JPH02162263A - 加速度計及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、加速度計、特に半導体製造技術により製造す
ることを可能にするように作られた、コンパクトな、モ
ノリシックに集積された加速度計に関するものである。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）種々の
型式の加速度計は先行技術において公知である。しかし
ながら、慣性反型の高性能加速度計は、多数の個々の部
分を備えて大形であり、製造費用も多額である。

先行技術の加速度計は、検査塊、弯曲ヒンジおよび力感
知変換器を含んでいる。振動ビーム加速度として知られ
ている、１つの型の加速度計は、典型的に、検査塊、金
属性の弯曲ヒンジ、および水晶または他の圧電材料製の
音響同調器を使用している。上記と同じような材料を使
用する、そのような加速度計構造に対して、高性能加速
度計は、１０７分の１の精度で作ることができる。その
ような加速度計は、典型的に、寸法は数Ｉｎ３であり、
重さはほぼ１ボンドである。付加的な動力供給源と、こ
れに対して必要とされるデータ処理電子器具を収容する
ために、幾分大きい容器が必要である。

金属および水晶に対する通常の製造技術は、般に使用さ
れている装置より小さいか、または価格の低い機械的集
合体を作る能力において制限される。このようにして、
先行技術の加速度計は、機械的または電気的設計よりも
、そこに使用される材料、および製造の方法により拘束
される。このようにして、その寸法および価格を低くす
るために、加速度計の製造に対する新しい技術を提供す
ることが望ましい。

特に、加速度計の寸法を小さくして、そこに使用される
熱および電気伝導路の長さを減らすことが望ましい。長
い伝導路は、大きい熱勾配を生じることは公知である。

これらの効果は、加速度計の精度、安定度および性能を
低下させる。さらに、広く使用される加速度計の寸法が
大きいことは、漂遊キャパシタンスおよび電磁放射に対
する感度を増加させる。従って、現在使用できる加速度
計は、安定度および精度における制限を特に含んで、そ
の寸法の大きいことにより生じる不利の悪影響を受けて
いる。現在使用されている加速度計の寸法の大きいこと
により生じるその他の欠点は、寸法を大きくしたことに
よる検査塊の低い同調周波数であり、これは加速度計の
応動時間を増している。

従って、先行技術の慣性加速度計は、 １／１０７の近くの動的範囲および感度を持っていても
、加速度計の特性およびその信頼度は、その寸法を小さ
くした大きさのオーダにより改善されるであろう。しか
しながら、先行技術は、特性の所望されるように増加さ
せるのに必要な著しい寸法の減少を与えることができな
かった。

従って、本発明の目的は、先行技術の困難を克服し、著
しく寸法を減少した加速度計の構造を提供することであ
る。

本発明のさらに特別な目的は、シリコン微小機械仕上げ
技術の使用により、加速度計の寸法および重量を減少さ
せることである。

本発明のさらに特別な目的は、単一結晶、単体、集積加
速度計構造を作る集積技術の使用である。

本発明のさらに別の目的は、単一パッケージ中に集積さ
れた機械的および電子的成分を含む、集積加速度計を提
供することである。

本発明のさらにまた別の目的は、機械的成分および電子
的成分が、モノリシックな単一結晶に集積された、集積
構造を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、単一結晶、集積加速度計を
作る方法を提供することである。

本発明の他の目的は、機械的および電子的成分が単一結
晶構造に集積されているモノリシックな加速度計を作る
方法を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、検査塊と、その弯曲ヒンジ
と、同調応力／歪み感知器とを形成するように、基体を
エツチングすることにより、集積された加速度計を作る
方法を提供し、単一結晶構造に集積された電子成分を提
供することである。

（課題を解決するための手段及び作用）これら、および
その他の本発明の目的により、モノリシックな単一結晶
構造を持つ基体を含む、集積加速度計が提供される。モ
ノリシック構造は、その中に、加速度計の機械的部分、
および電気的部分を含んでいる。機械的部分は、予め定
められた加速度をこれに加えたことに応動して予め定め
られた振動するために設けられ、電気的部分は、機械的
部分の振動を、加えられた加速度の大きさの電気信号表
示に変換するように動作する。

都合よいことに、集積加速度計の機械的部分は、検査塊
、基体の主体部分から検査塊を蝶つがい状に分離するた
めの可撓ヒンジ、および同調器を含んでいる。同調器は
、検査塊の機械的加速度を、振動信号に変換するように
動作する。検査塊、可撓ヒンジおよび同調器は、すべて
基体の中にモノリシックとなって集積されている。付加
的に、電気的部分は、振動信号を制御するための閉鎖さ
れたループ帰還装置を含んでいる。電気的部分は、さら
に、振動信号の振動の周波数を表わすデジタル電気出力
信号を与えるため、振動信号に応動するアナログ・デジ
タル変換器を含んでいる。

同調器も、可撓ヒンジから分離して配置され、検査塊、
および基体の主体部分を接続している。

可撓ヒンジは、検査塊および基体の主体部分を分離する
、水平分離領域の直立中央部分に形成されてもよい。こ
れに反して、同調器は、基本の表面に形成され、キャビ
ティ部分により可撓ヒンジから分離されてもよい。

本発明のさらに詳細な様相によれば、モノリシックな単
一結晶基体を含む、シリコンマイクロマシーニング加速
度計が提供される。構造は、基体中にモノリシックに集
積された検査塊集合体を含んでいる。主体部分と可撓ヒ
ンジ装置とは、主体に検査塊集合体を蝶つがい式に接続
するために、基体中にモノリシックに集積されている。

