JP4750994B2 - 特に加速度センサに用いられるマイクロメカニカル構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、特に加速度センサに用いられるマイクロメカニカル構造体であって、アンカ固定装置を有する基板と、慣性質量体もしくははずみ質量体とが設けられていて、該はずみ質量体が、撓みばね装置を介してアンカ固定装置に結合されていて、はずみ質量体がその休止位置から弾性的に変位可能である形式のものに関する。
【０００２】
本発明は、実際には任意のマイクロメカニカル構造体に適用可能ではあるが、本発明および本発明の根底を成す問題点をマイクロメカニカル式の加速度センサに関して説明する。
【０００３】
図２には、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０８５４９号明細書に基づき公知であるような加速度センサに用いられる公知のマイクロメカニカル構造体の概略的な平面図が示されている。このようなマイクロメカニカル構造体は、たとえばヨーレートセンサのセンシング素子として使用される。
【０００４】
図２には、符号５′で慣性質量体もしくははずみ質量体が示されている。このはずみ質量体５′は、長手方向軸線Ｌ′を備えた円錐状の縦長形状を有している。符号Ｍ′は長手方向中心点である。はずみ質量体５′はアンカ固定装置（図示しない）と撓みばね４ａ′，４ｂ′，４ｃ′，４ｄ′とを介して基板１の上に弾性的に懸吊されているので、はずみ質量体５′はその休止位置から弾性的に変位可能となり、つまり線状振動子となる。符号１０ａ′，１０ｂ′，１０ｃ′，１０ｄ′，１０ｅ′，１０ｆ′は、はずみ質量体５′と共に運動可能となる可動電極であり、符号１００は基板１にアンカ固定された固定電極である。当然ながら、各可動電極１０ａ′〜１０ｆ′には、それぞれこのような固定電極が対応配置されているが、しかし図面を簡単にするために、図面には固定電極１００しか書き込まれていない。
【０００５】
すなわち、このようなマイクロメカニカル構造体は、ばね・質量系として設計されている。一般に、はずみ質量体５′と撓みばね４ａ′〜４ｄ′と可動電極１０ａ′〜１０ｆ′は、エピタキシ・ポリシリコン（Ｅｐｉｔａｘｉｅ−Ｐｏｌｙｓｉｌｉｚｉｕｍ；本来は単結晶シリコンのために使用されるエピタキシ設備を使用して製造された多結晶シリコン）から成っている。このエピタキシ・ポリシリコンは、エピタキシ・ポリシリコンと基板との間のＳｉＯ_２から成る犠牲層を除去することによって片持ち式に支承されている。
【０００６】
加速度の検出は相応するコンデンサにより容量式に行われる。このコンデンサはコンデンサプレートとして、はずみ質量体５′に固定された可動電極１０ａ′〜１０ｆ′と、基板１にアンカ固定された固定電極１００とを有している。はずみ質量体５′に固定された可動電極１０ａ′〜１０ｆ′は、さらに、互いに異なる固有周波数を有する段付けされた長さを有している。その理由は、可動電極１０ａ′〜１０ｆ′の固有周波数が加速度センサの伝送特性を妨げないことが望ましいからである。
【０００７】
はずみ質量体５′の公知の形状は方形および図２に示した円錐状の形状である。図２に示した公知の構成の欠点としては、長手方向軸線Ｌ′に対して直交する方向に作用する外乱影響因子に対して、はずみ質量体５′の頑丈性が低すぎるという事実が挙げられる。
【０００８】
発明の利点
本発明の根底を成す思想は、はずみ質量体の凸面状の形状を設けることによって応力勾配を減少させること、つまりはずみ質量体の撓みを減少させることにある。言い換えれば、はずみ質量体の幅は中心を起点として長手方向両端部へ向かって徐々に小さくなる。撓みばねに対する結合部には、付加的に（ｏｐｔｉｏｎｅｌｌｅｒｗｅｉｓｅ）拡幅部が設けられていてよい。
【０００９】
これにより、他軸感度（Ｑｕｅｒｅｍｐｆｉｎｄｌｉｃｈｋｅｉｔ）、つまり直交加速度に対する敏感性も減じられている。種々異なる長さを有する可動電極の利点を維持することができるので、電極の固有周波数に基づく妨害成分混入の危険が有効に阻止されている。さらに、本発明はトレンチプロセス、特にフラットトレンチプロセスにおけるプロセス・製作確実性の向上をもたらす。それと同時に、別のパラメータに関する欠点は存在していない。
【００１０】
請求項２以下には、請求項１に記載のマイクロメカニカル構造体の有利な改良形が記載されている。
【００１１】
本発明の有利な改良形では、はずみ質量体に側方で可動電極が取り付けられており、該可動電極がはずみ質量体と一緒に運動可能である。
【００１２】
本発明の別の有利な改良形では、各可動電極の長さが、長手方向中心を起点として長手方向両端部へ向かうにつれて増大している。
【００１３】
本発明のさらに別の有利な改良形では、可動電極の、はずみ質量体から遠い方の端部、つまりはずみ質量体とは反対の側の端部と、長手方向軸線との間の間隔が一定となるように可動電極の長さが段付けされている。これにより、可動電極の固有周波数が加速度センサの伝送特性を妨げる恐れはなくなる。
【００１４】
本発明のさらに別の有利な改良形では、はずみ質量体の幅が、長手方向中心を起点として長手方向両端部へ向かって均一に減小している。
【００１５】
本発明のさらに別の有利な改良形では、前記拡幅部が、長手方向両端部で段状に形成されている。
【００１６】
本発明のさらに別の有利な改良形では、本発明によるマイクロメカニカル構造体が、シリコン表面マイクロマニシングまたは別のマイクロマニシング技術により製造可能である。
【００１７】
実施例の説明
図面中、同一の構成部分または同一機能の構成部分は同じ符号で示されている。
【００１８】
図１には、加速度センサの一部として形成された本発明によるマイクロメカニカル構造体の１実施例が概略的な平面図で示されている。
【００１９】
図１には、既に導入された符号に対して付加的に、符号５で慣性質量体もしくははずみ質量体が示されている。このはずみ質量体５は長手方向軸線Ｌを有する凸面状の縦長形状を有している。符号Ｍはこの場合、長手方向中心点である。はずみ質量体５はアンカ固定装置（図示しない）と撓みばね４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとを介して基板１の上に弾性的に懸吊されているので、はずみ質量体５は、基板表面に対して直角に位置する回転軸線と、基板表面に対して平行に位置する少なくとも１つの回転軸線とを中心にして、その休止位置から弾性的に変位可能となる。符号１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆは、それぞれはずみ質量体５と共に運動可能な可動電極であり、符号１００は基板１にしっかりとアンカ固定された固定電極である。当然ながら、各可動電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆには、それぞれこのような１つの固定電極が対応配置されているが、しかし図面を簡単にするために図面には、固定電極１００しか書き込まれていない。
【００２０】
加速度センサの慣性質量体もしくははずみ質量体５は凸面状に設計されている。これによって、加速度センサは応力勾配および他軸感度に関して最適化される。それと同時に、ばね・質量系の伝達特性を損なわないようにするために、段付けされた可動電極アームが維持される。すなわち、考察された種々の量は、測定したいヨーレート（回転角速度）に起因するものではなく、電極の誤位置もしくはミスアライメントによる、ジオメトリ的に生ぜしめられた病的（ｐａｔｈｏｌｏｇｉｓｃｈ）な容量変化に起因するような検出時の容量変化を決定する要因となる。
【００２１】
この場合、凸面状のジオメトリ（幾何学的形状）を十分に有効に働かせるために、長手方向両端部に設けられた補強部５ａ，５ｂを、撓みばね４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄへの結合のために使用することが有利である。これらの補強部５ａ，５ｂは本実施例におけるように、段状の拡幅部により実現されていてよい。当然ながら、両端部における連続的な拡幅部も可能である。
【００２２】
さらに、はずみ質量体５のこのような新規のジオメトリに基づき、チップ面が付加的に負荷されることなしに、撓みばね４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの一層太いばねビームを使用することが可能となると同時に、共振周波数を変えることなしにばねビームを延長することが可能となる。
【００２３】
ばねビームの幅は加速度センサの機能性に対して極めて大きな影響を与えるプロセスパラメータである。この場合、拡幅が行われるとプロセス窓が高められる。このことは、付加的にトレンチプロセス、特にフラットトレンチプロセス（Ｆｌａｃｈｔｒｅｎｃｈｐｒｏｚｅｓｓ）におけるプロセス・製作確実性の向上を意味する。
【００２４】
このような構造のマイクロメカニカル式の加速度センサは、シリコン表面マイクロマニシングにより製造されると有利である。
【００２５】
本発明を上では有利な実施例につき説明したが、しかし本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、種々様々な形に改良可能である。
【００２６】
特に、はずみ質量体のジオメトリ（幾何学的形状）ならびに撓みばね装置および電極のジオメトリは図示の実施例に限定されるものではない。ただし、外部加速の線状成分が測定結果を誤める危険がある場合には、対称的な形状からの大きな偏倚は回避されることが望ましい。
【００２７】
前記製造方法も同じく単に一例として挙げられているに過ぎず、別の方法、たとえば電気メッキ法も、同じく加速度センサを製造するために使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 加速度センサの一部である本発明によるマイクロメカニカル構造体の１実施例を示す概略的な平面図である。
【図２】 加速度センサのための公知のマイクロメカニカル構造体を示す概略的な平面図である。

