JPH09189716A - 超小型機械的加速度センサ - Google Patents

超小型機械的加速度センサ

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JPH09189716A
JPH09189716A JP8325789A JP32578996A JPH09189716A JP H09189716 A JPH09189716 A JP H09189716A JP 8325789 A JP8325789 A JP 8325789A JP 32578996 A JP32578996 A JP 32578996A JP H09189716 A JPH09189716 A JP H09189716A
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acceleration sensor
semiconductor wafer
electrode
sensor according
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JP8325789A
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Georg Flach
ゲオルク・フラツハ
Udo Nothelfer
ウド・ノートヘルフエル
Guenther Schuster
ギユンテル・シユーステル
Heribert Weber
ヘリベルト・ヴエーベル
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Conti Temic Microelectronic GmbH
Original Assignee
Temic Telefunken Microelectronic GmbH
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エッチング及びハーメチックシールのために
複雑な手続きを用いることなく、半導体加速度センサを
製造する。 【解決手段】 第１の半導体ウエハ（１０）及び第２の
半導体ウエハ（２０）から製造され、その際、第１の半
導体ウエハ（１０）上に、可変の容量を形成する少なく
とも１つの第１の電極（１２）が設けられており、かつ
第２の半導体ウエハ（２０）が、可動の第２の電極（２
１）を有する、超小型機械的加速度センサにおいて、第
１の半導体ウエハ（１０）上に、マイクロエレクトロニ
クス評価ユニット（１４）が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、第１の半導体ウエ
ハ及び第２の半導体ウエハから製造され、その際、第１
の半導体ウエハ上に、可変の容量を形成する少なくとも
１つの第１の電極が設けられており、かつ第２の半導体
ウエハが、可動の第２の電極を有する、超小型機械的加
速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術による容量加速度センサは、
例えば米国特許第４４８３１９４号明細書によって公知
である。ここに記載されたセンサは、片構造を有し、こ
の片構造は、いわゆる“バルク−超小型機構”によって
製造される。センサに作用する加速力に基づいて生じる
その容量の変化は、分離した回路装置によって評価され
る。
【０００３】このセンサは、センサの製造のために、利
用するウエハをその裏側から完全にエッチングしなけれ
ばならない方法が利用されるという欠点を有する。それ
故に結晶学的に考慮されたエッチング角度に基づいて、
高価なシリコン面が必要になる。その上センサ要素は、
ハーメチックシールするために、別の２つのウエハによ
ってパッキングしなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前記
の欠点を避けるように、容量加速度センサを提供するこ
とにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題は、第１の半導
体ウエハ及び第２の半導体ウエハからなり、その際、第
１の半導体ウエハ上に、可変の容量を形成する少なくと
も１つの第１の電極が設けられており、かつ第２の半導
体ウエハが、可動の第２の電極を有し、かつその際、第
１の半導体ウエハ上に、マイクロエレクトロニクス評価
ユニットが配置されている、超小型機械的加速度センサ
によって解決される。
【０００６】本発明の利点は次の点にある。すなわち評
価電子装置と超小型機械的センサの製造は、切離され、
かつそれぞれ最適な技術によって行なうことができ、か
つそれでもなお最終製品において１つのチップだけが問
題になる。評価電子装置が集積化されたチップは、セン
サのハーメチックカプセル化を引起こすので、高価なハ
ーメチックシールされたハウジングを省略することがで
きる。その上本発明によるセンサの基本的な構成によ
り、きわめて高度な動特性が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施例を詳細に説明
