JPH0413883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、選択的にエツチングされたシリコン
ウエーハ材料から成る曲げばね継ぎ手（Biege−
federgelenk）、その製造方法及びマイクロメカニ
カル（mikromechanischer）単結晶エツチング
技術により製造されたそのような曲げばね継ぎ手
の応用に関する。

〔発明の概要〕

選択的にエツチングされたシリコンウエーハ材
料から成る本発明によるマイクロメカニカル曲げ
ばね継ぎ手は、互いに並んで配置された二つの板
ばねから成る。これらの二つの板ばねは互いに交
差し、かつ上記ウエーハの主面に対して斜めに走
り、これらは選択エツチングにより上記ウエーハ
から一体で作られる。この曲げばね継ぎ手は、支
点位置及び曲げばね定数が高精度であり、横軸剛
性が高いという特徴がある。

〔従来の技術〕

多くの応用、例えば振り子をフレキシブルに吊
るすような応用のためには、正確に定められた支
点とはつきりしたばね定数とを有する曲げばね継
ぎ手が必要とされる。

そのような曲げばね継ぎ手として、平たい金属
の板ばねを使用することが知られている。この板
ばねは、支点とばね定数とに関して必要な精度を
得るために、レーザー溶接法により溶接して層の
複合構造を形成した冷間圧延金属薄片から作られ
る。また、金属ストリツプ材料からミリング法
（Fra¨sverfahren）により曲げばね要素を作るこ
とも知られている。この場合、この金属ストリツ
プ材料は、電解研磨法により所望の厚さにエツチ
ングされる。このタイプの金属ばねの製造方法
は、複雑でコストも高い。上述の複合技術により
作られた金属ばねの場合には、多層構造から種々
の困難が生じる。その上、金属は一般に所望の高
いフレキシブルな性質を持たないため、しばしば
降伏点に到達してしまう。さらに、金属に存在す
るヒステリシスは、ばねの予張力
（Federvorspannung）の安定性を損なつてしま
う。

精密機械工学及びマイクロメカニツクスにおい
ては、異方性エツチング及びエツチングレジスト
技術（A¨tzstopptechnik）によりシリコン単結晶
ウエーハから曲げばね要素を製造することも知ら
れている。この場合には、たいていの場合におい
て、例えば振り子への応用においては、一定では
あるが自由に選択可能な幅、長さ及び深さを有す
るストリツプが、ウエーハ材料中に振り子の方向
に対して横方向にエツチングされる。このような
エツチングストリツプの幅、長さ及び深さは、振
り子支点位置、従つて振り子の長さ、フレキシブ
ルな振り子継ぎ手のばね定数及び振り子の横軸剛
性（Queraachsensteifigkeit）の精度を決定す
る。断面で見ると、曲げばね継ぎ手の上記エツチ
ングストリツプは、結晶軸の位置によつて例えば
台形の谷となり、この谷の底は背面のウエーハ面
に平行に走る。これについては、添付図面の第１
図を参照されたい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来技術には、最も高い精度で振り子を
吊るためには、金属ばねの場合とマイクロメカニ
カルエツチング技術により製造された曲げばねの
場合との両方の場合において改良すべき問題が残
されている。シリコン単結晶材料から製造された
曲げばね要素の場合には、上述のヒステリシスの
問題は存在しない。しかし、特に振り子の支点の
位置は両者の場合において十分な精度で定めるこ
とができない。また、横軸剛性はあまりにも小さ
い。すなわち、振り子継ぎ手の共振があまりにも
低すぎる。

従つて本発明は、支点位置、ばね定数及び横軸
剛性に関して、従来知られている金属の曲げばね
継ぎ手または選択的にエツチングされた（シリコ
ン）ウエーハ材料から得られる曲げばね継ぎ手よ
りも十分に高精度であるという要求を満たすマイ
クロメカニカル曲げばね継ぎ手を製造する目的に
基づいている。

〔問題点を解決するための手段〕

選択的にエツチングされたウエーハ材料から成
る本発明によるマイクロメカニカル曲げばね継ぎ
手は、互いに並んで配置された二つの板ばねによ
り特徴づけられる。これらの二つの板ばねは互い
に交差し、かつウエーハの主面に対して斜めに走
り、これらはウエーハから選択エツチングにより
一体で得られる。

