JP3457037B2 - 集積型加速度計 - Google Patents
集積型加速度計Info
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- 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
- G01P15/125—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 capacitive pick-up
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/028—Electrodynamic magnetometers
- G01R33/0286—Electrodynamic magnetometers comprising microelectromechanical systems [MEMS]
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- 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
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- G01P2015/0805—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0808—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—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 being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、基板に平行な受感軸を
有し、基板に平行な方向に可動する物体の加速度を測定
する集積型加速度計に関する。
有し、基板に平行な方向に可動する物体の加速度を測定
する集積型加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】加速度は、近年その実用度が増しつつあ
るとともに、自動車の機動的サスペンションやエアバッ
グの検査への応用や、産業上、特に、宇宙および航空分
野における様々な要請に答えるために必要なパラメータ
である。上記産業分野への応用を発展させるには、加速
度計に関し、満足のいく計測学上の特性を維持しながら
も、製造コスト面が相当顕著に削減される必要がある。
るとともに、自動車の機動的サスペンションやエアバッ
グの検査への応用や、産業上、特に、宇宙および航空分
野における様々な要請に答えるために必要なパラメータ
である。上記産業分野への応用を発展させるには、加速
度計に関し、満足のいく計測学上の特性を維持しながら
も、製造コスト面が相当顕著に削減される必要がある。
【０００３】加速度計もしくは、マイクロエレクトロニ
クス技術を用いてマイクロマシン化されたシリコン加速
度計の機械的構造を生み出すために、数多くの方法が提
案されてきた。シリコンの主な長所は、明らかに、構造
の集中的な処理とその小型化、すなわち、相対的に低コ
ストであること加え、クリープやヒステリシス、時間的
なドリフトがない、単結晶物質としての機械的信頼性に
ある。
クス技術を用いてマイクロマシン化されたシリコン加速
度計の機械的構造を生み出すために、数多くの方法が提
案されてきた。シリコンの主な長所は、明らかに、構造
の集中的な処理とその小型化、すなわち、相対的に低コ
ストであること加え、クリープやヒステリシス、時間的
なドリフトがない、単結晶物質としての機械的信頼性に
ある。
【０００４】加速度計の２つの主要なグループにおいて
は、半導体基板に対する受感軸の位置の機能が異なる。
例えば、最も広範囲に開発されてきたもので、従来のシ
リコン体異方性化学機械方法（silicon volume anisotr
opic chemical machiningmethod）を使用した、基板に
垂直な受感軸を有する構造のものがある。また、基板に
平行な受感軸を有する構造もあり、以下、この構造を
「平行軸構造」と呼ぶ。平行軸構造の主な長所は、同一
平面上、更には互いに垂直に設定することもできる各受
感軸を有する２つの受感加速度計を同一基板上に集積可
能なことである。本発明は、この２番目のタイプの加速
度計に関するものである。
は、半導体基板に対する受感軸の位置の機能が異なる。
例えば、最も広範囲に開発されてきたもので、従来のシ
リコン体異方性化学機械方法（silicon volume anisotr
opic chemical machiningmethod）を使用した、基板に
垂直な受感軸を有する構造のものがある。また、基板に
平行な受感軸を有する構造もあり、以下、この構造を
「平行軸構造」と呼ぶ。平行軸構造の主な長所は、同一
平面上、更には互いに垂直に設定することもできる各受
感軸を有する２つの受感加速度計を同一基板上に集積可
能なことである。本発明は、この２番目のタイプの加速
度計に関するものである。
【０００５】マイクロマシン化したシリコンを使用した
「平行軸」加速度計については、参照文献１、「Transd
ucers' 91 Digest of Technical papers, June 1991, S
anFrancisco "A simple, high performance piezoresis
tive accelerometer" byJ.T. Suminto, pp.104-107
」、および、参照文献２、すなわち、本願出願人によ
る「ＵＳ−Ａ−４，６５３，３２６」に記述されてい
る。
「平行軸」加速度計については、参照文献１、「Transd
ucers' 91 Digest of Technical papers, June 1991, S
anFrancisco "A simple, high performance piezoresis
tive accelerometer" byJ.T. Suminto, pp.104-107
」、および、参照文献２、すなわち、本願出願人によ
る「ＵＳ−Ａ−４，６５３，３２６」に記述されてい
る。
【０００６】一般に、シリコン加速度計に用いられる基
本原理は、たわみ梁と呼ばれる１つまたは複数のたわみ
機構連結部分を介して支持体に取り付けられた振動質量
体により発生した変位または力を測定することである。
