JP4719272B2 - 三軸加速度計 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計に関する。

加速度計は、加速度を測定するデバイスである。ＭＥＭＳ技術を利用することにより、加速度計を（シリコン）基板上に作製することができる。ＭＥＭＳを利用して構成された加速度計素子は、標準加速度計類似の構造、即ち、プルーフマス（ｐｒｏｏｆ ｍａｓｓ）、復元バネ、変位変換器、何らかの型の制動（ｄａｍｐｉｎｇ）、及び全てのものが取り付けられるケースを含む。例えば、図１Ａは、ＭＥＭＳ加速度計のサブセットに特有のいくつかの特徴を有する加速度計の例を示している。この図は、プルーフマス１、一対の復元バネ２、ケース３、変位変換器４及び５、並びにダンパ６を示す。図では２つの別々の部材としてその断面が示されているが、ケース３は、事実上１つの剛体として構成されると考えられる。変位変換器４及び５は差動容量トランスジューサとして示されているが、当業者にとっては明白であろうが、圧電振動子又は他の型のトランスジューサであってもよい。

左方向への横加速度に応じて、プルーフマス１は右に移動する。この運動の結果、変位変換器５の容量は増大し、一方、変位変換器４の容量は低減する。変位変換器４及び５の間の容量の違いにより、ケース３に対するプルーフマス１の相対運動を測定することができ、従って、プルーフマス１が受ける加速度を測定することができる。急激な加速度の変化による加速度計の全てのリンギングはダンパ６により制動される。

必要な電気回路を提供するために、このようなＭＥＭＳ加速度計を特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）にワイヤボンディングすることができる。図１Ａの加速度計の電気モデルは、図１Ｂに示されている。キャパシタ４及び５の間の差動容量は、種々の方法で測定することができる。通常、位相が１８０度ずれている方形波キャリア信号は、端子７及び８に送られる。この議論において、これらのキャリア信号を、それぞれ簡単にキャリア１及びキャリア２と呼ぶ。方形波の振幅は、使用されるＡＳＩＣ技術によるが、通常、１．８〜５Ｖの範囲内である。方形波電圧が高い電圧から低い電圧、又は低い電圧から高い電圧に変化すると、電荷が端子９を通して流れるはずである。両方の側がバランスしていると、正味の電荷は流れない。端子９を通して流れる電荷の大きさを測定することにより、容量の違い、従ってデバイスが受けている加速度を測定する。端子９、即ち、電荷を積分するＡＳＩＣ上の端子は、チャージ・イン・パッドと呼ばれる。同じＭＥＭＳダイ上の複数のセンサは、キャリア信号を共有することができる。例えば、Ｘセンサ及びＹセンサは、両方とも、容量測定の際にキャリア１及び２を使用することができるが、各センサ方向に対して別々のチャージ・イン接続が必要になる。

ＭＥＭＳ加速度計及びＡＳＩＣは、パッケージング・ユニット内に収容される。従って、ＭＥＭＳに基づく全ての加速度計は、通常、３つの要素、即ち、（１）加速度を感知するＭＥＭＳ素子、（２）ＭＥＭＳ素子の加速度に対する応答を電子信号に変換するＡＳＩＣに含まれる電子回路、並びに（３）第１及び第２の要素を収容するパッケージ、によって構築される。現在のＭＥＭＳ加速度計の１つの問題は、これら加速度計が温度及びパッケージの影響を受け易いということである。即ち、ＭＥＭＳ加速度計による加速度の検出は、温度の変化及び／又はパッケージング・ユニットに与えられる応力により影響を受けるかも知れない。

従って、温度及びパッケージに対する感受性が低い、改良されたＭＥＭＳ加速度計が必要である。さらに、改良されたＭＥＭＳ加速度計は、基板の領域をできるだけ少ししか占有しないように構成し、それにより加速度計全体の大きさを最小化すべきである。

発明の概要
本発明のある実施形態は、温度及びパッケージに対する感受性が低い、改良されたＭＥＭＳ加速度計を提供する。さらに、この改良されたＭＥＭＳ加速度計は、基板の領域をできるだけ少ししか占めることがないように構成される。

本発明のある実施形態においては、基板と、第１のセンサと、第２のセンサとを含むＭＥＭＳ加速度計が提供される。第１のセンサは、基板の面に平行な第１の軸に沿って加速度を測定するように構成される。第２のセンサは、基板の面に垂直な軸に沿って加速度を測定するように構成される。第２のセンサは、第１の梁と、第２の梁と、単支持構造とを含む。単支持構造は、基板に対して第１及び第２の梁を支持し、第１及び第２の梁は第１のセンサを囲んでいる。

本発明の他の実施形態においては、微小電子機械加速度計を構成する方法が提供される。この方法は下記のステップを含む。第１のセンサは、単支持構造により基板に対して支持され、第１のセンサは、基板の面に垂直な軸に沿って加速度を測定するように構成されている。第１のセンサは、第１の梁及び第２の梁を含む。第２のセンサは、第１のセンサの第１及び第２の梁に囲まれており、第２のセンサは、基板の面に平行な第１の軸に沿って加速度を測定するように構成されている。

本発明のさらなる特徴及び利点は、本発明の種々の実施形態の構造及び動作と同様に、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明される。本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に制限されないことに留意されたい。このような実施形態は、説明のために本明細書に記載されているに過ぎない。さらなる実施形態は、本明細書に含まれる教示に基づけば、関連する技術における当業者には明らかであろう。

本発明の特徴及び利点は、図面と併せて、以下に示す詳細な説明によって、より明確になるだろう。図面において、類似する参照符号は、全体として対応する要素を示している。図面中、類似する参照番号は、一般に、同一、機能的に類似、及び／又は、構造的に類似する要素を示す。

発明の詳細な説明
本明細書における「一実施形態」、「ある実施形態」、「例示の実施形態」等の表現は、記載された実施形態が特定の機能、構造又は特徴を含んでも良いが、全ての実施形態が必ずしも特定の機能、構造、又は、特徴を含む必要はないことを意味することに留意されたい。また、このような用語は必ずしも同じ実施形態を指すものではない。さらに、ある実施形態に関連して特定の機能、構造又は特徴が説明されている場合には、明確に記載されていようがなかろうが、他の実施形態に関連してこのような機能、構造又は特徴を生じさせることは、当業者の知識の範囲内であることを意味する。

以下においては、感知デバイスは、加速度を感知するために電極素子間の容量結合を使用するものとして説明されている。これは、説明のためだけのものであり、限定ではない。容量結合以外の電気結合は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、加速度を感知するために使用することができる。例えば、本明細書の説明を読めば当業者にとって明らかであろうが、電気結合は、容量結合、圧電結合、磁気結合又は何らかの他の電気結合を含むことができるが、これらに限定されない。

上述のとおり、本発明はＭＥＭＳセンサ素子の設計に関する。ＭＥＭＳセンサ素子は、通常、（シリコン）基板から製造される。議論の間、ケース及び基板という用語は同じ意味で使用される。第１に、本発明の実施形態を説明する前に、面内（例えば、Ｘ軸）加速度計の概略を説明する。第２に、面外（例えば、Ｚ軸）加速度計の概略を説明する。第３に、本発明の実施形態による三軸加速度計を説明する。第４に、本発明のある実施形態によるＭＥＭＳ加速度計を構成するための方法について説明する。

面内加速度計の概説
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、ニューヨーク州イサカ所在のキオニクス・インコーポレイテッド（Ｋｉｏｎｉｘ，Ｉｎｃ．）により作製されたＭＥＭＳ素子の例のレイアウトである。このデバイスの製造の詳細は、米国特許第６，３４２，４３０号及び６，２３９，４７３号に記載されている。基本的な動作原理及び加速度計の設計は、米国特許第５，６１０，３３５号及び５，５６３，３４３号に記載されている。Ｚ加速度計、即ち面外感知加速度計を構成するために使用される動作原理の変形は、米国特許第６，７９２，８０４号に記載されている。上記各特許の全てを参照により本明細書に組み込む。

図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すデバイスは、Ｘ軸１０に沿って加速度を感知することができる面内加速度計素子２０２である。このデバイスは、フレーム１５に復元バネ１２を接続している中央バックボーン１１を含む。図では中実の矩形として示されているが、バックボーン１１は、梁のトラスから作ることができる。Ｘ軸１０方向の運動を感知するための複数の平行平板キャパシタ１３は、中央バックボーン１１の両側面上に設置されている。平行平板キャパシタ１３は、フレーム１５から延びる電極１７と互いに嵌合している。また、図２Ａは分離ジョイント１９の位置を示しており、以下に、図２Ｃを参照しながら分離ジョイント１９の構造を示すと共に説明する。

