JP6301268B2 - 可動ｚ軸検知素子を備えるＭＥＭＳセンサ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年９月５日に出願された米国特許出願第１２／２０５，２４１号、現在の米国特許第８，１４６，４２５号の一部継続出願である、２０１２年４月２日に出願された、米国特許出願第１３／４３７，８５９号の優先権を主張するものであり、これらの出願の開示は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、概してＭＥＭＳセンサのための検知素子に関し、より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳセンサにおけるｚ軸運動を計測するための可動検知素子に関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置を用いるセンサは、それらが相対的に小型であることと、計測される品目の相対的に少ない量または変化を検出する能力により、下に置かれた物体の運動あるいは物質または状態の存在を検出するために異なった用途において増々使用されている。ＭＥＭＳ装置は一般には、１つ以上の固定された非可動構造体またはフィンガを用いて形成される、可動性の慣性質量体、または可撓性膜を採用している。例えば、ＭＥＭＳ加速度計においては、慣性質量体が基板の上方の平面に懸垂され、基板に対して可動となる。それらの可動構造体および固定構造体が、印加された力または加速度に応答して、装置の既定の軸、例えば、ｘ軸およびｙ軸に沿って等で、可動構造体が固定構造体に対して運動するときに変化するキャパシタンスを有するコンデンサを形成する。

例えば、平面外またはｚ軸の運動を計測する商用ＭＥＭＳ加速度計は、ｚ軸における差動キャパシタンスを計測できるように、慣性質量体の上方および／または下方に位置決めされる電極を有してもよい。慣性質量体の下方にある電極に基づいた設計では、一般に慣性質量体の駆動、またはそれに電位を与えることを必然的に伴い、慣性質量体の下方の電極を用いてｚ軸運動を容量検知する。しかしながら、電極と基板との間の寄生キャパシタンスがこの計測の信頼性に望ましくない影響を与える可能性がある。

本発明の実施形態に従い、ＭＥＭＳセンサは基板および基板に結合されるＭＥＭＳ構造体を含む。ＭＥＭＳ構造体は基板に対して可動である質量体を有している。ＭＥＭＳセンサはまたＭＥＭＳ構造体の可動質量体に電気的に結合される基準構造体を含む。

関連する実施形態に従い、基準構造体はＭＥＭＳ構造体を実質的に取り囲んでもよく、あるいはＭＥＭＳ構造体が基準構造体を実質的に取り囲んでもよい。基準構造体の一方の表面は、ＭＥＭＳ構造体の一方の表面と実質的に共面となってもよい。ＭＥＭＳ構造体は基準構造体から放射状に外側にあってもよい。ＭＥＭＳセンサはさらに基板上に形成されるｚ平面ＭＥＭＳ電極を含んでもよい。ｚ平面ＭＥＭＳ電極はＭＥＭＳ構造体の実質的下方に形成されてもよい。ＭＥＭＳセンサはさらに基板上に形成され、かつｚ平面ＭＥＭＳ電極と共面であるｚ平面基準電極を含んでもよい。ｚ平面ＭＥＭＳ電極は基準構造体の実質的下方に形成されてもよい。ＭＥＭＳセンサはさらにＭＥＭＳ構造体および基準構造体の上方に形成されるキャップを含んでもよい。キャップはＭＥＭＳ構造体および基準構造体を被包してもよい。基板はさらに基板上またはその内部に形成される電子回路部品を含んでもよい。

本発明の別の実施形態に従い、ＭＥＭＳセンサを製造する方法は、基板を提供し、基板に結合されるＭＥＭＳ構造体を形成する。ＭＥＭＳ構造体は基板に対して可動である質量体を有する。この方法はまたＭＥＭＳ構造体の可動質量体に電気的に結合される基準構造体を形成する。

関連する実施形態に従い、この方法はさらに基板上にｚ平面ＭＥＭＳ電極を形成し、ｚ平面ＭＥＭＳ電極と実質的に共面であるｚ平面基準電極を基板上に形成してもよい。ｚ平面ＭＥＭＳ電極およびｚ平面基準電極は同じ処理ステップ中に形成されてもよい。同様に、基準構造体およびＭＥＭＳ構造体は同じ処理ステップ中に形成されてもよい。