これら公知である平行軸加速度計においては、上記振動
質量体およびたわみ梁は、シリコン基板のボリュームマ
シニングによるものである。言い換えれば、基板全体の
厚み部分は、構造体の可動要素（梁および質量体）が動
けるようにエッチされる。
本原理は、たわみ梁と呼ばれる１つまたは複数のたわみ
機構連結部分を介して支持体に取り付けられた振動質量
体により発生した変位または力を測定することである。
これら公知である平行軸加速度計においては、上記振動
質量体およびたわみ梁は、シリコン基板のボリュームマ
シニングによるものである。言い換えれば、基板全体の
厚み部分は、構造体の可動要素（梁および質量体）が動
けるようにエッチされる。
【０００７】近年、集積エレクトロニクスによる加速度
計は、希望の機械的構造を得る、防食用酸化層と蒸着多
結晶シリコン層を用いた表面機械加工手法により製造お
よび販売されてきた。この加速度計については、参照文
献３、すなわち、「Electronic Design, August 1991,
pp.45-56,"Accelerometer's micromachined mass "move
s" in plane of IC ; on-chip circuit controls it an
d senses G with force-balance techniques" by F.Goo
denough」に記述されている。
計は、希望の機械的構造を得る、防食用酸化層と蒸着多
結晶シリコン層を用いた表面機械加工手法により製造お
よび販売されてきた。この加速度計については、参照文
献３、すなわち、「Electronic Design, August 1991,
pp.45-56,"Accelerometer's micromachined mass "move
s" in plane of IC ; on-chip circuit controls it an
d senses G with force-balance techniques" by F.Goo
denough」に記述されている。
【０００８】参照文献１においては、振動質量体の変位
の測定は、ピエゾ抵抗素子により行われる。一方、参照
文献２および３においては、振動質量体の可能な変位
が、静電容量型システムにより特定される。本発明によ
る加速度計は、主として容量型検出法を用いたものであ
る。しかしながら、ピエゾ抵抗型の検出を行うことも可
能である。
の測定は、ピエゾ抵抗素子により行われる。一方、参照
文献２および３においては、振動質量体の可能な変位
が、静電容量型システムにより特定される。本発明によ
る加速度計は、主として容量型検出法を用いたものであ
る。しかしながら、ピエゾ抵抗型の検出を行うことも可
能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】既に知られている容量
検出型加速度計は、絶縁基板を使わざるを得ないという
短所、および、それらの間の絶縁が困難な各電極を各電
気接点に接続するために、特に該電極が異なる電位を有
する場合に、導体同士を交差させなければならないとい
う短所を有している。更に、そのような絶縁電極を作成
することは困難である。このような配置は、寄生的なキ
ャパシタンス（parasitic capacitance）の存在を取り
除くために行われるものである。
検出型加速度計は、絶縁基板を使わざるを得ないという
短所、および、それらの間の絶縁が困難な各電極を各電
気接点に接続するために、特に該電極が異なる電位を有
する場合に、導体同士を交差させなければならないとい
う短所を有している。更に、そのような絶縁電極を作成
することは困難である。このような配置は、寄生的なキ
ャパシタンス（parasitic capacitance）の存在を取り
除くために行われるものである。
【００１０】更にまた、これら公知なシステムにおいて
は、可動質量体は、参考文献２に示すような金属被覆法
により、あるいは導電シリコンを用いて、導電性に作成
される。つけ加えれば、振動質量体の変位方向に垂直な
方向に延びた質量体の両側は、固定された導電片に対面
し、該導電片とともに、質量体の両側において可変容量
コンデンサを構成している。上記各固定片の電気伝導率
は、参照文献２に示されるような金属蒸着、もしくは、
導電シリコンにより決定される。
は、可動質量体は、参考文献２に示すような金属被覆法
により、あるいは導電シリコンを用いて、導電性に作成
される。つけ加えれば、振動質量体の変位方向に垂直な
方向に延びた質量体の両側は、固定された導電片に対面
し、該導電片とともに、質量体の両側において可変容量
コンデンサを構成している。上記各固定片の電気伝導率
は、参照文献２に示されるような金属蒸着、もしくは、
導電シリコンにより決定される。
【００１１】参考文献３においては、加速度計は、各接
点が電気的に絶縁され、２つの固定された櫛部に対面す
る可動櫛部の歯列に従って各プレートが配列された複数
のコンデンサを有する。これにより、該プレート間もし
くは可動質量体と一体化された可動歯列間に、各プレー
トもしくは各固定櫛の歯が挿入される。繰り返すが、交
差する電極間を絶縁することは難しい。また、このよう
な特殊な配列は、寄生的なキャパシタンスの存在を取り
除くためである。
点が電気的に絶縁され、２つの固定された櫛部に対面す
る可動櫛部の歯列に従って各プレートが配列された複数
のコンデンサを有する。これにより、該プレート間もし
くは可動質量体と一体化された可動歯列間に、各プレー
トもしくは各固定櫛の歯が挿入される。繰り返すが、交
差する電極間を絶縁することは難しい。また、このよう
な特殊な配列は、寄生的なキャパシタンスの存在を取り
除くためである。
【００１２】参照文献３による加速度計は、上記可動質
量体および梁について、単結晶シリコンと比較して再現
性および安定性の面で問題があるとともに加速度計の計
測学的特性を低める傾向にある多結晶シリコンを使用し
ている。係る加速度計は、また、指向性の見地、つまり
は横方向の加速度に対する有効感度に対して、梁の形状
比が相対的に不利になっている。これらの短所は多結晶
シリコンの使用に関連したものであり、その蒸着厚は、
数マイクロメータ以下（一般に、２マイクロメータ以
下）である。測定の指向性および振動質量体の大きさを
制限することは、測定レンジの制限につながる。
量体および梁について、単結晶シリコンと比較して再現
性および安定性の面で問題があるとともに加速度計の計
