JPH01259265A - Capacitive accelerometer and manufacture thereof - Google Patents
Capacitive accelerometer and manufacture thereofInfo
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- JPH01259265A JPH01259265A JP63283533A JP28353388A JPH01259265A JP H01259265 A JPH01259265 A JP H01259265A JP 63283533 A JP63283533 A JP 63283533A JP 28353388 A JP28353388 A JP 28353388A JP H01259265 A JPH01259265 A JP H01259265A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明はキャパシチブ加速度計およびその製造方法に
関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a capacitive accelerometer and a method for manufacturing the same.
[従来の技術]
加速度計は実際には小形の力センサであるか、主として
加速度の検出に使用される。この装置はまた他の用途、
例えば傾斜角度の検出にも使用される。BACKGROUND OF THE INVENTION Accelerometers are actually small force sensors or are primarily used to detect acceleration. This device also has other uses,
For example, it is also used to detect tilt angles.
従来知られている小形の加速度計は大部分はピエゾ電気
またはピエゾ抵抗の動作原理に基づいている。Miniature accelerometers known to date are mostly based on piezoelectric or piezoresistive operating principles.
ピエゾ電気結晶はその表面に加えられる力に応じた大き
さの表面電荷を生成する。この電荷は電荷感知増幅器を
使用して測定される。測定に使用される増幅器が高い入
力インピーダンスであるために増幅器は静電的妨害を受
は易い。表面に生成された電荷は表面を介して自然に放
電し、漏洩電流のためこの形式の加速度計は静止的また
は低周波数の加速度の測定に使用することはできない。A piezoelectric crystal generates a surface charge whose magnitude depends on the force applied to its surface. This charge is measured using a charge sense amplifier. Due to the high input impedance of the amplifier used for measurements, the amplifier is susceptible to electrostatic interference. The charge generated on the surface naturally discharges through the surface, and because of leakage currents this type of accelerometer cannot be used for static or low frequency acceleration measurements.
ピエゾ抵抗加速度計は典型的には半導体材料、例えばシ
リコンで作られ、この半導体材料内に適当な結晶方向で
抵抗が拡散により形成される。結晶が曲げられたとき誘
起した応力は屈曲の大きさが検出できるような抵抗値の
変化を生じる。屈曲の大きさは加えられた力に比例し、
したがって加速度に比例する。Piezoresistive accelerometers are typically made of a semiconductor material, such as silicon, into which a resistor is formed by diffusion in the appropriate crystal orientation. The stress induced when the crystal is bent causes a change in resistance such that the magnitude of the bend can be detected. The amount of bending is proportional to the applied force,
Therefore, it is proportional to acceleration.
小形のピエゾ抵抗加速度計はマイクロエレクトロニクス
および微小機械加工技術の工作方法を使用して例えばシ
リコンから製造することができる。Small piezoresistive accelerometers can be manufactured, for example, from silicon using microelectronics and micromachining techniques.
最大の感度を得るためには最大の応力が抵抗の区域に与
えられなければならない。それにより弾性部分の変位が
構造の厚さに関して振幅を非常に大きくし、それに加え
て、感度の高い加速度計は加速度計の振動質量として作
用する補助的な重量を与えられなければならない。何故
ならばシリコン自身は密度が比較的軽いからである。補
助質量の製作は装置の製作を困難にする。さらにピエゾ
抵抗加速度計は例えばキャパシチブ加速度計に比較して
温度変化に敏感である。さらに、ピエゾ抵抗加速度計は
いわゆるゲージ係数かキャパシチブ加速度計に比較して
低い。For maximum sensitivity the maximum stress must be applied to the area of resistance. The displacement of the elastic part thereby has a very large amplitude with respect to the thickness of the structure, and in addition, a sensitive accelerometer must be provided with an auxiliary weight that acts as a vibrating mass of the accelerometer. This is because silicon itself has a relatively low density. The fabrication of auxiliary masses complicates the fabrication of the device. Additionally, piezoresistive accelerometers are more sensitive to temperature changes than capacitive accelerometers, for example. Furthermore, piezoresistive accelerometers have a low so-called gauge factor compared to capacitive accelerometers.
単結晶シリコンは1960年代後半から加速度計の製造
に使用された。これらの方法のいくつかは文献に記載さ
れている。Single crystal silicon has been used in the manufacture of accelerometers since the late 1960s. Some of these methods are described in the literature.