同調装置も基体中にモノリシックに集積されている。同
調装置は、検査塊集合体の機械的加速度を振動信号に変
換するように検査塊集合体に応動する。加速度計は、さ
らに、振動信号に応動して、これを表わす電気出力信号
を与えるための電気回路を含んでいる。

電気回路の部分は、基体中にモノリシックに集積されて
もよい。都合よいことには、電気回路は、アナログ・デ
ジタル変換器を含み、この変換器も基体中にモノリシッ
クに集積されている。変換器は、検査塊集合体に加えら
れた力を表わす値を持つ振動信号をデジタル・データに
変換するように動作する。

加速度計は、プッシュ・プル構造として配置されてもよ
く、このときは、検査塊集合体は、第１および第２の検
査塊を含んでいる。この実施形態においては、可撓ヒン
ジ装置は、第１および第２の検査塊をそれぞれ主体部分
に可撓的に接続するための第１および第２の可撓ヒンジ
を含んでいる。

さらに、同調装置は、検査塊と主体部分との間に、第１
および第２の同調器を含んでいる。逆並列配置により、
第１の検査塊と第１の同調器とは、第１の入力軸線を持
つ配置に整列させられ、第２の検査塊と第２の同調器と
は、第２の入力軸線を持つ配置に整列させられる。その
ような配置により、ｍｌおよび第２の軸線は、互いに平
行で、反対の方向となっている。同調器の一方は、これ
に接続された検査塊の加速度がその中の引張応力による
力によって生じるように配置されている。同調器の他方
は、これに接続された対応する検査塊に加えられた同じ
加速度が、その中の圧縮応力により生じるように配置さ
れている。このようにして、加速度計に加えられた加速
度に応じて、第１の同調器の振動の周波数は増加させら
れ、第２の同調器の振動の周波数は減少させられる。周
波数差７１Ｐ１定回路は、第１および第２の同調器の振
動の周波数の間の差周波数を測定するように加速度計内
に含まれていて、これにより、差周波数の関数として出
力表示を与える。

同調装置は、検査塊集合体の加速により、部分的に定め
られた周波数において振動するため静電応動構造を含ん
でいる。静電応動構造は、静電的力により駆動される同
調器を含んでもよい。電気帰還利得回路は、検査塊集合
体の加速度に機械的に応動して起される同調器内の応力
または歪みに応動する周波数において同調器を振動させ
るために設けられてもよい。

電気帰還利得回路は、基体に接合された電子板に単体と
して集積されてもよい。

その代わりとして、プッシュ・プル加速度計は、第１お
よび第２の圧電ミニアチュア同調器と、第１および第２
の検査塊の加速度に応動して、第１および第２の同調器
を振動させるための第１および第２の帰還回路とを含ん
でいてもよい。

この実施形態においては、圧電同調器は、圧電材料が表
面に析出させられるか、被覆された、微小機械仕上げシ
リコン同調器を含んでいてもよい。

本発明によれば、加速度計を作る方法に提供されるが、
それは、２重に研磨されたウェーハの第１の表面の領域
における同調器の表面の輪郭を作る段階を含み、前記第
１の表面は頂面であってもよい。この方法は、さらに、
輪郭を作られた領域に不純物をドープして同調器を形成
し、ウェーハの頂および底面の領域における検査塊の頂
および底境界の輪郭を作り、ウェーハの表面にエツチン
グ材を加えて、検査塊集合体と、加速度旧の主体に検査
塊集合体を接続するための弯曲ヒンジとを形成すること
を含んでいる。

本発明の方法によれば、第１の輪郭を作る段階は、２重
に研磨されたウェーハに保護被覆のパターンを析出する
段階を含む。そのようなパターンが析出されると、ドー
ピング段階に続いて、析出されたパターンを取除く段階
がある。第２に述べられた輪郭を作る段階は、ウェーハ
の頂および底面に保護被覆の第２および第３のパターン
を析出する別の段階を含み、このようにして、検査塊集
合体の頂および底境界を定める。段階のそのような順序
において、単一エツチング処理で同１週器と集合体とを
化学的に定めるために、第１、第２および第３のパター
ンを整列させる別の段階が設けられてもよい。

本発明により作られる加速度計に関して上記に述べられ
ているように、本発明の方法は、加速度計の主体部分に
ドーピング段階で形成された同調器用電子帰還回路を集
積する段階を含んでもよい。

そのような集積段階は、加速度計の主体部分の中に、検
査塊集合体に加えられる力を表わすデジタル・データ値
へ同調器の振動信号を変換するためのデジタル・アナロ
グ変換回路を集積させる別の段階を含んでもよい。

その代わりとして、本発明の方法は、電子＋＋ｊ＋還回
路金回路板に集積する段階を含む。帰還利得回路は、電
子帰還装置と一体にされてもよい。帰還利得回路は、検
査塊集合体の加速度に機械的に応動して起される同調器
の位置により定められるキャパシタンスに応じる周波数
において同調器を振動させるように動作する。本発明の
方法は、さらに、電子板を加速度計の主体部分に接合す
る段階を含んでもよい。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の説明によ
り、当業者には容易に明らかなものとなるであろう。そ
こには、本発明を実施するための最良のモード（および
代わりの実施形態）を例示し、制限を加えずに簡単に、
本発明の都合のよい実施形態が示され、かつ記載されて
いる。本発明は請求の範囲に述べられている。図面を参
照することにより明細書を検査して実現されるように、
本発明は、他の異なった実施形態も可能であり、その幾
つかの詳細は、種々の明らかな様相における変形が可能
であるが、それらはすべて特許請求の範囲に述べられた
本発明から逸脱してはいない。

