JPH08292207A

JPH08292207A - 力センサー

Info

Publication number: JPH08292207A
Application number: JP8113000A
Authority: JP
Inventors: Henrik Jakobsen; ヘンリク・ヤコブセン; Terje Kvisteroy; テルイエ・クビステロイ
Original assignee: Sensonor ASA; Sensonor AS
Current assignee: Infineon Technologies Sensonor AS; Sensonor AS
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 1996-11-05
Anticipated expiration: 2016-04-11
Also published as: EP0737864A1; JP3186975B2; EP0737864B1; KR100239113B1; ATE196012T1; DE69610013T2; DE69610013D1

Abstract

(57)【要約】【課題】強壮で、耐久性があり、低費用で製造される
共振マイクロブリッジ加速計を提供すること。【解決手段】共振振動数において振動を受け、支持フ
レームに両端部においてビームを連結する一対のシリコ
ンバネ手段を用いて懸架されたシリコン材料のビームの
形態における保証質量であり、ビームは、第１厚であ
り、扁長の六角形の形式を有し、該シリコンバネ手段の
各々が、該ビームの一方の面と同一平面の第２の小厚を
有し、該ビームの短側の一方の端部に対して直角をな
し、該シリコンバネ手段は該ビームの最も離間した部位
において位置する保証質量と、ビームの制御された振動
モードを生ずる、該ビーム内に膨張及び収縮力を生成す
るための手段と、該センサー装置に作用する印加力によ
る該ビームにおける振動数変化とバネ剛性の関連変化を
検出するために設けられた手段とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、液体又はガスの移動
によって生ずる加速力と流体圧力の如く、力の測定用の
シリコンの振動するサイズモ式力センサーに関する。力
の影響は、新原理を使用することにより、質量バネ系に
対する共振モードの一つの共振振動数の変化に変換さ
れ、これにより、共振する振動構造自体は、力感応質量
バネ系である。そのような力センサーのための重要な応
用分野は、作製方法において非常に公知なシリコンミク
ロ機械学によって作製される自動車用の加速度計であ
る。

【０００２】

【従来の技術】シリコン材料から構成されたマイクロ加
速度計の如く力センサーは、主として、エアバッグとシ
ートベルトテンショナーの如く安全系のためのクラッシ
ュセンサー、アンチロック制動系（ＡＢＳ）と実サスペ
ンション系の新世代のための加速度測定装置等の、自動
車応用への急速に高まる市場の浸透により、過去数年に
わたって多大な注目を受けてきた。低費用加速度計の再
検討は、Ｇ．Ａ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ：”ＡＲｅｖｉ
ｅｗｏｆＬｏｗＣｏｓｔＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅ
ｔｅｒｓｆｏｒＶｅｈｉｃｌｅＤｙｎａｍｉｃ
ｓ”；ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，
Ａ２１−Ａ２３（１９９０），３０３−３０７によって
与えられる。シリコンマイクロ加速度計の先行技術は、
米国特許第４，６７９，４５６号において記載された如
く容量形式と、ＤＥ３８１４９５２において記載された
如く、ピエゾ抵抗形式を包含する。

【０００３】一般に、典型的な加速度計において、質量
は、一つの片持ちばり式バネ、又は質量の対向側に取り
付けた２つ以上のバネに懸架される。質量は、系が休止
又は一定速度で動作する限り、中立位置において維持さ
れる。系が速度の変化を受ける時、バネ取付け質量は、
最初に、その慣性のために移動を阻止し、バネにおいて
付加力を設定する。加速度がバネの平面に垂直な方向で
ある時、保証質量の慣性生成力は、バネの曲げを生じさ
せる。容量加速度計は、質量のかたよりを検出するよう
に設計される。ピエゾ抵抗加速度計において、応力感応
抵抗器が、バネの表面において配設される。

【０００４】機械的共振構造の振動数は、加速度、力、
流量の如く、機械的信号入力に高度に感応性にされるた
めに、共振センサーが、精密測定のために好適である。
共振マイクロブリッジを有するマイクロ加速度計が公知
である。感度に関連した温度係数は、主に、シリコンの
弾性特性のドリフトによって生ずるために、この原理
は、単結晶シリコンに組み込まれた時、非常に好適であ
る。室温ぐらいで、剛性は、温度の増大とともに減少
し、１００ｐｐｍ／ｄｅｇＣよりも小さい。シリコンへ
組み込まれる設計はまた、シリコンウェーハの低費用バ
ッチ処理により、非常に好適である。高Ｑ因子は、検出
振動数信号において優れた分解能を獲得するために使用
される振動モードに対して必要とされる。

【０００５】この技術分野における先行技術の発明は、
ＰＣＴ／ＵＳ９２／００８９５（Ｒ．Ｈｕｌｓｉｎｇ，
Ｓｕｎｄｓｔｒａｎｄ）、米国特許第４，９４５，７７
３号（Ｅ．Ｎ．Ｓｉｃｋａｕｓ，Ｆｏｒｄ）、米国特許
第４，８０５，４５６号（Ｒ．Ｔ．Ｈｏｗｅ他）、及び
米国特許第４，８９３，５０９号（ＭａｃＩｖｅｒ他、
Ｇ．Ｍ．）において記載される。上記の最初の２つの参
照は、機械的（Ｈｕｌｓｉｎｇ）又は静電力（Ｓｉｃｋ
ａｆｕｓ）を介して、サイズモ式質量バネ系へ結合され
た分離振動共振構造を開示する。後者の２つの参照にお
いて、保証質量を保持するバネにおいて設定される振動
モードが開示される。振動モードの励振は、静電力（Ｈ
ｏｗｅ他、及びＭａｃＩｖｅｒ他）により、そして検出
は、容量の変化の検知による。この方法はまた、Ｓ．
Ｃ．Ｃｈａｎｇ，Ｍ．Ｗ．Ｐｕｔｔｙ，Ｄ．Ｂ．Ｈｉｃ
ｋｓ，Ｃ．Ｈ．ＬｉａｎｄＲ．Ｔ．Ｈｏｗｅ：”Ｒ
ｅｓｏｎａｎｔ−ＢｒｉｄｇｅＴｗｏ−ａｘｉｓＭ
ｉｃｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ”；Ｓｅｎｓｏｒ
ｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，Ａ２１−Ａ２３（１
９９０）３４２−３４５によって記載される。Ｈｕｌｓ
ｉｎｇとＳｉｃｋａｆｕｓによって記載された発明は、
機械的（Ｈｕｌｓｉｎｇ）又は静電力（Ｓｉｃｋａｆｕ
ｓ）を介して、サイズモ式質量バネ系へ結合された分離
振動共振構造を使用する。これらの発明は、先行技術の
装置の保証質量とバネが、共振構造から分離されるとい
う事実により、本発明とは本質において全く異なる。

【０００６】本発明の発明者達は、先行技術の次の不都
合と限界を認識した。先行技術のサイズモ式系は、連続
的に移動しないために、構造は、固有の自己検査を含ま
ない。２つの分離質量バネ系の使用は、処理を複雑に
し、これにより、費用をつり上げる。さらに複雑な設計
はまた、装置の生産中と生品寿命中、非常に多数の可能
な破局的な障害モードを生ずる。

【０００７】Ｈｏｗｅ他とＭａｃＩｖｅｒ他によって示
された如く、サイズモ式質量バネ系のバネにおける振動
の設定は、ＨｕｌｓｉｎｇとＳｉｃｋａｆｕｓに比較し
て、マイクロセンサー統合おいていっそうの段階を表現
する。米国第４，８９３，５０９号の図１において示さ
れた如くＭａｃＩｖｅｒ他の実施態様は、４面質量の各
側において４つの同一シリコンバネによって支持された
シリコンと金のプレート形剛性中心保証質量から成る。
バネは、シリコン基板に固定される。開示された実施態
様は、静電力による励振と容量変化による検出のために
設計される。実施態様は、さらに、加速力がバネの平面
においてバネに作用する時、共振振動数は、張力の増大
によりビームにおいて増大し、そして圧縮下でビームに
おいて減少するという原理に基づく。これらの２つの共
振振動数の間の差分の変化は、加速度の測定である。励
振は、静電力により、そして検出は、容量変化による。

