JPH03501520A - 加速度測定装置及びその製造方法 - 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】 発明の名称 加速度測定装置 技術分野 本発明は、慣性質量への加速度の作用を測定する加速度測定装置に関する。特に 本発明は微細構造技術を利用して製造可能な装置に関する。この装置では慣性質 量が微細構造技術において一般的な異方性エツチング法で作製される。加速度の 機械的作用は電気信号に変換して評価回路に送られる。

先行技術 ３つの空間軸における加速度を相互に区別することのできない微細機械的集積加 速度センサは幾つかの刊行物に記載しである。例えばジエー・エル・デービソン 、ディー・ブイ・ケルンス「シリコン加速度技術」、所収：ｒ１９８６年国際電 子工学産業会議会報、制御と計装ＪＩＥＥＥ、ニューヨーク１９８６．２１８乃 至２２２頁。個々のセンサはプレーナ技術でシリコンから作製される。３つの空 間軸で加速度を測定できるには３個の個別センサをハイブリッド方式に配置し相 互に調整しなければならず、このことにより達成可能な機械的精度、小型化度が 制約される。

３つの空間方向の解像度を有する加速度測定装置は英国特許出願明細書ＧＢ　２ 　１７４　５０ＯＡ、により知られている。この装置ではセンサ素子が共通の結 晶表面にではなく基板の表面又は裏面に配置しである。そのことから各種センサ 素子の電気的結合という困難な課題が生じ、この課題がこの明細書では導体路と の配線又は食刻スルーホールにより解決される。このため製造にあたって多くの 工程を費やさねばならない。

発明の説明 本発明の課題は、３つの空間軸における加速度を相互に区別することができ、３ つの空間軸について高い選択感度を有し、できるだけ少ない工程数で製造するこ とのできる加速度測定装置を示すことである。

この課題がこの種概念に記載した装置において請求項１に明示した特徴により又 請求項９に明示したその製造方法により解決される。

３空間軸用の３個のセンサ素子を１つの結晶表層中にプレーナ集積することによ り高い小型化度と高い機械的精度が達成される。同時にこの解決策はセンサ素子 を、同じ基板上に集積することのできる電子評価回路と結合する可能性を提供す る。

本発明装置は高精度、小寸法でもって特に航空、陸上交通、ロボット工学、医工 学分野で多次元運動経過を検出するのに利用することができる。

本発明の有利な諸展開は従属請求項に明示しである。

請求項２記載の１展開では感度方向が互いにほぼ直交している。このことにより 、任意の１空間方向で作用する加速力は設定可能なデカルト座標系の３つの直交 成分に簡単に分解することができる。

リセット素子をトーションバーとして構成した請求項３記載の実施は特に有利で あるが、それは偏心配置した慣性質量を有するトーションバーが１センサの感度 優先方向を簡単に確定するからである。請求項４゜５に記載した実施は半導体作 製のごく一般的な材料を用いることで加速度計の安価な製造をもたらす。

加速力は慣性質量の振れを生じ、従ってトーションバー中に機械的応力を生じ、 これが加速力の尺度として利用される。請求項６によればトーションバー中の機 械的応力はシリコン中のピエゾ抵抗効果を利用１．て集積抵抗素子により測定さ れる。この構成は通常の半導体技術（例えばイオン注入）により実現することが できる。それがもたらす利点として全センサ素子の集積抵抗素子の電気接点が１ 平面上に配置される。請求項７によれば電気信号を評価する回路が同じ表面に集 積される。センサ素子と評価回路はこの場合単純な導体路により互いに電気的に 接続することができる。

特に大きな測定感度に適した請求項８記載の構成では機械的応力が容量式信号変 換により間接的に測定される。このため例えば慣性質量の表面範囲に金属層を設 けることができ、該層が対向配置された固定金属板とで可変容量コンデンサを形 成する。このコンデンサ添付図面を基に以下１実施例を詳しく説明する。図示明 確化のため図面は寸法どおりではない。

第１図はプレーナ・モノリシックに集積した加速度計の平面概要図。

第２図は第１図のＡ−Ａ’平面の断面図。

第３図はＡ−Ａ’平面で切断したセンサ素子の立体図。

第４図は第１図にＢ−Ｂ’で示した平面の断面図。

第５図は第１図にｚ−ｚ’で示した平面の断面図。

第６図は第１図にＥ−Ｅ’で示した平面の断面図。

そして 第７図は第１図に示す加速度計の本発明製造方法のプロセス概要図。

実施例の説明 本発明装置は第１図に符号Ｘ、　Ｙとし図示平面で加速度を検出するのに役立つ ２個の相互に９０°回動した同一のセンサ素子と図示平面に直角な運動変化に反 応するセンサ素子Ｚとからなる。各センサ素子は加速力の作用を受ける慣性質量 とリセット素子と機械的作用を電気信号に変換する変換素子とから構成しである 。

３個のセンサのリセット素子はトーションバー１であり、その回転軸ｄはセンサ 素子Ｘ、Ｙの場合Ｂ−Ｂ’断面上、センサ素子Ｚの場合ｚ−ｚ’断面上にある。

トーションバー１が各１個の慣性質量２を担持し、その重心は回転軸ｄの十分外 側にある。同一センサ素子Ｘ、　Ｙの慣性質量２の配置は第２図、第３図、第４ 図の断面図に、そしてセンサ素子Ｚについては第５，６図に示してあり、これら の断面図は第１図の定義に従っている。センサ素子Ｘ、　Ｙの慣性質量２はウェ ーハ基板３のエツチング除去した部分とエピタキシアル層４とからなりウェーハ 全厚（約５００μｍ）にわたりて延び、他方センサ素子Ｚ（第６図）の慣性質量 は専らウェーハ表面に直角な方向での選択感度を保証するためエピタキシアル層 ４のエツチング除去した部分からのみ構成しである。