従って図面および記載は、本発明を性質において例示す
るもので、本発明を制限するものではないと考えるべき
である。

（実施例） 以下、本発明を図面により実施例について説明する。

本発明によれば、単一チップ集積加速度計か与えられる
。第１図に示されるように、加速度計は、例えば特殊な
パッケージ装置１０を含んでもよい。

図示された装置は、集積チップ１４用の支持構造部１２
を含んでいる。支持構造部は、その中に集積された電子
成分を含んでもよい。

複数のピン１６が、パッケージから突出して、チップ１
４の種々の電子成分、およびパッケージ装置に他のやり
方で関連する、例えば支持構造部１２内にあるような成
分への外部接触部を作る。

第２図においては、第１図に示された集積加速度計チッ
プ１４のさらに詳細な透視図が示されている。第２．３
および残りの図面は２重ビーム加速度計を示しているが
、他の加速度計構造も同様に、本発明により集積させら
れる。このようにして、第２図の構造部の動作の記載は
、振動ビーム加速度計、または２重ビーム加速度計に関
したものであるが、これは図示の目的のもので、本発明
の範囲を限定するものではない。

第２図に示されている構造部においては、１８に表示さ
れたチップの主体が設けられている。

この部分は、当業者には公知のように、基体を含んでい
る。２重ビーム加速度計構造部による１対の検査塊を含
む検査塊集合体は、検査塊２０および２２により示され
ている。

各検査塊は、対応する弯曲ヒンジにより主体部分に接続
されている。さらに各検査塊は、検査塊と主体部分との
間の力感知同調器に関連させられている。このようにし
て、２４には検査塊２２用の弯曲ヒンジが示されている
が、２６には検査塊２０用の弯曲ヒンジが示されている
。チップ１４の一方の側には、検査塊２０用の第１の同
調器２８に設けられており、他方の側には検査塊２２用
の第２の同調器３０が設けられている。

第３図について見ると、第２図の構造配置が断面図とし
て詳しく示されている。そこに示されているように、２
つの検査塊２０および２２は、対応する弯曲ヒンジ２６
および２４により主体部分１８に接続されている。同調
器２８および３０は、同様に、対応する検査塊２０およ
び２２と、主体部分１８との間に接続されている。

第３図には、１対の電子回路３６および３８か示されて
いて、その中には対応するアナログ・デジタルコンバー
タの対を含んでいる。これらのコンバータは、公知のど
んな回路形態でもよいが、同調器２８および３０の振動
の周波数を表わす対応するピン１６に出力デジタル信号
を与える。さらに、３６および３８に示される電子回路
は、同調器２８および３０の対応するループを閉じる。

従って、第３図の装置内には、加速度計の形態が示され
ているが、基体、または主体部分、検査塊、弯曲ヒンジ
、および同調器は、すべて単一単体シリコン構造部であ
る。さらに、構造部は、電子アナログ・デジタル回路を
含んでいる。そのような装置は、公知の半導体製造技術
を使用して作られるが、それは、マイクロ石版印刷、エ
ビタフシイ、熱的拡散、化学的エツチング、およびＩＣ
パッケージ法を含んでいる。

第３図に示された実施形態においては、３６および３８
に示された付加的電子回路が、分離した電子板４０およ
び４２内に形成されている。回路３６および３８は、こ
のようにして、仮４０および４２に形成された単体構造
部内で集積される。

これらの板は、基体１８の反対の側に接着される。従っ
て、主体部分と、内部に電子成分を一緒に集積された機
械成分を含む加速度計パッケージが作られる。電子回路
３６および３８は例示のために電子板４０および４２内
に形成されているが、そのような電子回路は、主体部分
１８を含む同じ単体シリコン構造部に同様に集積されて
もよく、これにより完全自己収容集積加速度計を作るよ
うになる。

適当な場所において、第３図のパッケージ構造部は、例
えば密封真空シール４４を含んでいる。

シール４４は、検査塊および同調器の周りに、予め定め
られた真空またはガス環境を維持する。

第３図の構造部は、加速度計輪郭を使用しているが、こ
れは、大きい寸法の形で、全社の信頼できる装置を与え
ている。そのような全社の装置は、圧電水晶技術を使用
しており、この場合には２つの検査塊と、２つの同調器
とがそれらの入力軸線に平行ではあるが反対の方向に整
列させられていて、検査塊は軸線に沿う運動に対して互
いに逆に応動する。

この型の装置、プッシュ・プル形状と称されるものは、
加速度に著しく比例した出力信号を生じる。このように
して、第２および３図の形状は、加速度計の感度を増加
し、長期間の熱的ドリフトを減らす。

この型の全社加速度計は４０ｋＨｚの同調器周波数にお
いて動作し、］０７の動的範囲を示すが、解析の結果、
シリコン同調器の寸法が小さいことにより可能とされる
、第３図の構造部の動作の高周波数は、大きさのオーダ
で、はぼ１０８まて動的範囲を増加することを示してい
る。前記の記載の目的で、動的範囲は、ｎ１定された最
大可速度を、最小の分解可能な加速度で除算したもので
ある。

有利なことには、本発明により集積された装置の生産費
は、その電子成分を含めてほぼ＄５００に低下される。

しかしながら、微小電子技術における経験によれば、多
量生産をすれば、こぎに与えられたよりもさらに複雑な
集積回路成分が、日常＄５０以下で作られることが判っ
ている。さらに、本発明の装置のコンパクトな構造部は
、±１００ｇの範囲の加速度ΔＰ１定で、５００ｇの耐
性（１ｇ　＝　９８０ｃＩＩＩ／５ｅｅ２）に対して、
重さはり２ｇの集積が速度計となる。本発明の装置は、
１ｄ以下の容積を占める。そのような軽重量装置は、軽
重量弾丸から精密案内システムの範囲に亘る、種々の応
用に使用できるので有利である。