【０００８】しかし、本発明者達は、後者の先行技術の
次の不都合と重要な限界を認識した。

【０００９】低費用製造を獲得するために小シリコンチ
ップにおいて実施態様を行うために、検出のために使用
されたキャパシタは、非常に小さなサイズでなければな
らず、このため、励振と検出の両方がバネ要素において
行われなければならないために、小容量値を有する。こ
れにより、先行技術の実施態様は、迷容量を通して電子
回路の他の部品からの寄生信号に感応的にされ、雑音源
に感応的にされる。さらに、静電気励振／検出は、小さ
なエアーギャップの厳密な制御による。粒子汚染は、特
に、ダイシングと包装中、装置の処理において大きな関
心のある問題である。対向表面へのたわみ部品の縫い付
けは、電気防食層のエッチング中と、微細機械構造の離
型の後の重過負荷状況において起こる問題である。これ
は、後の生産段階において起こり、これにより、歩留り
問題として現れ、又は輸送及び取扱い中、破局的障害に
もつながり、これにより、顧客と最終使用者にとって問
題を生じさせる。先行技術の実施態様における第３の限
界は、この基本振動数モードに対する比較的大きなかた
よりにより、大気圧において５０〜２００の範囲におい
て比較的小さなＱ因子を有する直線バネの基本振動数モ
ード（半波）の使用に関する。高動的範囲と高分解能を
有する解に対して必要な高Ｑ因子を獲得するために、低
下圧力が、必要とされる。ＡＢＳ又はサスペンションに
対する強壮な±２ｇ加速度計、そしてエアバッグに対す
る±５０ｇの設計目標は、通常１．２ｍ落下試験によっ
て行われる取扱い中起こる機械的衝撃への高抵抗であ
る。付加費用は、共振構造が、内側の低圧力／真空を有
する空洞に組み込まれなければならない時生ずる。漏れ
の可能性は、製品が、１０〜２０年の範囲の寿命にわた
って低圧力において保持されなければならないならば、
重要な品質問題である。先行技術の実施態様のいっそう
の限界は、自己検査に関する。保証質量を支持するバネ
のみが、振動に設定され、そして保証質量は、連続的に
移動しないために、先行技術は、保証質量の一貫性の直
接の検査に係わらない。先行技術の解は、数個の個別バ
ネ質量系から成る。バネの振動は、保証質量ではなく、
バネの剛性とバネの質量によって制御される。このほか
に、数個の分離振動系に基づいたセンサーの実現は、異
なる共振振動数の間のクロストークを生じさせ、幾つか
の場合において、究極的に、モードジャンピング、同一
振動数窓内の２つの軽く減衰したモードの間の突然のジ
ャンプにおいて終了する。

【００１０】

【発明が解決しようとする問題点】本発明の目的は、自
動車生産必要条件を満たすために、強壮で、耐久性があ
り、低費用で製造される共振マイクロブリッジ加速度計
を提供することである。さらに他の目的は、エアバッグ
展開系の如く、安全系において信頼性ある動作を提供す
るために、自己検査機能を固有に有する実施態様を設け
ることである。

【００１１】本発明のさらに他の目的は、動作中の流
体、例えば、空気又はガスによって設定された力を測定
するために、発明による力センサーの設計と作製を提供
することである。

【００１２】この発明の好ましい実施態様により、これ
らと他の目的及び利点は、次の如く達成される。

【００１３】

【問題点を解決するための手段】発明の特徴は、先行技
術と対照して、バネのみではなく、全力感応質量バネ系
において規定共振振動モードの実施を含む。質量バネ系
は、一つ、２つ又はそれ以上の質量と、質量を支持する
ための２つ以上のバネとから成る。

【００１４】この発明の第１形式は、剛体として作用す
る保証質量(proof mass)に基づく。振動は、たわみ／ね
じりバネを使用して、質量の並進及び／又は回転移動に
よって設定される。質量に作用する加速度又は他の外力
源は、バネにおける応力を変化させ、これにより、バネ
の剛性において検出可能な変化を生じさせ、実施された
振動モードの共振振動数を変化させる。

【００１５】この発明の第２形式は、薄くされ、たわみ
及び／又はねじり可能な保証質量に基づく。共振モード
は、バネと質量の「一体化」移動として設定される。加
速度は、機械的応力、バネの剛性と質量を変化させ、こ
れにより、共振振動数の検出可能な変化を生じさせる。

【００１６】数個の諸モード／モード系を同時に動作さ
せる他の解と対照して、単一振動モードが、励振され、
これらの２つの形式の発明に対して能動的にされること
が強調される。

【００１７】力感応振動モードの励振と検出が行われる
が、その方法としては、（ａ）抵抗器を共振構造自体に
集積させた熱励振及びピエゾ抵抗ピックアップと、
（ｂ）静電気励振と容量ピックアップが、低費用製造の
ための発明の好ましい実施態様とみなされる。さらに一
般には、励振は、センサー研究及び開発の科学内にある
次の非常に公知の方法によって行われる。

【００１８】（ａ）熱こう配による熱膨張力につなが
る、半導体抵抗器又は薄膜抵抗器の如く抵抗性構造の配
置による熱（ｂ）光学系により又は光ファイバーを介して、構造に
集束されたレーザー点による熱（ｃ）近傍の電極系を使用し、構造と電極系の間に電圧
を設定することによる誘電力（ｄ）コイル系を使用することによる磁気力（ｅ）ピエゾ電気膜の堆積によるピエゾ電気検出は、（ａ）差分又は絶対的な容量変化（ｂ）ピエゾ抵抗性（ｃ）ピエゾ電気性（ｄ）レーザー光による干渉計使用による。

【００１９】技術における当業者にはわかる如く、この
発明の好ましい実施態様は、発明の多数の将来の修正及
び変形を発展させるための基礎を設ける。

【００２０】加速度感応サイズモ式質量バネ系として共
振構造自体を使用することによる力センサーの設計は、
簡易化処理と小センサーダイを設計する可能性により、
低費用解を達成するために使用される最も理想的な統合
解である。

【００２１】そのような構造では、固有の自己検査は、
検出原理の連続監視が、発明の構造の結果であり、付加
的な検査機能は、系が力センサーとして動作することを
検査するために必要とされないことにおいて、設計に組
み込まれる。この固有の自己検査機能は、安全系におけ
る応用に対して特別に重要である。発明の非常に重大な
見地は、この自己検査機能が、加速度計に余分な費用を
付加しないことである。

【００２２】そのような加速度計を設計する際に、大き
な柔軟性が、存在する。バネの数、バネの位置、バネの
形状、及び質量の形状は、シリコンプロセス技術及び表
面微細加工方法におけるミクロ機械学によって可能にさ
れたほとんど無限の可能解に対して変化される。最も重
要な限界は、選定された振動モードが、高Ｑ因子を有さ
なければならないことである。これらの新実施態様のミ
クロ機械的構造を設計する複雑さのために、有限要素の
コンピュータモデル化の拡張使用が、高感度、分解能と
直線性特徴を有する優れた設計を発展させるために必要
とされる。

【００２３】この原理によって設計された加速度計、流
量センサー、及び力センサーは、集積回路処理及び製造
技術から公知なプロセスと組み合わされた単結晶シリコ
ンの微細加工によって処理される。実施態様はまた、ポ
リシリコンの表面微細加工と、電気防食酸化層の使用に
よって実施される。