本発明の別の実施形態に従い、ＭＥＭＳセンサを使用するｚ軸における運動を計測する方法は、基板上にｚ平面ＭＥＭＳ電極を有する基板を提供し、ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方にＭＥＭＳ構造体を提供する。ＭＥＭＳ構造体は基板に結合され、基板に対して可動である質量体を有する。この方法はさらに検知素子を形成するために可動質量体に電気的に結合される基準構造体を提供する。この方法はまたｚ平面ＭＥＭＳ電極に電位を印加し、検知素子を使用して、検知素子とｚ平面ＭＥＭＳ電極との間のキャパシタンスの変化を計測する。

関連する実施形態に従い、この方法はさらにｚ平面ＭＥＭＳ電極と実質的に共面であるｚ平面基準電極を基板上に提供してもよい。ｚ平面基準電極は基準構造体の実質的下方に形成されてもよい。この方法はまたｚ平面基準電極に電位を印加し、検知素子を使用して、検知素子とｚ平面基準電極との間のキャパシタンスの変化を計測してもよい。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
基板と、
前記基板に結合され、前記基板に対して可動である質量体を有するＭＥＭＳ構造体と、
前記ＭＥＭＳ構造体の前記可動質量体に電気的に結合された基準構造体と、を備える、ＭＥＭＳセンサ。
（項目２）
前記ＭＥＭＳ構造体が前記基準構造体を実質的に取り囲む、項目１に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目３）
前記基準構造体の一方の表面が前記ＭＥＭＳ構造体の一方の表面と実質的に共面となる、項目１に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目４）
前記ＭＥＭＳ構造体が前記基準構造体から放射状に外側にある、項目１に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目５）
前記基板上に形成されたＺ平面ＭＥＭＳ電極をさらに備え、前記ＭＥＭＳ構造体が前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方に形成される、項目１に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目６）
前記基板上に形成され、前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極と共面となるＺ平面基準電極をさらに備え、前記Ｚ平面基準電極が前記基準構造体の実質的下方に形成される、項目５に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目７）
前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体の上方に形成されるキャップをさらに備え、前記キャップが前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体を被包する、項目１に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目８）
前記基板が前記基板上またはその内部に形成される電子回路部品をさらに含む、項目１に記載のＭＥＭＳセンサ。
（項目９）
ＭＥＭＳセンサを生産する方法であって、
基板を提供することと、
前記基板に結合され、前記基板に対して可動である質量体を有するＭＥＭＳ構造体を形成することと、
前記ＭＥＭＳ構造体の前記可動質量体に電気的に結合された基準構造体を形成することと、を含む、方法。
（項目１０）
前記ＭＥＭＳ構造体が前記基準構造体を実質的に取り囲む、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記基準構造体の一方の表面が前記ＭＥＭＳ構造体の一方の表面と実質的に共面となる、項目９に記載の方法。
（項目１２）
前記ＭＥＭＳ構造体が前記基準構造体から放射状に外側にある、項目９に記載の方法。
（項目１３）
前記基板上にＺ平面ＭＥＭＳ電極を形成することをさらに含み、前記ＭＥＭＳ構造体が前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方に形成される、項目９に記載の方法。
（項目１４）
前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極と実質的に共面となるＺ平面基準電極を前記基板上に形成することをさらに含み、前記Ｚ平面基準電極が前記基準構造体の実質的下方に形成される、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極を形成することおよび前記Ｚ平面基準電極を形成することが同じ処理ステップ中に実行される、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記基準構造体を形成することおよび前記ＭＥＭＳ構造体を形成することが同じ処理ステップ中に実行される、項目９に記載の方法。
（項目１７）
前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体の上方にキャップを形成することをさらに含み、前記キャップが前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体を被包する、項目９に記載の方法。
（項目１８）
ＭＥＭＳセンサを使用してＺ軸運動を計測する方法であって、
基板であって、前記基板上にＺ平面ＭＥＭＳ電極を有する基板を提供することと、
前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方のＭＥＭＳ構造体であって、前記基板に結合され、前記基板に対して可動である質量体を有する、ＭＥＭＳ構造体を提供することと、
検知素子を形成するために、前記可動質量体に電気的に結合された基準構造体を提供することと、
前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極に電位を印加することと、
前記検知素子を使用して、前記検知素子と前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極との間のキャパシタンスの変化を計測することと、を含む、方法。
（項目１９）
前記ＭＥＭＳ構造体が前記基準構造体を実質的に取り囲む、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
Ｚ平面ＭＥＭＳ電極と実質的に共面となるＺ平面基準電極であって、前記基準構造体の実質的下方に形成される、Ｚ平面基準電極を前記基板上に提供することと、
前記Ｚ平面基準電極に電位を印加することと、
前記検知素子を使用して、前記検知素子と前記Ｚ平面基準電極との間のキャパシタンスの変化を計測することと、を含む、項目１８に記載の方法。

