JP5355028B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明では前記課題は、重心の外側で可動に支承されている質量体を有する次のような加速度センサによって解決される。すなわち、前記質量体に設けられた第１の電極と、離隔して配置された第２の電極とが、時間に依存する該質量体の位置変化を検出するための容量センサを構成し、該質量体の該容量センサに対向する側に少なくとも１つのばねエレメントが設けられており、該質量体が静止位置から変位した場合に該ばねエレメントは復元力を生成する加速度センサによって解決される。このような加速度センサは、たとえば自動車においてセーフティ装置をトリガするために使用されるか、またはポータブル機器において、たとえば落下による衝突荷重を検出するために使用される。

ＵＳ２００６／０１８０８９６Ａ１から、冒頭に述べた形式の加速度センサが公知である。この公知の加速度センサは基本的に角石形の質量体を有し、この質量体は少なくとも１つのばねエレメントによって基盤に固定されている。基盤とばね支承された質量体との間には少なくとも１つの電極対が設けられており、該少なくとも１つの電極対は可変の平板間隔を有する平板コンデンサとして、質量体の運動を容量測定するのに使用される。１つより多くの電極対が設けられている場合、質量体が基盤から離れるのを検出できるだけでなく、傾きまたは回転も検出することができる。このことによって、加速度測定を１つより多くの空間的方向で行うことができる。

しかしこのような従来技術の欠点は、基面において振動支承される質量体の傾きが形成する間隔の変化が僅かのみであり、ひいてはこのような質量体の傾きが形成する検出信号がごく僅かであることだ。したがって、質量体の基面に対して垂直に作用しない加速度の検出精度はごく僅かである。さらには、検出に使用される質量体の可動範囲を制限することなく、この従来技術で記載されたセンサをモールドケーシング内には取り付けることができない。基盤と質量体との間に存在するギャップにケーシング材料が充填されている場合、加速度を検出することができなくなる。それゆえこの従来技術は、ＵＳ２００６／０１８０８９６Ａ１の図４に示された高コストかつ大型のケーシングを使用する。したがって、小型の持ち運び可能なケーシングに高い部品パッケージング密度で組み付けることは困難になる。
ＵＳ２００６／０１８０８９６Ａ１

このような従来技術から出発して本発明は、３つすべての空間的方向で検出精度が改善された加速度センサを提供することを課題とする。さらに本発明は、コンパクトかつ簡単に製造可能なケーシング内に挿入できる加速度センサを提供することを課題とする。

本発明では前記課題は、重心の外側で可動に支承されている質量体を有する次のような加速度センサによって解決される。すなわち、前記質量体に設けられた第１の電極と、離隔して配置された第２の電極とが、時間に依存する該質量体の位置変化を検出するための容量センサを構成し、該質量体の該容量センサに対向する側に少なくとも１つのばねエレメントが設けられており、該質量体が静止位置から変位した場合に該ばねエレメントは復元力を生成する加速度センサにおいて、該質量体が材料層から輪郭分離（freistellen）されることによって得られ、少なくとも側面において該材料によって包囲されている加速度センサによって解決される。

本発明では、加速度測定に使用される振動支承された質量体を材料層から、たとえばシリコンから輪郭分離することが可能であることが認識された。このような構成では、間隔測定のために使用される電極対は従来技術のように測定質量体と担持基板との間に設けられ、ここにはまた、支承に使用されるばねエレメントも設けられる。この質量体は任意の外形をとることができ、たとえば角石形の形状をとることができる。

複数の空間的方向において高い検出精度を可能にするためには、ばね支承される質量体は有利には、基面にのみ懸架部を有する。このようにして、加速度によって基面に対して平行または垂直に引き起こされる位置変化を、比較的大きな振幅で発生させることができる。大きな変位振幅により、容量変化および測定精度が大きくなる。

精度をさらに上昇するためには、本発明の１つの実施形態では電極を構造化する。このことは、電極が下位分割され、各部分面は容量測定のための個別の測定電子装置に接続可能に構成されることを意味する。間隔測定のための容量センサが質量体の相互に対向する２つの端部に配置されている場合、該質量体が静止位置から傾くことにより、一方の電極間隔は小さくなると同時に他方の電極間隔は拡大される。両値を同時に測定して比較することにより、測定の精度がさらに上昇する。

