JPH10504649A - トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 偏向可能な振動マスが支持手段によってフレームの上に支持されているフォース・トランスデューサが開示されている。この振動マスは、静止時には、平面を含み、任意の力によって偏向すると、静止位置に対して平行な平面を常に維持する。振動マスのどのような偏向も、純粋にトポロジカルに並進運動であり、回転運動は許容されない。本発明によれば、３つの同一の構造を、平坦な半導体ウエハ上にエッチングすることが可能であり、３つの垂直な方向の加速度を決定するのに用いることができる。この構造が偏向すると、その振動マスの表面は、ウエハ表面に対して常に平行であるように維持される。これによって、例えば、電極を振動マスの表面と固定された表面（偏向防止装置など）との上に配置して電極の間のキャパシタンスの変化を測定することによって、偏向の測定を容易に行うことができる。クロス・カップリング効果は、それぞれのトランスデューサは感度を有する方向以外のすべての方向について硬直しているから、無視できる。

Description

【発明の詳細な説明】 トランスデューサ 本発明は、加速度計において用いるトランスデューサ又はそれ以外のフォース ・トランスデューサに関し、更に詳しくは、集積回路を製造する場合と類似する 製造技術を用いて半導体材料のウエハからチップとして作られるマイクロ加速度 計に関する。このようなマイクロ加速度計(micro-accelerometer)は、制御シス テムへの入力部として、自動車及び航空宇宙産業において応用されるが、自動車 産業では、エアバッグのトリガやサスペンション・システムへの入力部として用 いられる。 マイクロ加速度計は、単一の方向に感度を有する単一軸デバイスであるが、三 次元ユニットを形成するように組み立てることができる。すべての３つの次元に 感度を有する単一軸デバイスから構成される三軸マイクロ加速度計は、基板材料 に厚いスライス(thich slice)を必要とする。 加速度計は、その通常の動作範囲の数百倍もの過剰衝撃に耐えなければならず 、損傷を防止するために、偏向防止装置(deflection stops)がその構造の中に組 み入れられているのが普通である。単結晶の半導体材料から作られた加速度計は 、非常に低い機械的損失を示し、加速度の忠実度の高い変換を確実にするために は、減衰を制御しておく必要がある。Allen，Terry，and De Bruin，”Accelero meter system with Self-Testable Features,”Sensors and Actuators，20(198 9)153-161においては、二重カンチレバー構造を有する単一軸の加速度計が開示 されている。この文献は、この出願において、援用する。このようなデバイスは 、４つのシリコン・スプリングを介して支持される振動マス(seismic mass)を有 しており、このマスは、図１ａに示されるように、純粋に並進的(translational )なモードで移動することができる。図１ｂ及び図１ｃに示されるような望まれ ない回転モードもまた、生じる可能性がある。これらの回転モードは、マスの表 面に対して垂直ではない力によって、又は、マスの対称性が欠如している場合に 、生じ得る。マスの少なくとも１つの角（コーナー）が、上向きに偏向する傾向 が あり、そうすると、マスは、ねじれて、シリコン・サポート(silicon support) に不均衡な応力が加わる傾向がある。 欧州特許ＥＰ３２２０９３Ａには、シリコンの単一ウエハから構成される偏向 可能な振動マスが開示されている。このマスは、ウエハの表面に垂直に印加され た力に応答して、直線状に移動する。開示されているすべての実施形態において 、｛１,１,１｝平面における移動が制限されており｛１,１,１｝平面に垂直な平 面とウエハの表面（｛１,０,０｝のシリコン平面）とにおいて偏向するマスが示 されている。このマスは、｛１,０,０｝のシリコン平面に垂直でない力が加わる と、移動し、偏向可能な平面を通じて振動運動(rock)する。欧州特許ＥＰ３２２ ０９３Ａの図５のマスは、可撓性を有する部材２４”及び２６”によって定義さ れる平面の交点に位置する｛１,１,１｝のシリコン平面に平行な直線の周囲を回 転するように制限されている。従って、マスの運動は三次元の中の２つにおいて 結合されており、従って、このデバイスは、単一軸のトランスデューサが要求さ れる応用例には不適切である。更に、開示されているデバイスは、三次元すべて に感度を有する平坦な単一ウエハ・デバイスでの使用にも適さない。前の場合と 同様に、マスの対称性が欠けているので、望まない回転運動が生じてしまう。 