例えば、
[1] I E E E Trans、on Ele
ctron DeviceE D 26. 1911−
1920頁(1979)[2] W、 B、enec
ke他
Tra’n5ducers1987 、406〜409
頁[3]ツガイおよびベッショ
Transducers1987 、 ’403〜40
5頁[4] E、 J、 Evans 米国特許
3478604号明細書[5] A、 J、 Yer
man米国特許3572109号明細書文献[4]およ
び[5]による構造は屈曲カンチレバー型の加速度計に
関するものである。For example, [1] I E E E Trans, on Ele
ctron DeviceE D 26. 1911-
1920 pages (1979) [2] W, B, enec
ke et al. Tra'n5ducers1987, 406-409
Page [3] Tsugai and Bescho Transducers 1987, '403-40
Page 5 [4] E, J, Evans U.S. Patent No. 3,478,604 [5] A, J, Yer
The structure according to US Pat. No. 3,572,109 [4] and [5] relates to a bent cantilever type accelerometer.
キャパシチブ加速度計は次の文献に記載されている。Capacitive accelerometers are described in the following documents:
[6] H,W、 Pischer米国特許39117
38号明細書[7] W、 H,F 1cken米国特
許4009607号明細書[8コF 、 V 、 l1
oldren米国特許4094199号明細書[9]
H,E、Aine米国特許4144516号明細書[1
0コK 、 E 、 P etersen
他米国特許4342227号明細書
[11]R、F 、 Colton米国特許4435
737号明細書[12] F 、 Rudolf 米
国特許4483194号明細書[13コL、B、WNn
er米国特許4574327号明細書文献[6]は物理
的な構造を示すことなく2個のキャパシタンスを使用す
る加速度計を説明している。[6] H.W. Pischer U.S. Pat. No. 39117
Specification No. 38 [7] W, H, F 1cken U.S. Patent No. 4009607 [8 CoF, V, l1
oldren US Pat. No. 4,094,199 [9]
H, E, Aine U.S. Pat. No. 4,144,516 [1
0koK, E, P etersen
Other US Pat. No. 4,342,227 [11] R. F. Colton US Pat. No. 4,435
No. 737 Specification [12] F, Rudolf U.S. Patent No. 4,483,194 [13 CoL, B, WNn
er US Pat. No. 4,574,327 [6] describes an accelerometer that uses two capacitances without indicating the physical structure.
文献[7]は電気的構成は異なるか文献[6]と原理的
に同一である。Document [7] has a different electrical configuration or is basically the same as Document [6].
文献[8]は2重キャパシタンスの原理による加速度計
について記載している。Document [8] describes an accelerometer according to the double capacitance principle.
文献[9コは振動質量がリーフスプリングに懸垂された
微小機械的加速度計を記載している。Reference [9] describes a micromechanical accelerometer in which a vibrating mass is suspended from a leaf spring.
文献[lO]はカンチレバービームか水平面で移動し、
電気的に非対称な構造を有する屈曲カンチレバー型加速
度計を記載している。Literature [lO] moves in a cantilever beam or in a horizontal plane,
A bent cantilever accelerometer with an electrically asymmetric structure is described.
文献[11コは環状構造のものを示している。Reference [11] shows a cyclic structure.
文献[12]はキャパシタンスが板の一方の側のみに配
置されているねじり懸垂板を有する形式のものを記載し
ている。Document [12] describes a type with torsionally suspended plates in which the capacitance is arranged on only one side of the plate.
文献[13コは振動質量か薄膜スプリング上に懸垂され
た構造のものを記載している。Reference [13] describes a structure suspended on a vibrating mass or a thin film spring.
[発明の解決すべき課題]
この発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、完全なす
ぐれた特性のキャパシチブ加速度計およびその製造方法
を提供することである。[Problem to be Solved by the Invention] The object of the invention is to overcome the drawbacks of the prior art and to provide a capacitive accelerometer with complete and excellent characteristics and a method for manufacturing the same.
[課題解決のための手段]
この発明は、加速度計の振動質量として作用す゛る共通
可動電極を有する2個のキャパシタからキャパシチブ形
式の加速度計を構成するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention constructs a capacitive type accelerometer from two capacitors having a common movable electrode that acts as the vibrating mass of the accelerometer.
中央電極は同じ材料から作られたビームを有する一体構
造体を形成している。1以上のこれらの弾性部材を使用
することも可能である。加えられる加速度により振動質
量は数ミクロンの変位を生じ、この変位はキャパシタン
ス値の変化から検出される。加速度計の構造は両面型で
対称である。The central electrode forms an integral structure with the beam made of the same material. It is also possible to use more than one of these elastic members. The applied acceleration causes a displacement of several microns in the vibrating mass, which displacement is detected from a change in capacitance value. The structure of the accelerometer is double-sided and symmetrical.
