JPH02271262A - 中間面検出用質量部を備えた容量性加速度計 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、シリコンから微細機械加工によって作られる
改良された閉ループ式容量性加速度計に関する。

し従来の技術］ 加速時計の分野において、シリコンから適切な部分をエ
ツチングすることにより、小形でコンパクトな加速度計
を形成することは知られている。

この様な変換器の一つの例が、来−特許箱４．５７４．
３２７号に示されている。この変換器において、検出用
質量部は、多くの溝や開口を有する凹凸状の織布表面を
有し、その表面は、圧縮フィルム緩衝減少を利用して、
所望の周波数応答を達成する様に仕上げられている。

他の型のマイクロ加速度計では、望ましくない横軸感度
を与え得る非対称性を導くカンチレバー検出用質量部が
採用されている。前述の米−特許箱４，５７４，３２７
号では、検出用質量部の面に対して垂直の軸方向に選択
的に応答するよう検出用質量部の全周囲に可撓性ヒンジ
を与えることによって非対称効果を避けている。

異なった軸上の加速度を結合するトルクを避けるために
、ヒンジを検出用質量部の中央面に取付けるのが好まし
い。しかし、由央面内での正確な配置は困難である。

［発明が解決すべき課題］ 本発明によって解決される問題は、従来の中央面検出用
質量部は、シリコンウェハのと面をボロン拡散し、その
後拡散層下のシリコンの厚さに一致した高さまで、拡散
層上にエピタキシャル層を成長させることによって形成
されていたということである。このやり方は非常に多（
の時間要しかつ高価なプロセスであった。

さらに重要なことは、このプロセスは、常に決まって、
検出用質量部構造内に誘導応力を弓１起し、それによっ
て、加速度計スパンおよびバイアスオフセットにおける
デバイス対デバイス再生産性の欠落並びに高デバイス温
度感受性を引起こす。中央ヒンジを形成するために、非
拡散ウェハの両面からの交互エツチングが採用されてい
た。このプロセスは、エッチの接続のみによって制御さ
れている。しかし、検出用質量部の厚さは、代表的なも
ので１０ミルであり、ヒツジの厚さは０．１ミルである
から、この技術は、ウェハ対ウェハ基部上に良好な装置
対装置再生産性をもたらさない。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、改良され閉ループ式の容量性の加速度に関す
る。ここでは、３枚プレート式のキャパシターが、その
中心プレートを検出用質量として形成されている。検出
用質ｍ部は、中央面インタフェイス領域の上面及び底面
に配置された可撓部の新規な構成によってシリコンフレ
ームから懸架されている。また、この検出用質量部は、
低減された横軸結合をもたらすと同時に、クリティヵル
なヒンジ支持領域及び検出用質量部構造内に最小の誘導
応力を持つ。著しく高精度かつ高再生産性に創造するこ
とが容易である、著しく改善された対称性を有する。

［実施例］ 第１図を参照する。第Ｆ図は、図の−Ｌ方に向かって伸
びている軸２３０と同軸方向の加速匣を記録するのに適
した本発明の一実施例の横断図を示している。電気的に
は、この装置は３枚プレー１〜式のキャパシターであっ
て、その−上部プレート２０と底部プレート３０は、そ
れぞれ、硬いシリコン部材から形成され、検出用質量部
１１０を含む中間部のシリコンフレーム１０５に接合さ
れている。

標準的なガラス接着技術やエツチング技術を用いて、上
部プレート２０及び底部プレート３０上に形成されたガ
ラス端部２２と、フレーム１０５の間は、標準的な陽極
方法または熱的方法によって接合されている。

検出用質量部１１０は、好都合な結合プロセスによって
インタフェイス領域１１５に結合された２個のシリコン
スラブ１１２及び１１４から形成されている。この結合
プロセスは、例えば、向かい会っている面上にアルミニ
ウム層をスパッタリングし、そのサンドウィッチ状のも
のを７００６Ｃで１時間加熱し、２個のスラブを結合す
るやり方がある。また、アルミニウムの代わりにガラス
誘電体結合を採用することもできる。インクフェイス領
域１１５に接触する面は、次のエツチングステップで形
成されるヒンジに応答する。慣例的に、第１図は、本発
明の実施例を示している。ここで、左右の可撓部は、検
出用質量部の合成特質を強調するために、それぞれ上部
及び底部スラブ内に存在している。本発明で用いられて
いる可撓部構成と別の構成を考えることは、当業者にと
って容易である。