移動するキャパシタ１３の一部は、一般に、バックボーン１１から延びる電極２０により示される。Ｘ軸１０方向に沿う右向きの加速度により、可動構造２１がフレーム１５に対して左に移動する。可動構造２１は、バックボーン１１及び電極２０を含む。復元バネ１２はフレーム１５に接続しており、フレーム１５はケース１４に接続している。フレーム１５は、ケース１４に対して移動しないという点で堅固な剛体である。

標準集積回路ボンディングパッドから微小機械加速度計への電気接続は、図２Ｂに示すように、エレクトロニクス産業では一般的であるアルミニウム相互接続配線９２６を利用して形成される。これらの配線（ｔｒａｃｅ）は、バイア（ｖｉａ）２９に到達するまで、梁２７及び２８に電気的に接続することなく、梁２７及び２８に沿って延びることができる。ケース１４とバイア２９における接続と間の電気的絶縁は、トレンチ分離セグメント１９により行われる。トレンチ分離方法については以下に、及び、上記米国特許第６，３４２，４３０号及び６，２３９，４７３号に記載されている。図２Ｃに示すように、梁２７及び２８は、（シリコン）基板から効率良く切り出される。シリコン・エッチングが行われる領域は、梁２７及び２８によって規定されるような構造のための任意の領域を差し引いたトレンチ領域２５である。

加速度計の機能は、Ｘ軸１０方向に沿う右向きの加速度により、可動構造２１がフレーム１５に対して左に移動するというものである。従って、電極２０も左に移動する。電極２０は、分離ジョイント１９によって分離している２種類の電極１６及び１８より構成される。電極１６及び１８は、図１Ｂの端子７及び８に対応する。電極１７は、図１Ｂの端子９に対応する。

図２Ａ〜図２Ｃに示す加速度計の構造は、高アスペクト比のシリコンの梁を用いて構成される。例えば、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ及び図３Ｅは、梁３０のいくつかの断面を示している。図３Ａに示すように、梁３０のコア３１は、単結晶シリコンであるが、関連する技術における当業者にとっては明らかなように、ポリシリコンの厚い層等の他の材料を使用して同様に良好に製造することができる。コア３１の側面のクラッドは、梁３０等の梁を形成するために用いられる製造プロセスの所産（ａｒｔｉｆａｃｔ）である堆積したＴＥＯＳ酸化物３２である。コア３１の頂部にはフィールド酸化物３３がある。図３Ｂは、梁３４上に金属相互接続３５が存在する他の実施形態を示しており、金属相互接続３５は、フィールド酸化物３３の頂部に備えられている。

面外センサの設計にとって特に重要なのは、フィールド酸化物３３及びシリコンコア３１の使用方法である。これら２つの要素は、異なる熱膨張係数を有する。約１１５０℃で成長した場合には、フィールド酸化物３３及びシリコンコア３１は実質的に応力を含まない。室温に冷却すると、シリコンコア３１はフィールド酸化物３３よりも収縮し、それにより、図３Ｄに示す曲率半径３６が生じる。図３Ｅは、フィールド酸化物３３及びシリコンコア３１を備える片持ち梁３９の下方への撓みを大雑把に近似している。下方への撓みは、曲率半径３６と、片持ち梁３９につながっている支持位置３７からケース３８までの距離に基づいて決定することができる。この下方への撓みにより、加速度測定において使用される、面外で、容量ベースの変位変換器を形成することができる。しかし、この変換器を説明する前に、標準的な面外又はＺ加速度計の構造を説明する。

面外加速度計の概説
図４は、通常のＺ加速度計の基本要素を示している。プルーフマス４０は、ねじれ湾曲部４１に接続されている。ねじれ湾曲部４１は、支持体４４を通してプルーフマス４０を基板４３に接続している。プルーフマス４０と対向する平行平板電極４５との間にギャップ４６が形成されている。このＺ加速度計に、ギャップ４６の矢印に平行な方向に加速度が加わると、プルーフマス４０は、対向する平行平板電極４５に向かって下方に撓む。プルーフマス４０の曲がった状態は、曲がったプルーフマス４７として透視像で示されている。曲がったプルーフマス４７と対向する平行平板電極４５との間に、結果として狭いギャップ４８が生じる。平行平板電極４５及びプルーフマス４０は、基板４３に対するプルーフマス４０の運動を感知するために使用することができるキャパシタを形成することができる。

図４に示すようなプルーフマスの運動を感知するための平行平板を使用するＺ加速度計は、センサ産業においては一般的である。動作原理は簡単であるが、複数の層が必要とされることにより、製造は限定され得る。通常使用される１つの製造方法は、酸化物層によって分離された２つのポリシリコン層を使用する方法である。上部のポリシリコン層は、湾曲部及びプルーフマスを形成するために使用され、下部の層は、対向する平行平板電極を形成するために使用される。プルーフマスには、デバイスを解放し運動を可能とするために、酸化物層を湿式エッチングできるように孔が開けられている。この方法の１つの問題は、貼り付き（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）であり、これはＭＥＭＳの共通の問題で、プルーフマスが対向する平行平板電極に貼り付くことである。第２の問題は、堆積されたポリシリコン層を使用して形成された小さなサイズのプルーフマスに関連する。センサによって発生するノイズの量は、通常、プルーフマスがこのような小さな場合に大きくなる。平行平板を利用するさらに高性能のＺ加速度計は、厚ポリシリコン堆積、厚層エピタキシャル・シリコン成長、又はシリコン・オン・インシュレータ技術を利用する、改良された製造プロセスにより形成することができるが、これらのプロセスは実施に費用がかかる。

図５Ａ及び図５Ｂには、Ｚ加速度計の設計例が示されている。Ｚ方向は、矢印５０が示す方向に対応する。このＺ加速度計は、湾曲部５６を介して支持構造５５に接続されたプルーフマス５１を含む。対向する電極５２は、支持構造５８により支持されている。停止中、プルーフマス５１は、図５Ｂに示すように、対向する電極５２と同じ高さに位置していない。図５Ｂには、プルーフマス５１の領域と対向する電極５２の領域との間のオーバーラップ領域５３も示されている。プルーフマス５１は、対向する電極５２に対して方向５０に沿って上昇する。矢印５０の方向における上方への加速度に応じて、プルーフマス５１は基板５４に向けて下方に偏向する。従って、オーバーラップ領域５３が増大する。オーバーラップ領域５３が増大すると、プルーフマス５１と電極５２との間の容量が増大し、それにより加速度を感知する際に使用される変位変換器が形成される。

停止中に電極が同じ高さにならないということは、容量感知動作にとって重要である。何故なら、電極５１及び５２と同様に２つの平らな電極を使用するとすれば、仮に電極５１が少しの量だけ上又は下に移動する場合に、両方の場合で同じようにオーバーラップ領域が減少してしまうからである。１つの容量のみを測定するとすれば、電極５１が固定点に対してどちらの方向に移動したのかを決定するのは難しいだろう。静電界理論によれば、理想的な状況は、電極が、それらを隔てるギャップの少なくとも２〜３倍の高さのズレを伴って開始することである。

面外加速度を感知するための他の方法は、先に参照した米国特許第６，７９２，８０４号に記載されている。例えば、容量は、梁５２のシリコンコアと梁５１上に配置された対向する金属層との間において測定することができる。対向する金属層は、図３の金属相互接続３５と同様のものとすることができる。この方法はうまく作動するが、感知領域内で金属を使用する加速度計の設計は、熱によるずれ（ｏｆｆｓｅｔ）や機械的衝撃によるずれを生じやすい。

既に説明したように、図３は、プラズマ微小機械加工により製造された、曲率半径を有する梁の設計コンセプトを示しているのに対して、図５は、可変オーバーラップ容量感知を使用するＺ加速度計の設計コンセプトを示している。図３及び図５に示す設計コンセプトは、図６に示すもののような完全Ｚ加速度計設計６００を形成するために結合することができる。この基本的な加速度計設計は、紙面に垂直な方向、即ち方向１００において自由に移動するプルーフマス１０１を含む。この基本的な加速度計設計は、また、そこから延びる電極１１５を有する梁構造１１１を含む。梁構造１１１は、湾曲部１１２を介して支持構造１１３により、基板１２２（図７Ａ及び図７Ｂに示す）に堅固に接続されている。

プルーフマス１０１は、ねじれ湾曲部１０２が画定する軸に対してねじれて移動する。プルーフマス１０１は、対応する電極１１５及び１２６と互いに嵌合している電極１０５及び１０６を有する。電極１０５及び１１５は、第１のキャパシタを形成する。電極１０６及び１２６は、第２のキャパシタを形成する。プルーフマス１０１が加速度に応じて紙面の面内及び面外に移動すると、第１及び第２のキャパシタの違いにより加速度を測定することができる。