測学的特性を低める傾向にある多結晶シリコンを使用し
ている。係る加速度計は、また、指向性の見地、つまり
は横方向の加速度に対する有効感度に対して、梁の形状
比が相対的に不利になっている。これらの短所は多結晶
シリコンの使用に関連したものであり、その蒸着厚は、
数マイクロメータ以下（一般に、２マイクロメータ以
下）である。測定の指向性および振動質量体の大きさを
制限することは、測定レンジの制限につながる。
【００１３】この発明は、基板に平行な受感軸を有し、
前述した短所を取り除いた新規な集積加速度計を提供す
ることを特に目的としている。特に、該加速度計は、電
極を電気接点へ接続する導体同士が交差しない。また、
従来技術による加速度計に比べてより良い指向性、再現
性および感度を有する一方、寄生的なキャパシタンスの
存在は多くない。
前述した短所を取り除いた新規な集積加速度計を提供す
ることを特に目的としている。特に、該加速度計は、電
極を電気接点へ接続する導体同士が交差しない。また、
従来技術による加速度計に比べてより良い指向性、再現
性および感度を有する一方、寄生的なキャパシタンスの
存在は多くない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
による加速度計は、導電基板と、前記導電基板に絶縁体
を介して少なくとも１つのたわみ梁により機械的に結合
され、前記基板に平行な第１の方向に移動可能な可動質
量体と、前記可動質量体の少なくとも一方の側に設けら
れた、電気的に相互に連結されるとともに、前記基板に
平行かつ前記第１の方向に垂直な第２の方向に配列され
た導電可動歯列と、電気的に相互に連結されるととも
に、前記基板に対して一体化かつ絶縁された固定導電歯
列と、電気的に相互に連結されるとともに、前記第２の
方向に平行な指状の固定電極列からなる少なくとも１つ
の静電遮蔽体とから成り、前記固定歯列は、前記第２の
方向に配列されるとともに、前記可動質量体の前記第１
の方向における変位を測定するため、およびまたは、該
変位をサーボ制御するための可変容量コンデンサを形成
するために前記可動歯と交互に置かれるものであり、前
記固定電極列は、各可動歯が１つの固定電極と１つの固
定歯との間に挿入されるように、前記固定歯列と前記可
動歯列との間に置かれるものであることを特徴としてい
る。
による加速度計は、導電基板と、前記導電基板に絶縁体
を介して少なくとも１つのたわみ梁により機械的に結合
され、前記基板に平行な第１の方向に移動可能な可動質
量体と、前記可動質量体の少なくとも一方の側に設けら
れた、電気的に相互に連結されるとともに、前記基板に
平行かつ前記第１の方向に垂直な第２の方向に配列され
た導電可動歯列と、電気的に相互に連結されるととも
に、前記基板に対して一体化かつ絶縁された固定導電歯
列と、電気的に相互に連結されるとともに、前記第２の
方向に平行な指状の固定電極列からなる少なくとも１つ
の静電遮蔽体とから成り、前記固定歯列は、前記第２の
方向に配列されるとともに、前記可動質量体の前記第１
の方向における変位を測定するため、およびまたは、該
変位をサーボ制御するための可変容量コンデンサを形成
するために前記可動歯と交互に置かれるものであり、前
記固定電極列は、各可動歯が１つの固定電極と１つの固
定歯との間に挿入されるように、前記固定歯列と前記可
動歯列との間に置かれるものであることを特徴としてい
る。
【００１５】
【作用】上記静電遮蔽体が無い場合は、１つの可動歯
は、これを取り囲む２つの固定歯とともに２つの平行な
コンデンサを形成し、そのキャパシタンスは逆の方向に
変化する。加速度を的確に検出するためには、これら２
つのコンデンサのうちの一方の変化の影響を排除する必
要がある。上記固定歯列と可動歯列との間に存在する上
記指状部および静電遮蔽体は、寄生的な容量変化による
影響を除去するので、加速度計の信頼性を上昇させるこ
とができる。また、係る容量的またはピエゾ抵抗的な測
定手段により得られる信号を処理する手段を簡略化する
ことができる。ピエゾ抵抗的な測定手段による場合に
は、可変容量コンデンサは、質量体の変位をサーボ制御
するためだけに使用される。
は、これを取り囲む２つの固定歯とともに２つの平行な
コンデンサを形成し、そのキャパシタンスは逆の方向に
変化する。加速度を的確に検出するためには、これら２
つのコンデンサのうちの一方の変化の影響を排除する必
要がある。上記固定歯列と可動歯列との間に存在する上
記指状部および静電遮蔽体は、寄生的な容量変化による
影響を除去するので、加速度計の信頼性を上昇させるこ
とができる。また、係る容量的またはピエゾ抵抗的な測
定手段により得られる信号を処理する手段を簡略化する
ことができる。ピエゾ抵抗的な測定手段による場合に
は、可変容量コンデンサは、質量体の変位をサーボ制御
するためだけに使用される。
【００１６】良い計測学的特性を得るために、上記可動
歯列、固定歯列、および固定電極は、単結晶シリコンに
より作製される。上記固定歯列および可動歯列の電気伝
導率は、対面する歯列の各面の金属被覆法により、ま
た、それらの形成に使用された導電シリコンにより決ま
る。導電シリコンを使用する方が好ましい。
歯列、固定歯列、および固定電極は、単結晶シリコンに
より作製される。上記固定歯列および可動歯列の電気伝
導率は、対面する歯列の各面の金属被覆法により、ま
た、それらの形成に使用された導電シリコンにより決ま
る。導電シリコンを使用する方が好ましい。
【００１７】上記遮蔽体として機能する電極は、金属に
より作製可能である。しかし、この加速度計の製造の便
をはかるため、該電極はシリコンにより作製される。従
って、全ての可動部分および測定手段は、同一材料の単
一のエッチング処理を介して作製される。本発明による
加速度計は、導電単結晶シリコン基板のボリュームエッ
チング（volume etching）、もしくは、好ましくは表面
技術を利用して作製される。加速度計のコストを削減す
るためには、表面技術を利用し、本発明による該加速度
計を標準的な機械により規格基板上に作製することが望
ましい。
より作製可能である。しかし、この加速度計の製造の便
をはかるため、該電極はシリコンにより作製される。従
って、全ての可動部分および測定手段は、同一材料の単
一のエッチング処理を介して作製される。本発明による
加速度計は、導電単結晶シリコン基板のボリュームエッ
チング（volume etching）、もしくは、好ましくは表面
