JP5638598B2 - 垂直に集積されたｍｅｍｓ加速度トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、一般に加速トランスデューサに関する。特に、垂直に集積された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度トランスデューサに関する。

加速度トランスデューサまたは加速度計は、加速力の測定に典型的に利用されるセンサである。この力は、一定力の重力のような静的な力であってもよいし、または加速度計を移動または振動することによって及ぼされる動的な力でもよい。加速度計は、加速度、または１つ、２つあるいは３つの軸または方向に沿った他の現象を感知し得る。この情報から、加速度計が備えられたデバイスの移動または方向が確認され得る。加速度計は、慣性航法システム、自動車におけるエアバッグ展開システム、種々なデバイスの保護システム、そして多くの科学的および工学的なシステムに用いられている。

容量式感知ＭＥＭＳ加速度計設計は、比較的安価であるため、高重力環境および小型デバイスでの動作に非常に望ましい。容量式加速度計は、加速度に対して電気容量の変化を感知し、励起された回路の出力を変更する。容量式感知加速度トランスデューサの１つのタイプは、トランスデューサパッケージの平面と概ね平行な１つまたは２つの軸に沿った移動を感知することが可能である。このタイプの加速度トランスデューサは、Ｘ軸方向の加速度および／またはＹ軸方向加速度、またはその両者の下に可動素子が実装された基板の表面とほぼ平行に移動する該可動素子を用いる。別のタイプの加速度トランスデューサは、トランスデューサパッケージの面に対して概ね垂直な軸に沿った移動を感知することが可能な「ティータートータ」または「シーソー」可動素子構成を有する。このタイプの加速度トランスデューサは、基板の表面に対して垂直なＺ軸加速下に回転する移動素子またはプレートを用いる。両方のタイプの加速度計構造は、差動容量または相対容量を決定するために少なくとも二つの異なる容量を測定し得る。

従来の多軸加速度トランスデューサは、典型的にモノリシック設計を有する。モノリシック設計では、複数の感知構造が、同一の基板または同一デバイスウェハ上に、平面状に作成される。ダイサイズ減少は、より効率的なダイ面積設計処理、より積極的な組立（fabrication）処理、等によって達成可能であるが、製造コストの上昇または性能部分の犠牲のないこのような処理の効率には限界がある。
（発明の概要）
したがって、上述の当該技術分野における問題を克服する改善されたＭＥＭＳ加速度トランスデューサおよび組立方法が必要とされている。

本発明の実施形態による微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度トランスデューサの分解斜視図である。 代表的実施形態による図１の加速度トランスデューサを製造するための組立処理のフローチャートである。 図１の加速度トランスデューサの二軸センサの上面図である。 図３の切断線４−４に沿った二軸センサの側面図である。 図１の加速度トランスデューサの単一軸センサの上面図である。 図５の切断線６−６に沿った単一軸センサの側面図である。 図１の加速度トランスデューサを形成するために、単一軸センサに接続された二軸センサの側面図である。 本発明の実施形態による、クロストーク容量効果を示す第１図およびクロストーク容量キャンセルを示す第２図である。 代替え実施形態による、図１のトランスデューサの側面図である。 別の代替え実施形態による、ＭＥＭＳ加速度トランスデューサの側面図である。

本明細書の教示にしたがって、小型加速度トランスデューサまたは加速度計が、図解のための例として提供される。加速度トランスデューサの実施形態は、１つ、２つ、または３つの軸に沿って検知することを含み得る。多軸検知は、トランスデューサの平面と平行な２軸の加速度を感知するように適合可能であり、同様にトランスデューサの平面と垂直な軸の加速度を感知するようにも適合可能である。また、加速度トランスデューサは、異なる加速度の感知範囲、すなわち、ｇレベル、で加速度を感知するように適合され得る。本発明の実施形態は、垂直に集積された、または積み重ねられた、加速度トランスデューサの組立方法をさらに含む。そのような加速度トランスデューサは、２つのトランスデューサウェハを別々に作成し、続いて、同一または異なる加速度感知範囲で１つ、２つ、または３つの軸に沿って感知可能な加速度トランスデューサを作成するために、２つのトランスデューサウェハを接合することにより形成される。

図１は、本発明の実施形態による、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度トランスデューサ２０の分解斜視図を示す。図示された実施形態において、トランスデューサ２０は、３つの相互に直交方向の加速度を感知するように適合された多軸容量式加速度計である。詳細にはトランスデューサ２０は、Ｘ軸に相当する方向２２の加速度、Ｙ軸に相当する方向２４、Ｚ軸に相当する方向２６を感知する。明確にするために、以下、方向２２、方向２４、および方向２６は、それぞれにＸ方向２２、Ｙ方向２４、Ｚ方向２６と呼ぶ。トランスデューサ２０は３つの相互に直交する方向の加速度を感知するものとして記載されているが、以下に詳細に説明されるように、トランスデューサ２０はたった１つの方向のみ、または２つの相互に直交する方向の加速度を感知するように適合される場合もある。見易さのために、トランスデューサ２０の層は別々に示されている。しかしながら、実施される時にはトランスデューサの層は実際には互いにぴったり合わされている。

