JPH02183167A - 加速度計とその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は例えば米国特許第４，６９９．００６号の特許
請求の範囲第１項の序文に記載の加速度計タイプのセン
サに関する。特に、本発明は２対のポリシリコン共鳴ブ
リッジから構成されることが好ましい２軸シリコン超小
型加速度計に関する。

（従来の技術） 加速度計は、特に慣性航法装置のような航法装置および
搭載自動車安全性制御装置において使用されている主要
センサの中の１つである。自動車用の加速度計の使用例
としては、各種のアンチロックブレーキ装置、アクティ
ブサスペンション装置およびシートベルトのロックアツ
プ装置がある。

−船釣には、加速度計とは、加速度を測定する装置であ
って、特に加速度計は運動している物体が速度を変えた
ときに加えられる力を測定する。

運動している物体は慣性を有していて、慣性が速度変化
に抵抗するｆｉｌ向がある。すなわち、この慣性が速度
の急激な変化の抵抗となり、この抵抗が、運動している
物体が加速されるときに運動している物体により加えら
れ、かつ運動方向における加速成分に対して比例的であ
る力の原因なのである。

典型的な加速度計においては、質量はその両側に取り付
けられた２個のばねにより懸架される。

質量は、当該装置が休止しているか、あるいは−定の速
度で運動している限り中立位置に保たれる。

当該装置がばねの軸線の方向の速度変化を加えられ、従
ってその方向に加速されると、ばね装着の質量はまずそ
の慣性のため運動に対して抵抗する。

従って、この運動に対する抵抗即ち遅れはばねの中の１
個を引張り、他方を圧縮させる。各ばねに作用する力は
等しいが大きさが反対であり、質量の重量と質量の加速
度との積に等しい、検出される加速度はすなわち質量の
速度の変化である。

共鳴マイクロブリッジを有する超小型加速度計が知られ
ている。このタイプの加速度計の一例が米国特許第４，
８０５，４５６号に開示されている。このタイプの超小
型加速度計においては、基準質量が少なくとも一対の共
鳴マイクロブリッジにより懸架される。前記の対の共鳴
マイクロブリッジは共通の軸線に沿って基準質量の両端
に取り付けられる。このタイプの共鳴超小型加速度計は
超小型の機械的な共鳴構造体の周波数を物理的あるいは
化学的信号に対して極めて敏感としうるので正確な測定
に対して魅力的である。共鳴マイクロブリッジに基く超
小型加速度計においては、基板の平面における加速が反
対方向に配置の共鳴マイクロブリッジにおいて異なる軸
線方向荷重を発生させ、即ち一方の支持共鳴ブリッジを
圧縮させ、他方のブリッジを引張る。共鳴マイクロブリ
ッジに軸線方向の荷重を発生させるのは基準質量の慣性
力である。一方、圧縮および引張荷重が各共鳴マイクロ
ブリッジに対して固有の共鳴周波数を移行させる。圧縮
された部材と引張された部材との共鳴周波数の間の差を
測定し、対となった共鳴マイクロブリッジが共用する共
通軸線方向の加速度成分の大きさを検出する。

米国特許第４，８０５．４５６号に開示の前述の加速度
計の欠点は、自動車用として好まれる程その加速度計が
耐久性ではなく、堅牢でないことである。

特に、マイクロブリッジをそれらの各々の共鳴周波数に
保ち、かつマイクロブリッジが軸線方向に負荷されたと
きの、それらの共鳴周波数の変化を検出する駆動および
検出電極が、共鳴マイクロブリッジ上方に延びる片持の
シリコンビームである。

従って、片持ちの電極は極めて脆性であって、損傷しや
すい０片持ちの電極を無くし、超小型加速度計の中実の
シリコン支持基板と一体の電極を形成することが好まし
い、この配備により駆動による振動を排除し、電極を検
出し、従ってこれら要素の寿命を延し、センサの精度を
向上させる。さらにこの配備により製作過程の？ｊ［９
Ｉさを低減する。

米国特許第４，８０５，４５６号に開示の共鳴ブリッジ
超小型加速度計の別の欠点は、基準質量を懸架する共鳴
ブリッジがボロンでドーピングした単結晶シリコンから
形成されることである。この材料が共鳴ブリッジに固を
の引張応力を加える。ブリッジが適度に応力がかからな
いか、あるいは圧縮応力が最小となるように共鳴ブリッ
ジを形成することが有利である。

さらに、このタイプの超小型加速度計に対して、基準Ｉ
Ｒ量に対して垂直の方向における基準質量の動きを制御
することが望ましい。−船釣に、このタイプの超小型加
速度計は二対の共鳴ブリッジを有し、対の各部材は基準
質量を通して共通の軸線に沿って位置し、各月は他の対
に対して垂直の軸線に沿って位置する。従って、説明の
便宜上、共鳴ブリッジは典型的には基準質量を通るＸお
よびＹ軸に沿って位置し、これらの方向の加速を測定す
る。もし、基準質量に対して垂直の第３の方向、即ちＸ
軸方向において加速が測定されつつないとすれば、Ｘ軸
方向の基準質量の運動を制限し、当該装置の寿命を最大
にし、かつＹ軸およびＹ軸方向の測定に対してこのＸ軸
方向の連動が有する何らかの悪影響を最小とすることが
好ましい。現在の共鳴超小型加速度計は前記の２軸方向
の運動を制限する手段を提供していない。

数種類のタイプの加速度計が現在市販されているものの
、それらは、前述した構造による欠点に加えて全体的に
同じ問題を抱えている。まず、Ｘ軸方向の加速信号はし
ばしばＹあるいはＸ軸方向の加速により影響を受けたり
、この反対にＸ軸方向の加速がＹあるいはＺ方向に影響
を及ぼしたりする。またＸ軸方向の加速信号は信号を発
しない動きによってもしばしば影響を受ける。第２に、
温度の変化が応力の変化をもたらし、従って不正値な測
定を引き起こす。最後に、現在の加速度計は例えば自動
車のような非常に過酷な用途に対して必要な寿命長さが
無い割りに製作費が極めて高いことが特徴である。