上述および本発明についての利益については、別添の図面を参照し、それらの後段のさらなる記述から、より完全に理解される。
図１は、本発明の実施形態に従った可動ｚ軸検知素子を備えるＭＥＭＳセンサを製造する工程を示している。 図２は、本発明の実施形態に従った可動ｚ軸検知素子を備えるＭＥＭＳ装置の平面図を模式的に示している。 図３は、本発明の実施形態に従った可動ｚ軸検知素子を備えるＭＥＭＳ装置の断面図を模式的に示している。 図４は、本発明の実施形態に従った可動ｚ軸検知素子およびキャップを備えるＭＥＭＳ装置の断面図を模式的に示している。 図５は、本発明の実施形態に従った可動ｚ軸検知素子を備える別のＭＥＭＳ装置の平面図を模式的に示している。 図６は、本発明の実施形態に従った可動ｚ軸検知素子を備える図５の断面図を模式的に示している。

本発明の様々な実施形態は、ＭＥＭＳセンサにおいてｚ軸運動を計測するための可動検知素子を提供する。可動検知素子は、可動質量体とＭＥＭＳ構造体の可動質量体に電気的に結合される外部基準構造体とを有するＭＥＭＳ構造体から形成される。いくつかの実施形態においては、基準構造体は放射状に外側に位置してもよく、ＭＥＭＳ構造体を実質的に取り囲んでもよいが、実施形態によっては、ＭＥＭＳ構造体、またはその一部が基準構造体を実質的に取り囲み、ＭＥＭＳ構造体、またはＭＥＭＳ構造体の一部が基準構造体から放射状に外側に位置してもよい。さらに、基準構造体はＭＥＭＳ構造体と共面であってもよい。基準構造体は、ＭＥＭＳ構造体の可動質量体と物理的に分離しているが、電気的には結合している。この構成が、ＭＥＭＳ構造体の下方のｚ平面ＭＥＭＳ電極と併せて、可動質量体がｚ軸方向に運動するときに、可動検知素子がｚ平面ＭＥＭＳ電極と検知素子との間のキャパシタンスの変化を検知するのを可能にする。例示的な実施形態の詳細については、下段で検討される。

当業者には周知のこととして、ＭＥＭＳ構造体は通常、基板上に薄膜を連続して堆積させ、エッチングを施すことによって製造される。以下の検討ではｚ軸ＭＥＭＳセンサを形成する上での様々なしかるべきステップを記述しているが、必要となるステップのすべてを記述しているわけではない。検討されているステップの前段階、その最中、および／あるいはその後段階で、他の処理ステップがさらに実行されてもよい。そのようなステップは、実行されても、簡略化のために省略されている。処理ステップの順番もまた、変更および／または組み変えられてもよい。したがって、いくつかのステップは記述されず、示されていない。同様に、以下の検討では慣性センサを含んでいるが、例示的な実施形態の原理は、ＭＥＭＳ圧力センサ、ＭＥＭＳマイクロフォン、ＭＥＭＳ流体センサなどのその他のセンサ装置に適用してもよい。当業者には周知のこととして、流体センサはガス、流体および／または多相の組成物を検知する。したがって、慣性センサについての検討は例としてのものであり、本発明の様々な実施形態の範囲を制限することを意図するものではない。