【００２４】本発明を特性付ける特徴は、添付のクレイ
ムにおいて記載される。さらに、発明の好ましい非限定
的な実施態様は、添付の図面を参照して以下の説明にお
いて記載される。

【００２５】

【実施例】上記の如く、発明は、多数の種々の幾何学的
設計と種々の励振及び検出方法によって実現される。

【００２６】ここで請求された発明は、好ましい実施態
様の実施例の次の説明からより良く理解されるであろ
う。図１を参照すると、力変換器１０が、シリコン基板
１５において作製される。変換器は、たわみ質量２０
を、質量の両端部において２つの薄いたわみバネ３０と
３１において懸架させて構成され、該バネは、シリコン
基板１５から作成した剛性フレーム１６に固定される。
この実施態様のたわみ質量２０は、扁長の多角形であ
り、ある厚さＴ１を有する。２つのバネ３０と３１は、
質量２０の厚さよりも小さい厚さＴ２を有し、それらの
主軸を同一方向Ｙにして位置し、図１に見られる如く、
一つの表面は、質量２０の表面の一つの平面にあり、バ
ネ３０と３１の半厚位置における縦中央平面を、質量２
０の中央平面に対して偏心させる。この装置の幾何学的
形状は、無限数の直線及びねじり共振モードを有する。
図１の実施態様の限界寸法は、図２において示される。
力変換器として作用するこの実施態様の機能性は、図２
に示された特徴の正しい組み合わせによる。即ち、
（i）厚さ方向におけるバネ３０、３１と質量２０の中
央平面の偏心率Ｅ１、（ii）バネ３０、３１の偏心率Ｅ
２、（iii）角度αとして規定された図１における質量
２０の縦方向に関するバネの主軸の定位である。バネ３
０と３１の厚さＴ２を３マイクロメートルに、それらの
長さを１４５マイクロメートルに、それらの幅を３４マ
イクロメートルに、質量２０の厚さＴ１を２０マイクロ
メートルに、質量の中央線の長さを１０２０ミクロン
に、質量の中央区分の幅を２６０ミクロンに選定するこ
とにより、４１２ｋＨｚのモード７共振振動数が見いだ
され、共振振動数シフトの加速度感度は３．８Ｈｚ／ｇ
であった。６９７ｋＨｚのモード９共振振動数に対し
て、加速度感度は、１０．３Ｈｚ／ｇであった。図３ａ
は、モード９の算出ノード線による設計を示し、図３ｂ
に示されたモード９の質量とバネによる中央線の対応す
る移動を有する。共振モードの減衰は、共振器の回りの
ガス圧力の機能であり、真空において最低減衰と最高Ｑ
因子を与える。

【００２７】図１の好ましい実施態様は、例えば、前述
の如く、多様な励振方法と検出方法によって実現され
る。図１の実施態様のさらに詳細な実施例は、拡散抵抗
によって設けられた熱励振の使用と、ピエゾ抵抗の使用
による共振振動数のピックアップを含む。実施態様は、
図３に示された如く、共振モード９において振動するよ
うに設計された構造に対して図４を参照して記載され
る。図４において、励振抵抗器２１ａ、２１ｂと２２
は、たわみ質量２０の表面に一体化される。これらの抵
抗器は、図３ａと図３ｂにおいて示された如く、共振モ
ード９の最大かたよりの線において位置する。電気接続
部、低オーム拡散導体又は薄膜金属相互接続を使用し
て、標準シリコン集積方法によって抵抗器へ行われる。
励振抵抗器２１ａと２１ｂは、相互接続線５１と５２に
並列に接続され、ワイヤボンディング領域６１と６２に
おいて終端される。励振抵抗器２２は、相互接続線５３
と５２を介して、ワイヤボンディング領域６３と６２に
接続される。この詳細な実施例において、励振抵抗器
は、相互接続線の数を最小まで減らすために、相互接続
線５２とワイヤボンディング領域６２を介して、共通基
準と接続される。励振抵抗器は、相互接続線４１、４２
と４３を介して、電子回路４０に結合される。共振移動
の検出のために、ピエゾ抵抗器３２が、バネ３０の端部
の近くの表面において位置する。受動整合抵抗器３３
は、この例において、シリコンチップ１５の剛性周囲領
域１６において位置し、こうして、チップにおいて位置
する半測定ブリッジを形成する。半ブリッジは、チップ
１５における相互接続線５５、５６と５７、ワイヤボン
ディング領域６４、６５と６６によって設けられた接続
部、及び相互接続線４４、４５と４６を介して、電子回
路４０に接続される。共振モード９における励振は、共
振モード９の質量共振振動数に等価な振動数において、
励振抵抗器２１ａ、２１ｂと２２を通して電力パルスを
送り込むことにより行われる。抵抗器２２は、抵抗器２
１ａと２１ｂに設けられたパルスに関して１８０度位相
シフトされた電気パルスによりパルス化される。抵抗器
によって消費された電力は、たわみ質量のそれぞれの領
域を加熱させ、熱膨張により膨張させ、このようにし
て、質量バネ系２０、３０、３１において機械力を設定
し、共振構造を、共振モード９の振動数において振動さ
せる。技術における当業者には、抵抗器２１ａと２１ｂ
はまた、同一点加熱効果を獲得するために直列に結合さ
れることは明らかである。それらはまた、質量バネ系に
おいて他の領域に位置する。質量バネ移動の検出は、た
わみ質量バネ系における高応力領域において位置する単
一要素ピエゾ抵抗器あるいは半ブリッジ又は全ブリッジ
ピエゾ抵抗器配置によって行われる。完全な質量バネ系
が共振モードにおいて曲がる時、ピエゾ抵抗器３２にお
ける機械的応力は、この点における応力で変化し、こう
して、質量バネ系の共振振動数で変化する、例えば、半
ブリッジ３２、３３からの出力において信号を生ずる。
ブリッジからの出力信号は、電子回路４０へフィードバ
ックされる。電子回路４０は、多数の異なる方法におい
て実現される。一つの非常に公知な方法は、その共振振
動数において質量バネ系を保持し、適正な出力信号で読
み取られる位相同期ループ又は自励振動ループとして構
成することである。質量バネ系が質量の表面の平面に垂
直なＺ方向において加速力を受ける時、付加力が、質量
バネ系において設定され、これにより、検出共振振動数
を変化させる。詳細な実施態様は、実施例としては、Ｚ
方向における加速力への直線応答を有する。

【００２８】技術における当業者には、他の共振モード
が、負荷力を検出するために使用される特定共振モード
に対する最大かたよりの領域において同様にして抵抗器
を配置することにより、質量バネ系によって使用される
ことは明らかである。さらに一般には、加速度検知共振
モードにおける励振は、質量バネ系において一つ、２つ
又はそれ以上の抵抗器を有することにより行われ、これ
らの抵抗器は、励振される共振モードの振動数において
パルス加熱され、検出は、振動構造における高応力領域
において位置するピエゾ抵抗器によって行われ、励振及
び検出構成要素は、位相同期ループ又は自励振動ループ
電子回路に組み込まれる。