１つの実施形態では、質量体を対称軸の位置に、かつ重心の外側に懸架することもできる。このことにより、必要なのは１つのばねエレメントのみを有する１つの懸架部だけとなる。それゆえ、ばねエレメントが正確に等しく形成されていないためにセンサ特性が非対称的になることが回避される。さらに、所要スペースは１つだけのばね支承部に対して縮小されるので、さらなる小型化が可能になる。

測定質量体をばね支承するためのマイクロメカニカルばねエレメントは本発明では次のように形成される。すなわち、測定質量体は中空部を有し、該中空部は同一または異なる材料から成るメンブレンによって封止されるように形成される。その後に、この質量体を薄いウェブまたはカラムによって基板に保持し、該ウェブまたはカラムはメンブレンに係合する。このようにして、中空部を封止するメンブレンはばねエレメントを形成する。このようなばねエレメントは中空部を完全に封止するか、または該中空部の１つまたは複数の境界線で、質量体の基面から分離することができる。これにより懸架部のばね定数を調整することができる。非常に小さい加速度の測定を可能にする特に柔性の懸架部の場合には、複数のメンブレンを有する複数の中空部をばねエレメントとして相互に積層して配置することもできる。このようなメンブレンは一直線上に配置するか、または横方向にずらすことができる。さらに、ばね定数をメンブレンの厚さによって調整することもできる。このメンブレンは、質量体の境界面に一体形に統合することができ、質量体の外側の境界面との素材結合部を有することもできる。したがって当業者であれば、本発明による加速度センサを、計画された使用目的に最適に適合するために使用できるパラメータは数多く存在する。

シリコン基板のエッチングによって行われる本発明による加速度センサのマイクロメカニカル製造を、以下で実施例として、図面に基づいて説明する。これは単に、本発明の対象を制限しない本発明の実施例と見なすべきである。本発明では、同様に有効な別の実施形態も可能である。

図１は、本発明による加速度センサの最初の製造ステップを示す。ここでは、シリコンウェハ１に絶縁層２を設ける。この絶縁層上に導体路３を堆積する。絶縁層２はたとえば、酸化シリコンまたは窒化シリコンまたは酸窒化シリコンから形成することができる。このような絶縁層を堆積するためには、半導体技術から公知の種々の手法を使用することができる。たとえばシリコン基板を酸素雰囲気中でより高い温度にまで上昇させて、表面を酸化することができる。

導体路３は導電性材料から成り、たとえば金属または合金から成るか、または導電性ドーピングされたシリコンから成る。このような導電性層は、ＬＰＣＶＤ法またはＰＥＣＶＤ法によって堆積するか、またはエピタキシャル成長によって堆積するか、または蒸着またはスパッタリングによって蒸着することができる。導体路３は構造化部を有することにより、完成したセンサはこの導体路を介して電気的にコンタクトできるようにされる。

このような構造化を行うためには、金属層の堆積前に被着されるフォトレジストから成るマスクを使用することもできる。このようにして、メタライジング部を設けてはならない面領域は、レジストによって金属被着から保護される。択一的に、全面積のメタライジング部を設けて、その後に構造化することもできる。この場合には、導体路をフォトレジストによって保護し、保護されない領域においてエッチングステップによってメタライジング部を除去する。

第３の層として、犠牲層４を設ける。この犠牲層は、気相エッチング法によってエッチング可能な層であり、たとえばＳｉＯ_２である。

この犠牲層には、メタライジング部３が露出されるコンタクト孔５も設けられる。このコンタクト開口５も、フォトレジストマスクを使用して、最初に全面積に設けられた犠牲層４のプラズマエッチングまたはウェットケミカルエッチングを行うことにより形成することができる。犠牲層４は、後で形成されるトレンチ構造体１０に対するストップ層としても使用される。

図２は次の２つのステップを示す。図１に示された基板上に第１のシリコン層６を堆積する。このシリコン層は後に、可動に支承される質量体１５の外側面とメンブレン１７とを、該質量体に形成された中空部１２の上方に形成する。したがってシリコン層６の厚さが、質量体１５を支承するためのばねエレメントのばね定数も定義する。それと同時に、質量体は容量センサの相対向する電極としても使用することができるので、シリコン層６にすでにドーピングすることができる。このことによって、質量体１５の電気的コンタクトを特に簡単に行うことができる。