図７Ａは、図６のＡ−Ａ線に沿って切断した電極構造の断面図である。電極１２６は、支持体１２１及びケース１２２に機械的に接続しているが、電気的にはこれらから絶縁されている。支持位置が電極に隣接しているので、梁構造の自然の湾曲により下方への小さな撓みが生じる。しかし、プルーフマス１０１から外に延びる電極は、図６に示すように、それぞれの支持構造１０３からかなりの距離１０８又は１０９だけ離れており、そのため相対的にさらに下方への撓みが生じる。従って、プルーフマス１０１から外に延びる電極１０６は、支持体１２１から延びる電極１２６よりも低い。同様に、電極１１５は、距離１０９（電極１０５のそれぞれの支持構造１０３からの距離）よりも、それぞれの支持構造１１３からかなりの距離１１９だけ離れているので、電極１１５は電極１０５よりも低い。支持構造１０３は、空間的に支持構造１１３から距離１２０だけ離れているので、距離１１９は距離１０９よりも長い。

図６、図７Ａ及び図７Ｂに示すデバイスの動作は、プルーフマス１０１により開始する。加速度が印加されない場合に、プルーフマス１０１は、電極１２６及び１１５の高さの間に位置する。停止中、電極１０６及び１２６は、オーバーラップ領域１３６を有し、それによりキャパシタＣ１３６を形成する。停止中、電極１０５及び１１５は、オーバーラップ領域１３５を有し、それによりキャパシタＣ１３５を形成する。Ｃ１３５〜Ｃ１３６で示す、停止中のキャパシタＣ１３５とキャパシタＣ１３６との間の違いは、始動差動容量ｄＣ０に等しい。ｚ軸１００に沿って上方の加速度が加わると、プルーフマス１０１は基板１２２に向かって下方に撓み、オーバーラップ領域１３５が増大する一方、オーバーラップ領域１３６は低減する。オーバーラップ領域におけるこの変化の結果、ｄＣ１と呼ばれる差動容量Ｃ１３５〜Ｃ１３６が変化する。ｄＣ＝ｄＣ１＝ｄＣ０の値は、デバイスに印加される加速度にほぼ比例する。

図６に示す加速度計の主要な問題は、支持構造１０３及び１１３が支持構造１２１からかなり離れていることである。支持構造間の距離が長いほど、デバイスはパッケージ応力の影響をより受けやすくなる。図８に示すように、パッケージ応力を受けると、支持構造１２１は、構造１３１として幻像で示す新しい位置に移動することができる。最終結果として、量ｄＣがパッケージの影響を受け易くなり、加速度測定誤差を生じる可能性がある。パッケージ応力は、電子部品を電子ボードに半田付けするために用いられるリフロー・プロセスから生じる可能性がある。パッケージ応力のもう１つの原因は、温度変化である可能性がある。電子部品は、異なる熱膨張係数を有する種々の材料からできているので、温度が変化するとパッケージ応力が変化する。都合の悪いことに、図６の加速度計設計の適正な動作は、基本的に、（ｉ）支持構造１０３と支持構造１２１との間の分離、並びに（ｉｉ）支持構造１１３と支持構造１２１との間の分離に依存する。図７に関して上述したように、加速度計の停止中、この分離により、電極１０６は電極１２６よりも下にずれ、電極１１５は電極１０５よりも下にずれる。

図６の設計のパッケージング応力に対する感度に対抗するための１つの方法は、図９の三軸加速度計９００の例に示すように、第１のセンサ９８０及び第２のセンサ９９０を形成することである。この設計において、第２のセンサ９９０は固定基準として使用され、第１のセンサ９８０はｚ軸１００に沿う加速度に応答するように構成される。第２のセンサ９９０は、温度及びパッケージ応力の影響を受けるが、加速度の影響は受けない。第１のセンサ９８０は、加速度、温度及びパッケージ応力の影響を受ける。第１のセンサ９８０の出力信号から第２のセンサ９９０の出力信号を差し引くことにより、パッケージ応力及び温度の影響が除去されるという理論である。

三軸加速度計９００がどのように作動するか、詳細を以下に説明する。三軸加速度計９００の第１のセンサ９８０は、ねじれ湾曲部２０２の縦軸を中心にしたねじれ運動により、ｚ軸１００方向の加速度に応答するプルーフマス２０１を含む。プルーフマス２０１の梁構造は、ねじれ湾曲部２０２を介して支持構造２０３によりケース（図示せず）に接続している。電極２０５及び２０６は、プルーフマス２０１から延びており、それぞれ、電極２１５及び２２６と互いに嵌合している。電極２２６は、支持体２２１によりケースに接続している。梁構造２１１は、湾曲部２１２を介して支持構造２１３によりケースに堅固に接続している。ねじれ湾曲部２１２は、湾曲部２０２よりもかなり硬くなるように設計されている。加速度が加えられた場合に、硬さの違いにより、梁構造２１１はほぼ動かないが、プルーフマス２０１は移動する傾向がある。Ｘ軸２００に沿う加速度に応答するように設計されているＸ加速度計２９８は、第１のセンサ９８０内に入れ子状態となっている。

同様に、第２のセンサ９９０において、プルーフマス２５１は、湾曲部２５２を通して支持構造２５３によりケースに接続している。電極２５５及び２５６は、プルーフマス２５１から延びており、それぞれ、電極２６５及び２７６と互いに嵌合している。電極２７６は、支持体２７１によりケースに接続している。梁構造２６１は、湾曲部２６２を介して支持位置２６３によりケースに堅固に接続している。ねじれ湾曲部２５２及び２６２は、比較的硬くなるように設計されている。両方の湾曲部が効果的に剛性を有することにより、第２のセンサ９９０は、温度及びパッケージ応力のみに応答し、加速度には応答しない。Ｙ軸３００に沿う加速度に応答するように設計されているＹ加速度計２９９は、第２のセンサ９９０内に入れ子状態となっている。

Ｚ加速度を感知するために、第２のセンサ９９０によって感知された変化が、第１のセンサ９８０によって感知された変化から減算されるという方法で、電気接続が行われる。一方のキャリアは、電極２１５及び２７６に接続される。他方のキャリアは、電極２２６及び２６５に接続される。電荷は、ＡＳＩＣ電荷入力ピンをプルーフマス２０１及び２５１に接続することにより合計される。即ち、電極２０５及び２１５はキャパシタＣａを形成し、電極２０６及び２２６はキャパシタＣｂを形成し、電極２５５及び２６５はキャパシタＣｃを形成し、電極２５６及び２７６はキャパシタＣｄを形成する。第２のセンサ９９０によって感知された容量差Ｃｃ−Ｃｄは、第１のセンサ９８０によって感知された容量差Ｃａ−Ｃｂから減算される。このようにして、加速度に比例するが、温度及びパッケージ応力の影響を受けない信号が取得される。数学的に、これは、ｄＣ＝（Ｃａ−Ｃｂ）−（Ｃｃ−Ｃｄ）で表される。項を再配置すると、ｄＣ＝（Ｃａ＋Ｃｄ）−（Ｃｂ＋Ｃｃ）が得られる。項ｄＣは、パッケージ及び温度に影響を受けないものとする。都合の悪いことに、三軸加速度計９００は、まだ温度及びパッケージ応力の影響を受け易い。図９の三軸加速度計の設計は、均一の応力を打ち消すだけのものであり、センサ９８０及び９９０は、同じ温度起因のパッケージ応力を感知する。素子のねじれは全く補償されない。

三軸加速度計の実施形態の例
図１０Ａ及び図１１は、本発明の実施形態による三軸加速度計の設計コンセプト例を示す。これらの設計と先に示した設計との間の１つの有意な違いは、ｚ感知素子の半分が１つの点において有効に支持されていることである。ｚ感知素子を１つの点において有効に支持することにより、パッケージ応力及び温度変化による出力のシフトが実質的に低減する。初期の実験により、温度感受性が約５倍低減し、パッケージ応力起因の出力シフトが約１０倍低減することが示されている。性能が改善に加えて、図１０Ａ及び図１１に概略的に示す設計コンセプトも、感知素子が必要とする領域を４０％低減することができ、同程度の割合で製造コストを有効に低減することができている。

支持体を「単点」と記載したが、支持体は、配線又は他のフィーチャが感知素子と（シリコン）基板との間を通過できるように、いくつかに小さく分離することができる。本明細書で使用する場合、「単点」支持構造という用語は、加速度感知デバイスによって包囲される領域よりも実質的に小さい領域を包囲する支持構造のことを言う。

図１０Ａは、本発明の実施形態による三軸加速度計１０００の例を示す。三軸加速度計１０００は、第１のｚ軸センサ３０６、第２のｚ軸センサ３０７、ｘ軸加速度計３９８、及びｙ軸加速度計３９９を含む。