【００２９】図４の力変換器は、従来のシリコンウェー
ハ処理方法及びシリコン微細加工技術を使用することに
より製造される。図５ｅは、線Ｙ１−Ｙ２に沿った図４
の実施態様の断面図を示す。処理方法は、図４の断面Ｙ
１−Ｙ２を参照して、図５においてさらに具体的に示さ
れる。処理は、＜１−０−０＞Ｐ形シリコン基板１５に
おいて開始される。最初の２つの主要段階は、Ｎ形領域
として、質量２０の厚さＴ１とバネ３０、３１の厚さＴ
２を形成し、Ｐ形シリコンの選択的エッチングを可能に
し、プロセスシーケンスにおける後の段階においてＰＮ
接合に対してエッチングを停止することである。標準第
１光学リソグラフィマスキング及びエッチング段階によ
り、質量２０のパターンが、規定され、イオン注入によ
ってドープされ、図５ａにおいて示された如く、質量厚
Ｔ１に対応する正しい深さまで拡散される。第２マスキ
ング段階は、バネ領域３０と３１を含む装置の完全な表
面と、質量周囲の外側の領域を覆うＮ形領域１９を規定
する。このＮ形領域１９は、イオン注入ドーピングに続
いて、押込み拡散段階を行い、図５ｂにおいて与えられ
た如く、層１９のバネ厚Ｔ２に対応するＰＮ接合の深さ
までＮ形ドーパントを拡散させることにより作成され
る。シリコンプロセス技術になじみの人達には、このＮ
形層はまた、エピタキシャル層を成長させ、分離マスキ
ング及びホウ素ドーピング段階によりＰ電極のためのＰ
形接点をドーピングすることにより作成されることは明
らかである。励振抵抗器２１ａ、２１ｂ、２２、ピエゾ
抵抗器３２と受動抵抗器３３は、Ｐ形抵抗器としてＮド
ープ層の表面に拡散され、相互接続部５１、５２、５
３、５５、５６と５７は、図５ｃにおいて示された如
く、次の段階として従来のシリコン処理により低オーム
Ｐ形拡散部として拡散される。次の段階は、金属接続領
域６１、６２、６３、６４、６５、６６を作成し、図５
ｄにおいて示された如く、窒化シリコン８０の如く適正
な非常に公知なマスキング技術を使用することにより、
Ｐ基板１５、Ｎ形質量２０とＮ形バネ領域３０、３１の
間のＰＮ接合に対して停止する選択的エッチングを使用
するものである。これは、質量バネの回りの薄いＮ領域
を通したドライシリコンエッチングによって従われ、こ
れにより、図５（ｅ）において示された如く、装置の質
量２０とバネ３０と３１を離型させる。これは、発明の
実施態様の詳細な例の処理を完了し、そして力センサー
は、力センサー空洞パッケージに組み込まれ、又は電子
回路４０とともにパッケージに一体化される。

【００３０】図６は、図５の方法の修正方法を示す。第
６ａと図６ｂの段階は、図５ａと図５ｂと同様である。
図６ｃの段階において、図５の段階とは対照的に、励振
抵抗器２１ａ’、２１ｂ’、２２’、ピエゾ抵抗器３
２’と受動抵抗器３３’は、技術における専門家には公
知な方法で、薄膜抵抗の堆積から作成される。同様に、
導体膜５２’と５６’は、技術における専門家に公知な
方法で堆積され、抵抗器と導体の正確な寸法は、従来の
エッチングプロセスを通して決定される。図６ｄと図６
ｅのストップにおいて、図５ｄと図５ｅに対して説明さ
れたと同様のエッチングプロセスが、実施される。

【００３１】図７は、図４の実施態様の変形であり、基
本的差異は、励振がバネ３１の一方において生成され、
そして検出が他方のバネ３０において行われることであ
る。電子回路７０は、励振組立品９７と検出組立品９２
へ接続するために設けられる。図７の高レベルブロック
電子回路において示された励振組立品は、拡散又は堆積
薄膜形抵抗器のいずれかの２つの抵抗器９８と９９を含
む。抵抗器９８と９９は、相互接続線７５による接触領
域７２への共通接続部を有する。抵抗器９８は、相互接
続線７４を介して、接触領域７１と接続する。抵抗器９
９は、相互接続線７６を介して接触領域７３と接続す
る。電子回路７０は、ビーム質量２０において振動モー
ドを生成するために、脈動電流により選択的に抵抗器９
８と９９を設けるために、それぞれのワイヤ７７、７８
と７９を介して接触領域７１、７２と７３と接続し、該
振動モードは組立品９２によって検出可能である。検出
組立品９２は、相互接続線８４〜８７を介して、接触領
域８０、８１、８２と８３と接触させて、ホイートスト
ーンブリッジ式に接続されたピエゾ抵抗器９３〜９６を
有する。さらに、接触領域８０、８１、８２と８３は、
それぞれ、ワイヤ８８、８９、９０と９１を介して、電
子回路７０と相互接続される。わずかに２つの励振抵抗
器９８と９９が示されたが、本実施態様は単に例示であ
り、異なる数のパルス加熱抵抗器が考えられる。ピエゾ
抵抗器組立品９２において、ホイートストーンブリッジ
構造が設けられる。ピエゾ抵抗器９３と９５は、横形抵
抗器であり、そしてピエゾ抵抗器９４と９６は、縦形抵
抗器である。しかし、図４のピエゾ抵抗器３２と３３の
ような検出器対が、図７において示された如く、発明の
代替物において考えられる。

【００３２】電子回路７０は、図４の対応する回路４
０、図１４の回路１７０、又は図１５の回路２７０とと
もに、すべて、電流又は電圧形式において交番又はパル
ス状励振信号を生成することができ、そしてさらに、ビ
ーム質量２０への印加力の結果として、検出器出力にお
ける変化を検出するための手段を有する。検出器出力と
検出器出力の変化を検出するとともに、そのような励振
信号を生成するための特定手段は、すべて、技術におけ
る専門家には非常になじみの形式である。

【００３３】図１の実施態様例と図３の共振モード９
が、図に示された第３の詳細な実施態様を参照して、励
振モードとして静電力を使用し、検出モードとして容量
変化を使用することによりいかに実現されるかが、以下
に説明される。この実施態様は、同一形式のシリコン基
板１５に基づき、同一のたわみ及び導電性質量２０が、
質量の対向側における２つのたわみ導電バネ３０と３１
によって懸架され、これらのバネは、基板１５の剛性フ
レーム１６に固定される。非ドープの半絶縁ポリシリコ
ンふた１１０は、短い距離をおいて質量２０とバネ３
０、３１の領域上に構成され、フレーム１６によって支
持され、かつフレーム１６に載置し、絶縁層（不図示）
によって覆われる。断面Ｙ１０−Ｙ１１は、質量２０と
バネ３０、３１の表面の平面に垂直な平面に沿ってふた
１１０に沿って作成され、振動モード９を行うための励
振電極１２１ａ、１２１ｂと１２２と、検出器キャパシ
タとして作用するための電極１３２を示す。これらの電
極とそれらの相互接続線１５１、１５２と１５３は、図
８において示された如くパターンを有するタングステン
等のドープされた低オームポリシリコン導体又は高温抵
抗薄膜金属として、ポリシリコンふたの底面側において
作成される。これらの線１５１〜１５３は、それぞれの
電気接触領域１６１、１６２と１６３と接続する。電極
１２１ａと１２１ｂは、導体１５４によって相互接続さ
れる。Ｎ形のドープされた導電性質量２０とバネ３０、
３１は、接触領域１６０を介して接続され、励振電極１
２１ａ、１２１ｂ、１２２のための共通電極を形成し、
そしてまた、第１電極１３２による検出キャパシタのた
めの第２電極を形成する。この時、電子回路１７０（図
４に関連して説明される如く）は、図４の例において与
えられたと同様な方法において、接触領域１６０、１６
１、１６２と１６３を通して電気接続部によってこの実
施態様の装置に結合される。

【００３４】共振モード９の励振は、共振モード９の共
振振動数に等価な振動数において、励振電極に電圧パル
スを印加することにより行われる。電極１２２は、電極
１２１ａと１２１ｂへ印加された電圧パルスと比較し
て、１８０度位相シフトされた電圧パルスによりパルス
化される。電極と質量の間の電界は、電極と質量の間に
静電力を設定し、これにより、電界の方向において質量
の曲げを生じさせ、振動モード９の振動数において質量
バネ系を振動させる。加速度感度は、電気部品ではな
く、シリコンのみの機械的寸法と弾性特性によって規定
されるために、この実施態様の感度は、図２の実施態様
と同様であり、質量バネ系の同一機械的寸法を有する。