これらの交差板ばねは、それらの交差点で相互
に接続されてよい。しかし、エツチングマスクの
形状を適切に選択することにより、単にエツチン
グプロセス及び適切なドーピングプロセスを用い
るだけで、言い換えれば他の処理方法を用いるこ
となしに、これらの二つの交差ばね板を材料によ
る接続なしに互いに自由な状態で並んで形成する
ことが可能である。

支点位置、曲げばね定数及び横軸剛性に関して
高精度の曲げばね継ぎ手を選択エツチング技術に
よりシリコンウエーハから製造するための本発明
による製造方法は、二つの交差板ばね要素を形成
するためにシリコンウエーハの共同的な二面エツ
チングを用いることを特徴とする。これらの交差
板ばね要素は、特に、互いに並んで、しかし横方
向に互いにオフセツトして配置さている二つのＶ
形溝により製造される。これらのＶ形溝は、いず
れもシリコンウエーハの二つの主面からの異方性
選択エツチングにより形成される。これらの交差
板ばねは、エツチングの間にウエーハの一方の主
面上のＶ形溝とウエーハの他方の主面上のＶ形溝
との間に形成される傾斜した壁部により形成さ
れ、また、これらのばね板の厚さはエツチングレ
ジスト技術により制御される。

ばね板の厚さを決定するためには、ばね板また
はウエーハの少なくとも一方の主面に選択的にド
ーピングするためのエツチングレジスト薬剤とし
てホウ素をそれ自体知られている方法で用いるこ
とができる。交差部における交差ばね板の分離
は、イオンエツチングにより行うことができる。
交差ばね板を分離するためのもう一つの可能な方
法は、特殊な形状のエツチングマスクを用いる方
法である。

本発明による曲げばね継ぎ手の特に有利な一つ
の応用は振り子への応用である。この振り子は一
枚のウエーハから締結部材とともに一体で製造さ
れ、また、振り子吊りと振り子本体との間の結合
部に本発明による曲げばね継ぎ手を少なくとも一
つ有する。しかし、二つのそのような継ぎ手は互
いに離れているのが好ましい。

本発明の基本思想は、原理的に、ストリツプま
たは所望の振り子方向に対する横断面においてＶ
形の形状を有する溝を所望の深さにするためのエ
ツチングを行うために、ウエーハ面に対するシリ
コン単結晶の結晶軸の位置を適切に選択すること
にある。特に異方性エツチング技術及びフオトリ
ソグラフイー法またはイオン注入によるドーピン
グを用いたエツチングレジスト技術を用いてウエ
ーハの両面からのエツチングにより二つのそのよ
うなＶ形溝を互いに適当にオフセツトさせて形成
することにより、ウエーハ面に対して斜めに走る
板ばねを製造することができる。第２図はその一
例を示す。

〔実施例〕

以下、本発明及びその利点の詳細を図面に示さ
れている一実施例について説明する。

本発明をより良く理解するために、第２図に本
発明による曲げばね継ぎ手の一構成要素を示す。

この構成要素は、ウエーハ材料、例えばシリコ
ン単結晶材料から、その両面に二つのＶ形溝２，
４を形成し、それらの間に傾斜した壁部２０を残
すことにより製作されたものである。選択エツチ
ング技術を用いる時には、このようなＶ形溝２，
４は、上述のように、ウエーハ面に対するシリコ
ン単結晶の結晶軸の位置を適切に選ぶことにより
形成することができる。第２図に示したように、
これらの二つのＶ形溝２，４はそれらの横方向に
関してオフセツトしており、また、公知のエツチ
ングレジスト技術が適切に用いられるならば、実
際の曲げばね継ぎ手を形成する壁部２０が残る。
（板ばねの）の壁部２０の厚さは、例えば、板の
一方の面からホウ素を正確に決められた時間ドー
ピングすることによつて決定され、非常に小さい
許容誤差でこの壁部２０を形成することができ
る。傾斜した表面へのドーピングは、例えば、こ
の技術の分野における当業者にそれ自体知られて
いるイオン注入によつて行うことができる。

第３図から第６図は、溝２，４と溝３，６との
間にあり、板ばねを形成している二つの交差する
壁部２０，２１を有する本発明による曲げばね継
ぎ手の一つの基本的な実施例を示す。横方向に互
いにオフセツトしているＶ形溝３，５はウエーハ
１の一方向の主面（上面）から、これと同じ量だ
け横方向に互いにオフセツトしている反対側のＶ
形溝２，４は他方の主面（下面）から、選択的な
異方性エツチングによりウエーハ材料１中に形成
される。上述のエツチングレジスト技術を用いれ
ば、溝２，３の間には壁部２０（板ばね）が残さ
れ、溝４，５の間には壁部２１（板ばね）が残さ
れる。これらの互いに交差する二つの板ばねが一
緒になつて本発明による曲げばね継ぎ手を形成し
ている。