第１のｚ軸センサ３０６は、ｚ軸１００に沿って、即ち、ケース３１０に直交する軸に沿って加速度を測定するように構成されている。先に述べたように、第１のｚ軸センサ３０６は、温度に対して感受性があっても良い。第１のｚ軸センサ３０６は、第１の梁構造３０１、第２の梁構造３１１、及び単支持構造３０３を含む。単支持構造３０３は、ケース３１０に対して第１の梁構造３０１及び第２の梁構造３１１を支持する。第１の梁構造３０１は複数の電極３０５を含み、第２の梁構造３１１は複数の電極３１５を含む。電極３１５は、電極３０５と互いに嵌合していると共に、電気的に結合している。第１の梁構造３０１は、電極３０５と電極３１５のと間の電気結合に測定可能な変化を引き起こすｚ軸１００に沿った加速度に応じて、第２の梁構造３１１に対して移動する。

Ｘ軸加速度計３９８は、図２Ａの加速度計２０２と同様に、ｘ軸２００に沿った加速度を測定するように構成されている。図１０Ａに示すように、第１の梁構造３０１及び第２の梁構造３１１は、ｘ軸加速度計３９８を囲んでいる。

第２のｚ軸センサ３０７も、ｚ軸１００に沿った加速度を測定するように構成されている。先に述べたように、第２のｚ軸センサ３０７は、温度に対して感受性があっても良い。第２のｚ軸センサ３０７は、第３の梁構造３６１と、第４の梁構造３５１と、単支持構造３５４とを含む。単支持構造３０３と同様に、単支持構造３５４は、ケース３１０に対して第３の梁構造３６１及び第４の梁構造３５１を支持する。第３の梁構造３６１は複数の電極３６５を含み、第４の梁構造３５１は複数の電極３５５を含む。電極３５５は、電極３６５と互いに嵌合していると共に、電気的に結合している。第３の梁構造３６１は、電極３６５及び３５５間の電気結合に測定可能な変化を引き起こすｚ軸１００に沿った加速度に応じて、第４の梁構造３５１に対して移動する。

Ｙ軸加速度計３９９は、図２Ａの加速度計２０２と同様に、ｙ軸３００に沿って加速度を測定するように構成されている。図１０Ａに示すように、第３の梁構造３６１及び第４の梁構造３５１は、ｙ軸加速度計３９９を囲んでいる。

先に述べたように、本発明のある実施形態において、第１のｚ軸センサ３０６及び第２のｚ軸センサ３０７は、ｚ軸１００に沿って加速度を別々に感知する。しかし、他の実施形態においては、第１のｚ軸センサ３０６及び第２のｚ軸センサ３０７は、上記図６に関して説明したのと同様の方法で、加速度を感知するために差動容量を測定する。この実施形態の動作例について、以下に説明する。

第１のｚ軸センサ３０６は、ねじれ湾曲部３０２により規定される軸についてのねじれ運動により、Ｚ方向１００において上下運動をするプルーフマス３０１を含む。湾曲部３０２は、プルーフマス３０１を支持構造３０３において基板に接続する。この、ｚ素子の半分に対向する部材は、梁構造３１１である。梁構造３１１は、移動を抑制するように、堅い湾曲部３１２を介して支持構造３０３に接続している。もしプルーフマス３０１及び梁構造３１１が図６の設計と同様の方法で構成されていたならば、電極３０５と３１５との高さの違いは、あったとしても小さいだろう。しかし、図１０Ａの設計の第１のｚ軸センサ３０６は、プルーフマス３０１と梁構造３１１との間において異なる湾曲を形成するために、構造３１３と重なっている領域３１６内に、残りの構造とは異なるフィールド酸化物の厚さを利用する。その結果、電極対３０５及び３１５間に撓みの差が生じる。同様に、図１０Ａの設計の第２のｚ軸センサ３０７は、梁構造３５１とプルーフマス３６１との間に異なる湾曲を形成するために、構造３６３と重なっている領域３６６内に、残りの構造とは異なるフィールド酸化物の厚さを利用する。その結果、電極対３５５及び３６５間に撓みの差が生じる。

異なるフィールド酸化物の厚さ（例えば、領域３１３及び３６３内）を生成するためのプロセスは、種々の方法できる。図１０Ｂ〜図１０Ｈは、異なるフィールド酸化物の厚さを生成するためプロセスの例を示す。

図１０Ｂは、その上に配置された二酸化シリコンの層１４８を有する（シリコン）基板１５２の断面を示しており、フォトレジスト層１４９は、二酸化シリコン１４８上に配置されている。トレンチ分離ジョイント１５３は、例えば、上記米国特許第６，３４２，４３０号及び６，２３９，４７３号に記載されているプロセスにより、（シリコン）基板１５２内にエッチングされる。図１０Ｃに示すように、厚いフィールド酸化物層１５０は、熱成長してトレンチ分離ジョイント１５３を満たす。ある実施形態においては、二酸化シリコンは、約２．２μｍの厚さに成長する。図１０Ｄに示すように、ＭＥＭＳ構造素子の形成のために始動フィールド酸化物の厚さ１６０を設定し、さらに、トレンチ分離ジョイント１５３に形成された尖った点１５１を平滑にするために、平坦化プロセスを使用できる。典型的な始動フィールド酸化物の厚さは、高さ約２０〜３０μｍのシリコン構造を形成するためには、約０．８〜１．２μｍの範囲内である。このプロセスのこの時点において、全ての構造は、同じ始動フィールド酸化物の厚さを有する。

上記特許に記載されているように、このプロセスは、基板材料への電気的バイアの形成、相互接続を形成するための金属化、及び約１〜１．５μｍの厚さへのパッシベーション酸化物の堆積を必要とする。図１０Ｅは、パッシベーション酸化物１６６の堆積を示す。堆積した際のこのパッシベーション酸化物の応力は、約＋３０ＭＰａの引張応力から約−１００ＭＰａの圧縮応力の範囲となり得る。選択される通常の値は約−７０ＭＰａ圧縮である。応力レベルがマイナスになるほど、外梁構造３１１及び３６１は撓むだろう。

通常、パッシベーション酸化物は、ＭＥＭＳ構造素子が常駐するトレンチ領域内において均一に除去される。しかし、図１０Ｆに示すように、フィールド酸化物の層１６２の層を露出している領域１６１を除いて、全てのパッシベーション酸化物層１６６は除去される。除去プロセスにより、フィールド酸化物層１６２は、フィールド酸化物層１６０より薄くなる。図１０Ｇに示すように、トレンチ分離ジョイント１７０は、基板１５２からエッチングされる。また、図１０Ｇは、余分なパッシベーション酸化物領域１６１からエッチングされた梁１７１と、余分なパッシベーション酸化物領域１６１の外側に形成された梁１７２を示す。このようにして、梁１７１は、梁１７２より厚いパッシベーション酸化物層を有し、従って、上述の通り、梁１７１は、梁１７２よりも撓むだろう。

例えば、図１０Ａにおいて、パッシベーション酸化物は、構造３１３及び３６３と完全に重なっている領域３１６及び３６６を除く全ての領域から除去しても良い。このようにして、構造３１３及び３６３は、例えば、内部の梁構造３０１及び３５１のそれぞれの構造３０４及び３５４のように、トレンチ領域３１０に含まれる三軸加速度計１０００の他の部分と比較して、より厚い酸化物層を有するだろう。パッシベーション除去プロセス中、構造３１３及び３６３を除く構造素子の全体に渡ってフィールド酸化物１６２を薄くするために、約４００ｎｍのさらなる酸化物がエッチングされる。残りのプロセス・ステップ中、露出したフィールド酸化物及びパッシベーション酸化物は、シリコンがエッチングされる際のプラズマ・エッチングの選択性により、さらに約４００ｎｍだけ薄くなる。ある実施形態において、外側の梁構造３１１及び３６１の最大の撓みは約１４〜１８μｍであり、内側の梁構造３０１及び３５１の最大の撓みは約７〜１０μｍである。

図１０Ｈに示すように、トレンチ分離ジョイント１７０、梁１７１及び梁１７２を（シリコン）基板１７３から解放するために、等方性エッチングが用いられる。
他にも、適当な撓みを形成するために所望の酸化物のスタックを達成する方法はある。例えば、２．２μｍの酸化物成長の直後に、フィールド酸化物にパターン形成することができる。パターン形成により、酸化物の厚さに、所望の６００ｎｍステップが導入される。さらに、所望のフィールド酸化物の厚さを形成するために用いられる平坦化ステップが、２つの領域間の遷移を平滑にする。

