JP3434944B2 - 自己診断能力を備えた対称型プルーフ・マス加速度計とその製造方法 - Google Patents

自己診断能力を備えた対称型プルーフ・マス加速度計とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は自己診断能力を備えた対
称型プルーフ・マス（認証・質量）・加速度計とその製
造方法に関するものであり、より特定的には、交差軸感
度を低下させるだけでなく自己診断抵抗素子の装着を容
易にするようにカンチレバービーム（片持ち梁）の面に
対して上部マス（上部質量部）と下部マス（下部質量
部）との間にオフセット（位置的なずれ）を持たせてカ
ンチレバービームの中心面に対称に質量を分布させるよ
うに設計した加速度計に関する。本発明は、変位、速
度、振動、加速度、角速度およびそれらの変化の測定が
必要とされる、自動車の電子系統、並びに、コンシュー
マ電子製品、工業用電子測定装置などに適用できる。
【０００２】
【従来の技術】自己診断能力を備えた従来の加速度計と
その製造方法は、２つの形式に分類できる。図１（Ａ）
はカンチレバービーム２に接続された下側のマス１が設
けられた、非対称型（unsymmetric ）プルーフ・マス
（認証・質量）方式加速度計を示しており、この加速度
計においては、カンチレバービーム２の破壊を検出する
ため非常に大きな応力がかかる部分（カンチレバービー
ムの各々の端部９ａ，９ｂ）に自己診断抵抗体５または
導電体５が設けられている。なお、符号１はマス（質量
部）を示し、符号１１は支持体を示している。従来の他
の形式の加速度計は図１（Ｂ）に示すように、カンチレ
バービーム２の中心面の両側の対称位置に同じプルーフ
・マス１ａ，１ｂが形成された、対称型プルーフ・マス
（認証・質量）方式加速度計である。この場合、自己診
断抵抗体５または導電体５は、カンチレバービーム２の
上、および、カンチレバービーム２を越えてその両端部
からプルーフ・マス１ａ，１ｂの一方のマス１ａ側およ
び支持体１１側に延びて形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来の加速度
計とその製造方法は下記に述べる問題を有している。ま
ず図１（Ａ）に図解した非対称型加速度計は、図１
（Ｂ）に示した対称型加速度計に比較して交差軸感度
（cross-axis sensitivity) が比較的低いという問題を
有している。その理由は希望しない方向の加速度がカン
チレバービーム２の偏差（defection ）を引き起こすか
らである。一方、図１（Ｂ）に図解した対称型加速度計
は、自己診断抵抗体５または導電体５を加速度計の最も
弱い領域であるカンチレバービームの端部９ａ，９ｂに
取りつける困難さに遭遇するという問題を有している。
カンチレバービームの各々の端部９ａ，９ｂが何故最も
弱いという理由は、カンチレバービーム２、プルーフ・
マス１ａ，１ｂ、および支持体１１によって形成された
表面が同じ平面ではないからである。図１（Ａ）および
図１（Ｂ）に図解した加速度計の共通の問題は、カンチ
レバービーム２の各々の端部９ａ，９ｂにおける厚さの
急激な変化が応力の集中を起こすことである。したがっ
て、そのような応力の集中が製造過程または使用中にカ
ンチレバービーム２の破壊を引き起こすことになりかね
ない。
【０００４】図１（Ａ）および図１（Ｂ）に図解した加
速度計におけるカンチレバービーム２の厚さの制御の従
来方法としては、たとえば、時間制御されたエッチン
グ、Ｐ−ｎジャンンクション（接合）およびｐ+ エッチ
ング停止を行う方法が知られているが、この方法は、製
造プロセスの不安定さ、プロセスの複雑さ、厚さ制御の
困難さに起因する問題、および、材料の選択の限界に起
因する問題がある。
【０００５】本発明の目的は、カンチレバービームの各
々の端部の平坦な面に自己診断要素を容易に収容可能に
プルーフ・マス分布の適正化を図った加速度計と、その
製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】発明された加速度計は上
述した従来の技法における問題を克服している。本願の
発明された加速度計は、カンチレバービームの先端に、
カンチレバービームの中心面に対して上部と下部に、中
心位置をずらした相対的に異なった位置（オフセットし
た位置）に理想的な質量のプルーフ・マスを２つの部
分、すなわち、上部マスおよび下部マスを有しており、
それにより、自己診断要素の装着と交差軸感度の低減が
可能となる。さらに、ビーム厚さ制御プロセスが、エッ
チング・厚み差を用いた方法により簡略化でき、歩留り
と信頼性がフィレット・ラウンディング（fillet-round
ing）形成プロセスによって向上する。フィレット・ラ
ウンディング形成プロセスは、ビームの各々の端部（最
も弱い領域）に曲げ部（屈曲部）を形成し、それによ
り、加速度計の製造過程中または製造後、加速度計の破
壊を防止する。
【０００７】本発明の第１の観点によれば、請求項１に
記載のとおり、支持体と、該支持体から水平に延びるカ
ンチレバービームと、前記支持体と水平方向において対
向する前記カンチレバービームの端部の先端に、前記カ
ンチレバービームの水平中心面の上下両側に形成された
同じ質量の上部マスおよび下部のマスであって、当該上
部マスが、当該下部マスと水平方向において重複しつ
つ、当該下部マスより前記カンチレバービームの端部か
