JP3429780B2 - 半導体加速度計の懸架構造 - Google Patents
半導体加速度計の懸架構造Info
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- JP3429780B2 JP3429780B2 JP50482099A JP50482099A JP3429780B2 JP 3429780 B2 JP3429780 B2 JP 3429780B2 JP 50482099 A JP50482099 A JP 50482099A JP 50482099 A JP50482099 A JP 50482099A JP 3429780 B2 JP3429780 B2 JP 3429780B2
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
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- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/082—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for two degrees of freedom of movement of a single mass
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体加速度計の懸架構造に関し、より詳
細には装置全体に完全な対称を提供するかかる構造に関
する。
細には装置全体に完全な対称を提供するかかる構造に関
する。
表面マイクロ加工（マイクロマシニング）は、薄膜ミ
クロ構造材料（通常はポリシリコン）を電気犠牲スペー
サ層（通常、二酸化珪素）上に蒸着してパターニングし
た後、このスペーサを取り除いて自立マイクロ構造を解
放するというICコンパチブル技術である。この技術は、
アナログデバイス社（Analog Devices,Inc.）により、
集積化された加速度計の製造に用いられている。この装
置は通常、可動質量（ムービング・マス）と、この可動
質量に関連する電極内で交互嵌合した固定片持ち（カン
チレバー）電極とを含む。構造が受感軸方向に加速され
ると、固定電極指と可動電極指との容量が変化して測定
可能な信号が発生する。懸架（サスペンション）テザー
は、非受感面内軸における運動に抵抗すべく設計されて
いる。
クロ構造材料（通常はポリシリコン）を電気犠牲スペー
サ層（通常、二酸化珪素）上に蒸着してパターニングし
た後、このスペーサを取り除いて自立マイクロ構造を解
放するというICコンパチブル技術である。この技術は、
アナログデバイス社（Analog Devices,Inc.）により、
集積化された加速度計の製造に用いられている。この装
置は通常、可動質量（ムービング・マス）と、この可動
質量に関連する電極内で交互嵌合した固定片持ち（カン
チレバー）電極とを含む。構造が受感軸方向に加速され
ると、固定電極指と可動電極指との容量が変化して測定
可能な信号が発生する。懸架（サスペンション）テザー
は、非受感面内軸における運動に抵抗すべく設計されて
いる。
半導体加速度計の素子、特に可動質量は非常に大きさ
が小さいために問題がある。例えばポリシリコンなどの
使用材料は、質量などの素子の厚さを通じて応力勾配が
均一であるため、素子が曲がったり反ったりしやすくな
る。さらに、質量の引張り応力により収縮が起こりやす
い。質量の高さが部分的に低く、よって基板表面に近い
と、接触や固着の可能性がある。質量が下方に位置する
基板に接触又は固着すると、加速測定が不正確になる。
また、素子が曲がったり反ったりすると、電極の整列が
悪くなり、測定の性能に影響する。これらの問題の全て
は、応答のトリミング（調整）によって最適化できる
が、かかる技術は時間を要するとともに高価である。
が小さいために問題がある。例えばポリシリコンなどの
使用材料は、質量などの素子の厚さを通じて応力勾配が
均一であるため、素子が曲がったり反ったりしやすくな
る。さらに、質量の引張り応力により収縮が起こりやす
い。質量の高さが部分的に低く、よって基板表面に近い
と、接触や固着の可能性がある。質量が下方に位置する
基板に接触又は固着すると、加速測定が不正確になる。
また、素子が曲がったり反ったりすると、電極の整列が
悪くなり、測定の性能に影響する。これらの問題の全て
は、応答のトリミング（調整）によって最適化できる
が、かかる技術は時間を要するとともに高価である。
発明の概要
したがって、本発明の例示的な一実施形態において
は、基板と、基板の表面上方に基板の表面から離れて懸
架された層と、前記基板と前記層との間に接続され、基
板に平行な平面に対する前記層の制限された運動を許可
する複数の懸架部材とを含む半導体装置が提供される。
各懸架部材は、互いに対称的に形成された複数の可撓性
アームを含む。
は、基板と、基板の表面上方に基板の表面から離れて懸
架された層と、前記基板と前記層との間に接続され、基
板に平行な平面に対する前記層の制限された運動を許可
する複数の懸架部材とを含む半導体装置が提供される。
