少なくとも１つの
    カバー（401,402）の上に第２の振動方向に少なくとも
    １つの定置の電極（23,24）が板コンデンサの他方の電
    極として配置されている形式のものにおいて、センサ部
    材（１）が、１つのｐ−基板（３）とその上面と下面と
    に設けられたそれぞれ１つの別のｐ−ドーピングされた
    層（5a,5b）とから３層に構成されたシリジュームウエ
    ーハから組織化されており、振動体（21,22）のウエブ
    （41,48）がｐ−ドーピングされた前記層（5a,5b）に構
    成されており、ｐ−ドーピングされた前記層（5a,5b）
    がウエブ（41−48）の範囲に、埋設されたｎ−ドーピン
    グされた領域（6a,6b）を有し、振動体（21,22）が基板
    （３）から組織化された、基板厚さの地震質量（13）を
    有していることを特徴とする、回転値センサ。
  3. 【請求項３】少なくとも１つのカバーとセンサ部材
    （１）とを有する回転値センサであって、センサ部材
    （１）が定置のフレーム（10）、少なくとも１つの振動
    体（21,22）、有利には互いに直交する２つの方向に振
    動可能な少なくとも１対の振動体（21,22）を有し、こ
    の場合、少なくとも１つの前記振動体（21,22）が単数
    又は複数のウエブ（41−48）でフレーム（10）に結合さ
    れており、この場合、ウエブ（41−48）が少なくとも１
    つの前記振動体（21,22）に振動を励起するための給電
    用の導体及び信号供給もしくは導出用の導体を形成して
    おり、この場合、フレーム振動体及びウエブ（41−48）
    が単晶のシリジュームウエーハから組織化されており、
    振動体に第１の振動方向に振動を励起するための手段が
    設けられており、この場合、第１の振動方向に対して直
    角に配向された第２の振動方向の振動を検出する手段と
    して少なくとも１つの前記振動体（21,22）が板コンデ
    ンサの一方の電極側を形成しており、少なくとも１つの
    前記振動体（21,22）に向き合って、少なくとも１つの
    カバー（401,402）の上に第２の振動方向に少なくとも
    １つの定置の電極（23,24）が板コンデンサの他方の電
    極として配置されている形式のものにおいて、センサ部
    材（１）が、１つの基板（３）とその上に設けられた１
    つのエッチングストップ層（２）とから２層に構成され
    たシリジュームウエーハから組織化されており、エッチ
    ングストップ層（２）と基板（３）との間にドーピング
    移行層が生じており、ウエブ（41−44）と振動体（21,2
    2）とがエッチングストップ層（２）に構成されてお
    り、振動体（21,22）のための電気的な接続部（31−3
    3）がフレーム（10）のエッチングストップ層（２）に
    設けられ、前記接続部（31−33）が基板（３）との機械
    的な結合を成しており、振動体（21,22）の接続部（31
    −33）が基板（３）とエッチングストップ層（２）との
    間のp/n移行部と、エッチング層（２）を完全に貫くエ
    ッチングピット（11）とによって互いに電気的に絶縁さ
    れていることを特徴とする、回転値センサ。
  4. 【請求項４】振動体（21,22）の懸吊ウエブ（41−48）
    が励振方向に少なくとも１つの第１の櫛歯状の構造を有
    し、第１の櫛歯状のこの構造に向き合って、少なくとも
    １つの定置の電極（25）が配置され、該電極（25）が少
    なくとも１つの第２の櫛歯状の構造を有し、第１の櫛歯
    状の構造のフィンガ（51）が第２の櫛歯状の構造のフィ
    ンガ（52）に係合している、請求項１から３までのいず
    れか１項記載の回転値センサ。
  5. 【請求項５】電圧をかける手段が振動体（21,22）の懸
    吊ウエブ（41）と対応する定置の電極（25）との間に存
    在している、請求項４記載の回転値センサ。
  6. 【請求項６】少なくとも１つのカバーとセンサ部材
    （１）とを有する回転値センサであって、センサ部材
    （１）が定置のフレーム（10）、少なくとも１つの振動
    体（21,22）、有利には互いに直交する２つの方向に振
    動可能な少なくとも１対の振動体（21,22）を有し、こ
    の場合、少なくとも１つの前記振動体（21,22）が単数