再び図１０Ａを参照すると、第２のｚ軸センサ３０７は、プルーフマス３６１、外側の梁構造を含む。プルーフマス３６１は、ねじれ湾曲部３６２を介して支持構造３５４において基板に接続している。梁構造３５１は、運動を抑制するように硬い湾曲部３５２を介して支持構造３５４に接続している。プルーフマス３６１の運動は、Ｚ方向１００において面に入ったり出たりする運動である。プルーフマス３６１の上に配置されている酸化物の領域３６３は、梁構造３５１の上に配置されている酸化物の領域３５４よりも厚いので、プルーフマス３６１は梁構造３５１よりも撓む。

電極３０５及び３１５は、キャパシタＣＬを形成しており、プルーフマス３０１が停止中である場合に、電極３０５はＺ方向１００において電極３１５の上側にある。電極３５５及び３６５は、同様に、もう１つのキャパシタＣＲを形成しており、プルーフマス３６１が停止中である場合に、電極３５５は電極３６５の上側にある。Ｚ方向１００における上向きの加速度の場合には、内部電極３０５は下方に曲がり、それにより容量ＣＬが増大し、一方、外部電極３６５は下方に曲がり、それにより容量ＣＲが低減する。キャリア１を電極３１５に電気的に接続し、キャリア２を電極３６５に電気的に接続し、また電極３０５及び３５５の両方を電荷入力に接続することにより、差動容量（ＣＲ−ＣＬ）＝ｄＣを測定することができる。ｄＣは、加速度計１０００が受けるＺ方向の加速度に比例する。

温度変化の場合に、第１のｚ軸センサ３０６のプルーフマス３０１及び梁構造３１１は、第２のｚ軸センサ３０７の梁構造３５１及びプルーフマス３６１の運動を追跡しなければならない。従って、温度変化は、Ｚ加速度計の出力応答にほとんど影響してはならない。さらに、プルーフマス３０１及び梁構造３１１は共通の支持位置３０３を共有し、同様に、梁構造３５１及びプルーフマス３６１は、共通の支持位置３５４を共有する。従って、パッケージング応力も、Ｚ加速度計の出力にほとんど影響してはならない。

Ｘ加速度計３９８及びＹ加速度計３９９は、それぞれ、図１０Ａに示すように、第１のｚ軸センサ３０６及び第２のｚ軸センサ３０７に入れ子となっている。即ち、第１のｚ軸センサ３０６のプルーフマス３０１及び梁構造３１１は、Ｘ加速度計３９８を囲んでおり、第２のｚ軸センサ３０７の梁構造３５１及びプルーフマス３６１は、Ｙ加速度計３９９を囲んでいる。しかし、図１０Ａの配置は例示のみを目的としており、限定されないことは理解されたい。本発明の範囲内の他の配置も考えられる。例えば、Ｘ加速度計３９８を第２のｚ軸センサ３０７に入れ子にできるし、Ｙ加速度計３９９を第１のｚ軸センサ３０６に入れ子にできるし、或いは、本明細書に含まれる説明を読むことにより、当業者であれば他の配置を実現することができる。

センサ３９８及び３９９用に用いられる典型的な線形加速度計は、図２の加速度計と同様である。Ｘセンサ３９８及びＹセンサ３９９は、２つの正反対の位置（図示せず）において基板に接続されている。Ｚセンサ３０６及び３０７の性能には不利であるが、正反対の支持体を有していても、構造の対称性のため、Ｘ及びＹセンサ３９８及び３９９の性能にそれほど不利ではない。通常、復元バネはバランスしているので、２つの支持体間の任意の相対運動は、プルーフマスのわずかな運動となって表れる。

図１０Ａに示すＺセンサ１０００の動作に関連する通常の値は、約１〜３ｋＨｚの範囲の共振、約２〜３×１０^−３ｋｇ−ｍ^２の第２の慣性モーメント、約０．５〜１．５の発振器品質係数、及び加速度ｇ変化するごとの約３〜１０ｆＦの差動容量の変化を含む。Ｘ及びＹセンサの動作に関連する通常の値は、約３〜５ｋＨｚの範囲の共振、約６〜１０×１０^−９ｋｇの質量、約０．５〜１．５の発振器品質係数、及び加速度ｇ変化するごとの約３〜１０ｆＦの差動容量の変化を含む。

図１１は、三軸加速度計１１００の他の実施形態を示しており、同等のＸ及びＹセンサは、一対の一点支持領域において、基板の上方に効果的に支持されている。三軸加速度計１１００は、第１のｚ軸センサ４０６及び第２のｚ軸センサ４０７を含む。ある実施形態において、第１のｚ軸センサ４０６及び第２のｚ軸センサ４０７は、ｚ方向１００に沿って加速度を独立に感知することができる。他の実施形態において、第１のｚ軸センサ４０６及び第２のｚ軸センサ４０７は、差動容量を測定するために機能することができる。

図１１に示すように、第１のｚ軸センサ４０６の梁構造４０１及び梁構造４１１は、ｘセンサ４９８を囲んでいる。Ｘセンサ４９８は、Ｘ軸方向２００における加速度を測定するように構成されている。同様に、第２のｚ軸センサ４０７の梁構造４５１及び４６１は、ｙセンサ４９９を囲んでいる。Ｙセンサ４９９は、Ｙ軸３００方向における加速度を測定するように構成されている。電極４０５は梁構造４０１から延びており、梁構造４１１から延びる電極４１５と互いに嵌合している。同様に、電極４５５は梁構造４５１から延びており、梁構造４６１から延びる電極４６５と互いに嵌合している。

第１のｚ軸センサ４０６及びｘ軸センサ４９８は、支持構造４０３により、ケース４１０の上方に支持されている。同様に、第２のｚ軸センサ４０７及びｙセンサ４９９は、支持構造４５３により、ケース４１０の上方に支持されている。梁構造４１１の領域４１３が比較的厚い酸化物層を有しているのに対して、梁構造４０１の領域４０４はそうでないため、第１のｚ軸センサ４０６の梁構造４１１は、梁構造４０１よりも大きく下方に湾曲している。同様に、梁構造４６１の領域４６３が比較的厚い酸化物層を有しているのに対して、梁構造４５１の領域４５４はそうでないため、梁構造４６１は、梁構造４５１よりも大きく下方に湾曲している。

第１のｚ軸センサ４０６は、梁構造４０１及びねじれ湾曲部４０２を含む。梁構造４０１を支持構造４０３に直接接続する代わりに、ねじれ湾曲部４０２がＴコネクタ４２０を介してＴ支持体４１２に接続している。梁構造４０１は、第１のｚ軸センサ４０６に対してプルーフマスとして機能することができる。さらに、Ｘ加速度計４９８は、Ｚ加速度計のプルーフマスのかなりの割合を占める。梁構造４０１は、Ｚ加速度に応答して上下に移動するが、相対運動は、Ｘ加速度計４９８においていかなる有意な交差軸感受性も導かないほど小さい。

第２のｚ軸センサ４０７は、梁構造４５１及びねじれ湾曲部４５２を含む。梁構造４５１を支持構造４５３に直接接続する代わりに、ねじれ湾曲部４５２がＴコネクタ４７０を介してＴ支持体４６２に接続している。

第２のｚ軸センサ４０７において、梁構造４５１及び４６１は、第１のｚ軸センサ４０６の梁構造４０１及び４１１に関して機能を交換する。第２のｚ軸センサ４０７において、梁構造４６１はプルーフマスであり、梁構造４５１は対向する固定電極を含む。機能の交換は、Ｔコネクタ４２０と比較したＴコネクタ４７０の位置の相対差により可能になる。Ｙ加速度計４９９は、Ｚ方向における加速度に対する交差軸感受性を最小化するために、第２のｚ軸センサ４０７内に入れ子となっている。もし、Ｙ加速度計４９９をＸ加速度計４９８の位置に設置したら、Ｚ加速度は、梁構造４０１の傾斜を変え、Ｙ加速度計４９９の最初の傾斜を変え、交差軸感受性を導くだろう。

図１１に示す設計コンセプトの主要な利点は、必要とされる空間の低減である。Ｘ加速度計４９８及びＹ加速度計４９９の周囲のフレームは、第１のｚ軸センサ４０６及び第２のｚ軸センサ４０７の内部の梁構造４０１及び４５１の設計とそれぞれ一体になっている。デバイス・コア内に、Ｘ加速度計４９８及びＹ加速度計４９９に対する基板接続は必要ない。即ち、Ｘ加速度計４９８及びＹ加速度計４９９は、支持構造４０３及び４５３を介して周辺において基板にそれぞれ接続しているだけである。