従来の３枚プレート式キャパシター構造と本発明のそれ
との間の違いについて、第２図を用いて説明する。第２
図は、フレーム１０５と検出用質量部１１０の簡単な斜
視図を示している。上記の軸２３０は、この図では、検
出用質量部１１０の中央平面上に存在し、その重心を通
過して引かれたＸ軸２１，０とＹ軸２２０に対応するＺ
４Ｉｈである。

検出用質量部１１０は、その周辺を、例λばＥＤＰエツ
チング等の異方性エツチングによって形成されたギャッ
プ１６３によって門まれている。可撓部１６２及び１６
４を形成するステップにおいて、従来装置と本発明との
差は、検ｄ」用’Ｆｆｆ１部１１０をフレーム１０５に
結合する可撓部すなわちヒンジの構成の差にある。Ｙ軸
２２０に沿って眺めると、図の上部及び底部双方のｔ方
スラブ内に比較的大きな可撓部１６２があることがわか
る。

各スラブ内の可撓部は、インタフェイス領域１１５に接
している可撓面と呼ばれる面内にある。共に結合されて
いる２個のシリコン１１２及び１１４は、これらをキャ
パシタープレートを区別するために、スラブとして参照
することにする。検出用質量部の底部スラブにおいて、
検出用質量部１１０の上面と底面上には、Ｙ軸２２０の
回りに対称に配置された一対のより小さな可撓部１６４
がある。一対の可撓部１６４は、それぞれ、可撓部１６
２の半分の幅を有する。そのため、可撓郡全体の強度は
、その上面と底面とでは同じである。

また、この検出用質量部１１０の反対側のギャップ１６
３の下部には、対応する可撓部１６２及び１６４とが対
称に配置されている。すなわち、その上面及び底面がＹ
軸２２０を重心にして対称になっているだけでなく、図
の上面と底面もバランスしていることにより、Ｘ軸２１
．０を重心にしても、また、対称になっている。

図面の左右には、可撓部１６２．１６４のもう一つの対
応する対称な配置構成がある。こちらは、その上面と底
面側では、より小さな可撓部１６４が上部スラブ上に、
そしてより大きな可撓部１６２が底部スラブ上にあると
いう点で異なっている。

この配置構成の対称性を理解するために、それぞれ、方
形の検出用質量部１１０の対声線に沿って真中の平面上
に伸びた軸２４０と２５０に注目すべきである。例えば
、軸２４０に注目すると、検出用質量部１１０の底面の
左には可撓部１６４が、そして、対応する可撓部１６４
は上面の右側にある。もしも、それぞれ対応している底
面布及び上面左の可撓部１６２によってバランスされな
ければ、これは軸２４０の回りに僅かなトルクを発生さ
せることになる。同様に、軸２５０の回りには、双方の
可撓部が共にコーナーから均等に隔離され、可撓部の対
応する上面／底面のマツチングが取られている。このこ
とを適用するために、第１図に示される配置構成では、
対応する可撓部検出用質量部の対向する上面あるいは底
面にあるが、軸２３０と２４０で定義される体格面につ
いて対称になっている。

この可撓部の構成は、−側面に３個の可撓部の構成のみ
に限られない。また、可撓部の幅、数、配置に関連する
他の多くの構成が当業者にとって明らかである。この実
施例の本質は、体用軸２４０と２５０について面対称性
がないことと共に、横断軸２１０および２２０について
は高対称性があることにある。可撓部１６２及び１６４
はミクロンの大きさであり、届１１５も同様であるから
、垂直位置の差によって生ずるトルクすなわち非対称性
は極めて小さい。

製造順序として、まずスラブ１，１２及び１１４となる
２個のシリコンウェハに、各スラブの可撓部１６２及び
１６４に対応するパターンを使ってボロンが拡散される
。例えばスパツクされたアルミニウム等の結合材料層が
、各拡散面に与えられる。各ウェハは整合された後、７
００°Ｃの温度で１時間加熱することによって、又は応
力を発生させない結合を与える適切な方法によって、結
合される。ギャップ１６３を切り落として可撓部１６２
及び１６４を形成するために、組合わせスラブが湿式エ
ッチされる。ギャップ及び検出用質量部の大きさはクリ
ティカルでないことを説明するために、第１図では、組
立体を左右不整合の状態で示している。ミクロンのクリ
ティカルな大きさは図の垂直方向にあって、不整合によ
って影響を受けない。