図１はｚ軸検知を行うＭＥＭＳセンサを製造する工程を示し、図２〜３は本発明の例示的な実施形態に従ったＭＥＭＳセンサの平面図および断面図をそれぞれ模式的に示している。図１〜３を参照すると、ＭＥＭＳセンサの製造工程は、基板１０を提供するステップ１００で開始される。基板１０は、その他の材料が使用されてもよいが、単結晶シリコンウエハから形成されてもよい。

当業者には周知のこととして、１つ以上の層が基板１０の表面上に形成される。例えば、当業者には周知のこととして、層は、酸化物層、ポリシリコン層、窒化層等のＭＥＭＳ装置の製造に通常使用される１つ以上の材料の層を含んでもよい。様々な層は、マスクされるか、または、例えば、写真平版法およびエッチング法などの、当業者には周知である工程を使用してパターン化されてもよい。例えば、図３に示されているように、基板に取り付けられるその後の層または構造体を、導電層またはＭＥＭＳ装置から電気的に隔離するために、１つ以上の誘電層１２が基板１０上に形成されてもよい。したがって、基板１０はまた誘電層１２の上面またはその間に形成される導電層１４（例えば、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム）を含んでもよい。導電層１４はパターン化されてもよく、その後に形成される層からの信号を送るために、および／または素子を電気的に接続するために使用されてもよく、これについては下段で詳細に検討される。

ステップ１１０において、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６が基板１０上、例えば誘電層１２および導電層１４上に形成され得る。ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６はパターン化されてもよく、導電材料（例えば、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム）から形成されてもよい。ｚ平面基準電極２０もまた、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６と実質的に共面である基板１０上に形成されてもよい。ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６と同様に、ｚ平面基準電極２０はパターン化されてもよく、導電材料（例えば、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム）から形成されてもよい。ｚ平面基準電極２０は、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６と同じ堆積処理中に形成されてもよく、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６と同じ材料で製造されてもよいが、異なった材料で製造されてもよい。

ステップ１２０において、ＭＥＭＳ構造体１８がｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の上方に形成され得る。当業者には周知のこととして、ＭＥＭＳ構造体１８は基板１０上方に懸垂されて、それ、または基板１０上にその後に形成される任意の層に取り付けられる。例えば、図３に示されているように、ＭＥＭＳ構造体１８はｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の上方に懸垂され、取付部１８ａで導電層１４に取り付けられている。１つの取付部が示されているが、当業者には周知のこととして、ＭＥＭＳ構造体１８は１つ以上の領域において基板１０に固定されてもよい。ＭＥＭＳ慣性センサについては、ＭＥＭＳ構造体１８は、可動構造体もしくはフィンガおよび非可動構造体もしくはフィンガを備える可動質量体を含む。質量体および可動構造体は、例えば、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の方向に、基板１０に対して可動である。ＭＥＭＳ構造体１８は、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の実質的上方に形成され、それによって、平面ＭＥＭＳ電極１６はＭＥＭＳ構造体１８の下方のほぼ同じ面積を被覆する。例えば、図２に示されているように、ＭＥＭＳ構造体１８は四角形で、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６（図２には示されていない）は、ほぼ同じ四角形のＭＥＭＳ構造体１８の下方に位置しているが、２つの素子の体積は異なってもよい。それらはまた異なった形状であってもよい。