技術を利用して作製される。加速度計のコストを削減す
るためには、表面技術を利用し、本発明による該加速度
計を標準的な機械により規格基板上に作製することが望
ましい。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の内容を詳細に説明するため
に、図面を参照して、本発明の１つの実施形態である実
施例について説明する。図１は、本発明による、基板に
平行な受感軸を有する加速度計の構成を示す平面図であ
る。また、図２および図３は、それぞれ、図１の II-II
方向および III-III方向における断面図である。
に、図面を参照して、本発明の１つの実施形態である実
施例について説明する。図１は、本発明による、基板に
平行な受感軸を有する加速度計の構成を示す平面図であ
る。また、図２および図３は、それぞれ、図１の II-II
方向および III-III方向における断面図である。
【００１９】図１〜図３において、本発明による加速度
計は、一例としてＰ型にドープされた単結晶性の可動振
動質量体２を有しており、該質量体２は、たわみ梁６に
より固定支持部材４に結合されている。この質量体２
は、複数の貫通穴９と、上記梁への結合を確実にするた
めの突出片７を有している。上記部材４は、基板８に対
して機械的に結合されるとともに電気的に絶縁されてい
る。また、部材４、梁６、および基板８は、Ｐ型の単結
晶シリコンにより形成されている。
計は、一例としてＰ型にドープされた単結晶性の可動振
動質量体２を有しており、該質量体２は、たわみ梁６に
より固定支持部材４に結合されている。この質量体２
は、複数の貫通穴９と、上記梁への結合を確実にするた
めの突出片７を有している。上記部材４は、基板８に対
して機械的に結合されるとともに電気的に絶縁されてい
る。また、部材４、梁６、および基板８は、Ｐ型の単結
晶シリコンにより形成されている。
【００２０】図１において、本加速度計は、上記振動質
量体２の両側に２つの支持部材４を有しており、質量体
２は、これら支持部材４に垂直な方向に設けられた梁６
に結合されている。すなわち、本構造は、基板８の表面
に対して平行である２つの直交するＸおよびＹ軸に関し
て対称的になっている。しかしながら、左上１／４部分
のみの構造により機能する加速度計を作成することも可
能である。
量体２の両側に２つの支持部材４を有しており、質量体
２は、これら支持部材４に垂直な方向に設けられた梁６
に結合されている。すなわち、本構造は、基板８の表面
に対して平行である２つの直交するＸおよびＹ軸に関し
て対称的になっている。しかしながら、左上１／４部分
のみの構造により機能する加速度計を作成することも可
能である。
【００２１】図１の加速度計の振動質量体２は、上記Ｙ
軸の両側に、上記Ｘ方向に平行に配列された歯形状の電
極列１２を有しており、この電極列１２は、２つの第１
の可動櫛１４を構成している。そして、各第１の可動櫛
１４に対面するように第２の固定櫛１６および１７が配
置され、その歯列１８および１５は、上記方向Ｘに平行
であるとともに上記櫛１４の歯列１２の間に挟まれるよ
うに配置され、電極として機能する。これらの櫛１６お
よび１７もまたＰ型にドープされた単結晶シリコンによ
り形成されており、また、固定片１９，２１（図３参
照）により基板８に結合されている。
軸の両側に、上記Ｘ方向に平行に配列された歯形状の電
極列１２を有しており、この電極列１２は、２つの第１
の可動櫛１４を構成している。そして、各第１の可動櫛
１４に対面するように第２の固定櫛１６および１７が配
置され、その歯列１８および１５は、上記方向Ｘに平行
であるとともに上記櫛１４の歯列１２の間に挟まれるよ
うに配置され、電極として機能する。これらの櫛１６お
よび１７もまたＰ型にドープされた単結晶シリコンによ
り形成されており、また、固定片１９，２１（図３参
照）により基板８に結合されている。
【００２２】本発明においては、静電遮蔽体として機能
する指形状の固定電極列２２が、上記可動歯列１２と固
定歯列１８または１５との間に配置される。これらの固
定電極列２２もまた、櫛型に配列される。Ｙ軸に関する
上述した対称性により、本加速度計は、該軸の両側に２
つの静電遮蔽体２０を有している。各遮蔽体２０は、各
可動歯１２が各固定電極２２と各固定歯１８または１５
との間に挿入されるように配置される。各静電遮蔽体２
０は、上記質量体、梁６および固定電極列１８および１
５と同様に、好ましくはＰ型にドープされた、単結晶性
または多結晶性の導電シリコンにより形成されている。
する指形状の固定電極列２２が、上記可動歯列１２と固
定歯列１８または１５との間に配置される。これらの固
定電極列２２もまた、櫛型に配列される。Ｙ軸に関する
上述した対称性により、本加速度計は、該軸の両側に２
つの静電遮蔽体２０を有している。各遮蔽体２０は、各
可動歯１２が各固定電極２２と各固定歯１８または１５
との間に挿入されるように配置される。各静電遮蔽体２
０は、上記質量体、梁６および固定電極列１８および１
５と同様に、好ましくはＰ型にドープされた、単結晶性
または多結晶性の導電シリコンにより形成されている。
【００２３】図２に示すように、上記静電遮蔽体の固定
電極列２２は基板８に直接結合されており、これによ
り、基板８に電気的に接続されている。これとは逆に、
図３に示すように、梁６の各支持部材４と固定櫛１６，
１７の各固定片１９，２１とは、エッチされた酸化シリ
コン層２８により、基板８と電気的に絶縁されている。
また、振動質量体２は、基板８の上部に掛け渡されてい
る。参照符号４０は、振動質量体２と基板４とを分離し
ている空間を示す。
電極列２２は基板８に直接結合されており、これによ
り、基板８に電気的に接続されている。これとは逆に、
図３に示すように、梁６の各支持部材４と固定櫛１６，
１７の各固定片１９，２１とは、エッチされた酸化シリ
コン層２８により、基板８と電気的に絶縁されている。
また、振動質量体２は、基板８の上部に掛け渡されてい
る。参照符号４０は、振動質量体２と基板４とを分離し
ている空間を示す。
【００２４】電極すなわち歯列１２，１８もしくは１５
の配列、および、静電遮蔽体２０の配列は、梁６により
支持された質量体２のＹ方向の変位の差動測定、および
該測定のサーボ制御を可能にする。コンデンサ１２−１
８のキャパシタンスの変化を測定するため、それぞれの
櫛１７または１６上に、基準電気接点２３または２４が
設けられている。更に、上記差動測定を実施するため、