さらに説明すれば、この発明による加速度計は、中央電
極構造は側面電極構造の中心平面に対して対称であり、
中央電極はビーム形状を有しU字形の本体素子を通って
延在する溝によって囲まれており、中央電極のチップ部
分はチップ部分の厚さにより決定された間隔を有する電
極間隙が側面電極と中央電極との間に形成されるように
本体素子の厚さに接近した厚さを有し、側面電極構造は
中央電極構造の本体素子上にハーメチックシールで電気
絶縁層を介して取付けられて中央電極かハーメチックに
密閉された空間に保持され、電極構造は外部電気接続か
ないときには正常状態で互いに電気的に分離されている
構造を特徴とする。More specifically, in the accelerometer according to the present invention, the central electrode structure is symmetrical with respect to the central plane of the side electrode structures;
The central electrode has a beam shape and is surrounded by a groove extending through the U-shaped body element, and the tip portion of the central electrode has an electrode gap with a spacing determined by the thickness of the tip portion with the side electrodes. The side electrode structure has a thickness close to that of the main body element so as to be formed between the center electrode structure and the side electrode structure is attached to the main body element of the center electrode structure via an electrically insulating layer with a hermetic seal. The electrodes are held in a hermetically sealed space, and the electrode structures are characterized by a structure in which they are electrically isolated from each other under normal conditions when there is no external electrical connection.
この発明はまた、固定された側面電極を構成する2個の
側面電極構造か形成され、中央電極を具備する中央電極
構造がこれら側面電極構造間に配置されるキャパシチブ
加速度計の製造方法において、中央電極構造は処理フェ
イズエ中にチップ中央部分の両側に中央電極区域をエツ
チングすることによって均一な単結晶半導体チップから
形成され、中央電極の縁部区域がさらに処理フェイズI
において定められた厚さのビーム状中央電極パターンを
残すように半導体チップの両側で処理フェイズ■中にさ
らにエツチングされ、中央電極のステム部分か所定の厚
さが得られるまで処理フェイズ■中にさらにエツチング
され、側面電極が中央電極構造にハーメチックシール状
態で取付けられることを特徴とする。The invention also provides a method for manufacturing a capacitive accelerometer in which two side electrode structures are formed that constitute fixed side electrodes, and a center electrode structure with a center electrode is disposed between the side electrode structures. The electrode structure is formed from a uniform single crystal semiconductor chip by etching a central electrode area on both sides of the central part of the chip during processing phase I, and edge areas of the central electrode are further etched during processing phase I.
The stem portion of the center electrode is further etched during the processing phase on both sides of the semiconductor chip to leave a beam-shaped center electrode pattern of a defined thickness, and further etched during the processing phase until a predetermined thickness is obtained. The side electrodes are hermetically sealed to the central electrode structure.
[発明の効果]
この発明による加速度計の構造は次のような効果を生じ
る。[Effects of the Invention] The structure of the accelerometer according to the present invention produces the following effects.
* キャパシチブな動作原理は振動質量のわずかな変位
で高い感度ΔC/Cを得る。* Capacitive operating principle obtains high sensitivity ΔC/C with small displacements of the vibrating mass.
* 対称構造によってこの加速度計は補償の必要のない
非常に低い温度感受性を有する。* Due to the symmetrical construction, this accelerometer has very low temperature sensitivity with no need for compensation.
* 振動質量が屈曲部材、例えばシリコンと同じ材料で
あるから補助振動質量は不要である。* Since the vibrating mass is made of the same material as the bending member, e.g. silicon, no auxiliary vibrating mass is required.
* 加速度計の制動係数は、キャパシタ電極」二に溝を
形成することによって、或いは製造工程中に加速度計構
造中に適当な圧力を残すことによって変化可能である。* The damping coefficient of the accelerometer can be varied by forming grooves in the capacitor electrodes or by leaving an appropriate pressure in the accelerometer structure during the manufacturing process.
* キャパシタンス変化は加速の上口値を中心にして対
称である。* The capacitance change is symmetrical around the upper acceleration value.
* この加速度計は多量生産で製造することができる。*This accelerometer can be manufactured in mass production.
* 側面電極と接触するまでに振動質量はわずか数ミク
ロンの変位を生じるに過ぎないから、加速度計は著しく
高い過負荷許容性を有する。* The accelerometer has a significantly high overload tolerance, since the vibrating mass undergoes only a few microns of displacement before contacting the side electrodes.
[実施例]
以下添附図面を参照にして実施例によりさらに詳細に説
明する。[Example] Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings.
