JP5543085B2 - 表面技術を用いて製造されたピエゾ抵抗検出共鳴素子 - Google Patents

Description

本発明は表面技術を用いたピエゾ抵抗検出共鳴素子に関している。
本発明の分野は特に、シリコンマイクロ／ナノセンサー、加速度計、ジャイロメーター、及び力センサーである。

我々は先行技術の現状を分析し、共鳴センサー及びピエゾ抵抗センサーの現状を引き続いて分析する。
［共鳴センサー］

従来技術において、共鳴センサーは次のどちらかの技術を用いて作られる。
‐バルク技術の利用。つまり、センサーの高感度素子が、一般的にシリコンまたは石英のウェットエッチングを利用してバルクの全体厚さから作られる。
‐または表面技術の利用。つまり、シリコンバルクはその厚さの一部分、通常は数マイクロメータから数十マイクロメータの厚さ、で機械加工されるのみである。

本発明の分野は、上述した表面技術（例えば巻末の非特許文献１）を用いたＭＥＭＳセンサー（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ‐Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の分野である。

以下の内容が表面技術を用いて作られた共鳴型慣性センサーにおいて述べられてもよい。
‐共鳴器は平面内で振動し、励起／検出電極はＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）プラズマエッチングによって得られる。
‐ＤＲＩＥエッチングを用いた機械加工、及び犠牲層のエッチングを介した解離は、特に共鳴器をよりヒンジの近くに持っていく可能性を有して、センサーの構造が最適化されることを可能にする。

これら全てのセンサーに対して、検出器は次のどちらかを用いて作られる。
‐静電媒体
‐内蔵抵抗を有するピエゾ抵抗媒体

センサーが小型化されたとき、特にＮＥＭＳセンサー（Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ‐Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）に対して、検出器は次の問題を持つ。
‐静電検出器の場合に測定される値は非常に低容量な値であるという問題
‐内蔵抵抗を有する検出器に対してピエゾ抵抗ゲージを製造する難しさの問題
［ピエゾ抵抗センサー］

本発明の分野は、ＮＥＭＳセンサー、つまり非常に小さい（ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｓｃａｌｅ）センサー、に適応した高感度性、及び高精度性（シグナル／ノイズ比、低温ドラフト）を有しつつ、表面技術を用いて作られたピエゾ抵抗検出共鳴センサーの分野である。

非共鳴、つまりＭＥＭＳピエゾ抵抗センサーの先行技術において、試験体表面上のゲージは平面外側の応力を検出するだけである。結果として、
‐これは、センサーの構造、特に慣性センサーのような２軸合成センサーの構造を大きく制限する。
‐表面技術を用いて作られたセンサーに対する低い適合性
‐十分な精度を有しつつ、試験体上の金属化による機械的ストレスを与えることなく、数十ナノメートル幅のビーム上にゲージブリッジを作るためのドープゾーン及び接続ゾーンを画定することが困難であるように、ＮＥＭＳセンサーのような“究極的に小型化された（ｕｌｔｒａ‐ｍｉｎｉａｔｕｒｉｓｅｄ）”センサーに対する低い適合性

非特許文献２は、ピエゾ抵抗ゲージが共鳴器上に導電層を堆積させることによって作られるもう一つのタイプのセンサーについて述べている。しかしながら、そのような堆積は、いくつかの主な不利点を生む。
‐共鳴器に加わる応力
‐共鳴器のクオリティファクタの低下
‐共鳴器自身の製造に対する工程に加えて、さらなる重要工程の出現。つまり、クリティカルビーム上における厚さ、ゲージの整列、及びフォトリソグラフィ、及びエッチングに対して非常に厳密な精度を有して導電材料の非常に薄い層を堆積すること。
‐平面外側での検出、つまりそれはバルクから分離された静電励起が求められる場合に構造の面で不利となる。これは特に、例えば単結晶シリコン共鳴器の場合である。

非特許文献３はゲージがシリコンのエッチングによって画定された、もう一つのタイプのセンサーについて述べている。シリコンはもはや表面にドープされず、検出が平面内で実行される。そのような構成は表面技術と、非常に小さな寸法（ＮＥＭＳ）のセンサーの製造と、によく適合される。しかしながら、それは高いレベルの感度及び安定性を得ることが可能ではない。センサーの応答は実際、ピエゾ抵抗ゲージからの信号に直接比例している。一方で、ピエゾ抵抗係数は実際、温度に非常に高く依存している。