この設計コンセプトの欠点は、電極相互接続設計を実現するために、さらに金属及び分離ジョイントが必要なことである。シリコン梁の頂部の金属は、衝撃事象による金属の組成変形により、センサ素子でオフセット・シフトを起こす可能性がある。分離ジョイントは、シリコン基板から、熱膨張係数（ＣＴＥ）が著しく異なる材料を導入する。この異なるＣＴＥは、正しく計画しないと、センサに大きな温度感受性を導入する可能性がある。金属及び分離ジョイントの使用範囲は、下記の図面によりさらにはっきりする。

図２〜図１１は、主として考察を簡単にするために、簡単な形式で設計コンセプトを示す。図１２〜図１９は、図１０及び図１１に示す設計コンセプトに対する設計レイアウトの好ましい実施形態を示す。特に、図１２〜図１５は、図１１の略図に示す設計コンセプトに対するレイアウトの好ましい実施形態を示し、一方、図１６〜図１９は、図１０に概略的に示す設計コンセプトに対するレイアウトの好ましい実施形態を示す。

図１２を参照すると、トレンチ領域５１０は、三軸加速度計センサ素子１２００の全体の境界を示している。基板への唯一の支持接続は、支持構造５０３及び５５３においてである。各支持の位置において、６つの梁は基板に接続することができる。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、異なる数の梁を基板に接続することができる。ある実施形態において、６つの梁は、２つのキャリア、３つの電荷入力ライン及びアース接続に対応する。

第１の素子部分５００は、Ｚ加速度計の半分及びＸ加速度計の全てを含む。第１の素子部分５００においては、梁構造５０１は、ｚセンサの半分のためのプルーフマスである。梁構造５０１は、フレーム５０４を含むＸセンサ５９８を囲んでいる。梁構造５０１は、Ｚ加速度に応じて湾曲部５０２に対してねじれて旋回する。

Ｘ加速度計５９８のコンセプトは、図２に示す線形加速度計と同様である。加速度計５９８は、Ｘ加速度に応じてＸ軸方向において移動するプルーフマスを含む。プルーフマスの運動は、複数の平行平板キャパシタ・センサを用いて感知される。これらのセンサは、上述の通り、プルーフマスの運動を感知するための電荷入力端子に加えて、キャリア１及び２を使用する。

電極５０５は、Ｚ加速度計のプルーフマス５０１に接続している。梁構造５１１は、プルーフマス５０１の運動を感知するための対向電極５１５を備える。梁構造５１１は、Ｔコネクタ５２０を介して支持構造５０３に直接接続している。構造５０１は、湾曲部５０２に接続しており、次にＴコネクタ５２０及び支持構造５０３に接続している。第１の素子部分５００内の残りの構造に対する撓みを強くするため、梁構造５１１上にフィールド酸化物の領域５１３が増加したために、電極５０５及び５１５間に撓み差が生じる。

同様に、第２の素子部分５５０は、Ｚ加速度計の残りの半分及びＹ加速度計５９９の全てを含む。第２の素子部分５５０において、梁構造５６１は、ｚセンサの半分のためのプルーフマスである。梁構造５５１は、フレーム５５４を含むＹセンサ５９９を囲んでいる。梁構造５６１は、Ｚ加速度に応じて湾曲部５５２に対してねじれて旋回する。

Ｙ加速度計５９９のコンセプトもまた、図２に示す線形加速度計と同様である。加速度計５９９は、Ｙ加速度に応じてＹ軸方向において移動するプルーフマスを含む。プルーフマスの運動は、複数の平行平板キャパシタ・センサを用いて感知される。これらのセンサは、上述の通り、プルーフマスの運動を電気的に感知するための電荷入力端子に加えて、キャリア１及び２を使用する。

電極５６５は、Ｚ加速度計のプルーフマス５６１に接続している。梁構造５５１は、プルーフマス５６１の運動を感知するための対向電極５５５を備える。梁構造５６１を支持構造５５３に直接接続する代わりに、ねじれ湾曲部５５２は、Ｔコネクタ５７０を介してＴ支持体５６２に接続している。対照的に、構造５７１は、Ｔ支持体５６２に接続していない。第２の素子部分５５０内の残りの構造に対する撓みを強くするため、フィールド酸化物の領域５６３を増大したために、電極５６５及び５５５間に撓み差が生じる。

電極５０５及び５１５は、Ｚ方向における加速度により増大するキャパシタＣ５１を形成する。電極５６５及び５５５は、印加される加速度により低減するキャパシタＣ５２を形成する。Ｃ５２とＣ５１の違いを利用することにより、印加された加速度を測定することができる。さらに、先に述べたように、Ｚ加速度計を形成するために、キャパシタＣ５１又はＣ５２を独立に使用することができる。容量変化を加速度に変換するために使用される電気回路網内に固定キャパシタ基準を形成しさえすればよい。上記のＺセンサの半分のみを用いて加速度計を構成するこの方法は可能であるが、固定キャパシタ基準は、センサのそれを温度シフトに応じて必ずしも追従しなくても良い。

図１３は、第１の素子部分５００に含まれるＴ支持構造５２０の詳細を示している。Ｔコネクタ５２０は、梁構造５１１の運動を抑制し、一方、構造５２１によるＴ接続がないことにより、梁構造５０１が加速度に応じて移動できる。また、図１３は、Ｔ支持体５１２と基板との間の支持構造５０３も示す。第１の素子部分５００に含まれるセンサ素子への全ての電気接続は、支持構造５０３を横切って行っても良い。同様に、第２の素子部分５５０に含まれるセンサ素子への全ての電気接続は、支持構造５５３を横切って行っても良い。

図１４は、第１の素子部分５００の電極領域の詳細を示す。複数の電極５０５及び５１５が示されている。電極５０５及び５１５の長さは約１００μｍであり、約３μｍの間隔で離間している。さらに、バンプ（ｂｕｍｐ）・ストップ５２３及び５２２が、強い衝撃事象にさらされた際に保護を提供する。境界５１０は、トレンチ領域が開始する場所を示す。

図１５は、構造５２１及び５７１の位置に、Ｔコネクタ５２０及び５７０が存在し、Ｔコネクタが存在しないことをさらに強調している。

図１６〜図１９は、図１０Ａに三軸加速度計１０００として概略的に示す三軸加速度計１６００の設計コンセプトの詳細を示す。三軸加速度計１６００は、第１の素子部分６００及び第２の素子部分６５０を含む。第１及び第２の素子部分６００及び６５０内の構造は、トレンチ領域６１０により境界を示されている。Ｚ加速度計の２つの半分と基板との間の接続は、支持構造６０３及び６５３において行われ、一方、基板とＸ及びＹセンサとの間の接続は、支持フレーム６２４及び６７４内の正反対の位置において行われる。ある実施形態において、支持フレーム６２４及び６７４は、解放されたシリコン梁のトラス構造から構成され、支持構造６０３及び６５３においてそれぞれ基板に接続している。他の実施形態において、支持フレーム６２４及び６７４は、下にある基板に均一に接続している。

第１の素子部分６００は、Ｚ加速度計の半分及びＸ加速度計の全てを含む。第１の素子部分６００において、梁構造６０１は、ｚセンサの半分に対するプルーフマスである。梁構造６０１は、フレーム６０４を含むＸセンサ６９８を囲んでいる。梁構造６０１は、Ｚ加速度に応じて湾曲部６０２に対してねじれて旋回する。Ｚ加速度に応じて梁構造６１１の運動を制限する硬いねじれ湾曲部６１２の設計のために、第１の素子部分６００の梁構造６１１は追従しない。

Ｘ加速度計６９８のコンセプトは、図２に示す線形加速度計２０２と同様である。加速度計６９８は、Ｘ加速度に応じてＸ軸方向において移動するプルーフマスを含む。プルーフマスの運動は、複数の平行平板キャパシタ・センサを用いて感知される。これらのセンサは、プルーフマスの運動を感知するための電荷入力端子に加えて、キャリア１及び２を使用する。

電極６０５は、Ｚ加速度計のプルーフマス６０１に接続している。梁構造６１１は、プルーフマス６０１の運動を感知するための対向電極６１５を備える。６００内の残りの構造に対する撓みを強くするため、梁構造６１１上にフィールド酸化物の領域６１３を増大したために、電極６０５及び６１５の間に撓み差が生じる。

同様に、第２の素子部分６５０は、Ｚ加速度計の残りの半分及びＹ加速度計の全てを含む。第２の素子部分６５０において、梁構造６６１は、ｚセンサの半分のためのプルーフマスである。第２の素子部分６５０の梁構造６５１は、Ｙセンサ６９９を囲んでいる。梁構造６６１は、Ｚ加速度に応じて湾曲部６６２に対してねじれて旋回する。Ｚ加速度に応じて梁構造６５１の運動を制限する硬いねじれ湾曲部６５２の設計のために、第２の素子部分６５０の梁構造６５１は追従しない。