この発明の加速度計は微小機械工作技術で知られている
通常の方法を使用して例えば単結晶シリコンから製作さ
れる。第1図は加速度計の基本的な構造を示している。The accelerometer of the invention is fabricated, for example, from single crystal silicon using conventional methods known in micromachining technology. FIG. 1 shows the basic structure of an accelerometer.
加速度計はハーメチックシールされ、そのため加速度計
のケースは適当な低い圧力でガスを封入されてもよい。The accelerometer is hermetically sealed, so the accelerometer case may be gas filled at a suitably low pressure.
封入ガスの圧力は加速度計の振動質量の所望の制動係数
を得るために変化されることかできる。使用される封入
ガスは例えば乾燥した空気でよい。適当に選択された制
動係数は加速度計の有効な周波数特性を生じる。The pressure of the fill gas can be varied to obtain the desired damping coefficient of the vibrating mass of the accelerometer. The fill gas used can be, for example, dry air. A properly selected damping coefficient produces an effective frequency response of the accelerometer.
しかしなから、第2図に示されるように開放された加速
度計によってより簡単な構造の加速度計か得られ、それ
においては加速度計の内部ガス圧力は周囲雰囲気の圧力
と等しい。内部ガス空間と周囲雰囲気との間の連通はチ
ャンネル8によって行われる。しかしながら、その場合
には振動質量の制動係数は非常に高く、低い周波数(数
サイクル程度)および静的加速の測定にしが使用できな
い。However, a simpler construction of the accelerometer is obtained with an open accelerometer as shown in FIG. 2, in which the internal gas pressure of the accelerometer is equal to the pressure of the surrounding atmosphere. Communication between the internal gas space and the surrounding atmosphere is provided by channels 8. However, the damping coefficient of the vibrating mass is then very high and cannot be used for measurements of low frequencies (of the order of a few cycles) and static accelerations.
第1図はハーメチックシールされた加速度計の構造を示
す。加速度計は、平らな、電気的に相互接続された側面
電極構造15と、それらの間に平行に配置された中央電
極構造16とを備えた層構造であり、中央電極構造16
の振動質量1はカンチレバービーム17のチップ部分に
よって与えられる。カンチレバービーム17は中央電極
構造16全体に延在しているU字形の溝を形成すること
によって中央電極構造16中に形成される。さらにキャ
パシタンスを与えるための間隙7を形成するためにビー
ム17の材料の一部か除去され、さらにビーム17のス
テム部分2の幅かこの部分て柔軟性か得られるように小
さくされる。一体の中央電極構造16はカンチレバービ
ーム17を備え、このビーム17は振動質量1および柔
軟なステム部分2、ならびにカンチレバービーム]7を
囲む加速度計本体素子3を具備している。振動質量1は
加速度計本体素子3よりも数マイクロメータ薄く作られ
ている。中央電極構造16は例えば同じ単結晶ンリコン
から作られている。加速度計のキャパシタンスは中央電
極構造16の共通可動電極1と側面電極構造15の固定
された側面電極4との間で形成される。側面電極4は、
振動質量1および結合区域6における高くなった区域を
残すように絶縁層5に対応する表面をエツチングするこ
とによって例えば単結晶シリコンから製造される。絶縁
層5は例えばガラスであってよい。ガラスで被覆された
区域5および本体素子3は例えばアノード結合を使用し
て相互にハーメチックシール状態で結合されることがで
きる。FIG. 1 shows the structure of a hermetically sealed accelerometer. The accelerometer is a layered structure with flat, electrically interconnected side electrode structures 15 and a central electrode structure 16 arranged parallel therebetween;
The vibrating mass 1 of is given by the tip portion of the cantilever beam 17. Cantilever beam 17 is formed in central electrode structure 16 by forming a U-shaped groove that extends across central electrode structure 16 . A portion of the material of the beam 17 is removed to form the gap 7 to provide further capacitance, and the width of the stem portion 2 of the beam 17 is reduced to provide flexibility in this portion. The integral central electrode structure 16 comprises a cantilever beam 17 comprising a vibrating mass 1 and a flexible stem portion 2, as well as an accelerometer body element 3 surrounding the cantilever beam]7. The vibrating mass 1 is made several micrometers thinner than the accelerometer main body element 3. The central electrode structure 16 is made, for example, from the same single-crystal silicone. The capacitance of the accelerometer is formed between the common movable electrode 1 of the central electrode structure 16 and the fixed side electrodes 4 of the side electrode structures 15. The side electrode 4 is
It is manufactured, for example, from monocrystalline silicon by etching the surface corresponding to the insulating layer 5 so as to leave a raised area in the vibrating mass 1 and the coupling area 6. The insulating layer 5 may be made of glass, for example. The glass-covered area 5 and the body element 3 can be hermetically sealed to each other, for example using an anodic bond.