本発明の目的は、表面技術を用いて作られ、高い感度及び精度（良い信号／ノイズ比、低温ドリフト）を有し、シンプルで、小さな寸法に対してより効果的なピエゾ抵抗検出共鳴素子（共鳴器及び／またはセンサー）を提案することにより、先行技術の不利点を解決することである。
米国特許出願公開第２００６／０３２３０６号明細書 "Ｒｅｓｏｎａｎｔ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｓｅｌｆ−ｔｅｓｔ" ｂｙ Ｍ．Ａｉｂｅｌｅ，Ｋ．Ｂａｕｅｒ，Ｗ．Ｆｉｓｈｅｒ，Ｆ．Ｎｅｕｂａｕｅｒ，Ｕ．Ｐｒｅｃｈｔｅｌ，Ｊ．Ｓｃｈａｌｋ， ａｎｄ Ｈ．Ｓｅｉｄｅｌ（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ９２， ２００１， ｐａｇｅｓ １６１ ｔｏ １６７） "Ｈｉｇｈ−ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ｔｅｎｓ−ｆｅｎｔｏｇｒａｍ ｒｅｓｏｌｕｂｌｅ ｍａｓｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎ ａｉｒ" ｂｙ Ｄａｚｈｏｎｈ Ｊｉｎ ａｎｄ ａｌ（２００６， Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．， １６， ｐａｇｅｓ １０１７ ｔｏ １０２３） "Ｓｉｎｇｌｅ−ｍａｓｋ ＳＯＩ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｏｎ ｃｈｉｐ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ" ｂｙ Ｊａｓｐｅｒ Ｅｋｈｕｎｄ， Ｅ；Ｓｈｋｅｌ， Ａ．Ｍ； （ｓｅｎｓｏｒｓ， ２００５ ＩＥＥＥ， ３０ Ｏｃｔｏｂｅｒ−３ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５， ｐａｇｅｓ ６５６ ｔｏ ６５９） "Ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｔｏｐ−ｄｏｗｎ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ" ｂｙ Ｋ．Ｒｅｃｋ， Ｊ．Ｒｉｃｈｔｅｒ， Ｏ．Ｈａｎｓｅｎ， ａｎｄ Ｅ．Ｖ．Ｔｈｏｍｓｅｎ （ＭＥＭＳ ２００８， Ｔｕｃｓｏｎ， ＡＺ， ＵＳＡ， １３−１７ Ｈ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８）

本発明は、バルク上に表面技術を用いて作られたピエゾ抵抗平面における検出のための共鳴素子に関する。前記素子は、少なくとも一つの組み込み部により前記バルクに接続された共鳴器と、前記共鳴器の励起媒体と、及びピエゾ抵抗物質から作られた少なくとも一つの懸架ビーム型歪みゲージを備えている検出媒体と、を備えており、各歪みゲージは少なくとも一つの共鳴器と共に共通平面を有している。そして、この歪みゲージによって観測された応力を増大させるために少なくとも一つの組み込み部の外側に位置する位置で、前記ゲージがこの共鳴器に接続される。

一つの好ましい実施形態に従って、共鳴器は前記平面において長さＬ、前期位置がＬの１／４に等しいかそれ以下の距離で配置される。

本発明の素子の一つの有利的な実施形態において、各ピエゾ抵抗ゲージは少なくとも一つのシリコンナノワイヤーを備えている。

本発明の素子のもう一つの有利的な実施形態において、各ピエゾ抵抗ゲージは少なくとも二つの平行アームを供えている。

有利的に、励起媒体は静電、熱、または圧電媒体である。

有利的に、検出媒体は、ビーム型ゲージの端と支持体における共鳴器の組み込み部との間、またはゲージに近接する二つの平行アームの間、で抵抗を測定することによりゲージの応力を測定する媒体を備えている。

有利的に、各ピエゾ抵抗歪みゲージは共鳴器に対して垂直に配置されてもよい。共鳴器及び各ピエゾ抵抗歪みゲージは同様のピエゾ抵抗物質（シリコン、ＳｉＧｅなど）から作られてもよい。ここで、共鳴器及び各ピエゾ抵抗歪みゲージはそれから機械的及び電気的に接続される。各ピエゾ抵抗歪みゲージはシリコン内でビームをエッチングすることによって画定される。ここで、このピエゾ抵抗歪みゲージは伸張／圧縮において機能する。

本発明は共鳴センサー、例えばシリコン、を備えた素子に関する。この素子は、測定される量に従って特性（応力）の変動を生むことの出来る要素に結びついた少なくとも一つのセンサーを備える。そして、少なくとも一つの関連した歪みゲージによって検出された共鳴器の振動数の変化は、前記特性の前記変動をもたらす。バルクに少なくとも一つの組み込み部を備えた各共鳴器は、静電、熱または圧電媒体である励起媒体と、共鳴器に接続された少なくとも一つのピエゾ抵抗歪みゲージを備えている検出媒体と、を含んでいる。この共鳴器において、各ピエゾ抵抗歪みゲージは共鳴器と共に共通平面を有し、共鳴器の組み込み部の近くに配置される。

