JP5335212B2 - マイクロシステム、特に容量性電極検出素子を有するマイクロジャイロメータ - Google Patents

Description

本発明は、平坦な基板に設けられるマイクロシステムであって、
−可撓性サスペンション手段により基板に対して接続される少なくとも２つの振動体と、
−前記振動体を所定の励起方向で励起するための励起手段と、
−前記励起方向に対して垂直な測定方向で前記振動体の動きを検出するための検出手段と、
を備え、
前記検出手段は、各振動体に関連付けられた励起フレームと、対応する励起フレームによって取り囲まれ且つ複数の移動電極を備える移動検出素子と、互いに接続される固定電極の第１および第２の組とを備え、前記固定電極はそれらが形成されている基板に対して取り付け固定され、各移動電極は、２つの可変差動コンデンサを形成するために第１および第２の組の関連する固定電極間に配置されることを特徴とするマイクロシステムに関する。

センサまたはアクチュエータ型のマイクロシステムの分野では、回転速度の慣性測定のためにマイクロジャイロメータを使用することが知られている。マイクロジャイロメータは、従来、回転の効果に起因する物体振動により形成されるコリオリの力を使用して速度を測定する。コリオリの力は、励起振動に対して及び回転軸に対して垂直な方向で生成される。

マイクロジャイロメータは、好ましくは基板の面内でミクロ機械加工される部品であって、従来においては同じ振動方向であるが反対の移動方向（位相が反対の動き）で任意の適当な励起手段により駆動される少なくとも２つの振動体を備える部品である。従来、振動体は、それらの構造中に、コリオリの力を検出するようになっている検出素子を組み込んでいる。

２つの主要な検出系が存在する。第１の検出系は、基板に対して垂直な回転軸を用いた、マイクロジャイロメータがその上に作成される基板の面内での検出である。第２の検出系は、基板の面内の回転軸を用いた、基板の面に対して垂直な検出である。

簡略化およびコストの技術的理由のため、殆どの場合、基板の面内での検出を伴うマイクロジャイロメータが使用される。米国特許第５６３５６３８号は、とりわけ、基板の面内での検出および励起を伴うとともに、２つの振動体間に位置されたインターデジタル容量性コームによる検出を伴うマイクロジャイロメータについて記載している。しかしながら、システムの非対称性が認められ、その結果、振動体の動きをあまりうまく制御できず、検出を達成することが非常に困難である。

文献ＷＯ−Ａ−２００４０４２３２４およびＵＳ５７２８９３６はいずれも、基板の面と平行な１つの方向で検出を行なえるようにするインターデジタル容量性コーム、固定コーム、および移動コームの形態を成す検出手段を備えるマイクロジャイロメータについて記載している。しかしながら、検出がマイクロジャイロメータの慣性体に関与していないため、検出があまり効率的ではないことが分かっており、また、このタイプの検出素子は、マイクロジャイロメータの感度をかなり低下させる。これにより、マイクロジャイロメータを実施することが非常に困難になる。

前述したマイクロジャイロメータは全て、特にキャパシタンスの干渉変動に起因してあまり効率的ではない検出をもたらすインターデジタル容量性コームベースの検出素子を有している。したがって、そのようなマイクロジャイロメータの動作は最適ではない。

これらの欠点を改善するため、米国特許６７５２０１７号は、特に、可変差動コンデンサを形成する固定電極および移動電極を有する容量性検出システムを備えるマイクロジャイロメータについて記載している。検出システムは、各振動体に関連付けられた励起フレームと、対応する励起フレームによって取り囲まれ且つ複数の移動電極を備える移動検出素子とを備えている。また、検出システムは固定電極の第１および第２の組も備えており、各移動電極は、２つの可変差動コンデンサを形成するために第１および第２の組に関連する固定電極間に配置される。固定電極は、それらが形成される基板に対して取り付け固定され、従来通りに基板上に堆積されたポリシリコンにより形成される導電層によって互いに接続されるとともに、電極を形成するようになっているシリコン酸化物ＳｉＯ_２から成る犠牲層に対してエッチングの観点から選択的でなければならない中間層、例えばシリコン窒化物Ｓｉ_３Ｎ_４によって基板から電気的に絶縁される。