    又は複数のウエブ（41−48）でフレーム（10）に結合さ
    れており、この場合、ウエブ（41−48）が、少なくとも
    １つの前記振動体（21,22）に振動を励起するための給
    電用の導体及び信号供給もしくは導出用の導体を形成し
    ており、この場合、フレーム振動体及びウエブ（41−4
    8）が単晶のシリジュームウエーハから組織化されてお
    り、振動体に第１の振動方向に振動を励起するための手
    段が設けられており、この場合、第１の振動方向に対し
    て直角に配向された第２の振動方向の振動を検出する手
    段として少なくとも１つの前記振動体（21,22）が板コ
    ンデンサの一方の電極側を形成しており、少なくとも１
    つの前記振動体（21,22）に向き合って、少なくとも１
    つのカバー（401,402）の上に第２の振動方向に少なく
    とも１つの定置の電極（23,24）が板コンデンサの他方
    の電極として配置されている形式のものにおいて、セン
    サ部材（１）が、１つの基板（３）とその上に設けられ
    た１つのエッチングストップ層（２）とから２層に構成
    されたシリジュームウエーハから組織化されており、エ
    ッチングストップ層（２）と基板（３）との間にドーピ
    ング移行層が生じており、振動体（21,22）がエッチン
    グストップ層（２）にパドル状に構成されており、ウエ
    ブ（41−44）がシリジュームウエーハの全厚さで構成さ
    れていることを特徴とする、回転値センサ。
  7. 【請求項７】ウエブ（41−44）にフレーム（11）内で励
    振方向で向き合って定置の対応電極（25）が、ウエブ
    （41−44）に平行に配置されかつウエブ（41−44）と対
    応する対応電極（25）との間で力を導入する手段がフレ
    ーム（10）に存在している、請求項６記載の回転値セン
    サ。
  8. 【請求項８】少なくとも１対の振動体（21,22）がそれ
    ぞれ２又はそれ以上のウエブ（41−48）において、片側
    又は両側でフレーム（10）に結合されており、少なくと
    も２つの振動体（21,22）のウエブ（41−48）により形
    成された懸吊部が互いに平行にかつ励振方向に対して直
    角に配向されている、請求項６又は７記載の回転値セン
    サ。
  9. 【請求項９】カバーとセンサ部材（１）との間の中空室
    がカバー（401,402）における空洞によって形成されて
    いる、請求項１から８までのいずれか１項記載の回転値
    センサ。
  10. 【請求項１０】カバーとセンサ部材（１）との間の中空
    室が、センサ部材（１）の厚さを、少なくとも振動体
    （21,22）と懸吊ウエブ（41−48）の範囲で減少させる
    ことで形成されている、請求項１から８までのいずれか
    １項記載の回転値センサ。
  11. 【請求項１１】センサ部材（１）の電極及び／又は少な
    くとも１つの定置の電極（23,24）の上に少なくとも１
    つのスペーサが設けられている、請求項１から10までの
    いずれか１項記載の回転値センサ。
  12. 【請求項１２】振動体（21,22）が、少なくとも１つの
    定置の電極（23,24）に向いた表面に隆起部の形をした
    スペーサ（14）を有し、該スペーサ（14）が、振動体
    （21,22）を少なくとも１つの定置の電極（23,24）に、
    スペーサ（14）の高さに相応する間隔までしか接近させ
    ない、請求項11記載の回転値センサ。
  13. 【請求項１３】センサ部材（１）が（110）−結晶配列
    のシリジュームエウーハから組織化されている、請求項
    １から13までのいずれか１項記載の回転値センサ。
  14. 【請求項１４】少なくとも１対の振動体（21,22）がそ
    れぞれ２つ又はそれ以上のウエブ（41−48）を介して両
    側でフレーム（10）に結合されており、少なくとも２つ
    の振動体（21,22）のウエブ（41−48）により形成され
    た懸吊部が、互いに平行にかつ励振方向に対して直角に
    向けられており、各振動体（21,22）の懸吊が懸吊の方
    向で、その中心軸線（23,24）に対して対称的である、
    請求項１から13までのいずれか１項記載の回転値セン
    サ。
  15. 【請求項１５】少なくとも１つの接続部（32）が１対の
    振動体の２つの振動体（21,22）の間に導電的な接続を