各懸架部材は、互いに対称的に形成された複数の可撓性
アームを含む。
本発明の別の例示的な実施形態においては、半導体基
板と、基板の表面上方に懸架され、基板表面から離れて
位置する導電材料の層であって、少なくとも１つの第１
容量性素子を含む層と、前記少なくとも１つの第１容量
性素子に平行して並置された、前記基板に関連する少な
くとも１つの第２容量性素子であって、前記第１の容量
性素子とにより前記第１の層の運動の加速に応じて変化
する可変容量を生成する第２の容量性素子と、前記基板
と前記層との間に接続され、基板に平行な平面に対する
前記層の制限された運動を許可する複数の懸架部材とを
含む半導体加速度計が提供される。各懸架部材は、互い
に対称的に形成された複数の可撓性アームを含む。
板と、基板の表面上方に懸架され、基板表面から離れて
位置する導電材料の層であって、少なくとも１つの第１
容量性素子を含む層と、前記少なくとも１つの第１容量
性素子に平行して並置された、前記基板に関連する少な
くとも１つの第２容量性素子であって、前記第１の容量
性素子とにより前記第１の層の運動の加速に応じて変化
する可変容量を生成する第２の容量性素子と、前記基板
と前記層との間に接続され、基板に平行な平面に対する
前記層の制限された運動を許可する複数の懸架部材とを
含む半導体加速度計が提供される。各懸架部材は、互い
に対称的に形成された複数の可撓性アームを含む。
本発明の別の例示的な実施形態においては、半導体加
速度計における懸架された層であって、基板上方に基板
から離れて懸架される層の取り付け構造が提供される。
この構造は、基板に関連する共通アンカポイントと、前
記懸架された層に関連する第１及び第２のアンカポイン
トと、第１のアンカポイントと共通アンカポイントとの
間に接続された第１の可撓性蛇行アームと、第２のアン
カポイントの共通アンカポイントとの間に接続された第
２の可撓性蛇行アームとを含む。前記第１及び第２の可
撓性蛇行アームは、互いに対して対称に形成されてい
る。
速度計における懸架された層であって、基板上方に基板
から離れて懸架される層の取り付け構造が提供される。
この構造は、基板に関連する共通アンカポイントと、前
記懸架された層に関連する第１及び第２のアンカポイン
トと、第１のアンカポイントと共通アンカポイントとの
間に接続された第１の可撓性蛇行アームと、第２のアン
カポイントの共通アンカポイントとの間に接続された第
２の可撓性蛇行アームとを含む。前記第１及び第２の可
撓性蛇行アームは、互いに対して対称に形成されてい
る。
図面の簡単な説明
図１は、本発明による懸架部材を利用する半導体２軸
加速度計の例示的な実施形態を示す平面図である。
加速度計の例示的な実施形態を示す平面図である。
図２は、本発明による懸架部材の拡大平面図である。
図３は、本発明による懸架部材の蛇行アームの拡大平
面図である。
面図である。
図４は、蛇行アームを有する懸架部材の概略図であ
る。
る。
図5A及び図5Bは、それぞれ、各蛇行アームに対する合
成ばね定数と個別ばね定数とを示す懸架部材の概略図で
ある。
成ばね定数と個別ばね定数とを示す懸架部材の概略図で
ある。
図６は、図５の懸架部材について、処理による幅の変
化に対するKX/KY定数の割合を示したグラフである。
化に対するKX/KY定数の割合を示したグラフである。
図７は、図５の懸架部材の、厚さに対するばね定数の
変化を示す図である。
変化を示す図である。
図８は、蛇行アームの長ビームの長さに対するばね定
数KX/KYを示すグラフである。
数KX/KYを示すグラフである。
図９は、蛇行アームの短ビームの長さに対するばね定
数KX/KYを示すグラフである。
数KX/KYを示すグラフである。
例示的実施形態の詳細な説明
説明のために、本発明の懸架構造の例示的な実施形態
を、２軸加速度計において構成する。図１には、マイク
ロ加工された２軸加速度計100の例示的な実施形態の平
面図が示されている。
を、２軸加速度計において構成する。図１には、マイク
ロ加工された２軸加速度計100の例示的な実施形態の平
面図が示されている。
加速度計100は、基板102及び導電性質量層104を含
む。質量層104は、その下部に位置する基板102と平行に
これから離れて形成されている。質量層104は、４つの
懸架部材106a−106dにより相対的に移動自在に取り付け
られている。各懸架部材は、アンカ108a−108dによって
その１点が基板にしっかりと固定され、質量層104の各
角部110a−110dに対角線状に固定されている。
む。質量層104は、その下部に位置する基板102と平行に
これから離れて形成されている。質量層104は、４つの
懸架部材106a−106dにより相対的に移動自在に取り付け
られている。各懸架部材は、アンカ108a−108dによって
その１点が基板にしっかりと固定され、質量層104の各
角部110a−110dに対角線状に固定されている。
例示的な実施形態においては、質量層104は基板の表
面の上方約1.6μｍに懸架されている。質量層104は、好
ましくは正方形の、非直線形状を有し、横断方向にほぼ
40μｍ、厚さが２μｍである。
面の上方約1.6μｍに懸架されている。質量層104は、好