有利的に、各共鳴器は平面内で振動してもよい。各共鳴器の励起媒体は、それを励起させる少なくとも一つの励起電極を備えてもよい。各ピエゾ抵抗歪みゲージは圧縮／伸張において作動してもよい。各ピエゾ抵抗歪みゲージはシリコンエッチングによって画定されてもよい。

このようなセンサーの機能において、共鳴器の共鳴振動数の変動はその特性の変動から生じる。ここで、この振動数の変動は関連するピエゾ抵抗歪みゲージによって検出される。この変動は歪みゲージによって所定の時間をかけて行った、共鳴器の共鳴振動数の測定から推定される。

従って、慣性型センサーでは、共鳴器に関連した振動マスは加速度作用の下、共鳴器上に応力を及ぼす。この応力は共鳴器の振動数の変動を含んでいる。同様に、化学センサーでは、特定の分子を捕獲することのできる物質で被覆された共鳴器に前記分子自身を“付着させる”分子の存在下で、共鳴器の有効質量は変化し、それによって共鳴振動数を修正する。

本発明の素子は以下の利点を有する。
‐共鳴器部がピエゾ抵抗ゲージ部から分離されたピエゾ抵抗検出共鳴器が作られることを可能にする。お互いに接続された共鳴器部及びピエゾ抵抗ゲージ部は別々に最適化されてもよい。それ故以下が可能となる。
・レバーアーム効果を増大させるために共鳴器上にピエゾ抵抗ゲージの位置を最適化すること。
・共鳴器の共鳴振動数を修正することなくその感度を増大さえるためにピエゾ抵抗ゲージの断面積を減少さえること。
‐シンプルで感度のある測定を可能にする。それは特に究極的な小型化によく適応される。
‐ピエゾ抵抗ゲージのホイートストーンブリッジ装置により、共鳴振動数の異なる測定を可能にする。
‐より細く作られたピエゾ抵抗ゲージの断面積を減少することで感度を増大させることを可能にする。
‐非常にシンプルな技術を用いることを可能にする。例えば、共鳴器及び／またはセンサーがエッチングされるとき、そこには追加的な注入や堆積のないピエゾ抵抗ゲージのエッチング。

標準的なピエゾ抵抗センサーのアプローチに反して、例えば非特許文献３で述べられているように、本発明の素子は、（共鳴器によって最初のオーダで提供される）検出器の感度がピエゾ抵抗ゲージの感度から相関除去されることを可能にする（ピエゾ抵抗係数のサーマルドリフトはセンサーの感度及び／または精度に影響を与えない）。

主に共鳴器の移動の容量検出を主に基本とした先行技術の共鳴器及び共鳴センサーに関して、ゲージブリッジの測定は、非常に小さな容量が考慮されるシリコン共鳴センサーに対して一般的に用いられる容量測定（特に、非常に小さな構成（ＮＥＭＳ）が用いられたとき）よりもさらにシンプルである。

例えば非特許文献１で述べられたような先行技術のピエゾ抵抗検出共鳴センサーに関して、本発明の素子は、ビーム上に任意の金属化が必要ではなく、そして平面内で共鳴器を共振させることを可能にするという利点を有している。特に共鳴器の励起が例えば容量コーム、及び一般的にはバルクから電気的に分離された電極によって可能となる。

例えば非特許文献２で述べられたような先行技術に関して、ピエゾ抵抗ゲージはもはや堆積や着床によって確定されずエッチングによって画定される。エッチング（ドライまたはウェット）によって画定されたシリコンビームに一致しているこのピエゾ抵抗ゲージは、第二のエッチング操作（ドライまたはウェット）によって解離される。結果として、導電層の堆積やゲージの着床に関する問題は取り除かれる。そのようなアプローチは特に表面技術及び平面内における共鳴器の共鳴（構造に関しての利点）に適合される。

本発明は表面技術を用いて作られたピエゾ抵抗検出共鳴素子（共鳴器またはセンサー）に関する。この素子は、励起媒体、例えば静電媒体、熱または圧電媒体、及び共通平面を有する共鳴器に接続された少なくとも一つのピエゾ抵抗歪みゲージによって形成された検出媒体を含み、バルク内に少なくとも一つの組み込み部を備えている共鳴素子を備える。ここで、バルクの一部が前記歪みゲージ及び前記共鳴器の下で解離される。