一実施形態において、トランスデューサ２０は、二軸（つまり二つの軸からなる）センサ２８および単一軸（つまり一つの軸からなる）センサ３０を含む。二軸センサ２８はＸ方向２２およびＹ方向２４の加速度を感知するように適合され、単一軸センサ３０はＺ方向２６の加速度を感知するように適合され得る。センサ２８、３０は別々に作成され、次に、センサ２８の上にセンサ３０が配置されたＭＥＭＳトランスデューサ２０を形成するように互いに接合される。この個別のすなわち独立した組み立て方法は、特定のトランスデューサ応用において最も有利な製造方法を達成するように、２つのセンサ２８、３０に異なるトランスデューサ製造技術を利用することを可能にする。

二軸センサ２８は、アンカーシステム３８を介して基板３６の表面３４から離間配置された、すなわち、基板３６の表面３４の上方に自在に保持され、基板３６の表面３４から離間された状態で上方に配置された二試験質量３２を含む。アンカーシステム３８が試験質量３２を基板３６に可動式に接続する。一実施形態において、アンカーシステム３８は、基板３６の表面３４に形成されたまたは接続された、幾つかのアンカー４０を備えている。試験質量３２は、２つの相互に直交する方向、すなわち、Ｘ方向２２およびＹ方向２４に望ましく伸び縮みするバネ４２によりアンカー４０に取付けられる。したがって、アンカーシステム３８が、Ｘ方向２２およびＹ方向２４の加速度にそれぞれ応答して、試験質量３２を基板３６の表面３４に対して実質的に平行移動することを可能にする。

センサ２８の試験質量３２は、第１セットの可動電極（以下、可動フィンガー４４と称する）および第２セットの可動電極（以下、可動フィンガー４６と称する）を含む。各可動フィンガー４４は一対の固定電極（以下、固定フィンガー４８、５０と称する）によって包囲され、該固定フィンガー４８、５０は基板３６の表面３４に形成または取り付けられる。固定フィンガー４８、５０は基板３６に非可動接続されている。すなわち、固定フィンガー４８、５０は基板３６から離れて動かない。フィンガー４４、４８、５０はＸ方向２２と垂直に配置され、Ｘ方向２２の加速度を決定するための差動容量式構造を形成する。同様に、各可動フィンガー４６は一対の固定電極（以下、固定フィンガー５２、５４という）によって包囲され、該固定フィンガー５２、５４が基板３６に非可動接続されるように、基板３６の表面３４に形成または取り付けられる。フィンガー４６、５２、５４はＹ方向２４と垂直に配置され、Ｙ方向２４の加速度を決定するための差動容量式構造を形成する。

二軸センサ２８がＸ方向２２の加速度を受ける時、可動フィンガー４４と、隣接する固定フィンガー４８、５０との間の距離が変化するように、試験質量３２がＸ方向２２に移動し、それによってフィンガー間の容量が変化する。この容量変化が感知回路（図示せず）によって登録され、Ｘ方向２２の加速度を表す出力信号に変換される。Ｙ方向２４の加速度は、試験質量３２がＹ方向２４に移動する時、可動フィンガー４６と対応する固定フィンガー５２、５４との間の容量変化を登録することによって、同様に感知される。したがって、センサ２８は、基板３６の表面３４と実質的に平行である直交方向、すなわち、Ｘ方向２２およびＹ方向２４の加速度を感知する。

図解のために、センサ３８の種々の構造、例えば、試験質量３２、可動フィンガー４４、４６、固定フィンガー４８、５０、５２、５４、バネ４２およびアンカー４０が提供された。特定設計の制約にしたがって、これら種々の素子は異なる形態をとってもよいことは当業者に理解される。例えば、試験質量３２は異なる形状を有してもよく、可動フィンガー４４、４６および固定フィンガー４８、５０、５２、５４の数および配置は変わってもよい。この代表的実施形態では、合計で４つのアンカー４０および４つのバネ４２があり、１つのバネ４２が各アンカー４０を試験質量３２に相互接続している。しかし、アンカー４０またはバネ４２の数および配置は変わってもよい。

単一軸センサ３０は、基板５６と、基板５６の表面６０から離間され可動式に接続された試験質量５８とを備える。基板５６は、キャパシタ電極素子または「プレート」を形成するために、表面６０に堆積された所定構成のいくつかの導電性電極素子６２を有する。代表的なシナリオにおいて、電極素子６２は、刺激信号を受信する励起または感知電極として動作し得る。フィードバック信号が感知信号に重なった時、電極素子６２はフィードバック電極として付加的に動作し得る。代替え実施形態では、公知の構成にしたがい、基板５６の表面６０に感知電極および励起電極が別々に形成され得る。

試験質量５８は、基板５６の表面６０に形成または取付けられたアンカーシステム６４によって、基板５６から回転できるように吊り下げられる。例えば、試験質量５８は、アンカーシステム６４の回転可能な可撓性部材６６によって基板５６の表面６０上に可撓に吊られ、該回転可能な可撓性部材６６は、試験質量５８が回転軸６８の周りを旋回または回転することを可能にする。ティータートータ型加速度計として動作することを意図する時、回転軸６８の片側における試験質量５８の区分７０は、回転軸６８の他側における試験質量５８の区分７２より相対的に大きな質量を有するように形成される。区分７０のより大きな質量は、回転軸６８をオフセットすることによって典型的に形成される。すなわち、回転軸６８と区分７０の端部７６との間の長さ７４は、回転軸６８と区分７２の端部８０との間の長さ７８より長い。また、電極素子６２は、回転軸６８および試験質量５８の長手方向軸８２に対して対称的にサイズ化および離間配置される。