代替案として、ガラスの様な誘電性材料が、例えばイオ
ンミリングによってスラブ上に蒸着され得る。次に、蒸
着された誘電体層に、第２スラブが電気的に結合される
。必要な場合には、上部及び底部スラブは、この方法に
よって電気的に絶縁され得る。これは、容量を測定する
関連電流に対して融通性を与えてくれる。

本発明によれば、可撓部１６２と１６４は、例えば１０
ミルの厚さのシリコン・ウェハーの上面と底面の双方に
、マスキングとボロン・ドーピングにより、立方センナ
メートル当り６Ｘ１０”個のボロン原子の境界が、所望
の可撓部の厚さ、例えば２ミクロンに対応した深さにま
で達する様にして作られる。この構成によれば、上面と
底面のボロン槽は、標準的なエツチング剤である。たと
えばエチレンジアミン・ピロカテコール（ＦＤＰ）に対
してエツチングを停止する動きをする。そのため、ギャ
ップ１６３がエツチングされると、ギャップが存在する
領域において、エツチングを停止させる働きをするボロ
ン層に達するまでギャップが開けられ、そして、エツチ
ング剤はそのギャップ１６３の周囲に開口を形成する。

ウェハーは、液槽中に沈めることにより、その上部及び
底面の両方から同時にエツチングされる。

この技術によって、可撓部の厚さが、精度良（形成され
る。さらに、従来技術の主要な欠点を克服して、可撓部
が、検出用質量部の中央面に接して精度良く配置される
。

第１図に戻り、この横断図は、検出用質量部１１０の上
面における２つの可撓部１６２を示すＹ／２面に沿って
切り出されたものであることが分かる。上部プレート２
０における開口２４、及び底部３０における開口２６は
、プレート２ｏと３０、そして検出用質量部１１０とに
よって形成される可変キャパシターの領域を明確に規定
してぃる。さらに、これらの開口は、寄生容量を減少さ
せるために、適切なエツチング方法によって開設されて
いる。検出用質量部が下方向に偏移せしめられると、ガ
スが山間プレート室３２と３４から上述の開口及び以下
に記述する他の開口中に放出される。

キャパシター変換器の温度及び時間の安定性における実
質的な要素が、温度係数、キャパシターの幾つかのプレ
ートを一体に結合するガラス誘電体２２の経年特性であ
ることは既にわかっている。

結合領域が小さい程、そして、プレート２０と３０及び
フレーム１０５の間のガラス誘電体の厚さが厚い程、温
度及び経年変化が容量測定にたいして与える影響は小さ
くなる。ボンディング・ガラス２２の厚さはキャパシタ
のギャップに比べて比較的大きく、そして、ボンディン
グ・ガラス２２の水平方向の寸法は台形部３１の幅に比
べて比較的小さくなっていることが好ましい。側止して
、台形部３１と３３は約０．１５０インチ、ガラス２２
の幅は約０．０１０インチである。例示的には、その全
体の構成は、好適な緩衝を与える圧力に保たれ、かつ、
キャパシター室３２．３４と開口２４．２６とを加えた
体積よりもずっと大きな体積を有する開口２４と２６に
連通した気体体積を有する密封封入容器の中に封入され
ている。

動作について説明する。ユニットが、軸２３０に沿って
上方向に加速されると、検出用質量部１１０は、図にお
いて、底面に向かって降下し、面５６と５８の間のギャ
ップ、すなわち、下方室３４の気体容積を減少させる。

検出用質量部がどの台形部とも接触しない様に、絶縁移
動停止ヒ部７２が、台形部３Ｌ３３の上のいろいろな場
所に配置可能である。これらの停止部７２は、−例とし
て、検出用質量部が接触した場合にも電気的短絡を起こ
さないようガラス被覆されている。例えば、この停止部
は、幅が０．００５インチ、高さ０゜４ミクロンであり
、絶縁のため厚さ０．５ミクロンのガラス層を備えてい
る。

検出用質量部の周波数応答を制御するために、圧縮フィ
ルム緩衝現象が用いられている。サンプルチャンネルす
なわち通路は、プレートの間の容積から圧縮されて追い
出された偏移ガスを保持するための貯蔵容器４２として
働く。このチャネルは表面５８と５２を覆うネットワー
クの一部となるであろう。チャネル３４が収縮されると
、ガスはそれらの貯蔵容器の中に押しやられる。ガス貯
蔵容器の全体の容積は、貯蔵容器内部の圧力上昇が僅か
であるように、ガス室３４の容積の変化分よりも著しく
大きくとるべきである。その比率は１０対１、あるいは
これより大きく、そしてそのチャネルは幅が０．００５
インチ、そして深さが１２ミクロンである。チャネル４
２は、例えばイオン・ミリング、あるいは反応イオン・
エツチング等の標準的なシリコン加工技術により形成さ
れている。通路は比較的浅いことから、図にも描かれて
いる様に、ウェット・エッチ・プロセスによって得られ
る非垂直壁にも拘らず、その幅に関連した表面を越えて
表面がさらに取り除かれることはほとんどない。反対に
、もしも、その通路が検出用質量部の内部に形成される
ならば、非常に大きな厚さ（代表的には０．０１インチ
）となる検出用質量部は、貫通孔を形成するために深い
溝を必要とするため、これにより、多くの質量を広い表
面領域に渡って取り除かなければならなくなる。

