JPH09502274A - 定電界で駆動されるマイクロビームによる共振ゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 共振ひずみゲージは、シリコン基板と、基板の両端部に取り付けられたポリシリコンたわみビームと、基板と協働して、密封された真空チャンバ内のたわみビームを囲む、剛性のポリシリコン・カバーとを含む。上部バイアス電極は、カバー上に形成され、下部バイアス電極は、たわみビームのすぐ下のたわみビームから離間された基板上に形成される。駆動電極は、ビーム中またはビーム上に形成され、ビーム伸長の方向に対して横方向で上部バイアス電極と下部バイアス電極の間で心合わせされる。上部電極および下部電極は、大きさが等しく極性が逆である一定の電圧レベルにバイアスされる。駆動電極は、通常、接地にバイアスされ、振動駆動電圧を印加することによって選択的に荷電され、ビームの機械的な振動を発生させる。ピエゾ抵抗器は、ビーム上に形成され、ビームの振動を検知して、ビームを駆動する発振器回路への入力を示す位置を提供する。ビームはその自然共鳴周波数で発振する傾向がある。したがって、ピエゾ抵抗器は、固有共振周波数を発振器回路に提供し、ビーム駆動信号の周波数を固有共振周波数に一致するように調整する。寄生キャパシタンスを防止するには、たわみビームのピエゾ抵抗器と駆動電極の間にシールド電極を形成することができる。代替実施例では、一方のバイアス電極に駆動信号を印加してビームを振動させ、ビームの振動がキャパシタンスに関して検知される。

Description

【発明の詳細な説明】 定電界で駆動されるマイクロビームによる共振ゲージ 発明の背景 本発明は、加速度、圧力、温度、その他の変数を測定する手段として、誘導さ れたひずみを使用するトランスデューサに関し、詳細には、共振ビームをセンサ として使用するトランスデューサに関する。 共振センサは、高精度の測定を行うために何年も前から使用されている。振動 トランスデューサは、加速度計、圧力トランスデューサ、質量流量センサ、温度 センサおよび湿度センサ、空気密度センサ、ならびにはかりで使用されている。 これらのセンサは、振動の固有周波数（すなわち、振動ビームまたはその他の部 材の共振周波数）が、部材に沿って誘導されたひずみの関数であるという原則に 基づいて動作する。具体的には、ビームを伸長させる傾向がある引張り力は共振 周波数を増加させ、ビームを圧縮する傾向がある力は固有周波数を減少させる。 共振ゲージの周波数出力は、測定された量を反映するディジタル読取り値に容易 に変換され、このために必要なのはカウンタと基準クロックだけである。したが って、そのようなゲージは、比較的簡単なセンサ・ディジタル・インタフェース を使用して高度の識別を行い、簡単で信頼できるものである。 振動ビーム・トランスデューサの典型的な使用法は、米国特許第３，４８６， ３８３号（Ｒｉｏｒｄａｎ）に示されている。一対の平行ビームを使用して、ジ ャイロのジンバルの角移動が制限される。一方向の角移動は、振動ビームを圧縮 する傾向があり、逆方向の角移動はビームに張力を与える傾向がある。ビームの 固有周波数の変化は直接、ジンバルの角移動を示す。 米国特許第５，０９０，２５４号（Ｇｕｃｋｅｌほか）は、基板を振動させる ために基板に据え付けられたポリシリコン・ビームと、ビームを囲み、密封され 真空排気された空洞を形成するように基板に固定されたポリシリコン・シェルと を含む、共振ビーム・トランスデューサを開示している。ビームは、シェル上の 電極に振動電圧を供給することによって振動する。 米国特許第３，６５７，６６７号（Ｎｉｓｈｉｋｕｂｏほか）は、３つの平行 アームと、各アームに１つずつ接着された３つの圧電素子とを有する機械的バイ ブレータを開示している。外側アームの素子は、バイブレータを駆動するために 使用され、残りの圧電素子は一対のセンサを形成している。これらのセンサは、 増幅器への入力を供給し、増幅器の出力は駆動圧電素子に加えられる。 共振部材は磁気的にも駆動されている。米国特許第４，８０１，８９７号（Ｆ ｌｅｃｋｅｎ）では、流体を運ぶ２本の平行なチューブのそれぞれに磁石が据え 付けられる。２つのチューブ磁石の間に位置決めされたコイル磁石は、チューブ を振動させるために励起回路によって動作させられる。