一方の支持部材４上に電気測定用接点２６が設けられて
いる。
の配列、および、静電遮蔽体２０の配列は、梁６により
支持された質量体２のＹ方向の変位の差動測定、および
該測定のサーボ制御を可能にする。コンデンサ１２−１
８のキャパシタンスの変化を測定するため、それぞれの
櫛１７または１６上に、基準電気接点２３または２４が
設けられている。更に、上記差動測定を実施するため、
一方の支持部材４上に電気測定用接点２６が設けられて
いる。
【００２５】Ｙ方向への加速の結果、振動質量体２は力
「Ｆ＝ｍ・ｙ」を受け、梁６のばね定数に従ってＹに平
行な距離ｌだけ動く。そして、「交差指型」櫛１６，１
７および１４における、振動部１２に一体化された電極
列１２と固定電極列１８および１５（過負荷の場合には
その受け止め部として機能する）との間で測定される各
キャパシタンスは、互いに逆の様式で変化する。
「Ｆ＝ｍ・ｙ」を受け、梁６のばね定数に従ってＹに平
行な距離ｌだけ動く。そして、「交差指型」櫛１６，１
７および１４における、振動部１２に一体化された電極
列１２と固定電極列１８および１５（過負荷の場合には
その受け止め部として機能する）との間で測定される各
キャパシタンスは、互いに逆の様式で変化する。
【００２６】また、固定電極１８もしくは１５の一方の
面と可動電極１２の一方の面との間に静電遮蔽体２０の
電極２２を配置することにより、１つの可変容量コンデ
ンサを各可動歯に関連させることができ、これにより、
寄生的なキャパシタンスによる影響をキャンセルするこ
とができる。電気的な見地から、これら３つの直列した
電極１２、１８または１５、および２２は互いに絶縁さ
れており、接点２６を介した振動質量体２と、接点２４
または２３のそれぞれを介した１８または１５の２つの
電極のいずれかとの間に電場Ｅが加えられることによ
り、静電引力が発生する。
面と可動電極１２の一方の面との間に静電遮蔽体２０の
電極２２を配置することにより、１つの可変容量コンデ
ンサを各可動歯に関連させることができ、これにより、
寄生的なキャパシタンスによる影響をキャンセルするこ
とができる。電気的な見地から、これら３つの直列した
電極１２、１８または１５、および２２は互いに絶縁さ
れており、接点２６を介した振動質量体２と、接点２４
または２３のそれぞれを介した１８または１５の２つの
電極のいずれかとの間に電場Ｅが加えられることによ
り、静電引力が発生する。
【００２７】該測定のサーボ制御のために、接点２４ま
たは２３と接点２６との間に接続され、上記振動質量体
が加速中にＹ方向に変位したことによる差動キャパシタ
ンスの変化を検出する測定装置が利用される。キャパシ
タンス測定型のこの装置は、低振幅な交番（alternatin
g）測定信号を発生する。そして、接点２４または２３
および２６を介して、電極列１２と１８または１５との
間に付加されるある連続した片寄り成分が、該信号に重
畳される（電極列１２と１８または１５との間のキャパ
シタンスは降下する）。これらにより、Ｙ方向の加速に
より発生する力に等しい力（静電的な力）が誘発され、
質量体２が均衡状態に戻され、各可変コンデンサが初期
のキャパシタンスを有するようになる。すなわち、この
片寄りはＹ方向の加速度の投影であり、非常に信頼性の
高い直線性を有する加速度計を得ることを可能とすると
ともに、これを用いた構造体の自動検査が可能となる。
たは２３と接点２６との間に接続され、上記振動質量体
が加速中にＹ方向に変位したことによる差動キャパシタ
ンスの変化を検出する測定装置が利用される。キャパシ
タンス測定型のこの装置は、低振幅な交番（alternatin
g）測定信号を発生する。そして、接点２４または２３
および２６を介して、電極列１２と１８または１５との
間に付加されるある連続した片寄り成分が、該信号に重
畳される（電極列１２と１８または１５との間のキャパ
シタンスは降下する）。これらにより、Ｙ方向の加速に
より発生する力に等しい力（静電的な力）が誘発され、
質量体２が均衡状態に戻され、各可変コンデンサが初期
のキャパシタンスを有するようになる。すなわち、この
片寄りはＹ方向の加速度の投影であり、非常に信頼性の
高い直線性を有する加速度計を得ることを可能とすると
ともに、これを用いた構造体の自動検査が可能となる。
【００２８】本発明による加速度計は、シリコン／絶縁
体技術、更に特定すると、Ｐ型にドープされた単結晶基
板に１０16〜１０18イオン／ｃｍ2 の酸素イオンをイン
プラントし、該インプラントされた構造体を１１５０〜
１４００℃でアニールする「ＳＩＭＯＸ」技術を用いて
製造されるものである。これにより、酸化層２８により
基板８と絶縁された単結晶性のシリコンフィルムが得ら
れる。
体技術、更に特定すると、Ｐ型にドープされた単結晶基
板に１０16〜１０18イオン／ｃｍ2 の酸素イオンをイン
プラントし、該インプラントされた構造体を１１５０〜
１４００℃でアニールする「ＳＩＭＯＸ」技術を用いて
製造されるものである。これにより、酸化層２８により
基板８と絶縁された単結晶性のシリコンフィルムが得ら
れる。
【００２９】次に、従来の写真製版処理を用いて、上記
酸化層の上にシリコンをエッチすることにより、上記固
定電極列の他、上述した梁、振動質量体およびその可動
電極列が形成される。そして、エピタキシャルなシリコ
ン層内に静電遮蔽体２０が形成される。これに続き、振
動質量体の下の酸化物２８が、フッ化水素酸を用いた化
学エッチングにより、穴９および各エッジを通して除去
される。これらの穴の密度により、構造体４，１７およ
び１９の各支持体に目立つ作用を及ぼさずに、可変な速
度で埋込ＳｉＯ2 層をエッチングすることが可能にな
る。なお、本発明は、以上説明した実施例に限られるも
のではない。
酸化層の上にシリコンをエッチすることにより、上記固
定電極列の他、上述した梁、振動質量体およびその可動
電極列が形成される。そして、エピタキシャルなシリコ
ン層内に静電遮蔽体２０が形成される。これに続き、振
動質量体の下の酸化物２８が、フッ化水素酸を用いた化
学エッチングにより、穴９および各エッジを通して除去
される。これらの穴の密度により、構造体４，１７およ
び１９の各支持体に目立つ作用を及ぼさずに、可変な速
度で埋込ＳｉＯ2 層をエッチングすることが可能にな
る。なお、本発明は、以上説明した実施例に限られるも
のではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例における、基板に平行な受