絶縁層２と導体路３と犠牲層４とを有する基板１を完全に被覆するこのシリコン層６上に別のエッチングストップ層７を堆積し、たとえばＳｉＯ_２から成るエッチングストップ層７を堆積する。このエッチングストップ層７は後続の工程で、質量体１５の中空部１２を形成するための犠牲層としても使用され、それと同時に、後で形成すべきトレンチ構造体１１に対するストップ層としても使用される。それゆえ、後で質量体のばねエレメントを配置すべき面領域にのみＳｉＯ_２が存在するように、エッチングストップ層７をフォトレジストマスクによって、プラズマエッチングまたはウェットケミカルエッチングによって構造化する。

図３によれば、図２に示された基板上に別のシリコン層８を堆積する。有利には、このシリコン層８には導電性ドーピングされる。もちろん、シリコン層８を真性シリコン材料としてドーピングなしで堆積することもできる。この場合には、加速度センサの動作のために導電性が必要とされるシリコン層８の領域にだけはドーピングしなければならない。有利には層６および８は、閉じ込められた酸化物層７を有する均質な層を形成する。この層６と８との間の境界面を証明するために相当な手間が必要とされる場合には、層６および８は均質であると見なすこととする。

全面積に堆積されたシリコン層８上に、導電性のコンタクト９を設ける。このコンタクト９は、後で加速度センサが外部の回路と接続される定義された位置に存在する。メタライジング部９はたとえば、金属または合金から成るボンディングパッドとして製造することができる。択一的に、導電性ドーピングされたポリシリコン層９を介してセンサのコンタクトを行うこともできる。コンタクト９を製造するためには、周知の層または層列と製造法とを使用する。

図４は、シリコン層８に複数のトレンチがエッチング形成された後の図３の断面を示す。このようなトレンチはたとえば、細長く成形されたトレンチ１０を有し、該トレンチ１０は質量体の境界面の外側に沿って延在するか、またはボンディングパッド９を周囲のシリコン材料８から切り取る。その隣には、輪郭分離すべき質量体にエッチング通路ないしはトレンチ１１が設けられており、該エッチング通路ないしはトレンチ１１も細長い断面を有するか、またはその異形を有することができ、たとえば円形の断面を有することができる。トレンチの形状および位置はマスクによって決定され、たとえばフォトレジストマスクによって決定されるか、または、酸化物または窒化物または酸窒化物から成る構造化された層によって決定される。このようなマスクには、有利にはＳｉＯ_２が使用される。すべてのトレンチを１つのステップでエッチング形成する場合には、１つのエッチングマスクで十分である。

エッチング形成されたトレンチ１０および１１は化学選択的なエッチングによって形成されるので、どのような場合でも必ず、その下にあるＳｉＯ_２層で終了し、犠牲層７で終了するかまたは犠牲層４で終了する。

図５ａで分かるように、犠牲層を次にトレンチ構造体１０および１１を貫通して除去する。このことは、たとえば気体状のフッ酸（ＨＦ）を使用して気相エッチングによって行われる。測定質量体１５の下方の犠牲層４を除去することにより、測定質量体１５と導体路３との間に中空部１４が形成される。この中空部１４内には、元々コンタクト開口１５内に堆積されたシリコンから成る柱形の固定エレメント１３が残留する。この質量体は、層８から形成された境界面１６によって包囲される。

層７を除去することにより、質量体１５に中空部１２が形成される。この中空部１２は、シリコン層６の一部分から形成されたメンブレン１７によって封止される。トレンチ１０と中空部１４とによって、分離された質量体１５が形成され、この質量体１５はばねエレメント１７，１２を介して固定エレメント１３に支承される。

質量体１５および第１のシリコン層６が導電性ドーピングされたシリコンから成る場合には、ばねエレメント１７および固定エレメント１３を介してこの質量体１５を導体路３に接続することができる。このようにして質量体１５は、容量性の間隔センサのすべてに共通の相対向する電極として使用することができる。基板１の表面に対して実質的に垂直に作用する加速度を測定するためには、質量体１５の下方において中空部１４の対向する面に、メタライジング部３から輪郭分離された電極が設けられる。このことにより、質量体１５と基板１との間隔を高精度で容量測定することができる。

基板１の表面に対して平行に質量体１５に作用する加速度は、該質量体１５の傾きを引き起こす。たとえば加速力Ｆｂが左側に作用する場合、質量体１５の右側ではトレンチ１０は比較的広幅になり、該質量体１５の左側ではトレンチは比較的狭幅になる。また、ギャップ１４は質量体の一方の側で比較的小さくなり、他方の側では比較的大きくなる。このような変化は、適切に配置された電極３によって測定することができる。

