JPH07169977A - 動力センサおよび該動力センサの製造法 - Google Patents

動力センサおよび該動力センサの製造法

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JPH07169977A
JPH07169977A JP6235656A JP23565694A JPH07169977A JP H07169977 A JPH07169977 A JP H07169977A JP 6235656 A JP6235656 A JP 6235656A JP 23565694 A JP23565694 A JP 23565694A JP H07169977 A JPH07169977 A JP H07169977A
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silicon
vibrator
layer
oscillator
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JP6235656A
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Gerhard Benz
ベンツ ゲルハルト
Franz Laermer
レルマー フランツ
Andrea Schilp
シルプ アンドレア
Erich Zabler
ツァプラー エーリヒ
Juergen Schirmer
シルマー ユルゲン
Werner Dipl Phys Dr Uhler
ウーラー ヴェルナー
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/159—Strain gauges

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に簡単で廉価に製造することのできる動力
センサを提供する。 【構成】 たわみエレメント２と振動子３とが、少なく
とも部分的にシリコンから成っており、たわみエレメン
ト２と振動子３との間に、誘電層４が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、動力センサ、特に圧力
センサまたは加速度センサであって、力作用により変形
可能なたわみエレメントと、該たわみエレメントに配置
された振動子とが設けられていて、該振動子の振動周波
数が、前記たわみエレメントの変形によって影響を与え
られる形式のものに関する。
【０００２】さらに本発明は、このような形式の動力セ
ンサを製造する方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】ハリー（Ｈａｒｒｉｅ）他著の論文（Ａ
ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＲｅｓｏｎａｔｏｒ Ｄｅ
ｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ ａ ＢｏｓｓｅｄＳｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ ｆｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎＭｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕ
ａｔｏｒｓ、 ２５〜２７（１９９１年）、第３８５頁
〜第３９３頁）に基づき、たわみエレメントと、このた
わみエレメントに配置された振動子とを備えた動力セン
サは既に公知である。この場合、振動子の振動周波数が
たわみエレメントの変形により変化する。しかし上記文
献の第５図から明らかであるように、このような動力セ
ンサは手間のかかる構造化によって１個の黄銅から加工
成形されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式の動力センサを改良して、特に簡単で廉価
に製造することのできる動力センサを提供することであ
る。
【０００５】さらに本発明の課題は、このような動力セ
ンサを製造するための有利な方法を提供することであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、たわみエレメントと振動子とが、
少なくとも部分的にシリコンから成っており、たわみエ
レメントと振動子との間に、誘電層が配置されているよ
うにした。
【０００７】さらに上記課題を解決するために本発明の
第１の方法では、第１の単結晶性のシリコン層と第２の
単結晶性のシリコン層と、両シリコン層の間に配置され
た誘電層とを備えたプレートを形成し、第１のシリコン
層に２つの支承ブロックと振動エレメントとを備えた振