最大効率のためには、ピエゾ抵抗ゲージは高い応力領域におかれるために共鳴器の組み込み部近傍に配置される。その結果、ゲージは共鳴器の固有振動数の影響を受けない。好ましくは（例えばビーム型の）共鳴装置に対して垂直に、そしてレバーアーム効果、つまり、ゲージによって観測されるストレス、を増大させるために出来る限り組み込み部の近くに配置されてもよい。それは、犠牲層のエッチング後でバルクの上に懸架されるよう、シリコンのエッチングによって得られてもよい。

［共鳴器型の実施形態］
共鳴器型の第一の実施形態において、本発明の装置はシンプルな共鳴器である。図１で図示されるように、ビーム型のピエゾ抵抗歪みゲージ１１がビーム型共鳴器１０に取り付けられ、二つの組み込み部１２及び１３の一方に近接して前記共鳴器１０に垂直に配置されている。共鳴器１０の固定された励起電極１４は交流電圧発生装置１５を用いて交流電圧につなげられている。共鳴器が励起されると、二つの矢印１６で図示されたように平面内で振動する。

当業者は、例えば構造の有限要素シミュレーション（ＡＮＳＹＳやＣｏｎｖｅｎｔｏｒのような標準ソフトウェアを用いる）を実行することによって、振動しているビーム上に歪み検出ゲージを最適に配置することができる。この目的のために、当業者は振動しているビームの与えられた偏移に対して歪み検出ゲージに及ぼされたストレスを最大化する最適位置を探す。

共鳴器１０の共鳴の励振は、当業者によって通常用いられる静電媒体、または圧電、熱または電磁気媒体、を用いて達成されてもよい。

ピエゾ抵抗ゲージの応力は、標準測定器１７を用いて、共鳴器１０の組み込み部１２とゲージのビーム１１の端との間で測定されてもよい。

有利的には、ホイートストーンブリッジを用いて抵抗が測定されてもよい。

第二の実施形態において、本発明の装置は、ピエゾ抵抗歪みゲージ１１が共鳴器１０に平行に、ニュートラルラインから可能な限り遠くに位置し、そして組み込み部１２に近接して配置されたシンプルな共鳴器である。

最大限の効果を得るために、以下のような特定の条件を順守する一方で、ピエゾ抵抗ゲージ１１は可能な限り小さな断面積を有する。
‐数オーム及び数百オームの間の抵抗値
‐特に衝撃抵抗に関係する場合、センサーの規格に順守した座屈／ストレスに対する抵抗。実際に、加えられた作動力に対して、ピエゾ抵抗ゲージを画定しているビームの断面積に応力は比例する。その結果、共鳴器及び／またはセンサーの他の部分と歪みゲージの間の異なる厚さはあらかじめ想定されてもよい。

［センサー型の実施形態］
本発明の装置はこのようにして、それぞれ共鳴器及びピエゾ抵抗歪みゲージの二つの“カスケード（ｃａｓｃａｄｅ）”試験体からできている。このセンサーにおいて、共鳴器は、測定される量に依存してその特性（応力、実効マスの改良）の変化を生み出すことの出来る素子に関している。測定される量（加速度、回転、圧力等）はそれ故、共鳴器上でそれに比例する応力に影響を与える。この応力の効果は共鳴器の限定条件を修正することであり、これは共鳴周波数または振幅の修正によって変換される。共鳴器の変形による振動測定は、共鳴器に取り付けられているが実際はその一部分となっていないピエゾ抵抗歪みゲージによって測定される。

いくつかのセンサー型の実施形態が考慮される。

Ａ‐本発明のピエゾ抵抗検出ゲージを有している平面型共鳴加速度計

単一の高感度素子を有しているシンプルなホイートストーンブリッジ装置が図３Ａ及び３Ｂに図示されている。

図３Ａに図示されるように、この装置は、組み込み部３１および振動マス３２に固定された共鳴器３０、及び固定された励起電極３６を備えている。ピエゾ抵抗歪みゲージ３３は、組み込み部３１に近接して共鳴器に垂直に配置される。振動マス３２はヒンジ３５によって組み込み部３４固定される。

図３Ａ及び３Ｂに図示されるように、歪みゲージ３３の抵抗測定Ｒ＋ｄＲまたはＲ（１＋α）は、抵抗Ｒ及び発電機Ｅを有している位置ＡとＢの間の電圧の違いを測定することでなされる。
値α、Ｆ及びΔは以下のようになる。
α＝加速度γの効果の下、ヒンジ３５におけるマスの回転
Ｆ＝加速度γの効果の下、抵抗器３０に及ぼされる応力。ここで、ｄＲの測定は加速度γが測定されることを可能にする
Δ＝振動マス３２の感度軸