ステップ１３０において、基準構造体２２は、ＭＥＭＳ構造体１８の質量体に電気的に結合されるように形成され得る。基準構造体２２はＭＥＭＳ構造体から放射状に外側に形成されるか、あるいはＭＥＭＳ構造体、またはＭＥＭＳ構造体１８の一部から放射状に内側に形成されてもよい。基準構造体２２は、ＭＥＭＳ構造体１８の外縁の周囲に、またはＭＥＭＳ構造体１８の内側に向かって形成される１つ以上の構造体を含んでもよい。例えば、基準構造体２２は、図２に示されているように、ＭＥＭＳ構造体１８を取り囲む電極であってもよい。それとは別に、基準構造体２２はいくつかの電極で構成されてもよく、それらは共にＭＥＭＳ構造体を実質的に取り囲む（図示せず）。好ましくは、基準電極２２（１つの電極かまたはいくつかの電極））の領域は様々な任意の考慮要件によって決定される。

例えば、可動質量体を引き下げる静電力が、可動質量体を引き上げる固定フィンガからの静電浮上力と釣り合うように、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位が設計されてもよい。これによって、固定フィンガからの引き上げる静電力が起因となる浮上オフセットが最小化される。また、２つのコンデンサ間の電荷の平衡を保つために、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位とＭＥＭＳ検知キャパシタンスとの積が、ｚ平面基準電極２０の電位と基準キャパシタンスとの積に等しくなるべきである。したがって、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位を固定フィンガからの静電浮上力と釣り合うようにするために、基準構造体２２の領域は好ましくは可動質量体の領域の約６分の１となる。この場合、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位はｚ平面基準電極２０の電位の約６分の１になるべきである。これによって、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位が浮上オフセットを最小化できる。

基準構造体２２は、図３に示されているとおり、ｚ平面基準電極２０の上方に部分的に懸垂される。好ましくは、ＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２の両方が、ほぼ等距離で、それぞれｚ平面ＭＥＭＳ電極１６およびｚ平面基準電極２０の上方に懸垂される。これらの層間の間隙は、当業者には周知の解放ステップ中に、両方の構造体１８、２２の下部にある同じ犠牲誘電層（残存部が図３に層２４として示されている）の除去によってもたらされてもよい。したがって、いくつかの実施形態においては、基準構造体２２の一方の表面は、ＭＥＭＳ構造体１８の一方の表面と実質的に共面で、好ましくは、基準構造体２２の当該表面とＭＥＭＳ構造体１８の当該表面は、それぞれｚ平面基準電極２０およびｚ平面ＭＥＭＳ電極１６と対面する。ＭＥＭＳ構造体１８とｚ平面ＭＥＭＳ電極１６との間の間隙は、基準構造体２２と平面基準電極２０との間の間隙と異なってもよい。

基準構造体２２はＭＥＭＳ構造体１８と同じ堆積処理中に形成され、ＭＥＭＳ構造体１８と同じ材料で製造されてもよいが、異なった材料で製造されてもよい。可動質量体のｚ軸運動（例えば、図３に示されている上下運動）を計測するときに、計測精度を増大するために基準構造体２２が使用され、これについては後段でさらに詳細に記述される。基準構造体２２はまた、ｘ軸運動（例えば、図３に示されているページの内外）およびｙ軸運動（例えば、図３に示されている左右）を計測するときに、使用されてもよい。

本明細書において（１８、２２）と称される単一の検知素子を形成するために、基準構造体２２はＭＥＭＳ構造体１８の可動質量体と電気的に結合されてもよい。例えば、基準構造体２２は、ＭＥＭＳ構造体１８の可動質量体と同じ導電層、例えば、導電層１４と結合されてもよい。基準構造体２２は２つの領域、図３では、２２ａにおいて、導電層１４に結合されていることが示されているが、基準構造体２２は１つ以上の領域で導電層１４（または任意の他の導電層）と結合されてもよい。基準構造体２２と導電層１４との間の距離にまたがる基準構造体２２の接続部２２ｂは、ｚ平面基準電極２０から電気的に隔離されており、それによって、基準構造体２２はｚ平面基準電極２０に結合せず、短絡しない。例えば、これは、当業者には周知のこととして、接続部２２ｂがｚ平面基準電極２０を貫通する場所で、接続部２２ｂを誘電材料で取り囲むことによって達成されてもよい。同様の手法で、ＭＥＭＳ構造体１８の可動質量体はｚ平面ＭＥＭＳ電極１６から電気的に隔離されてもよい。

