JPH04504759A - 機械的な力及び力作用を測定するための装置 - 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】 発明の名称 機械的な力及び力作用を測定するための装置技術分野 本発明はマイクロメカニックなプロセスで製作することのできる機械的な力及び 力作用を測定するだめの装置であって、本体とリセット要素と可動質量体とこの 可動質量体の偏向運動を制限する要素とを備えている形式のものに関する。機械 的な力の作用を受けた場合には、この可動質量体がリセット要素の抵抗に抗して 偏向運動を行なう。この種の装置における機械的な要素がマイクロ構造処理技術 分野で一般的な等方性もしくは異方性のエツチング法を利用して製作されるのに 対し、測定値を検出する電子的な要素はマイクロエレクトロニクスによる各プロ セス段階で製作される。

なおこの場合、機械的な力の作用は各種のセンサーにより電気信号に変換されて から評価回路に伝送される。

従来の技術 例えば加速度を測定するために用いられるこの種の装置で既に公知となっている ものには、１９８６年に電気電子学会（ＩＥＥＥ）主催のニューヨークにおける １９８６年度国際工業エレクトロニクス会議、制御と景気装備の議事録に採録さ れたＪ、Ｌ、デイヴイスンとり、　Ｖ、　カーンズとによる論文「シリコン加速 技術」第２１８乃至２２２頁（’５ｉｌｉｃｏｎ　ＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＴ ｅｃｈｎｏｌｏｇ７’、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１９８６１＋ Ｎｅｒｎａ−ｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎ＋Ｉｕｒｔｒｉ ａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。

Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｌｎｓ＋ｒｕｍｅｎ＋ａ＋ｉｏｎ、ＩＥＥＥ、Ｎｅｗ 　Ｙｏｒｋ　１９８６Ｐ、　２１８−２２２）に報告された装置がある。

力及び力の作用を測定するための装置を製作する場合には、その用途に固有の特 性を考慮することはもとより、装置の一般的な使用分野で必要とされる条件をも 満たすようにしなければならない。このような必要条件の１つとして機械的な過 負荷に対する不感度が挙げられる。例えば人工衛星または宇宙ステーションで用 いられる超小型の所謂マイクロメカニックな重力計は、その本来の測定範囲を越 えた規模の加速度にも耐えることができなければならない。

従来における全ての公知技術では、過負荷防護対策か機械的なストッパを利用す ることによって達成されており、この種のストッパは加速度測定装置における可 動質量体の偏向運動（偏移）をその最大値で制限するために用いられる。

単一の半導体チップから製作されるモノリシック集積装置においては、可動質量 体の偏向運動を制限するこの種の要素が、例えば付加的な層を載設することによ って製作される。しかしそのためには適宜な接着または接合技術を利用すること により、半導体もしくはガラス板から製作される少なくとも１枚の第２の層をモ ノリシック集積装置に結合しなければならない。つまり、これはストッパを製作 するためのモノリシック集積プロセスにおいて当初は予定されていなかった付加 的な作業工程をも実施しなければならないことを意味する。しかも接合技術を利 用して製作された装置では、それに由来する別の欠陥が付随することを免れない 。

更にドイツ連邦共和国特許出願公開第３６１１３６号明細書及びアメリカ合衆国 特許第４６９９００６号明細書に開示されている装置では、半導体結晶のエツチ ング処理によって回転振子が形成される。この装置の場合、機械的なストッパは 回転振子の下方で基板を完全には除去することなく空洞部（穴）を蝕刻すること によって構成され、空洞部の底面は回転振子の偏向運動に際する機械的なストッ パとして用いられる。

回転振子の下方を完全に蝕刻するためには空洞部の最低深さが必要とされるので 、振子の振れが極めて小さな値に設定されねばならないような使用例に上記の機 械的制限方式を応用するのが不適当であることは自明である。

アメリカ合衆国特許第４６５３３２６号明細書に開示されて既に公知となってい るマイクロメカニック装置は、基板平面において変形する１本の撓みビームを有 している。この撓みビームは基板のフリーエツチングによって形成され、基板は その表面と平行な撓みビームの偏向運動を可能ならしめるべく一貫した開口部を 形成するように除去されねばならない。

基板平面での撓みビーム偏向運動を制限する機械的な要素は、基板において制限 機能を発揮させるための残存脚部によって形成される。特にアメリカ合衆国特許 第４６５３３２６号明細書による公知例におけるように脚部の面がコンデンサプ レートとして構成される場合には、これが撓みビームの偏向運動を極めて小さな ものに制限するのに適していないことは明らかである。