代替え実施形態では、回転軸６８は試験質量５８の端部７６と端部８０間の中心にあり得る。このような構成において、区分７０と区分７２との間の異なる質量は、例えば、区分７０と比べて区分７２の質量が減少するように、区分７２に試験質量５８を貫通する開口を形成することによって達成され得る。或いは、例えば、区分７２に対して区分７０の質量が増加するように、試験質量５８の区分７０に付加的質量が加えられ得る。
区分７０と７２の質量差のおかげで、Ｚ方向２６の加速度に応答して試験質量５８が回転軸６８の周りを旋回し、したがって、固定電極素子６２に対する試験質量５８の位置が変化する。この位置変化が、１セットのキャパシタを生じ、該キャパシタの差、すなわち、差動容量が基板５６の表面６０に垂直なＺ方向２６の加速度を示す。

以下に詳しく記載されるように、表面６０が表面３４に向き合い、試験質量５８が試験質量３２に向き合うように、基板５６は基板３６に機械的に接続される。この基板５６と基板３６の機械的接続が、試験質量３２および試験質量５８の両者が中に配置されたチャンバを形成する。一実施形態において、この機械的接続が密封されたチャンバを生じる。したがって、多軸垂直集積あるいはスタックされた加速度トランスデューサが形成される。２つのセンサ２８、３０から形成されたトランスデューサ２０のスタックされた構成は、従来技術のモノリシックデバイスに対してトランスデューサダイサイズを減少させることが可能であり、より魅力的なフォームファクタを生じ、ＭＥＭＳデバイスの部品を密封するために通常利用される別のキャップウェハの必要性を排除できる。

ＭＥＭＳセンサ応用は、より低い温度係数のオフセット（ＴＣＯ）仕様を要する。「オフセット」という用語は、ＭＥＭＳセンサの非励起状態での公称値からの出力偏差を指す。したがって、ＴＣＯは、ＭＥＭＳデバイス等の半導体デバイスの性能に熱応力がどの程度影響するかという尺度である。ＭＥＭＳデバイス応用のパッケージングは、異なる熱膨張係数を有する材料を使用することが多い。したがって、製造または動作の間に望ましくない高ＴＣＯが生じる可能性がある。これらの熱応力も、湿度および組立処理による応力も、下にある基板の変形（以下、パッケージング応力、という）を生じさせる可能性があり、ＭＥＭＳセンサが測定誤差をさらに生じやすくする。試験質量３２および５８は互いに幾何学的に中心に配置される。センサ２８、３０の試験質量３２、５８の幾何学的な中心配置によって、好ましくない熱により誘起されるオフセットを減らすことが可能であり、したがって、より優れたＴＣＯ性能を得られる。

図２は、代表的実施形態による加速度トランスデューサ２０を製造するための加速度トランスデューサ組立処理８４のフローチャートを示す。処理８４は、別のセンサ２８、３０を形成し、そしてそれらを接合し、加速度トランスデューサ２０を形成する方法を一般に記載する。センサ２８及び３０の個別の形成により、特定トランスデューサ応用の最も有利な製造方法を達成するように、２つのセンサ２８、３０のための異なるトランスデューサ製造技術の利用が可能となる。また、ＭＥＭＳデバイスは通常、蓋を有するキャビティパッケージを要する。組立処理８４は、センサ３０がセンサ２８にスタックされ、それにより加速度トランスデューサ２０の部品を密封するための個別のカップウェハの必要性を排除した、パッケージング技術を記載している。組立処理８４を、単一加速度トランスデューサ２０の組立に関連して以下に記載する。しかし、以下に記載された処理により、複数のトランスデューサ２０の同時ウェハレベル製造が可能であることが当業者には理解される。次に、密封された個別加速トランスデューサを備えるために、個々のトランスデューサは、従来の仕様で切断またはダイスされ得る。

加速度トランスデューサ組立処理８４は、二軸センサ２８（図１）が形成されるタスク８６を含む。二軸センサ２８の形成は、試験質量３２、アンカーシステム３８、固定フィンガー４８、５０、５２、５４等を形成するための様々なパターニング、堆積、エッチング動作を含み得る。例えば、試験質量３２のような可動部分の組立は、犠牲層としても知られる解放層の実装を含んでもよい。すなわち、可動部分は、アンカーシステム３８のような次世代ビームが基板に取り付けられる位置で選択的に除去される犠牲層を堆積することによって、形成され得る。次に、犠牲層上に構造層が堆積され、構造化される。犠牲層はその後、構造層を変えない選択エッチング処理を用いて、可動部分を解放するために除去される。１つの実施形態において、二軸センサ２８は、固い垂直な側壁を有する比較的高いマイクロ構造、すなわち、比較的厚い試験質量３２を製造するために、高アスペクト比マイクロ機械加工処理を利用して形成されてもよい。例えば、５：１より大きなアスペクト比を有する３次元構造を形成するために、高アスペクト比マイクロ機械加工処理が利用される。

加速度トランスデューサ組立処理８４はさらに、単一軸センサ３０が形成されるタスク８８を含む。単一軸センサ３０の形成は、基板５６の表面６０上に吊られ、離間された状態で基板５６の表面６０上に配置された試験質量５８を形成するため、そして電極素子６２及びアンカーシステム６４を形成するための、犠牲層及び構造層の種々なパターニング、堆積、及びエッチング動作を含み得る。１つの実施形態において、単一軸センサ３０は、表面マイクロ機械加工処理を利用して形成される可能性がある。表面マイクロ機械加工によって、薄膜のポリシリコンまたは他の材料のパターニングが、本質的に二次元平面構造を形成することが可能となる。なぜなら、構造の厚さは堆積された膜の厚さによって制限されるからである。