光学センサは、振動する チューブの位置を求め、励起回路への入力として位置情報を提供する。 二重振動ビーム強制トランスデューサは、米国特許第４，９０１，５８６号（ Ｂｌａｋｅほか）に示されている。一対の平行ビームは、一対の電極間に位置決 めされる。駆動回路は、振動電圧を電極に加えて、ビームを静電駆動し、両方の ビームを含む平面でビームを振動させる。ビームの機械的共振によって、振動周 波数が制御される。（Ｂｌａｋｅの第７図に示されている）代替実施例では、２ つの平行ビームのうちの１つが接地され、同時に、回路によって他のビームに振 動電圧が印加され、したがって、両方のビームが静電振動する。 共振ゲージの主な利点の１つは、共振周波数が振動ビームの幾何学的特性およ び機械的特性にしか依存せず、基本的に電気特性からは独立することである。そ の結果、駆動電極および検知電極の厳密な値（たとえば、抵抗およびキャパシタ ンス）は重大でなくなる。起こり得る欠点は、駆動電極と検知電極の間の寄生結 合によって共振ゲージの精度が低減されることである。さらに、従来型の容量駆 動構成では、振動ビームと駆動電極の間の力は２次式に関するものであり、不要 な周波数プリング効果がもたらされる。結晶石英ピエゾ抵抗器は、共振ゲージ応 用例でうまく使用されているが、その寸法によって実用が制限されている。 したがって、本発明の一目的は、駆動電極と検知電極が、それらの間の寄生キ ャパシタンスを基本的になくすように相互に離された、共振ビーム検知装置を提 供することである。 本発明の他の目的は、駆動電圧に加えられる力が２次式に関するものではなく 線形であり、そのため、振動ビームの動作をより厳密に近似するように、加えら れる力を変化させることができる共振ゲージを提供することである。 本発明の他の目的は、共振周波数のわずかな変化でも正確に検知するために共振 ビーム応力検知装置が高度の識別を行えるようにすることである。 本発明の他の目的は、空間が非常に限られた応用例で使用される顕微鏡的寸法 の共振ゲージを提供することである。 発明の要旨 これらのおよびその他の目的を満たすために、ひずみの変化を検知する装置を 提供する。この装置は、基本的に剛性の基板を含む。第１のバイアス電極は、基 板表面部に対して固定される。長手方向に縦長のたわみ要素は、基板に対して第 １の領域で固定され、たわみ要素の第２の領域は、共振周波数で自由に振動する ことができる。たわみ要素に作用する力のために、共振周波数はひずみの変化と 共に変化する。たわみ要素は、第１のバイアス電極から横方向に離間される。ビ ーム電極は、たわみ要素上に形成される。電気的に絶縁性であり基本的に剛性の カバーは、基板に対して固定され、たわみ要素から横方向に離間されたカバー表 面部を有する。カバー表面部は、基板表面部からたわみ要素の対向側にも配設さ れる。第２のバイアス電極は、カバー表面部に対して固定される。バイアス手段 は、第１および第２のバイアス電極を、基本的に一定である、それぞれの異なる 第１および第２の電圧レベルに維持する。これによって、たわみ要素の周りの領 域で基本的に一様で一定の電界が生成される。位置検知手段は、基板およびカバ ーに対するたわみ要素の位置を示す位置信号を生成する。振動手段は、周期的に 変化する駆動電圧信号を生成し、ビーム電極または一方のバイアス電極に駆動信 号を提供する。これによって、基板およびカバーに対するたわみ要素の振動が発 生する。振動手段も位置信号を受け取り、位置信号の周波数の変化に応答して駆 動信号の周波数を制御可能に変更する。このように、振動手段は、駆動信号周波 数を共振周波数に一致するように調整する。 たわみ要素が一方または両方の端部で固定されたビームから成り、ビームの中 間領域が自由に振動できるようにされたビーム電極に駆動信号を加えるのが好ま しい。 一対の固定電極を使用して一様で一定の電界を生成し、同時に、ビーム上の駆 動電極に供給される振動電圧でたわみ要素を駆動することから顕著な利点が得ら れる。具体的には、正弦波駆動電圧をビームに印加すると、駆動電極に電荷が注 入される。正の電圧は正の電荷を与え、ビームを負の電極の方へ偏向させる。一 方、負の電圧をビームに印加すると、ビームは逆方向の正のバイアス電極の方へ 偏向する。