JPH0833409B2 - 加速度測定装置及びその製造方法 - Google Patents

加速度測定装置及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、慣性質量部分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
量部分が微細構造技術において一般的な異方性エッチン
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
に記載してある。例えばジェー・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:
「1986年国際電子工学産業会議会報、制御と計装」IEE
E、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。
所定の位置からのずれ(角度位置変化)を測定するセ
ンサが、EP-A-0244581に開示されている。このセンサ
は、結晶表面に集積され互いに直交して配置された2つ
の応力振子を有し、これらの応力振子の軸は、例えばデ
カルト座標系のそれぞれx軸、y軸の方向に向いてい
る。3つの方向における所定の位置からのずれを測定す
るため、z軸方向に第3の振子を配置することが提案さ
れている。この振子は、最初の2つの平面の共通平面に
直交する平面に集積されているため、これらの振子を一
緒に作製することはできない。第3の振子を作製するた
めには、この方法では異なる工程が必要である。
本願よりも先の優先日であるが本願より先には公開さ
れていないEP-A-0224581には加速度計が記載されてお
り、これは3つのセンサを有し、これらは表面上に集積
されている。しかしながらセンサは舌部からなり、これ
らは一方の側部で取り付けられ、その解放端部は質量を
担持している。この種のセンサは運動の方向に対する明
白な選択性に弱点を有する。
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 2 174 500 A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てある。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。
また、本発明は同一平面内の異なる領域に3つのセン
サを配置しているので、各方向の加速度を個別的に精度
良く測定でき、装置の簡単化を図ることができるという
利点を有し、さらに、X,Y軸方向センサは慣性質量部分
を中央部の2つの端部で支持しているので、Z軸方向の
応力を受けにくく、測定誤差が生じない構造であり、Z
軸方向センサは慣性質量部分の一側部の2つの端部が支
持されているのでZ方向の応力を感度良く測定できると
いう特有の効果が得られる。
本発明の有利な諸展開は従属請求項に明示してある。
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
慣性質量部分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。
加速力は慣性質量部分の振れを生じ、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して集積
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部分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。このコンデンサの容
量は慣性質量部分の振れに依存するので加速力の尺度と
なる。
図面の簡単な説明 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
ける慣性質量部分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てある。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
の慣性質量部分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の慣性質量部分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。第1図に示すように、
センサ素子(X軸方向センサ)Xは、第1のトーション
バー1とこれらのトーションバー1のひとつの内部に設
けられている第1の電気機械変換素子とによって構成さ
れている。前記第1のトーションバー1は、第1の慣性
質量部分2を中央部分の2つの端部で支持し、かつ、第
1の接続線B-B′を規定している。前記第1の慣性質量
部分2は、第1の接続線B-B′の周囲に対称的に配置さ
れている。センサ素子(Y軸方向センサ)Yは、第2の
トーションバー1とこれらのトーションバー1のひとつ
の内部に設けられている第2の電気機械変換素子とによ
って構成されている。前記第2のトーションバー1は、
第2の慣性質量部分2を中央部分の2つの端部で支持
し、かつ、第2の接続線B-B′を規定している。前記第
2の慣性質量部分2は第2の接続線B-B′の周囲に対称
的に配置されている。センサ素子(Z軸方向センサ)Z
は、第3のトーションバー1とこれらのトーションバー
1のひとつの内部に設けられた第3の電気機械変換素子
によって構成されている。前記第3のトーションバー1
は、第3の慣性質量部分2を一側部分の2つの端部で支
持し、かつ、第3の接続線Z-Z′を規定している。前記
第3の慣性質量部分2は第3の接続線Z-Z′の周囲に非
対称的に配置されている。センサ素子X,Yの慣性質量部
分2はウェーハ基板3のエッ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)
にわたって延び、他方センサ素子Z(第6図)の慣性質
量部分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のエッチング除去した
部分からのみ構成してある。
質量重心の偏心位置により慣性質量部分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
れば異方性エッチング法により製造可能であり、その過
程が第7図に概略示してある。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10μm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ウェー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ッチング除去される
(第7B図)。トーションバーの幅は約60乃至100μm、
慣性質量部分の幅は数百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-H2Oエッチング液内
で電気化学的にエッチングされる(第7C図参照)。この
エッチング過程はpn接合で自動的に停止する。エッチン
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
ッ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
ハ上に数百個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。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】慣性質量部分を備えたトーションバーと電
    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
    3つの方向感知センサを備えた加速度測定装置におい
    て、前記方向感知センサは3つの空間軸X,Y,Zの運動を
    X軸,Y軸,およびZ軸方向センサとして感知し、かつ、
    結晶表層平面の異なる領域に集積し、前記X軸およびY
    軸方向センサは第1および第2のトーションバーとこれ
    らのトーションバーの内部に設けられた第1および第2
    の電気機械変換素子とによって構成され、前記第1のト
    ーションバーは第1の慣性質量部分を第1の中央部分の
    2つの端部で支持し、かつ、第1の接続線を規定し、前
    記第1の慣性質量部分は前記結晶表層平面において前記
    第1の接続線の周囲に対称的に配置され、前記第2のト
    ーションバーは第2の慣性質量部分を第2の中央部分の
    2つの端部で支持し、かつ、第2の接続線を規定し、前
    記第2の慣性質量部分は前記結晶表層平面において前記
    第2の接続線の周囲に対称的に配置され、前記Z軸方向
    センサは第3のトーションバーとこれらのトーションバ
    ーのひとつの内部に設けられた第3の電気機械変換素子
    とによって構成され、前記第3のトーションバーは一側
    部分を2つの端部で支持し、かつ、第3の接続線を規定
    し、前記第3の慣性質量部分は前記結晶表層平面におい
    て前記第3の接続線の周囲に非対称的に配置されている
    ことを特徴とする加速度測定装置。
  2. 【請求項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. 【請求項3】慣性質量部分の重心が前記トーションバー
    の回転軸の十分外側にあることを特徴とする請求項1ま
    たは2に記載の加速度測定装置。
  4. 【請求項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のいずれか1項記載の加速度
    測定装置。
  5. 【請求項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のいずれか1項記載の加
    速度測定装置。
  6. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項8】トーションバー中での機械的応力の測定を
    前記慣性質量部分の表面と基板に設けられた金属板間に
    存在する容量の変化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. 【請求項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
    ようにする)、 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、 以上の工程を有することを特徴とする加速度測定装置の
    製造方法。
  10. 【請求項10】前記工程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
    の装置の製造方法。
  11. 【請求項11】前記工程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記載の装置の製造方法。
  12. 【請求項12】請求項9記載の製造方法において、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製造方法。
JP1500286A 1987-12-03 1988-12-01 加速度測定装置及びその製造方法 Expired - Lifetime JPH0833409B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3741036.9 1987-12-03
DE19873741036 DE3741036A1 (de) 1987-12-03 1987-12-03 Mikromechanischer beschleunigungsmesser
PCT/DE1988/000740 WO1989005459A2 (en) 1987-12-03 1988-12-01 Device for measuring acceleration

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH03501520A JPH03501520A (ja) 1991-04-04
JPH0833409B2 true JPH0833409B2 (ja) 1996-03-29

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