動子を形成し、該振動子の下に位置する第２のシリコン
層にたわみエレメントを形成し、前記誘電層を前記振動
エレメントの下方でサイドエッチング加工するようにし
た。
【０００８】
【発明の効果】本発明による動力センサおよび該動力セ
ンサの製造法は、動力センサを特に簡単に、ひいては廉
価に製造することができるという利点を持っている。半
導体技術から知られている、半導体基板における多数の
エレメントの平行製造によるコスト利点を完全に実現す
ることができる。
【０００９】単結晶性の材料は材料疲労現象をほとんど
有しないので、製造されたセンサエレメントは特に耐老
化性である。１つのたわみエレメントに複数の振動子を
配置することにより、動力センサの感度を増大させる
か、もしくは所要の評価回路を単純にすることができ
る。振動子は２つの支承ブロックと、両支承ブロックの
間に配置された振動エレメントとから構成されると特に
有利である。振動を励起させるための手段としては、圧
電効果を利用することも、また異なる電位に対する対象
物の間での力作用を利用することもできる。たわみエレ
メントも振動子も、重なり合って位置するシリコン層か
ら構造化されると特に簡単である。中空室内に振動子が
配置されることにより、振動子の特性を改善し、ひいて
はセンサ感度を増大させることができる。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく
説明する。
【００１１】図１および図２には、本発明による動力セ
ンサの第１実施例が示されている。図１には、図２に平
面図で示した動力センサの横断面図が示されている。動
力センサ１の振動子３は、ダイヤフラムとして形成され
たたわみエレメント２に配置されている。振動子３とた
わみエレメント２との間には、構造化された誘電層４が
配置されている。振動子３もたわみエレメント２も、そ
れぞれ第１のシリコン層９もしくは第２のシリコン層１
０から構造化されている。図１から判かるように、動力
センサ１はガラスブロック１２に配置されている。この
ガラスブロック１２は圧力孔１６を有している。この圧
力孔１６を通じて、たわみエレメント２の下面に圧力が
到達し、こうしてダイヤフラムとして形成されたたわみ
エレメントを変形させることができる。図２では、振動
子３の構造が詳しく判かる。各振動子３は第１の支承ブ
ロック５と、第２の支承ブロック６とを有している。両
支承ブロック５，６の間には、振動エレメント７が配置
されている。図１の横断面図に示した両振動子３に関し
ては、ダイヤフラムとして形成されたたわみエレメント
２に各１つの支承ブロック５が配置されている。それに
対して第２の支承ブロック６は、たわみエレメント２を
取り囲むフレームによって形成される。図１に示した横
断面図から認められるように、前記支承ブロックは誘電
層４を介してたわみエレメント２もしくは第２のシリコ
ン層１０に固く結合されている。それに対して、振動エ
レメント７は自由に運動可能である。振動エレメント７
はたとえば被着された圧電層８によって励振され得る。
このためには、この圧電層８が導体路（図示しない）
で、電気的な発振器に接続されており、この場合、振動
エレメント７の機械的な振動と、電気的な発振器振動と
の間に帰還結合が生じる。この帰還結合機構に基づき、
発振器の電気的な振動は自動的に振動エレメント７の機
械的な固有周波数に合わせて調節される。
【００１２】ダイヤフラムとして形成されたたわみエレ
メント２の変形により、振動子３には機械的な応力が形
成される。この機械的な応力は引張応力の形で生じる、
つまり両支承ブロック５，６が互いに離れる方向で引っ
張られるか、または圧縮応力が形成され、つまり両支承
ブロック５，６が押し合わされる。両者の場合とも、形
成された応力により振動エレメント７の固有周波数に影
響が与えられる。したがって振動子３の周波数測定によ
り、たわみエレメント２の機械的な変形を推定すること
ができる。図２から判かるように、図示のダイヤフラム
形に形成されたたわみエレメント２には４つの振動子が
配置されており、この場合、２つの振動子は引張応力で
負荷され、別の２つの振動子は圧縮応力で負荷されるよ
うになっている。たわみエレメント２の変位時に、圧縮
応力で負荷された振動子の周波数は引張応力で負荷され
た振動子の周波数とは異なる前符号で変化する。したが
ってこの差を評価することが有利である。さらに、振動
子３の熱周波数変化も同様に変化するので、この熱周波
数変化は差評価時には測定結果に影響を与えない。ダイ
ヤフラム形に形成されたたわみエレメント２と、圧力孔
１６を備えたガラスブロック１２とを有する図示の構造
は、圧力差を検出するためのセンサとして設計されてい
る。しかし、動力センサ１の大きな構造変化が必要とな
ることなく、加速度または別の動力を検出するための同
様の素子も考えられる。