現在の加速度計は自動車搭載装置として、かつ他の用途
に対して要求されている特性である信頬性、正確性、堅
牢性および低コストの要件に対応できない、従って、特
に、支持基板と一体の駆動および検出電極、本質的に応
力がかからないか、あるいは圧縮応力が最小の共鳴ブリ
ッジ、さらに基準質量のＺ方向の運動を制限する手段を
提供することにより前述の欠点を排除する共鳴ブリッジ
超小型加速度計を提供することが望ましい。

（発明が解決しようとする課題） 本発明による加速度計は特許請求の範囲第１項の特徴の
部分に記載の特徴を有する。

本発明の目的は共鳴ブリッジ加速度計を提供することで
ある。

本発明の別の目的は共鳴ブリッジ加速度計が集積回路と
微小加工技術を利用することである。

最後に、本発明のさらに別の目的は前記加速度計が堅牢
で、耐久性があり、自動車生産技術に対して修正しうる
ことである。

（！１題を解決するための手段） 本発明の好適実施例によれば、本発明の前記およびその
他の目的並びに利点は以下のように達成される。

本発明による加速度計は少なくとも一対の共鳴ブリッジ
により懸架された基４！質置を含む。対となったブリッ
ジの各部材の第１の端部は基準質量の両側に取り付けら
れている。対となったブリッジの各部材の反対側の第２
の端部は共通の支持基板に取り付けられている。前記ブ
リッジは基準質量と支持基板との双方に一体的に取り付
けられている。対となったブリッジの部材は相互に対し
て長手方向に整合して基＋１！質量の両側を通る軸線を
形成する。

各ブリッジ部材は最適には、応力が無いか、あるいは圧
縮負荷が最小となるように形成され、かつそれぞれの共
鳴周波数で振動するものと想定されている。基準質量と
支持基板の加速により共通の軸線に沿って対となった共
鳴ブリッジにおいて対象的に圧縮と引張とが発生し、こ
のため各ブリッジに対して固有の共鳴周波数変化をもた
らす。

この作用が対応して各月のブリッジの各部材に対して共
鳴周波数間の差を変化させる。一対のブリッジの共鳴周
波数間のこの変化が信号処理回路により測定され、各月
のブリッジにより形成される軸線に沿った基準質量の加
速度に対応する。

本発明の好適実施例においては、第２の対の共鳴ブリッ
ジは同様に基準質量の両側に取り付けられ、第１の対の
共鳴ブリッジにより形成された軸線に対して垂直の第２
の軸線を形成する。再び、各ブリッジが励起されて各々
の共鳴周波数で振動し、加速による各月のブリッジの部
材の間の共鳴周波数の差の大きさを測定して各月のブリ
・νジにより形成された軸線に沿って加速度を指示する
。

本発明の好適実施例においては、加速度の直交成分が同
時に測定される。前記成分は一方が第１の対のブリッジ
により形成された軸線に沿ったものであり、他方が第２
の対のブリッジにより形成された軸線に沿ったものであ
る。信号処理回路は好ましくは単一の駆動電極と、支持
基板と一体の２個の検出電極の形態で、各ブリッジに対
して周波数測定回路を含む。前記駆動および検出電極は
、駆動電極と検出電極上で、かつ横切ってまたぐブリッ
ジである、対応するブリッジからのギャップを横切って
設けられている。各ブリッジに対する周波数測定回路は
フィードバック回路に接続され、該フィードバック回路
は各月のブリッジに対する周波数の間の差の変化に対応
する出力信号を発生させる。この出力から、各月のプリ
フジにより画成された軸線に沿った質量の加速度を検出
することができる。

好適加速度計の本発明の特徴は、駆動および検出電極が
、該電極上で、かつ横切ってまたぐ共鳴ブリッジからの
ギャップを横切って支持基板に一体に取り付けられてい
ることである。このように駆動および検出電極並びに共
鳴ブリッジを好適配置することにより加速度計の耐久性
と安全性が著しく向上する。

また、この加速度計の好適実施例では共鳴ブリッジ対に
より基準質量を通して画成される２本の軸線に対して直
交する方向での基準質量の動きを制限する手段を含む、
この動きを制限する手段は片持式の機械的ストッパを含
みその方向における好ましくない、正および負の運動を
阻止する。さらに、好適実施例はまた質量の不要な回転
運動を阻止する手段も含む。

本発明のその他の目的や利点は本発明の以下の詳細説明
からよく理解される。

（実施例） シリコン基板の平面における加速度の成分を測定する共
鳴ブリッジ超小型加速度計が開示されている。好適実施
例において、本発明は、最適には応力が無く、あるいは
圧縮力が最小であり、シリコンの基準質量に直交方向に
取り付けられた２対のポリシリコン共鳴ブリッジを含む
２軸のシリコン超小型加速度計を提供する。−次の作用
に対する温度や材料の影響を低減するために、基準質量
の両側に取り付けられた共鳴ブリッジエレメントは、そ
れらが加速度中興った軸線方向荷重を受けるように合わ
されている。基板の平面での加速による基準質量に対す
る慣性力は各月の対向する共鳴マイクロブリッジに対し
て異なる軸線方向荷重を発生させることによりそれらの
共鳴周波数を移行させる。

マイクロブリッジの対と整合した加速度成分は対の各部
材の間の共鳴周波数の差を検出することにより測定され
る。この測定は、中実のシリコン支持基板でつくられ、
かつ対応する共鳴マイクロブリッジからのギャップを横
切って位置している駆動および検出電極を用いることに
より達成される。支持基板に対して直交する方向におけ
る質量の動きを抑制するために、その直交方向運動を制
限する機械的ストッパが設けられ、一方基板の反対側の
面に抑制ブリッジが設けられ回転運動を阻止し、かつ２
方向の移動を低減させる。