ましくは正方形の、非直線形状を有し、横断方向にほぼ
40μｍ、厚さが２μｍである。
図１に示された例示的な実施形態においては、各懸架
部材106は、第１及び第２の蛇行アーム112,114を含む。
これらの蛇行アームは、基板102と質量層104といずれに
も平行な平面における２つの直交軸（Ｘ及びＹ）、及び
基板に垂直な第３の軸（Ｚ）におけるある程度の質量層
104の限定された運動を許容すべく形成されている。懸
架部材106は、構造にコンプライアンスを付加し、質量
層における引張り応力の問題を解決する。さらに、加速
度計100全体は、４倍のシメトリを持つことにより完全
に対称的である。
部材106は、第１及び第２の蛇行アーム112,114を含む。
これらの蛇行アームは、基板102と質量層104といずれに
も平行な平面における２つの直交軸（Ｘ及びＹ）、及び
基板に垂直な第３の軸（Ｚ）におけるある程度の質量層
104の限定された運動を許容すべく形成されている。懸
架部材106は、構造にコンプライアンスを付加し、質量
層における引張り応力の問題を解決する。さらに、加速
度計100全体は、４倍のシメトリを持つことにより完全
に対称的である。
加速度計100は、以下の特許に詳細に記載される表面
マイクロ加工技術を使用して、シリコン基板及びポリシ
リコンの質量層104で製造されている。すなわち、米国
特許第5,345,824号、5,417,111号、5,465,604号、5,48
7,305号、5,540,095号、5,543,013号、5,565,625号、5,
578,224号、5,620,931号、及び5,621,157号である。な
お、加速度計構造は、決してポリシリコンに限られるも
のではなく、例えばメッキ金属、酸化／金属合成物、ま
たはバルクシリコンなどが使用できる。一般的には、加
速度計構造は、懸架部材を介して基板に接続された耐慣
性質量（イナーシャル・プルーフ・マス）で構成されて
いる。基板の平面における加速が、以下に説明するよう
に、容量性電極（すなわち、電極指または電極板）によ
って測定される。
マイクロ加工技術を使用して、シリコン基板及びポリシ
リコンの質量層104で製造されている。すなわち、米国
特許第5,345,824号、5,417,111号、5,465,604号、5,48
7,305号、5,540,095号、5,543,013号、5,565,625号、5,
578,224号、5,620,931号、及び5,621,157号である。な
お、加速度計構造は、決してポリシリコンに限られるも
のではなく、例えばメッキ金属、酸化／金属合成物、ま
たはバルクシリコンなどが使用できる。一般的には、加
速度計構造は、懸架部材を介して基板に接続された耐慣
性質量（イナーシャル・プルーフ・マス）で構成されて
いる。基板の平面における加速が、以下に説明するよう
に、容量性電極（すなわち、電極指または電極板）によ
って測定される。
基板102と質量層104のいずれにも、Ｘ及びＹ軸方向の
運動を検出するための構造が取り付けられている。図示
される実施形態では、この構造は複数の相互嵌合した電
極指である。質量層104は、その４つの辺からＸ及びＹ
軸方向にそれぞれ外向きに、質量層104の平面において
延びる、平行して互いに間隔を取って並ぶ複数の電極指
116及び118を含んでいる。
運動を検出するための構造が取り付けられている。図示
される実施形態では、この構造は複数の相互嵌合した電
極指である。質量層104は、その４つの辺からＸ及びＹ
軸方向にそれぞれ外向きに、質量層104の平面において
延びる、平行して互いに間隔を取って並ぶ複数の電極指
116及び118を含んでいる。
一方、基板102は、質量層104の平面において、質量層
104の各辺に向かって内向きに延びるように配置され
た、電気的に取り付けられた、互いに離れて平行する複
数の電極指120,122,124及び126を含む。電極指対120及
び122と124及び126とは、各電極指が電極指116及び118
にそれぞれ平行し、その長さ方向が電極指116及び118に
それぞれ近接することにより容量が生成されるように配
置されている。電極指120及び122は、Ｘ軸に平行し、同
様にＸ軸に平行な電極指116と対向すべく配置されてい
る。一方、電極指124及び126は、Ｙ軸に平行し、同様に
Ｙ軸に平行な電極指118と対向すべく配置されている。
例示的な実施形態では、これらの電極指は、幅が４μ
ｍ、厚さが２μｍの形状を有し、重複する長さが100μ
ｍである。
104の各辺に向かって内向きに延びるように配置され
た、電気的に取り付けられた、互いに離れて平行する複
数の電極指120,122,124及び126を含む。電極指対120及
び122と124及び126とは、各電極指が電極指116及び118
にそれぞれ平行し、その長さ方向が電極指116及び118に
それぞれ近接することにより容量が生成されるように配
置されている。電極指120及び122は、Ｘ軸に平行し、同
様にＸ軸に平行な電極指116と対向すべく配置されてい
る。一方、電極指124及び126は、Ｙ軸に平行し、同様に
Ｙ軸に平行な電極指118と対向すべく配置されている。
例示的な実施形態では、これらの電極指は、幅が４μ