タスク８６は二軸センサ２８の組立に関連し、タスク８８は単一軸センサ３０の組立に関連することに注意すべきである。したがって、簡単にするために、それらのタスクは連続する複数の動作として記載されているが、これらの異なる動作は単一製造施設の別の領域で並行して実行されてもよく、またはこれらの異なる動作は異なる製造施設で実行されてもよい。

加速度トランスデューサ組立処理８４は、一実施形態では二軸センサ２８及び単一軸センサ３０の形成に関連して記載されていることにさらに注意すべきである。しかしながら、代替え実施形態では、センサ２８、３０は、特定設計要件にしたがって、単一軸または二軸センサのいかなる組み合わせであってもよい。例えば、センサ２８はＸ方向２２、Ｙ方向２４、またはＺ方向２６の１つを感知するように適合されてもよい。同様に、センサ３０はＸ方向２２、Ｙ方向２４、またはＺ方向２６の１つを感知するように適合されてもよい。したがって、加速度トランスデューサ２０は、Ｘ方向２２、Ｙ方向２４、またはＺ方向２６の１つのみ、またはそれらの任意の組み合わせを感知するように適合されてもよい。

センサ２８、３０の独立組立方法は、特定設計要件に従って、単一加速度トランスデューサパッケージ内の異なる感知範囲の加速度を感知するセンサ２８、３０の形成を更に可能にする。例えば、センサ２８は、例として１０〜１００ｇの中程度のｇの感知範囲の加速度を検知するために利用され得る。センサ３０は、センサ２８と同じ一つまたは複数の方向における加速度を検知してもよいが、例えば１００ｇより大きな高いｇ感知範囲あるいは１０ｇより少ない低いｇ感知範囲の異なる感知範囲の加速度を検知するように利用されてもよい。したがって、同一または異なる組立処理を利用するセンサ形成タスク８６、８８によって、所望応用の最適トランスデューサ設計の構成が可能となる。

タスク８６、８８に続いて、加速度トランスデューサ組立処理８４は、タスク９０に続く。タスク９０で、加速度トランスデューサ２０を形成するための従来ウェハ接合処理を用いて、センサ３０はセンサ２８に機械的に接続される。センサ２８、３０の接合は、それぞれに相当する基板３６、５６のボンディング周囲にボンディング層を塗布することによって達成され得る。そのようなボンディング層は、試験質量３２、５８を包囲する密封された接合部を形成するための、互いを接続する金属接合リングでも良い。ボンディング層は、密封された接合部を形成するために典型的に用いられる多数の異なる材料でも良い。そのような材料は、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、インジウム、これらの合金、これらの化合物、ガラスフリット、等を含む。しかし、密封されたシールが望ましくない場合、代わりにボンディング層は充填されたエポキシまたは充填されたシリコーンから形成されてもよい。

接続タスク９０の後に、タスク９２が実行されてもよい。タスク９２では、加速度トランスデューサ２０が、従来処理に従ってさらなる動作を受けてもよく、例えば、ウェハー薄化、パッケージング、外部接続部を形成するためのワイヤボンディング、試験などである。タスク９２に続いて、加速度トランスデューサ組立処理８４が終了し、加速度トランスデューサ２０は加速度測定に利用され得る。

ここで図３〜４を参照すると、図３は加速度トランスデューサ２０（図１）の二軸センサ２８の上面図を示し、図４は図３の切断線４−４に沿った二軸センサ２８の側面図を示している。二軸センサ２８は、例えば、公知および開発途上の高アスペクトマイクロ機械加工処理を用いる加速度トランスデューサ組立処理８４（図２）のタスク８６（図２）の遂行を通して形成された。

一実施形態において、センサ２８は、基板３６の表面３４上の分離層９４を含む。分離層９４上の導電性層９６を形成するために、パターニング、エッチング、および／または堆積処理が実行される場合があり、導電性層９６上に別の分離層９８が形成されてもよい。導電性層９６は、必要に応じて固定フィンガー４８、５０、５２、５４の間の適切な電気接続部を備えるために形成、パターニングされ得る。続いて分離層９８上に、試験質量３２、固定フィンガー４８、５０、５２、５４、アンカー４０、およびバネ４２が形成される。選択的犠牲層堆積及びエッチングにより、基板３６の表面３４から試験質量３２が解放され、Ｘ方向２２および／またはＹ方向２４において感知される加速度に応答して、表面３４と実質的に平行な試験質量３２の移動が可能となる。

センサ２８は、センサ２８の他の部品と同時に形成される、シールリング１００、１つまたは複数の内部接続部位１０２（簡単にするために、１つだけ示す）、および１つまたは複数の外部接続部位１０４（簡単にするために、１つだけ示す）をさらに含んでもよい。シールリング１００は試験質量３２を取り囲み、センサ２８がセンサ３０に接続される位置を規定する（図１）。内部接続部位１０２は、必要に応じてセンサ２８とセンサ３０との間の電気接続部を形成するために実行される。外部接続部位１０４は、必要に応じて、センサ２８、３０との間、センサ２８と外部回路機構（図示せず）との間、またはその両者の間の電気接続部を形成するために実行される。