図４Ａ及び４Ｂに図示されるように、異なるホイートストーンブリッジ装置が用いられてもよい。

この装置において、二つの装置は図３Ａに示されたものと同一のものが用いられる。ここで、最初の装置の素子は図３Ａの参照番号３０から３６と同様のものを有しており、第二の装置は参照番号３０’から３６’を有している。

この異なる装置において、歪みゲージ３３及び３３’の値はそれぞれＲ＋ｄＲ（またはＲ（１＋α））及びＲ−ｄＲ（またはＲ（１−α））である。従って、ゲージ上の抵抗器の振動によって引き起こされた応力（σ）における振動に関連している抵抗ｄＲの変化（ここでｄＲは応力に比例する）を特定することが可能であり、その結果、加速度γを推定することが可能である。実際は、半導体ピエゾ抵抗ゲージの場合に、抵抗率は以下の数式に依存して変化することが知られている。

ここでπ_４４はその物質のピエゾ抵抗係数で、Ｅはヤング率である。

ゲージにおける長手方向の応力σ_１は式σ_１＝Ｆ／（Ｗ．ｈ）である。ここで、ｈはゲージの幅で、ｗはその高さである。

この応力値は有限要素シミュレーション（例えば、ＡＮＳＹＳまたはＣｏｖｅｎｔｏｒソフトウェア）によって容易に評価できる。

抵抗における振動はそれ故、共鳴器（つまり、その振動）の変位に比例する。従って、ピエゾ抵抗ゲージの抵抗測定を用いて共鳴気の共鳴振動数を見つけることは可能である。

本発明によるピエゾ抵抗検出ゲージを有している平面型共鳴加速度計の場合、図３Ｂで図示されたように、以下の典型的な寸法が用いられる。
‐厚さ：１０分の数μｍまたは数μｍ（例えば４μｍ）
‐振動マス：数１００μｍ×数１００μｍ（例えば２００×２００μｍ）
‐ヒンジ：数μｍ長×１０分の数μｍ幅（例えば４００μｍ長×１μｍ幅）
‐共鳴器：数１００μｍ長×１０分の数ｍ幅（例えば４００μｍ長×１μｍ幅）
‐ピエゾ抵抗ゲージ：数１０μｍまたは数１００μｍ長×１０分の数μｍ幅（例えば１００μｍ×０．３μｍ）
‐共鳴器の組み込み部とゲージの間の空間：０．５μｍから数μｍ（例えば１．５μｍ）
‐ヒンジと共鳴器の間の空間：０．５μｍから数μｍ（例えば２μｍ）

Ｂ‐本発明によるピエゾ抵抗検出ゲージを有している平面型共鳴ジャイロメーター

ディアパソン型システム上のコリオリの力の検出を基にした共鳴ジャイロメーターの基本概念は、特許文献１で提供される。本発明の場合、コリオリの力は直接ピエゾ抵抗ゲージ上に与えられる。ピエゾ抵抗ゲージブリッジの測定は回転速度Ωが特定されることを可能にする。

図５はホイートストーンブリッジの異なる装置を有するジャイロメーターを図示している。この図において図式的に示されるように、ジャイロメーター５０は支持体（ｓｕｐｐｏｒｔ）（図示されていない）と、支持体の平面（Ｘ，Ｙ）内で可動でき、振動することのできる二つの振動マス５１、５２からできている。支持体に対して可動であり、お互いに平行である二つの接続アーム５３、５４は、これら二つのマス５１、５２の運動を接続アームに伝達するほど十分な剛性を残している一方で、接続アームに対して二つのマス５１、５２の相対運動を許すほど十分に柔軟性を有している偏向アーム５５、５６、５７、及び５８によって可動マスに接続される。好ましくは、接続アーム５３及び５４、及び偏向アーム５５、５６、５７、及び５８は直角のフレームを形成する。

マス５１及び５２が支持体の平面（Ｘ，Ｙ）で振動をさせる媒体が提供される。例えば、励起コーム６０、６１は各可動マス５１、５２の一つの面または両面で互いにかみ合う。これらのコーム６０、６１は、静電力によって、第一方向Ｘ、ここでは紙面上で左から右、に各マスの前後移動を引き起こす。電磁励起のようなその他の手法が想定されてもよい。

マス５１、５２は、好ましくは互いにかみ合ったコーム構造６０、６１により印加された静電力による共鳴、または共鳴近接によって励起される。つまり、全てのマス５１、５２、及び接続アーム５３、５４、５５、５６、５７及び５８はこのようにして励起共鳴器を形成する。共鳴器の操作は実際、大きな変位振幅が得られることを可能にし、ジャイロメーターの感度を比例的に増幅させる高い品質係数を可能にする。有利的には、マスの振動は反対の位相にある。つまり、それらの移動方向は各瞬間において反対の方向となる。二つのマスを分けている距離は可変である。ここで、この可変は偏向アームによって許されている。