図５ｂは、輪郭分離された質量体１５の平面図を示す。破線で示されているのは２つの円形のメンブレン１７であり、これらのメンブレン１７はそれぞれ、ほぼ円筒形の中空部１２を区切る。これらのメンブレンにはそれぞれ固定エレメント１３が設けられている。固定エレメントの位置および形状は任意に選択することができる。各メンブレンに１つより多くの固定エレメントを設けることもできる。エッチング通路１１によって、犠牲層７および４を除去して中空部１２を形成する。

図６は、加速度センサの択一的な実施形態を示す。図６に示された実施形態が図５の実施形態と異なる点は、可動に支承された質量体１５周辺の領域がキャップ１８によって包囲されることである。このことにより、センサをケーシング内に取り付ける際に注型材料の侵入を高信頼性で阻止することができる。キャップが質量体１５を有する空間を気密封止する場合、該空間内の内圧を調整することができる。たとえば内圧を低減することによって、気体との摩擦による質量体１５の運動の減衰を回避することができる。

場合によってはキャップ１８に、導電性のコーティング１９を配置することができ、たとえばメタライジング部を配置することができる。導電性のコーティング１９を導電性のキャップ１８から分離しなければならない場合、これら２つの部品間に絶縁性のコーティングを配置することができる。これによって、キャップ１８を遮蔽部として使用し、コーティング１９を測定電極として使用することができる。このメタライジング部１９は電極として作用し、導電性の質量体１５とともに、該質量体１５とキャップ１８との間の間隔を容量的に検出する。したがって、加速力が基板１の表面に対して垂直に作用する場合、質量体１５とキャップ１８との間の間隔は縮小され、質量体１５と基板１との間の間隔は拡大される。両間隔を容量測定することにより、センサの信頼性を上昇することができる。メタライジング部を下位分割して部分面を電気的にコンタクトすることにより、表面に対して平行に作用する加速度によって生じる質量体１５の傾きを、差分容量で評価することができる。

キャップ１８は、絶縁性のエレメント２０によってシリコン層８に固定するか、または導電性の中間部材２０によってシリコン層８に固定することができる。後者の場合、相対向する電極１９のコンタクトは、導電性の中間部材２０とシリコン層８とメタライジング部３とを介して行われる。別の実施形態では、相対向する電極１９のコンタクトは、気密封止されたケーシング領域内でも行うことができる。

図７に、択一的な実施形態のばねエレメントの断面図が示されている。ここでは、複数の孔を有する犠牲層７が形成されている。これによって、質量体１５の穿孔１１は中空部１２を通ってメンブレン１７までに達することができる。したがって、メンブレン１７は開口２１を有する。この開口２１はメンブレン１７の弾性を変化する。この孔を形成するためには、別の実施形態では、エッチングストップ層７を堆積する前に第１のシリコン層６に孔をエッチング形成する。このことによって、メンブレンを完全に貫通しない凹入部を該メンブレン１７に形成することができる。この開口または凹入部により、センサ素子の感度をそのつどの使用目的の要求に適合することができる。

同様の目的のために、図８に示された輪郭分離されたばね構造体も使用される。図８ａには測定質量体１５の断面図が示されている。この断面図では、メンブレン１７が中空部１２とギャップ１４との間に開口２２を有するのが理解できる。このことは、シリコン層６を犠牲層４まで開口し、この凹入部に犠牲層の材料を充填することによって実現される。このようにして、犠牲層の除去時にはこの材料も一緒にエッチングする。

図８ｂの平面図には、中空部１２を有する別の実施形態が示されている。この中空部１２は、ほぼ正方形の輪郭を有する。中空部１２を区切るメンブレン１７は、この正方形の３辺で、ギャップ２２によって質量体１５の基面から分離される。このようにしてメンブレン１７は、片側で懸架される撓曲ばねを形成する。固定エレメント１３は中空部１２およびメンブレン１７の幾何的形状に適合されており、実質的に方形の断面を有する。