ら離れた位置に、交差軸感度が最小になるように形成さ
れており、前記カンチレバービームの下面の前記支持体
との境界部および前記カンチレバービームの下面の前記
下部マスとの境界部が、応力の集中による前記カンチレ
バービームの破壊を防止するフィレット・ラウンディン
グとして形成されている第１および第２のカンチレバー
ビーム下面端部と、前記第２のカンチレバービーム下面
端部と垂直方向において対向する前記カンチレバービー
ム上面において、該カンチレバービーム上面から前記上
部マスの端部まで、ピエゾレジスティブ材料により形成
された、少なくとも自己診断能力および自己検査能力を
示す自己診断要素と、圧電効果型加速度計または静電容
量型加速度計として機能する加速度検出要素と、前記上
部マスおよび前記下部マスの水平方向における先端の前
方に位置する第１のボンディング部および前記支持体に
設けられた第２のボンディング部であって、該第１およ
び第２のボンディング部の厚さは前記上部マスと前記下
部マスとの合計厚さより厚い厚さになっており、該第１
および第２のボンディング部の上下面にペースト溝が形
成されている、第１および第２のボンディング部と、前
記ペースト溝を介して前記第１および第２のボンディン
グ部の上下に設けられ、前記支持体を固定し、前記カン
チレバービームおよび前記上部マスおよび前記下部マス
を自由端にする、上部支持プレイトおよび下部支持プレ
イトとを有し、前記上部支持プレイトと前記上部マスと
の間、および、前記下部支持プレイトと前記下部マスと
の間にダンピングギャップが規定され、該ダンピングギ
ャップにプルーフ・マスおよびダンパーとして機能する
流体が充填されており、前記加速度検出要素は、前記第
１のカンチレバービーム下面端部と対向する前記前記カ
ンチレバービームの上面にピエゾレジスティブ材料また
はピエゾエレクトリック材料により圧電効果型加速度計
として形成され、または、前記 ダンピング制御ギャップ
の上下両側に装着された対向電極を有する静電容量型加
速度計として形成され、前記加速度検出要素の検出信号
に応じて加速度を検出する、対称型プルーフ・マス加速
度計が提供される。
【０００８】本発明の第２の観点によれば、請求項２に
記載のとおり、（ａ）基板と、支持体と、該支持体から
水平方向に延びる一方の面に少なくとも自己診断能力お
よび自己検査能力を示す自己診断要素が装着されるカン
チレバービームと、前記支持体と水平方向において対向
する前記カンチレバービームの先端の前記カンチレバー
ビームの水平中心面の上下両面に位置し、同じ質量の上
部マスおよび下部マスとが形成されるダンピング制御ギ
ャップと、前記上部マスおよび前記下部マスの水平方向
における先端の前方に位置する第１のボンディング部お
よび前記支持体に設けられた第２のボンディング部であ
って、該第１および第２のボンディング部の厚さは前記
上部マスと前記下部マスとの合計厚さより厚い厚さにな
っており、該第１および第２のボンディング部の上下面
にペースト溝を有する第１および第２のボンディング部
を一体構造に形成し、（ｂ）前記基板から前記カンチレ
バービームおよび前記上部マスおよび前記下部マスが形
成される部分のダンピング制御ギャップの深さを調整し
てダンピングレベルを制御し、（ｃ）前記支持体と水平
方向において対向する前記カンチレバービームの先端の
前記カンチレバービームの水平方向の中心面の上下に位
置し、同じ質量で、交差軸感度を最小にしつつ、前記上
部マスを前記下部マスより前記カンチレバービームの端
部から離し、かつ、前記上部マスおよび前記下部マスと
が水平方向において重複する位置に一体的に形成し、
（ｄ）前記カンチレバービームと前記ペースト溝に固定
される前記上部支持プレイトおよび前記下部支持プレイ
トとの間、および、前記上部マスと前記上部支持プレイ
トとの間および前記下部マスと前記下部支持プレイトと
の間の相対的な位置を制御し、（ｅ）前記カンチレバー
ビームの上面に前記自己診断要素を装着する平坦面を形
成し、（ｆ）前記カンチレバービームの前記自己診断要
素が装着される面とは反対の前記カンチレバービームの
下面の前記支持体との境界および前記下部マスとの境界
の第１および第２のカンチレバービーム下面端部に応力
の集中による前記カンチレバービームの破壊を防止する
フィレット・ラウンディングを形成して製造され、前記
水平方向において対向する第１および第２のカンチレバ
ービーム下面端部と垂直方向において対向する前記カン
チレバービームのそれぞれの上面にピエゾレジスティブ
材料で加速度検出要素および前 記自己診断要素を形成
し、前記加速度検出要素で検出した検出信号に応じて加
速度を検出する、対称型プルーフ・マス加速度計が提供
される。
【０００９】本発明の第３の観点によれば、請求項４に
記載のとおり、請求項１記載の対称型プルーフ・マス加
速度計を製造する方法であって、下記の諸段階、すなわ
ち、基板から、前記カンチレバービームおよび前記上部
マスおよび前記下部マスが形成される部分であるダンピ
ング制御ギャップ、前記ペースト溝およびビーム厚さ制
御領域を同時にエッチングする第１のエッチング段階、
前記ダンピング制御ギャップを形成するためエッチング
深さを制御する段階、前記ペースト溝についての第１の
エッチング段階の処理後、複数回のエッチングを適用し
て前記ビームの厚さを制御する第２のエッチング段階、
前記第１のエッチング段階および第２のエッチング段階