し、かつ図面によって表示する。
【０００８】図１に、シリコンからなる第１のウエハ１
０が断面で示されており、このウエハ上に、略語、ＡＳ
ＩＣとして周知の用途に固有の集積回路１４が配置され
ている。集積回路１４は、周知の様式及び方法で、なる
べくＣＭＯＳ技術において製造されている。定義された
位置に、良好に導電可能な材料（金属平面又はポリシリ
コン）からなる２つの電極１２が配置されている。電極
１２の回りにおいてシリコンウエハ１０の表面上に、な
るべくいちばん上の金属被覆平面の材料、一般にアルミ
ニウムからなる閉じたリング構造１１が延びている。
【０００９】図２は、第２のウエハ２０を示しており、
このウエハに、周知の様式及び方法で、揺動台２１の形
の超小型機械的質量部分が持込まれている。いわゆるＳ
ＯＩウエハ（シリコン・オン・インシュレータ）が望ま
しく、その際、シリコンからなるウエハ２０上にＳｉＯ
２からなる絶縁層２３（図３）が取付けられ、かつこの
上に再びシリコン層２４（図３）が取付けられ、かつ絶
縁層２３の厚さはほぼ１ないし２μｍであり、シリコン
層２４の厚さはほぼ１０μｍである。揺動台２１は、超
小型機械的に製造された２つのトーション棒２２を介し
てＳＯＩウエハ２０に結合されており、したがって揺動
台２１の重心の外に非対称に延びた回転軸線２９が生じ
る。
【００１０】図３に、製造の際にＳＯＩウエハ２０が、
まず一方の側から絶縁層２３まで異方性エッチング法に
よってどのようにエッチングされるか、したがってＳＯ
Ｉウエハ２０においてエッチング縁２５及び切り欠き２
６が生じるかが示されている。切り欠き２６は、ＳＯＩ
ウエハ２０の切断の後に、シリコンウエハ１０のボンデ
ィングパッド１３（図７）に到達するために使われる。
（図示しない）マスク材料として、酸化物、窒化物又は
なるべく酸化物窒化物化合物が利用される。
【００１１】図４によれば、フォトリソグラフィーの周
知の方法にによってＳＯＩウエハ２０のシリコン層２４
上に良好に導電する、なるべくアルミニウム又はゲルマ
ニウムからなるリング構造３１がどのように取付けられ
ているかが明らかである。これは、ウエハ１０上に配置
された対応するリング構造１１（図１）に関連して、ウ
エハボンディング（図７）を形成する目的を有する。
【００１２】図５に、製造プロセスの後の時点における
ＳＯＩウエハ２０が示されている。シリコン層２４及び
リング構造３１上にマスキングのために取付けられたフ
ォトラッカ２７によって、ＳＯＩウエハ２０の表面が組
織化される。まずプラズマエッチング技術によって、絶
縁層２３及びシリコン層２４を通ってＳＯＩウエハ２０
の表面内に溝２８がエッチングされる。これら溝２８
は、製造すべき揺動台２１（図２）の輪郭を形成する。
【００１３】その後、図６に示すように、湿式化学法
で、例えばフッ化水素酸によって、絶縁層２３が取り除
かれ、かつそれによって揺動台２１の構造が露出され
る。シリコン層２４の必然的に生じる下側のエッチング
は、それ以上何の作用も及ぼさず、かつがまんすること
ができる。揺動台２１を拘束しないようにエッチングし
た後に、フォトラッカ２７が取り除かれ、かつＳＯＩウ
エハ２０が清掃される。
【００１４】図７に示した容量加速度センサ１を得るた
め、シリコンウエハ１０とＳＯＩウエハ２０は、互いに
結合しなければならない。そのために両方のウエハ１０
及び２０は、シリコンウエハ１０のリング構造１１とＳ
ＯＩウエハ２０のリング構造３１が、互いに重なるよう
に重ねられる。続いて所定の温度及び圧力においてウエ
ハ１０及び２０の間に、ウエハボンディング２が形成さ
れる。ウエハボンディング２によって加速度センサ１内
に、ハーメチックシールされた中空空間３が形成され、
この中空空間内に、揺動台２１及び電極１２が配置され
ている。
【００１５】電極１２は、（図示しない）集積回路に周
知のように接続される（金属ポリシリコン又は金属／モ
ノシリコン接合部）。
【００１６】電極１２及びリング構造１１は、絶縁層
（例えば二酸化シリコン又は窒化シリコン）によって誘
電的に互いに又は基板２０から絶縁されている。
【００１７】製造の際にＳＯＩウエハ２０上に、なるべ
くリング構造３１内にスペーサ（間隔保持体）３２が構
成されると、ボンディングの際に、ＳＯＩウエハ２０と
シリコンウエハ１０の間に正確な間隔が維持される。
【００１８】図８に、加速度センサ１の動作様式がスケ
ッチ状に示されている。揺動台２１は、非対称配置され
た回転軸線２９によって条件付けられて、短い方の部分
片２１’及び長い方の部分片２１”から構成されてい
る。部分片２１’に対して、シリコンウエハ１０の電極
１２’は電気的に絶縁して配置されており；部分片２
１”に対して電気的に絶縁された電極１２”が配置され
ている。部分片２１’と電極１２’の配置は、コンデン
サＣ１を形成し、部分片２１”と電極１２”は、コンデ
ンサＣ２を形成している。揺動台２１は、金属ウエハボ
ンディング結合２を介して基準電位に接続されている。
【００１９】矢印４によって印を付けられた両方の方向
に加速力が作用した際、慣性質量をなす揺動台２１は、