ジャイロメーター５０が支持体に対して垂直な軸ｚの周りで角変位を受けると、Ｘ及びＺ軸に垂直、つまり、この場合紙面に対して垂直な方向Ｙに、コリオリの力が各マス上で発生し、結果として角速度Ωを有するコーム６０、６１によって加えられた振動の合成となる。コリオリの力は偏向アーム５５、５６、５７、及び５８によって接続アーム５３及び５４に伝達される。

各接続アーム５３または５４は、それに垂直に配置されて、他方の端部が組み込み部６５または６６に接続されているピエゾ抵抗歪みゲージ６３または６４の第一の端部に接続されており、そして、その他方の端部が組み込み部６９または７０に接続されているヒンジ６７、６８に接続されている。

角度αは回転Ω（コリオリの力）の効果の下、ヒンジ６７及び６８におけるマスの回転に一致する。

ホイートストーンブリッジの位置ＡとＢの間で測定された電圧は、抵抗ｄＲの変化を可能にし、その結果、角速度Ωが特定されることを可能にする。

図５で図示されたように、本発明に従ったピエゾ抵抗ゲージによる検出を有している平面型共鳴ジャイロメーターの場合において、上述された本発明による加速度計の標準的な寸法が用いられたように同じオーダの寸法が使われてもよい。ピエゾ抵抗ゲージ、ヒンジ、及びピエゾ抵抗ゲージ及びヒンジの間の空間に関して、つまり、
‐ピエゾ抵抗ゲージ：数１０μｍまたは１００μｍ長×１０分の数μｍ幅（例えば１００μｍ×０．３μｍ）、
‐ヒンジ：数μｍ長×１０分の数μｍ幅（例えば５μｍ長×０．８μｍ幅）、
‐共鳴器の組み込み部とゲージの間の空間：０．５μｍから数μｍ（例えば１．５μｍ）、
‐ヒンジと共鳴器の間の空間：０．５μｍから数μｍ（例えば２μｍ）

［シンプルな加速度計装置の実施形態の例］
図６Ａから６Ｃ（６ａから６ｃ）に図示された実施形態の第一の例において、以下のステップがある。

Ａ．Ｔｉ／Ｎｉ／Ｓｉの層が、シリコンで出来た基本バルク（ｂａｓｅ ｂｕｌｋ）８０、ＳｉＯ_２で出来た犠牲層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）８１（例えば０，４μｍ厚さ）、及びシリコン層８２（例えば４μｍ厚さ）、を備えたＳＯＩバルク上に堆積される。コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔｓ）８３がフォトリソグラフィ及びエッチングによって画定される。

Ｂ．機械的構造（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ）は、犠牲層８１上で止まるフォトリソグラフィ及びＤＲＩＥエッチングによって画定される。

Ｃ．本発明の装置の構成は、フッ化水素酸（液体または気体）へ曝し、規定時間の後で止めることによって解離される。

ピエゾ抵抗ゲージ８５、共鳴器８６、ヒンジ８７、共鳴器の励起電極８８、及び振動マス８９はこのようにして得られる。

エッチングによってピエゾ抵抗歪みゲージの薄層化を有している図７Ａから７Ｆ（７ａから７ｆ、７ｅは存在しない）に図示された実施形態の第二の例において、以下のステップが用いられる。

Ａ．Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの層がＳＯＩ型のバルク上に堆積される。コンタクトはフォトリソグラフィ及びエッチングによって画定される。

Ｂ．機械的構造は、犠牲層（ＳｉＯ_２）上で止めて、機械的構造のフォトリソグラフィ及びＤＲＩＥエッチングによって画定される。

Ｃ．機械的設計を保護するために層８４が歪みゲージゾーン９０を除いてフォトリソグラフィによって堆積される。

Ｄ．歪みゲージ９０は、規定時間の後で止めるＤＲＩＥエッチングによって細くされる。

Ｅ．ステップＣで堆積された層が剥される。

Ｆ．本発明の装置の構成は、フッ化水素酸（液体または気体）に曝し、規定時間の後で止めることによって解離される。

実施形態のこれら二つの例はＳＯＩバルク（単結晶シリコン材料）の使用を基にされる。しかしながら、このような例は多結晶シリコン、単結晶ＳｉＧｅ、多結晶ＳｉＧｅ、などで出来た構成に一般化されてもよい。