好適な超小型加速度計１０を第１図の平面図で示す、基
準質量１２が、フィードバック増幅器により機械的な共
鳴状態で支持されている２対の適合した共鳴ブリッジ（
１４，１６および１８．２０）により懸架されることが
好ましい、Ｘ軸の加速度成分ａｚは弐Ｆｉ’＝　　Ｍａ
ｘで定義される慣性力を基準質量１２上で発生させる。

この慣性力はＸ軸方向に整合された共鳴ブリッジにより
主として分けられ、このブリッジは図示例ではブリッジ
１４．１６である。Ｘ軸方向の加速度により前記ブリッ
ジの一方１４を圧縮状態に、他方のブリッジ１６を引張
状態とし、このためそれらの共鳴周波数ｆｌｌｌとｆｌ
ｌｉとを移行させる。

基本振動モードを想定した、レイ９のエネルギ方法（Ｒ
ａｙｌｅｉｇｈ’ｓ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍｅｔｈｏｄ）に
基く分析では引張状態の対の部材の共鳴周波数に対して
以下のように表現される０例示目的として、共鳴ブリッ
ジ１６が引張状態にあると想定すると、となり、ここで
ｆ・は非摂動共鳴周波数、Ｅは当該材料のヤング弾性係
数１１ｗおよびｔはそれぞれ共鳴ブリッジの長さ、輻お
よび厚さである。簡単にするために、この結果は直交方
向に設けたブリッジ１８．１９による負荷分担について
は無視している。圧縮状態の部材、即ちこの例では共鳴
ブリッジ１４に対する対応する表現式を差し引き、かつ
小さい摂動を考慮に入れれば、周波数の差は以下のよう
になる。

Δｆ＋ｃ−ｆｘｔ−ｆｘｔ　＝　（０，Ｌ４６ｆａＭｊ
！　”／ＥＷｔ’）ａ、ｌ＝Ｓ、ａ。

ここで、れはＹ軸の加速度成分に対する感度と定義され
る。この分析結果から、Ｘ軸加速度成分を検出できる。

さらに、Ｙ軸の加速度成分の検出にも前記の関係を用い
ることができる。

基準′Ｘ量１２の平面、即ちＹ軸およびＹ軸に対して直
交する加速度の２軸成分が基準質量１２を垂直方向に運
動させる。小さい垂直運動に対しては、Ｘ軸成分に対す
るｆＸｌとｒＸｔとにおける結果的な摂動はＹ軸に沿っ
て整合した双方のブリッジ１４と１６とに対して共通で
あり、ΔｆＸで消去される。Ｚ軸方向での加速度の実用
的な範囲にわたって極小さい垂直運動を保証するために
基準質量１２に対して別の機械的抑制を加えることが望
ましい。

第１図に示すように、本発明の好適加速度計１０は好ま
しくは図示のように少なくとも一対の共鳴ブリッジ１４
と１６、または１８と２０により懸架された基準質量１
２を含み、２対のブリッジ１４．１６および１８．２０
は基準質量を通る双方の直交軸にそって整合している。

ギャップ５２が基準質量１２と支持基板２６との間のい
たるところで設けられている。各ブリッジ部材の第１の
端部２２は基準質１１２の各側に取り付けられている。

各ブリッジ部材の反対側の第２の端部２４は共通の支持
基板２６に取り付けられている。ブリッジ１４．１６．
１８．２０は基準質量１２と支持基板２６の双方に一体
的に取り付けられている。

多対のブリッジ１４．１６および１８．２０のブリッジ
部材は相互に長手方向に整合して基準質量１２の両側を
通る軸線を形成する。（窒化シリコンの上に来る頂部層
は本装置を判りやすくするため第１図には示していない
、） 各ブリッジ部材は圧縮負荷が全くかからないか、あるい
は最小の圧縮負荷となるように形成されることが好まし
く、それぞれの共鳴周波数で振動するものと考えられて
いる。共鳴ブリッジ１４．１６．１８および２０は、標
準的な半導体製造技術を用いてリンでドーピングした。

多結晶シリコンから形成されることが好ましい、共鳴ブ
リッジ（１４，１６，１８または２０）における応力は
ドープ剤の種類、濃度および後段溶着熱処理によって左
右される。リンドープ剤を用いると、ブリッジ（１４，
１６，１８または２０）は−船釣に圧縮応力がかかる。

共鳴ブリッジ（１４１６、１８または２０）は熱処理さ
れるブリッジ部材内における圧縮応力レベルを最良に、
好ましくは最小にする。

基準質量１２と支持基板２６の加速により共通の軸線に
沿って対となった共鳴ブリッジ１４．１６および１８．
２０において対象的に圧縮と引張とを発生させ、これが
各ブリッジ（１４，１６，１８または２０）に対して固
有の共鳴周波数を変えることになる。この作用により対
応して対となったブリッジ１４．１６および１８．２０
の各部材のそれぞれの共鳴周波数の間の差を変化させる
。対となったブリッジ１４．１６および１８．２０にお
ける共鳴周波数の間の差のこの変化の大きさが信号処理
回路により測定され、多対のブリッジにより形成された
軸線に沿った基準［１の速度に対応する。

第１図に示す好適実施例においては、第２の対の共鳴ブ
リッジ１８．２０が基準質量１２に同様に取り付けられ
、第１の対の共鳴ブリッジ１４．１６により形成された
軸線に対して垂直の第２の軸線を形成する。一方向の加
速度成分のみを検出したい場合は第２の対のブリッジ１
８．２０は必要でない、再び各ブリッジ（１４，１６，
１８または２０）が励起されてそれぞれの共鳴周波数に
おいて振動し、加速による多対の部材１４．１６および
１８．２０の間の共鳴周波数の間の差の大きさが測定さ
れて多対のブリッジ１４゜１６および１８．２０により
形成される軸線に沿った加速度を指示する。