その回転軸線２９の回りで回転する。
【００２０】例えば加速度センサ１に矢印４の方向にお
いて下方に加速力が作用すると、慣性質量をなす揺動台
２１は、その回転軸線２９の回りで反時計方向に動く。
電極１２’と部分片２１’の間の間隔は減少するので、
コンデンサＣ１の容量は増加する。その逆に電極１２”
と部分片２１”の間の間隔は増加するので、コンデンサ
Ｃ２の容量は減少する。
【００２１】作用する加速力によって引起こされるこの
Ｃ１とＣ２の逆方向の容量変化は、評価回路によって検
出でき、かつ引続き処理できる。
【００２２】適当な評価回路５の実施例は、図９に概略
的に示されている。Ｃ１及びＣ２において、加速度セン
サ１（図８）の両方の容量が問題になっており、これら
容量は、これらに作用する加速力によって変化する。Ｃ
１及びＣ２のそれぞれ一方の電極は、互いに接続されて
おり、かつ回路点Ｐ１を形成している。Ｃ１の他方の電
極は、回路点Ｐ３において結合コンデンサＣ３の一方の
電極に接続され、Ｃ２の他方の電極は、回路点Ｐ４にお
いて結合コンデンサＣ４の一方の電極に接続されてい
る。Ｃ３及びＣ４のそれぞれ他方の電極は、回路点Ｐ２
において互いに接続されている。
【００２３】回路点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４は、加速
度センサ１（図８）の両方の容量Ｃ１及びＣ２と評価回
路５の両方の結合コンデンサＣ２及びＣ４とからなる容
量ブリッジ回路を形成している。一方の電極を基準電位
に接続した交流電流発生器Ｇは、交流電圧を回路点Ｐ２
に供給するが、一方回路点Ｐ１は、基準電位になってい
る。
【００２４】ブリッジ回路がバランスしている際、すな
わち加速度センサに加速力が作用していない際、回路点
Ｐ３とＰ４の間に、０ボルトの電圧が生じる。その他す
べての場合、回路点Ｐ３とＰ４の間に生じる電圧差は、
加速度センサに作用する加速力に関する尺度をなしてい
る。
【００２５】回路点Ｐ３とＰ４の間に生じかつ作用する
加速力に直接比例する電圧差は、交流電圧増幅器１７に
供給され、かつその出力信号は、他方において制御回路
１８に供給される。制御回路１８の役割は、一方におい
て加速力に基づいてＰ３とＰ４の間に生じかつ交流電圧
増幅器１７によって増幅された信号から直流電圧成分を
取り除くことにある。さらに制御回路１８の役割は、加
速力に基づいて回路点Ｐ３とＰ４の間に生じる電圧を、
その後の処理のために後続の回路部分に供給することに
ある。
【００２６】第３の役割として、制御回路１８は、矢印
４（図８）によって印を付けられた両方の方向における
加速度を受け入れることができるようにするために、揺
動台２１（図８）が、常に中央位置（通常位置）にある
ようにしなければならない。そのためにこの制御回路
は、２つの出力端子１８’及び１８”を有し、これらに
よりそれぞれ１つの直流電圧が、２つの直流電圧増幅器
１９’及び１９”の入力端子に供給される。直流電圧増
幅器１９’の出力端子は、回路点Ｐ４に接続され、直流
増幅器１９”の出力端子は、回路点Ｐ３に接続されてい
る。回路点Ｐ３又はＰ４への、したがって電極１２’又
は１２”（図８）への直流電圧の供給によって、静電力
に基づいて揺動台２１（図８）は、矢印４（図８）によ
って印を付けられた両方の方向のうちの一方に動かすこ
とができる。
【００２７】その結果生じるコンデンサＣ１及びＣ２の
容量変化から、制御回路１８は、再び揺動台２１（図
８）の現在の位置を認識するので、閉じた制御ループが
成立する。
【００２８】それにより、電極１２’及び１２”（図
８）に直流パルスを供給し、かつ制御回路１８によっ
て、揺動台２１（図８）の意図した位置変化が生じるか
どうかをテストすることによって、加速度センサの自己
テストを実施する可能性も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】統合された評価回路を有する第１のウエハの断
面図である。
【図２】加速度センサを有する第２のウエハの斜視図で
ある。
【図３】エッチング過程の間の第２のウエハを示す断面
図である。
【図４】金属被覆を有する第２のウエハの断面図であ
る。
【図５】マスキング層を有する第２のウエハの断面図で
ある。
【図６】その後のエッチング過程の間の第２のウエハを
示す断面図である。
【図７】ボンディングの間の両方のウエハを示す断面図
である。
【図８】加速度センサの基本的動作様式を示す略図であ
る。
【図９】評価回路の回路図である。
【符号の説明】
１０ 第１の半導体ウエハ １１，３１ リング構造 １２ 第１の電極 １４ 評価ユニット ２０ 第２の半導体ウエハ ２１ 第２の電極 ３２ スペーサ
フロントページの続き (72)発明者 ウド・ノートヘルフエル ドイツ連邦共和国ネルジンゲン・フエルス テルヴエーク３ (72)発明者 ギユンテル・シユーステル ドイツ連邦共和国ガンメルスハウゼン・エ ツシエンバツヘル・シユトラーセ26 (72)発明者 ヘリベルト・ヴエーベル ドイツ連邦共和国キルヒハイム／テツク・ ヴアイレレツケル８