におけるエッチングによって前記フィレット・ラウンデ
ィングを形成する段階、前記カンチレバービームの先端
に、かつ、前記カンチレバービームの中心面の上下に、
前記上部マスおよび前記下部マスが水平方向において重
複し、かつ、前記上部マスが前記下部マスより前記カン
チレバービームから離れた位置に、交差軸感度が最小に
なるようにエッチングして形成して、前記カンチレバー
ビームの上面に該上面から前記上部マスに至る部分に前
記自己診断要素を装着させる空間のための平坦面を形成
する段階、 前記平坦面に前記加速度検出要素および前
記自己診断要素のためのピエゾレジスティブ部を同時に
製造する第１の製造段階、ブリッジ回路用のメタルライ
ンと電極とを同時に製造する第２の製造段階、加速度検
出用のビームと、製造工程の期間の間前記ビームの破壊
を防止するためのビームを同時に製造する第３の製造段
階、前記第１〜第３の製造段階の後の段階において前記
破壊を防止するためのビームを排除する段階、前記第１
および第２のボンディング部に形成された前記ペースト
溝に収容されたペーストを用いて前記加速度検出要素に
前記下部支持プレイトおよび前記上部支持プレイトを結
合する段階を有することを特徴とする対称型プルーフ・
マス加速度計を製造する方法が提供される。好ましく
は、前記加速度検出要素の両側にダブルに支持されるビ
ームを付加的に製造する、または、前記加速度検出要素
に複数に支持されるビームを付加的に製造する。
【００１０】好ましくは、前記カンチレバービームは、
前記自己診断要素から、自己診断能力、自己校正能力お
よび自己検査能力が付与されている。
【００１１】本発明の対称型プルーフ・マス加速度計に
ついて、図解との対比が明瞭になるように図面に記載し
た符号を参照して述べると、下記の特徴によって特徴付
けられる。当該加速度計は、図３に図解したように、カ
ンチレバービーム（片持ち梁）２、カンチレバービーム
２の中心面の両側に中心がずれた位置に形成された第１
および第２のプルーフ・マス（認証・質量部）１ａ，１
ｂ、前記カンチレバービームの破壊を検出可能な自己診
断能力、自己校正能力および自己検査能力を示す自己診
断要素５、上部ボンディング部１３ａおよび下部ボンデ
ィング部１３ｂからなるボンディング体１３を具備し、
単一のボディ（一体構造）として形成される。当該加速
度計はまた、ボンディング体１３の上部（第１の）ボン
ディング部１３ａおよび下部（第２の）ボンディング部
１３ｂにおけるペースト溝１２ａ，１２ｂを有してお
り、これらのペースト溝１２ａ，１２ｂには上部支持プ
レイト１０ａおよび下部支持プレイト１０ｂが取りつけ
られており、当該加速度計はさらに、プルーフ・マス１
ａ，１ｂと上部支持プレイト１０ａおよび下部支持プレ
イト１０ｂとのそれぞれの間にダンピングギャップ（緩
衝空隙）３ａ，３ｂ、および、カンチレバービーム２の
各々の端部（カンチレバービーム下面端部）９ａ，９ｂ
に形成したフィレット・ラウンディング（丸み）を有す
る。
【００１２】
【実施例】本発明の好適な実施例について詳細に記述す
る。本発明の加速度計は、下記に述べるユニークなプロ
セス工程によって製造されるのであり、そのプロセス工
程は、（１）図３に図解したダンピングギャップ３ａ，
３ｂとなる部分と、図３および図４（Ｂ）に示したペー
スト溝１２ａ，１２ｂを同時にエッチングするプロセス
と、（２）図４（Ｂ）に示したビーム１４ａ，１４ｂ
（電極１４ａ，１４ｂ）の厚さを制御する工程を具備す
る。製造方法はまた、（３）図３に示したダンピングギ
ャップ３ａ，３ｂを形成するエッチング深さ制御プロセ
ス、（４）図４（Ｃ）に示した溝１６ａ，１６ｂを形成
する第１のエッチング処理の後、図４（Ｄ）および図５
（Ａ）に示した複数のエッチングによるビーム厚さ制御
プロセス、（５）図４（Ｄ）に示した破損防止ビーム１
７を形成する第１のエッチング工程、および、図５
（Ａ）に示した第２のエッチング工程を用いて、カンチ
レバービーム２の各々の端部９ａ，９ｂにフィレット・
ラウンディングを形成するプロセス、（６）水平オフセ
ットを用いて（上側のプルーフ・マス１ａを下側のプル
ーフ・マス１ｂより右側にずらした位置、すなわちオフ
セットした位置に形成して）、図５（Ａ）に示したプル
ーフ・マス１ａ，１ｂをエッチングすることにより、カ
ンチレバービーム２の上面からプルーフ・マス１ａの端
部まで、自己診断要素５を装着する空間を形成する平坦
面形成プロセスと図５（Ｂ）に示したピエゾレジスタ
（圧電抵抗体）および自己診断抵抗体を同時に収容する
プロセス、（７）ピエゾレジスタと自己診断抵抗体と接
続を行うメタライゼーションプロセス、（８）図５
（Ｃ）に図示した電極６，７と自己診断要素５に接続さ
れている導電ライン２３との接続を行う形成プロセス、
（９）製造工程の間にカンチレバービームの破壊を防止
するため図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）におけるプロセス
工程を通じてビームの破壊を防止するまたは減少させる
プロセス、および、（１２）ペースト溝１２ａ，１２ｂ
にシールされたペーストを用いて支持体１１に上部支持
プレイト１０ａおよび下部支持プレイト１０ｂを取りつ
ける最終のボンディングプロセスを有している。
【００１３】まず、図１（Ｃ）において、上部および下
部（第１および第２）プルーフ・マス１ａ，１ｂが一点
鎖線（線Ｂ−Ｂ）で示したカンチレバービーム２の中心