中央電極構造16の構造は第1図に示した平面S〜 1
3−
(xy平面)に関して鏡対称である。振動質julは2
方向に運動可能である。The structure of the central electrode structure 16 is the plane S~1 shown in FIG.
3- Mirror symmetry with respect to (xy plane). Vibration quality jul is 2
It is possible to move in the direction.
第1図に示された加速度計の構造は第3a図乃至第3C
図に詳しく示されている。第3a図および第4a図は金
属化された部分6および6′ならびにシリコン区域4が
よく判るように反転した位置で示されている。The structure of the accelerometer shown in FIG. 1 is shown in FIGS. 3a to 3C.
This is shown in detail in the figure. 3a and 4a, the metallized parts 6 and 6' and the silicon area 4 are shown in an inverted position for better visibility.
第2図は開放構造の加速度計を示している。この構造は
次の点で密閉構造と異なっている。すなわち、
側面電極構造15が加速度計の電気機能のための金属化
された区域6および6′によって覆われた表面を有する
ガラスで全体を構成されている。FIG. 2 shows an open structure accelerometer. This structure differs from the closed structure in the following points. That is, the side electrode structure 15 consists entirely of glass with a surface covered by metallized areas 6 and 6' for the electrical functions of the accelerometer.
金属化された区域6は金属化された区域6と本体素子3
との短絡を阻止するためにチャンネル8中を通るように
配置されている。The metallized area 6 is connected to the metallized area 6 and the body element 3
It is arranged to pass through channel 8 in order to prevent short circuits with.
第2図による加速度計の構造は第4a図乃至第4c図に
詳しく示されている。示された両方の構造において、電
気接続のための金属化区域6は同じ平面に作られること
が好ましく、したがって第3図および第4図に示される
ように電気的貫通体10を使用することか必要である。The structure of the accelerometer according to FIG. 2 is shown in detail in FIGS. 4a to 4c. In both structures shown, the metallization areas 6 for the electrical connections are preferably made in the same plane, so it is possible to use electrical feedthroughs 10 as shown in FIGS. 3 and 4. is necessary.
この部分は本体素子3と同し材料で作られるが、本体素
子3がら電気的に絶縁されている。貫通体1oの構造は
第5図にさらに詳細に示されている。第4b図に示され
た隆起部9の目的は本体索子3から中央接触区域6へ電
気接続を形成することである。加速度計のレイアウトは
第5図に示されている。This part is made of the same material as the main body element 3, but is electrically insulated therefrom. The structure of the penetrating body 1o is shown in more detail in FIG. The purpose of the ridge 9 shown in FIG. 4b is to form an electrical connection from the body cord 3 to the central contact area 6. The layout of the accelerometer is shown in FIG.
加速度計の衝撃抵抗性は、強い衝撃下でステム部分2の
過度の屈曲を妨げるように第6図に示されるように突起
部11を残すようにステム部分2をエツチングすること
によって改善される。加速度31の寸法は所望の感度お
よびキャパシタンスに強く依存する。典型的な寸法は例
えは振動質量1が2×05×4mIn3てあり、カンチ
レバービーム17か2 Xo、07X4 m+n3ある
。加速度計の外形寸法は約4 X3 X12mm3(幅
×高い×長さ)である。The shock resistance of the accelerometer is improved by etching the stem portion 2 to leave protrusions 11 as shown in FIG. 6 to prevent excessive flexing of the stem portion 2 under strong impacts. The dimensions of acceleration 31 strongly depend on the desired sensitivity and capacitance. Typical dimensions are, for example, a vibrating mass 1 of 2 x 05 x 4 mIn3 and a cantilever beam 17 of 2 Xo, 07 x 4 m+n3. The external dimensions of the accelerometer are approximately 4 x 3 x 12 mm (width x height x length).
以下説明する製造フェイスは単結晶半導体、例えば両面
を研磨されたシリコンウェハであるベース材料の両側を
処理するのに適用することかできる。The manufacturing face described below can be applied to process both sides of a base material that is a single crystal semiconductor, for example a silicon wafer polished on both sides.
■、 シリコンウェハの両面か約250 nmの深さに
酸化される。ウェハの厚さは例えば500μmである。(2) Both sides of the silicon wafer are oxidized to a depth of about 250 nm. The thickness of the wafer is, for example, 500 μm.