この力は、駆動電圧、バイアス電界、および駆動電極キャパシタンス に比例する。後者の２つの値が基本的に一定のままなので、この力は駆動電圧に 比例し、駆動電圧に対して線形的に変化する。したがって、２次駆動力の周波数 プリング効果がなくなる。 駆動信号は、第１の電圧レベルと第２の電圧レベルのほぼ中間の中央電圧レベ ルの付近で変動することが好ましい。中央電圧レベルが接地に等しく、第１の電 圧レベルと第２の電圧レベルが少なくともほぼ等しく、逆の極性を有することが より好ましい。この場合、第１のバイアス電極と第２のバイアス電極の間でたわ み要素を横方向にほぼ心合わせすると有利である。 位置検知手段は、ビームまたは他のたわみ要素上に形成され、駆動電極から電 気的に絶縁された、ピエゾ抵抗器を含むことができる。たとえば、ピエゾ抵抗器 を駆動電極と共面になるようにし、かつ駆動電極から離間させることができる。 ピエゾ抵抗器は、接地に対して対称的にバイアスすることが好ましい。駆動電圧 が接地の付近で振動するので、駆動電極は「通常」接地である。このため、ピエ ゾ抵抗器と駆動電極の間のＤＣバイアスがなくなり、したがって、そのようなバ イアスのために発生する恐れがある静電偏向がなくなる。 バイアス電極は、ＡＣ電極用のシールドとして働き、したがって、駆動電極と 検知電極（ピエゾ抵抗器）の間の寄生キャパシタンスを低減させる。そのような 寄生結合の可能性をさらに低減させるには、駆動電極とピエゾ抵抗器の間のビー ム上に補助シールド電極を形成することができる。シールド電極は、固定ＤＣ電 位およびＡＣ接地に維持され、「ファラデー」シールドを形成する。 ビームまたはその他の共振要素は、周波数読取り値に対する外部環境の影響を 最小限に抑えるために真空中で振動することが好ましい。このために、カバーと 基板は、協働してビームを含む流体密エンクロージャを形成することができる。 基板、カバー、およびビームはすべて、半導体材料で形成することができる。具 体的には、好ましい基板はシリコンである。基板上に付着させた別々のポリシリ コン薄膜でビームおよびカバーを形成し、続いて、エッチングによって適当な犠 牲層を除去してビームを形成する。ビームは顕微鏡的スケールのものである。一 例を挙げると、ビームは長さが約３００マイクロメートルで、幅が約３０マイク ロメートルで、厚さが約２マイクロメートルである。基板およびカバーは、共振 ゲージ全体が、単結晶ピエゾ抵抗器に基づく従来型のゲージよりも基本的に小さ くなるような寸法にすることができ、たとえば、主寸法を約０．５ｃｍとするこ とができる。エッチングによって振動ビームを形成することにより、ビームとビ ームを直接支持する構造が同じ材料のものになる他の利点が与えられる。これに よって、ビームと、ビームを支持する異なる材料との相互接続のために発生する エラーがなくなる。このモノリシック構造は、ポリシリコン層および犠牲層を付 着させる低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）や、犠牲層を除去してビームを形成するエ ッチング・ステップなど、周知の半導体処理ステップの組合せによって形成する ことができる。シラン・ガス、ＬＰＣＤＶ窒化ケイ素、または酸化ガスを使用し てビームの周りにエンクロージャを密封することができる。この結果、広い範囲 の周波数および温度変化にわたって機能することができる極めて正確で安定な共 振ゲージが得られる。このゲージは、極めて感度が高いことも分かっており、た とえば、最大でひずみの１５００倍の周波数変化と共振周波数の比（長さの変化 を公称長さで除した値）を示す。したがって、本発明による共振ゲージは信頼性 が高く、低コストで製造することができ、条件の厳しい様々な応用例で使用する ことができる。 図面において 上記およびその他の特徴および利点をさらに理解するために、以下の詳細な説 明および図面を参照する。 第１図は、本発明によって構成された圧力検知装置の立面図である。 第２図は、圧力検知装置の平面図である。 第３図は、第２図の線３−３に沿って取った断面図である。 第４図は、装置の共振ゲージを示す第３図の一部の拡大図である。 第５図は、第４図の線５−５に沿って取った断面図である。 第６図は、第５図の線６−６に沿って取った、ゲージの共振ビームとそれを囲 む構造の平面図である。 