感軸を有する加速度計の構成を示す平面図である。
感軸を有する加速度計の構成を示す平面図である。
【図２】 図１の II-II方向における断面図である。
【図３】 図１の III-III方向における断面図である。
２ 可動振動質量体（可動質量体）
６ たわみ梁
８ 基板（導電基板）
１２ 可動歯列（導電可動歯列）
１８，１５ 固定歯列（固定導電歯列）
２０ 静電遮蔽体
２２ 固定電極列
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−322920（ＪＰ，Ａ)
特表 平４−504003（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01P 15/125
Claims (8)
- 【請求項１】 導電基板と、 前記導電基板に絶縁体を介して少なくとも１つのたわみ
梁により機械的に結合され、前記基板に平行な第１の方
向（Ｙ）に移動可能な可動質量体と、 前記可動質量体の少なくとも一方の側に設けられた、電
気的に相互に連結されるとともに、前記基板に平行かつ
前記第１の方向（Ｙ）に垂直な第２の方向（Ｘ）に配列
された導電可動歯列と、 電気的に相互に連結されるとともに、前記基板に対して
一体化かつ絶縁された固定導電歯列と、 電気的に相互に連結されるとともに、前記第２の方向
（Ｘ）に平行な指状の固定電極列からなる少なくとも１
つの静電遮蔽体とから成る集積型加速度計であって、 前記固定歯列は、前記第２の方向（Ｘ）に配列されると
ともに、前記可動質量体の前記第１の方向における変位
を測定するため、およびまたは、該変位をサーボ制御す
るための可変容量コンデンサを形成するために前記可動
歯と交互に置かれるものであり、 前記固定電極列は、各可動歯が１つの固定電極と１つの
固定歯との間に挿入されるように、前記固定歯列と前記
可動歯列との間に置かれるものであることを特徴とする
集積型加速度計。 - 【請求項２】 前記可動質量体は、第１の方向に平行で
ありかつ互いに反対側に位置した側に、２つの導電可動
歯列を有し、それぞれは固定導電歯列および静電遮蔽体
と関連することを特徴とする請求項１記載の集積型加速
度計。 - 【請求項３】 前記質量体は、２つのたわみ梁により前
記基板に機械的に結合されていることを特徴とする請求
項２記載の集積型加速度計。 - 【請求項４】 可動歯列を備える前記可動質量体、固定
歯列は、１つまたは複数の前記静電遮蔽体と同様に、電
気的に伝導性のある単結晶シリコンにより作製されるこ
とを特徴とする請求項１記載の集積型加速度計。 - 【請求項５】 前記各梁は導電性であり、１つまたは複
数の前記たわみ梁と前記基板との間に電気絶縁体が配置
されることを特徴とする請求項３記載の集積型加速度
計。 - 【請求項６】 前記各静電遮蔽体は、前記基板に直接結
合されることを特徴とする請求項５記載の集積型加速度
計。 - 【請求項７】 前記基板は、ドープされた単結晶性シリ
コンによるものであることを特徴とする請求項１記載の
集積型加速度計。 - 【請求項８】 前記振動質量体は、複数の貫通穴を有す
ることを特徴とする請求項１記載の集積型加速度計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9215770A FR2700012B1 (fr) | 1992-12-28 | 1992-12-28 | Accéléromètre intégré à axe sensible parallèle au substrat. |
| FR9215770 | 1992-12-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH075194A JPH075194A (ja) | 1995-01-10 |
| JP3457037B2 true JP3457037B2 (ja) | 2003-10-14 |
Family
ID=9437152
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33308093A Expired - Lifetime JP3457037B2 (ja) | 1992-12-28 | 1993-12-27 | 集積型加速度計 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5495761A (ja) |
| EP (1) | EP0605303B1 (ja) |
| JP (1) | JP3457037B2 (ja) |
| DE (1) | DE69315544T2 (ja) |
| FR (1) | FR2700012B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3367113B2 (ja) * | 1992-04-27 | 2003-01-14 | 株式会社デンソー | 加速度センサ |
| US5565625A (en) * | 1994-12-01 | 1996-10-15 | Analog Devices, Inc. | Sensor with separate actuator and sense fingers |
| DE19503236B4 (de) * | 1995-02-02 | 2006-05-24 | Robert Bosch Gmbh | Sensor aus einem mehrschichtigen Substrat |
| FR2732467B1 (fr) * | 1995-02-10 | 1999-09-17 | Bosch Gmbh Robert | Capteur d'acceleration et procede de fabrication d'un tel capteur |
| KR100374804B1 (ko) * | 1995-05-25 | 2003-05-09 | 삼성전자주식회사 | 진동형자이로스코프 |
| DE19519488B4 (de) * | 1995-05-27 | 2005-03-10 | Bosch Gmbh Robert | Drehratensensor mit zwei Beschleunigungssensoren |
| US5824565A (en) * | 1996-02-29 | 1998-10-20 | Motorola, Inc. | Method of fabricating a sensor |