しかしながら、従来のマイクロエレクトロニクス製造方法によって製造され且つポリシリコン層に関連付けられるそのような検出システムは、相互接続および導電率に関して十分な保証を与えない。特に、導電性の相互接続層は、製造プロセスの始めに形成されるため、プロセスのその後のステップと適合していなければならない。特に、相互接続層は、高温、一般には７００℃を越える温度に耐えることができなければならない。多結晶シリコン導電層はこの機能を確保できるようにするが、多結晶シリコンの導電率は、限られており、金属材料の導電率よりも低い。

また、シリコン窒化物Ｓｉ_３Ｎ_４などの誘電体によって行なわれる電気的な絶縁は、基板に関して大きな干渉キャパシタンスをもたらす。シリコン窒化物の誘電率（

によって定められる）
は高く、窒化物層の機械的応力に起因して厚さを増大することは難しい。最後に、窒化物層の堆積は長く、したがって費用がかかる。

本発明の目的は、前述した全ての欠点を改善することであり、その振動体の励起が行なわれるときにキャパシタンスの干渉変動の影響を克服できるようにする検出手段を備えると同時にマイクロジャイロメータの電極の導電率を最適化するマイクロシステム、特にマイクロジャイロメータを提供するという目的を有している。

この目的は、添付の請求項に係るマイクロシステムによって達成され、特に、導電材料から成り且つ基板と略平行な面内において固定電極の上側で延びる相互接続バーによって各組の固定電極が相互接続されるという事実によって達成される。

本発明の他の利点および特徴は、単なる非限定的な実施例として与えられ且つ添付図面に示される本発明の特定の実施形態の以下の説明から更に明確に分かるようになる。

図１〜図４を参照すると、マイクロシステム１は、特に機械的に結合された振動体（oscillating masses）２の振動を測定することにより回転速度を決定するように設計されたマイクロジャイロメータである。特に、マイクロジャイロメータ１は、とりわけ振動体２の動きが励起方向Ｏｘで行なわれるときにキャパシタンスの干渉変動の影響を克服できるようにし且つ振動体の振動により生成されるコリオリの力を測定するように設計された検出手段を備えている。マイクロジャイロメータ１は、例えば、図１〜図４の表示面を規定する平坦な基板（明確にするため、図１〜図４には図示せず）内にマイクロマシニングにより製造される。

図１に示される特定の実施形態において、マイクロジャイロメータ１は、略長方形の一般的な形状を成し且つ好ましくはそれら自体が互いに同一で対称な２つの振動体２ａ，２ｂを備えている。各振動体２ａ，２ｂはサスペンションスプリング３ａ，３ｂによって基板上に弾力的に吊るされている。

図１の特定の実施形態において、サスペンションスプリング３ａ，３ｂは、１つ以上の連続するＵ形状分岐部を基板と平行な１つの同じ面内に有する蛇行コイルの形態を成すスプリングである。サスペンションスプリング３ａ，３ｂはそれぞれ、対応する固定点４ａ，４ｂにより、対応する振動体２ａまたは２ｂ上の第１の端部および基板上の第２の端部に固定されている。

各振動体２ａ，２ｂは、例えば各振動体２ａ，２ｂの両側に配置されたインターデジタル容量性コーム５により、励起方向Ｏｘすなわち矢印Ｆ１（図１）の方向で励起されて振動駆動される。

図１に示されるように、各振動体２ａ，２ｂは、対応する振動体２ａ，２ｂと同じ形状である励起フレーム６ａ，６ｂを備えていることが好ましく、これらの励起フレーム上には、対応するサスペンションスプリング３ａ，３ｂおよび励起インターデジタル容量性コーム５が固定されている。したがって、フレーム６ａ，６ｂは、励起方向Ｏｘに対して垂直な２つの対向側面７ａ，７ｂをそれぞれ有している。対向側面７ａ，７ｂは特に機械的に結合されるようになっており、各対向側面はそれぞれ好ましくは２つのサスペンションスプリング３ａ，３ｂを有している。

マイクロジャイロメータ１の振動体２ａ，２ｂの対向側面７ａ，７ｂは、図１に概略的に示され且つ国際特許出願ＷＯ−Ａ−２００７／０７７３５３に更に詳しく記載される特定の結合手段によって接続されることが有利である。