面に対して、ただし、それらの水平位置にオフセットを
持って（位置的にずらして）対称に配置される。それに
より、全体のプルーフ・マスの中心がカンチレバービー
ム２の中心面に配置されて、交差軸感度（cross-axis s
ensitivity) を最小にし、強度的に最も弱い領域である
カンチレバービーム２の各々の端部９ａ，９ｂの対向す
るカンチレバービーム２の面に平坦な面を提供し、その
平坦な面に自己診断導電体５または圧電抵抗体５を取り
つけることを容易にする。さらに、カンチレバービーム
２の各々の端部９ａ，９ｂに丸み（ラウンディング）が
形成されて応力の集中によるカンチレバービーム２の破
壊を防止する。
【００１４】上述したプルーフ・マス１ａ，１ｂとが位
置的にずれた位置に形成された、スキュー・シンメトリ
カルな構造を採用した加速度計の１例が図２および図３
に図解されている。図２は本発明の実施の形態の加速時
計の斜視図であり、図３は図２に図解した加速時計の線
Ａ−Ａにおける断面図である。本発明の動作原理の詳細
な記述は下記の通りである。図３に図解したように、外
部支持部１０ａ，１０ｂ，１３ａ，１３ｂ（上部支持プ
レイト１０ａ、下部支持プレイト１０ｂ、上部ボンディ
ング部１３ａ、下部ボンディング部１３ｂ）の絶対変位
をＺa とし、プルーフ・マス１ａ，１ｂの絶対変位をｚ
0 とすると、プルーフ・マス１ａ，１ｂと上記支持体１
１との間の相対変位はｚ＝ｚ0 −Ｚa として表される。
図３に示したカンチレバービーム２はバネとして機能す
る。ここで、プルーフ・マス１ａ，１ｂ、および、プル
ーフ・マス１ａ，１ｂと上部および下部支持プレイト１
０ａ，１０ｂとの間のダンピングギャップ３ａ，３ｂに
は流体が充填されており、その流体はそれぞれ、プルー
フ・マスおよびダンパーとして機能する。カンチレバー
ビーム２のバネ定数をＫとし、プルーフ・マス１ａ，１
ｂの全質量をＭとし、ダンパーのダンパー定数をＣとす
ると、加速度計の運動方程式は下記のように記述でき
る。
【００１５】
【数１】
【００１６】正弦波入力をｚa ＝Ｚa ｅiwt とすると、
下記に示す相対変位ｚ
【００１７】
【数２】
【００１８】は下記になる。
【００１９】
【数３】
【００２０】ダンピング比率ζは下記になる。
【００２１】
【数４】
【００２２】それゆえ、式IIから、加速度（２ドット
Ｚ、すなわち、Ｚの上にドットが２つつけられたもの）
の大きさは、相対変位ｚ、つまり、マスの偏差（deflec
tion）の大きさから測定できる。
【００２３】図２および図３はカンチレバービームの端
部９ａ，９ｂにおける応力からの偏差ｚのピエゾレジス
ティブ（ピエゾ抵抗的）な検出を用いた上記原理に基づ
く加速度計の適用例を示す。一方、ピエゾレジスティブ
検出型または静電容量検出型の加速度計は、ピエゾレジ
スティブ材料をピエゾエレクトリック（ピエゾ電気）材
料に置き換えること、または、ダンパーギャップの各々
の側に、電極を配設することによって、実現できる。こ
れらの形式の加速度計については、希望する共振周波数
ωn とダンピング比率ζは、プルーフ・マス１ａ，１ｂ
の大きさ、カンチレバービーム２の大きさ、ダンピング
ギャップ３ａ，３ｂ、または、ダンピングギャップ内の
流体の粘度および圧力を制御することにより、得ること
ができる。
【００２４】図３に図示したように、プルーフ・マス１
ａ，１ｂの中心がカンチレバービーム２の中心平面Ｂ−
Ｂに位置しており、それにより、マスの位置ずれを無く
して、交差軸感度を向上させる。２つの同じ質量のマス
１ａ，１ｂの間の相対的なオフセットが（上側のプルー
フ・マス１ａが下側のプルーフ・マス１ｂに対して右側
にずれた位置に形成されていることが）加速度計に自己
診断要素またはピエゾレジスタ５の装着を容易にする。
【００２５】自己診断要素またはピエゾレジスタ５はま
た、加速度計に対する下記の能力を提供するために用い
られる。その能力とは、構造物破壊を検出する自己診断
能力、加速度計の周波数または感度を検出するための自
己検査能力、プルーフ・マス１ａ，１ｂおよび上部支持
プレイトおよび下部支持プレイト１０ａ，１０ｂに形成
された対向電極の使用による感度またはゼロオフセット
を補償する自己校正能力である。
【００２６】図４（Ａ）〜（Ｄ）および図５（Ａ）〜
（Ｃ）は、基板材料としてシリコンを用いて図２および
図３に図示した加速度計を製造するための製造工程を例
を示している。その詳細な記述を下記に示す。
【００２７】（工程Ａ）図４（Ａ）に図解したように、
シリコン基板２１の両側にエッチングマスクとしてパー
シベーションフィルム２２ａ，２２ｂが形成される。
【００２８】（工程Ｂ）図４（Ｂ）に図解したように、
ペースト溝１２ａ，１２ｂ、ビーム厚さ制御溝および電
極１４ａ，１４ｂ用の表面に位置する領域におけるパー
シベーションフィルム２２ａ，２２ｂが除去された後、
ダンピング制御ギャップ１５ａ，１５ｂ部分が除去され
る。それから、マスクしていないシリコン基板が図３に
示したダンピングギャップ３ａ，３ｂの希望する深さま
でエッチングされる。この工程で上部ボンディング部
（上部支持プレイト）１３ａおよび下部ボンディング部
（上部支持プレイト）１３ｂが準備される。
【００２９】（工程Ｃ）図４（Ｃ）に図解したように、
工程Ａにおけるようにパーシベーションフィルム２２
ａ，２２ｂの形成の後、パーシベーションフィルム２２
ａ，２２ｂおよびシリコン基板２１の選択された区域２