2、ウェハはフォトレジストで被覆され、第7a図に示
されるように酸化物かエツチングで除去されるべき中央
電極区域か露出される。第7a図および第7b図は単一
のシリコンチップを示す。2. The wafer is coated with photoresist to expose the central electrode area to be etched away with oxide as shown in Figure 7a. Figures 7a and 7b show a single silicon chip.
3、次に第7b図に示した中央電極区域12が例えばK
OH水溶液中で約4μmの深さまでエツチングされる。3. Then the central electrode area 12 shown in FIG.
It is etched to a depth of about 4 μm in an OH aqueous solution.
4、 ウェハの酸化物層は緩衝剤を含むHFでエツチン
グして除去され、ウェハは約0.8μmの深さまで酸化
される。4. The oxide layer of the wafer is removed by etching with buffered HF, and the wafer is oxidized to a depth of approximately 0.8 μm.
5、ウェハはフォトレジストで被覆され、第8a図に示
されるような酸化物か除去されるべき縁部区域13と接
触区域13°のために中央電極区域12の縁部か露光さ
れる。フォトレジストは除去される。5. The wafer is coated with photoresist and the edges of the central electrode area 12 are exposed for the edge areas 13 and contact areas 13° to be removed with oxide as shown in FIG. 8a. The photoresist is removed.
6、縁部区域13と接触区域13°は約50μmの深さ
にエツチングされ、それにより中央電極パターン17”
か第8b図のように形成される。6. The edge area 13 and the contact area 13° are etched to a depth of approximately 50 μm, thereby forming a central electrode pattern 17''
or as shown in FIG. 8b.
7 ウェハは再びフォトレジストで被覆され、第9a図
に示されるような酸化物が除去されるべき区域14のた
めに中央電極パターン17°のステム部分か露光される
。7. The wafer is again coated with photoresist and the stem portion of the central electrode pattern 17° is exposed for areas 14 where the oxide is to be removed as shown in Figure 9a.
8 ウェハのエツチングか例えはKOHの水溶液中で所
望の深さ(典型的には40〜100μm)の区域14か
得られるまで続けられ、それによって第9b図に示され
るように区域13の侵入か生じる。8. The etching of the wafer is continued in an aqueous solution of KOH until the desired depth (typically 40-100 μm) of the area 14 is obtained, thereby infiltrating the area 13 as shown in FIG. 9b. arise.
この工程は第3b図の素子すなわち中央電極構造16を
生じる。This step results in the element or central electrode structure 16 of FIG. 3b.
第3a図および第3c図に示された側面電極構造15は
」二記の技術を使用して、第3a図および第3C図に示
された小さな(斜線の)区域4およびこの区域4と電気
的に接続されているもとの高さの区域6 (斜線の部分
)だけを残すように約150μmの深さまでシリコンウ
ェハの1表面をエツチングすることによって製造される
。次にウェハのエツチングされた表面は適当なガラス層
、例えばショット・テムバックス(Schott Te
mpax) 、コーニング(Corning) 707
0またはコーニング7740グレードの溶融ガラスによ
り被覆される。それはウェハのもとの表面と同じレベル
になるように研磨される。この方法は米国特許4,59
7,027号明細書に記載されている。ガラスで被覆さ
れたウェハはリフト・オフ法またはエツチング処理によ
って金属化部分6を形成される。これらの方法は通常の
ものであるから、その詳細は省略する。最後にこれら3
個のウェハ全では例えばいわゆるアノード結合を使用し
て適当な圧力で互いに結合される。使用される圧力のレ
ベルは加速度計の所望の制動係数に依存し、典型的には
数bPaである。適用される方法の詳細な説明(ならび
にその他の方法)は文献に記載されている(lvor
BrodieおよびJulius J、Muray、
Physics of Microfabrjcati
on。The side electrode structure 15 shown in FIGS. 3a and 3c is electrically connected to the small (shaded) area 4 shown in FIGS. 3a and 3c using the technique described above. It is fabricated by etching one surface of a silicon wafer to a depth of about 150 μm, leaving only areas 6 (shaded) of the original height that are interconnected. The etched surface of the wafer is then coated with a suitable glass layer, such as Schott Te
mpax), Corning 707
0 or Corning 7740 grade fused glass. It is polished to the same level as the original surface of the wafer. This method is described in U.S. Patent No. 4,59
No. 7,027. The glass-coated wafer is formed with metallization 6 by a lift-off method or an etching process. Since these methods are conventional, their details will be omitted. Finally these 3
All the wafers are bonded to one another with appropriate pressure, for example using so-called anodic bonding. The level of pressure used depends on the desired damping coefficient of the accelerometer and is typically a few bPa. A detailed description of the applied method (as well as other methods) can be found in the literature (lvor
Brodie and Julius J, Muray,
Physics of Microfabrjcati
on.