Ｙ加速度計６９９のコンセプトもまた、図２に示す線形加速度計２０２と同様である。加速度計６９９は、Ｙ加速度に応じてＹ軸方向において移動するプルーフマスを含む。プルーフマスの運動は、複数の平行平板キャパシタ・センサを用いて感知される。これらのセンサは、プルーフマスの運動を電気的に感知するための電荷入力端子に加えて、キャリア１及び２を使用する。

電極６６５は、Ｚ加速度計のプルーフマス６６１に接続している。梁構造６５１は、プルーフマス６６１の運動を感知するための対向電極６５５を備える。第２の素子部分６５０内の残りの構造に対する撓みを強くするため、梁構造６６１上にフィールド酸化物の領域６６３を増大したために、電極６６５及び６５５の間に撓み差が生じる。

電極６０５及び６１５は、Ｚ方向に上向きに印加された加速度により増大するキャパシタＣ６１を形成する。電極６６５及び６５５は、上向きに印加された加速度により低減するキャパシタＣ６２を形成する。Ｃ６２とＣ６１の違いを利用することにより、印加された加速度を測定することができる。さらに、Ｚ加速度計を形成するために、キャパシタＣ６１又はキャパシタＣ６２を独立に使用することができる。容量変化を加速度に変換するために使用される電気回路網内に固定キャパシタ基準を形成しさえすればよい。上記のＺセンサの半分のみを用いて加速度計を構成するこの方法は可能であるが、固定キャパシタ基準は、センサのそれを温度シフトに応じて必ずしも追従しなくても良い。

図１０、図１１、図１２及び図１６に基づいて説明した全てのＺ加速度計において、プルーフマスの容量の感知は、差動撓み（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂｏｗ）を用いて達成される。米国特許第６，７９２，８０４号に記載されているように、差動撓みを使用しなくてもこれらのＺ加速度計の全てを形成することができる。しかし、面外運動を感知するこの方法は、温度変化によりＺセンサの性能を劣化する可能性がある追加の金属経路及び分離ジョイントを必要とするかも知れない。

図１７は、ねじれ湾曲部６０２の詳細を示す。また、製造の均一性のためエッチング負荷のバランスをとるために使用される梁６１５も示されている。

図１８は、第１の素子部分６００の電極領域の詳細を示す。また、プルーフマス６０１及び梁構造６１１からそれぞれ延びる複数の電極６０５及び６１５も示されている。電極６０５及び６１５の長さは約１００μｍであり、約３μｍの間隔で離間している。さらに、支持フレーム６２４の構造も示されている。

図１９は、第１の素子部分６００のねじれ湾曲部６０２及び硬いねじれ湾曲部６１２が、第２の素子部分６５０のねじれ湾曲部６６２及び硬いねじれ湾曲部６５２にそれぞれどのように類似しているのかをさらに強調している。

方法の例
図２０は、本発明のある実施形態による微小電気機械加速度計を構成するための方法を示すフローチャート２０００である。フローチャート２０００は、単支持構造により基板に対して支持されるように面外センサを製造するステップ２０１０から開始する。例えば、ステップ２０１０において使用される面外センサは、図１０Ａ及び図１１〜図１９に関して先に説明したいずれかのセンサに類似していても良い。

ステップ２０２０において、面内センサを面外センサで囲む。例えば、ステップ２０２０において使用される面内センサは、図２Ａ、図１０Ａ及び図１１〜図１９に関して先に説明したいずれかの面内センサに類似していても良い。

結論
本発明の種々の実施形態について説明してきたが、これらは例としてのみ与えられたのであって、限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、形状及び詳細を種々に変更できることは、当業者により理解されるだろう。従って、本発明の範囲は上記の例となる実施形態のいずれによっても制限されるべきではなく、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ定義されるべきである。

また、概要及び要約の部分ではなく、詳細な説明の部分が特許請求の範囲を解釈するために使用されるものであることを理解されたい。概要及び要約の部分は、１つ又は複数の実施形態を説明するかも知れないが、本発明者によって考慮された本発明の実施形態の例の全てを説明しているわけではなく、従って、いかなる意味でも本発明及び添付の特許請求の範囲を制限するものではない。

添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を形成するものであり、本発明を図解しており、さらに、記述と共に本発明の原理を説明し、当業者が本発明を作製し使用できるようにするためのものである。
典型的なＭＥＭＳ加速度計に含まれる主要な要素を示す。 図１ＡのＭＥＭＳ加速度計の電気モデルを示す。 面内加速度計の構成例を示す平面図である。 面内加速度計に含まれる素子の平面図である。 面内加速度計に含まれる素子の斜視図である。 プラズマ微小機械加工で製造した梁を示す。 プラズマ微小機械加工で製造した梁を示す。 プラズマ微小機械加工で製造した梁を示す。 プラズマ微小機械加工で製造した梁を示す。 プラズマ微小機械加工で製造した梁を示す。 面外加速度計に含まれる基本概念要素を示す。 面外加速度計の構成例を示す。 面外加速度計の構成例を示す。 パッケージング応力及び温度変化に対して感受性がある面外加速度計の構成例を示す平面図である。 図６に示す面外加速度計の例の斜視図である。 図６に示す面外加速度計の例の断面図である。 パッケージング応力が、図６、図７Ａ及び図７Ｂに示す加速度計の構成例にどのような影響を与え得るかを示す。 パッケージング応力に対する感受性を低減するように設計された面外加速度計の構成例を示す平面図である。 本発明のある実施形態による三軸加速度計に含まれる素子の概略図である。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の加速度計のいくつかの領域内に、異なるフィールド酸化物の厚さを形成するためのプロセスを示す。 本発明の他の実施形態による三軸加速度計の概略図である。 図１１に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１１に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１１に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１１に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１０に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１０に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１０に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 図１０に概略的に示す三軸加速度計の設計レイアウトである。 本発明のある実施形態による加速度計を構成するための方法を示すフローチャートである。

Claims (41)