第２および３図に示された加速度計の動作を理解するた
めに、第４図のスケッチ図を参照する。

そこに示されているように、加速力Ｇが矢印４６により
示された方向から加えられると、検査塊２０および２２
は、角度Ａ　およびＡ２だけ回転させられる。検査塊は
、基体１８の周りを、構造部内に設けられた弯曲ヒンジ
により回転する。第２−４図に示された実施形態の装置
において、同調器２８および３０が基体１８の両側に設
けられている。与えられた方向における加速度は、同調
器２８においては引張応力、同調器３０においては圧縮
応力となる。

静電または圧電同調器が使用されても、２つの同調器に
誘起される応力の相反する（圧縮および引張）性質は、
その振動の周波数において反対の変化を起こす。このよ
うにして、図示の目的で、同調器２８の周波数は増加さ
せられ、同調器３０の周波数は低減させられる。

従って、若し、同調器２８および３０の固有の、応力を
受けていない周波数が、予め定められた定数だけ異なっ
ているか、等しければ、加速度Ｇの印加に対する加速度
計の応動は、一方の同調器の周波数の増加、および他方
の同調器の周波数の低減である。

このようにして、２つの周波数の間の差は、印加された
加速力に依存する周波数だけ、応力を受けていない同調
器の周波数の差を示す値とは異なった周波数を持つ単一
の測定信号を生じる。その結果、印加された力の大きさ
と方向とが、差信号の周波数の簡単な測定により測定さ
れる。

そのようなプッシュ・プル装置は、日常に通常の振動ビ
ーム加速度計において使用され、単一検査塊および単一
同調器構造部に比して、加速度計の増加された感度、お
よび低減されたドリフトを与える。

第３図の実験形態に対して選択された装置は、同調器の
音響的運動が、静電的に感知され、励起されることを示
している。実施形態に対する駆動および感知機能を与え
るのに必要な発振器電子装置を単一集合体に集積するこ
とにより、そのような静電感知および駆動機能は、加速
度計の中に一体とされる。その結果、器具の寸法が低減
させられるばかりでなく、漂遊キャパシタンス、電磁放
射、および熱勾配も低減されるが、これらはすべて測定
誤差の原因である。

第５　（ａ）　−５（ｄ）図について見ると、本発明の
構造部を作るために使用される方法の１つが示されてい
る。

特に、第５（ａ）図に示されている第１段階においては
、２重研磨（１０″）シリコンウェーハ４８が、５０に
おいて示される二酸化シリコン、または窒化シリコンの
保護被覆を付けてパターン化されている。被Ｗｉ５０に
移されたパターンは、ねじり同調器の頂面の輪郭を作っ
ている。同調器像の下の領域は、集積回路製造技術にお
いて公知の拡散炉において行われる、拡散段階（図示さ
れない）において高レベルのほう素をドープされる。

拡散処理完了と共に、保護被覆５０は、化学的に除去さ
れ、第５（ｂ）図に示されるポスト拡散基体輪郭となる
。この中には、はう素をドープされたシリコン基体の上
面の部分が５２に示されている。

その後に、第２の保護被覆がウェーハ上に析出され、こ
れに第２のパターンが移される。

第５（Ｃ）図に示されるように、第２の被覆５４は、基
体の頂および底面の両方に析出される。

各検査塊の頂および底境界は、パターン５６および５８
により、それぞれ定められる。

その後、ウェーハは、優先的に、Ｋ　ＯＨ溶液中でエツ
チングされ、保護被覆は化学的に除去される。ポスト・
エッチ集合体は第５（Ｃ）図に示されている。そこに示
されているように、検査塊６０は、弯曲ヒンジ６２およ
び同調器６４により、チップの主体部分１８に接続され
ている。さらに検査塊６０は、６６において、ウェーハ
上に形成された隣接する構造部から分離される。

基体ドーピングおよび結晶配置に関して、ＫＯＨ内のシ
リコンのエツチング度が著しく異方性であるために、第
５（ａ）および（Ｃ）図に移された石版パターンの正し
い設計および整列は、単一エツチング処理において、単
体検査塊／同調器構造部の化学的区画を可能にする。

適当な設計および整列技術は、微小電子回路製造技術の
当業者には、上記記載により明らかであろう。さらに、
上記の段階は、微小電子回路の製造において日常使用さ
れているので電子成分を基体中に集積させるために必要
な付加的な処理段階は、第５　（ａ）　−５（ｄ）図に
示された操作の順序に容易に付加されるであろう。

上述の振動ビームの典型的先行技術、全呼の加速度計は
、はＶ４０ｋＨｚの同調器において動作し、１０７の動
的範囲を示す。上述のような集積回路技術を使用するこ
とにより達せられる小さい寸法の点から見て、シリコン
集積同調器の動作の周波数は、数ＧＨｚとしてもよい。