Claims (3)

1. 加速度センサに用いられるマイクロメカニカル構造体であって、
   −基板（１）が設けられており、該基板（１）がアンカ固定装置を有しており、
   −はずみ質量体（５）が設けられており、該はずみ質量体（５）が、撓みばね装置（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）を介してアンカ固定装置に結合されていて、はずみ質量体（５）がその休止位置から弾性的に変位可能である
   形式のものにおいて、はずみ質量体（５）が、長手方向軸線（Ｌ）を有する縦長形状を有していて、該長手方向軸線（Ｌ）に対してほぼ鏡像対称的に形成されており、はずみ質量体（５）が、付加的に長手方向両端部に拡幅部（５ａ，５ｂ）を有しており、該拡幅部（５ａ，５ｂ）に撓みばね装置（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）が取り付けられており、はずみ質量体（５）の幅が、長手方向中心（Ｍ）を起点として長手方向両端部へ向かって均一に減少しており、はずみ質量体（５）に側方で可動電極（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ）が取り付けられており、該可動電極（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ）がはずみ質量体（５）と一緒に運動可能であり、各可動電極（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ）の長さが、はずみ質量体（５）の長手方向中心（Ｍ）を起点として長手方向両端部へ向かうにつれて増大していることを特徴とする、加速度センサに用いられるマイクロメカニカル構造体。
2. 可動電極（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ）の、はずみ質量体（５）から遠い方の端部と、長手方向軸線（Ｌ）との間の間隔が一定となるように可動電極（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ）の長さが設定されている、請求項１記載のマイクロメカニカル構造体。
3. 拡幅部（５ａ，５ｂ）が、長手方向両端部で段状に形成されている、請求項１または２記載のマイクロメカニカル構造体。

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