【００３５】図８による力変換器の詳細な実施態様は、
従来のシリコンウェーハ処理方法及びシリコン微細加工
技術を使用することにより製造される。処理方法は、図
１０を参照し、さらに、図８の断面Ｙ１０−Ｙ１１を参
照して、さらに十分に理解される。図１１ｆは、図８の
断面図Ｙ１０−Ｙ１１を示す。処理は、図４の実施態様
と同様に、＜１−０−０＞Ｐ形シリコン基板１５におい
て開始される。最初の２つの主要段階の結果は、図１０
ａにおいて示され、そしてＮ形領域として質量の厚さＴ
１とバネの厚さＴ２を形成し、Ｐ形シリコンの選択的エ
ッチングを可能にし、プロセスシーケンスにおける後の
段階においてＰＮ接合に対するエッチングを停止するこ
とである。標準光学リソグラフィマスキング及びエッチ
ング段階により、質量２０のパターンが、規定され、イ
オン注入によってドープされ、質量厚Ｔ１に対応する正
しい深さまで拡散され、その後、バネのパターンに対す
る付加的なフォトエッチング及びドーピング段階が行わ
れるが、質量の回りにバネの側部に沿って非ドープのＰ
領域を残し、後の段階において、完全な質量バネ系を、
ＰＮ接合プロセスに対するエッチストップにより基板１
５の原表面までエッチングさせる。図１０ｂにおいて、
フッ化水素酸において高エッチング率を有する酸化物１
５０のパターンが、低温蒸着（ＬＴＯ）によって堆積さ
れ、プロセスシーケンスにおける後の段階において、電
気防食層として使用される標準フォトエッチング技術に
よって形成される。図１０ｃにおいて、線１５１と１５
２のみが図８の断面Ｙ１０−Ｙ１１において現れた相互
接続線１５１、１５２、１５３と１５４のすべてを含
む、図８の完全な相互接続パターンとともに、導電性ポ
リシリコン又はタングステン電極１２１ａ、１２１ｂ、
１２２、１３２が示される。図１０ｄにおいて示された
次の段階において、ふたに対して半絶縁性の非ドープの
ポリシリコン材料が、堆積され、電気防食層１５０、電
極とふた１１１のための支持フレーム上に形成される。
ホールは、電気接触部位１６０、１６１、１６２と１６
３の領域において半絶縁性ポリシリコンに形成される。
図１０ｄと図１０ｅにおいて示された如く次の段階は、
アルミニウム電気接点１７０、１７１、１７２、１７３
を、接触部位１６０、１６１、１６２、１６３へ形成し
（接点１７０のみが、対応する部位１６０に関して示さ
れた）、エッチマスク１８０を使用して、質量２０とバ
ネ３０、３１の回りの基板においてＰＮ接合まで完全に
Ｐ形シリコンを除去するために、エッチストッププロセ
スを行うものである。このエッチング段階において、Ｐ
形シリコンは、質量２０の回りとバネ３０、３１の側部
に沿って除去され、これらの領域において電気防食層１
５０を残し、露出させる。図１１ｆにおいて示された最
後の段階において、電気防食酸化層１５０は、電気防食
層１５０のエッチングの完了後除去されるポリイミドで
金属を有するウェーハの前面側をマスクすることにより
フッ化水素酸ＨＦにおいて除去される。これは、処理を
完了し、ふた１１０、電極１２１ａ、１２１ｂ、１２
２、１３２と、及びふた１１０における相互接続線１５
１、１５２、１５３、１５４の間の空所１７４を残し、
同時に、質量バネ系を、該空間内で制御された方式で自
由に移動可能にする。この詳細な実施態様は、共振モー
ドにおいて質量バネ系を駆動及び保持し、電気出力信号
を条件付けるために必要とされる適正な電気回路を含む
系へ組み込まれる。

【００３６】図１の実施態様と図３の共振モードは、図
１１の実施態様に関して、即ち、励振モードとして静電
力を、検出モードとして容量変化を使用することによ
り、さらに記載され、こうして、発明の第４の詳細な実
施態様が記載される。この実施態様は、たわみ質量とバ
ネにおいてポリシリコン材料を使用することにより異な
る方法を使用する。この方法により、実施態様は、特別
なプロセス段階を集積回路プロセスへ追加することによ
り、単一チップにおいて電気回路と一体化されるが、そ
れに接続された関連電子回路を有する分離センサーチッ
プとして構成される。図９を参照すると、たわみ導電性
質量２２０は、質量の対向側において２つのたわみ導電
性バネ２３０と２３１を用いて懸架される。これらのバ
ネは、固定領域２１７と２１８において基板２１５へ確
実に接続される。質量バネ系は、基板２１５とふた２１
０の間に自由に懸架されるために両表面に隣接した空所
を備える。ふた２１０は、非ドープの半絶縁ポリシリコ
ンで作られ、異なる区分２１０ａ、２１０ｂと２１０ｃ
が、質量２２０とバネ２３０、２３１から短い距離をお
いて構成され、固定領域２１６により基板２１５に支持
され載置する。断面Ｙ２０−Ｙ２１は、質量とバネの表
面平面に垂直な平面に沿ってふた２１０を通って形成さ
れる。基板は、相互接続線２５４によって結合された励
振電極２２１ａと２２１ｂと、励振電極２２２を支持
し、これらの電極と質量バネ系２２０、２３０、２３１
の間に設けられた狭いエアーギャップで静電力により図
３に示された振動モードを実施する。図１２に示された
如く、これらの電極と相互接続線２５１、２５２と２５
３は、基板２１５の表面において作成され、図３に示さ
れた共振モードのための質量２２０の最大かたよりの領
域において配置される。容量板２４１ａ、２４１ｂと２
４２は、ふた２１０の最上位置の中央区分２１０ａの底
面において位置し、導電性質量２２０により、可変容量
値を有するキャパシタを形成し、質量２２０は、こうし
て、単一対向電極を形成し、中央区分２１０ａと質量の
間のエアーギャップは、こうして生成されたキャパシタ
の誘電体を形成する。質量２２０によって生成された単
一共通電極は、バネ２３０、接触領域２１７と相互接続
線２５０を介して、接触領域２６０へ電気的に接続され
る。相互接続線２５９と結合された容量板２４１ａ、２
４１ｂと、相互接続線２５３と２５４により電気接続部
とワイヤボンディング領域２６３と２６４へ結合された
板２４２のパターンは、図１２ｂにおいて示される。図
１２ａと図１２ｂの電極と相互接続パターンは、ドープ
された導電性ポリシリコンから最も効果的に作成され
る。電気回路２７０（図１５に関連してさらに説明され
る如く）は、図５の例において与えられたと同様にし
て、接触領域２６０、２６１、２６２、２６３と２６４
への電気接続部により質量バネ系へ結合される。

【００３７】図１１によりこの第３実施態様による共振
モードの励振は、共振モード振動数に等価な振動数にお
いて、励振電極２２１ａ、２２１ｂ、２２２への電圧パ
ルスにより行われる。電極２２２は、電極２２１ａと２
２１ｂへ印加された電圧パルスに関して１８０度位相シ
フトされた電圧パルスによりパルス化される。電極２２
１ａ、２２１ｂ、２２２と質量２２０の間の電界は、こ
れらの電極と質量２２０の間に静電力を設定し、電界の
方向において質量の曲げを生じさせ、これにより、図３
による振動モード振動数において、振動バネ系２２０、
２３０、２３１において振動を生じさせる。この第４実
施態様の加速度感度は、含められた電気部品ではなく、
ポリシリコン質量バネ系のみの機械的寸法と弾性特性に
よって規定される。