第６図を見ると、上記に従って検査塊と、加速度計の主
体との間にエツチングされた静電ねじり同調器が示され
ている。

特に、第６（ａ）および６（ｂ）図は、それぞれ、第２
−３図で３８または３０において使用されている典型的
なシリコン同調器のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｌｎｇ　Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ　Ｍｌｅｒｏｓｃｏｐｃ）の顕微鏡写真の再
生および、その拡大である。符号７ｏにより示されてい
る同調器は、検査塊２０と、基体の取りまいている主体
部分１８との間に位置させられている。同調器７０は、
長さ５００μで、厚さ約１５μである。電子顕微鏡で見
るのが最良であるという事実は、その小さい寸法、およ
びシリコン技術により可能である小型化の度について証
明である。この同調器は、前記説明に匹敵する幾つかの
代わりの設計の１つを示している。そのような同調器は
、同調周波数およびＱに対して試験されており、前に概
略を示した値を生じている。

第７（ａ）および７（ｂ）図においては、そのような変
換器に対する静電駆動装置が概略的に示されているが、
第８−９図は、前述の微小機械仕上処理に似た処理を使
用して作られた他の構造を示している。

第６（ａ）および６（ｂ）に示された同調器構造部７０
は、第７（ａ）および７（ｂ）図に示された装置におい
て動作させられる。特に、第７（ａ）図は、同調器の平
面図を示しており、これは検査塊２０と、増幅器として
記号で示された利得制御回路の帰還ループにある同調器
を接続するコネクタ７１と一緒にした基体１８との間に
ある。

第７（ｂ）図の左側における下方への、また第７（ｂ）
図の右側における上方への同調器７ｏの運動は、利得制
御回路７２の帰還ループにおけるキャパシタンスの変化
を起こす。そのようなキャパシタンス変化は、ループに
振動電圧を生じさせるが、ループは閉鎖されたループの
どの点においてタップを付けられていてもよい。この型
の同調器は、１２．５ｋＨｚ−２００ｋＨｚの範囲の周
波数において、１０，０００−２０，０００の範囲のＱ
を持つものとして開発され、動作させられた。

単一結晶シリコンの内部減衰に関連するデータは、Ｑが
５００，０００になることが可能であることを示してい
る。

小さい固体同調器を使用することをこのように可能にす
る高い動作周波数は、動的範囲を１０７から１０８のオ
ーダの大きさに増加することができる。本発明により同
調器として使用し得る多数の機械的構造部が第８図に示
されている。ニーに示されているように、ねじり、およ
び片持ばり構造部は、本発明の範囲内で意図される。片
持ばり同調器は第８（ａ）および第８（ｄ）図に示され
ているが、ねじり同調器は、第８（ｂ）および８（ｃ）
図に示されている。

第８（ａ）および８（ｄ）図の片持ばり同調器は、振動
の並進モードを示している。これに反して、第８（ｂ）
および８（ｃ）図に示されたねじり同調器は、振動の回
転モードを示している。

しかしながら、すべての場合において、振動の周波数は
、同調器に加えられる応力または歪みにより変調される
。

同調器を使用する加速度計構造部の他の実施形態のシリ
コン微小構造部は、第９（ａ）および９（ｂ）図に示さ
れている。第９（ａ）図は、４つのシリコン加速度計集
合体の写真を示すが、それらは第５図に示された技術に
より作られる。これらの集合体は、種々の検査塊、弯曲
ヒンジおよび同調器を含んでおり、約１０−で、厚さは
０．０２５ｃｍである。第９（ｂ）図はこれらの集合体
の１つの顕微鏡写真で、結晶シリコン構造部の拡大され
た図を示している。弯曲ヒンジ７４は、基体７６上に検
査塊７５を支持するために使用される。検査塊運動を測
定するための同調器７７も示されている。これらの集合
体はすべて既存の混成電子パラ−ケージ内に取付ること
ができる。

そのような構造部は、集積加速度計用間、’ｌ！ｌ器を
製造するための上述の微小電子製造技術を使用する実用
性を示している。第１０（ａ）、１０（ｂ）、および１
０（ｃ）図を見ると、それぞれ、本発明による集積加速
度計の平面図、立面図および側面図が示されている。考
察を簡単にするために、図示された設計は、第６（ａ）
図の装置に類似した単一検査塊／同調器集合体である。

第１０（ｂ）図を第５（ｄ）図に示されたポスト・エツ
チング集合体に類似させるために、第５（ｄ）図と同じ
符号が第１０（ｂ）を説明するために使用されている。

特に、第１０　（ａ）　、　　１０　（ｂ）および１０
（Ｃ）図に見られるように、検査塊６０は弯曲ヒンジ６
２に取付けられていて、弯曲ヒンジおよび同調器６４に
より、シリコンウェー／％基体１８に接続されている。

検査塊６０を設計するための設計考慮は、第１０（ｂ）
図で矢印により示された、平面性加速度Ａに応動する平
面外偏位を作る要求である。偏位は検査塊ヒンジ集合体
のレバーにより拡大され、ねじり同調器６４内に、加速
度に比例する機械的歪みを生じる。歪みは、同調器の固
有周波数に小さい変化を与える。同調器周波数は静電感
知器に監視されるが、この感知器は、第７（ｂ）図に示
されるように、帰還回路内の柱に接続されてもよい。こ
のようにして、検査塊／同調器集合体は、加速度を印加
したことにより変調された周波数を持つ振動信号を作る
。

ねじり同調器の固有周波数は、集積単体加速度計の設計
の重要なパラメータの１つである。同調器周波数を定め
るシステム条件は、１）最大加速度、２）加速度計非直
線性、３）最小分解能、および４）＆ＩＩＩ定応動時間
である。若し検査塊と、ｌｉ体加速度計の同調器とが正
しくマツチさせられていれば、これらのパラメータは、
次の方程式により関係付けられる。

