JPH06324072A - トンネル効果式加速度センサ - Google Patents
トンネル効果式加速度センサInfo
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- JPH06324072A JPH06324072A JP6085826A JP8582694A JPH06324072A JP H06324072 A JPH06324072 A JP H06324072A JP 6085826 A JP6085826 A JP 6085826A JP 8582694 A JP8582694 A JP 8582694A JP H06324072 A JPH06324072 A JP H06324072A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/0894—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by non-contact electron transfer, i.e. electron tunneling
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 簡単に製造可能なトンネル効果式加速度セン
サを提供する。 【構成】 シリコン基板1の上に導電性にドープされた
ポリシリコンから成る梁2が曲がり得るように支えられ
ており、シリコン基板1の上にこの梁2の下に梁のほう
に向けられて導電性にドープされたポリシリコンから成
る突起3が、この突起3と梁2との間にトンネル効果が
生ずるように密に梁2に隣接して配置されており、その
際に梁2に作用する慣性力の静電的補償のための電極4
が設けられている。
サを提供する。 【構成】 シリコン基板1の上に導電性にドープされた
ポリシリコンから成る梁2が曲がり得るように支えられ
ており、シリコン基板1の上にこの梁2の下に梁のほう
に向けられて導電性にドープされたポリシリコンから成
る突起3が、この突起3と梁2との間にトンネル効果が
生ずるように密に梁2に隣接して配置されており、その
際に梁2に作用する慣性力の静電的補償のための電極4
が設けられている。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はポリシリコン中のトンネ
ル効果の原理による加速度センサに関する。
ル効果の原理による加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】「アプライド・フィジクス・レターズ
(App.Phys.Lett.)」58、第100〜102頁(19
91)および「ジャーナル・オブ・ヴァキューム・サイ
エンス・テクノロジー(J.Vac.Sci.Technol.)」A1
0、第2114〜2118頁のケニー(T.W.Kenny )ほ
か著の刊行物に、シリコンの上にアンダーエッチングに
より弾性変形可能に支えられ基板のほうを向いた突起を
有する片持ち梁または長方形片が対向電極の上に取付け
られているトンネル効果式加速度センサが記載されてい
る。これらのセンサにより加速度の際に慣性力の結果と
しての弾性変位部分の偏位が検出され得る。いくつかの
実施態様では、可動部分の偏位を補償し得る電極が可動
部分および基板に設けられている。これらのセンサはコ
ンパクトなシリコンブロックの表面におけるアンダーエ
ッチングにより製造される。
(App.Phys.Lett.)」58、第100〜102頁(19
91)および「ジャーナル・オブ・ヴァキューム・サイ
エンス・テクノロジー(J.Vac.Sci.Technol.)」A1
0、第2114〜2118頁のケニー(T.W.Kenny )ほ
か著の刊行物に、シリコンの上にアンダーエッチングに
より弾性変形可能に支えられ基板のほうを向いた突起を
有する片持ち梁または長方形片が対向電極の上に取付け
られているトンネル効果式加速度センサが記載されてい
る。これらのセンサにより加速度の際に慣性力の結果と
しての弾性変位部分の偏位が検出され得る。いくつかの
実施態様では、可動部分の偏位を補償し得る電極が可動
部分および基板に設けられている。これらのセンサはコ
ンパクトなシリコンブロックの表面におけるアンダーエ
ッチングにより製造される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、簡単
に製造可能なトンネル効果式加速度センサおよびその製
造方法を提供することにある。
に製造可能なトンネル効果式加速度センサおよびその製
造方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】この課題は、請求項1の
特徴を有する加速度センサおよび請求項3の特徴を有す
る製造方法により解決される。他の実施態様は従属請求
項にあげられている。
特徴を有する加速度センサおよび請求項3の特徴を有す
る製造方法により解決される。他の実施態様は従属請求
項にあげられている。
【0005】本発明によるセンサはシリコン基板上に弾
性変形し得るように支えられている梁から成っている。
トンネル効果のために必要な突起は基板の表面に構成さ
れており、またポリシリコンのほうを向いている。適当
な電位の印加により梁の静電的偏位を補償するために、
電極が設けられている。
性変形し得るように支えられている梁から成っている。
トンネル効果のために必要な突起は基板の表面に構成さ
れており、またポリシリコンのほうを向いている。適当
な電位の印加により梁の静電的偏位を補償するために、
電極が設けられている。
【0006】
【実施例】以下、図1ないし8により本発明による加速
度センサおよびその製造方法を説明する。