発明の開示 本発明の課題とするところは、必要とされる使用条件に簡単な形式で適合させる ことのできる機械的な過負荷防護手段を備えており、その製作プロセスができる だけ簡易化されている点で優れている機械的な力及び力の作用を測定するための 装置を提供することにある。

この課題を解決すべく提案された本発明の装置によれば、偏向運動を制限する要 素が互いに平行に配置された少なくとも２つの舌状片とこれらの舌状片に対して 垂直に延びる１つのウェブとから構成されており、この場合、第１の舌状片にお ける固定端部がリセットの要素もしくは可動質量体に、また第２の舌状片におけ る固定端部が定置の本体にそれぞれ結合されており、ウェブが一方の舌状片に剛 性結合されて他方の舌状片を部分的にカバーしており、可動質量体が偏向運動を 行なう両運動方向のいずれにおいてもその運動を制限するために少なくとも各１ ．つの要素が設けられている。

リセット要素が行なうことのできる偏向運動は、第２の舌状片が第１の舌状片に おけるウェブに当接するまでの範囲に限定されており、許容される偏向運動の大 きさは、ウェブと舌状片表面との距離及び制限要素からリセット要素懸架点まで の距離によって規定される。更に運動を制限するための要素は、各偏向運動方向 ごとにそれぞれ少なくとも１つづつ設けられている。

本発明の有利な実施態様は各従属請求項に開示されている。

請求項２に開示された実施態様によれば、マイクロ構造技術によるプロセスを応 用して特に簡単な製作を行なうことが可能であり、この実施態様は加速度の測定 に利用することができる。偏向運動の制限は互いに内外係合する（噛合う）舌状 片システムによって行なわれ、この場合、舌状片における一方の部分がそれぞれ 定置の本体に装着されるのに対し、舌状片における他方の部分はそれぞれ撓みビ ームとして構成された可動のリセット要素に取付けられている。

それぞれの隣接している一方のタイプの舌状片は、表面から所定の距離をおいて 配設された片持式のブリッジ要素により互いに結合される。これらのブリッジは 必ずしも一貫したものとして形成する必要はなく、他方のタイプによる隣接舌状 片と部分的にオーバーラツプしていさえすればよい。可動質量体における最大の 運動行程は、ブリッジから本来の基板表面までの距離と舌状片システムからリセ ット要素の懸架点までの距離とによって規定される。運動制限ブリッジを不動の 本体に装着された一方の舌状片システムとリセット要素に装着された他方の舌状 片システムとに形成することによって、双方向の運動制限を達成することが可能 になる。

リセット要素の変形を惹起する力の測定は、請求項３に開示されているように組 込式の抵抗線歪み計を用いて行なわれるので、装置の電気接点をプロセス平面に 配設すると共に、単純な導体路を用いてこれらの接点を評価回路に接続すること が可能である。

請求項４に開示されているように、第１のプレートが本体に接続され、第２のプ レートが装置の可動部分に接続されるならば、互いに向き合ったプレートにおけ る距離変動に関して力の容量的な測定を実施することもできる。

上述した２つの力測定方法にはどのような制限も加えられず、特にマイクロメカ ニック方式により簡単に実現することが可能とされる。この場合、力の測定に他 の方法及び物理的な効果（例えば圧電効果２強誘電効果、磁気的方法など）を利 用してもよいことは言うまでもない。

請求項５に開示された実施態様によれば、本発明による装置がマイクロメカニッ ク乃至マイクロエレクトロニクスの分野で一般に用いられる材料から構成されて いる。

請求項６には本発明による装置を特に効果的に製作するための方法が開示されて いる。慣性的な質量体又は撓みビームの偏向運動を制限する要素は、装置におけ る他の要素と共に同一のプロセス平面内にモノリシック集積される。

請求項７及び８には、マイクロメカニック技術を応用した各プロセス段階により 本発明の装置を製作する方法が開示されている。この製作方法によれば、片持式 のブリッジ構造がまず金属層の載着（有利には蒸着）により形成され、次いでこ の金属層が電鍍により補強される。金属としては金を用いると効果的であるが、 珪素又は珪素化合物から片持式ブリッジを構成することも可能である。