第７図は、共振ゲージと関連する発振器回路の概略図である。 第８および９図は、２つの製造段階での共振ゲージを示す図である。 第１０図は、代替実施例の共振ゲージの断面図である。 第１１図は、本発明による共振ゲージを使用する加速度計を示す概略図である 。 第１２図は、代替実施例の共振ゲージ・ビーム位置検知回路の概略図である。 好ましい実施例の詳細な説明 次に、図面に移ると、第１および２図に圧力検知装置１６が示されている。こ の装置は、剛性の周辺リム２０と、リムによって囲まれたダイアフラム２２とを 含むシリコン基板またはベース１８を含む。ダイアフラムは、２５ミルないし１ ００ミルの範囲の直径を有し、可とう性であり薄く、厚さがたとえば、１０マイ クロメートルないし８０マイクロメートルの範囲である。リム２０の底部は、ｐ ｙｒｅｘ（ブランド）ガラスまたはその他の適当な材料、たとえば、セラミック ス、ムライト、ある種のプラスチックやシリコンなどのチューブ２４に熱電結合 されている。チューブ２４は、ベース２６内で支持されている。カバー２８は、 ベースに固定され、ベースと協働してチャンバ３０を形成している。したがって 、検知装置１６は、チャンバ３０とチューブ２４の内側の境界面に位置する。 圧力応答共振ひずみゲージ３２は、検知装置１６の頂部のダイアフラム２２の 周辺リム２０の近くに据え付けられている。基本的に類似の共振ゲージ３４が、 検知装置のリム２０に据え付けられ、したがって、ダイアフラムのたわみに応答 しない。したがって、ゲージ３４は、圧力によって誘導されるダイアフラムのた わみ以外の因子、たとえば、温度の変化に応答するゲージ３２の移動を「フィル タリング」するための基準として使用することができる。第２図で分かるように 、 ダイアフラム２２は円形である。ただし、必要に応じて正方形や長方形などの代 替形状でダイアフラムを形成できることを理解されたい。 第４図で分かるように、共振ゲージ３２は、低引張りひずみの微粒子ポリシリ コン（多結晶シリコン）で形成された縦長のビーム３６を含む。ビーム３６は長 さが１００マイクロメートルないし１０００マイクロメートルの範囲で、好まし くは約２００マイクロメートルであり、厚さ（第４および５図の垂直方向）が約 ２マイクロメートルであり、幅が約４０マイクロメートルである。ビームの両端 部は３８および４０で示されており、基板１８（具体的にはダイアフラム）と、 やはりポリシリコンで形成された基本的に剛性のシェルまたはカバー４２との間 に固定されている。ビームの中間領域４４は、カバーおよび基板によって形成さ れたチャンバ４６内で自由に振動することができる。 上部バイアス電極４８は、カバー４２の表面部上に（たとえば、注入によって ）形成され、類似の下部バイアス電極５０は、ダイアフラム２２の表面上にチャ ンバ４６の底部に沿って形成されている。電極５０は、ＰＮ接合部を作製するこ とによって基板１８から絶縁されている。すべての電極は、ＰＮ接合部または絶 縁層、たとえば、窒化ケイ素によって、相互に絶縁させることができる。駆動電 極５２は、ビーム３６の頂部表面の一部に沿って形成されている。ピエゾ抵抗器 ５４もビームの頂部表面に沿って形成され、駆動電極５２と共面であり、電極５ ２から離間され、したがって、駆動電極から電気的に絶縁している。バイアス電 極４８および５０は、ビームの長さ、すなわち長手方向寸法に対して横方向に駆 動電極５２から離間され、駆動電極５２は、バイアス電極間で横方向にほぼ心合 わせされている。 第６図で分かるように、ビーム３６は、大きなポリシリコン薄膜５６の一部と して形成され、長手方向ギャップ５８および６０は、ビームの対向する側面に沿 って延びる。駆動電極５２は基本的に長方形である。ただし、この形状は重大な ものではない。ピエゾ抵抗器５４は、接触パッド６２および６４と、一対の比較 的薄いレグ６６および６８とを含む。レグは、パッドから、ビーム中間領域内へ 延び、レグどうしを電気的に結合する拡張された部分７０へ延びる。レグ６６お よび６８はもちろん、拡張された部分７０よりも基本的に大きな抵抗を有する。 したがって、パッド６２とパッド６４の間の基本的にすべての電圧差分は、双方 のレグの間に発生し、このため、拡張された部分７０を所望の電圧レベル、好ま しくは接地に維持することは容易である。 