度センサおよびその製造方法を説明する。
【0007】図1のセンサではシリコン基板1の上に導
電性にドープされたポリシリコンから成る梁2が一端で
取付けられている。梁2はこうして曲がり得るように支
えられている。シリコン基板1が梁2を設けられている
表面に対して垂直に加速される場合には、この梁2がそ
の慣性の結果として曲がる。この曲がりは加速度の大き
さに関係しており、またトンネル効果の利用のもとに測
定される。この目的で梁2の下側に梁のほうを向いたシ
リコン、たとえばポリシリコンから成る突起3が配置さ
れている。ドーピングにより製造された電極4は、梁2
の曲がりを適当な電位の印加により静電的に補償する役
割をする。そのために必要な電圧は生起する加速度に対
する直接的な尺度となる。梁2と突起3との間のトンネ
ル電流はそれにより常に一定な値に保たれる。梁の非常
に小さい曲がりもトンネル電流の大きい変化に通ずるの
で、この方法は重力加速度の100万分の1の範囲に達
する精度で加速度を測定するのに適している。上記のよ
うな梁の慣性の補償により重力加速度の100倍までの
加速度が測定できる。こうして非常に大きい測定範囲が
実現される。
電性にドープされたポリシリコンから成る梁2が一端で
取付けられている。梁2はこうして曲がり得るように支
えられている。シリコン基板1が梁2を設けられている
表面に対して垂直に加速される場合には、この梁2がそ
の慣性の結果として曲がる。この曲がりは加速度の大き
さに関係しており、またトンネル効果の利用のもとに測
定される。この目的で梁2の下側に梁のほうを向いたシ
リコン、たとえばポリシリコンから成る突起3が配置さ
れている。ドーピングにより製造された電極4は、梁2
の曲がりを適当な電位の印加により静電的に補償する役
割をする。そのために必要な電圧は生起する加速度に対
する直接的な尺度となる。梁2と突起3との間のトンネ
ル電流はそれにより常に一定な値に保たれる。梁の非常
に小さい曲がりもトンネル電流の大きい変化に通ずるの
で、この方法は重力加速度の100万分の1の範囲に達
する精度で加速度を測定するのに適している。上記のよ
うな梁の慣性の補償により重力加速度の100倍までの
加速度が測定できる。こうして非常に大きい測定範囲が
実現される。
【0008】図2の実施例では梁2はポリシリコン層5
により形成される空所のなかに位置している。電極4は
このポリシリコン層5のなかに、またシリコン基板1と
反対側を向いた梁2の側に位置している。ポリシリコン
層5の下の空所は真空にされていてよい。これらの実施
例の電極はそれぞれ補助的にメタライジングを施されて
いてよい。
により形成される空所のなかに位置している。電極4は
このポリシリコン層5のなかに、またシリコン基板1と
反対側を向いた梁2の側に位置している。ポリシリコン
層5の下の空所は真空にされていてよい。これらの実施
例の電極はそれぞれ補助的にメタライジングを施されて
いてよい。
【0009】図2に示されている実施例に対する製造方
法を図3ないし8により説明する。シリコン基板1の上
に重なり合って全面にポリシリコンから成る第1の層6
と他の材料から成る第2の層7とが被覆される。ポリシ
リコンはこの他の材料に関して選択的にエッチング可能
でなければならない。第2の層7の材料としてはたとえ
ば酸化物または窒化物(たとえばSiO2 またはSi3
N4 )が用いられる。これらの層は、ボリシリコンから
成るただ1つの被覆された直方体が製造すべき突起の位
置に残されるように構造化される。第1の層6は第2の
層7の選択的な湿式化学的なアンダーエッチングにより
突起3を残して除去される(図4参照)。第2の層7の
残りの部分が除去される。ポリシリコンから成る突起3
は場合によってはたとえばタングステンから成るメタラ
イジングを施される。その後に全面に、図5の層構造が
生ずるように、補助層8(たとえばSiO2 が、またそ
の上に平坦化層9が析出される。平坦化層9としてはた
とえばBPSG(ホウ燐ケイ酸ガラス)が用いられる。
このBPSGは全面の被覆の後に加熱により流動化され
る。それによって平らな表面が生ずる。図5による層列
はその後に均等に逆エッチングされ、その際にたとえば
レーザー干渉計によりそのつどの層の厚みがエッチング
の間に決定される。それにより、図6に示されているよ
うに補助層8がエッチングにより露出され、また突起3
が平らに覆われて残るまで逆エッチングされることが達
成される。こうして突起3からポリシリコンから成る製
造すべき梁までのわずかな間隔が定められる。この梁2
は続いて、全面にポリシリコンから成る層が被覆され、
この層がドーピングの後に電極4(図7参照)を構成す
るため支えられた梁2を残して除去されることによって
製造される。次に補助層8が、図1による実施例が得ら
れるように除去される。他の方法は、別の補助層10
(図8参照)を図7の構造の上に全面に被覆することに
ある。補助層10が構造化され、また次いでポリシリコ
ン層5が先ず全面に被覆され、また次いで図2の実施例
に相応して残留部分を残して除去される。ポリシリコン
層5の下の補助層8および別の補助層10はたとえばエ
ッチングチャネルにより除去され、またその後にポリシ
リコン層5が真空にされ、またエッチングチャネルの研
磨により鏡面化され得る。1つの有利な実施例は、ポリ
シリコン層5の逆エッチングの前にドーピングによりも
う1つの電極4が梁2のなかに構成された電極4の上側
に製造されることにより得られる。
法を図3ないし8により説明する。シリコン基板1の上
に重なり合って全面にポリシリコンから成る第1の層6
と他の材料から成る第2の層7とが被覆される。ポリシ
リコンはこの他の材料に関して選択的にエッチング可能