すなわち、キャパシターのために実際に使用することが
できる表面領域は非常に減縮される。従って、そして、
所望の容量を確保するためには、キャパシターそれ自体
の領域を大きくせざるをえなくなる。台形部３１及び３
２の比較的狭く浅い溝の構成により、影響を受ける容量
測定のために有用な領域は最大にされず、そして、検出
用質量部は貫通され、そして溝を形成されることがない
ため、最大の慣性質量が維持される。これらのチャネル
４２は、この紙面に垂直に、及び／若しくは、紙面内に
伸びることによって、貯蔵容器２６と連結する。

上方プレート２０と下方プレート３０、及びフレーム１
０５の全体構成は、一般的にＵ字状の断面を有する三次
元の下方フレーム１２０によって支持されている。これ
は継手２２に類似のガラス継手によってフレーム１０５
に結合されている。

この方法の利点は、外部への熱伝導あるいは損失の熱的
影響が、上方プレート及び下方プレートに関して対称に
入ることである。デバイスが下方プレート３０上に搭載
された場合は、その下方プレートは、通常、上方プレー
ト２０とは個となる温度となり、その結果として熱応力
と歪み、そして、ガラス誘電体キャパシタによって経験
されるところの異なる温度を生じる。

与えられた表面領域に対しては、上方及び下方のキャパ
シタの容量は、検出用質量部と上部及び底部プレートの
表面間のギャップによって設定される。このギャップは
、例えば２ミクロンであり、ウェハーの表面に蒸着され
、そして所定の領域を除いてエツチングによって取り除
かれるガラス層２２の厚さと、台形部３１及び３３の高
さとによって決定される。それゆえ、ギャップが検出用
質量部の面から材料を取り除くことによって設定される
他の技術に比べて、そのギャップは、ガラス層２２の厚
さを変えることにより、簡単に制御することができる。

さらに、本発明の長所としては、緩衝通路のネットワー
クは、表面５２と５８に対しては最小限の衝撃を与え、
それ故、容量に対［７ても最小限の衝撃を与える。さら
に、このネットワークは、検出用質量部１１０よりも、
むしろプレート２０と３０の七に配置され、検出可能な
最大加速度Ｇｍａｘによっての何等の影響も受けない。

成る容量に対し、フルスケールの範囲は、検出用質量部
の厚さを選択することによって、及び可撓部１６２と１
６４の数量と厚さ、それらの長さと幅を制御することに
よって、独立に制御することが出来る。図示の実施例に
おいて、可撓部１６２と１６４は、２６５ミクロンの厚
さと１．０゜０１０インチのギャップ間隔１６３に対し
て、それぞれ０．０６６インチと０゜０３３インチの幅
を有し、そして、検出用質量部１１０は、０．０１０イ
ンチの厚さと７ミリグラムの質量を有している。本発明
においては、検出用質量部からは、緩衝通路を形成する
ために何らの材料も取り除かれていないことから、Ｇｍ
ａｘが緩衝特性からは独立している。さらに、感度はＧ
ｍａｘに対する公称容量の比率に比例することから、３
つのパラメータ、感度、容量、そしてＧｍａｘの２つが
、実質的にこれから独立している緩衝特性に独立に選択
され得る。このことは、検出用質量部が大きく削られて
いるために、これらのパラメータが全て相互に密接に関
連づけられ、これらが調相する様に調整されていた従来
の設計とは対照的である。

次に製造方法について述べる。所期の値０．０５０イン
チの厚さを有する上部及び底部のシリコン・スラブ２０
と３０は、それぞれ、その内部に、番号３３と３１によ
って参照される上部と底部の台形部を有している。これ
らの台形部は、ガスプレナム２４．２６となる。これら
の台形部は、ガラス・スペーサ２２を含む領域を繰り返
し７酸化し、続いて、酸化の繰り返しによって形成され
た二酸化シリコンをエツチングによって取り除くことに
よって形成される。この方法の結果、ガラス誘電体が蒸
着された極めて滑らかな表面に囲まれた、かつ厳粛に制
御された、好ましい台形部が得られる。さらに詳しくは
、同時に継続中の興−出願人所有のこれと同日出願日の
特許出願に示されている。