結晶軸の位置のために、上述の二つの交差板ば
ねの交差部に斜面７，８が形成されている。この
交差点６には、エツチングマスクの大きさの選択
に応じて、二つの壁部２０，２１、別の言葉で言
えば二つの交差板ばねの結合が存在したり、ある
いは板ばねまたはばね板の完全な分離を達成する
ことができ。エツチング技術及び結晶物理学的な
理由に起因して二つの面７，８が傾斜するために
生じる、二つの板ばねを分離する困難は、本発明
によれば、第５図及び第６図から分かるように、
エツチングマスクの形状を特別な大きさにするこ
とによつて回避することができる。これらの二つ
の板ばねを分離するためのもう一つの好ましい可
能な方法は、それ自体知れているイオンエツチン
グ技術を用いることである。

第４図においては、Ｖ形溝を形成している斜面
の角度θ＝54.74゜が示されている。この角度θは
結晶物理学により決められ、ここに示されている
全ての実施例（第１図を含む）に適用される。

さらに、第２図の符号２５は、ホウ素がどの部
分にドーピングされているかを示す破線を指して
いる。このホウ素のドーピングにより、溝２，４
の深さを非常に良好な再現性で制御することがで
きる。第４図においては、これに対応するドーピ
ング層が符号２５，２６で示されている。

二つの壁部２０，２１（ばね板）のエツチング
による分離を行うために、斜面７，８（第４図及
び第５図参照）はドーピングされていない状態の
まま残されている（エツチングの言葉ではソフ
ト）。現在、ばね板を分離するための最も有利な
方法は、イオンエツチング技術による垂直切断で
ある（第５図）。

第６図は、マイクロメカニカル振り子で本発明
による曲げばね継ぎ手を使用する非常に有利な応
用例を示す。この振り子装置は、全体として符号
１０で示されている。実際のＴ形振り子１２は、
二つの本発明による交差ばね振り子継ぎ手１３，
１４により、振り子吊り１１に直接結合されてい
る。ここに示されている例においては、この振り
子吊り１１ははりの形に設計されている。これら
の二つの交差ばね振り子継ぎ手１３，１４は互い
に離れており、ここに示されている例においては
Ｔ形振り子１２の横ばりの各末端に配置されてい
る。

このように二つの交差ばね振り子継ぎ手１３，
１４によりＴ形振り子１２を吊ることは次のよう
な利点を有する。すなわち、本発明による曲げば
ね継ぎ手を一つしか用いない場合と異なり、二組
（またはそれ以上の組）の本発明による交差ばね
振り子継ぎ手を支点の方向に互いに相同な位置に
互いに並べて用いるならば、二つの交差板ばばね
の位置によつて振り子の支点の方向に発生するど
のような非対称性も修正することができる。

二つまたはそれ以上の平行な交差ばね継ぎ手を
用いたこの振り子装置は、振り子１２及び振り子
吊り１１も含めて、一枚の同一のシリコンウエー
ハから、密着したフレキシブルな振り子継ぎ手と
して一回の操作手順により製造することができ
る。容易に分かるように、交差ばね振り子継ぎ手
１３，１４は、振り子の方向に関して互いに相同
の位置にある。

互いに相同に配置された本発明による二つの曲
げばね継ぎ手によるこのような振り子吊りは、角
度方向のふれの自然周波数は非常に低いが、非常
に高い並進自然周波数を保証することができると
いう、以前から知られている全ての振り子吊りに
優る利点を有する。この配置では、交差板ばねは
並進負荷を受け、しかも二つひと組になつて引張
り及び圧縮を受ける。例えば、一つだけ例を挙げ
ると、従来のタイプの板ばね要素の場合における
並進自然周波数は約5kHzであるが、本発明によ
る曲げばね継ぎ手を有する振り子の場合における
対応する典型的な値は約20kHzまたはそれ以上で
ある。その上、本発明によるばね要素は、実質的
にヒステリシスがなく、少なくとも従来の設計に
よる曲げばね継ぎ手に比べてヒステリシスが非常
に少ない。