下にある犠牲層（図示せず）の除去および試験質量３２の解放前に、かかる下にある構造の上に上面層１０６が堆積され得る。センサ２８およびセンサ３０（図１）との間の密封された接合部を形成するための接合媒体として働くべく上面層１０６がシールリング１００上に残るように、上面層１０６はパターニングおよびエッチングされ得る。一実施形態において、上面層１０６は、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、インジウム、これらの合金、これらの化合物などの導電性材料であってよい。したがって、以下に説明するように、後の電気接続部を形成するために上面層１０６が内部接続部位１０２および外部接続部位１０４上に残るよう、上面層１０６は適切にパターニングおよびエッチングされ得る。

本発明の一実施形態によれば、１つまたは複数の過移動停止部材１０８（簡単にするために、２つの過移動停止部材が示される）を形成すべく、上面層１０６がセンサ２８の下にある固定構造の少なくとも１つの部分に残るように、上面層１０６が付加的にパターニングおよびエッチングされ得る。図示するように、過移動停止部材１０８は、一組の固定フィンガー５２および５４に形成され、その上方に延在する。よって、過移動停止部材１０８は、固定フィンガー５２と５４を介して基板３６の表面３４に非可動式に接続される。いったんセンサ２８および３０が接続されると、過移動停止部材１０８は、センサ３０がＺ方向２６の過酷な加速度を受けると、試験質量５８が試験質量３２に接続できないように試験質量５８（図１）の移動を制限する働きをする。

図５〜６を参照すると、図５は加速度トランスデューサ２０（図１）の単一軸センサ３０の上面図を示し、図６が図４の切断線６−６に沿った単一軸センサ３０の側面図を示す。単一軸センサ３０は、例えば、周知および発展途上の表面マイクロ機械加工処理を用いる加速度トランスデューサ組立処理８４（図２）のタスク８８（図２）の実行によって形成される。

１つの実施形態において、センサ３０は基板５６の上面６０上の分離層１１０を含む。分離層１１０上の電極素子６２を形成するために、パターニング、エッチング、および／または堆積処理が次に実行され得る。分離層１１０の上に試験質量５８およびアンカーシステム６４が形成される。選択的犠牲層堆積およびエッチングにより、試験質量５８が基板５６の表面６０から解放され、Ｚ方向２６の感知された加速度に応答して試験質量５８が回転軸６８の周りを回転移動可能となる。

センサ３０はシールリング１１２と、必要に応じて、１つまたは複数の内部接続部位１１４（簡単にするために、１つのみを示す）と、必要に応じて、センサ３０の他の部品と同時に形成される１つまたは複数の外部接続部位（図示せず）とをさらに含み得る。シールリング１１２が試験質量５８を取り囲み、センサ３０がセンサ２８（図３）に接続される位置を規定する。内部接続部位１１４は、必要に応じてセンサ２８およびセンサ３０との間の電気接続部を形成するために実行される可能性がある。外部接続部位が存在する場合、外部接続部位は、必要に応じてセンサ２８とセンサ３０との間および／またはセンサ３０と外部回路機構（図示せず）との間の電気接続部を形成するために実行される可能性がある。

下にある犠牲層（図示せず）の除去および試験質量５８の解放に先立って、かかる下にある構造の上に上面層１１が堆積され得る。センサ２８(図３)およびセンサ３０との間の密封された接合部を形成するための接合媒体として働くべく上面層１１６がシールリング１１２上に残るように、上面層１１６はパターニングまたはエッチングされ得る。上面層１０６（図３）と同様に、上面層１１６は、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、インジウム、これらの合金、これらの化合物などの導電性材料であってよい。したがって、以下に説明するように、後の電気接続部を形成するために上面層１１６が内部接続部位１１４および外部接続部位（存在する場合）上に残るよう、上面層１１６は適切にパターニングまたはエッチングされ得る。

本発明の一実施形態によれば、１つまたは複数の過移動停止部材１０８（簡単にするために１つのみを示す）を形成すべく、上面層１１６がセンサ３０の下にある固定構造の少なくとも１つの部分上に残るように、上面層１１６は付加的に適切にパターニングまたはエッチングされ得る。図示するように、過移動停止部材１１８はアンカーシステム６４の固定部分に形成され、固定部分の上方に延在する。したがって、過移動停止部材１１８は、アンカーシステム６４を介して基板５６の表面６０に非可動式に接続される。いったんセンサ２８および３０が接続されると、過移動停止部材１１８は、センサ２８がＺ方向２６の過酷な加速度を受ける時、試験質量３２が試験質量５８に接触できないように、試験質量３２（図３）の移動を制限するよう機能する。すなわち、試験質量３２は、試験質量３２がＸ方向２２（図１）またはＹ方向２４（図１）のいずれかの加速度を受けると、Ｘ方向２２（図１）および／またはＹ方向２４（図１）に移動するように設計される。しかしながら、アンカーシステム３８（図１）のコンプライアンスは、試験質量３２が過度の加速度下でＺ方向２６への移動を受けることを可能にする。したがって、過移動停止部材１１８はこの望ましくない移動を制限する。

図７は、加速度トランスデューサ２０を形成するために、単一軸センサ３０に接続された二軸センサ２８の側面図を示す。センサ２８、３０の各々の機能部品が配置された内部容量すなわちチャンバ１２０を形成するために、センサ３０のシーリング１１２上の上面層１１６が、センサ２８のシールリング１００上の上面層１０６に接続される。また、外部接続部１０４を露出するために、基板５６の一部分は切断される。