ｍ、厚さが２μｍの形状を有し、重複する長さが100μ
ｍである。
例示のため、質量層104及びその電極指116と118は、
懸架部材106の１つ以上を介して共通ポテンシャルに接
続されている。固定電極指120どうしは電気的に接続さ
れ、固定電極指122どうしも電気的に接続されている。
したがって、各可動電極指116と近接する対応固定電極
指120及び122との間には可変容量が形成される。さら
に、固定電極指124どうし及び固定電極指126どうしも電
気的に接続されているので、各可動電極指118と近接す
る対応固定電極指124及び126との間にも可変容量が形成
される。
懸架部材106の１つ以上を介して共通ポテンシャルに接
続されている。固定電極指120どうしは電気的に接続さ
れ、固定電極指122どうしも電気的に接続されている。
したがって、各可動電極指116と近接する対応固定電極
指120及び122との間には可変容量が形成される。さら
に、固定電極指124どうし及び固定電極指126どうしも電
気的に接続されているので、各可動電極指118と近接す
る対応固定電極指124及び126との間にも可変容量が形成
される。
各固定電極指と対応する隣接可動電極指との間に容量
が生成されるのは、電極指どうしがごく近接して平行で
あるためである。しかしながら、このような電極指対の
容量は非常に小さく、複数の平行する電極指を接続する
ことにより、例えば約100フェムトファラドの測定可能
な容量を得ることができる。例えば、可動電極指116が
固定電極指120の方向に固定電極指122から遠ざかるよう
に移動すると、差動容量が生成される。容量の変化は処
理回路により測定され、回路は、電極指116の移動を引
き起こした質量層104の加速に対応する信号にこの差動
容量を変換する。
が生成されるのは、電極指どうしがごく近接して平行で
あるためである。しかしながら、このような電極指対の
容量は非常に小さく、複数の平行する電極指を接続する
ことにより、例えば約100フェムトファラドの測定可能
な容量を得ることができる。例えば、可動電極指116が
固定電極指120の方向に固定電極指122から遠ざかるよう
に移動すると、差動容量が生成される。容量の変化は処
理回路により測定され、回路は、電極指116の移動を引
き起こした質量層104の加速に対応する信号にこの差動
容量を変換する。
図示された加速度計100の例示的な実施形態には、３
つの主な効果がある。第１に、この構造は４倍のシメト
リを有するため、Ｘ及びＹ軸いずれの方向においても同
一の応答が得られる。第２に、容量性電極または電極指
は、差動容量が測定されるように配列されているので、
より良好な線形性（linearity）が生成される。さら
に、２つの単一軸面内加速度計を使用する場合より構造
を小さくできる。質量をＸ及びＹ軸で共有することによ
り、本発明はシリコンチップ領域をより有効に活用でき
る。
つの主な効果がある。第１に、この構造は４倍のシメト
リを有するため、Ｘ及びＹ軸いずれの方向においても同
一の応答が得られる。第２に、容量性電極または電極指
は、差動容量が測定されるように配列されているので、
より良好な線形性（linearity）が生成される。さら
に、２つの単一軸面内加速度計を使用する場合より構造
を小さくできる。質量をＸ及びＹ軸で共有することによ
り、本発明はシリコンチップ領域をより有効に活用でき
る。
図２は、本発明による第１及び第２の蛇行アーム212,
214を有する懸架部材206の例示的な実施形態の拡大平面
図である。懸架部材206は、接続ポイント220及び222に
おいて、関連する質量層204の角部に固定されている。
懸架部材は、さらに、アンカ208を介して下部に位置す
る基板202に接続されている。図１の実施形態に関して
説明したように、アンカは、懸架部材206と質量層204の
いずれをも、基板表面の上方ほぼ1.6μｍの位置に懸架
する。さらに、懸架部材は、軸Ａに対して完全に対称的
である。
214を有する懸架部材206の例示的な実施形態の拡大平面
図である。懸架部材206は、接続ポイント220及び222に
おいて、関連する質量層204の角部に固定されている。
懸架部材は、さらに、アンカ208を介して下部に位置す
る基板202に接続されている。図１の実施形態に関して
説明したように、アンカは、懸架部材206と質量層204の
いずれをも、基板表面の上方ほぼ1.6μｍの位置に懸架
する。さらに、懸架部材は、軸Ａに対して完全に対称的
である。
図３には、図２に示されるような懸架部材において使
用される単一の蛇行アーム312の例示的な実施形態が示
されている。蛇行アームは、直線エレメント330とギャ
ップ340、すなわち直線エレメントが曲がった時に形成
される直線エレメントどうしの空間とを含む。例示的な
実施形態では、直線エレメント330は公称、２μｍ±0.2
μｍ（製造プロセスにより）の幅を有し、ギャップ340
は公称、幅が１μｍ±0.2μｍ（製造プロセスにより）
の幅を有する。なお、蛇行アームは、Ｘ軸に対しばね定
数kxを有し、Ｙ軸に対してばね定数kyを有する。このよ
うな構造の共振周波数を、 （ｆは共振周波数、ｋはばね定数、Ｍは質量）とする。