〔発明の効果〕

本発明による曲げばね継ぎ手によれば、支点位
置、ばね定数及び横軸剛性に関して十分に高い精
度を得ることができる。

また、本発明による曲げばね継ぎ手の製造方法
によれば、支点位置、ばね定数及び横軸剛性に関
して十分に高精度の曲げばね継ぎ手を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は選択エツチング及びエツチングレジス
ト技術を用いてウエーハ単結晶材料から製造され
たマイクロメカニカル曲げばね継ぎ手の一例を示
す斜視図、第２図は本発明による曲げばね継ぎ手
の構成要素としてのマイクロメカニカル曲げばね
継ぎ手を示す斜視図、第３図は本発明によるマイ
クロメカニカル曲げばね継ぎ手の断面図、第４図
は本発明によるマイクロメカニカル曲げばね継ぎ
手の一部を断面とした斜視図、第５図は第４図に
示す曲げばね継ぎ手の平面図、第６図は振り子を
吊るために本発明による曲げばね継ぎ手を二つ用
いたマイクロメカニカル技術により製造された振
り子を示す斜視図である。 図面における主要な符号の説明、１：シリコン
ウエーハ、２〜５：Ｖ形溝、６：交差点、７，
８：斜面、１０：振り子装置、１１：振り子吊
り、１２：Ｔ形振り子、１３，１４：交差ばね振
り子継ぎ手、２０，２１：壁部、２５，２６：ド
ーピング層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 選択的にエツチングされたシリコンウエーハ
   材料から成るマイクロメカニカル曲げばね継ぎ手
   であつて、 互いに交差し、かつ上記ウエーハの主面に対し
   て斜めに走る二つの板ばねが互いに並んで配置さ
   れ、これらの二つの板ばねは上記ウエーハから選
   択エツチングにより一体で得られたことを特徴と
   する曲げばね継ぎ手。 ２ 上記板ばねはそれらの交差点で互いに接続さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の曲げばね継ぎ手。 ３ 上記板ばねはそれらの交差点で互いに分離さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の曲げばね継ぎ手。 ４ 上記曲げばね継ぎ手は振り子に用いられ、こ
   の振り子は振り子締結部材とともに一枚のウエー
   ハから一体で製造され、少なくとも一つの上記曲
   げばね継ぎ手が上記振り子締結部材と振り子本体
   との間の結合部に配置されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項
   記載の曲げばね継ぎ手。 ５ 上記振り子はＴ形の形状を有し、互いに相同
   に配置されている二つの上記曲げばね継ぎ手によ
   り上記振り子締結部材に結合されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第４項記載の曲げばね継
   ぎ手。 ６ 支点位置、曲げばね定数及び横軸剛性に関し
   て高精度の曲げばね継ぎ手を選択エツチング技術
   によりシリコンウエーハから製造するための曲げ
   ばね継ぎ手の製造方法であつて、 二つの交差板ばね要素が上記シリコンウエーハ
   の共同的な二面エツチングにより形成されること
   を特徴とする曲げばね継ぎ手の製造方法。 ７ 互いに並んで、しかし横方向に互いにオフセ
   ツトして配置されている、上記シリコンウエーハ
   の二つの主面からの異方性選択エツチングにより
   形成された二つのＶ形溝により上記交差板ばね要
   素が製造され、これらの交差板ばね要素は上記エ
   ツチングの間に上記ウエーハの一方の主面上の溝
   と他方の主面上の溝との間に形成される傾斜した
   壁部により形成され、かつ上記ばね板の厚さはエ
   ツチングレジスト技術により制御されることを特
   徴とする特許請求の範囲第６項記載の曲げばね継
   ぎ手の製造方法。 ８ 上記ばね板の厚さを決定するために、上記ば
   ね板の少なくとも一方の面にドーピングするため
   のエツチングレジスト薬剤としてホウ素が用いら
   れることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載
   の曲げばね継ぎ手の製造方法。 ９ 上記交差ばね板はそれらの交差部においてエ
   ツチング形状及び異方性エツチングの程度の適切
   な選択により互いに分離されることを特徴とする
   特許請求の範囲第７項記載の曲げばね継ぎ手の製
   造方法。 １０ 上記交差ばね板はそれらの交差部において
   イオンエツチングにより互いに分離されることを
   特徴とする特許請求の範囲第７項記載の曲げばね
   継ぎ手の製造方法。