好適実施例においては、加速度の直交方向の成分が同時
に測定される。即ちＸ軸方向に沿って第１の対のブリッ
ジ１４．１６により画成される方向で一方の成分が、第
２の対のブリッジ１８．２０により形成されるＹ軸方向
に沿って他方の成分が測定される。信号処理回路は好ま
しくは単一の駆動電極２Ｂと、中実のシリコン支持基板
２６と一体で、かつ該基板に形成された２個の検出電極
３０の形態で各ブリッジに対する周波数測定回路を含む
、このように駆動および検出電極２８　、３０をそれぞ
れ形成することが有利であることの理由は、（１）駆動
および検出電極２８．３０は振動しないので、本装置の
寿命を不当に短くすることがなく、同時にセンサの精度
を向上させる。（２）処理過程の複雑さが低減される。

第２図に示すように、駆動および検出電極２８と３０と
は対応するブリッジ（１４，１６，１８または２０）か
らのギャップ３２を横切って設けられ、ブリッジ（１４
，１６，１８または２０）は前記駆動および検出電極２
８．３０上を横切ってまたいでいる。

各共鳴ブリッジ（１４，１６，１８または２０）はその
駆動電極２８によりその共鳴周波数まで静電的に励起さ
れる。各ブリッジ（１４，１６，１８または２０）に対
応する２個の検出電極３０は支持基板２６上の対応する
駆動電極２８の両側に設けられている。各ブリッジ（１
４，１６，１８または２０）の振動により、駆動および
検出電極２８．３０からの対応するギャップ３２を横切
って時変キャパシタンスを発生させる。検出電極３０は
キャパシタンスの変化、従ってブリッジ（１４゜１６、
１８または２０）の振動の変化を検出する。検出電極３
０はフィードバック回路（図示せず）に接続され、該回
路は駆動電極２８が振動の検出された変化の関数として
ブリッジ（１４，１６，１８または２０）に力を加え、
各共鳴周波数においてブリッジ（１４，１６゜１８また
は２０）の振動を保つ、ブリッジ（１４，１６，１８ま
たは２０）の振動の最大の振幅はブリッジ（１４，１６
゜１８または２０）が共鳴しているとき、即ち駆動電圧
の周波数がブリッジ（１４，１６，１８または２０）の
自然周波数と一敗したときに発生する。

各ブリッジに対する周波数測定回路はフィードバック回
路に接続され、その結果多対のブリッジ１４、１６およ
び１８．２０に対する周波数の間の差の変化即ち前記等
式におけるΔｆ８に対応する出力信号を発生させる。こ
の出力から、多対のブリッジ１４゜１６および１８．２
０により画成された軸線に沿った基準質量１２が与えら
れる加速度を検出することができる。

本発明による好適加速度計ｌＯの特徴は、駆動および検
出電極２８．３０が、第２図に示すように電極２８およ
び３０の上方で、かつ横切ってまたぐ共鳴ブリッジ（１
４，１６，１８または２０）からのギャップ３２を横切
って支持基板２６に一体的に取り付けられている。駆動
および検出電極２８．３０および共鳴ブリッジ（１４，
１６，１８または２０）のこのような好適配置により、
加速度計１０の耐久性と安定性とが大きく向上する。

第２図に示すように、この加速度計１０の好適実施例に
おいては、抑制ブリッジ３４がまた、共鳴ブリッジ（１
４，１６，１８または２０）とは反対の側である基準質
１１２の下側に設けられている。前記抑制ブリッジ３４
は基準質量１２の回転運動を排除するのみならず、Ｚ軸
方向の加速による基準質量１２の２軸方向の運動を抑制
する。

第３図は、ＩＧの２方向加速による基準質量１２のＺ方
向運動、即ちセンサ１０の相対感度と抑制ブリッジ３４
の厚さとの関係をグラフで示す、抑制ブリッジ３４の厚
さを増すことにより基準質量】２の２方向運動は大きく
低下し、しかもセンサｌＯの感度の低下は極掘かである
。２方向運動を抑制することはその抑制がセンサｌＯの
安定性、寿命および精度を向上させるので極めて望まし
いことである。従って、抑制ブリッジ３４の寸法はＺ方
向運動の抑制、回転運動の低減およびセンサｌＯの感度
の喪失との間の関係を最善化するよう選択される。

好適超小型加速度計１０はさらに基準質量１２を通うて
共鳴ブリッジの対１４．１６および１８．２０により画
成される２本の軸線に対して直交する方向、即ちＺ軸方
向の基準質１１２の運動を制限する手段を含む、前記の
運動を制限手段は、加速度計１０の共鳴ブリッジ（１４
，１６，１８および２０）を省略した第４図に示すよう
に基準質量１２のＺ軸方向において、それぞれ好ましく
ない正および負の運動を阻止するよう配置された機械的
な片持ちストッパ３６．３８からなる０機械的ストッパ
３６と３８とはポリシリコンから形成され、それぞれ基
準質１１２の上方および下方運動を制御する。

第５図は第４図の線５−５に沿って視た機械的ストッパ
３６の断面を示し、かつ片持ち式ビーム３６が基準質量
１２の不要な正の運動を阻止するよう延びる方向を示す
、第５図に示すように、各機械的ストッパ３６は基板２
６に取り付けられ基準質１１２の上方を延びている。第
６図は基準質１１２に取り付けられ、かつ基板２６上を
延びて基準質量１２の不要な負の運動を阻止する機械的
ストッパ３８を示す。

基準質量１２の最大運動量は機械的ストッパ３６と３８
との相殺に等しい。機械的ストッパ３６と３８とを追加
することにより加速度計１０の安定性と耐久性とはさら
に向上する。

前記のシリコン共鳴超小型加速度計とは大量表面微少加
工技術を用いて作られる。本装置の製作過程は基準質量
およびその他の要素を形成するために方向性依存のシリ
コンエツチング技術を利用する。さらに、酸化物−犠牲
層を用いてポリシリコンのマイクロブリッジ（１４，１
６，１８または２０）を形成する。