さらに、このような構造の利得に対するスケールファク
タ（位置の変化）を、ｘ＝Ga＝（M/K）ａ（Ｇは利得、
ｘは位置、ａは加速）とする。
用される単一の蛇行アーム312の例示的な実施形態が示
されている。蛇行アームは、直線エレメント330とギャ
ップ340、すなわち直線エレメントが曲がった時に形成
される直線エレメントどうしの空間とを含む。例示的な
実施形態では、直線エレメント330は公称、２μｍ±0.2
μｍ（製造プロセスにより）の幅を有し、ギャップ340
は公称、幅が１μｍ±0.2μｍ（製造プロセスにより）
の幅を有する。なお、蛇行アームは、Ｘ軸に対しばね定
数kxを有し、Ｙ軸に対してばね定数kyを有する。このよ
うな構造の共振周波数を、 （ｆは共振周波数、ｋはばね定数、Ｍは質量）とする。
さらに、このような構造の利得に対するスケールファク
タ（位置の変化）を、ｘ＝Ga＝（M/K）ａ（Ｇは利得、
ｘは位置、ａは加速）とする。
本発明の蛇行アームの懸架により、最小チップ領域に
おいて、生成される最大の構造コンプライアンスが最大
となる。懸架部材におけるギャップは容量性電極（電極
指）におけるギャップに追従することが可能であり、構
造全体の応答に関するオーバーエッチの影響を最小化す
ることができる。図１に示した実施形態の４倍シメトリ
は、Ｘ軸とＹ軸との間の最良の整合を生成するために維
持しなければならない。言い換えると、Ｘ及びＹの利得
は同一でなければならない。２倍のシメトリを使用する
こともできるが、整合の正確性は劣る。軸間のクロスト
ークの原因は２つある。主たる原因は、Ｘ軸とＹ軸との
エッチング特性どうしの、わずかな機械的不整合であ
る。さらには、質量層の位置の検出に用いられる復調技
術の結果である電気的なクロストークも起こり得る。
おいて、生成される最大の構造コンプライアンスが最大
となる。懸架部材におけるギャップは容量性電極（電極
指）におけるギャップに追従することが可能であり、構
造全体の応答に関するオーバーエッチの影響を最小化す
ることができる。図１に示した実施形態の４倍シメトリ
は、Ｘ軸とＹ軸との間の最良の整合を生成するために維
持しなければならない。言い換えると、Ｘ及びＹの利得
は同一でなければならない。２倍のシメトリを使用する
こともできるが、整合の正確性は劣る。軸間のクロスト
ークの原因は２つある。主たる原因は、Ｘ軸とＹ軸との
エッチング特性どうしの、わずかな機械的不整合であ
る。さらには、質量層の位置の検出に用いられる復調技
術の結果である電気的なクロストークも起こり得る。
本発明のような対称懸架構成を用いる利点は、kx及び
kyの割合が製造プロセスの変化に関して一定であること
である。絶対値は変化するが、他方の軸に関連しない。
一方の軸を調整すれば、他方の軸の調整は必要ない。蛇
行構成は、単位シリコンウェーハ領域に対して最低のコ
ンプライアンスを有する。
kyの割合が製造プロセスの変化に関して一定であること
である。絶対値は変化するが、他方の軸に関連しない。
一方の軸を調整すれば、他方の軸の調整は必要ない。蛇
行構成は、単位シリコンウェーハ領域に対して最低のコ
ンプライアンスを有する。
図４に関し、蛇行ばねの基本理論を説明する。図４は
蛇行ばね400の概略図である。図示される蛇行ばねは、
６つの短ビームａ（402）及び６つの長ビームｂ（404）
を有する３つのループを含む。ここで、この蛇行ばねの
直線エレメントは方形の断面を有すると仮定する。さら
に、Ｘ軸及びＹ軸におけるばね定数は、幅の関数である
ことがわかる。
蛇行ばね400の概略図である。図示される蛇行ばねは、
６つの短ビームａ（402）及び６つの長ビームｂ（404）
を有する３つのループを含む。ここで、この蛇行ばねの
直線エレメントは方形の断面を有すると仮定する。さら
に、Ｘ軸及びＹ軸におけるばね定数は、幅の関数である
ことがわかる。
蛇行ばねは、全て大きいｎ（large n）に対して次の
ように分析される。
ように分析される。
ここでの係数ｎは、長ビーム404の数プラス１であり、
図示されたケースでは、ｎ＝７である。さらに、ｃ＝
（Iz,ba）／（Iz,a）,Iｚ、ｂ＝（1/12）twb 3,Iz,a＝
（1/12）twa 3,Ix,a＝（1/12）wat3（ｔは直線エレメン
トの厚さ、waはビームａの幅、wbはビームｂの幅、Ｅは
ヤング率、Ｇはせん断弾性係数、Jbは回転モーメント）
である。
図示されたケースでは、ｎ＝７である。さらに、ｃ＝
（Iz,ba）／（Iz,a）,Iｚ、ｂ＝（1/12）twb 3,Iz,a＝
（1/12）twa 3,Ix,a＝（1/12）wat3（ｔは直線エレメン
トの厚さ、waはビームａの幅、wbはビームｂの幅、Ｅは
ヤング率、Ｇはせん断弾性係数、Jbは回転モーメント）
である。
図5Aは、２つの蛇行アーム502及び504を有する、図２
に示された懸架部材200と同様の懸架部材500の概略図で
ある。懸架部材は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸における合成ばね定
数、すなわちKX,KY,KZを有する。図5Bは、各蛇行アーム
502及び504を更に分析的に分解した懸架部材500の概略
図である。