また、振動体２ａ，２ｂはそれぞれ、マイクロジャイロメータ１の慣性体に関与し且つ好ましくは２つの振動体２ａ，２ｂに関して同一な検出手段も備えている。図２には、振動体２ａの一部だけが示されている。検出手段の以下の説明では、振動体２ａに関連する参照符号が振動体２ｂにも当てはまる。

図２において、振動体２ａは、対応する励起フレーム６ａによって取り囲まれ且つ好ましくはＯｙ軸に沿って１つの自由度を許容する４つの可撓性のある戻しスプリング９ａ（図１）によって励起フレーム６ａに対して接続される移動検出素子８ａを備えている。移動検出素子８ａは、振動体２ａ，２ｂの振動により生成されるコリオリの力の検出および測定の軸を規定するＯｙ方向、すなわち矢印Ｆ２（図１）の方向で振動する。

例えば、可撓性のある戻しスプリング９ａは、１つ以上の連続するＵ形状分岐部を基板と平行な１つの同じ面内に有する蛇行コイルの形態を成すスプリングである。戻しスプリング９ａは、励起フレーム６ａ上の第１の端部および移動検出素子８ａ上の第２の端部で固定されている。

移動検出素子８ａは、複数の移動電極１０ａを構成する複数の横方向分岐部を備えており、また、マイクロジャイロメータ１は、固定電極１１，１２の２つの組、すなわち、図１および図２に垂直のハッチングで示される固定電極１１の第１の組と、図１および図２に斜めのハッチングで示された固定電極１２の第２の組とを備えている。固定電極１１，１２は、それらが形成される基板上に取り付け固定され、例えばシリコン窒化物Ｓｉ_３Ｎ_４から成る中間層（図示せず）によって基板から絶縁されるとともに、基板上に前後に交互に配置されている（図１〜図４）。いずれの組の固定電極１１，１２も互いに相互接続されている（図２）。

移動検出素子８ａの各移動電極１０ａは、電極の第１の組の固定電極１１と電極の第２の組に関連する固定電極１２との間に配置されて２つの可変差動コンデンサを形成している。したがって、移動検出素子８ａの移動が検出および測定軸Ｏｙ（図２）に沿って行なわれると、固定電極１１，１２と、対応する移動検出素子８ａとの間の空隙が変動する。

図１および図２の特定の実施形態において、固定電極１１，１２は全て、同じ長さを有し、励起方向Ｏｘに対して平行であるとともに、検出および測定方向Ｏｙで前後に交互に配置されている。移動検出素子８ａは長方形状のフレームによって形成されており、移動電極１０ａを構成する横方向分岐部は同一であり且つ同じ長さを有している。

図３および図４において、マイクロジャイロメータ１の代替的な実施形態は、それらの振動体２の形状、それらの励起フレーム６の形状、それらの移動検出素子８の形状、および、それらの固定電極１１，１２の形状が、図１および図２に示されるマイクロジャイロメータ１とは異なっている。図３および図４には、明確にするため、固定電極１１，１２の２つの組に関連する１つの移動検出素子８だけが示されている。

図３において、移動検出素子８は、略非対称な形状を成すフレームであっても良い。この場合、移動検出素子８の移動電極１０は長さが異なる横方向分岐部を形成し、各横方向分岐部は、電極の第２の組の同じ長さの固定電極１２に関連する電極の第１の組の固定電極１１と協働する。１つの同じ組の固定電極１１，１２は、検出および測定軸Ｏｙに沿うそれらの位置に応じて異なる長さを有することができる。

図４において、移動検出素子８は、関連する全ての固定電極１１，１２を取り囲む略円形状のフレームである。移動検出素子８は、固定電極１１，１２と協働して可変差動コンデンサを形成する移動電極１０を構成する横方向分岐部を備えている。この場合、固定電極１１，１２および移動電極１０は異なる長さを有しており、移動検出素子８のほぼ中央に位置された固定電極１１，１２は、特に、測定方向Ｏｙで検出素子８のほぼ縁部に位置された固定電極１１，１２よりも長くなっている。

一般的な態様においては、移動検出素子８を構成するフレームの形状がどのような形状であっても、移動検出素子８の横方向分岐部に関連付けられた固定電極１１，１２は、好ましくは関連する固定電極１１，１２の両側で突出して可変差動コンデンサを形成する対応移動電極１０（図１〜図４）と等しいか、それよりも短い長さを有している。この場合、固定電極１１，１２は十分に重なっていると見なされる。すなわち、２つの関連する固定電極１１，１２は同じ長さを有しており、移動検出電極８の移動が行なわれるときには対応する移動電極１０と対向する固定電極の面は常に同一である。