要約すれば、基準質Ｎ１２は方向性依存のエツチングを
用いて基板２６から微小加工される。第７図に示すよう
に、シリコンウェハ２６の裏面において、同じエツチン
グ過程により、基準質量１２の回転運動を抑制する好ま
しくは８個のポロンでドーピングしたシリコンの抑制ブ
リッジ３４を作る。さらに、化学的な蒸着（ＣＶＤ）の
多結晶シリコンの薄いフィルムから、ＣｖＤ酸化物のス
ペーサ層の下をエツチングすることにより共鳴ブリッジ
（１４，１６，１８および２０）が形成される。さらに
、下に来るポリシリコンの駆動および検出電極２８と３
０とが使用されてブリッジ（１４，１６，１８または２
０）の基本的な共鳴を励起し、それぞれその振動を検出
する。第５図と第６図とに示す断面５−５および６−６
は基準質１１２の垂直運動に対する制限ストッパとして
機能する片持の機械的ストッパ３６　、３８を示してい
る。

従って、標準的な半導体製作技術を用いると、前記超小
型加速度計１０を作る好適順序は６図のマスキング過程
を要する。

駆動および検出電極２８および３０、共鳴ブリッジ（１
４，１６，１８および２０）並びに機械的ストッパ３６
゜３８は、厚さが約１００ｎｓ　（１００オングストロ
ーム）である窒化シリコンの層４２の頂部に形成される
。第８図から第１１図までは共鳴ブリッジ（１４，１６
，１８および２０）と、前記共鳴ブリッジ（１４，１６
，１８および２０）の間のギャップ３２並びに駆動およ
び検出電極２８．３０を形成するに要する処理過程を示
す、製作過程は共鳴ブリッジ（１４，１６，１８および
２０）がギャップ全体をまたぐが、ストッパ３６．３８
はそれらをまたがず反対側の面まで延びていることを除
いて片持の機械的ストッパ３６．３８を形成するのと同
一である、第８図に示すように窒化シリコン層４２がシ
リコン基板２６の前面に形成される。

シリコンウェファ２６の初期酸化の後、固体源拡散法を
用いてウェファ２６の前側と後側とにボロンエツチング
のストッパ領域が形成される。打込み過程の間ボロンで
ドーピングした領域に熱酸化物が再生長する。駆動およ
び検出電極２８と３０とは化学蒸着した窒化シリコン４
２の層の上にリンでドーピングし化学蒸着したポリシリ
コンをパターン化することにより形成される。駆動およ
び検出電極２８と３０とは厚さが約５００ｎｍ　（５０
００オングストローム）である。

第７図に示すように、裏側の酸化物のフィルムにおける
環状の窓４４は次いで基準質量１２をエツチングするよ
う開けられる。特に、基準質量１２は、エツチング液と
して約１０５℃まで加熱されたエチレンジアミンおよび
ピロカテコール（ＥＤＰ）を好ましくは用いて、シリコ
ン基板２６を方向性依存の湿式化学エツチングすること
により作られる。シリコン基板２６は約４時間エツチン
グ液に浸漬される。

過度の隅のエツチングを最小とするために四角の隅を補
正スキームを有するマスクを用いることができるが、こ
のようにして作られた基準質量１２は十分であるが理想
ではない０本発明においては、マスクパターンはストリ
ートコーナ補正スキームを含むよう修正し、シリコンエ
ツチング液として苛性カリを用いる。概ね完全な台形の
基準質量１２が得られる。基準質量１２の完全な４倍対
線および正確な寸法管理により、超小型速度計１０によ
る方向面の精度を高める。

シリコンの微小加工過程の間、ウェファ２６の前側はＣ
ＶＤ酸化物の層により保護される。　ＥＤＰエツチング
はブリッジ領域の初期の酸化物の層あるいは前側のボロ
ンをドーピングした領域で止まる。

後者の領域は前側から裏側への非整合公差並びに電気接
地面の向上のために含めたものである。その後の処理の
間、酸化物のマスクとスペーサ層とが、ポリシリコンの
ブリッジ（１４，１６，１８および２０）をアンダカッ
トするフッ化水素酸エツチングにより除去される。

共鳴ブリッジ（１４Ｌ　１６．１８および２０）と片持
の機械的ストッパ３６．３８とは、第８図から第１１図
までに示す以下の好適処理過程を用いて形成される。

厚さが約０．４マイクロメータと１．６マイクロメータ
とである。リンケイ酸塩（ｐｈｏｓｐｈｏｓ　ｉ　ｌ　
ｉｃａ　ｔｅ）ガラス（ＰＳＧ）　／ケイ酸塩ガラス（
ＳＧ）からなることが好ましい二重層４６が駆動および
検出電極２８．３０並びにその下に来る基層２６と基準
質量１２との上に第８図に示すように堆積される。ＰＳ
Ｇ／ＳＧ　＝重層４６は第８図に示すように、約１０−
３０分好ましくは約１８分好ましくはバッファしたフッ
化水素酸中で化学エツチングすることによりフォトレジ
スト層４８を用いて形が作られる。二重層４６による方
法を用いるとバッファしたフッ化水素酸によるエツチン
グの後徐々に段のついたＰＳＧ／ＳＧペデスタル４６が
得られる。

後で共鳴ブリッジ（１４，１６，１８および２０）と機
械的ストッパ３６．３８を形成することになるポリシリ
コンの別の層５０が第１θ図に示すように付着されるこ
の後リンによるドーピングが行われ、形がつくられて共
鳴ブリッジ（１４，１６，１８または２０）と片持ちの
ストッパ３６．３８を形成する、ポリシリコン層５０の
固有の応力を低減するために約１時間、流動窒素ガス中
で約１１００°Ｃにおいて高温焼鈍を施した後、ＰＳＧ
／ＳＧスペーサ層４６はバッファしたフッ化水素酸ある
いはフッ化水素酸によりエツチングされ、洗滌されて共
鳴ブリッジ（１４，１６，１８または２０）と駆動およ
び検出電極２８．３０並びに片持ち機械的ストッパ３６
．３８の間で第１１図に示す必要なギャップ３２を形成
する。