に示された懸架部材200と同様の懸架部材500の概略図で
ある。懸架部材は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸における合成ばね定
数、すなわちKX,KY,KZを有する。図5Bは、各蛇行アーム
502及び504を更に分析的に分解した懸架部材500の概略
図である。
ここで、理想的には各蛇行アームにおいて、ループす
なわちターンの数、ならびに長短のビームの長さ及び幅
が等しいのが好ましい。よって、ａ＝a2,b＝b2,wa＝
wa2,wb＝wb2となる。
なわちターンの数、ならびに長短のビームの長さ及び幅
が等しいのが好ましい。よって、ａ＝a2,b＝b2,wa＝
wa2,wb＝wb2となる。
したがって、KX＝kx1＋ky2、KY＝ky1＋kx2,KZ＝kz1＋
kz2であることがわかる。よって、KXY＝KX/KYである。
kz2であることがわかる。よって、KXY＝KX/KYである。
Ｘ及びＹ軸におけるばね定数が幅の関数であることを
既に説明した。したがって、幅は処理の影響により変化
しやすい。図４に示すような単一の蛇行アームの公称幅
の場合、kx＝kyである。単一の蛇行アームの公称幅でな
い場合、 である。この状況では、Ｘ軸及びＹ軸に対する測定され
た信号は変化するため、さらなる調整が必要になる。
既に説明した。したがって、幅は処理の影響により変化
しやすい。図４に示すような単一の蛇行アームの公称幅
の場合、kx＝kyである。単一の蛇行アームの公称幅でな
い場合、 である。この状況では、Ｘ軸及びＹ軸に対する測定され
た信号は変化するため、さらなる調整が必要になる。
しかしながら、本発明の懸架部材500においては、Ｘ
軸及びＹ軸の利得が同一である必要性が高まる。Ｘ軸に
対するばね定数KXおよびＹ軸のばね定数KYは、等式KX＝
kx1＋ky2、及びKY＝ky1＋kx2の要素により互いを追従す
る。蛇行アームは、より好ましい平均化のために長いア
ームを提供し、局所効果を最小化する。蛇行アームを有
する懸架部材500は、所与のいかなる方向においても剛
性（stiffness）が同一であるように、接続された質量
層コンプライアンスを与える。
軸及びＹ軸の利得が同一である必要性が高まる。Ｘ軸に
対するばね定数KXおよびＹ軸のばね定数KYは、等式KX＝
kx1＋ky2、及びKY＝ky1＋kx2の要素により互いを追従す
る。蛇行アームは、より好ましい平均化のために長いア
ームを提供し、局所効果を最小化する。蛇行アームを有
する懸架部材500は、所与のいかなる方向においても剛
性（stiffness）が同一であるように、接続された質量
層コンプライアンスを与える。
図６は、懸架部材500に対する処理による幅の変化に
対して、一定で１に等しいKX/KYの割合を示すグラフで
ある。さらに、kx1/ky1及びkx2/ky2の割合も幅の変化に
対して一定であるが、この場合は１ではない。２つの蛇
行アームを関連させて用いて本発明の４倍シメトリを生
成することにより、製造プロセスが変化してもKX＝KYを
実現することができる。
対して、一定で１に等しいKX/KYの割合を示すグラフで
ある。さらに、kx1/ky1及びkx2/ky2の割合も幅の変化に
対して一定であるが、この場合は１ではない。２つの蛇
行アームを関連させて用いて本発明の４倍シメトリを生
成することにより、製造プロセスが変化してもKX＝KYを
実現することができる。
図７は、懸架部材500の厚さに対するばね定数の変化
を表すグラフである。図から、厚さの変化は、ばね定数
にKX/KYに影響しないことがわかる。図８は、長ビーム
ｂの長さに対するばね定数KX/KYを表している。なお、
ｎ＝19,a＝3.3μm,t＝２μm,w＝２μｍである。図９
は、短ビームａの長さに対するばね定数KX/KYを表して
いる。なお、ｎ＝19,b＝80.2μm,t＝２μm,w＝２μｍで
ある。
を表すグラフである。図から、厚さの変化は、ばね定数
にKX/KYに影響しないことがわかる。図８は、長ビーム
ｂの長さに対するばね定数KX/KYを表している。なお、
ｎ＝19,a＝3.3μm,t＝２μm,w＝２μｍである。図９
は、短ビームａの長さに対するばね定数KX/KYを表して
いる。なお、ｎ＝19,b＝80.2μm,t＝２μm,w＝２μｍで
ある。
以上の説明は、本発明を例示するために述べられたも
のであり、本発明を限定するものではない。本発明の範
囲及び実体を組み込んだ、例示された実施形態の修正
を、本発明の請求の範囲及びその等価物の範囲で行うこ
とが当業者には可能である。
のであり、本発明を限定するものではない。本発明の範
囲及び実体を組み込んだ、例示された実施形態の修正
を、本発明の請求の範囲及びその等価物の範囲で行うこ
とが当業者には可能である。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−249138（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−318649（ＪＰ，Ａ)
米国特許5025346（ＵＳ，Ａ)
Ｈａｉｄａｒ Ａｈｍａｄ ｅｔ ａ
ｌ．，Ａ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