三軸単結晶フォース・トランスデューサ(three axes single crystal force t ransducer)の例は、ＷＯ９４／１２８８６に示されている。 本発明の目的は、これらの欠点を有さず、偏向した際の振動マスの運動がマス がその元の位置に実質的に平行であるように維持されるように制約されている、 単一軸のトランスデューサを提供することである。本発明の更なる目的は、半導 体材料の単一のウエハから作られ、三次元デバイスを形成するように構成するこ とのできる単一軸のトランスデューサを提供することである。 本発明の第１の特徴によると、支持手段によってフレーム上に支持された偏向 可能な振動マスを備え、前記振動マスは静止状態では平面を含み、振動マスが任 意の力によって偏向するときに平面を静止位置に実質的に平行に保持することを 特徴とするトランスデューサが提供される。 本発明の第２の特徴によると、支持手段によってフレーム上に支持された偏向 可能な振動マスを備え、任意の力によって偏向するときに振動マスの任意の偏向 は純粋に並進的であることを特徴とするトランスデューサが提供される。 本発明の第３の特徴によれば、第１及び第２の特徴によるトランスデューサを 製造する方法が提供される。 本発明の第４の特徴によれば、第１及び第２の特徴によるフォース・トランス デューサを含む単一軸加速度計が提供される。 本発明の第５の特徴によれば、第１及び第２の特徴によるフォース・トランス デューサを含む三次元加速度計が提供される。 また、本発明によれば、３つの同一の構造を、平坦な半導体ウエハ上にエッチ ングすることが可能であり、３つの垂直な方向の加速度を決定するのに用いるこ とができる。この構造は、その振動マスの表面がウエハ表面に対して常に平行に 維持されるように、偏向する。これによって、例えば、電極を振動マスの表面と 固定された表面（偏向防止装置など）との上に配置し、電極の間のキャパシタン スの変化を測定することにより、偏向の測定を容易に行うことができる。クロス ・カップリング効果(cross coupling effects)は、それぞれのトランスデューサ が感度を有する方向以外のすべての方向については硬直している(stiff)ので、 無視できる 本発明の実施形態を、単に例示によって、以下で詳細に説明するが、その際に 、次の図面を参照する。 図１は、従来技術の運動の３つのモードを示す。 図２は、本発明の第１の実施形態を示す。 図３は、第１の実施形態をエッチングするプロセスを示す。 図４は、第１の実施形態に適した構成を示す。 図５は、本発明の第２の実施形態を示す。 図６は、第２の実施形態に適した構成を示す。 図７は、第２の実施形態の別の構成を示す。 図８は、振動マスの偏向を測定するための構成を示す。 図９は、マスの偏向を測定するための別の構成を示す。 図１０は、マスの偏向を測定するためのゼロ構成を示す。 図１１は、本発明の第１の実施形態のゼロ構成を示す。 図１２は、三次元構造における３つのトランスデューサの方向を示す。 図２は、４ブリッジ(quad bridge)構造を用いた本発明の第１の実施形態を示 している。このトランスデューサは、可撓性を有する４つの支持要素１２によっ てフレーム１１上に支持された振動性マス１０から構成される。可撓性を有する 支持要素は、マスの表面に対して角度αで形成された薄い平行なビームから構成 されている。３つの垂直な軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚを、Ｏｘ軸がビームの長手方向の 軸に平行であり、Ｏｚがビームの面に垂直となるようにとると、デバイスは、Ｏ ｘ及びＯｙの方向には硬直している(stiff)が、力が加わると、Ｏｚの方向に偏 向する。マスの偏向、又は、ゼロの位置を維持するのに要求される力は、マスの 加速度の尺度として用いることができる。 この実施形態は、（１,０,０）シリコンの自然のエッチング特性を利用してい る。図３ａは、シリコン・スライス又はウエハ１５を通る断面を示しており、そ の上側の表面は、その面積の一部分がマスク１６を用いて覆われている。このマ スクを通ってエッチングがなされると、形成される空洞(cavity)は、常に、スラ イスの表面との角度がαである平坦な壁部を有する。（１,０,０）シリコンでは 、この角度は５４．７度であり、形成される壁部１７は、（１,１,１）表面に対 応する。図３ｂには、マスク１９による適切なマスキングとエッチング・プロセ スの適切なタイミングを用いて、このシリコン・スライスの下側に同様の空洞を エッチングすることによって、トランスデューサでの使用に適する薄いビーム１ ９を作ることができる様子が図解されている。また、マスクを用いる代わりに、 壁部１７を、例えばホウ素を用いてドープすることも可能である。