圧力検知装置１６は、ビーム３６が振動する周波数に基づいて、圧力差分（す なわち、ダイアフラム２２の各対向側に対する圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の間の差）を 測定する。具体的には、ダイアフラム２２のたわみによって、ビーム３６に対す る軸応力がもたらされ、ビームに沿ったひずみが導入される。ダイアフラム２２ の下向きのたわみは、ビーム３６を伸長させ、その固有共振周波数を増加させる 傾向がある。逆に、上向きのダイアグラムの偏向は、ビームを圧縮して共振周波 数を減少させる傾向がある。 ビーム３６の必要な振動を維持するには、周期振動電圧レベルを駆動電極５２ に与え、同時に、ビームの周りの領域で基本的に一様で一定の電界を維持する。 このために、バイアス電極４８を一定の正の電圧レベル＋Ｖに維持し、バイアス 電極５０を一定の電圧レベル−Ｖに維持する。言い換えると、バイアス電極は、 大きさは等しいが極性が逆である電圧を有する。駆動電極５２は接地に維持され 、駆動電圧を接地の付近で振動させる。周期駆動電圧（好ましくは正弦波）を電 極５２に印加すると、駆動電極に電荷が注入される。正の電圧は正の電荷を注入 し、駆動電極と負のバイアス電極５０の間の引力のために、ビーム３６を下向き に偏向させる。負の電圧は、バイアス電極４８への引力のためにビーム３６を上 向きに偏向させる。いずれの場合も、引力は、駆動電極５２の駆動電圧、バイア ス電界、およびキャパシタンスに比例する。駆動電極のキャパシタンスおよびバ イアス電界が基本的に一定であることが与えられている場合、引力は駆動電圧に 対して線形変化する。バイアス電極は＋１５Ｖおよび−１５Ｖに維持できるが、 駆動電圧振幅が１ｍＶよりも少ない場合、バイアス電極を０．１Ｖ程度のレベル に維持すれば十分であることが分かった。 この線形動作は、駆動電圧信号の正弦波振動がビーム３６の機械的振動に対応 するので有利である。これに対して、接地された駆動電極が、一方のバイアス電 極に印加される周期振動電圧によって駆動される手法では、バイアス電極とビー ム上の電極の間に２次力がもたらされる。これによって、望ましくない第２の高 調波ひずみが発生し、印加された周波数の２倍の周波数でビームが駆動される傾 向が生じ、ビームのオーバドライブと、共振周波数のシフトまたは望ましくない ヒステリシスが発生する可能性がある。したがって、本発明の顕著な利点は、一 定で一様な電界内でビームに振動駆動電流が印加され、それによって、駆動信号 の振動がビームの機械的振動により厳密に対応することである。 ピエゾ抵抗器５４は、ビーム位置と共に変化する検出器電圧を生成する際に、 基板およびカバーに対するビーム３６の瞬間位置を検出する手段として機能する 。ピエゾ抵抗器が検出器電圧を生成する方法は当技術分野で知られており、本明 細書ではこれ以上論じない。 検出器電圧は、発振器回路への入力として与えられ、発振器回路の出力は周期 駆動電圧信号である。駆動電圧信号は、ビーム３６をその基本共振周波数での定 常振動に維持するために駆動電極５２に与えられる。上述の顕微鏡的寸法のポリ シリコン・ビームの場合、共振周波数は、１００ｋＨｚないし２ＭＨｚの範囲で よく、より狭い範囲の２００ｋＨｚないし５００ｋＨｚで使用される傾向がある 。シリコンは圧電性でないので、ビームは各バイアス電極と駆動電極の間の静電 力によって駆動（振動）される。いずれの場合も、一方のバイアス電極および駆 動電極はキャパシタの２つのプレートとして動作する。 発振器回路は、第７図に概略的に示されており、駆動信号の周波数を、ビーム ３６が振動する固有共振周波数に一致させるように連続的に調整する閉鎖ループ を提供する。バイアス電極４８および５０は、ビーム３６の周り、具体的には駆 動電極５２の周りの領域で必要な一様で一定の電界を生成するために、それぞれ レベル＋Ｖおよび−Ｖにバイアスされる。抵抗７２と抵抗７４は、駆動電極を接 地、すなわち、バイアス電圧の中間にバイアスさせるために、値がほぼ等しい。 ビーム３６が機械的に振動すると、ピエゾ抵抗器５４は、増幅器７６への入力と して検出器信号を出力する。検出器信号は、ビーム振動の周波数と同じ周波数で 振動する電圧の形のビーム位置の瞬間読取り値である。