【００１３】符号１７で電気的な発振器が示されてい
る。この発振器１７は供給導線１８（概略的にのみ示
す）によって圧電層８に接続されている。別の励振手段
として発振器１９が示されている。この発振器１９は供
給導線１８を介して１つの振動子に接続されている。溝
２９により、発振器１９に接続された振動子は第１のシ
リコン層９のその他の部分から絶縁されている。溝２９
は完全に第１のシリコン層９を貫いて誘電層４にまで達
している。さらに、発振器１９は第２のシリコン層１０
にも接続されている。振動子３と第２のシリコン層１０
との間に電圧を印加することにより、同じく振動エレメ
ント７を励振することができる。
【００１４】図３には、本発明による動力センサ１の別
の実施例が示されている。この動力センサ１はやはりた
わみエレメント２を有している。このたわみエレメント
２には、誘電層４によって２つの振動子３が接続されて
いる。第１のシリコン層９の縁範囲は別のプレート１１
に結合されている。このプレート１１には、金属性の貫
通案内ピンが嵌め込まれている。この貫通案内ピンによ
り、ドーピング範囲１５または金属性の導体路（Ａｌ、
ＡｌＳｉ等）が接触接続されている。振動子３には、や
はり圧電層（図示しない）が配置されている。図示の動
力センサの構造は、図１および図２に示した動力センサ
と同様に機能する。ダイヤフラム形に形成されたたわみ
エレメント２の負荷により、同じくたわみエレメント２
の変形が得られる。この変形の結果、振動子３の振動が
変化する。プレート１１と動力センサ１とによって閉じ
られた中空室３０が形成されるので、図示の動力センサ
はアブソリュート圧力センサとして作動する。すなわ
ち、この動力センサは、中空室３０内に封入された圧力
に対して外部に存在する圧力を測定する。
【００１５】振動子３は一緒に中空室３０に封入されて
いるので特に有利である。これにより、振動子３と、場
合によってはこの振動子３と一体に組み込まれたＨＬ回
路とが特に良好に保護される。振動子３とＨＬ回路と
は、汚染および機械的な損害を防止される。さらに、中
空室３０内に特に低い圧力が形成され、ひいては空気に
よる振動子３の減衰が生じなくなることに基づき、振動
子３の振動特性を改善することができる。このような負
圧は、シリコン層９と、たとえばガラスから成っていて
よいプレートｌ１との間の結合が陽極ボンディングによ
って行なわれる場合に中空室３０内に簡単に生ぜしめる
ことができる。陽極ボンディング時では、プレート１１
が第１のシリコン層９に載着され、次いでウェーハとガ
ラスプレートとの間の印加された電位において加熱によ
って互いに結合される。このプロセスは真空中でも行な
うことができ、この場合、このプロセスは中空室内での
真空の熱密なシールを生ぜしめる。
【００１６】図４〜図６には、動力センサのための第１
の製造方法が示されている。図４に示したシリコンウェ
ーハ２０はその上面と下面とで酸化ケイ素層２１を被覆
されている。シリコンウェーハ２０の厚さは数１００マ
イクロメータのオーダにある。それに対して酸化ケイ素
層２１の厚さは数１／１０〜数マイクロメータのオーダ
にある。図５には、別のシリコンウェーハ２４が示され
ている。このシリコンウェーハ２４はシリコンウェーハ
２０に結合されている。シリコンウェーハ２４はシリコ
ンウェーハ２０に面した側にエピタキシャル層２２を有
している。このエピタキシャル層２２は著しくドーピン
グされた層２３によってシリコンウェーハ２４から隔離
されている。シリコンウェーハ２４は数１００マイクロ
メータの厚さを有しており、層２３は一般に１マイクロ
メータよりも薄く形成されており、エピタキシャル層２
２は数マイクロメータのオーダにある。両シリコンウェ
ーハ２４，２０の結合はボンディングプロセスにより行
なわれる。このボンディングプロセスにおいては、ウェ
ーハ表面がクリーニングされ、次いで互いに重ね合わせ
られる。次いで、この積層体の加熱により、両シリコン
ウェーハの間の固い形状接続的な結合が生じる。酸化ケ
イ素層２１の厚さはほぼ不変のままであるので、この酸
化ケイ素層はエピタキシャル層２２とシリコンウェーハ
２０との間の完全な電気絶縁を生ぜしめる。引き続き、
別のステップにおいて、シリコンウェーハ２４と、著し
くドーピングされた層２３とが除去されるので、シリコ
ンウェーハ２０と、このシリコンウェーハ層２０に配置
されたはエピタキシャル層２２とが残る。この場合、エ
ピタキシャル層２２とシリコンウェーハ２０との間に
は、絶縁性の酸化ケイ素層２１が位置する。シリコンウ
ェーハ２４はたとえばまず機械的な加工、たとえば研削
によって除去され得る。次いで、さらに別のステップに
おいて、著しくドーピングされた層２３には作用しない
ようなエッチング溶液が使用される。著しくドーピング
された層２３のこのようなエッチングストップ作用に基