［本発明の装置の他の実施形態］
本発明の装置の実施形態において、懸架ピエゾ抵抗ゲージがシリコンナノワイヤーであってもよい。これは上で示されたステップ（ナノワイヤーは例えばｅｂｅａｍリソグラフィを用いて作られ、標準的な１００×１００ｎｍ^２の非常に細いシリコンビームより大きくも小さくもない）の流れをわずかに変える。非特許文献４で述べられたように、主な利点は、これらのナノワイヤーは大きなピエゾ抵抗係数を有するという特性を備えていることである。これはセンサーの増大された感度を潜在的に提供している。

この実施形態において、適切な堆積の例が以下に示される。ＳＯＩ型（例えば０．４μｍのＳｉＯ２／０．１５μｍのＳｉ）のバルク９５上に、

Ａ．図８Ａ及び８ａに図示されたように、ナノワイヤーはＤＵＶまたはｅｂｅａｍリソグラフィによって画定され、ＳｉエッチングはＳｉＯ_２の層９７上で止めて、ナノワイヤーゲージ９６上で実行される。

Ｂ．図８Ｂに図示されたように、ＳｉＯ_２の層９８が堆積されて（例えば０．５μｍ）、その後、Ｓｉ層で止める平坦化及びＳｉＯ_２の堆積が行われる。

Ｃ．図８Ｃ及び８ｃに示されているように、Ｓｉで止めるリソグラフィ及びＳｉＯ_２エッチングによってゲージ９６の保護９９が画定される。

Ｄ．図８Ｄ及び８ｄに示されているように、Ｓｉ１００（４μｍ）のエピタキシャル成長が実行される。

Ｅ．図８Ｅ及び８ｅに示されているように、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの堆積が行われ（コンタクトのために）、リソエッチングによってコンタクト１０４が画定される。

Ｆ．図８Ｆ及び８ｆに示されているように、ＳｉＯ_２の層で止めるリソグラフィ及びＤＲＩＥエッチングによって機械的構造が画定される。

Ｇ．図８Ｇ及び８ｇに示されているように、規定時間で止める液体または気体解離によって構造は解離される。細められたゲージ（ナノワイヤー）１０１、ヒンジ／共鳴器１０２及び振動マス１０３がこのようにして得られる。

我々は図６Ａから６Ｃ、６ａから６ｃ、７Ａから７Ｆ及び７ａから７ｃを参照して既に述べられている図示された要素をここで詳細に述べていない。

図９で示された本発明の装置のもう一つの実施形態において、ピエゾ抵抗ゲージは共にある二つの平行アーム１１’及び１１’’で形成され、それ故、それらは実質的に同一の応力を観測する（標準的にそれぞれ２から１０μｍ）。この場合、抵抗測定はゲージの二つのアーム１１’及び１１’’の間でなされる。

本発明の素子は多くの装置で用いられる。特に、
‐タイムベース（ｔｉｍｅ ｂａｓｅｓ）、メカニカルフィルタ
‐加速度計、自動車に適用されるジャイロメーター、携帯電話、航空機など
‐共鳴化学センサー

本発明の共鳴器型素子の第１実施形態。 本発明の共鳴器型素子の第２実施形態。 本発明のセンサー型素子の第１実施形態。 本発明のセンサー型素子の第１実施形態。 本発明のセンサー型素子の第２実施形態。 本発明のセンサー型素子の第２実施形態。 本発明のセンサー型素子の第３実施形態。 実施形態の第１例を示す工程。ＡからＣは断面図、Ａ’からＣ’は上面図をそれぞれ示す。 実施形態の第２例を示す工程。ＡからＦは断面図、Ａ’からＤ’及びＦ’は上面図を示す（Ｅ’は図示されていない）。 本発明の実施形態の素子の製造工程。ＡからＧは断面図、Ａ’及びＣ’からＧ’は上面図を示す（Ｂ’は図示されていない） 本発明の素子のもう一つの実施形態

符号の説明

１０ ビーム型共鳴器
１１、１１’、１１’’ ピエゾ抵抗型歪みゲージ
１２、１３ 組み込み部
１４ 励起電極
１５ 交流電圧発生装置
１７ 標準測定器
３０ 共鳴器
３１、３１’、３４、３４’ 組み込み部
３２、３２’ 振動マス
３３、３３’ ピエゾ抵抗歪みゲージ
３５、３５’ ヒンジ
３６、３６’ 励起電極
５０ ジャイロメーター
５１、５２ 振動マス
５３、５４ 接続アーム
５５、５６、５７、５８ 偏向アーム
６０、６１ 励起コーム
６３、６４ ピエゾ抵抗歪みゲージ
６５、６６、６９、７０ 組み込み部
６７、６８ ヒンジ
８０ 基本バルク
８１ 犠牲層
８２ シリコン層
８３ コンタクト
８４ 層
８５ ピエゾ抵抗ゲージ
８６ 共鳴器
８７ ヒンジ
８８ 励起電極
８９ 振動マス
９０ 歪みゲージゾーン
９５ ＳＯＩ型のバルク
９６ ナノワイヤーゲージ
９７、９８ ＳｉＯ_２の層
９９ 保護層
１００ Ｓｉ
１０１ 細くなったゲージ（ナノワイヤー）
１０２ ヒンジ／共鳴器
１０３ 振動マス
１０４ コンタクト