ａｌ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ａ
ｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＩＥＥＥ
ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＩＮ
ＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＡＮＤ
ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ，1997年 ２
月，ＶＯＬ．46，ＮＯ．１，ｐａｇｅｓ
18−26
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01P 15/125
H01L 29/84
Claims (16)
- 【請求項１】基板と、 前記基板の表面上方に表面から所定距離離れて懸架され
た、前記基板に平行な平面内のＸ方向および前記Ｘ方向
と直交するＹ方向の運動を検出するための少なくとも各
１つの第１容量性素子を有する層と、 前記第１容量性素子との間に第１ギャップを形成するよ
うに前記第１容量性素子に並置して前記基板上に設けら
れた少なくとも各１つの第２容量性素子と、 前記基板と前記層との間に配置され、前記基板に平行な
平面に対する前記層の制限された運動を許可する複数対
の懸架部材であって、各対がＸ軸およびＹ軸のそれぞれ
に対して45゜の角度をなすＡ軸またはＡ軸との直交軸に
対して対称的に形成され、各対の一方の蛇行可撓性アー
ムは第２ギャップ方向がＸ軸に沿って配置され、他方の
蛇行可撓性アームは第２ギャップ方向がＹ軸に沿って配
置された、第２ギャップを有する蛇行可撓性アームを含
む、複数の懸架部材と、 を有する半導体装置であって、 前記層の前記Ｘ方向の運動に伴って前記Ｘ方向に対応す
る第２ギャップ及び前記Ｘ方向に対応する第１ギャップ
が変化し、前記層の前記Ｙ方向の運動に伴って前記Ｙ方
向に対応する第２ギャップ及び前記Ｙ方向に対応する第
１ギャップが変化するように構成され、前記懸架部材の
各対は前記Ｘ方向の応答が前記Ｙ方向の応答と等しくな
るようなばね定数を有し、前記装置は基板の平面におい
てＸ軸、Ｙ軸、Ａ軸およびＡ軸との直交軸に対して対称
的である半導体装置。 - 【請求項２】請求の範囲１に記載の装置において、前記
懸架部材は柔軟性を持ち、前記層の懸架に撓みを与える
ことを特徴とする装置。 - 【請求項３】請求の範囲１に記載の装置において、前記
懸架部材の各対は前記層の４つの角部に接続されている
ことを特徴とする装置。 - 【請求項４】請求の範囲１に記載の装置において、前記
装置は加速度計であることを特徴とする装置。 - 【請求項５】請求の範囲１に記載の装置において、各蛇
行可撓性アームは第２ギャップ方向のばね定数と第２ギ
ャップ方向と直交する方向のばね定数が異なることを特
徴とする装置。 - 【請求項６】半導体基板と、 前記基板の表面上方に表面から所定距離離れて懸架され
た導電性材料の層であって、前記基板に平行な平面内の
Ｘ方向および前記Ｘ方向の直交するＹ方向の運動を検出
するための少なくとも各１つの第１容量性素子を有する
層と、 前記第１容量性素子との間に第１ギャップを形成するよ
うに前記第１容量性素子に並置して前記基板上に設けら
れた少なくとも各１つの第２容量性素子であって、前記
第１容量性素子とにより、前記層の運動の加速に応じて
変化する可変容量を生成する第２容量性素子と、 前記基板と前記層との間に配置され、前記基板に平行な
平面に対する前記層の制限された運動を許可する複数対
の懸架部材であって、各対がＸ軸およびＹ軸のそれぞれ
に対して45゜の角度をなすＡ軸またはＡ軸との直交軸に
対して対称的に形成され、各対の一方の蛇行可撓性アー
ムは第２ギャップ方向がＸ軸に沿って配置され、他方の
蛇行可撓性アームは第２ギャップ方向がＹ軸に沿って配
置された、第２ギャップを有する蛇行可撓性アームを含
む複数の懸架部材と、 を有する半導体加速度計であって、 前記層の前記Ｘ方向の運動に伴って前記Ｘ方向に対応す
る第２ギャップ及び前記Ｘ方向に対応する第１ギャップ
が変化し、前記層の前記Ｙ方向の運動に伴って前記Ｙ方
向に対応する第２ギャップ及び前記Ｙ方向に対応する第
１ギャップが変化するように構成され、前記懸架部材の
各対は前記Ｘ方向の応答が前記Ｙ方向の応答と等しくな
るようなばね定数を有し、前記装置は基板の平面におい
てＸ軸、Ｙ軸、Ａ軸およびＡ軸との直交軸に対して対称
的である半導体加速度計。 - 【請求項７】請求の範囲６に記載の加速度計において、
前記懸架部材は柔軟性を持ち、前記層の懸架に撓みを与
えることを特徴とする加速度計。 - 【請求項８】請求の範囲６に記載の加速度計において、
前記懸架部材の各対は前記層の４つの角部に接続されて
いることを特徴とする加速度計。 - 【請求項９】請求の範囲６に記載の加速度計において、
前記加速度計は多軸加速度計である特徴とする加速度
計。 - 【請求項１０】請求の範囲６に記載の加速度計におい
て、前記層の運動の加速は、前記少なくとも各１つの第