３ａ，２３ｂが、図３に示したカンチレバービーム２が
形成される部分の厚さの半分の深さまでエッチングされ
て、ビームの厚さを制御するための溝１６ａ，１６ｂが
形成される。
【００３０】（工程Ｄ）図４（Ｄ）に図解したように、
工程Ｃにおいて使用されたパーシベーションフィルム２
２ａ，２２ｂの選択された区域２３ａ，２３ｂを除去し
た後、カンチレバービーム２および破壊防止ビーム１７
が形成される。代表的には、図３に図示した、カンチレ
バービームの各々の端部９ａ，９ｂ（フィレット・ラウ
ンディング９ａ，９ｂ）の形成のために適切な深さ、た
とえば、５０〜８０μｍの深さまでエッチングされる。
図４（Ｄ）における破壊防止ビーム１７の開口の長さは
最終的なビームの長さよりも短い。
【００３１】（工程Ｅ）図５（Ａ）に図解したように、
工程Ｄにおいて用いたパーシベーションフィルム２２
ａ，２２ｂの選択された区域２３ａ，２３ｂを除去した
後、エッチング貫通穴１８，１９が全体的にエッチング
で除去されて、図３に示した抵抗体４、導電体２３、電
極６，７に用いる平坦面、および、図３におけるカンチ
レバービーム２と同じ厚さのシリコン膜２ａ，２ｂが形
成されるまで、シリコン基板２１がエッチングされる。
上部および下部プルーフ・マス用のパーシベーションフ
ィルムの複数の開口がオフセットを持って（位置ずれし
た状態で）同じ形状を持ち、同じ面積であるべきであ
る。破壊防止ビーム１７の開口の長さは工程Ｄにおける
ものより長いから、最終的なビーム長をもたらす。工程
Ｄおよび工程Ｅにおいて、最終的なビームの端部におけ
る曲げが所望の形状および半径を持ったフィレット・ラ
ウンディング部分が第１のエッチングおよび第２のエッ
チングのエッチング長さおよび深さを制御することによ
り形成される。
【００３２】（工程Ｆ）図５（Ｂ）に図解したように、
ビームの偏差の検出に用いるピエゾレジスタ（圧電抵抗
体）４がビームの左端部に同時に形成される。自己診断
抵抗体５もまた図５（Ａ）におけるジャンクション８と
フィレット・ラウンディング９ｂとの間に形成される。
【００３３】（工程Ｇ）図５（Ｃ）に図解したように、
ピエゾ抵抗を測定する電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ、ピ
エゾレジスタブリッジ２３（導電体２３）および電極を
形成するメタルライン、および、自己診断用のメタルラ
インが同時に形成される。それから、ビーム２と破壊防
止ビーム２ｃが図５（Ａ）のシリコン膜の選択された区
域２ａ，２ｂをエッチングすることにより形成される。
破壊防止ビーム２ｃを排除した後、上部および下部支持
プレイト１０ａ，１０ｂが上部ボンディング部１３ａ、
下部ボンディング部１３ｂおよび支持体１１に形成され
たペースト溝１２ａ，１２ｂ内に収容されているペース
トを用いて結合される。図４（Ａ）〜（Ｄ）および図５
（Ａ）〜（Ｃ）に示された製造方法はダブル支持型加速
度計または多重支持型加速度計の製造にも用いられる。
【００３４】その構造的な特徴に依存する本発明の利益
を下記に述べる。 （効果１）調整された相対的な位置でビーム２の両側に
同じ質量（マス）１ａ，１ｂを用いることにより、交差
感度を低減でき、さらに、自己診断に用いる導電体また
は抵抗体の取りつけを簡単にできる。 （効果２）効果１における自己診断能力に基づいて、自
己校正および自己検査能力が実現できる。 （効果３）ビーム２の両端部９ａ，９ｂに形成したフィ
レット・ラウンディングにより応力の集中を解放するこ
とにより、加速度計の製造期間または加速度計を使用す
る間、ビームの破壊が防止できる。 （効果４）ダンピングが質量１ａ，１ｂと支持プレイト
１０ａ，１０ｂとの間のダンピングギャップ３ａ，３ｂ
を調整することにより、容易に制御できる。 （効果５）支持プレイトの両側のペースト溝１２ａ，１
２ｂが加速度計をカバーフレイト１０ａ，１０ｂ（上部
支持プレイト１０ａ、下部支持プレイト１０ｂ）に対し
て整列させ、付着させることを容易にする。
【００３５】新規でユニークな製造方法に基づく本発明
の利益を下記に述べる。 （１）製造工程の初期段階において、ダンピングギャッ
プを規定することにより、ダンピング制御ギャップ１５
ａ，１５ｂを精密に容易に制御できる。 （２）エッチングプロセスの前およびエッチングプロセ
スの期間またはいずれかにおいて、エッチング時間およ
びエッチング深さを測定することなしに、正確なビーム
の厚さを得ることができる。図４（Ｃ）における半分の
ビームのエッチングを用いると、図５（Ａ）におけるエ
ッチング穴１８，１９はエッチング終了の時間を示して
おり、その結果として、ビームの厚さを正確に制御でき
る。 （３）加速度計の最も弱い部分、すなわち、ビームの端
部９ａ，９ｂに２段階のエッチングプロセスによって形
成されたフィレット・ラウンディングによって、使用
中、ビームの破壊が防止できる。 （４）製造の終了後には除去される、破壊防止ビーム２
ｃを製造の中間段階で形成してそれ用いることにより、
製造の間ビームの破壊が防止できる。 （５）ダンピング制御ギャップ１５ａ，１５ｂとペース
ト溝１２ａ，１２ｂの形成を同時に行うのでプロセス工
程が短縮できる。
【００３６】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
加速度計用のプルーフ・マス分布を適切にして、換言す