1. 基板と、
   前記基板の面に平行な第１の軸に沿って加速度を測定するように構成されている第１のセンサと、
   前記基板の前記面に垂直な軸に沿って加速度を測定するように構成されている第２のセンサであって、前記第２のセンサが、第１の梁と、第２の梁と、単支持構造とを備え、前記単支持構造が、前記基板に対して前記第１及び第２の梁を支持し、前記第１及び第２の梁が前記第１のセンサを囲んでいる、第２のセンサと、
   を備える微小電気機械加速度計。
2. 前記第１の軸に沿う前記加速度が、前記第１のセンサの電極間の差動容量に基づいて測定される、請求項１に記載の微小電気機械加速度計。
3. 前記第２のセンサが、前記第１及び第２の梁間の電気結合に基づいて、前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿って前記加速度を測定するように構成される、請求項１に記載の微小電気機械加速度計。
4. 前記第１の梁が、前記第１及び第２の梁間の前記電気結合に測定可能な変化を引き起こす前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿う前記加速度に応じて、前記第２の梁に対して移動する、請求項３に記載の微小電気機械加速度計。
5. 前記第１の梁が、前記単支持構造に、前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿う前記加速度に応じて移動可能なように柔軟に装着され、
   前記第２の梁が、前記単支持構造に、動かないように堅固に装着される、請求項４に記載の微小電気機械加速度計。
6. 前記第１のセンサが、前記第１の梁により支持され、前記第１の梁と一緒に移動する、請求項５に記載の微小電気機械加速度計。
7. 前記第１のセンサが、前記第２の梁により支持され、前記第２の梁と一緒に移動する、請求項５に記載の微小電気機械加速度計。
8. 前記第１及び第２の梁間の前記電気結合が、前記第１の梁の第１の複数の電極と前記第２の梁の第２の複数の電極との間に容量を備える、請求項４に記載の微小電気機械加速度計。
9. 前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿う前記加速度が、前記第１の複数の電極と前記第２の複数の電極との間の容量の変化により測定される、請求項８に記載の微小電気機械加速度計。
10. 前記第１の梁の前記第１の複数の電極、及び、前記第２の梁の前記第２の複数の電極が、前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿う前記加速度により線形的に変化するオーバーラップ領域を形成する、請求項９に記載の微小電気機械加速度計。
11. 前記第１の梁の曲率半径が前記第２の梁の曲率半径とは異なっており、それにより前記オーバーラップ領域が形成される、請求項１０に記載の微小電気機械加速度計。
12. 前記第１の梁が、前記第１の梁の頂部に配置されている第１の酸化物層を含むシリコンコアを有する一組の相互接続している平面梁を備え、前記第２の梁が、前記第２の梁の頂部に配置されている第２の酸化物層を含むシリコンコアを有する一組の相互接続している平面梁を備える、請求項１０に記載の微小電気機械加速度計。
13. 前記第１の酸化物層の厚さが前記第２の酸化物層の厚さとは異なっている請求項１２に記載の微小電気機械加速度計。
14. 前記第２のセンサが、前記第１の梁の移動の範囲を制限する突起（ｎｕｂ）をさらに備える、請求項１に記載の微小電気機械加速度計。
15. 前記単支持構造が、前記第２のセンサを前記基板上の配線に電気的に結合する配線を備える、請求項１に記載の微小電気機械加速度計。
16. 前記単支持構造が、また、前記基板に対して前記第１のセンサを支持する、請求項１に記載の微小電気機械加速度計。
17. 前記単支持構造が、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサを前記基板上の配線に電気的に結合する配線を備える、請求項１６に記載の微小電気機械加速度計。
18. 前記基板の面に平行な第２の軸に沿って加速度を測定するように構成されている第３のセンサであって、前記第２の軸が前記第１の軸に垂直である、第３のセンサと、
    前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿って加速度を測定するように構成されている第４のセンサであって、前記第４のセンサが、第３の梁と、第４の梁と、第２の単支持構造とを備え、前記第２の単支持構造が前記基板に対して前記第３及び第４の梁を支持し、前記第３及び第４の梁が前記第３のセンサを囲んでいる、第４のセンサと、
    をさらに備える請求項１に記載の微小電気機械加速度計。
19. 前記第２の軸に沿う前記加速度が、前記第３のセンサの電極間の差動容量に基づいて測定される、請求項１８に記載の微小電気機械加速度計。
20. （ｉ）前記第１及び第２の梁と、（ｉｉ）前記第３及び第４の梁との間の差動電気結合に基づいて、前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿った前記加速度が測定されるように構成されている、請求項１８に記載の微小電気機械加速度計。
21. 前記第２の梁が前記第１の梁を囲んでおり、前記第２の梁が前記単支持構造に堅固に結合されており、それにより前記第２の梁の移動を制限する、請求項２０に記載の微小電気機械加速度計。
22. 前記第４の梁が前記第３の梁を囲んでおり、前記第３の梁が前記第２の単支持構造に堅固に結合されており、それにより前記第３の梁の移動を制限する、請求項２１に記載の微小電気機械加速度計。
23. 基板と、
    本体（ｍａｓｓ）及びフレームを備える第１のセンサであって、前記本体が第１の複数の電極を備え、前記フレームが、前記第１の複数の電極と互いに嵌合し、且つ、電気的に結合している第２の複数の電極を備え、前記本体が、前記第１及び第２の複数の電極間の前記電気結合に測定可能な変化を引き起こす前記基板の面に平行な第１の軸に沿う加速度に応じて、前記フレームに対して移動する第１のセンサと、
    第１の梁と、第２の梁と、単支持構造とを備える第２のセンサであって、前記単支持構造が、前記基板に対して前記第１及び第２の梁を支持し、前記第１の梁が第３の複数の電極を備え、前記第２の梁が、前記第３の複数の電極と互いに嵌合し、且つ、電気結合している第４の複数の電極を備え、前記第１の梁が、前記第３及び第４の複数の電極間の前記電気結合に測定可能な変化を引き起こす前記基板の前記面に垂直な軸に沿う加速度に応じて、前記第２の梁に対して移動し、前記第１及び第２の梁が前記第１のセンサを囲んでいる、第２のセンサと、
    を備える微小電気機械加速度計。
24. 前記第１の梁の曲率半径が前記第２の梁の曲率半径とは異なっており、それにより前記第３の複数の電極が、前記第４の複数の電極からずれる、請求項２３に記載の微小電気機械加速度計。
25. 前記第１の梁が第１の酸化物層を備え、前記第２の梁が第２の酸化物層を備え、前記第１の酸化物層の厚さが前記第２の酸化物層の厚さと異なっている請求項２３に記載の微小電気機械加速度計。
26. 前記第２のセンサが、前記第１の梁の移動の範囲を制限する突起（ｎｕｂ）をさらに備える、請求項２３に記載の微小電気機械加速度計。
27. 前記単支持構造が、前記第２のセンサを前記基板上の配線に電気的に結合する配線を備える、請求項２３に記載の微小電気機械加速度計。
28. 前記単支持構造が、また、前記基板に対して前記第１のセンサを支持する、請求項２３に記載の微小電気機械加速度計。
29. 前記単支持構造が、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサを前記基板上の配線に電気的に結合する配線を備える、請求項２８に記載の微小電気機械加速度計。
30. 前記第２のセンサが、前記第２の梁及び前記単支持構造の両方に結合しているコネクタをさらに備え、前記コネクタが前記第２の梁の移動を制限する、請求項２８に記載の微小電気機械加速度計。
31. 第２の本体及び第２のフレームを備える第３のセンサであって、前記第２の本体が第５の複数の電極を備え、前記第２のフレームが前記第５の複数の電極と互いに嵌合し、且つ、電気的に結合している第６の複数の電極を備え、前記第２の本体が、前記第５及び第６の複数の電極間の前記電気結合に測定可能な変化を引き起こす前記基板の面に平行な第２の軸に沿う加速度に応じて、前記第２のフレームに対して移動し、前記第２の軸が前記第１の軸に垂直である、第３のセンサと、
    第３の梁と、第４の梁と、第２の単支持構造とを備える第４のセンサであって、前記第２の単支持構造が前記基板に対して前記第３及び第４の梁を支持し、前記第３の梁が第７の複数の電極を備え、前記第４の梁が、前記第７の複数の電極と互いに嵌合し、且つ、電気的に結合している第８の複数の電極を備え、前記第３の梁が、前記第７及び第８の複数の電極間の前記電気結合に測定可能な変化を引き起こす前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿う加速度に応じて、前記第４の梁に対して移動し、前記第３及び第４の梁が前記第３のセンサを囲んでいる、第４のセンサと、
    をさらに備える請求項２３に記載の微小電気機械加速度計。
32. 前記第２のセンサ及び前記第４のセンサが、（ｉ）前記第３及び第４の複数の電極間の前記電気結合の測定可能な変化と、（ｉｉ）前記第７及び第８の複数の電極間の前記電気結合の測定可能な変化との差を測定するように構成されている、請求項３１に記載の微小電気機械加速度計。
33. 前記第３及び第４の複数の電極間の前記電気結合が第１の容量を備え、前記第７及び第８の複数の電極間の前記電気結合が第２の容量を備え、前記第２のセンサ及び前記第４のセンサが、前記第１の容量と前記第２の容量との差を測定するように構成されている、請求項３１に記載の微小電気機械加速度計。
34. 微小電気機械加速度計を構成するための方法であって、
    単支持構造により基板に対して第１のセンサを支持するステップであって、前記第１のセンサが前記基板の面に垂直な軸に沿って加速度を測定するように構成され、前記第１のセンサが第１の梁及び第２の梁を備える、ステップと、
    前記第１のセンサの前記第１及び第２の梁で第２のセンサを囲むステップであって、前記第２のセンサが、前記基板の前記面に平行な第１の軸に沿って加速度を測定するように構成されているステップと、
    を備える方法。
35. 前記第２の梁に対して前記第１の梁がずれるようにするステップを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記単支持構造に含まれる配線により、前記第２のセンサを前記基板上の配線に電気的に結合するステップを備える、請求項３４に記載の方法。
37. 前記単支持構造により、前記基板に対して前記第１のセンサを支持するステップをさらに備える、請求項３４に記載の方法。
38. 前記単支持構造における配線により、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサを前記基板上の配線に電気的に結合するステップをさらに備える、請求項３７に記載の方法。
39. 前記第２の梁及び前記単支持構造の両方にコネクタを結合し、それにより前記第２の梁の移動を制限するステップをさらに備える、請求項３７に記載の方法。
40. 第２の単支持構造により前記基板に対して第３のセンサを支持するステップであって、前記第３のセンサが、前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿って加速度を測定するように構成されており、前記第３のセンサが第３の梁及び第４の梁を備える、ステップと、
    前記第３のセンサの前記第３及び第４の梁により第４のセンサを囲むステップであって、前記第４のセンサが、前記基板の前記面に平行な第２の軸に沿って加速度を測定するように構成されており、前記基板の前記面に平行な前記第２の軸が、前記基板の前記面に平行な前記第１の軸に垂直である、ステップと、
    をさらに備える、請求項３４に記載の方法。
41. （ｉ）前記第１及び第２の梁と、（ｉｉ）前記第３及び第４の梁との間の差動電気結合に基づいて、前記基板の前記面に垂直な前記軸に沿って前記加速度を測定するステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。

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