いくつかの実施形態においては、ＭＥＭＳセンサを基板１０に取り付けられるその後の層または構造体から電気的に隔離するために、誘電層１２が基準構造体２２上に形成されてもよい。いくつかの実施形態においては、ＭＥＭＳ構造体１８を被覆する、または保護するために、ＭＥＭＳ構造体１８の上方にキャップが形成されてもよく、それが基板１０に取り付けられるか、または接着されてもよい。キャップはＭＥＭＳ構造体１８を被包して、ＭＥＭＳセンサの機能に影響を及ぼしかねない粒子、ガス等の危険事情からそれを保護する。

例えば、図４は、本発明のいくつかの実施形態に従って、可動ｚ軸検知素子がキャップ２６で被覆されるＭＥＭＳセンサの断面図を模式的に示す。基板１０に接触するキャップ２６の一部が基板１０上に形成される１つ以上のＭＥＭＳ構造体１８を取り囲むように、キャップ２６は基板１０上に位置決めされてもよい。キャップ２６はまた、基板１０上またはその内部に形成され、ＭＥＭＳ構造体１８に結合されている回路部品を取り囲むように位置決めされてもよい。キャップ２６を基板１０に取り付けるために、基板１０はＭＥＭＳ構造体１８の周囲に形成される１つ以上の層２８を含んでもよい。キャップ２６が基板１０に電気的に接続されるか、または隔離されることを可能にするために、これらの層２８は導電性材料または非導電性材料から形成されてもよい。キャップ２６はウエハから形成されてもよく、ウエハ上に形成される１つ以上の層を含んでもよい。いくつかの実施形態においては、気密封止を形成するために、キャップ２６は基板１０に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態においては、キャップ２６は穴部または開口部（図示せず）を含んでもよく、それを通じて大気が入り、ＭＥＭＳ構造体１８が取り巻く環境に露出されることを可能にする。示されているように、キャップ２６は、可動質量体がｚ方向に行き過ぎるのを防止し、かつ可動質量体が衝撃の際にその他の構成要素または部品と接触するのを防止するめに、１つ以上のキャップ止めを含んでもよい。

操作中に、ＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２の上方または下方に位置する電極に電位が印加される。例えば、ＭＥＭＳ構造体１８の実質的下方に位置するｚ平面ＭＥＭＳ電極１６に電位が印加されてもよい。この場合、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６がコンデンサの一部を形成し、ＭＥＭＳ構造体１８の可動質量体および基準構造体２２は、連携して単一の検知素子として、コンデンサのその他の部分を形成する。可動質量体が運動すると、固定された平面ＭＥＭＳ電極１６に対して、キャパシタンスの変化が計測される。この手法においては、一方の素子（ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６）および他方の素子（ＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２（その近接性により、主にＭＥＭＳ構造体１８の可動質量体））との間のキャパシタンスの変化を計測するために、検知素子（１８、２２）が使用される。したがって、検知素子（１８、２２）は、ｚ軸におけるＭＥＭＳ構造体の可動慣性質量体の運動（例えば、図３に示されているように、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６に向かうかまたはそれから離れる）を検知する。ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６はＭＥＭＳ構造体１８の下方に示されているが、いくつかの実施形態においては、電極はＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２の上方に位置決めされてもよい。