図９ａは２段のばね構造体を示す。このばね構造体は２つの中空部１２ａおよび１２ｂを有し、これらの中空部はそれぞれ、メンブレン１７ａおよび１７ｂによって封止されている。図９ｂの概略図では、各メンブレンはそれぞれ、片側で固定された撓曲ばねを形成するのが示されている。このようにカスケード配置することにより、ばねの柔性の応答が実現され、これによって質量体１５の加速度センサの感度を調整することができる。

本発明の別の実施形態は、基板ウェハ１内に設けられたばね懸架される当接構造体を有する。これによって、過度に大きい加速力が加速度センサに作用する場合、質量体１５の強い当接が阻止される。

もちろん、本発明の実施形態は、図中の実施例に制限されない。むしろ当業者であれば、ここに挙げられた異なる実施例を相互に組み合わせることもできる。

１つの実施例による本発明の加速度センサの製造ステップを示す。 １つの実施例による本発明の加速度センサの製造ステップを示す。 １つの実施例による本発明の加速度センサの製造ステップを示す。 １つの実施例による本発明の加速度センサの製造ステップを示す。 １つの実施例による本発明の加速度センサの製造ステップを示す。 １つの実施例による本発明の加速度センサの製造ステップを示す。 穴あけされたばね構造体を有する加速度センサの択一的な実施形態を示す。 より柔性のばね定数を有する本発明の別の実施形態を示す。 ２段のばね構造体を有する実施形態を示す。

１ シリコンウェハ
２ 絶縁層
３ 導体路
４ 犠牲層
５ コンタクト孔
６ 第１のシリコン層
７ エッチングストップ層
８ シリコン層
９ 導電性のコンタクト
１０，１１ トレンチ構造体
１２，１４ 中空部
１５ 質量体
１７ メンブレン
１８ キャップ
１９ 導電性のコーティング

Claims (10)

1. 重心の外側で可動に支承されている質量体（１５）を有する加速度センサであって、
   前記質量体は材料層（８）から輪郭分離されることによって得られ、該質量体（１５）の材料（１６）は前記加速度センサの側面に達し、
   該質量体（１５）の上面に第１の電極が設けられており、
   前記質量体（１５）の下方に設けられた基板（１）上に第２の電極（３）が、前記第１の電極から離隔されるように配置されていることにより、該質量体（１５）と該第２の電極とが、時間に依存する該質量体の位置変化を検出するための容量センサを構成し、
   前記質量体（１５）の下面にメンブレン層（１７）が設けられており、
   前記メンブレン層（１７）は、前記質量体（１５）の下側に設けられた中空部（１２）を直接覆うように設けられており、
   前記中空部（１２）は、下方向に開いた開口を有し、
   前記メンブレン層（１７）は、下方に突出する少なくとも１つの固定エレメント（１３）を有し、
   前記固定エレメント（１３）は、前記中空部（１２）の下方に位置し、前記メンブレン層（１７）は、前記固定エレメント（１３）によって前記第２の電極（３）に可動に支承されていることにより、前記質量体（１５）が静止位置から変位した場合に復元力を生成する少なくとも１つのばねエレメント（１２，１７）を形成する
   ことを特徴とする、加速度センサ。
2. 前記第１の電極および／または離隔して配置された前記第２の電極（３，１９）は横方向の構造化部を有する、請求項１記載の加速度センサ。
3. 前記メンブレン層（１７）は、前記質量体（１５）の下面に一体形で統合されている、請求項１または２記載の加速度センサ。
4. 前記メンブレン層（１７）の境界線の一部分のみが、前記質量体（１５）の下面との素材結合部を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の加速度センサ。
5. 前記中空部（１２ａ，１２ｂ）は複数設けられており、
   該複数の中空部（１２ａ，１２ｂ）はそれぞれ１つの前記メンブレン層（１７ａ，１７ｂ）によって相互に分離されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の加速度センサ。
6. 前記メンブレン層（１７）はちょうど１つであり、
   前記メンブレン層（１７）は対称軸上で、該質量体（１５）の重心の外側において該質量体（１５）を支える、請求項１から５までのいずれか１項記載の加速度センサ。
7. 前記質量体（１５）は、すべての面で封止された空間内に設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の加速度センサ。
8. 前記空間内の圧力は大気圧と異なっている、請求項７記載の加速度センサ。
9. ３つの空間的方向で横方向の加速度を測定するために、請求項１から８までのいずれか１項記載の加速度センサを使用する方法。
10. 請求項１から８までのいずれか１項記載の加速度センサを有する自動車。

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