１つの実施形態において、上面層１０６および１１６はアルミニウムから形成され、接合は熱圧着法を用いて生じる。ただしこの接合技法に限定されるものではない。熱圧着法は、センサ２８および／または３０を約４５０℃まで加熱し、次に、所定圧力（例えば、１．３７８９５〜２．７５７９ＭＰａ（２００〜４００ポンド／平方インチ））でセンサ３０のシールリング１１２上の上面層１１６をセンサ２８のシールリング１００上の相当する上面層１０６に押圧することを含む。優れた物理および電気特性を有する密封接着が後に形成される。従来技術によると、接合する前に、例えば超音波スクラブ、ウェットエッチング、またはプラスマクリーニングによる酸化物分解の追加的動作が必要とされ得る。

シールリング１００および１１２の各々の高さは、相当するセンサ２８および３０の構造部品の高さと釣り合う。したがって、上面層１０６および１１６の各々の適切な厚１２２が、センサ３０の試験質量５８と、試験質量３２、およびセンサ２８の固定フィンガー４８、５０、５２、５４との間の隙間またはギャップ１２４を生じる。ギャップ１２４は、センサ３０とセンサ２８との間のクロストーク容量を最小化するのに十分な幅を有するように構成される。代表的実施形態において、クロストーク容量を最小化するために約８マイクロメータのギャップ１２４の幅を生じるように、上面層１０６および１１６の各々の厚さ１２２は約４マイクロメータでもよい。アルミニウム対アルミニウム熱圧着法の実行が、ギャップ１２４の幅を制御することにおいて優れた精度を提供する。

過移動停止部材１０８および１１８は、試験質量３２と試験質量５８との間でチャンバ１２０内に配置される。過移動停止部材１０８がＺ方向２６における試験質量５８の移動を制限する。同様に、過移動停止部材１１８はＺ方向２６における試験質量３２の移動を制限する。したがって、代表的実施形態における上面層１０６および１１６の各々の厚１２２は約４マイクロメータであり、相当する過移動停止部材１０８および１１８は上面層１０６および１１６と連動して形成され、過移動停止部材１０８および１１８はまた約４マイクロメータの厚さである。したがって、過移動停止部材１０８および１１８が、Ｚ方向２６の移動を最大移動の４マイクロメータに制限する。

図８は、本発明の１つの実施形態による、クロストーク容量効果１２８を示す第１図１２６、およびクロストーク容量キャンセル１３２を示す第２図１３０を示す。上述に説明されたように、感知電極に対する試験質量の移動が、試験質量と感知電極との間の容量を変化させる。試験質量が感知電極に接近するほど、容量が増加する。第１図１２６に示すように、センサ２８が複数の固定フィンガー４８および５０を含むシナリオにおいて、センサ３０の固定フィンガー４８と試験質量５８との間の、Ｃ＋と表示されている第１容量１３４は、固定フィンガー５０と試験質量５８との間の、Ｃ−と表示されている第２容量１３６より大きくてもよい。Ｃ＋でと表示されている容量１３４とＣ−と表示されている容量１３６の間の容量差が、クロストーク容量効果１２８を意味する。これがセンサ２８における測定誤差を引き起こす可能性がある。

クロストーク容量効果１２８によるセンサ２８における測定誤差を減少するために、代替え実施形態において、センサ３０は付加的試験質量１３８を含み得る。この構成は第２図１３０に示される。一例として、試験質量５８は、固定フィンガー４８および５０の一部分１４０またはサブセットと対向関係にある。試験質量１３８は基板５６の表面６０から離間配置され、フィンガー４８および５０の別の一部分１４２またはサブセットと対向関係にある。基板５６の表面６０にアンカーシステム１４４が形成され、別の回転軸１４６で試験質量１３８と回転可能に接続される。アンカーシステム１４４は、Ｚ方向２６の加速度に応答して、試験質量１３８が回転軸１４６の周囲を回転することを可能にする。

回転軸１４６は試験質量１３８の中央線からオフセットされる。これによって、試験質量１３８の区分１４８は試験質量１３８の区分１５０より相対的に大きな質量を有するように形成される。また、回転軸１４６のオフセットは、試験質量５８の中央線から回転軸６８のオフセットと一般に等しくかつ反対方向に配置される。したがって、試験質量１３８の区分１４８の質量は、試験質量５８の区分７０の質量と実質的に等しい。同様に、試験質量１３８の区分１５０の質量は、試験質量５８の区分７２の質量と実質的に等しい。したがって、Ｚ方向２６の加速度は、試験質量５８および１３８の、等しいが反対方向の、それらの相当する回転軸６８および１４６の周囲の回転を引き起こす。

この構造において、固定フィンガー４８と試験質量５８および１３８との間のＣ＋と表示されている第１容量１３４の加算は、固定フィンガー５０と試験質量５８および１３８との間のＣ−と表示されている第２容量１３６の加算とおおよそ等しい。したがって、第２図１３０の構造において、クロストーク容量は均衡がとれ、すなわち、Ｃ＋＝Ｃ−であり、よってクロストーク容量キャンセル１３２を生じる。

図９は、代替え実施形態による、パッケージング後のトランスデューサ２０の側面図を示す。アルミニウム対アルミニウム熱圧着法（上述）は、ギャップ１２４の幅の制御の点でその優れた精度のおかげで好ましい接合技法であるが、他の接合技法も採用される可能性がある。他の接合技法は、共晶接合、シリコン融解接合、ガラスフリット接合等を含むが、それらに限定されるわけではない。代表的実施形態において、接合部１５２は、ガラスフリット接合技法を用いてセンサ２８および３０のシールリング１００と１１２との間に接合１５２が形成される。ガラスフリット接合技法が、ＭＥＭＳ技術に通常用いられる表面材料の接合を可能にし、ウェハレベル封止およびパッケージングに用いられ得る。ガラスフリット接合技法は、密封シーリング及び高い歩留りを可能にする。

