JPH0690219B2 - 機械的な力及び力作用を測定するための装置 - Google Patents

機械的な力及び力作用を測定するための装置

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Description

【発明の詳細な説明】 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ための装置で
あって、本体と復元要素と可動質量体とこの可動質量体
の変位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
質量体が復元要素の抵抗に抗して変位運動を行なう。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ッチング法
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.デイヴィスンとD.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（“Silicon Acce
leration Technology",Proceedings of the 1986 Int
ernational Conference on Industrial Electronics,Co
ntrol and Instrumentation,IEEE,New York 1986 P.2
18−222）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、過負荷防護対策が機
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
量体の変位運動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、可動質量体の変位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、半導体結晶のエッ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変位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ッ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変位運動を可
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変位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4653
326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
みビームの変位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、変位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つのウェブを備えたブリッジとから構成され
ており、この場合、第１の舌状片における固定端部が復
元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、前
記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、可動質量体が変位運動を行
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。
復元要素が行なうことのできる変位運動は、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、許容される変位運動の大きさは、ウ
ェブと舌状片表面との距離及び制限要素から復元要素懸
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、各変位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。変位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復元要素に取付
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垂直に延びるウェブ
を備え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
分的にオーバーラッ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工程は、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復元要素の懸架点
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復元要
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。
復元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，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に開示されているように、本発明による装置を
製作するための特に有効な方法としては、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を装置にお
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
ク集積する方法が挙げられる。
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。従って変位運
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
ずる必要がなくなり、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変位運動
制限要素から復元要素懸架点までの距離を適宜に変化さ
せるならば、その都度異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達成されている場合
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を詳細に説
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マイクロメー
トルである。本体１はその表面範囲に矩形の横断面を呈
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復元要素としての撓みビーム
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の垂直に延びるウェ
ブ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を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10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が上方への変位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は下方への変位運動に際して本体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（ウェブの長
さ）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との相対的な変位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における下方への変位運動に際しては、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とにはガルヴァニ
ック・スタート層13が載設され、この場合、有利には厚
さ約100nm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）ガルヴァニック・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とガルヴァニック・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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リートミュラー ヴェルナー ドイツ連邦共和国 1000 ベルリン 21 ヴィルヘルムスハーフェナーシュトラーセ 24 (72)発明者 シュナッケンベルグ ウヴェ ドイツ連邦共和国 1000 ベルリン 21 ビルケンシュトラーセ 10

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、本体と復元要素と可動質量体とこの可動質
    量体の変位運動を制限する要素とを備えている形式のも
    のにおいて、変位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つのウェブを備えたブリッジとから
    構成されており、この場合、第１の舌状片における固定
    端部が復元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、前記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、可動質量体が変位
    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
    ることを特徴とする装置。
  2. 【請求項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、復元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列の変位運動制限要素が、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. 【請求項３】請求項１又は２に記載の装置において、力
    作用に起因する復元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. 【請求項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、それぞれの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. 【請求項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、本体と復元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. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装
    置において、慣性的な質量体の変位運動を制限する要素
    が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
    ク集積することを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】請求項２乃至６いずれか１項に記載の装置
    を製作する方法であって、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
    作する方法において、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. 【請求項８】請求項７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。
JP2507906A 1989-06-23 1990-05-31 機械的な力及び力作用を測定するための装置 Expired - Fee Related JPH0690219B2 (ja)

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DE3920645A DE3920645A1 (de) 1989-06-23 1989-06-23 Vorrichtung zur messung mechanischer kraefte und kraftwirkungen
DE3920645.9 1989-06-23
PCT/DE1990/000412 WO1991000522A1 (de) 1989-06-23 1990-05-31 Vorrichtung zur messung mechanischer kräfte und kraftwirkungen

Publications (2)

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