本発明に従って形成され、一般的に円形の横断面を備え
、０．１５０インチの公称直径と、２ミクロンの厚さを
有する加速度計は、間ループ構造を使用して、０ヘルツ
から数百ヘルツの調節可能な上限までの応答周波数に対
して１．、／１０．０００の分機能を実証した。

好ましい実際例においては、閉ループ構造によってより
良い性能が得られるであろう。このＷＲの電気的な部分
は、箱３１０により概略が図示されている。この箱３１
０は、閉ループ動作のための強調電圧を電極に印加する
ための回路であって、３プレートのキャパシタがその一
部を形成する高周波ブリッジ開路のアンバランスをモニ
ターにすることによって容量を検知するための簡単な回
路を含んでいる。外部の加速度に比例した信号は、その
検出用質量部を零の位置に戻すために要求される強制電
圧から導かれる。

本発明は、ここに示され、そして記載された特定の実施
例に限定されることなく、そして、特許請求の範囲に定
義されるこの新規な思想の本質及び範囲から外れること
なく、種々の変更及び変形が成し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の断面図、第２図は本発明によ
って構成された検出用質量部の斜視図である。 ２０・・・上部プレート、　３０・・・下部プレート２
４．２６・・・開口、１１０・・・検出用質量部１１２
．１１４・・・シリコンスラブ １１５・・・インタフェイス領域 １６２・・・可撓部 外１名

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定された上部及び底部プレート並びに可動検出
   プレートを有する３枚プレート式キャパシタから成り、
   上記可動プレートは、上記上部プレートから上部ギャッ
   プだけ離された上部表面と、上部底部プレートから底部
   ギャップだけ離された底部表面を有し、基準中間面を形
   成し、上記可動プレートは、さらに上記基準面に対して
   垂直な加速度に沿った加速度に応答して上記上部及び底
   部プレートの間を移動する様に、上記検出プレートと上
   記支持部材との間の支持ギャップを横切って伸びている
   可撓性結合手段によって結合され、それによって、上記
   加速軸に沿った加速度が上記検出プレートを上記基準中
   間面から偏移させ、上記検出プレートと上記上部及び底
   部プレートとの間の容量を変え、 上記上部及び底部プレート並びに上記支持部材は強固な
   構造を形成する様にして共に結合され、上記検出プレー
   トは、上記検出プレートの両側に沿って所定のヒンジ長
   さだけ伸びており、かつ上記検出プレートの長さよりも
   短い所定のヒンジ長さを有している少なくとも一対の可
   撓部によって、連結通路が上記上部プレートと上記検出
   プレート間の上部室と、上記底部プレートと上記検出プ
   レート間の底部室との間に形成され、 少なくとも一の室はその内部に配置された移動停止部と
   、上記検出プレート及び上記固定プレートとの一方にお
   ける圧縮フィルム緩衝を促進するための溝を有し、さら
   に、 上記室の少なくとも一の室の容量を測定するための電子
   手段を有する固体加速度計において、上記検出プレート
   は、インタフェース領域で互いに接合された上部及び底
   部スラブから形成され、上記スラブの各々は、上記イン
   タフェース領域と接触する可撓面にボロン拡散され、か
   つ実質的に上記可撓面の内部に存在し、かつ所定のパタ
   ーンで上記支持ギャップについて配設された可撓部によ
   って上記支持部材に接合され、それによって上記上部及
   び底部スラブが、上記上部及び底部プレートに対称かつ
   上記検出プレート中間面に実質的に配設された上記少な
   くとも１対の可撓部によって、上記支持部材に接続され
   た合成検出プレートを形成する様に組合わされているこ
   とを特徴とする固体加速度計。
2. （２）上記インタフェース領域が、上記上部及び底部ス
   ラブに接合された金属層から形成されていることを特徴
   とする請求項（１）に記載の固体加速度計。
3. （３）上記インタフェース領域が、誘電体材料層から形
   成されていることを特徴とする請求項（１）に記載の固
   体加速度計。
4. （４）上記インタフェース領域が、誘電体材料層から形
   成され、上記上部及び底部スラブが互いに電気的に絶縁
   されていることを特徴とする請求項（３）に記載の固体
   加速度計。