第７図に示す抑制ブリッジ３４はボロン濃度が約１６ｚ
ｅ原子／立方センチ以上のドービン゛グを施した単結晶
シリコンウェファ２６から形成されている。

エツチング液としてエチレンジアミンおよびピロカテコ
ールあるいは苛性カリを用いて抑制ブリッジ３４をアン
ダカットするために方向性依存の湿式化学エツチングを
用いた。抑制ブリッジ３４と基準質量１２の平面即ち縁
部との間の角度はｔａミロ−（讐／Ｌ０） より大きく、ここでＷとＬｏとはそれぞれ、抑制ブリッ
ジ３４の完全なアンダカントを保証する抑制ブリッジ３
４の幅と長さである。第７図に示すように、抑制ブリッ
ジ３４の最適の配置は対となった抑制ブリッジ３４の間
の角度が約９度となることが判っている。加速度計の金
属相互接続（図示せず）の形式は以下の好適過程を含む
、アルミニウムが最も一般的に使用される相互接続材料
である。しかしながらアルミニウムは基準質１１２）ポ
リシリコンの共鳴ブリッジ（１４，１６，１８および２
０）および片持ち構造３６．３８を形成するに要する過
酷なエツチング過程の間著しく腐蝕してしまう。３種類
の金属化の方法が用いられ、かつ好まれている。

まず、相互接続をリンでドーピングしたポリシリコンか
ら形成すればよい。ポリシリコンの相互接続は共鳴ブリ
ッジの形成と同時に形成される。

ポリシリコンは基準質量の形成の間エチレンジアミンと
ピロカテコール（ＰＤＰ）のエツチング液に対して敏感
であるので、ケイ酸塩ガラスの層が、裏側からシリコン
に作用して基準質量を形成する！！ＤＰエツチング液の
前に、共鳴ブリッジ構造と相互接続とが設けられるシリ
コンウェファの前側に溶着される。

第２の好適な方法は、金属相互接続として金／シリコン
の共晶材料を用いることである。金／シリコンの共晶材
料は約２００ｎｍ　１２０００オングストローム）の金
をポリシリコンの頂部に付着させ、次いで約１５分間乾
燥した窒素ガス中で４２０°Ｃにて熱処理することによ
り形成される。金７シリコン共晶材料は、フッ化水素酸
、エチレンジアミンおよびピロカテコールエツチング液
での長時間のエツチングに耐えるので好ましいものであ
る。

好ましい第３の相互接続法は相互接続材として金／クロ
ームのに二重層を用いることである。それぞれ厚さが２
０ｒｖ、　５００ｎＩ１１および１００ｒｕｓ（２００
オングストローム、５０００オングストロームおよび１
０００オングストローム）であるクローム、金およびタ
ンタルムの上層がシリコンウェファの前側に付着する。

クロム層がシリコン面に隣接する。金属相互接続の特徴
は、まずタンタルム層に移る。次いで、ウェファがエチ
レンジアミンおよびピロカテコール（Ｅ！ＤＰ）エツチ
ング液の槽に浸漬されウェファの裏側から基準質量の微
小加工を実施する。ウェファの前側はタンタルムと金の
槽により保護されている。　ＥＤＰエツチングの完了後
、金属相互接続特徴は金／クロームの層に移され、タン
タルム層が除去される。次いでウェファを多ケイ酸塩ガ
ラス／ケイ酸塩ガラスのスペーサ層をフッ化水素酸でエ
ツチングする。金はフッ化水素酸エツチングに抵抗性が
あり、そのためシリコンウェファの前側を保護する。主
としてシリコンあるいは窒化シリコンの面に対する金の
付着性を高めるためにクロムが用いられる。

この共鳴ブリッジ加速度計ｌＯの実施は、作動中のこの
加速度計ｌＯに対する品質係数要件が高いため高度の注
意を必要とする。このためシリコンの裏打ちウェファ（
図示せず）の間で本装置を真空包装することが好ましい
０本発明において装置１０を実施するために、シリコン
対シリコン接着技術を用いることが好ましい、シリコン
対シリコンの接着を促進するために３種類の媒体材料を
用いることができる。

ケイ化プラチナを本装置をシリコン裏打ちウェファに接
着するよう形成してプラチナを用いてもよい。ケイ化プ
ラチナはまずプラチナの適当な層をシリコンの上に付着
させ、次いでこれらの材料を真空あるいは乾燥窒素ガス
中で約３０公約９００°Ｃの温度にさらすことにより形
成される０本装置と裏打ちウェファとの間で接着させる
ために金を用いてもよい。金／シリコン共品材料はまず
金の適当な層をシリコン上に付着させ、次いでこれらの
材料を真空中で約１５分間約４２０℃の温度にさらすこ
とにより形成される。アルミニウムはシリコンウェファ
間の接着を促進する別の好ましい代案である。シリコン
の上にアルミニウムの適当な層が形成される。シリコン
は、真空中で約３０公約９００°Ｃまで加熱されるとシ
リコン原子がシリコンウェファの各々に対して相互に拡
散するよう促進する。

この超小型加速度計１０に対する好ましい共鳴周波数検
出スキームは以下の過程を含む、１ボート検出スキーム
が利用される。このスキームにおいては、約ｌＯボルト
の成極直流（ＤＣ）電圧並びに約１０ミリボルトの駆動
交流（ＡＣ）電圧が共鳴ブリッジ（１４，１６，１８ま
たは２０）とその下に来る駆動電極２８との間に供給さ
れる。この静電力により電極２８とブリッジ（１４，１
６，１８または２０）の間のキャパシタンスを変動させ
て電流を発生させる。本装置が強制共鳴である場合、即
ち駆動電圧の周波数がブリッジ（１４，１６，１８また
は２０）の自然周波数と一致すると、キャパシタンスの
変動および電流が最大となる。