その後、別の電位が、例えば、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位とは異なった指定時間に、ＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２の上方または下方に位置する別の電極に印加されてもよい。例えば、電位は、基準構造体２２の実質的下方に位置するｚ平面基準電極２０に印加されてもよい。２つのコンデンサ間の電荷の平衡を保つために、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位とＭＥＭＳ検知キャパシタンスの積と、ｚ平面基準電極２０の電位と基準キャパシタンスの積が、等しくなる必要がある。例えば、基準構造体２２の領域が可動質量体の領域の約６分の１のとき、ｚ平面基準電極２０の電位はｚ平面ＭＥＭＳ電極１６の電位の約６倍にすべきである。この場合、ｚ平面基準電極２０はコンデンサの一部を形成し、ＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２は連携してコンデンサの他の部分を形成する。前述のとおり、検知素子（１８、２２）は、ｚ平面基準電極２０と検知素子（１８、２２）（近接性により、主に基準構造体２２）との間のキャパシタンスの変化を計測するために使用される。このようにして、固定された基準構造体２２は、ｚ平面基準電極２０と併せて、計測精度を増大させるために、ＭＥＭＳセンサに影響を及ぼす可能性のある環境および工程パラメータの変化をオフセットするための基準を提供するために使用されてもよい。例えば、操作条件（例えば、気温、気圧、湿度）により、ＭＥＭＳ構造体１８の可動質量体が何らかの変化（例えば、膨張、収縮）を生じる時、ｚ平面基準電極２０の上方に懸垂されている基準構造体２２のその部分も同様の変化をこうむるはずである。したがって、ｚ平面基準電極２０と基準構造体２２との間の環境条件によるキャパシタンスの任意の変化は、任意の環境による変動を縮減させるために、ｚ平面ＭＥＭＳ電極１６と検知素子（１８、２２）との間でなされるキャパシタンスの計測のためのオフセットして使用されてもよい。

この構成により、平面ＭＥＭＳ電極１６とＭＥＭＳ構造体１８との間の間隙およびｚ平面基準電極２０と基準構造体２２との間の間隙の両方が、良好に制御された空間または間隙と同じ犠牲酸化物の厚さにすることによって好ましく決定されるので、ＭＥＭＳセンサのオフセットおよび感度をもたらす製造変動が低減されうる。さらに、ＭＥＭＳ構造体１８の下方にある電極の代わりに、ｚ軸検知素子としてＭＥＭＳ構造体１８および基準構造体２２を使用することで、ＭＥＭＳ構造体の下方にある電極と基板との間の寄生キャパシタンスにより誘発されるノイズを最小化してもよい。

いくつかの実施形態においては、１つはｘ軸およびｙ軸方向、１つがｚ軸方向という２つの検知段階あるいは状態があってもよい。前述のとおり、ｚ段階が可動慣性質量体を含む検知素子（１８、２２）を使用してもよい。ｘｙ段階では、検知素子として慣性質量体が使用されてもよい。この構成により、３軸すべての検知が、１つの質量体で効率的に達成されることが可能となる。

一定の構成を有する基板１０が図２〜３に示され、説明されているが、その他の層および構造体が基板の内部および／またはその上部に形成されてもよい。例えば、基板１０は、ＭＥＭＳ構造体の下部に、共面の、または上部にある基板上に追加的な層を有してもよい。さらに、基準構造体は、図２〜３において、ＭＥＭＳ構造体の外側に示されているが、ＭＥＭＳ構造体１８、またはその一部が、図５〜６に示されているように、基準構造体２２の周囲に、基準構造体２２から放射状に外側に形成されてもよい。

図１で検討されているＭＥＭＳセンサの製造工程を完結させるために、その他の処理ステップが使用されてもよい。例えば、バッチ処理のときには、ウエハは、複数の個別のダイスを形成するために、ダイスされてもよい。本明細書で用いられるときには、ウエハは複数の個別のダイスを形成してもよいが、「ウエハ」および「ダイス」という用語は交換使用が可能となる。いくつかの実施形態では、同じダイス上または別にダイス上の回路部品をＭＥＭＳセンサに統合させるための後処理を実施してもよい。さらに、パッケージまたはその他の構成要素および／または装置をＭＥＭＳセンサに統合させるために、その他の処理ステップが実行されてもよい。

前述の検討では、本発明についての様々な例として実施形態が開示されているが、当業者が、本発明の真正な範囲を逸脱することなく、本発明の利益のいくつかを達成する様々な修正をし得ることは明白である。