づき、シリコンウェーハ２４を特に簡単にかつ高い精度
で除去することができる。次いで、機械的なエッチング
または化学的なエッチングにより、著しくドーピングさ
れた層２３を同じく除去することができる。
【００１７】次いで、センサを製造するためのエピタキ
シャル層２２と、その下に位置する酸化ケイ素層２１
と、その下に位置するシリコンウェーハ２０と、別の酸
化ケイ素層２１とから成る前記層構造体の引き続き行わ
れる加工処理を図６につき説明する。エピタキシャル層
２２からは第１のシリコン層９が生ぜしめられ、その下
に位置する酸化ケイ素層２１からは誘電層４が生ぜしめ
られ、シリコンウェーハ２０からは別のシリコン層１０
が生ぜしめられる。構造溝３２のエッチング加工によ
り、第１のシリコン層９の機械的な構造体２５が形成さ
れる。シリコンには作用しないが、誘電層４をエッチン
グするようなエッチング剤の供給により、構造体２５の
下にサイドエッチング２６が形成される。構造体２５の
下に形成されたサイドエッチング２６の幅は専らエッチ
ング時間によって制御される。図２に示した２つの支承
ブロック５，６と振動エレメント７とを備えた振動子３
の構造では、振動エレメント７が特に迅速にサイドエッ
チング加工される。なぜならば、一方の方向における横
方向寸法が特に小さいからである。支承ブロック５，６
の下に形成されるサイドエッチング加工ははるかに遅い
時点でしか完全に行なわれないので、エッチング加工が
適宜な時点で中断されると、支承ブロック５，６の下に
誘電層４が残り、こうしてシリコン層１０もしくはたわ
みエレメントに対する固い結合が形成される。図６に示
した構造体２５は、サイドエッチングを示すための１例
であり、振動子３には相当していない。さらに図６に
は、切欠き３１が示されている。この切欠き３１によっ
て、シリコン層１０からダイヤフラム形のたわみエレメ
ント２が構造化される。このためには、酸化ケイ素層２
１の下面が構造化され、次いでエッチング溶液によって
切欠き３１が加工成形される。エッチング加工のために
は、たとえば結晶構造に関連してシリコンをエッチング
するようなアルカリ性のエッチング溶液を使用すること
ができる。
【００１８】図７につき、動力センサを製造するための
別の方法を説明する。上面と下面とに２つの酸化ケイ素
層２１を備えたシリコンウェーハ２０から出発して、シ
リコンウェーハ２０の上面に設けられた酸化ケイ素層２
１に、前エッチングされた孔３５がエッチング加工され
ることにより、図７に示した構造体が得られる。引き続
き行なわれる加工処理は図５および図６に説明した加工
処理と同様に行なわれる。しかし、図６に示した加工処
理とは異なりサイドエッチングステップは行なわれな
い。なぜならば、構造体２５の下方の酸化ケイ素が既に
前エッチングされた孔３５によって形成されているから
である。したがって、サイドエッチングステップを不要
にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す動力センサの横断面
図である。
【図２】第１実施例による動力センサの平面図である。
【図３】本発明の別の実施例の横断面図である。
【図４】動力センサの第１の製造方法のステップを示す
横断面図である。
【図５】動力センサの第１の製造方法の別のステップを
示す横断面図である。
【図６】動力センサの第１の製造方法のさらに別のステ
ップを示す横断面図である。
【図７】動力センサの別の製造方法を示す横断面図であ
る。
【符号の説明】
１ 動力センサ、 ２ たわみエレメント、 ３ 振動
子、 ４ 誘電層、５，６ 支承ブロック、 ７ 振動
エレメント、 ８ 圧電層、 ９，１０ シリコン層、
１１ プレート、 １２ ガラスブロック、 １５
ドーピング範囲、 １６ 圧力孔、 １７ 発振器、
１８ 供給導線、 １９ 発振器、２０ シリコンウェ
ーハ、 ２１ 酸化ケイ素層、 ２２ エピタキシャル
層、２３ 層、 ２４ シリコンウェーハ、 ２５ 構
造体、 ２６ サイドエッチング、 ２９ 溝、 ３０
中空室、 ３１ 切欠き、 ３２ 構造体溝、３５
孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ レルマー ドイツ連邦共和国 シュツットガルト ヴ ィティコヴェーク ９ (72)発明者 アンドレア シルプ ドイツ連邦共和国 シュヴェービッシュ グミュント ゼーレンバッハヴェーク 15 (72)発明者 エーリヒ ツァプラー ドイツ連邦共和国 シュトゥーテンゼー ブルンヒルトシュトラーセ 11 (72)発明者 ユルゲン シルマー ドイツ連邦共和国 ハイデルベルク アー ドルフ−ラウシュ−シュトラーセ ６ (72)発明者 ヴェルナー ウーラー ドイツ連邦共和国 ブルッフザール アウ グスタイナーシュトラーセ 11