首尾よく性能を果した本発明による超小型加速度計１１
０の特定実施例を第１２図に示す、この加速度計１１０
は以下の装置パラメータを有し、第１２図に示されてい
る６本装置は１．４５ミリグラムの基準質１１１２と、
該基準質量１１２を通る直交軸線に沿って整合した４個
の共鳴ブリッジ（１１４，１１６，１１８および１２０
）を有する。ポリシリコンの共鳴ブリッジ（１１４，１
１６，１１８および１２０）の長さは約２５０マイクロ
メータで、幅が約１００マイクロメータで、厚さが約１
．６マイクロメータであった０機械的ストッパ１３６と
１３８とは概ね幅と厚さとが同じであるが、それらは片
持式であるため長さは共鳴ブリッジ（１１４１１６，１
１８および１２０）はど長くない、共鳴ブリッジ（１１
４，１１６，１１８および１２０）と電極１２８．１３
０との間のギャップは約２マイクロメータであって、従
って個々のブリッジ（１１４，１１６，１１８および１
２０）と電極１２８または１３０との間の容量的結合面
積は約４０００平方マイクロメータである。成極電圧は
約１０ボルトＤＣで、駆動電圧は約１０ミリボルトＡＣ
である。超小型加速度計１１Ｏは約２００ミリトールの
真空を有して実装される。基準質ｆｆｋ１１２の回転を
抑制するため、８個のシリコン抑制ブリッジ（図示せず
）が形成されており、それらは約８マイクロメータの厚
さである。（本装置を判りやすくするために第１２図に
おいては窒化シリコンの上に来る上層は示していない、
） 加速度計１１０は所定の回転軸線に沿って約８０８ｚ／
Ｇの加速に感応する。共鳴超小型加速度計１１０に対す
る実際の実験結果は、予想した装置の応答性と一致した
。応力の無い状ｇｔｃ引張応力状態およびＩＧ圧縮応力
状態での共鳴マイクロブリッジ（１１４１１６，１１８
および１２０）の測定した応答性はそれぞれ１７４．０
４５）１２．１７４，１６７Ｈ２および１７４．ｏｏｏ
ｌＩｚに相応する。

さらに、ｌポートの電気検出スキームを用いることの利
点は、駆動および検出電極１２８および１３０を１個の
電極に合体できることで、従ってブリッジの長さを低減
できる。その結果、ブリッジ（１１４゜１１６１１８ま
たは１２０）の厚さの最低要件も低減できる。このため
種々の用途に対して装置１１０の寸法を決める上で余裕
ができる。