| US5880369A (en) * | 1996-03-15 | 1999-03-09 | Analog Devices, Inc. | Micromachined device with enhanced dimensional control |
| US5747353A (en) * | 1996-04-16 | 1998-05-05 | National Semiconductor Corporation | Method of making surface micro-machined accelerometer using silicon-on-insulator technology |
| US5992233A (en) | 1996-05-31 | 1999-11-30 | The Regents Of The University Of California | Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope |
| US6250156B1 (en) | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
| DE69626972T2 (de) * | 1996-07-31 | 2004-01-08 | Stmicroelectronics S.R.L., Agrate Brianza | Integrierter kapazitiver Halbleiter-Beschleunigungsmessaufnehmer sowie Verfahren zu seiner Herstellung |
| US5996411A (en) * | 1996-11-25 | 1999-12-07 | Alliedsignal Inc. | Vibrating beam accelerometer and method for manufacturing the same |
| DE19719779A1 (de) * | 1997-05-10 | 1998-11-12 | Bosch Gmbh Robert | Beschleunigungssensor |
| FR2764706B1 (fr) * | 1997-06-17 | 1999-07-09 | Commissariat Energie Atomique | Accelerometre miniaturise du type a compensation par ressort de l'effet de la pesanteur et son procede de fabrication |
| JP4003326B2 (ja) | 1998-02-12 | 2007-11-07 | 株式会社デンソー | 半導体力学量センサおよびその製造方法 |
| US5948982A (en) * | 1998-02-23 | 1999-09-07 | Alliedsignal Inc. | Vibrating beam accelerometers and methods of forming vibrating beam accelerometers |
| DE19819458A1 (de) * | 1998-04-30 | 1999-11-04 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements und mikromechanisches Bauelement |
| US5920012A (en) * | 1998-06-16 | 1999-07-06 | Boeing North American | Micromechanical inertial sensor |
| US6291875B1 (en) | 1998-06-24 | 2001-09-18 | Analog Devices Imi, Inc. | Microfabricated structures with electrical isolation and interconnections |
| JP2000206142A (ja) | 1998-11-13 | 2000-07-28 | Denso Corp | 半導体力学量センサおよびその製造方法 |
| US6105428A (en) * | 1998-12-10 | 2000-08-22 | Motorola, Inc. | Sensor and method of use |
| JP4238437B2 (ja) | 1999-01-25 | 2009-03-18 | 株式会社デンソー | 半導体力学量センサとその製造方法 |
| US6433401B1 (en) | 1999-04-06 | 2002-08-13 | Analog Devices Imi, Inc. | Microfabricated structures with trench-isolation using bonded-substrates and cavities |
| US7051590B1 (en) | 1999-06-15 | 2006-05-30 | Analog Devices Imi, Inc. | Structure for attenuation or cancellation of quadrature error |
| US6386032B1 (en) | 1999-08-26 | 2002-05-14 | Analog Devices Imi, Inc. | Micro-machined accelerometer with improved transfer characteristics |
| US6703679B1 (en) | 1999-08-31 | 2004-03-09 | Analog Devices, Imi, Inc. | Low-resistivity microelectromechanical structures with co-fabricated integrated circuit |
| US6868726B2 (en) * | 2000-01-20 | 2005-03-22 | Analog Devices Imi, Inc. | Position sensing with improved linearity |
| US6440766B1 (en) | 2000-02-16 | 2002-08-27 | Analog Devices Imi, Inc. | Microfabrication using germanium-based release masks |