この実施形態において、非導電性ガラスフリット接合技法において、センサ２８および３０との間の電気接続は、ワイヤボンディングによって達成され得る。例えば、トランスデューサ２０は、センサ３０の基板５６を貫通して延びると共に基板５６の外部表面１５８に接触部１５６を有する少なくとも１つのシリコン貫通ビア１５４を含む。接触部１５６と外部接続部位１０４との間にはワイヤボンド１６０が形成される。

図１０が、別の代替え実施形態による、ＭＥＭＳ加速度トランスデューサ１６２の側面図を示す。上述したように、加速度トランスデューサの実施形態は、１つ、２つ、または３つの軸に沿った感知を含み得る。多軸感知は、トランスデューサの平面と平行な２つの直交軸の移動を感知するように適合され得る。また、加速度トランスデューサは、異なる加速度感知範囲、すなわち、ｇレベルの移動を検知するように適合され得る。

図示された実施形態において、トランスデューサ１６２は、異なる加速度感知範囲で２つの直交方向の加速度を感知するように適合された多軸容量式感知加速度計である。トランスデューサ１６２が、センサ２８と、上述された方法にしたがって、センサ２８に接続された別のセンサ１６４とを備えている。この実施形態において、センサ２８がＸ方向２２（図１）およびＹ方向２４（図１）の加速度を感知する。同様に、センサ１６４がＸ方向２２（図１）およびＹ方向２４（図１）の加速度を感知する。

センサ１６４は、センサ２８に関連して上述した構造と類似する構造を含み得る。例えば、センサ１６４は、基板１６８の表面１６６に形成されたアンカーシステム３８（図１に図示）のようなアンカーシステムを備える。アンカーシステム（例えばアンカーシステム３８）は、包括的に可動フィンガー１７２と言われる移動可能なフィンガーを有する試験質量１７０に接続される。包括的に固定フィンガー１７４と呼ばれる固定フィンガーは、基板１６９の表面１６６と非可動に接続され、各可動フィンガー１７２は差動容量構造を形成するために、一対の固定フィンガー１７４との間に配置される。したがって、アンカーシステム（例えば、アンカーシステム３８）は、試験質量１７０がＸ方向２２（図１）および／またはＹ方向２４（図１）の加速度に応答して基板１６８の表面１６６と実質的に平行に移動することを可能にする。

センサ１６４の構成は、センサ２８の感知方向と同一感知方向（すなわちＸ方向２２およびＹ方向）の加速度を検知するセンサ２８およびセンサ１６４の構成と類似する。しかしながら、センサ１６４は、センサ２８の感知範囲と異なる感知範囲に亘る加速度を検知するよう適合される。一例として、センサ２８は、例えば、１０ｇ未満の低ｇレベルでＸ方向２２およびＹ方向２４の加速度を感知するのに適している低ｇ加速度センサでもよい。センサ１６４は、例えば、１０〜１００ｇの間の中程度のｇレベルの加速度を検知に適している中程度ｇ加速度センサでもよい。したがって、センサ２８が、センサ１６４の第２感知範囲（中ｇ）と異なる第１感知範囲（低ｇ）に亘る加速度を感知する。異なる感知範囲は、特定のｇを受けた時に試験質量３２および１７０が適切に移動するよう、異なるバネコンプライアンスのアンカーシステムの実行によって達成され得る。しかしながら、当業者には、所望感知範囲を達成するように、他の構造特徴がセンサ２８および１６４に実行され得ることが理解される。

本明細書では低ｇおよび中ｇ加速度計について記載されるが、他の実施形態において、トランスデューサパッケージは特定応用に特定された低ｇ、中ｇ、および高ｇ加速度計のいかなる組み合わせも含む可能性があることが更に理解されるべきであろう。また、特定感知範囲が本明細書に記載されているが、様々な感知範囲が設けられる可能性があることも理解されるべきであろう。更に、Ｘ方向２２および／またはＹ方向２４の感知に関連して異なる感知範囲に亘る加速度感知が記載されているが、代替え実施形態において、トランスデューサは、各センサがＺ方向２６（図１）の加速度を異なる感知範囲に亘って感知する２つのセンサを含んでもよい。

１つの実施形態において、トランスデューサ１６２は、トランスデューサ１６２のためのチップスケールパッケージ構成を形成するためのシリコン貫通ビア１７６を更に含む。チップスケールパッケージは、該表面実装集積回路パッケージの全体のパッケージサイズが通常、内部のダイのサイズよりも２０パーセント大きいサイズ以下である、一種の表面実装集積回路パッケージである。シリコン貫通ビアは、シリコンウェハまたはダイを完全に貫通する垂直な電気接続部である。この構成において、チップスケールパッケージトランスデューサ１６２が、外部接触部１７８に電気的に接続されたシリコン貫通ビア１７６の多くを含み、該シリコン貫通ビア１７６は、垂直に構成された表面実装電気接続部を節約する空間を作り出すことに用いられる可能性がある。電気接続は、本明細書記載された技法に限定されるものではなく、現行のおよび開発中の技術が代替え的に実行されてもよいことを当業者であれば理解され、現行のおよび開発中の技術には、様々の様式のピンまたはリード、平坦な接触部、半田ボール（ボールグリドアレイ）、部品の本部における末端、等を含むがこれらのものに限定されない。