Claims (20)

1. 表面マイクロ加工する基板を用いる平面ピエゾ抵抗検出を有する共鳴素子であって、少なくとも一つの組み込み部（１２； ３１）によって前記基板に接続された共鳴器（１０； ３０； ５０）と、前記共鳴器を励起させる媒体（１４； ３６）と、及びピエゾ抵抗物質から作られた少なくとも一つの懸架ビーム型歪みゲージ（１１；３３）を備えている検出媒体と、を備えており、前記各歪みゲージ（１１； ５３； ６３）は前記共鳴器と共に少なくとも一つの共通平面を有しており、前記歪みゲージによって観測された応力を増大させるために前記少なくとも一つの組み込み部（１２； ３１）の外側に置かれ、前記組み込み部に近接する位置で、前記ゲージが前記共鳴器（１０； ３０）と第１の端部において接続され、第２の端部において前記基板と接続され、前記共鳴器が、前記平面において長さＬを有し、前記位置がＬの１／４以下の距離であることを特徴とする共鳴素子。
2. 各ピエゾ抵抗ゲージは、シリコンナノワイヤーであることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
3. 各ピエゾ抵抗ゲージは、二つの平行アーム（１１’，１１’’）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
4. 前記励起媒体は、静電、熱、又は圧電媒体であることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
5. 前記検出媒体は、ビーム型ゲージの端と支持体における共鳴器の組み込み部との間、またはゲージの二つの平行アーム（１１’，１１’’）の間、の抵抗を測定することでゲージの応力を測定する媒体を備えることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
6. 前記各ピエゾ抵抗歪みゲージは共鳴器に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
7. 前記共鳴器及び各ピエゾ抵抗歪みゲージは同じピエゾ抵抗物質から作られていることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
8. 前記物質はシリコンまたはＳｉＧｅであり、共鳴器及び各ピエゾ抵抗歪みゲージは機械的及び電気的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の共鳴素子。
9. 各ピエゾ抵抗歪みゲージはシリコン内でビームをエッチングすることによって画定され、ここで、このゲージは伸張／圧縮において作動することを特徴とする請求項８に記載の共鳴素子。
10. 測定される量に依存して、特性の変動を生むことのできる要素に関連した少なくとも一つの共鳴器を有する共鳴センサーを備え、少なくとも一つの関連した歪みゲージによって検出された共鳴器の振動数の変動または抵抗の変動は、前記特性の変動に由来することを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
11. バルク内に少なくとも一つの組み込み部が備えられた各共鳴器は、励起媒体及び共鳴器に接続されたピエゾ抵抗物質から作られた懸架ビームを備えている少なくとも一つの歪みゲージを具備した検出媒体を備えており、各ピエゾ抵抗歪みゲージは共鳴器と共に少なくともひとつの共通平面を有し、レバーアーム効果を増大させるために共鳴器の組み込み部近傍に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の共鳴素子。
12. 前記各共鳴器は、平面内で振動していることを特徴とする請求項１０に記載の共鳴素子。
13. 前記各共鳴器の前記励起媒体は、それを励起させるための少なくとも一つの電極を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の共鳴素子。
14. 前記各ピエゾ抵抗歪みゲージは、圧縮／伸張で作動することを特徴とする請求項１０に記載の共鳴素子。
15. 前記各ピエゾ抵抗歪みゲージは、シリコンエッチングによって画定されることを特徴とする請求項１０に記載の共鳴素子。
16. 前記共鳴器に関連した振動マスは、加速度作用の下で前記共鳴器上で応力を及ぼすことが可能であることを特徴とする請求項１０に記載の共鳴素子。
17. 前記各共鳴器は特定分子を捕獲することのできる物質で被覆されていることを特徴とする請求項１０に記載の共鳴素子。
18. 前記ゲージの厚さは、前記共鳴器の厚さとは異なることを特徴とする請求項１に記載の共鳴素子。
19. 請求項１６に記載の少なくとも一つの素子を備えている加速度計。
20. 請求項１６に記載の少なくとも一つの素子を備えているジャイロメーター。

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