| JP3666370B2 (ja) * | 2000-07-06 | 2005-06-29 | 株式会社村田製作所 | 外力検知センサ |
| US20030048036A1 (en) * | 2001-08-31 | 2003-03-13 | Lemkin Mark Alan | MEMS comb-finger actuator |
| TW574128B (en) * | 2002-11-29 | 2004-02-01 | Lightuning Tech Inc | Thermal bubble type micro-machined inertial sensor |
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| FR2874907B1 (fr) * | 2004-09-03 | 2006-11-24 | Silmach Soc Par Actions Simpli | Dispositif d'entrainement, notamment pour mecanisme horloger |
| FR2881568B1 (fr) * | 2005-02-03 | 2011-01-14 | Commissariat Energie Atomique | Condensateur a capacite variable et a forme specifique, gyrometre comportant un tel condensateur et accelerometre comportant un tel condensateur |
| FR2924856B1 (fr) | 2007-12-11 | 2012-02-10 | Memscap | Condensateur a capacite variable comprenant un peigne mobile et un peigne fixe interdigites, accelerometre et gyrometre comprenant un tel condensateur |
| JP2009216693A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-09-24 | Denso Corp | 物理量センサ |
| FR2945835B1 (fr) | 2009-05-25 | 2016-01-22 | Commissariat Energie Atomique | Microsystemes de transformation de pressions et de compression, capteur, roue, puce, micromoteur, pile incorporant ce microsysteme et procede de fabrication de ce microsysteme |
| JP2013205162A (ja) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Toyota Central R&D Labs Inc | 静電容量式センサ |
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| CN107188108B (zh) * | 2017-05-23 | 2023-07-21 | 深迪半导体(绍兴)有限公司 | 一种mems器件及其防吸附方法 |
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| FR2558263B1 (fr) * | 1984-01-12 | 1986-04-25 | Commissariat Energie Atomique | Accelerometre directif et son procede de fabrication par microlithographie |
| FR2580389B2 (fr) * | 1985-04-16 | 1989-03-03 | Sfena | Accelerometre micro-usine a rappel electrostatique |
| US4999735A (en) * | 1990-03-08 | 1991-03-12 | Allied-Signal Inc. | Differential capacitive transducer and method of making |
| JPH0644008B2 (ja) * | 1990-08-17 | 1994-06-08 | アナログ・ディバイセス・インコーポレーテッド | モノリシック加速度計 |
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-
1992
- 1992-12-28 FR FR9215770A patent/FR2700012B1/fr not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-12-22 US US08/171,642 patent/US5495761A/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-12-23 DE DE69315544T patent/DE69315544T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1993-12-23 EP EP93403157A patent/EP0605303B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1993-12-27 JP JP33308093A patent/JP3457037B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| FR2700012B1 (fr) | 1995-03-03 |
| FR2700012A1 (fr) | 1994-07-01 |
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| US5495761A (en) | 1996-03-05 |
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