    形成しかつ該振動体（21,22）が直列して接続されるよ
    うに、該接続部（32）がフレーム（10）に配置されかつ
    ２つの別の接続部（31,33）に電圧をかけた場合に電流
    が懸吊ウエブ（41−48）を介して、直列して接続された
    前記振動体（21,22）を通って流れるように、該２つの
    別の接続部（31,33）がフレーム（10）に配置されてい
    る、請求項14記載の回転値センサ。
  16. 【請求項１６】磁場を形成する手段が存在しており、該
    磁場が、振動体（21,22）を通って流れる電流の方向に
    対して直角にかつ励振方向に対して直角に配向されてい
    る、請求項14又は15記載の回転値センサ。
  17. 【請求項１７】少なくとも１対の振動体（21,22）がそ
    れぞれ２つ又はそれ以上のウエブ（41−48）で両側でフ
    レームに結合されており、少なくとも２つの前記振動体
    （21,22）のウエブ（41−48）により形成された懸吊部
    がわずかな不足角で互いに平行にかつ励振方向に対して
    直角に配向され、ウエブ（41−48）の長さ変化が振動体
    （21,22）の逆向きの変位方向をもたらす、請求項１か
    ら５までのいずれか１項記載の回転値センサ。
  18. 【請求項１８】第１の振動方向での振動体（21,22）の
    励振が熱機械的に行われる、請求項17記載の回転値セン
    サ。
  19. 【請求項１９】ウエブ（41−48）に電流パルスを作用さ
    せる手段が設けられており、該電流パルスがウエブ（41
    −48）の長さを変化させる、請求項17又は18記載の回転
    値センサ。
  20. 【請求項２０】フレーム（10）内で振動体（21,22）に
    対し励振方向に定置された対応電極（25）が振動体（2
    1,22）に対して平行に配置されており、振動体（21,2
    2）と当該対応電極（25）との間で力を導入する手段が
    フレームに存在している、請求項１から５までのいずれ
    か１項記載の回転値センサ。
  21. 【請求項２１】振動体（21,22）を第１の振動方向に励
    振することを静電的に行う、請求項20記載の回転値セン
    サ。
  22. 【請求項２２】少なくとも１対の振動体（21,22）がそ
    れぞれ２つ又はそれ以上のウエブ（41−48）で片側でフ
    レーム（10）に結合されており、１対の振動体のウエブ
    （41−48）によって形成された懸吊部が互いに平行にか
    つ励振方向に対して直角に配向されている、請求項20又
    は21記載の回転値センサ。
  23. 【請求項２３】不動のフレームがグリッド状である、請
    求項１から22までのいずれか１項記載の回転値センサ。
  24. 【請求項２４】グリッド状のフレーム（10）の少なくと
    も１つのステー（102）から、両側で、対を成して振動
    体（21,22）が延びており、少なくとも１つのステー（1
    02）と共に多重同調フォーク構造を形成しており、この
    場合、振動体（21,22）が片側又は両側で、ウエブ（41
    −48）を介してフレームに結合されている、請求項23記
    載の回転値センサ。
  25. 【請求項２５】励振が１つの振動体対（211,212）を介
    して行われ、これによってこれと連結された少なくとも
    １つの別の振動体対（221,222）を振動させ、信号取出
    しを別の振動体対（221,222）において行う、請求項23
    又は24記載の回転値センサ。
  26. 【請求項２６】請求項３による回転値センサを製造する
    方法において、第１の方法段階で、シリジュームウエー
    ハ（10）のエッチングストップ層（２）によって形成さ
    れた前面側と背面側とを不動態化し、前面側における不
    動態化層（70）を、振動体（21,22）とウエブ（41−4
    4）が形成される範囲において、エッチング窓（80）が
    生じるように組織化し、エッチングストップ層（２）を
    この範囲においてエッチングすることでエッチングスト
    ップ層（２）の厚さを減少させ、次いで前面側と背面側
    の不動態化を除去し、第２の方法段階で、組織化された
    前面側と背面側とを不動態化し、背面側の不動態化層
    （701）を、振動体（21,22）とウエブ（41−44）が形成
    される範囲においてかつウエーハ（10）が完全に貫通エ
    ッチングされるところ、エッチング窓（83）が発生する