自動ゲイン制御回路７８ は、振動周波数におけるひずみを防止するために増幅器７６にフィードバックを 与える。 駆動キャパシタ８０を介して駆動電極５２に供給される駆動電圧信号は、増幅 器７６の出力に基づくものである。具体的には、増幅器出力は、抵抗８２および キャパシタ８４を介して、ダイオード８６および８８を含む回路に結合されてい る。これらのダイオードは、抵抗８２と協働して信号振幅をクランプする。クラ ンプ動作によって、ビーム３６の振動は線形応答範囲内の振幅に制限される。ポ テンショメータ９０によって、駆動電圧信号を平均振幅に関して調整することが できる。他の自動ゲイン制御方法も同様に適用することができ、当業者に知られ ている。 増幅器７６の出力は出力緩衝増幅器９２にも与えられる。緩衝増幅器出力は、 ディジタル・カウンタ９４に与えられる。ディジタル・カウンタは発振器９６か らクロック入力も受け取る。カウンタ９４の出力は、ひずみ、圧力、またはビー ム３６が振動するときのビーム３６の共振周波数に依存するその他のパラメータ を直接、実時間で読み取るために、次のディジタル回路に与えられる。 上記のように、長手方向に加えられる外部力に応答するビーム３６の長さ（長 手方向寸法）に沿ったひずみの変化によって、ビームの固有共振周波数が変化す る。ビームが応力の変化に応答して異なる周波数での振動を開始すると、ピエゾ 抵抗器５４でその異なる周波数が検知され、新しい周波数での検出器信号が増幅 器７６に与えられる。増幅器７６の出力は駆動電圧信号の周波数を制御する。こ のように、駆動電圧信号周波数は、ビーム３６の固有共振周波数に一致するよう に連続的かつ制御可能に調整される。実際、基本周波数（ｆ／ｆ）に対する共振 周波数の変化は、ひずみまたはビームの伸長（ｌ／ｌ）の変化の６００倍ないし １２００倍の範囲であることが分かった。このため、ひずみの変化に対する高度 の精度および感度が与えられる。これに対して、従来型の単結晶シリコン・ピエ ゾ抵抗器は、ドーピングおよび配向に応じて、通常、約６０ないし１００の範囲 のゲージ・ファクタを有する。このゲージ・ファクタは、ひずみ（ｌ／ｌ）に対 する抵抗（ｒ／ｒ）に関して測定され、いかなる場合も約１２０よりも小さい。 装置１６などの圧力検知装置は、すでに半導体チップで利用されている機器に よって製造される。具体的には、プロセスは、複数の検知装置が製造されるシリ コン・ウェハ９８で開始する。この材料はｎ型シリコンであることが好ましい。 第１のステップは、それぞれが各装置に対応する複数のプレーナ・トラフ（く ぼみ）を形成することを含む。各トラフ１０１にバイアス電極９９を形成する。 第８図中の１００で示したように、局部酸化によって下部二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）犠牲層を形成する。この段階での次の酸化によって各チャネルが形成される 。 好ましくは、低圧化学蒸着によって、ウェハ基板９８および犠牲層上に微粒子 低応カポリシリコン薄膜層１０２を付着させる。 ポリシリコン層１０２を堆積させた後、ホウ素を注入することによって、ポリ シリコン層１０２上に、具体的には、最終的にビーム１０６を構成する領域に、 駆動電極１０４、ピエゾ抵抗器１０６、およびこれらの構成要素に必要な電気リ ード線を形成する。反応性イオン・エッチングによってポリシリコンを層１０２ から選択的に除去してビーム１０６を形成し、エッチイング・チャネルの上から ポリシリコンを除去する。 反応性イオン・エッチングに続いて、ポリシリコン層１０２上に低温酸化物犠 牲層１０８を堆積させる。次いで、第２のポリシリコン層１１０を堆積させてカ バーを形成する。ポリシリコン層を約５８０℃の温度で堆積させて（多結晶では なく）無定形膜を形成することが好ましい。層１１０を堆積させた後、ホウ素イ オンを注入することによって上部バイアス電極１１２を形成する。 電気接点開口部およびエッチイング・チャネル開口部を反応性イオン・エッチ ングによって形成する。次いで、ＨＦエッチングによって犠牲層１００および１ ０８を除去してチャンバ１１４（第９図）を形成する。リンス、好ましくはシク ロヘキサンの脱イオン水希釈液によってＨＦ残留物を除去する。ＨＦ残留物のた めにビーム１０６がカバー１１０に付着する傾向を解消するために、リンス溶液 を冷凍し、後で昇華ステップで除去して、ビーム１０６が自立するようにする。 