れば、カンチレバービームの上部と下部に相対的に異な
った位置に理想的な質量のプルーフ・マスを２つ設け、
両者の自己診断要素の収容を容易にしと交差軸感度の低
減を可能にした。また本発明によれば、フィレット・ラ
ウンディングを形成したことで、加速度計の歩留りと信
頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は従来の非対称型加速度計の断面図
であり、図１（Ｂ）は従来の対称型加速度計の断面図で
あり、図１（Ｃ）は本発明に基づくスキュー・シンメト
リカル・マスを備えた加速度計の断面図である。
【図２】図２は、ピエゾレジスティブ・カンチレバービ
ーム加速度計として用いた、図１（Ｃ）に示したスキュ
ー・シンメトリカル・マスエッチングの例示としての斜
視図である。
【図３】図３は図２に示した加速度計について線Ａ−Ａ
における断面図であり、上部プレイトと下部プレイトと
を取りつけた図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｄ）は図２に図解した加速度計
の製造方法を示す第１のプロセス図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｄ）は図２に図解した加速度計
の製造方法を示す第２のプロセス図である。
【図６】図６はダブル支持型ビーム加速度計として用い
られるスキュー・シンメトリカル・マス加速度計の他の
例を図解した図であり、図６（Ａ）はその平面図であ
り、図６（Ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ・・プルーフ・マス ２・・カンチレバービーム ２ａ，２ｂ・・シリコン膜 ３ａ，３ｂ・・ダンピングギャップ ４・・抵抗体 ５・・自己診断抵抗体（自己診断要素） ６ａ〜６ｄ・・電極 ７・・電極 ８・・ジャンクション ９ａ，９ｂ・・カンチレバービームの各々の端部（フィ
レット・ラウンディング） １０ａ，１０ｂ・・上部支持プレイト、下部支持プレイ
ト １１・・支持体 １２ａ，１２ｂ・・ペースト溝 １３ａ，１３ｂ・・上部ボンディング部、下部ボンディ
ング部 １４ａ，１４ｂ・・電極 １５ａ，１５ｂ・・ダンピング制御ギャップ １６ａ，１６ｂ・・溝 １７・・破壊防止ビーム １８，１９・・エッチング貫通穴 ２１・・シリコン基板 ２２ａ，２２ｂ・・パーシベーションフィルム ２３・・導電体
フロントページの続き (73)特許権者 596071752 コリア アドバンスト インスティテュ ート オブ サイエンス アンド テク ノロジー 大韓民国 タエジョン ユサン−ク ク サン−ドン 373−１ (74)上記１名の代理人 100094053 弁理士 佐藤 隆久 (72)発明者 チョー ヨン−ホ 大韓民国、タエジョン、ユスン−ク、チ ュンミン−ドン、エクスポ アパート ＃307−808 (72)発明者 クワク ビュン マン 大韓民国、タエジョン、ユスン−ク、エ ヒュン−ドン、ハン−ビット アパート ＃101−802 (72)発明者 リー クイロ 大韓民国、タエジョン、ユスン−ク、エ ヒュン−ドン、ハン−ビット アパート ＃135−1303 (72)発明者 パーク クワンフン 大韓民国、キョンサンナム−ド、ウルサ ン、ジュン−ク、ヤンチュン−ドン、 700 (56)参考文献 特開 平５−10969（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−109758（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−74969（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−322917（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−301180（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−335596（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273229（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−240569（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−50364（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/12 - 15/125 G01P 21/00 H01L 29/84

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】支持体と、 該支持体から水平に延びるカンチレバービームと、前記支持体と水平方向において対向する前記カンチレバ
    ービームの端部の 先端に、前記カンチレバービームの水
    平中心面の上下両側に形成された同じ質量の上部マスお
    よび下部のマスであって、当該上部マスが、当該下部マ
    スと水平方向において重複しつつ、当該下部マスより前
    記カンチレバービームの端部から離れた位置に、交差軸
    感度が最小になるように形成されており、前記カンチレバービームの下面の前記支持体との境界部
    および前記カンチレバービームの下面の前記下部マスと