Plenum Press社、ニューヨーク、 19
83年)。Plenum Press, New York, 19
1983).
第4a図乃至第4c図に示された中央電極構造16は上
記のものと同一の方法を使用して製造される。相違点は
区域の大きさにあり、チャンネル8および接触区域9の
部分で4μmエツチングフェイス中広くされる。The central electrode structure 16 shown in Figures 4a-4c is manufactured using the same method as described above. The difference lies in the size of the areas, which are widened in the 4 μm etched face in the areas of channels 8 and contact areas 9.
第4a図乃至第4c図に示された側面電極構造15はン
ヨット・テムパンクス、コーニング7070またはコー
ニング7740グレードのガラスで製作される。区域6
および6°は前述の方法で金属化される。The side electrode structure 15 shown in FIGS. 4a-4c is fabricated from Nyoto Tempax, Corning 7070 or Corning 7740 grade glass. Area 6
and 6° are metallized in the manner described above.
加速度計構造は通常の周囲雰囲気中でアノード結合を使
用して行われる。Accelerometer construction is performed using anodic coupling in normal ambient atmosphere.
両方の加速度計構造において、ウェハは予めカットされ
た溝によって折ることにより切断することができる。In both accelerometer configurations, the wafer can be cut by folding with pre-cut grooves.
第1図は、この発明の1実施例の加速度計構造の縦断面
図である。
第2図は、この発明の別の実施例の加速度計構造の縦断
面図である。
第3a図乃至第3c図は、第1図に示した加速度計構造
の異なった部分の斜視図である。
第4a図乃至第4c図は、第2図に示した加速度計構造
の異なった部分の斜視図である。
第5図は、第2図に示した加速度計構造の部分的に断面
で示した斜視図である。
第6図は、この発明の加速度計構造の第3の実施例の断
面図である。
第7a図は、この発明の加速度計構造の第1のマスクフ
ェイズにおける上面図である。
M7b図は、第7a図に示したマスクフェイズにより得
られる最終結果の上面図である。
第8a図は、この発明の加速度計構造の第2のマスクフ
ェイスにおける上面図を示す。
第8b図は、第8a図に示したマスクフェイズにより得
られる最終結果の上面図を示す。
第9a図は、この発明の加速度計構造の第3のマスクフ
ェイズにおける上面図を示す。
第9b図は、第9a図に示したマスクフェイズにより得
られる最終結果の上面図を示す。
1・・・振動質量、2・・・ステム部分、3・・・本体
素子、4・・固定電極、5・・・ガラス被覆区域、6・
・・結合区域、15・・・側面電極構造、16・中央電
極構造、17・・・カンチレバービーム。
al’flFIG. 1 is a longitudinal sectional view of an accelerometer structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of an accelerometer structure according to another embodiment of the invention. 3a-3c are perspective views of different parts of the accelerometer structure shown in FIG. 1; FIG. Figures 4a-4c are perspective views of different parts of the accelerometer structure shown in Figure 2; 5 is a perspective view, partially in section, of the accelerometer structure shown in FIG. 2; FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of a third embodiment of the accelerometer structure of the present invention. FIG. 7a is a top view of the accelerometer structure of the present invention during the first mask phase. Figure M7b is a top view of the final result obtained by the mask phase shown in Figure 7a. Figure 8a shows a top view at the second mask face of the accelerometer structure of the present invention. Figure 8b shows a top view of the final result obtained by the mask phase shown in Figure 8a. Figure 9a shows a top view of the accelerometer structure of the present invention during the third mask phase. Figure 9b shows a top view of the final result obtained by the mask phase shown in Figure 9a. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Oscillating mass, 2... Stem part, 3... Main body element, 4... Fixed electrode, 5... Glass covered area, 6...