本発明によって得られる利点として特筆されるのは、当該装置が大きな力に対す る過負荷防護手段を有しており、この過負荷防護手段が装置における他の要素と 共にモノリシック集積されていることである。従って偏向運動を制限する要素を 取り付けるための付加的な措置を講する必要がなくなり、殊に第２及び第３の半 導体層またはガラス層を何らかの接合技術によって形成するような事態は回避さ れるので、本発明による装置は特に簡単な製作プロセスにより極めて持ちの良い 製品として構成することができる。

電気接点をも含む全ての要素は表面範囲に集積されているので、この装置は特に マイクロメカニックな要素と評価回路とを共に１枚のチップ上に集積するのに適 している。片持式のブリッジを表面との間の距離及び偏向運動制限要素からリセ ット要素懸架点までの距離を適宜に変化させるならば、その都度具なる使用例に 応じた申し分のない過負荷防護を達成することが可能である。

本発明による装置が加速度計として構成されている場合には、この装置を陸上及 び航空輸送システム又は宇宙航行システムに、もしくはロボットの部品位置決め 装置として用いると効果的である。

更に本発明による装置を用いた別の実施態様によれば、圧力及び圧力差の測定（ 例えば高度測定）もしくは液体流動速度の測定を行なうことも可能である。

図面の簡単な説明 次に添付の図面に示した実施例につき本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による装置の正面図。

第２図はブリッジ構造の横断面図（Ａ−Ｂ線に沿った断面図）。

第３図はブリッジ構造における各製作段階を示した図である。

実施例 第１図に示された装置は加速度を測定するために用いられ、厚さ約５００μｍの シリコンウェーハを原料として直方体形状に加工された本体１から構成されてい る。この本体１における典型的なサイズは５００×３００ミリメートルである。

本体１はその表面範囲に矩形の横断面を低する凹所２を有している。本体の狭幅 面側には厚さ１乃至１００マイクロメートルの撓みビーム３が設けられ、そのル ーズな端部には質量体４が担持されている。撓みビーム３における一方の縦側面 からは２本の舌状片５が垂直に突出しており、本体１に固定結合された３本の舌 状片６は互いに平行に位置しかつ内外係合式に噛合う一連の舌状片システムが形 成されるように、撓みビーム３の舌状片５に配属されている。本体１に剛性結合 された３本の舌状片６は、他の両舌状片５を張設する（緊張させる）片持式のブ リッジ７を介して互いに結合されている。撓みビーム３における他方の縦側面に は３本の舌状片８が形成されており、これらの舌状片８も本体１に結合された別 の２本の舌状片９と共に互いの内外係合する一連の舌状片システムを形成してい る。撓みビーム３に結合された３本の舌状片８は、やはり同じような形式で片持 式のブリッジ１−０により互いに結合されている。舌状片の厚さは撓みビームの 厚さに等しく、ブリッジの厚さは数十マイクロメートルの値に設定されている。

ブリッジ７が上方への偏向運動に際して撓みビーム３の両舌状片５を押えるスト ッパとして用いられる一方、ブリッジ１０は下方への偏向運動に際して本体１に 剛性結合された舌状片９を押えるストッパとして用いられる。

第２図には舌状片システムにおける第１図のＡ−Ｂ線に沿った横断面が示されて いる。本体１に剛性結合された舌状片６によって担持されるブリッジ７は、撓み ビーム３に結合された舌状片５をａなる相互距離が保たれるように張設する。予 め設定することのできるこの相互距離ａは、ブリッジ方向における舌状片５と舌 状片６との相対的な偏向運動の最大振幅を規定する。

第２の舌状片システムにおいてもこれと同様な図を描くことができるが、この場 合には、ブリッジ１０が撓みビーム３に結合された３本の舌状片８上に支承され ている。従ってブリッジ１０が撓みビーム３と共に運動し、撓みビーム３におけ る下方への偏向運動に際しては、舌状片９がブリッジ１０のストッパを形成する 。

第３図には片持式のブリッジ７及び１０を製作するプロセス段階が示されている 。この場合、まず、加速度計における機械的な要素が例えば局所的な高硼素ドー ピングにより規定される。舌状片構造は撓みビームと同時に生ぜしめられ、補足 的なプロセス段階が必要とされるのは片持式ブリッジ構造の場合に限られる。

ａ）ブリッジを形成するためには基板１７の表面に第１のフォトレジスト層１１ が載設される。１乃至１００マイクロメートルの値に設定可能なこのフォトレジ スト層１１の厚さは、後に片持式ブリッジと舌状片表面との間で保たれる相互距 離ａを規定する。