本明細書に記載された実施形態は、垂直に集積された、または積層構成の２つのセンサを含む小型ＭＥＭＳ加速度トランスデューサを備えている。加速度トランスデューサの実施形態は、１つ、２つ、または３つの相互に直交な軸に沿っての感知を含む可能性がある。多軸感知は、トランスデューサの平面と垂直な２つの直交する軸における移動の検知と同様に、トランスデューサの平面と平行な軸の移動をも感知するように適合される可能性がある。更に、加速度トランスデューサは、例えば、低ｇ、中ｇ、高ｇまたはこれらのいかなる組み合わせにおける異なる加速度感知範囲の移動を検知するように適合される可能性がある。本発明の別の実施形態は、垂直に集積、または積層の加速度トランスデューサに関する組立方法を更に含む。このような加速度トランスデューサは、２つのセンサを個別に組み立て、次に２つのセンサを結合して同一または異なる加速度感知範囲で１つ、２つ、または３つの軸に沿った感知可能な加速度トランスデューサを作り出すことによって形成される。

前述の詳細な説明は、具体的な例示の実施の形態を参照しながら本発明を説明するものである。しかし、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更が加えられ得ることが理解されよう。

Claims (5)

1. 加速度を感知するように適合されたトランスデューサであって、
   第１表面を有する第１基板と、
   前記第１表面に可動に接続され、前記第１基板の第１表面から離間された第１試験質量と、
   第２表面を有する第２基板であって、該第２表面が前記第１表面に向き合うように前記第１基板に接続された第２基板と、
   前記第２表面に可動に接続され、前記第２基板の前記第２表面から離間されるとともに、第１試験質量に向き合って配置された第２試験質量と、
   前記第２基板の前記第２表面に形成され、第１回転軸において前記第２試験質量に回転可能に接続される第１アンカーシステムであって、前記第２基板の前記第２表面と垂直な方向の前記加速度に応答して、前記第２試験質量が前記第１回転軸の周囲を回転することを可能にする第１アンカーシステムと、
   前記第１基板の前記第１表面に形成された固定感知フィンガーであって、
   第２試験質量が前記固定感知フィンガーの第１部分と反対の関係に配置される固定感知フィンガーと、
   前記第２表面に接続され、前記第２基板の前記第２表面から離間配置された第３試験質量であって、前記固定感知フィンガーの第２部分と反対の関係にある第３試験質量と、
   前記第２基板の前記第２表面に形成され、第２回転軸において前記第３試験質量に回転可能に接続される第２アンカーシステムであって、前記第２表面と垂直な方向の前記加速度に応答して、前記第３試験質量が前記第２回転軸の周囲を回転することを可能にする第２アンカーシステムと、
   を備えたトランスデューサ。
2. 前記第２試験質量が第１端部、第２端部、前記第１回転軸および前記第１端部との間に形成された第１区分、前記第１回転軸および前記第２端部との間に形成された第２区分を含み、前記第１区分が前記第２区分より大きな質量を示し、
   前記トランスデューサが、
   前記第２基板の前記第２表面に形成された第１電極素子および第２電極素子を含み、前記第１電極素子は前記第１区分に向き合い、前記第２電極素子は前記第２区分に向き合い、前記第１電極素子および前記第２電極素子はそれぞれ、前記第２表面と垂直方向の前記加速度を感知するように適合される、
   請求項１記載のトランスデューサ。
3. 前記第１試験質量および前記第２試験質量の両者が中に配置される密封チャンバを形成するために、前記第２基板が前記第１基板に接続される、
   請求項１記載のトランスデューサ。
4. 加速度を感知するように適合された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）トランスデューサを製造する方法において、
   前記加速度を感知するように適合された第１センサを形成するステップであって、前記第１センサが第１表面、前記第１表面に可動に接続され、第１基板上に離間された状態で配置された第１試験質量、および前記第１表面に形成された第１固定電極を有するステップと、
   前記加速度を感知するように適合された第２センサを形成するステップであって、前記第２センサが、第２表面、前記第２表面に可動に接続され、前記第１表面上に離間された状態で配置された第２試験質量および第３試験質量、ならびに前記第２表面に形成された第２固定電極を有するステップと、
   前記第１センサおよび前記第２センサを形成した後、前記第２表面が前記第１表面に向き合うように、かつ前記第２試験質量が第１試験質量に対面して配置されるように第２基板を前記第１基板に接続するステップと、を含み、
   前記第２センサを形成するステップは、
   前記第２基板の前記第２表面に、第１回転軸において前記第２試験質量に回転可能に接続される第１アンカーシステムを形成することと、
   前記第２基板の前記第２表面に、第２回転軸において前記第３試験質量に回転可能に接続される第２アンカーシステムを形成することと、を含み、
   前記第１アンカーシステムは前記第２基板の前記第２表面と垂直な方向の前記加速度に応答して、前記第２試験質量が前記第１回転軸の周囲を回転することを可能にし、
   前記第２アンカーシステムは前記第２基板の前記第２表面と垂直な方向の前記加速度に応答して、前記第３試験質量が前記第２回転軸の周囲を回転することを可能にし、
   前記第２基板を前記第１基板に接続したとき、前記第１固定電極の第１部分と前記第２試験質量とが反対の関係に配置されるとともに、前記第１固定電極の第２部分と前記第３試験質量とが反対の関係に配置される、方法。
5. 前記第１試験質量および前記第２試験質量が配置された密封チャンバを形成するために、前記接続ステップが前記第２基板を前記第１基板に接続する、
   請求項４記載の方法。

Images