...Coupling area, 15. Side electrode structure, 16. Central electrode structure, 17. Cantilever beam. al'fl
Claims (5)
て対面して平行に整列して配置されたほぼ板状の平らな
2個の側面電極構造と、 これら側面電極構造間に配置された均一なほぼ板状の中
央電極構造であつて、側面電極構造に連結された本体素
子と、側面電極に近接して配置されステム部分とチップ
部分とを具備する1以上の中央電極とを有する中央電極
構造とを具備し、中央電極のステム部分が中央電極を本
体素子に結合しており、本体素子は中央電極の側面を包
囲しており、ステム部分はチップ部分よりも本質的に薄
くされている、シリコン材料で構成されたキャパシチブ
加速度計において、 中央電極構造は側面電極構造の中心平面に対して対称で
あり、 中央電極はビーム形状を有しU字形の本体素子を通って
延在する溝によつて囲まれており、中央電極のチップ部
分はチップ部分の厚さにより決定された間隔を有する電
極間隙が側面電極と中央電極との間に形成されるように
本体素子の厚さに接近した厚さを有し、 側面電極構造は中央電極構造の本体素子上にハーメチッ
クシールで電気絶縁層を介して取付けられて中央電極が
ハーメチックに密閉された空間に保持され、電極構造は
外部電気接続がないときには正常状態で互いに電気的に
分離されていることを特徴とするキャパシチブ加速度計
。(1) Two substantially plate-shaped flat side electrode structures arranged in parallel and facing each other with a distance from each other forming a fixed side electrode, and a side electrode structure arranged between these side electrode structures. a uniform, generally plate-shaped central electrode structure having a body element coupled to a side electrode structure and one or more central electrodes disposed proximate the side electrodes and having a stem portion and a tip portion; an electrode structure, a stem portion of the central electrode couples the central electrode to a body element, the body element surrounds sides of the central electrode, and the stem portion is substantially thinner than the tip portion. In a capacitive accelerometer constructed of silicon material, the central electrode structure is symmetrical with respect to the central plane of the side electrode structures, and the central electrode has a beam shape and a groove extending through the U-shaped body element. and the tip portion of the central electrode approaches the thickness of the body element such that an electrode gap is formed between the side electrodes and the center electrode with a spacing determined by the thickness of the tip portion. The side electrode structure is mounted on the main body element of the center electrode structure via an electrically insulating layer with a hermetic seal, holding the center electrode in a hermetically sealed space, and the electrode structure is connected to external electrical connections. Capacitive accelerometers characterized in that they are electrically isolated from each other in normal conditions when not in use.
範囲第1項記載の加速度計。(2) The accelerometer according to claim 1, wherein the central electrode structure has a rectangular shape.
絶縁された柱状の導電性接続構造を形成するように処理
され、それによつて側面電極の接続区域が同じ平面に配
置されている特許請求の範囲第1項または第2項記載の
加速度計。(3) A patent in which the central electrode structure is treated to form a columnar conductive connection structure electrically insulated from the rest of the central electrode structure, whereby the connection areas of the side electrodes are arranged in the same plane. The accelerometer according to claim 1 or 2.
造が形成され、中央電極を具備する中央電極構造がこれ
ら側面電極構造間に配置されるキャパシチブ加速度計の
製造方法において、 中央電極構造は処理フェイズ I 中にチップ中央部分の
両側に中央電極区域をエッチングすることによつて均一
な単結晶半導体チップから形成され、中央電極の縁部区
域がさらに処理フェイズ I において定められた厚さの
ビーム状中央電極パターンを残すように半導体チップの
両側で処理フェイズII中にさらにエッチングされ、 中央電極のステム部分が所定の厚さが得られるまで処理
フェイズIII中にさらにエッチングされ、側面電極構造
が中央電極構造にハーメチックシール状態で取付けられ
ることを特徴とするキャパシチブ加速度計の製造方法。(4) A method for manufacturing a capacitive accelerometer, in which two side electrode structures forming a fixed side electrode are formed, and a center electrode structure comprising a center electrode is disposed between these side electrode structures, the center electrode structure comprising: is formed from a uniform single crystal semiconductor chip by etching a central electrode area on both sides of the central part of the chip during processing phase I, and the edge areas of the central electrode are further etched with a defined thickness in processing phase I. It is further etched during Processing Phase II on both sides of the semiconductor chip to leave a beam-like center electrode pattern, the stem portion of the center electrode is further etched during Processing Phase III until the desired thickness is obtained, and the side electrode structure is A method for manufacturing a capacitive accelerometer, characterized in that it is attached to a central electrode structure in a hermetically sealed state.
、センサの所定の周波数特性を得るために側面電極構造
によつてハーメチックシールされた空間中に適当なガス
圧力が与えられることを特徴とする特許請求の範囲第4
項記載の製造方法。(5) At the same time as the side electrode structure is attached to the central electrode structure, an appropriate gas pressure is applied to the space hermetically sealed by the side electrode structure in order to obtain a predetermined frequency characteristic of the sensor. Claim No. 4
Manufacturing method described in section.
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