    ように組織化し、前面側の不動態化層（701）を、ウエ
    ーハ（10）が完全に貫通エッチングされる範囲において
    エッチング窓（83）が発生するように組織化し、前面側
    の不動態化層（701）を、ウエーハ（10）が完全に貫通
    エッチングされる範囲においてエッチング窓（81）が生
    じるように組織化し、背面側でエッチング窓（83）の範
    囲をエッチングストップ層（２）まで異方性エッチング
    し、組織化した背面側を不動態化し、エッチングストッ
    プ層（２）をエッチング窓（81）の範囲で完全に貫通エ
    ッチングし、前面側と背面側との不動態化層を除去する
    ことを特徴とする、回転値センサを製造する方法。
  27. 【請求項２７】第２の方法段階で組織化されていない背
    面側を不動態化するために、酸化層とその上にある窒化
    物層とを使用し、背面側を組織化したあとで窒化物層を
    除去する、請求項26記載の方法。
  28. 【請求項２８】請求項１による回転値センサを製造する
    方法であって、第１の方法段階でシリジュームウエーハ
    （10）の両方の主表面を不動態化し、不動態化層（70a,
    70b）を組織化して、振動体（21,22）とウエブ（41−4
    4）が構成される範囲にエッチング窓（80a,80b）を生ぜ
    しめ、別の層（2a,2b）の厚さをエッチングによって前
    記範囲において減少させ、次いで不動態化層（70a,70
    b）を除去し、第２の方法段階で、組織化した主面を不
    動態化し、不動態化層（701a,701b）を組織化して、ウ
    エーハ（10）が完全に貫通エッチングされる範囲にエッ
    チング窓（81a,81b）を生ぜしめ、別の層（2a,2b）をエ
    ッチング窓（81a,81b）の範囲で完全に貫通エッチング
    し、基板（３）をウエブ（41−48）の範囲で両方の別の
    層（2a,2b）の開口から出発して除去エッチングして、
    基板（３）を完全に貫通するアンダエッチング（86）を
    生ぜしめ、ウエブ（41−48）のアンダエッチングに際し
    て別の層（2a,2b）をエッチングストップ層として用
    い、次いで不動態化層（701a,701b）を除去することを
    特徴とする、回転値センサの製造法。
  29. 【請求項２９】エッチングストップ層（2,2a,2b）をp+
    −ドーピングする、請求項26から28までのいずれか１項
    記載の製造法。
  30. 【請求項３０】基板（３）とエッチングストップ層（2,
    2a,2b）との間のドーピング移行層がp/n移行層である、
    請求項26から28までのいずれか１項記載の製造法。
  31. 【請求項３１】基板（３）をエッチングする場合に、エ
    ッチングストップ層（2,2a,2b）をp/n移行層に遮断方向
    に電圧をかけることにより不動態化する、請求項30記載
    の製造法。
  32. 【請求項３２】第１の方法段階の前に、シリジュームウ
    エーハ（10）を３層に構成するためにｐ−ドーピングさ
    れた基体（３）の両方の表面をウエブ（41−48）が構成
    される範囲においてかつ少なくとも１つのエッチングス
    トップ接続部（74a,74b）への接続範囲において両方の
    主面の各々をマスキングし、両方のマスキングされた主
    面をp+−ドーピングし、次いで両方の主面においてそれ
    ぞれ１つのｎ−エピタキシャル層（2a,2b）を析出し、
    ｎ−エピタキシャル層（2a,2b）をエッチングストップ
    接続部（74a,74b）の範囲で不動態化し、次いで表面の
    上にポジティブなイオンを含有するガラス層（73a,73
    b）を施し、別のプロセス段階で、有利には加熱によっ
    てp+−層（2a,2b）のp+−ドーピングとガラス層（73a,7
    3b）をポジティブなイオンをｎ−エピタキシャル層（2
    a,2b）内に駆進させ、それらがオーバラップし、本来の
    マスキングされたｎ領域（6a,6b,2a,2b）においてのみ
    残るようにし、次いでガラス層（73a,73b）を除く、請
    求項28記載の製造法。
  33. 【請求項３３】ガラス層（73a,73b）がボアイオンを含
    有している、請求項31又は32記載の製造法。
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