したがって、基板によって規定される面Ｏｘ／Ｏｙに対して垂直なＯｚ軸に沿って基板の回転が行なわれると、各移動検出素子８ａ，８ｂは、振動して、励起方向Ｏｘでの対応する振動体２ａ，２ｂの励起と同じ周波数でＯｙ方向に移動する。この移動は、その後、関連する移動検出素子８ａ，８ｂの移動電極１０と協働する固定電極１１，１２により測定され、これにより、回転速度を決定することができる。

したがって、マイクロジャイロメータ１の固定電極１１，１２および移動検出素子８ａ，８ｂは、振動体２ａ，２ｂの励起が励起方向Ｏｘで行なわれるときにキャパシタンスの干渉変動の影響を克服することができる。これにより、回転速度の検出および測定に関して最適な効率が得られ、関連するマイクロジャイロメータの動作が最適化される。

また、特に図２に示されるように、第１の組の固定電極１１の全て及び第２の組の固定電極１２の全てはそれぞれ、導電材料によって形成された相互接続バー１３，１４（明確にするため、図１、３、４には図示せず）によって互いに接続される。特に、マイクロジャイロメータ１の外側からアクセスできる測定接点により測定を行なえるようにするため、相互接続バー１３，１４は基板から絶縁されることが好ましい。

特に「エアブリッジ」と呼ばれる相互接続バー１３，１４は、固定電極１１，１２の組の上側で延びるとともに、基板と略平行な面内に配置されている。相互接続バー１３，１４は、導電材料により形成されるパッド１５，１６によりそれぞれ固定電極１１，１２に対して固定される。例えば、相互接続バー１３，１４および対応するパッド１５，１６は単一の導電部を形成する。

代替の実施形態において、相互接続バー１３，１４は、別個に製造されるとともに、シリコンから成る固定電極１１，１２上でのオーム接触を最適化できる材料により形成されるパッド１５，１６に対して付着されるように設計されている。例えば、パッド１５，１６の材料は、例えばチタンから成る対応する固定電極１１，１２上で良好なオーム接触を得るように選択され、これに対し、相互接続バー１３，１４の材料は、良好な導電率および良好な機械的強度を有していなければならない。

どのような製造方法であっても、相互接続バー１３，１４は、高温に耐え且つ良好な機械的特性を与える材料から形成される。例えば、相互接続バー１３，１４は、ドープトポリシリコン、ドープトシリコン・ゲルマニウム合金ＳｉＧｅ、単結晶シリコン、または、好ましくは金属によって形成することができる。例えば、相互接続バー１３，１４は、アルミニウム、ニッケル、金、銅などによって形成できる。

そのような相互接続バー１３，１４の製造方法の一例を図２に関して更に詳しく説明する。第１のステップは、マイクロジャイロメータ構造体を構成する様々な素子（振動体、励起フレーム、固定電極および移動電極）を形成することにある。第２のステップでは、例えばテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）から成る犠牲層がマイクロジャイロメータ上に堆積され、その後、固定電極１１，１２間のトレンチ（溝）を閉じるために犠牲層が約１０００℃でアニールされる。犠牲層は、その後、相互接続バー１３，１４を支持するように設計されたパッド１５，１６の場所を描くためにエッチングされる。その後、金属が堆積されて、これを、例えばマスクを用いてエッチングし、それにより、相互接続バー１３，１４が形成される。最後に、最初に堆積された犠牲層がエッチングされ、相互接続バー１３，１４が固定電極１１，１２の上側で延びた状態でマイクロジャイロメータが解放される。

このように、マイクロジャイロメータの製造方法がどのようなものであっても、また、移動検出素子８の形状がどのような形状であっても、そのような相互接続バー１３，１４は、とりわけ、特にそれらの可撓性により、最適な導電率を得ることができるようにするとともに、機械的応力を減少させることができるようにする。