【００３８】図１１の力変換器は、従来のシリコンウェ
ーハ処理方法を使用し、図１３において例示された如
く、電気防食層を使用する表面微細加工により製造され
る。図１３は、図９において線Ｙ２０−Ｙ２１によって
表記された平面に沿った断面図を示す。図１３は、こう
して、使用される主要プロセス段階を示す。処理は、図
１３ａに示された如く、頂部にパッシベーション層２１
１を有するシリコン基板２１５において開始される。基
板２１５は、その共振モードにおいて質量バネ系を起動
及び維持するための電子回路のすべて又は部分と、発明
のこの実施態様とともに使用される他の信号条件付け回
路を多分含む。図１３ｂにおいて、励振電極２２１ａ、
２２１ｂと２２２のパターンと（図１２ａにおいて示さ
れた如く）相互接続線は、ドープされたポリシリコンの
層において形成される。この頂部において、第１電気防
食酸化層２８０が、化学蒸着によって堆積され、図１１
において示されたふた部品２１０ａ、２１０ｂによって
覆われた領域において標準フォトエッチング技術によっ
て形成される。図１３ｃにおいて、固定領域２１７と２
１８を有するバネ２３０と２３１の形状又はパターン
が、ポリシリコンの薄層を堆積し、この層をフォトエッ
チングし、共振質量バネ系の質量２２０を形成するため
に、より薄い導電性ポリシリコン層をさらに堆積するこ
とにより形成される。ポリシリコン質量とバネはまた、
最初に質量を、その後、バネと支持領域を堆積しエッチ
ングすることにより作成される。その後、第２電気防食
層２８１は、図１１のふた部品２１０ａ、２１０ｂと２
１０ｃによって覆われた領域において、図１３ｄにおい
て示された如く、堆積及び形成される。この第２電気防
食２８１の頂部において、キャパシタ板２４１ａ、２４
１ｂと２４２と、図１２ｂにおいて示されたそれぞれの
相互接続線は、図１３ｅにおいて示された如く、導電性
のドープされたポリシリコンの層を堆積し、この層にお
いて必要なパターンをフォトエッチングすることにより
形成され、続いて、ふた２１０ａ、２１０ｂ，２１０ｃ
のパターンとふたの固定領域２１６において形成される
非ドープの半絶縁ポリシリコンの薄層を堆積し、電気接
続領域２６０、２６１、２６２、２６３と２６４まで層
におけるホールのエッチングを行う。図１３ｆを参照す
ることにより、発明の第３実施態様の処理が、電気接続
領域２６０、２６１、２６２、２６３と２６４において
アルミニウムパッド２７０、２７１、２７２、２７３と
２７４（パッド２７０のみが図１３ｆにおいて示され
る）の堆積とエッチングを行い、図１１の領域２１０ｂ
と２１０ｃにおいて示された如く、ふた２１０を通して
多数の小ホール２９２と２９３をエッチングし、ポリイ
ミドによりアルミニウム接続パッド及び線をマスクする
ことによりＨＦにおいて電気防食層をエッチングし、電
気防食層２８０のエッチングの完了後、ポリイミドを除
去することにより完成される。図１３ｆにおいて示され
た如く、本実施態様は、こうして完成され、質量バネ系
２２０、２３０、２３１の回りに空気容積２９０と２９
１を残し、固定領域２１７において基板２１５に有効に
固定されたバネ２３０、固定領域２１８において基板に
固定されたバネ２３１とｚ方向において自由に移動す
る、即ち、基板に直角に移動する薄いたわみ質量２２０
とを懸架系に設け、この方向は、本実施態様の検知方向
となる。

【００３９】図１４は、図８の実施態様に対して使用さ
れる高レベル電子回路図を示す。励振電圧信号は、電子
回路１７０から接触領域１６０、１６１と１６２を介し
て、第３キャパシタ１２２の電極へ供給された励振信号
に関して１８０度位相がずれて、第１キャパシタ１２１
ａの電極と第２キャパシタ１２１ｂの電極に供給され
る。質量２０の移動は、質量の端部と検出キャパシタ１
３２の電極の間の距離の変化につながり、印加された機
械的振動と同一振動数を有する容量変化を生ずる。キャ
パシタ１３２からの信号は、接触領域１６３を介して、
電荷増幅器１８０へ送られ、その後、自励振動ループ又
は位相同期ループとして構成された電子回路１７０に送
られる。

【００４０】図１５は、図１１の実施態様に対して使用
される高レベル電子回路図を示す。電子回路２７０から
接触領域２６０、２６１と２６２を介した励振電圧信号
は、第３キャパシタ２２２の電極へ供給された励振信号
と１８０度位相がずれて、第１キャパシタ２２１ａの電
極と第２キャパシタ２２１ｂの電極へ供給される。質量
バネ系における共振振動は、図３ｂにおいて示された如
く、質量２０に沿ったかたよりにつながり、質量２０と
キャパシタ２４１ａ、２４１ｂと２４２の対向電極の間
の距離の時変変化につながり、キャパシタ２４２におけ
る信号は、キャパシタ２４１ａと２４１ｂにおける信号
と１８０度位相がずれる。検出キャパシタ２４１ａ、２
４１ｂと２４２からの信号は、自励振動ループ又は位相
同期ループとして構成された接触領域２６０、２６３と
２６４を介して、電子回路２７０へ送られる。

【００４１】こうして、好ましいモードにおいて、発明
は、保証質量が曲がる及び／又はねじれるために十分に
薄いようにして、全力検知質量バネ系において規定共振
振動モードを設ける。共振モードは、こうして、バネと
質量の「一体化」移動として設定される。加速度又は流
体圧力が、バネと質量の機械的応力と剛性を変化させ、
これにより、質量バネ系の共振振動数の変化を生じさせ
る。

【００４２】保証質量が、剛体として有効に作用するよ
うな厚さを有するならば、振動は、バネの曲がり及び／
又はねじれと相互作用する、保証質量の並進及び／又は
回転移動によって設定される。加速度又は他の外力源
は、バネにおける応力を変化させ、これにより、バネの
剛性の変化を生じさせ、実施された振動モードの共振振
動数を変化させる。サイズモ式質量バネ系自体は、低減
衰（高Ｑ因子）を有する共振モードに設定及び保持され
た振動質量バネ系と全く同一の設計である。

【００４３】本発明の主なる特徴及び態様は以下のとお
りである。

【００４４】１．加速度又は圧力における変化により力
を検知するための力センサー装置において、共振振動数
において振動を受け、支持フレームに両端部においてビ
ームを連結する一対のシリコンバネ手段を用いて懸架さ
れたシリコン材料のビームの形態における保証質量であ
り、ビームは、第１厚であり、扁長の多角形の形式を有
し、該シリコンバネ手段の各々が、該ビームの一方の面
と同一平面の第２の小厚であり、該ビームの短側の一方
の端部において直角をなし、該シリコンバネ手段は該ビ
ームの最も離間した部位において位置する保証質量と、
ビームの制御された振動モードを生ずる、該ビーム内に
膨張及び収縮力を生成するための手段と、該センサー装
置に作用する印加力による該ビームにおける振動数変化
とバネ剛性の関連変化を検出するために設けられた手段
とを具備する力センサー装置。

【００４５】２．該ビームが、電気抵抗手段を備え、該
シリコンバネ手段を介した交流又は脈流電流の印加が、
該ビーム内に該膨張及び収縮力を設けるために、該ビー
ムにおいて対応する発熱を生ずる上記１に記載の装置。

【００４６】３．該ビームが、キャパシタ手段の一部を
形成し、交流又は脈流電圧を印加した該手段が、該ビー
ム内に該膨張及び収縮力を設けるために、該ビームに沿
って選択位置において対応する可変静電気力を生成する
上記１に記載の装置。