ドープされた 面積は、エッチング剤に対して不透過性であり、エッチング・プロセスが完了し た後でも残存する。両側を同時にエッチングすることも、又は、シーケンシャル にエッチングすることも共に可能である。 図４は、適切な構成を示しており、図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図４ｄは、それ ぞれ、断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄを示す。振動マス１０、フレーム１ １、及び支持要素１２の詳細な形状の変動は、用いられるマスクのタイプとエッ チング・プロセスとに依存する。感知性の方向は、矢印２０によって示されてい る。 図５は、第２の実施形態を示しており、ここでは、４つの支持要素が振動マス １０をフレーム１１に付着させる２つの支持ビーム３０によって代替されている 。３つの垂直な軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚを、Ｏｘ軸がマスの平面内にあってビームの 平面と平行であり、Ｏｚは、ビームの平面と垂直となるようにとると、このデバ イスは、Ｏｘ及びＯｙの方向には硬直しているが、力が加わると、Ｏｚの方向に 偏向する。第１の実施形態の場合のように、マスの偏向、又は、ゼロの位置を維 持するのに要求される力を、マスの加速度の尺度として用いることができる。 図６は、適切な構成を示しており、図６ａ及び図６ｂは、それぞれ、断面Ａ− Ａ及びＢ−Ｂを示す。第１の実施形態の場合のように、振動マス１０、フレーム １１、及び支持要素３０の詳細な形状の変動は、用いられるマスクのタイプとエ ッチング・プロセスとに依存する。感知性の方向は、矢印２０によって示されて いる。 図７は、図５に図解された例に対する別の第２の実施形態を示している。２つ の支持ビームのエッチングは、結晶配向に依存しない。半円状の溝３１は、等方 性エッチング・プロセスによって作られ、適切にオフセットされる場合には、振 動マスの表面に対して角度がβである屈曲(flexture)ラインを生じ得る。角度β は、０度から９０度までの範囲をとることができるが、現実的には、３０度から ６０度である。最も高感度で便利な角度は、４５度である。 図８は、上側の偏向防止装置４０と下側の偏向防止装置４１との間のマス１０ の断面を示している。電極４２、４３の対を、マスと偏向防止装置の固定された 表面との上に直接に配置すると、プッシュ・プル・コンデンサが形成される。マ スの上側と下側との両方の表面が偏向防止装置の固定された表面と平行に維持さ れるので、固定された表面上の電極と可動の表面上の電極との間のキャパシタン スの変化は、マスの偏向の量の、従って、加速度の、直接の尺度になる。 図９は、マスに電気的な接続を提供する必要のない別の構成を示している。１ 対の電極４２、４３が、上側の偏向防止装置４０と下側の偏向防止装置４１との 上に配置される。導電層４４が、マス１０の上側及び下側表面の上に配置される 。電極４２、４４と電極４３、４４とが、上側及び下側のギャップのそれぞれに おいて、２つの直列のコンデンサを形成する。先の構成と同様に、キャパシタン ス の変化は、マスの偏向の量の、従って、加速度の、直接の尺度になる。 図８及び図９に図解されている構成では、上側又は下側のギャップのどちらか において、電極を１組だけ設けることも可能である。 図１０は、マスの偏向が打ち消されるナル構成(null arrangement)を示す。導 電層４４が、偏向防止装置（図示せず）に隣接してマス１０の表面上に配置され ている。電極４２、４３の対が、偏向防止装置の上に配置され、図８に図解され た構成のように、キャパシタンスの変化が、マスの偏向量の、従って加速度の、 直接の尺度になる。２つのアクチュエータ４５、４６はやはり偏向防止装置上に 配置されているが、電極４５、４６に印加される適切な電圧によって、マスの偏 向を打ち消すために用いられる。 別のナル構成は、確立された技術を用いて振動マスの運動を制限することであ る。例えば、図１１は、図２に図解された第１の実施形態のためのナル構成であ り、４つの可撓性の支持要素１２によって、フレーム１１上に支持された振動マ ス１０から構成されている。２つの薄いナル・ビーム(null beam)５０が、マス の運動を防止し、マス上のその感度を有する方向（矢印２０によって示されてい る）に加えられた任意の力は、張力負荷を一方のビームに与え、圧縮負荷を他方 のビームに加える。ビームが横軸方向の振動の固有周波数で振動することになる 場合には、これらの固有周波数は、張力及び圧縮負荷が変化するにつれて変化す る。これらのビームの固有周波数の差は、マスの加速度に比例する。 