イ旦し、 ｇ　　＝最大測定可能加速度−１００ｇ＋ｎａｘ ｇ、　−最小分解房り用速度−１０’ｇｆｆｌｌ口 ｇ　　　−１１１１１定応動時間Ｃ＠ｇ　、　　）　＝
２゜ｍａＸ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｉ
ｌｌｌｎｇ　　＝非直線性誤差（＠ｇ）＝１゜ ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍａｘ
５３＊ ３Ｘ１０−３ｇ＊ Ｋ　　−電子周波数倍率　　−１０４本（ネこれらの量
は、典型的な指導システム値である）。

この方程式は、最大加速度１００ｇと、最小加速度１．
ＯＸｌ、Ｏ’、とに対して１３０ｋＨｚの周波数を生じ
る。これは１０８の動的範囲に相当して、これは公知の
加速度計以上の大きさのオーダであることにより重要で
ある。他の計算は、これらのパラメータが、８１ｃ　Ｈ
ｚの周波数帯域（＋１００ｇ−−１００ｇ）で３９　Ｈ
ｚ　／　ｇの尺度係数を作ることを示している。

同調器周波数は、周波数の関数として動および静エネル
ギを等くするレイリーの方法を使用して、構造的パラメ
ータの項において計算することもできる。

第１０　（ａ）、１０　（ｂ）および１０　（Ｃ）図に
おいて示された構造部に対して、検査塊に対する６關の
高さ、および３．０ｍｍＸ３．０ｍｍの平方寸法が考え
られ、これに伴ってねじり同調器に対する０、５８０の
幅、および０．０１ｍ１１の深さが考えられる。

第１０　（ａ）　、　１０　（ｂ）および１０　（ｃ）
図に示された上記の寸法に対して、第１１図には周波数
−厚さ関係曲線が図示されている。このグラフは、１０
．６μの厚さが、単体加速度計の周波数条件に合わせる
のに必要であることを示している。この厚さは、上記の
製造技術で達成される。

他の計算は、これらのパラメータが、上記の尺度係数お
よび帯域幅明細書を満足することを示している。

従って、こ＼には、単体シリコンチップ上に集積された
、シリコンマイクロマシーニング加速度計が記載されて
いる。記載された製品においては、機械的および電子的
成分が１つの単一装置に集積されている。合成寸法減少
は、漂遊キャパシタンス、電磁放射、構造的減衰、熱勾
配のような、加速度計ノイズ、ドリフトおよび他のｎ＋
定定確確定性含む測定誤差の原因を低減するのに役立っ
ている。

上記に示された実施形態は、慣性的案内および航海利用
に要求される高度の性能を維持しているが、さらに公知
の固体製造技術によって単体に集積される構造部を一体
としている。集積加速度計は、１　ｃｎｌ以下の容積を
持つ全くの単一成分として提供されていて、その中に、
２重の、プッシュ・プル形状および電子的前置増幅器や
振動回路に対するすべての機械的成分を含んでいる。さ
らに微小石版技術は、加速度計の価格を低減している。

でき上った装置は、１０８分の１以下の良好な感度で動
作できる。さらに、検査塊の大きを減少したことは、応
動時間の改善と、装置に対する４−１定遅延の低減とを
与えている。

特殊な同調器構造部について述べたが、他の構造部も公
知であり、それに代えてもよいことは認められるべきで
ある。例えば、公開文献は、２重片持ばりビーム、回転
ビーム、平板、および半導体体製造技術により作られる
他の同調構造部についての資料を含んでいる。それぞれ
のような構造部も、上記の装置に使用できる。

さらに、静電的に駆動される同調器について記載し、図
示したが、他の駆動機構も使うことができる。例えば、
圧電、磁気、磁歪、光音響、および熱励起は、すべてシ
リコン製造技術に、また上記の設計に両立できる。

さらにまた、上述の精密エツチング技術は強くＰドープ
されたシリコン構造部の周りの選択的エツチングに基い
ているが、電気化学的制御技術のような他の異方性エツ
チング処理も製造方法に利用できることを認めねばなら
ない。

弯曲ヒンジは上記の図面においてはシリコン基体板の中
心に示されているが、そのようなヒンジは、基体ウェー
ハの底部を含めて、他の位置に置いても有効であること
も当然である。

さらに、通常のプッシュ・プル装置が図面に示されてい
て、１対の加速度感知構造部が異なったモードで電子的
に接続されているが、単一加速度感知構造部を使用して
もよい。

上記の各可能な変形、および当業者には当然である変形
は、固体シリコン製造技術を利用して、その寸法および
価格を低減させ、これによりその動作特性を改善するよ
うになる。このようにして、本発明は、検査塊、弯曲ヒ
ンジ、および加速度計の同調力感知素子を集積した、平
面、単体、シリコン構造部を提供する。

開示された発明は、特に、振動ビーム加速度計の機械的
構造部を、発振ループおよびその前置増幅器電子パッケ
ージを集積している。

本発明の都合のよい実施形態の前記記載は、例示と記載
との目的で行われたもので、本発明を開示された精密な
形に限定しようとするものではない。何故ならば、幾多
の変形が上記教示の下に可能だからである。実施形態は
、本発明の原理とその実際応用とを説明し、これにより
当業者が種々の実施形態において、また考えられる特殊
な用途に適する種々変形により本発明を最良に使用でき
るようにするために選ばれ、記載された。本発明の範囲
は、特許請求の範囲が合法的に、かつ公平に公認された
広さに従って解釈されるならば、その請求の範囲により
定められるものである。