【００４７】４．該検出手段が、該シリコンバネ手段に
おいて位置する一つ以上のピエゾ抵抗要素を含む上記１
又は２に記載の装置。

【００４８】５．該検出手段が、該ビームとそれに隣接
する基準キャパシタ部材の間の容量変化を検出するため
の手段を含む上記１又は３に記載の装置。

【００４９】６．該一つ以上のピエゾ抵抗要素が、ホイ
ートストーンブリッジ構造の少なくとも一部を電気的に
形成する上記４に記載の装置。

【００５０】７．該励振手段と該検出手段へ接続された
電子回路をさらに具備し、該回路が、該励振手段へ励振
信号を設ける手段と、連続自己検査モードにおいて該検
出手段からの出力信号を検出するための手段と、該出力
信号における状態変化が指定しきい値よりも大きいなら
ば、動作信号を開始するための手段とを有する上記１に
記載の装置。

【００５１】８．該キャパシタ手段の一部が、該ビーム
を覆う隣接するふた上に位置する上記３又は５に記載の
装置。

【００５２】９．該ビームが、基板のフレームにおいて
懸架され、該ビームと該基板の表面の間に空所を有し、
該ビームが、該ふた上に位置する該キャパシタ手段の該
一部と該基板表面において位置するさらに他のキャパシ
タ部手段の両方に対して共通キャパシタ電極を形成する
上記５又は８に記載の装置。

【００５３】１０．該ビーム、該シリコンバネ手段、該
励振手段、該検出手段及び該電子回路が、共通シリコン
基板において位置する上記７に記載の装置。

【００５４】１１．加速度又は圧力における変化により
力を検知するための力センサー装置において、共振モー
ド振動数において振動を受け、支持フレームに両端部に
おいてビームを連結する一対のシリコンバネ手段を用い
て懸架されたシリコン材料のビームの形態における保証
質量であり、ビームは、第１厚さであり、扁長の形式を
有し、該シリコンバネ手段の各々が、第２の小厚で、該
ビームの表面と同一平面である保証質量と、ビームの制
御された振動モードを生ずる、該ビーム内に膨張及び収
縮力を生成するための手段と、該センサー装置に作用す
る印加力による該ビームにおける振動数変化とバネ剛性
の関連変化を検出するために設けられた手段とを具備す
る力センサー装置。

【００５５】１２．該ビームが、電気抵抗手段を備え、
該シリコンバネ手段を介した交流又は脈流電流の印加
が、該ビーム内に該膨張及び収縮力を設けるために、該
ビームにおいて対応する発熱を生ずる上記１１に記載の
装置。

【００５６】１３．該ビームが、キャパシタ手段の一部
を形成し、交流又は脈流電圧を印加した該手段が、該ビ
ーム内に該膨張及び収縮力を設けるために、該ビームに
沿った選択位置において対応する可変静電場力を生成す
る上記１１に記載の装置。

【００５７】１４．該検出手段が、該シリコンバネ手段
において位置する一つ以上のピエゾ抵抗要素を含む上記
１１又は１２に記載の装置。

【００５８】１５．該検出手段が、該ビームとそれに隣
接する基準キャパシタ部材の間の容量変化を検出するた
めの手段を含む上記１１又は１４に記載の装置。

【００５９】１６．該一つ以上のピエゾ抵抗要素が、ホ
イートストーンブリッジ構造の少なくとも一部を電気的
に形成する上記１４に記載の装置。

【００６０】１７．該励振手段と該検出手段へ接続され
た電子回路をさらに具備し、該回路が、該励振手段へ励
振信号を設ける手段と、連続自己検査モードにおいて該
検出手段からの出力信号を検出するための手段と、該出
力信号における状態変化が指定しきい値よりも大きいな
らば、動作信号を開始するための手段とを有する上記１
１に記載の装置。

【００６１】１８．該キャパシタ手段の一部が、該ビー
ムを覆う隣接するふた上に位置し、空所をそれらの間に
具える上記１３又は１５に記載の装置。

【００６２】１９．該ビームが、基板のフレーム部にお
いて懸架され、該ビームと該基板の表面の間に空所を有
し、該ビームが、該ふたにおいて位置する該キャパシタ
手段の該一部と該基板表面において位置するさらに他の
キャパシタ部手段の両方に対して共通キャパシタ電極を
形成する上記１８に記載の装置。

【００６３】２０．該ビーム、該バネ、該励振手段、該
検出手段及び該電子回路が、共通シリコン基板において
位置する上記１７に記載の装置。

【００６４】２１．該ビームが、多角形である上記１に
記載の装置。

【００６５】２２．該ビームが、六角形である上記２１
に記載の装置。

【００６６】２３．該ビームの短側の一方の端部におけ
る該シリコンバネ手段が、直角をなし、この場合、該シ
リコンバネ手段が、該ビームの最も離間した部位におい
て位置する上記２２に記載の装置。

【００６７】２４．該ビームの該振動が、並進である上
記１又は１１に記載の装置。

【００６８】２５．該振動が、ねじれ動作である上記１
又は１１に記載の装置。

【００６９】２６．該励振及び検出手段が、該ビームの
振動モードの間の中途の部位において位置する上記１又
は１１に記載の装置。

【００７０】２７．該ビームと該バネが、ｐｎ接合に対
するエッチストッププロセスによって作成される上記１
又は１１に記載の装置。

【００７１】２８．加速度又は圧力における変化により
力を検知するための力センサー装置において、共振振動
数において振動を受け、支持フレームに両端部において
ビームを連結する一対のシリコンバネ手段を用いて懸架
されたシリコン材料のビームの形態における保証質量で
あり、ビームが、第１厚であり、扁長の六角形の形式を
有し、該シリコンバネ手段の各々が、該ビームの一方の
面と同一平面の第２の小厚であり、該ビームの短側の一
方の端部に対して直角をなし、該シリコンバネ手段は該
ビームの最も離間した部位において位置する保証質量
と、ビームの制御された振動モードを生ずる、該シリコ
ンバネ手段の第１内に膨張及び収縮力を生成するための
手段と、該センサー装置に作用する印加力による該ビー
ムにおける振動数変化とバネ剛性の関連変化を検出する
ために設けられた手段とを具備する力センサー装置。

【００７２】２９．該第１シリコンバネ手段が、電気抵
抗手段を備え、交流又は脈流電流の印加が、該膨張及び
収縮力を設けるために、該第１シリコンバネ手段におい
て対応する発熱を生ずる上記２８に記載の装置。

【００７３】３０．該検出手段が、該シリコンバネ手段
の第２において位置する一つ以上のピエゾ抵抗要素を含
む上記２８又は２９に記載の装置。

【００７４】３１．該一つ以上のピエゾ抵抗要素が、ホ
イートストーンブリッジ構造の少なくとも一部を電気的
に形成する上記３０に記載の装置。

【００７５】３２．該励振手段と該検出手段へ接続され
た電子回路をさらに具備し、該回路が、該励振手段へ励
振信号を設ける手段と、連続自己検査モードにおいて該
検出手段からの出力信号を検出するための手段と、該出
力信号における状態変化が指定しきい値よりも大きいな
らば、動作信号を開始するための手段とを有する上記１
に記載の装置。

【００７６】３３．該ビーム、該シリコンバネ手段、該
励振手段、該検出手段及び該電子回路が、共通シリコン
基板において位置する上記３２に記載の装置。

【００７７】３４．加速度又は圧力における変化により
力を検知するための力センサー装置において、共振モー
ド振動数において振動を受け、支持フレームに両端部に
おいてビームを連結する一対のシリコンバネ手段を用い
て懸架されたシリコン材料のビームの形態における保証
質量であり、ビームは、第１厚であり、扁長の形式を有
し、該シリコンバネ手段の各々が、第２の小厚で、該ビ
ームの表面と同一平面である保証質量と、ビームの制御
された振動モードを生ずる、該シリコンバネ手段の第１
内に膨張及び収縮力を生成するための手段と、該センサ
ー装置に作用する印加力による該ビームにおける振動数
変化とバネ剛性の関連変化を検出するために設けられた
手段とを具備する力センサー装置。