１容量性素子と前記少なくとも各１つの第２容量性素子
との間に生成される差動容量に応じて測定されることを
特徴とする加速度計。 - 【請求項１１】請求の範囲６に記載の加速度計におい
て、各蛇行可撓性アームは第２ギャップ方向のばね定数
と第２ギャップ方向と直交する方向のばね定数が異なる
ことを特徴とする加速度計。 - 【請求項１２】半導体加速度計において基板に懸架され
た層であって、前記基板に平行な平面に対する前記層の
制限された運動を許可するように、基板の上方に基板か
ら所定距離離れて懸架された、前記基板に平行な平面内
のＸ方向および前記Ｘ方向と直交するＹ方向の運動を検
出するための少なくとも各１つの第１容量性素子を有す
る層と、 前記第１容量性素子との間に第１ギャップを形成するよ
うに前記第１容量性素子に並置して前記基板上に設けら
れた少なくとも各１つの第２容量性素子と、 の取り付け構造であって、 各対の懸架部材はそれぞれの一端が前記基板に固定され
た共通アンカに接続され、それぞれの他端が層の角部に
固定されている第１の可撓性蛇行アームと、第２の可撓
性蛇行アームと、 を含み、 前記第１及び第２の可撓性蛇行アームは、Ｘ軸およびＹ
軸のそれぞれに対して45゜の角度をなすＡ軸またはＡ軸
との直交軸に対して対称的に配置され、各々第２ギャッ
プを有する構造であって、 前記第１及び第２の可撓性蛇行アームは、一方がＸ方向
に対応し他方がＹ方向に対応しており、 前記層の前記Ｘ方向の運動に伴って前記Ｘ方向に対応す
る第２ギャップ及び前記Ｘ方向に対応する第１ギャップ
が変化し、前記層の前記Ｙ方向の運動に伴って前記Ｙ方
向に対応する第２ギャップ及び前記Ｙ方向に対応する第
１ギャップが変化するように構成され、前記懸架部材の
各対は前記Ｘ方向の応答が前記Ｙ方向の応答と等しくな
るようなばね定数を有し、前記加速度計は基板の平面に
おいてＸ軸、Ｙ軸、Ａ軸およびＡ軸との直交軸に対して
対称である構造。 - 【請求項１３】請求の範囲12に記載の構造において、前
記可撓性蛇行アームは柔軟性を持ち、前記層の懸架に撓
みを与えることを特徴とする構造。 - 【請求項１４】請求の範囲12に記載の構造において、前
記可撓性蛇行アームの各対は前記層の４つの角部に接続
されていることを特徴とする構造。 - 【請求項１５】請求の範囲12に記載の構造において、前
記加速度計は多軸加速度計であることを特徴とする構
造。 - 【請求項１６】請求の範囲12に記載の構造において、各
蛇行可撓性アームは第２ギャップ方向のばね定数と第２
ギャップ方向と直交する方向のばね定数が異なることを
特徴とする構造。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/878,213 US6223598B1 (en) | 1997-06-18 | 1997-06-18 | Suspension arrangement for semiconductor accelerometer |
| US08/878,213 | 1997-06-18 | ||
| PCT/US1998/012736 WO1998058265A1 (en) | 1997-06-18 | 1998-06-18 | Suspension arrangement for semiconductor accelerometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000512023A JP2000512023A (ja) | 2000-09-12 |
| JP3429780B2 true JP3429780B2 (ja) | 2003-07-22 |
Family
ID=25371593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50482099A Expired - Lifetime JP3429780B2 (ja) | 1997-06-18 | 1998-06-18 | 半導体加速度計の懸架構造 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6223598B1 (ja) |
| EP (1) | EP0990159B1 (ja) |
| JP (1) | JP3429780B2 (ja) |
| DE (1) | DE69821005T2 (ja) |
| WO (1) | WO1998058265A1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE19959707A1 (de) * | 1999-12-10 | 2001-06-13 | Bosch Gmbh Robert | Mikromechanische Struktur, insbesondere für einen Beschleunigungssensor |
| JP3525862B2 (ja) * | 2000-05-22 | 2004-05-10 | トヨタ自動車株式会社 | センサ素子及びセンサ装置 |
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