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 動力センサ（１）であって、力作用によ
    り変形可能なたわみエレメント（２）と、該たわみエレ
    メント（２）に配置された振動子（３）とが設けられて
    いて、該振動子（３）の振動周波数が、前記たわみエレ
    メント（２）の変形によって影響を与えられる形式のも
    のにおいて、たわみエレメント（２）と振動子（３）と
    が、少なくとも部分的にシリコンから成っており、たわ
    みエレメント（２）と振動子（３）との間に、誘電層
    （４）が配置されていることを特徴とする、動力セン
    サ。
  2. 【請求項２】 振動子（３）のシリコンと、たわみエレ
    メント（２）のシリコンとが単結晶性である、請求項１
    記載の動力センサ。
  3. 【請求項３】 少なくとも２つの振動子（３）が、たわ
    みエレメント（２）に配置されており、両振動子のうち
    一方の振動子が引張応力で負荷され、他方の振動子が圧
    縮応力で負荷される、請求項１または２記載の動力セン
    サ。
  4. 【請求項４】 振動子（３）が、第１の支承ブロック
    （５）と、第２の支承ブロック（６）とを有しており、
    両支承ブロック（５，６）の間に、振動エレメント
    （７）が懸吊されており、該振動エレメント（７）を励
    振させるための手段（８，１７，１９）が設けられてい
    る、請求項１から３までのいずれか１項記載の動力セン
    サ。
  5. 【請求項５】 前記振動エレメント（７）を励振させる
    ための手段が、圧電層（８）として、前記振動エレメン
    ト（７）と、該振動エレメント（７）に帰還結合された
    発振器（１７）とに形成されている、請求項４記載の動
    力センサ。
  6. 【請求項６】 前記振動エレメント（７）を励振させる
    ための手段が、帰還結合された発振器（１９）として形
    成されており、該発振器（１９）によって、前記振動エ
    レメント（７）と前記たわみエレメント（２）との間に
    電圧が印加可能である、請求項４記載の動力センサ。
  7. 【請求項７】 前記振動子（３）が第１のシリコン層
    （９）から形成されており、前記たわみエレメント
    （２）が第２のシリコン層（１０）から形成されてお
    り、両シリコン層（９，１０）が誘電層（４）によって
    互いに結合されている、請求項１から６までのいずれか
    １項記載の動力センサ。
  8. 【請求項８】 別のプレート（１１）が設けられてお
    り、該プレート（１１）が切欠きを有しており、前記プ
    レート（１１）が、前記両シリコン層（９，１０）の一
    方に結合されていて、中空室（３０）を形成しており、
    該中空室（３０）に前記振動子（３）が配置されてい
    る、請求項７記載の動力センサ。
  9. 【請求項９】 動力センサを製造する方法において、こ
    の場合、第１の単結晶性のシリコン層（９）と第２の単
    結晶性のシリコン層（１０）と、両シリコン層（９，１
    ０）の間に配置された誘電層（４）とを備えたプレート
    を形成し、第１のシリコン層（９）に２つの支承ブロッ
    ク（５，６）と振動エレメント（７）とを備えた振動子
    （３）を形成し、該振動子（３）の下に位置する第２の
    シリコン層（１０）にたわみエレメント（２）を形成
    し、前記誘電層（４）を前記振動エレメント（７）の下
    方でサイドエッチング加工することを特徴とする、動力
    センサの製造法。
  10. 【請求項１０】 前記誘電層（４）を均質な材料から形
    成し、サイドエッチングの深さをエッチング時間の調節
    により制御する、請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 動力センサを製造する方法であって、
    この場合、第１の単結晶性のシリコン層（９）と第２の
    単結晶性のシリコン層（１０）と、前エッチング加工さ
    れた孔（３５）を備えた、前記両シリコン層（９，１
    ０）の間に配置された誘電層（４）とを備えたプレート
    を形成する形式のものにおいて、第１のシリコン層
    （９）に、２つの支承ブロック（５，６）と振動エレメ
    ント（７）とを備えた振動子（３）を形成し、該振動子
    （３）の下に位置する第２のシリコン層（１０）にたわ
    みエレメント（２）を形成し、該たわみエレメント
    （２）を、前エッチング加工された孔（３５）の範囲に
    配置することを特徴とする、動力センサの製造法。
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