【００７８】３５．該第１シリコンバネ手段が、電気抵
抗手段を備え、該シリコンバネ手段を介した交流又は脈
流電流の印加が、該膨張及び収縮力を設けるために、該
第１シリコンバネ手段において対応する発熱を生ずる上
記３４に記載の装置。

【００７９】３６．該検出手段が、第２の該シリコンバ
ネ手段において位置する一つ以上のピエゾ抵抗要素を含
む上記３４又は３５に記載の装置。

【００８０】３７．該一つ以上のピエゾ抵抗要素が、ホ
イートストーンブリッジ構造の少なくとも一部を電気的
に形成する上記３６に記載の装置。

【００８１】３８．該励振手段と該検出手段へ接続され
た電子回路をさらに具備し、該回路が、該励振手段へ励
振信号を設ける手段と、連続自己検査モードにおいて該
検出手段からの出力信号を検出するための手段と、該出
力信号における状態変化が指定しきい値よりも大きいな
らば、動作信号を開始するための手段とを有する上記３
４に記載の装置。

【００８２】３９．該ビーム、該バネ、該励振手段、該
検出手段及び該電子回路が、共通シリコン基板において
位置する上記３８に記載の装置。

【００８３】４０．該ビームが、多角形である上記２８
に記載の装置。

【００８４】４１．該ビームが、六角形である上記４０
に記載の装置。

【００８５】４２．該ビームの短側の一方の端部におけ
る該シリコンバネ手段が、直角をなし、この場合、該シ
リコンバネ手段が、該ビームの最も離間した部位におい
て位置する上記４１に記載の装置。

【００８６】４３．該ビームの該振動が、並進である上
記２８又は３４に記載の装置。

【００８７】４４．該振動が、ねじれ動作である上記２
８又は３４に記載の装置。

【００８８】４５．該ビームと該バネが、ｐｎ接合に対
するエッチストッププロセスによって作成される上記２
８又は３４に記載の装置。

【図面の簡単な説明】

【図１】厚フレームにおいて支持された質量バネ系を有
する３次元図を示す本発明の図である。

【図２】図１の実施態様に対する限界寸法を説明する。

【図３】（例えば図２の）質量バネ系の加速度検知共振
モード９の移動及びノードと、この同一共振モードに対
する質量とバネの中心線の移動の形状を示す。

【図４】図３において与えられた如く共振モード９の熱
抵抗励振とピエゾ抵抗ピックアップに基づいた加速度計
を示す、図１の実施態様のさらに詳細な実施例の高レベ
ルブロック図である。

【図５】ドライエッチングにより質量バネ系のバルク微
細加工と離型の組み合わせを使用することによる図４の
構造を構成するための一つの方法の主要プロセス段階を
示す。

【図６】図４の構造を構成するための修正方法の主要プ
ロセス段階を示す。

【図７】質量バネ系のバネにおける励振と検出を使用す
る発明の第２の詳細な実施態様を実施例として示す。

【図８】単結晶シリコンにおける共振構造を具備し、共
振構造上に極めて近接して位置する絶縁ポリシリコン板
上に板電極を配置することにより、容量検知と励振のた
めに静電力を使用するこの発明の第３の詳細な実施態様
を実施例として示す。

【図９】図８の実施態様に対する極系及びチップ相互接
続を示す。

【図１０】ＰＮ接合に対するエッチストップによるバル
ク微細加工と、ポリシリコンにおける表面微細加工の使
用の組み合わせを使用することによる、図８の構造を構
成するために使用された主要プロセス段階を示す。

【図１１】堆積されたポリシリコン膜における共振質量
バネ系を具備し、質量バネ系の両側において電極系を構
成することにより、容量検知と励振のために静電力を使
用する、この発明の第４の詳細な実施態様を実施例とし
て示す。

【図１２】相互接続を有する励振電極のパターンと、図
１１の実施態様に対する容量検知板及び相互接続を示
す。

【図１３】共振器の両側においてポリシリコン層と電気
防食酸化層におけるパターンを堆積及びエッチングする
シーケンスを使用することにより、図１１の構造を構成
するために使用された主要プロセス段階を示す。

【図１４】図８の実施態様に対する簡略回路図である。

【図１５】図１１の実施態様に対する簡略回路図であ
る。

【符号の説明】

１０力変換器１５シリコン基板１６剛性フレーム２０たわみ質量３０たわみバネ４１相互接続線５１接続線６１ワイヤボンデイング領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度又は圧力における変化により力を
検知するための力センサー装置において、共振振動数に
おいて振動を受け、支持フレームに両端部においてビー
ムを連結する一対のシリコンバネ手段を用いて懸架され
たシリコン材料のビームの形態における保証質量であ
り、ビームは、第１厚であり、扁長の多角形の形式を有
し、該シリコンバネ手段の各々が、該ビームの一方の面
と同一平面の第２の小厚であり、該ビームの短側の一方
の端部において直角をなし、該シリコンバネ手段は該ビ
ームの最も離間した部位において位置する保証質量と、
ビームの制御された振動モードを生ずる、該ビーム内に
膨張及び収縮力を生成するための手段と、該センサー装
置に作用する印加力による該ビームにおける振動数変化
とバネ剛性の関連変化を検出するために設けられた手段
とを具備する力センサー装置。
【請求項２】加速度又は圧力における変化により力を
検知するための力センサー装置において、共振モード振
動数において振動を受け、支持フレームに両端部におい
てビームを連結する一対のシリコンバネ手段を用いて懸
架されたシリコン材料のビームの形態における保証質量
であり、ビームは、第１厚さであり、扁長の形式を有
し、該シリコンバネ手段の各々が、第２の小厚で、該ビ
ームの表面と同一平面である保証質量と、ビームの制御
された振動モードを生ずる、該ビーム内に膨張及び収縮
力を生成するための手段と、該センサー装置に作用する
印加力による該ビームにおける振動数変化とバネ剛性の
関連変化を検出するために設けられた手段とを具備する
力センサー装置。
【請求項３】加速度又は圧力における変化により力を
検知するための力センサー装置において、共振振動数に
おいて振動を受け、支持フレームに両端部においてビー
ムを連結する一対のシリコンバネ手段を用いて懸架され
たシリコン材料のビームの形態における保証質量であ
り、ビームが、第１厚であり、扁長の六角形の形式を有
し、該シリコンバネ手段の各々が、該ビームの一方の面
と同一平面の第２の小厚であり、該ビームの短側の一方
の端部に対して直角をなし、該シリコンバネ手段は該ビ
ームの最も離間した部位において位置する保証質量と、
ビームの制御された振動モードを生ずる、該シリコンバ
ネ手段の第１内に膨張及び収縮力を生成するための手段
と、該センサー装置に作用する印加力による該ビームに
おける振動数変化とバネ剛性の関連変化を検出するため
に設けられた手段とを具備する力センサー装置。
【請求項４】加速度又は圧力における変化により力を
検知するための力センサー装置において、共振モード振
動数において振動を受け、支持フレームに両端部におい
てビームを連結する一対のシリコンバネ手段を用いて懸
架されたシリコン材料のビームの形態における保証質量
であり、ビームは、第１厚であり、扁長の形式を有し、
該シリコンバネ手段の各々が、第２の小厚で、該ビーム
の表面と同一平面である保証質量と、ビームの制御され
た振動モードを生ずる、該シリコンバネ手段の第１内に
膨張及び収縮力を生成するための手段と、該センサー装
置に作用する印加力による該ビームにおける振動数変化
とバネ剛性の関連変化を検出するために設けられた手段
とを具備する力センサー装置。