    の境界部が、応力の集中による前記カンチレバービーム
    の破壊を防止するフィレット・ラウンディングとして形
    成されている第１および第２のカンチレバービーム下面
    端部と、 前記第２のカンチレバービーム下面端部と垂直方向にお
    いて対向する前記カンチレバービーム上面において、該
    カンチレバービーム上面から 前記上部マスの端部まで、
    ピエゾレジスティブ材料により形成された、少なくとも
    自己診断能力および自己検査能力を示す自己診断要素
    と、圧電効果型加速度計または静電容量型加速度計として機
    能する加速度検出要素と、 前記上部マスおよび前記下部マスの水平方向における先
    端の前方に位置する第１のボンディング部および前記支
    持体に設けられた第２のボンディング部であって、該第
    １および第２のボンディング部の厚さは前記上部マスと
    前記下部マスとの合計厚さより厚い厚さになっており、
    該第１および第２のボンディング部の上下面にペースト
    溝が形成されている、第１および第２のボンディング部
    と、 前記ペースト溝を介して前記第１および第２のボンディ
    ング部の上下に設けられ、前記支持体を固定し、前記カ
    ンチレバービームおよび前記上部マスおよび前記下部マ
    スを自由端にする、上部支持プレイトおよび下部支持プ
    レイトとを有し、 前記上部支持プレイトと前記上部マスとの間、および、
    前記下部支持プレイトと前記下部マスとの間にダンピン
    グギャップが規定され、 該ダンピングギャップにプルーフ・マスおよびダンパー
    として機能する流体が充填されており、前記加速度検出要素は、前記第１のカンチレバービーム
    下面端部と対向する前記前記カンチレバービームの上面
    にピエゾレジスティブ材料またはピエゾエレクトリック
    材料により圧電効果型加速度計として形成され、また
    は、前記ダンピング制御ギャップの上下両側に装着され
    た対向電極を有する静電容量型加速度計として形成さ
    れ、 前記加速度検出要素の検出信号に応じて加速度を検出す
    る、 対称型プルーフ・マス加速度計。
  2. 【請求項２】（ａ）基板と、支持体と、該支持体から水
    平方向に延びる一方の面に少なくとも自己診断能力およ
    び自己検査能力を示す自己診断要素が装着されるカンチ
    レバービームと、前記支持体と水平方向において対向す
    る前記カンチレバービームの先端の前記カンチレバービ
    ームの水平中心面の上下両面に位置し、同じ質量の上部
    マスおよび下部マスとが形成されるダンピング制御ギャ
    ップと、前記上部マスおよび前記下部マスの水平方向に
    おける先端の前方に位置する第１のボンディング部およ
    び前記支持体に設けられた第２のボンディング部であっ
    て、該第１および第２のボンディング部の厚さは前記上
    部マスと前記下部マスとの合計厚さより厚い厚さになっ
    ており、該第１および第２のボンディング部の上下面に
    ペースト溝を有する第１および第２のボンディング部を
    一体構造に形成し、 （ｂ）前記基板から前記カンチレバービームおよび前記
    上部マスおよび前記下部マスが形成される部分のダンピ
    ング制御ギャップの深さを調整してダンピングレベルを
    制御し、 （ｃ）前記支持体と水平方向において対向する前記カン
    チレバービームの先端の前記カンチレバービームの水平
    方向の中心面の上下に位置し、同じ質量で、交差軸感度
    を最小にしつつ、前記上部マスを前記下部マスより前記
    カンチレバービームの端部から離し、かつ、前記上部マ
    スおよび前記下部マスとが水平方向において重複する位
    置に一体的に形成し、 （ｄ）前記カンチレバービームと前記ペースト溝に固定
    される前記上部支持プレイトおよび前記下部支持プレイ
    トとの間、および、前記上部マスと前記上部支持プレイ
    トとの間および前記下部マスと前記下部支持プレイトと
    の間の相対的な位置を制御し、 （ｅ）前記カンチレバービームの上面に前記自己診断要
    素を装着する平坦面を形成し、 （ｆ）前記カンチレバービームの前記自己診断要素が装
    着される面とは反対の前記カンチレバービームの下面の
    前記支持体との境界および前記下部マスとの境界の第１
    および第２のカンチレバービーム下面端部に応力の集中
    による前記カンチレバービームの破壊を防止するフィレ
    ット・ラウンディングを形成して製造され、 前記水平方向において対向する第１および第２のカンチ
    レバービーム下面端部と垂直方向において対向する前記
    カンチレバービームのそれぞれの上面にピエゾレジステ
    ィブ材料で加速度検出要素および前記自己診断要素を形
    成し、 前記加速度検出要素で検出した検出信号に応じて加速度
    を検出する、 対称型プルーフ・マス加速度計。
  3. 【請求項３】前記カンチレバービームは、前記自己診断
    要素から、自己診断能力、自己校正能力および自己検査
    能力が付与されている請求項１または２記載の対称型プ
    ルーフ・マス加速度計。
  4. 【請求項４】支持体と、 該支持体から水平に延びるカンチレバービームと、前記支持体と水平方向において対向する前記カンチレバ