でなければならない。第2の層7の材料としてはたとえ
ば酸化物または窒化物(たとえばSiO2 またはSi3
N4 )が用いられる。これらの層は、ボリシリコンから
成るただ1つの被覆された直方体が製造すべき突起の位
置に残されるように構造化される。第1の層6は第2の
層7の選択的な湿式化学的なアンダーエッチングにより
突起3を残して除去される(図4参照)。第2の層7の
残りの部分が除去される。ポリシリコンから成る突起3
は場合によってはたとえばタングステンから成るメタラ
イジングを施される。その後に全面に、図5の層構造が
生ずるように、補助層8(たとえばSiO2 が、またそ
の上に平坦化層9が析出される。平坦化層9としてはた
とえばBPSG(ホウ燐ケイ酸ガラス)が用いられる。
このBPSGは全面の被覆の後に加熱により流動化され
る。それによって平らな表面が生ずる。図5による層列
はその後に均等に逆エッチングされ、その際にたとえば
レーザー干渉計によりそのつどの層の厚みがエッチング
の間に決定される。それにより、図6に示されているよ
うに補助層8がエッチングにより露出され、また突起3
が平らに覆われて残るまで逆エッチングされることが達
成される。こうして突起3からポリシリコンから成る製
造すべき梁までのわずかな間隔が定められる。この梁2
は続いて、全面にポリシリコンから成る層が被覆され、
この層がドーピングの後に電極4(図7参照)を構成す
るため支えられた梁2を残して除去されることによって
製造される。次に補助層8が、図1による実施例が得ら
れるように除去される。他の方法は、別の補助層10
(図8参照)を図7の構造の上に全面に被覆することに
ある。補助層10が構造化され、また次いでポリシリコ
ン層5が先ず全面に被覆され、また次いで図2の実施例
に相応して残留部分を残して除去される。ポリシリコン
層5の下の補助層8および別の補助層10はたとえばエ
ッチングチャネルにより除去され、またその後にポリシ
リコン層5が真空にされ、またエッチングチャネルの研
磨により鏡面化され得る。1つの有利な実施例は、ポリ
シリコン層5の逆エッチングの前にドーピングによりも
う1つの電極4が梁2のなかに構成された電極4の上側
に製造されることにより得られる。
【0010】本発明によるセンサの製造は集積回路の技
術と共用可能な超小形機構のプロセス工程で行われる。
これにより、調節および評価のための電子回路がセンサ
と一緒にシリコン基板1のなかに集積可能であり、従っ
てまたセンサの精度およびSN比が著しく改善されると
いう利点を生ずる。本発明によるセンサの利点は、精度
が高いこと、測定範囲が非常に大きいこと、横加速度の
際の感度が非常に小さいこと、評価回路が集積されてい
るので故障頻度が低いこと、寸法が小さいこと、重量が
軽いこと、また別の電子的または機械的構成要素との集
積が良好に可能であることである。
術と共用可能な超小形機構のプロセス工程で行われる。
これにより、調節および評価のための電子回路がセンサ
と一緒にシリコン基板1のなかに集積可能であり、従っ
てまたセンサの精度およびSN比が著しく改善されると
いう利点を生ずる。本発明によるセンサの利点は、精度
が高いこと、測定範囲が非常に大きいこと、横加速度の
際の感度が非常に小さいこと、評価回路が集積されてい
るので故障頻度が低いこと、寸法が小さいこと、重量が
軽いこと、また別の電子的または機械的構成要素との集
積が良好に可能であることである。
【図1】本発明によるセンサの一実施例の断面図。
【図2】本発明によるセンサの別の実施例の断面図。
【図3】図2の実施例のセンサの一製造工程を示す断面
図。
図。
【図4】図2の実施例のセンサの一製造工程を示す断面
図。
図。
【図5】図2の実施例のセンサの一製造工程を示す断面
図。
図。
【図6】図2の実施例のセンサの一製造工程を示す断面
図。
図。
【図7】図2の実施例のセンサの一製造工程を示す断面
図。
図。
【図8】図2の実施例のセンサの一製造工程を示す断面
図。
図。
1 シリコン基板 2 梁 3 突起 4 電極 5 ポリシリコン層 7 第2の層 8 補助層 9 平坦化層 10 別の補助層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート クローゼ ドイツ連邦共和国 81929 ミユンヘン シユテフアン‐ゲオルゲ‐リング 9
Claims (4)
- 【請求項1】 シリコン基板(1)の上に導電性にドー
プされたポリシリコンから成る梁(2)が曲がり得るよ
うに支えられており、シリコン基板(1)の上にこの梁
(2)の下に梁(2)のほうに向けられて導電性にドー
プされたポリシリコンから成る突起(3)が、この突起
(3)と梁(2)との間にトンネル効果が生ずるように
密に梁(2)に隣接して配置されており、その際に梁
(2)に作用する慣性力の静電的補償のための電極
(4)が設けられていることを特徴とするトンネル効果
式加速度センサ。 - 【請求項2】 梁(2)がポリシリコン層(5)により
囲まれた空所のなかに位置しており、また電極(4)が
梁(2)およびこのポリシリコン層(5)において互い
に向かい合うように構成されていることを特徴とする請
求項1記載の加速度センサ。 - 【請求項3】 第1の工程で、構造化されたドーピング
を施されたシリコン基板(1)の上にポリシリコンから
成る第1の層(6)が、またその上に他の材料から成る
第2の層が被覆され、第2の工程でこれらの両層(6、
7)が、第3の工程で第1の層(6)の湿式化学的なア
ンダーエッチングにより突起(3)を残すように構造化
され、第4の工程で全面に補助層(8)および平坦化層
(9)が被覆され、第5の工程でこの補助層(8)の平
らな部分が露出かつ構造化され、第6の工程で全面にポ