この点で、チャンバ１１４内に真空を形成する必要がある。真空中で作業する ことによって、共振周波数に影響を及ぼすひずみの変化以外の因子のためのエラ ーの可能性が最小限に抑えられる。真空と、真空を維持するために必要な流体シ ールは、チャンバおよびチャネルの表面をシラン（ＳｉＨ₄）ガスにさらすこと によって達成することができる。そのように表面をさらすことによって、ポリシ リコンは、チャネルを閉鎖するまで、さらされた表面領域に沿って成長する。捕 捉されたシラン・ガスは引き続き、枯渇するまで、チャンバ１１４内のチャンバ 壁 に沿ってポリシリコンを堆積させる。 さらされた表面領域を酸化することもできる。その結果、二酸化ケイ素が成長 することによって、エッチングされたチャネルが密封される。いくらかの酸化ガ スは、チャンバ１１４に捕捉されたままになり、酸化は、チャンバ内の酸素が枯 渇するまで継続する。 このように真空およびシールが形成された状態で、装置を金属化し、約４５０ ℃の窒素大気で焼きなまして、ピエゾ抵抗器、ビーム、およびバイアス電極との 電気接点を設ける。 最後に、たとえば、等方性エッチングによって、ウェハの背部をパターン化し て、各圧力検知装置ごとのダイアフラム部を形成する。ウェハを個別のチップと して分割し、次いで、各チップを熱電的にパイレックス・ガラス・チューブに結 合する。 第１０図は、シリコン基板１１８と、ビーム１２２を含むポリシリコン薄膜層 １２０と、基板と協働して真空チャンバ１２６内のビーム１２２を囲むポリシリ コン・カバー１２４とを含む代替共振ゲージを１１６を示す。上部バイアス電極 および下部バイアス電極はそれぞれ、カバー１２８および基板１３０上に形成さ れている。駆動電極１３２およびピストン検知ピエゾ抵抗器１３４は、ビーム１ ２２の頂部表面に沿って形成されている。 上記のように、バイアス電極は、ＡＣ電圧用のシールドとして働き、駆動電極 とピエゾ抵抗器の間の寄生キャパシタンスを低減させる。寄生キャパシタンスが 生じる可能性は、駆動電極とピエゾ抵抗器の間のビーム１２２上にシールド電極 １３６を形成することによって、さらに低減することができる。シールド電極１ ３６は接地に維持することが好ましい。したがって、接地されたシールド電極は 、ＡＣ電圧用の他のシールドを提供する。 第１１図は、共振ひずみゲージ１３８の代替使用法、すなわち、加速度計１４ ０での使用法を示す。加速度計１４０は、剛性のベース１４４に固定されたシリ コン基板１４２を含む。この基板は、基本的に剛性の据付け部１４６と、基本的 に剛性のプルーフ・マス１４８と、据付け部とプルーフ・マスの間で厚さが約０ ．５ミルないし１ミル（１２ミクロンないし２５ミクロン）の比較的幅の狭い首 部 １５０とを含む。首部１５０は、剛性の据付け部に対してプルーフ・マス１４８ を片持ち梁式に支持するブリッジとして働く。共振ひずみゲージ１３８は、基本 的に共振ゲージ３２に類似しており、加速度計の首部の頂部表面に沿って据え付 けられる。ひずみゲージは、その縦長のたわみビーム（図示せず）が首部１５０ の長さに平行に、すなわち、図において向かって左から右に延びるように配向す る。通常、これは、予想される加速の方向に垂直である。 第１１図において上向きに装置（具体的には据付け部１４６）が加速される結 果、プルーフ・マス１４８は下向きまたは時計回りに偏向する。その結果得られ るゲージ１３８に対する引張り力は、ビームにひずみを与え、ビームを伸長させ 、固有共振周波数を増加させる傾向がある。周波数の増加量は加速度に比例する 。そのようなひずみゲージの他の例には、はかり（たとえば、プルーフ・マス１ ４８の代わりにビームからぶら下げられた重りを含むもの）、質量流量センサ、 温度センサ、湿度センサ、および空気またはその他の気体の密度を測定する装置 がある。 第１２図は、基板１５４と、縦長のビーム１５６と、基本的に剛性のシェルま たはカバー１５８とを含む代替実施例の共振ひずみゲージ１５２を示す。ビーム の両端部は基板に固定され、基板とカバーは、ビームの中間領域がチャンバ内で 振動するように、前述のように協働してビームの周りにチャンバを設ける。