    ービームの 端部の先端に、前記カンチレバービームの水
    平中心面の上下両側に形成された同じ質量の上部マスお
    よび下部のマスであって、当該上部マスが、当該下部マ
    スと水平方向において重複しつつ、当該下部マスより前
    記カンチレバービームの端部から離れた位置に、交差軸
    感度が最小になるように形成されており、前記カンチレバービームの下面の前記支持体との境界部
    および前記カンチレバ ービームの下面の前記下部マスと
    の境界部が、応力の集中による前記カンチレバービーム
    の破壊を防止するフィレット・ラウンディングとして形
    成されている第１および第２のカンチレバービーム下面
    端部と、 前記第２のカンチレバービーム下面端部と垂直方向にお
    いて対向する前記カンチレバービーム上面において、該
    カンチレバービーム上面から前記上部マスの端部まで、
    ピエゾレジスティブ材料により形成された、少なくとも
    自己診断能力および自己検査能力を示す 自己診断要素
    と、圧電効果型加速度計または静電容量型加速度計として機
    能する加速度検出要素と、 前記上部マスおよび前記下部マスの水平方向における先
    端の前方に位置する第１のボンディング部および前記支
    持体に設けられた第２のボンディング部であって、該第
    １および第２のボンディング部の厚さは前記上部マスと
    前記下部マスとの合計厚さより厚い厚さになっており、
    該第１および第２のボンディング部の上下面にペースト
    溝が形成されている、第１および第２のボンディング部
    と、前記ペースト溝を介して前記第１および第２のボンディ
    ング部の上下に設けられ、前記支持体を固定し、前記カ
    ンチレバービームおよび前記上部マスおよび前記下部マ
    スを自由端にする、上部支持プレイトおよび下部支持プ
    レイトとを有し、 前記上部支持プレイトと前記上部マスとの間、および、
    前記下部支持プレイトと前記下部マスとの間にダンピン
    グギャップが規定され、 該ダンピングギャップにプルーフ・マスおよびダンパー
    として機能する流体が充填されており、 前記加速度検出要素は、前記第１のカンチレバービーム
    下面端部と垂直方向において対向する前記前記カンチレ
    バービームの上面にピエゾレジスティブ材料またはピエ
    ゾエレクトリック材料により圧電効果型加速度計として
    形成され、 前記加速度検出要素の検出信号に応じて加速度を検出す
    る、 対称型プルーフ・マス加速度計を製造する方法であっ
    て、 下記の諸段階、すなわち、 基板から、前記カンチレバービームおよび前記上部マス
    および前記下部マスが形成される部分であるダンピング
    制御ギャップ、前記ペースト溝およびビーム厚さ制御領
    域を同時にエッチングする第１のエッチング段階、 前記ダンピング制御ギャップを形成するためエッチング
    深さを制御する段階、 前記ペースト溝についての第１のエッチング段階の処理
    後、複数回のエッチングを適用して前記ビームの厚さを
    制御する第２のエッチング段階、 前記第１のエッチング段階および第２のエッチング段階
    におけるエッチングによって前記フィレット・ラウンデ
    ィングを形成する段階、 前記カンチレバービームの先端に、かつ、前記カンチレ
    バービームの中心面の上下に、前記上部マスおよび前記
    下部マスが水平方向において重複し、かつ、前記上部マ
    スが前記下部マスより前記カンチレバービームから離れ
    た位置に、交差軸感度が最小になるようにエッチングし
    て形成して、前記カンチレバービームの上面に該上面か
    ら前記上部マスに至る部分に前記自己診断要素を装着さ
    せる空間のための平坦面を形成する段階、 前記平坦面に前記加速度検出要素および前記自己診断要
    素のためのピエゾレジスティブ部を同時に製造する第１
    の製造段階、 ブリッジ回路用のメタルラインと電極とを同時に製造す
    る第２の製造段階、加速度 検出用のビームと、製造工程の期間の間前記ビー
    ムの破壊を防止するためのビームを同時に製造する第３
    の製造段階、 前記第１〜第３の製造段階の後の段階において前記破壊
    を防止するためのビームを排除する段階、 前記第１および第２のボンディング部に形成された前記
    ペースト溝に収容されたペーストを用いて前記加速度検
    出要素に前記下部支持プレイトおよび前記上部支持プレ
    イトを結合する段階を有することを特徴とする対称型プ
    ルーフ・マス加速度計を製造する方法。
  5. 【請求項５】前記加速度検出要素の両側にダブルに支持
    されるビームを付加的に製造する、または、前記加速度
    検出要素に複数に支持されるビームを付加的に製造す
    る、 請求項４記載の対称型プルーフ・マス加速度計を製造す
    る方法。
JP26013595A 1994-10-07 1995-10-06 自己診断能力を備えた対称型プルーフ・マス加速度計とその製造方法 Expired - Fee Related JP3434944B2 (ja)

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