マイクロジャイロメータの上端での最後の相互接続バーの製造は、特に、大きな可撓性を与え、これらの相互接続バー（最良の導体）のために使用される材料の選択の自由度を大きくすると同時に、従来のマイクロエレクトロニクス法に適合する（適合性制約が減少する）。また、相互接続バーは「空中」にあるため、基板に対する相互接続バーの干渉キャパシタンスが大きく減少される。

本発明は前述した様々な実施形態に限定されない。振動体２ａ，２ｂの励起を行なうインターデジタル容量性コーム５は、振動体２ａ，２ｂの振動を励起方向Ｏｘで引き起こす任意の他の励起手段、例えば静電手段、電磁手段または圧電手段と置き換えることができる。

サスペンションスプリング３ａ，３ｂは、任意の他の可撓性のあるサスペンション手段が振動体２ａ，２ｂの機械的結合を可能にする場合には、前記サスペンション手段と置き換えることができる。

戻しスプリング９ａ，９ｂは、任意の他の柔軟な戻し手段が関連する移動検出素子８ａ，８ｂの移動を対応する励起フレーム６ａ，６ｂ内で可能にする場合、すなわち、これらの戻し手段がＯｙ方向での移動を可能にしつつＯｘ方向での変形を伴わずに励起動作を伝えることができる場合には、前記戻し手段と置き換えることができる。

移動検出素子８を構成するフレームは任意の他の形状を成すことができ、また、固定電極１１，１２は、それらが移動検出素子８の関連する移動電極１０と共に可変差動コンデンサを形成できるようにする場合には、異なる長さを有することができる。相互接続バー１３，１４は、導電性があり且つ高温に耐える任意の他の金属によって形成することができる。

図１〜図４に記載された特定の検出手段は、アクチュエータまたはセンサ型の任意のタイプのマイクロシステムに組み込むことができる。

２つの振動体がそれぞれ関連する検出素子を備える、本発明に係るマイクロシステム、特にマイクロジャイロメータの特定の実施形態の平断面図を概略的に示している。 図１に係るマイクロシステムの振動体の大きく拡大された部分平断面図を概略的に示している。 本発明に係るマイクロシステムの代替の実施形態の振動体に関連する検出素子を非常に概略的に示している。 本発明に係るマイクロシステムの代替の実施形態の振動体に関連する検出素子を非常に概略的に示している。

Claims (9)

1. 平坦な基板に設けられるマイクロシステムであって、
   −可撓性サスペンション手段により基板に対して接続された少なくとも２つの振動体と、
   −前記振動体を所定の励起方向に励起するための励起手段と、
   −前記励起方向に対して垂直な測定方向で前記振動体の動きを検出するための検出手段であって、 該検出手段は、各振動体に関連付けられた励起フレームと、対応する前記励起フレームによって取り囲まれ且つ複数の移動電極を備える移動検出素子とを含む前記検出手段と、を備え、
   当該マイクロシステムは、複数の第１の相互接続固定電極の第１の組と複数の第２の相互接続固定電極の第２の組とを備え、前記第２の組は前記第１の組とは異なり、各前記第１および第２の相互接続固定電極はそれらが形成されている基板に対して取り付け固定され、各前記第１および第２の組の各固定電極は対向する２つの主表面を有し、第１の主表面は前記移動電極に面し、第２の主表面は２つの可変差動コンデンサを形成するために他の組の固定電極に面し、
   各組の前記固定電極は、導電材料により形成され且つ基板と略平行な面内において前記固定電極および前記移動電極の上方において延びている相互接続バーによって、相互接続され、前記相互接続バーは前記固定電極および前記移動電極によって前記基板から分離されていることを特徴とする、マイクロシステム。
2. 前記相互接続バーは、パッドにより固定電極に対して固定されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロシステム。
3. 前記相互接続バーは、高温に耐える材料により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロシステム。
4. 前記相互接続バーは、ポリシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム合金によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロシステム。
5. 前記相互接続バーが金属から成ることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロシステム。
6. 前記金属は、アルミニウム、ニッケル、金、銅から選択されることを特徴とする、請求項５に記載のマイクロシステム。
7. 前記固定電極は励起方向と平行であり、移動電極は、各前記移動検出素子を構成するフレームの横方向分岐部であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロシステム。
8. 各前記移動検出素子が長方形状のフレームであることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロシステム。
9. 各前記移動検出素子が円形状のフレームであることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロシステム。

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