リシリコンから成る層が被覆され、電極(4)の製造の
ためにドープされ、また支えられた梁(2)を残して除
去され、また第7の工程で補助層(8)が梁(2)に過
度な応力を加える部分を残して除去されることを特徴と
する請求項1記載の加速度センサの製造方法。 - 【請求項4】 請求項2による加速度センサを製造する
ため、第7の工程の前に全面に別の補助層(10)が被
覆かつ構造化され、次いで全面にポリシリコン層(5)
が被覆され、電極(4)の製造のためにドープされ、ま
た梁(2)の上に掛かっている部分を残して除去され、
また第7の工程でこの別の補助層(10)が同じく除去
されることを特徴とする請求項3記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4311123 | 1993-04-05 | ||
DE4311123.8 | 1993-04-05 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06324072A true JPH06324072A (ja) | 1994-11-25 |
Family
ID=6484762
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6085826A Pending JPH06324072A (ja) | 1993-04-05 | 1994-03-31 | トンネル効果式加速度センサ |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5431051A (ja) |
EP (1) | EP0619494B1 (ja) |
JP (1) | JPH06324072A (ja) |
DE (1) | DE59402799D1 (ja) |
TW (1) | TW247374B (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105319394A (zh) * | 2015-12-07 | 2016-02-10 | 太原理工大学 | 一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器及检测方法 |
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US5689107A (en) * | 1995-09-01 | 1997-11-18 | Hughes Aircraft Company | Displacement-based opto-electronic accelerometer and pressure sensor |
US5756895A (en) * | 1995-09-01 | 1998-05-26 | Hughes Aircraft Company | Tunneling-based rate gyros with simple drive and sense axis coupling |
US5798283A (en) * | 1995-09-06 | 1998-08-25 | Sandia Corporation | Method for integrating microelectromechanical devices with electronic circuitry |
US5963788A (en) * | 1995-09-06 | 1999-10-05 | Sandia Corporation | Method for integrating microelectromechanical devices with electronic circuitry |
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US5638946A (en) * | 1996-01-11 | 1997-06-17 | Northeastern University | Micromechanical switch with insulated switch contact |
DE19821527A1 (de) | 1998-05-13 | 1999-12-02 | Siemens Ag | Schwingkreis |
US6327909B1 (en) * | 1999-11-30 | 2001-12-11 | Xerox Corporation | Bistable mechanical sensors capable of threshold detection and automatic elimination of excessively high amplitude data |
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CN103543292B (zh) * | 2013-11-06 | 2016-06-08 | 中北大学 | 一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计 |
CN105548610B (zh) * | 2015-12-07 | 2018-05-04 | 太原理工大学 | 一种基于共振光隧穿效应的加速度检测器及检测方法 |
CN111579818B (zh) * | 2020-07-06 | 2021-09-28 | 吉林大学 | 一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法 |
Family Cites Families (4)
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