ブリッジを担持する舌状片範囲１２ではフォトレジスト層１１が部分的に除去さ れる。

ｂ）フォトレジスト層１１と露出範囲１２とにはガルヴアニック・スタート層１ ３が載設され、この場合、有利には厚さ約１１００ｎの層を形成するように金の 蒸着加工が行なわれる。

Ｃ）表面は第２のフォトレジスト層１４により被覆加工され、ブリッジを形成し ようとする範囲１５ではこのフォトレジスト層１４が除去される。

ｄ）ガルヴアニック・スタート層１３は、ブリッジ構造１６が数十マイクロメー トルに設定された所望の厚さに達するまで電気鍍金により補強される。

ｅ）片持式のブリッジ構造は、第１のフォトレジスト層１１とガルヴアニック・ スタート層１３と第２のフォトレジスト層１４とを除去することによって得られ る。

添付の図面では、図の明確な表示を期して成層厚さは正確な縮尺で示されていな い。ブリッジ構造には他の材料、例えば多結晶珪素をベースにした材料などを用 いることも可能である。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成３年１２月２０―

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．マイクロメカニックなプロセスで製作することのできる機械的な力及び力作 用を測定するための装置であって、本体とリセット要素と可動質量体とこの可動 質量体の偏向連動を制限する要素とを備えている形式のものにおいて、偏向連動 を制限する要素が互いに平行に配置された少なくとも２つの舌状片とこれらの舌 状片に対して垂直に延びる１つのウェブとから構成されており、この場合、第１ の舌状片における固定端部がリセット要素もしくは可動質量体に、また第２の舌 状片における固定端部が定置の本体にそれぞれ結合されており、ウェブが一方の 舌状片に剛性結合されて他方の舌状片を部分的にカバーしており、可動質量体が 偏向連動を行なう両連動方向のいずれにおいてもその連動を制限するために少な くとも各１つの要素が設けられていることを特徴とする装置。
2. ２．請求項１記載の装置において、本体が直方体としてかつプロセス平面で矩形 の横断面を呈するように構成されているのに対し、リセット要素が片側で本体に 剛性結合され、その自由端部に質量体を担持する撓みビームとして構成されてお り、撓みビームに沿って形成される２列の偏向連動制限要素が、不動の本体に結 合された舌状片と撓みビームに結合された舌状片とを互いに歯形に内外係合させ るように配置されており、不動の本体に結合された第１列の舌状片と撓みビーム に結合された舌状片とが、その間に位置する舌状片を予め設定可能な距離をおい て張設する片持式のブリッジ要素によって互いに結合されていることを特徴とす る装置。
3. ３．請求項１又は２に記載の装置において、力作用に起因するリセット要素の変 形が装置内に組込まれた抵抗線歪み計によって測定されることを特徴とする装置 。
4. ４．請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置において、本体に固定結合され た装置部分と装置の可動部分とに、それぞれプレート間隔の可変なコンデンサを 形成する互いに向き合ったプレートが装着されており、作用力がキャパシタンス 測定によって測定されることを特徴とする装置。
5. ５．請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置において、本体とリセット要素 と舌状片とが珪素又は珪素化合物から構成され、各舌状片を互いに結合するため のブリッジが金属もしくは珪素又は珪素化合物から構成されていることを特徴と する装置。
6. ６．請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置を製作する方法において、慣性 的な質量体の偏向連動を制限する要素を装置における他の要素と共にマイクロメ カニックなプロセスによって規定されるプロセス平面内にモノリシック集積する こと特徴とする方法。
7. ７．請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置を製作する方法において、等方 性及び異方性エッチング法とリトグラフ工法とにより機械的な要素を、またマイ クロエレクトロニクスに基づいた方法により測定値検出のための電子的な要素を 、それぞれ自体公知の形式で製作し、片持式のブリッジ構造を局所的なゴールド ・ガルヴァニック技法と二層フォトレジスト技法とによって製作することを特徴 とする方法。
8. ８．請求項６又は７に記載の方法において、−加速度計の表面にフォトレジスト 層を形成し、−ブリッジを表面に固定結合しようとする各範囲でフォトレジスト 層を除去し、 −加速度計の表面に薄いガルヴァニック・スタート層を載着し、 −第２のフォトレジスト層とリトグラフ工程によりブリッジ要素の構造を規定し 、 −ガルヴァニック・スタート層を局所電鍍的に補強し、 −第２のフォトレジスト層を除去し、 −ガルヴァニック・スタート層を強化されていない範囲で除去し、 −第１のフォトレジスト層を除去する、以上の各工程をブリッジ構造の製作に利 用することを特徴とする方法。