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の半導体ウエハ（１０）及び第２の
    半導体ウエハ（２０）から製造され、その際、第１の半
    導体ウエハ（１０）上に、可変の容量を形成する少なく
    とも１つの第１の電極（１２）が設けられており、かつ
    第２の半導体ウエハ（２０）が、可動の第２の電極（２
    １）を有する、マイクロ機械の加速度センサにおいて、
    第１の半導体ウエハ（１０）上に、マイクロエレクトロ
    ニクス評価ユニット（１４）が配置されていることを特
    徴とする、超小型機械的加速度センサ。
  2. 【請求項２】 第１の半導体ウエハ（１０）においてシ
    リコンウエハが問題になり、かつ第２の半導体ウエハに
    おいてＳＯＩウエハが問題になることを特徴とする、請
    求項１記載の加速度センサ。
  3. 【請求項３】 可動の第２の電極（２１）において非対
    称に懸架された揺動台が問題になることを特徴とする、
    請求項１記載の加速度センサ。
  4. 【請求項４】 第１の電極（１２）が、シリコンウエハ
    の金属又はポリシリコン平面の良好に導電可能な材料か
    らなることを特徴とする、請求項１又は２記載の加速度
    センサ。
  5. 【請求項５】 シリコンウエハ（１０）上に配置された
    評価ユニット（１４）が、ＣＭＯＳ技術によって製造さ
    れていることを特徴とする、請求項１ないし４の１つに
    記載の加速度センサ。
  6. 【請求項６】 シリコンウエハ（１０）の表面上に、閉
    じたリング構造（１１）が配置されていることを特徴と
    する、請求項１ないし５の１つに記載の加速度センサ。
  7. 【請求項７】 シリコンウエハ（１０）の閉じたリング
    構造（１１）が、いちばん上の金属被覆平面の材料、一
    般にアルミニウムからなることを特徴とする、請求項１
    な１、し６の１つに記載の加速度センサ。
  8. 【請求項８】 ＳＯＩウエハ（２０）の表面上に、シリ
    コンウエハ（１０）のリング構造（１１）に対応して同
    様に良好に導電する閉じたリング構造（３１）が配置さ
    れていることを特徴とする、請求項６又は７記載の加速
    度センサ。
  9. 【請求項９】 ＳＯＩウエハ（２０）上のリング構造
    （３１）が、なるべくアルミニウム又はゲルマニウムか
    らなることを特徴とする、請求項８記載の加速度セン
    サ。
  10. 【請求項１０】 ＳＯＩウエハ（２０）とシリコンウエ
    ハ（１０）との間において、なるべくリング構造（３
    １）内にスペーサ（３２）が配置されていることを特徴
    とする、請求項１ないし９の１つに記載の加速度セン
    サ。
JP8325789A 1995-11-07 1996-11-01 超小型機械的加速度センサ Pending JPH09189716A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19541388A DE19541388A1 (de) 1995-11-07 1995-11-07 Mikromechanischer Beschleunigungssensor
DE19541388.1 1995-11-07

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Publication Number Publication Date
JPH09189716A true JPH09189716A (ja) 1997-07-22

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ID=7776785

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JP8325789A Pending JPH09189716A (ja) 1995-11-07 1996-11-01 超小型機械的加速度センサ

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US (1) US5905203A (ja)
EP (1) EP0773443B1 (ja)
JP (1) JPH09189716A (ja)
DE (2) DE19541388A1 (ja)
ES (1) ES2147337T3 (ja)

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