４、図面の簡単な説明　第１図は、本発明による加速度
計の透視図、 第２図は、第１図の装置に含まれる加速度計チップの拡
大部分透視図、 第３図は、第２図の加速度計チップの断面図、第４図は
、第３図の加速度の動作を理解するために有用な平面図
、 第５　（ａ）　−５（ｄ）図は、本発明の加速度計構造
部を製造するために使用される方法の順序図、第６（ａ
）および６（ｂ）図は、静電ねじり同調器の平面図およ
びその拡大図、 第７（ａ）および７（ｂ）図は、第６（ａ）および６（
ｂ）図の同調器構造部を使用する力・周波数変換器用静
電駆動装置の平面および側面図、第３　（ａ）　、　８
　（ｂ）　、８　（ｃ）および８（ｄ）図は、本発明に
より同調器として使用される多数の機械構造部の平面図
、 第９（ａ）および９（ｂ）図は、本発明の同調器に対す
る構造配置を示すシリコン微小構造部の平面図およびそ
の顕微鏡写真、 第１０　（ａ）　、　１０　（ｂ）および１０（ｃ）図
は、集積加速度計の平面、立面および側面図、第１１図
は、第１０　（ａ）−１０（ｃ）図の構造部に対する周
波数−厚さ曲線図を示すものである。

１０・・・パッケージ、１２・・・支持構造部、１４・
・・集積チップ、１６・・・ピン、１８・・・チップ主
体、２０．２２・・・検査塊、２４．２６・・・弯曲ヒ
ンジ、２８．３０・・・同調器、３６．３８・・・電子
回路、４０．４２・・・電子板、４４・・・シール、４
８・・・シリコンウェーハ、５０・・・保護被覆、５２
・・・ドープされた部分、５４・・・被覆、５６．５８
・・・パターン、６０・・・検査塊、６２・・・ヒンジ
、６４・・・同調器、７０・・・同調器、７１・・・コ
ネクタ、７２・・・利得制御回路、７４・・・弯曲ヒン
ジ、７５・・・検査塊、７６・・・基体、７７・・・同
調器。

出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 万三甲房 手 続 補 正 書 （方式） ％式％ 発明の名称 加速度計及びその製造方法 補正をする者 事件との関係