質量重心の偏心位置により質量２は運動が変化するとトーション軸ｄを中心にト ルクを加える。有効トルクはトーションバー１中の機械的応力を測定することで 測定される。このためトーションバーの範囲でイオン注入を利用して圧電抵抗素 子ｐが電気機械変換素子として集積される（第３図）。

上述の微細機械的集積加速度測定配置が請求項９によれば異方性エツチング法に より製造可能であり、その過程が第７図に概略示しである。第７Ａ図の出発材料 はｐ添加シリコンウェーハ３（方位＜１００＞）からなり、その表面には約１０ μｍ厚のｎエピタキシアル層４、そしてそれに続いて表面と裏面には窒化ケイ素 からなるパッシベーション膜５が堆積される。ホトリソグラフィー、イオン注入 及び拡散を利用してつ工−ハ表面に信号変換用圧電抵抗素子が製造される。その 後、ウェーハ表面と裏面にホトリソグラフィーを利用して加速度センサの構造を 設けてパッシベーション膜からエツチング除去される（第７Ｂ図）。トーション バーの幅は約６０乃至１００μｍ１質量の幅は数百μｍである。表面に金属膜６ が被着され、ウェーハは裏面からＫＯＨ−Ｈ２０エツチング液内で電気化学的に エツチングされる（第７Ｃ図参照）。このエツチング過程はｐｎ接合で自動的に 停止する。エツチング終了後、ウェーハ裏面がパッシベーションされ、金属膜６ が表面から除去される。ウェーハ表面４の異方性エツチングがセンサ素子の構造 を完全なものにする（第７Ｄ図参照）。最後にウェーハ表面のパッシベーション 膜５を除去する。この方法を利用して１つのシリコンウェーハ上に数百例の加速 度測定装置を同時に製造することができる。

本方法のここでは詳しく説明していない１展開ではセンサ構造がＸ線深部リソグ ラフィーとガルバーニ鋳造により製造される。

Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、２ Ｆｉｇ、３ ＥＢ’ ＺＩ Ｆｉｇ、　Ｓ Ｆｉｇ、　６ Ｆｉｇ、　７ Ｉ躍罎 特表千３−５０１５２０（５） 国際調査報告 Ｏε８１ｉ００７ａ０

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．慣性質量とリセット素子と電気機械変換素子とからなり微細機械法により製 造可能なセンサを備えた加速度測定装置において、それぞれ１方向の連動を感知 する３個の微細機械センサを結晶表層中に集積し、この集積をプレーナ技術で行 い、センサの３つの感度方向が異なる方向を向き１平面上にないことを特徴とす る加速度測定装置。
2. ２．３つの感度方向が互いにほぼ直交していることを特徴とする請求項１記載の 加速度測定装置。
3. ３．各センサのリセット素子をトーションバーとして構成してこれに慣性質量が 取り付けてあり、慣性質量の重心がトーションバーの回転軸の十分外側にあるこ とを特徴とする請求項１又は２記載の加速度測定装置。
4. ４．トーションバーがシリコンからなることを特徴とする請求項１乃至３記載の 加速度測定装置。
5. ５．装置の出発材料がシリコン単結晶であることを特徴とする請求項１乃至４記 載の加速度測定装置。
6. ６．電気機械変換素子がシリコン内のピエゾ抵抗効果を利用してトーションバー 中で機械的応力を測定するため集積した圧電抵抗素子として構成してあることを 特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の加速度測定装置。
7. ７．センサ素子を評価回路と一緒に同じ結晶表面に集積したことを特徴とする請 求項１乃至６のいずれか１項記載の加速度測定装置。
8. ８．トーションバー中での機械的応力の測定を間接的に容量法で行うことを特徴 とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の加速度測定装置。
9. ９．請求項１乃至８のいずれか１項記載の装置を製造する方法において、 Ａ． 或る種の不純物を有する半導体エピタキシアル層４を別種の不純物を添加したシ リコンウェーハ３上に堆積（ｐｎ接合）、 窒化ケイ素からなるパッシベーション膜５の堆積、圧電抵抗素子の集積、 Ｂ． ウェーハ表面、裏面のホトリソグラフィー構造化、パッシベーション膜５のエッ チング、 Ｃ． ウェーハ表面６のメタライゼーション、ＫＯＨ−Ｈ２Ｏエッチング液中でウェー ハ裏面の異方性電気化学的エッチング、この場合エッチング過程はｐｎ接合で自 動的に止まる、 Ｄ． ウェーハ裏面のパッシベーション、 表面からメタライゼーション膜の除去、ウェーハ表面のエピタキシアル層の異方 性エッチング、 裏面のパッシベーション膜の除去、 以上の工程を特徴とする方法。
10. １０．工程Ａのパッシベーション膜として酸化ケイ素を堆積させることを特徴と する請求項９記載の装置製造方法。
11. １１．工程Ａの半導体エピタキシアル層をホウ素高添加ｐ膜と低添加膜とからな る膜系列に取り代えることを特徴とする請求項９記載の装置製造方法。
12. １２．請求項９記載の微細機械的集積加速度計製造方法において、Ｘ線深部リソ グラフィーとガルバーニ鋳造とを利用して基板上にセンサ構造を構成することを 特徴とする方法。