本発明は共鳴超小型加速度計として使用するに適した好
適実施例を開示しているが、本発明の精神から逸脱する
ことなく構造並びに使用法において各種の修正や変更が
可能なることを理解すべきである。このために、これら
の変更は本発明の範囲に入るものと正しく理解され、従
って本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適実施例により作った共鳴ブリッジ
の２軸超小型加速度計の平面図、第２図は第１図に示す
超小型加速度計の線２２に沿った断面図であって、質量
に取り付けられた共鳴ブリッジが支持基板に一体的に取
り付けられた対応する駆動および検出電極上を横切って
またがっている状態を示す図、 第３図はｌＧのＺ方向加速による質量のＺ方向運動と抑
制ブリッジの厚さとの関係を示すグラフ、第４図は本発
明の好適実施例により作った機械的ストッパの平面図、 第５図は第４図に示す機械的ストッパの綿５−５に沿っ
て視た断面図で、前記ストッパが第１方向において質量
のＺ方向運動を阻止することを示す図、 第６図は第４図に示す機械的ストッパのｍ６−６に沿っ
て視た断面図であって、前記ストッパが第２の方向にお
いて質量の２方向運動を阻止することを示す図、 第７図は本発明の好適実施例により作った、第１図に示
す超小型加速度計の下側を示す平面図、第８図から第１
１図までは本発明の好適実施例により共鳴ブリッジ構造
を形成するための好ましい処理過程を示す図および 第１２図は本発明の好適実施例により作った機械的スト
ッパを有する好適な共鳴ブリッジ２軸超小型加速度計の
平面図である。 １０−加速度計　　　　　１２−基準質量１４、１６．
１８．２０−共鳴ブリッジ２２．２４・−ブリッジの端
部 ２６−支持基板　　　　　２８−駆動電極３０−・検出
電極　　　　　３２−ギャップ３４−抑制ブリッジ　　
　３６．３８−　ストッパ４２．４６．４８．５０−・
−層 （外４名） ％ｙ、さ’Ｊ　　ブリッジ　　Ａ　：、　　＜　　１１
式）Ｆｔ’ｇ、５゜ Ｆｔ’ｇ、６゜ Ｆ々、１θ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）質量と、前記質量を囲む支持体であって、該支持体
   と前記質量との間の概ねいたるところでギャップを形成
   している支持体と、前記質量を前記支持体において懸架
   する懸架手段と、前記懸架手段を振動させる手段と、お
   よび前記支持体と前記質量との間の共通軸線に沿った前
   記質量の加速による前記懸架手段の振動の変化を検出す
   る手段とを含む加速度計において、前記懸架手段が，前
   記質量（１２）がそこから懸架されている前記支持体（
   ２６）に対して各々が一端（２４）で取り付けられてい
   る少なくとも２個のブリッジ（１４，１６）を含み、前
   記ブリッジ（１４，１６）が、該ブリッジ（１４，１６
   ）を通る長手方向軸線が前記質量（１２）を通る前記の
   共通の軸線を形成するよう前記質量（１２）の両側に取
   り付けられており、前記振動手段（２８）が、前記質量
   （１２）の加速により前記ブリッジ（１４，１６）の引
   張あるいは圧縮の関数として変化するそれぞれの共鳴周
   波数において前記ブリッジ（１４，１６）を振動させ、
   前記検出手段（３０）が前記ブリッジ（１４，１６）の
   間の前記共鳴周波数の差の変化を検出して前記の共通の
   軸線に沿った方向の加速度を示し、前記検出手段（３０
   ）が前記支持体（２６）に設けられ、前記ブリッジ（１
   ４，１６）が前記検出手段（３０）上をまたぐことによ
   って前記検出手段（３０）と前記ブリッジ（１４，１６
   ）との間にギャップ（３２）が出来ることを特徴とする
   加速度計。 ２）特許請求の範囲第１項に記載の加速度計において、
   前記ブリッジ（１４，１６）が励起され、各静電手段（
   ２８）を用いてそれぞれの共鳴周波数で振動することを
   特徴とする加速度計。 ３）特許請求の範囲第２項に記載の加速度計において、
   各静電手段が前記支持体（２６）に設けられた駆動電極
   （２８）を含み、前記駆動電極（２８）が各ブリッジ（
   １４，１６）の長手方向軸線に沿って中央に位置し、か
   つ前記駆動電極（２８）と各ブリッジ（１４，１６）の
   間にギャップ（３２）が設けられていることを特徴とす
   る加速度計。 ４）特許請求の範囲第２項に記載の加速度計において、
   各静電手段が前記ブリッジ（１４，１６）の各々に対し
   て駆動電極（２８）を含み、各駆動電極（２８）が前記
   各ブリッジ（１４．１８）の各々からのギャップ（３２
   ）を横切って位置し、前記検出手段が各ブリッジ（１４
   ，１６）に対して少なくとも１個の検出電極（３０）を
   含み、前記検出電極（３０）の各々が前記の各ブリッジ
   （１４，１６）用の前記駆動電極（２８）に隣接して前
   記支持体（２６）に位置され、前記ブリッジ（１４，１
   ６）の振動が各ギャップ（３２）を横切って時変キャパ
   シタンスを発生させ、前記駆動電極（２８）と前記各ブ
   リッジ（１４，１６）に対する前記検出電極（３０）に
   接続されたフィードバック振動検出回路が前記ブリッジ
   （１４，１６）の各々に対して設けられ、前記回路は前
   記の各ブリッジ（１４，１６）の時変キャパシタンスの
   変化を前記検出電極（３０）を介して検出することによ
   り前記ブリッジ（１４，１６）の振動の変化を検出し、
   かつ前記回路はキャパシタンスの検出した変化の関数と
   して駆動電極（２８）に電圧を供給することを特徴とす
   る加速度計。 ５）特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１
   項に記載の加速度計において、前記質量（１２）の上面
   に対して垂直の方向に所定距離を越えて前記質量（１２
   ）が撓まないよう阻止する複数の停止手段（３６，３８
   ）を含むことを特徴とする加速度計。 ６）特許請求の範囲第５項に記載の加速度計において、
   前記停止手段の少なくとも１個（３８）が前記質量（１
   ２）に取り付けられ、かつ前記停止手段の少なくとも１
   個（３６）が前記支持体（２６）に取り付けられている
   ことを特徴とする加速度計。 ７）特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１
   項に記載の加速度計において、前記質量（１２）の回転
   を抑制しかつ前記質量（１２）の上面に対して垂直の方
   向での前記質量（１２）の撓みを抑制するよう前記質量
   に取り付けられている複数の抑制アーム（３４）を含む
   ことを特徴とする加速度計。 ８）特許請求の範囲第１項に記載の加速度計において、
   ４個のブリッジ（１４，１６，１８，２０）が前記質量
   を懸架しており、２個のブリッジ（１４，１６）が前記
   質量（１２）を通る前記共通の軸線を形成し、かつ他の
   ２個のブリッジ（１８，２０）が前記共通の軸線に対し
   て垂直の前記質量（１２）を通る共通の第２の軸線を形
   成し、前記共通軸線での前記２個のブリッジ（１４，１
   ６）の共鳴周波数の差の変化が前記共通軸線に沿った加
   速度成分を指示し、同時に他の２個のブリッジ（１８，
   ２０）の間の共鳴周波数の差の変化が前記第２の軸線に
   沿った加速度の直交方向成分を示すことを特徴とする加
   速度計。 ９）特許請求の範囲第８項に記載の加速度計において、
   前記質量（１２）の上面に対して垂直の方向における所
   定の距離を越えて前記質量（１２）が撓むのを阻止する
   複数の停止手段（３６，３８）を含むことを特徴とする
   加速度計。 １０）特許請求の範囲第９項に記載の加速度計において
   、前記停止手段の少なくとも一方（３０）が前記質量（
   １２）に取り付けられ、かつ前記停止手段の少なくとも
   一方（３６）が前記支持体（２６）に取り付けられてい
   ることを特徴とする加速度計。 １１）特許請求の範囲第１項に記載の加速度計を製作す
   る方法において、第１の構造層（４２）を基板（２６）
   の一方の側に位置させて駆動電極（２８）と検出電極（
   ３０）とを形成し、前記騒動および検出電極（２８，３
   ０）と対称的に整合している所定の質量の基準質量体（
   １２）を前記基板（２６）において形成し、犠牲層（４
   ６）を前記駆動および検出電極（２８，３０）上に付着
   させ、前記犠牲層（４６）にわたって前記ブリッジ（１
   ４，１６）を形成し、前記犠牲層（４６）を除去して前
   記ブリッジ（１４，１６）および前記駆動および検出電
   極（２８，３０）の間でギャップ（３２）を形成し、か
   つ前記質量体（１２）を前記基板（２６）から実質的に
   遮断して前記質量（１２）を前記ブリッジ（１４，１６
   ）から懸架させ、かつ複数の抑制ブリッジ（３４）を用
   いて前記質量体（１２）を前記基板（２６）に最小限に
   取り付ける過程を含むことを特徴とする加速度計を製作
   する方法。 １２）特許請求の範囲第１１項に記載の方法において、
   さらに前記犠牲層（４６）を前記支持体（２６）並びに
   所定の質量の前記基準質量体（１２）の領域にわたって
   付着させ、前記犠牲層（４６）を除去して、前記支持体
   （２６）に取り付けられ、かつ所定の距離だけ前記基準
   質量体（１２）の上方を延びる少なくとも１個の停止手
   段（３６）を形成し、かつ前記本体（１２）に取り付け
   られ、かつ同様の所定の距離だけ前記支持体（２６）上
   を延びる少なくとも１個の停止手段（３８）を形成する
   過程をさらに含むことを特徴とする加速度計を製作する
   方法。