Claims (15)

1. ＭＥＭＳセンサであって、前記ＭＥＭＳセンサは、
   基板であって、前記基板上にＺ平面ＭＥＭＳ電極を有する基板と、
   前記基板に結合されたＭＥＭＳ構造体であって、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基板に対して可動であるように構成されている、ＭＥＭＳ構造体と、
   検知素子を形成するように前記ＭＥＭＳ構造体に電気的に結合された基準構造体であって、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基準構造体の周囲に形成されている、基準構造体と
   を備え、
   前記検知素子を使用して、前記検知素子と前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極との間のキャパシタンスの変化が計測される、ＭＥＭＳセンサ。
2. 前記基準構造体の一方の表面が前記ＭＥＭＳ構造体の一方の表面と実質的に共面となる、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記ＭＥＭＳ構造体が前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方に形成される、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記基板上に形成されたＺ平面基準電極をさらに備え、前記Ｚ平面基準電極は、前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極と共面となり、前記Ｚ平面基準電極が前記基準構造体の実質的下方に形成される、請求項３に記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体の上方に形成されるキャップをさらに備え、前記キャップが前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体を被包する、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
6. 前記基板が前記基板上または前記基板の内部に形成される電子回路部品をさらに含む、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
7. ＭＥＭＳセンサを生産する方法であって、前記方法は、
   基板を提供することであって、前記基板上にＺ平面ＭＥＭＳ電極を有する基板を提供することと、
   前記基板に結合されたＭＥＭＳ構造体を形成することであって、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基板に対して可動であるように構成されている、ことと、
   検知素子を形成するように前記ＭＥＭＳ構造体に電気的に結合された基準構造体を形成することであって、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基準構造体の周囲に形成される、ことと
   を含み、
   前記検知素子を使用して、前記検知素子と前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極との間のキャパシタンスの変化が計測される、方法。
8. 前記基準構造体の一方の表面が前記ＭＥＭＳ構造体の一方の表面と実質的に共面となる、請求項７に記載の方法。
9. 前記ＭＥＭＳ構造体が前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方に形成される、請求項７に記載の方法。
10. 前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極と実質的に共面となるＺ平面基準電極を前記基板上に形成することをさらに含み、前記Ｚ平面基準電極が前記基準構造体の実質的下方に形成される、請求項９に記載の方法。
11. 前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極を形成することおよび前記Ｚ平面基準電極を形成することが同じ処理ステップ中に実行される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記基準構造体を形成することおよび前記ＭＥＭＳ構造体を形成することが同じ処理ステップ中に実行される、請求項７に記載の方法。
13. 前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体の上方にキャップを形成することをさらに含み、前記キャップが前記ＭＥＭＳ構造体および前記基準構造体を被包する、請求項７に記載の方法。
14. ＭＥＭＳセンサを使用してＺ軸運動を計測する方法であって、前記方法は、
    基板を提供することであって、前記基板は、前記基板上にＺ平面ＭＥＭＳ電極を有する、ことと、
    前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極の実質的上方のＭＥＭＳ構造体を提供することであって、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基板に結合され、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基板に対して可動であるように構成されている、ことと、
    前記ＭＥＭＳ構造体に電気的に結合された基準構造体を提供することにより、検知素子を形成することと、
    前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極に電位を印加することと、
    前記検知素子を使用して、前記検知素子と前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極との間のキャパシタンスの変化を計測することと
    を含み、前記ＭＥＭＳ構造体は、前記基準構造体の周囲に形成される、方法。
15. 前記Ｚ平面ＭＥＭＳ電極と実質的に共面となるＺ平面基準電極を前記基板上に提供することであって、前記Ｚ平面基準電極は、前記基準構造体の実質的下方に形成される、ことと、
    前記Ｚ平面基準電極に電位を印加することと、
    前記検知素子を使用して、前記検知素子と前記Ｚ平面基準電極との間のキャパシタンスの変化を計測することと
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。