図１２は、３つの単一軸デバイスがシリコンの１枚のウエハ上で作られている 三次元レイアウトを示している。（１,０,０）シリコンの性質により、ウエハ（ ＯＹ）に垂直であり、第１のデバイスに対しては９０度の間隔である軸の周囲を 回転する２つ又はそれより多くの同一のトランスデューサを作ることができる。 図１２では、Ｏ₁Ｚ₁、Ｏ₂Ｚ₂、Ｏ₃Ｚ₃が、それぞれのトランスデューサが感度を 有する軸である。Ｏ₁Ｚ₁、Ｏ₂Ｚ₂、Ｏ₃Ｚ₃に沿って測定された加速度成分がそれ ぞれａ₁、ａ₂、ａ₃とすれば、３つの垂直な軸であるＯｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿った 加速度Ａは、次の通りである。 Ａ_x＝ａ₃ｓｉｎα Ａ_y＝（ａ₁＋ａ₂＋ａ₃）ｃｏｓα Ａ_z＝（ａ₁−ａ₂）ｓｉｎα 図７の実施形態が用いられる場合には、感度の方向はウエハの表面に対して４５ 度であり、３つのデバイスは、相互に垂直な感度の方向を有することになる。従 って、ａ₁、ａ₂、ａ₃を、Ａ_x、Ａ_y、Ａ_zの代わりに用いることができ、それ以上 の計算は不要になる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．支持手段によってフレーム上に支持された偏向可能な振動マスを備えてお り、前記振動マスは静止状態では平面を含む、トランスデューサにおいて、前記 振動マスは、任意の力によって偏向するときには、前記平面を前記静止位置に実 質的に平行に保持することを特徴とするトランスデューサ。 ２．支持手段によってフレーム上に支持された偏向可能な振動マスを備えたト ランスデューサにおいて、任意の力によって偏向するときには、前記振動マスの 移動は、純粋に並進的であることを特徴とするトランスデューサ。 ３．請求項１又は請求項２記載のトランスデューサにおいて、前記振動マスは 、単一の軸に沿って偏向することを特徴とするトランスデューサ。 ４．請求項３記載のトランスデューサにおいて、前記支持手段は、偏向軸に垂 直な方向には硬直していることを特徴とするトランスデューサ。 ５．請求項３記載のトランスデューサを少なくとも２つ備えた多次元トランス デューサにおいて、前記トランスデューサは、前記偏向軸が平行ではないように 配列されていることを特徴とする多次元トランスデューサ。 ６．請求項５記載の多次元トランスデューサにおいて、それぞれのトランスデ ューサは、前記振動マスの表面に平行でありすべての支持手段と交差する平面を 有し、それぞれの振動マスにおける前記平面は平行であることを特徴とする多次 元トランスデューサ。 ７．請求項６記載の多次元トランスデューサにおいて、それぞれの振動マスに おける前記平面は、任意の力によって偏向するときに、平行のまま維持されるこ とを特徴とする多次元トランスデューサ。 ８．請求項６記載の多次元トランスデューサにおいて、静止状態では、それぞ れの振動マスにおける平面は、同一平面上にあることを特徴とする多次元トラン スデューサ。 ９．請求項３記載のトランスデューサを３つ備えた多次元トランスデューサに おいて、前記トランスデューサは、前記偏向軸が相互に直交するように配列され ていることを特徴とする多次元トランスデューサ。 １０．請求項３記載のトランスデューサにおいて、上に位置する内部電極を有 する前記振動マスの偏向面と、上に位置する外部電極を有し前記偏向面と平行な 固定された面とを含み、前記内部及び外部電極は、前記振動マスが偏向するとき に変化するキャパシタンスを有することを特徴とするトランスデューサ。 １１．請求項１０記載のトランスデューサにおいて、前記キャパシタンスの変 化に応答し、前記マスの偏向に反作用するアクチュエータを含むことを特徴とす るトランスデューサ。 １２．請求項１又は請求項２記載のトランスデューサにおいて、固有周波数で 振動し、力が前記マスに印加されるときには、前記マスの偏向を阻止し圧縮的で 張力の負荷を受けるナル部材を含むことを特徴とするトランスデューサ。 １３．請求項１又は請求項２記載のトランスデューサを製造する方法。 １４．請求項１又は請求項２記載のトランスデューサを製造する方法において 、前記トランスデューサは、半導体材料の単結晶から製造されることを特徴とす る方法。 １５．請求項１４記載のトランスデューサ製造方法において、半導体材料の前 記単結晶は、異方性エッチングを用いてエッチングされることを特徴とする方法 。 １６．請求項１４記載のトランスデューサ製造方法において、半導体材料の前 記単結晶は、等方性エッチングを用いてエッチングされることを特徴とする方法 。 １７．請求項１又は請求項２記載のフォース・トランスデューサを含むことを 特徴とする単一軸加速度計。 １８．請求項１又は請求項２記載のフォース・トランスデューサを複数含むこ とを特徴とする三次元加速度計。