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．集積加速度計において、 　内部にモノリシックな単一結晶構造を持つ基体と、 　予め定められた加速度の印加に応じて予め定められた
   周波数で振動する機械的手段と、 　前記機械的手段の振動を、前記機械的手段に印加され
   た前記加速度の大きさを示す電気信号に変換する電気的
   手段とを有することを特徴とする集積加速度計。
2. ２．前記機械的手段が、 　前記基体にモノリシックに集積された検査塊手段と、 　前記検査塊手段を、前記基体の主体部から蝶つがい状
   に分離するために前記基体中にモノリシックに集積され
   た弯曲ヒンジ手段と、 　前記基体にモノリシックに集積されて、前記検査塊手
   段の機械的加速度を振動信号に変換するように動作する
   同調手段とを含み、 　前記電気的手段は、前記振動信号を制御する閉鎖ルー
   プ帰還回路を有することを特徴とする請求項１記載の集
   積加速度計。
3. ３．前記電気的手段は、さらに、前記振動信号に応動し
   て前記振動信号の振動周波数を表わすデジタルの電気出
   力信号を与えるためのアナログ・デジタル変換手段を有
   することを特徴とする請求項２記載の集積加速度計。
4. ４．前記同調手段は、前記検査塊手段と、前記基体の前
   記主体部分との間に接続されていて、前記可撓ヒンジ手
   段は、前記検査塊手段と前記基体の前記主体部分との間
   に分離して接続されていることを特徴とする請求項２記
   載の集積加速度計。
5. ５．前記可撓ヒンジ手段は、前記検査塊手段と前記基体
   の前記主体部分との間の水平分離領域の直立中心におけ
   る部分に形成され、 　前記同調手段は、前記基体の表面部分に形成されてい
   ることを特徴とする請求項４記載の集積加速度計。
6. ６．シリコンマイクロマシーニング加速度計において、 　モノリシックな単一結晶構造を持つシリコンマイクロ
   マシーニング基体を有し、前記基体は、　基体中にモノ
   リシックに集積された検査塊と、　基体中にモノリシッ
   クに集積された主体部分と、　前記検査塊を、前記主体
   に蝶つがい状に接続するために前記基体にモノリシック
   に集積された可撓ヒンジ手段と、 　前記基体中にモノリシックに集積され、前記検査塊の
   機械的加速度を振動信号に変換するために、　前記検査
   塊に応動する同調手段とを含み、　さらに、 　前記振動信号に応動して、この信号を表わす電気出力
   信号を与えるための電気回路手段を有することを特徴と
   するシリコンマイクロマシーニング加速度計。
7. ７．前記電気回路手段は、モノリシックに前記基体中に
   集積されていることを特徴とする請求項６記載の加速度
   計。
8. ８．前記電気回路手段は、前記振動信号を、前記検査塊
   に印加された力を表わす値を持つデジタルデータに変換
   するため、前記基体中にモノリシックに集積されたアナ
   ログ・デジタル変換手段を有することを特徴とする請求
   項６記載の加速度計。
9. ９．前記検査塊手段が第１および第２の検査塊を有し、
   前記可撓ヒンジ手段が、前記第１および第２の検査塊を
   、それぞれ前記主体部分に可撓的に接続する第１および
   第２の可撓ヒンジを有し、前記同調器手段が、前記検査
   塊と、前記主体部分との間に接続された第１および第２
   の同調器を有するプッシュ・プル構造部を含み、 　前記同調器の一方は、これに接続された検査塊に印加
   された加速度による力の印加により、その中に引張り応
   力を生じるように配置されており、　前記同調器の他方
   は、これに接続された検査塊に印加された加速度による
   力の印加により、その中に圧力応力を生じるように配置
   されており、　これにより、前記加速度計への加速度の
   印加に応動して、前記第１の同調器の振動の周波数を増
   加させ、前記第２の同調器の振動の周波数を減少させ、 　さらに、前記加速度計は前記第１および第２の同調器
   の振動の周波数の間の差周波数を測定するための周波数
   差測定手段を含み、これにより前記差周波数の関数とし
   て、前記加速度の出力表示を与えることを特徴とする請
   求項６記載の加速度計。
10. １０．前記同調器手段は、前記検査塊の加速度に応動し
    て振動するための静電的応動構造部を有することを特徴
    とする請求項９記載の加速度計。
11. １１．前記同調器手段の静電的応動構造部は、静電力に
    より駆動される同調器と、前記検査塊の加速度に機械的
    に応動することにより起される前記同調器の位置によっ
    て定まるキャパシタンスに応じる周波数で、前記同調器
    を振動させるための電気回路帰還利得回路とを有するこ
    とを特徴とする請求項１０記載の加速度計。
12. １２．前記電気回路帰還利得手段は、電子板手段中にモ
    ノリシックに集積されており、前記電子板手段は前記基
    体に接合されていることを特徴とする請求項１１記載の
    加速度計。
13. １３．前記第１および第２の同調器は、それぞれ第１お
    よび第２の圧電手段と、前記第１および第２の検査塊の
    加速度に応動して前記第１および第２の同調器をそれぞ
    れ振動させるための第１および第２の電気回路帰還利得
    手段とを有することを特徴とする請求項９記載の加速度
    計。
14. １４．前記第１および第２の圧電手段が、それぞれ前記
    第１および第２の同調器に配置され、前記第１の圧電手
    段と前記第１の帰還手段とは、第１の電子板手段内にモ
    ノリシックに集積されており、前記第１の電子板手段は
    前記基体の一方の面に接合されており、 　前記第２の圧電手段と、前記第２の帰還手段とは、第
    ２の電子板手段内にモノリシックに集積されており、前
    記第２の電子板手段は前記基体の他方の面に接合されて
    いることを特徴とする請求項１３記載の加速度計。
15. １５．前記第１の検査塊手段と第１のねじり同調器とは
    、第１の入力軸線を持つ配置に整列させられており、 　前記第２の検査塊と、第２の同調器とは第２の入力軸
    線を持つ配置に整列させられており、　前記第１および
    第２の軸線は、互いに平行で、反対方向となっているこ
    とを特徴とする請求項９記載の加速度計。
16. １６．加速度計を製造する方法において、 　２重研磨ウェーハの第１の表面の領域に、同調器の表
    面の輪郭を作る段階と、 　前記同調器を形成するために、輪郭を付けられた領域
    に不純物をドープする段階と、 　前記ウェーハの前記第１の表面、および第２の反対の
    表面の領域に、検査塊集合体の頂および底部境界の輪郭
    を作る段階と、 　前記検査塊集合体と、前記加速度計の主体部分に前記
    検査塊集合体を接続する弯曲ヒンジとを形成するために
    前記ウェーハの前記第１および第２の表面にエンチング
    材を付着する段階とを有することを特徴とする加速度計
    を製造する方法。
17. １７．前記第１に行われる輪郭を作る段階は、　２重研
    磨ウェーハに保護被覆のパターンを析出する段階を有し
    、 　析出されたパターンを取除く別の段階に続いて、前記
    ドーピング段階が行われることを特徴とする請求項１６
    記載の方法。
18. １８．前記第２に行われる輪郭を作る段階は、　前記ウ
    ェーハの前記第１の表面に保護被覆の第２のパターンと
    、前記検査塊集合体の前記頂および底部を区画する前記
    ウェーハの第２の表面に保護被覆の第３のパターンとを
    析出する別の段階を有することを特徴とする請求項１７
    記載の方法。
19. １９．単一エッチング処理で、前記同調器と　前記検査
    塊集合体とを化学的に区画するために、前記第１、第２
    および第３のパターンを整列させる別の段階を有するこ
    とを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. ２０．前記加速度計の前記主体部分内に、前記ドーピン
    グ段階において形成された前記同調器用電子帰還回路を
    集積させる段階をさらに有することを特徴とする請求項
    １６記載の方法。
21. ２１．前記加速度計の前記主体部分内に、前記ドーピン
    グ段階において形成された前記同調器の振動信号を、前
    記検査塊集合体に印加された力を表わすデジタルデータ
    値に変換するためのデジタル・アナログ変換器を集積さ
    せる段階を、さらに含むことを特徴とする請求項１６記
    載の方法。
22. ２２．前記加速度計の前記主体部分内に、前記ドーピン
    グ段階において形成された前記同調器用電子帰還回路を
    集積させる段階を、さらに含むことを特徴とする請求項
    ２１記載の方法。
23. ２３．電子板内に、前記ドーピング段階において形成さ
    れた前記同調器用電子帰還回路を集積させる段階と、 　前記電子帰還回路に、前記検査塊集合体の加速度に機
    械的に応動して起される前記同調器の位置により定めら
    れるキャパシタンスに応じた周波数で前記同調器を振動
    させるための電気回路帰還利得手段を含ませる段階と、 　前記電子板を前記加速度計の前記主体部分に接合する
    段階とを有することを特徴とする請求項２１記載の方法
    。