カバ ーの表面部上に上部バイアス電極１６０が形成され、基板の表面上にチャンバの 底部に沿って類似の下部バイアス電極１６２が形成されている。ゲージ１５２で は、ビーム１５６は導電性であり、したがって、振動ビームとビーム電極の両方 として機能する。バイアス電極１６０とバイアス電極１６２は、ビーム１５６か ら横方向に離間され、ビームはバイアス電極間でほぼ心合わせされている。 基本的に一様で一定の電界が、領域中でビーム１５６の周りに維持される。具 体的には、バイアス電極１６０は、抵抗１６４を介して一定の正の電圧レベル＋ Ｖに維持され、下部バイアス電極１６２は、抵抗１６６を介して一定の電圧レベ ル−Ｖに維持される。ビーム電極、すなわち、ビーム１５６は接地に維持される 。 １６８で示された振動（ＡＣ）駆動電圧が、キャパシタ１７０を介して下部バ イアス電極１６２に印加され、それによって、ビーム１５６の機械的振動が推進 される。 ビームの振動によって、ビームと上部バイアス電極１６０の間のキャパシタン スは周期的に変化する。バイアス電極１６０は、キャパシタ１７４を含む導電経 路によって電流検知増幅器１７２の入力に結合されている。一定のレベルが与え られている場合、増幅器１７２によって検知される電流は、電極１６０とビーム １５６の間のキャパシタンスと共に変化する。 基本的に線形の動作を保証するために、電圧レベルＶの絶対的な大きさは、振 動駆動信号１６８の電圧ピークの少なくとも２倍である。前述のように、電極１ ６２に対するＤＣバイアスによって、線形動作と、それに伴う利点が保証される 。上部電極１６０に対するＤＣバイアスにより、電極１６０とビームの間の可変 キャパシタンスに基づいて、カバー１５８（および基板１５４）に対するビーム １５６の位置を検知することができる。増幅器１７２への電流は、キャパシタン スと共に変化し、したがって、直接、ビームの位置を示す。 第７図に概略的に示した回路に類似の回路に共振ゲージ１５２を組み込んで、 駆動信号周波数をビーム１５６の固有共振周波数に一致するように連続的に調整 する閉鎖ループを提供できることを理解されたい。さらに、必要に応じて、基本 的に絶縁性のビームとそのビーム上に据え付けられたビーム電極を導電性ビーム １５６の代わりに使用することができる。 したがって、本発明によれば、共振ひずみゲージのたわみは、振動部材と、振 動部材を駆動する周期的に変化する電圧信号との一致を向上させ、かつ周波数測 定の精度を高めるために、線形に印加される力に応じて駆動される。精度をさら に向上させるために、駆動電極と検知電極（またはピエゾ抵抗器）は、これらの 電極間の寄生キャパシタンスを最小限に抑えるように相互に電気的に絶縁される 。ビームのひずみの比較的小さな変化によって固有共振周波数の大きな変化がも たらされるので、この装置は極めて感度が高い。このゲージは、信頼できるが低 コストである圧力トランスデューサ、加速度計、およびその他の計器用に、密封 された真空チャンバ内に顕微鏡的振動ビームを形成することを容易にするモノリ シック半導体本体として生産することができる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 調整する。寄生キャパシタンスを防止するには、たわみ ビームのピエゾ抵抗器と駆動電極の間にシールド電極を 形成することができる。代替実施例では、一方のバイア ス電極に駆動信号を印加してビームを振動させ、ビーム の振動がキャパシタンスに関して検知される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ひずみの変化を検知する装置において、 剛性の基板と、基板の基板表面部に対して固定された第１バイアス電極と、 基板に対して固定された第１の領域と、たわみ要素自体に作用する外部の力に よるひずみの変化と共に変化する共振周波数で自由に振動する第２の領域とを有 し、第１のバイアス電極から離間された、長手方向に縦長のたわみ要素と、 前記たわみ要素の第２の領域に形成されたビーム電極と、 前記たわみ要素から離間され、基板表面部からたわみ要素の対向側に配設され たカバー表面部と、そのカバー表面部に固定された第２のバイアス電極とを有す る、基板に対して固定された剛性のカバーと、 第１および第２のバイアス電極を、基本的に一定であるそれぞれの異なる第１ および第２の電圧レベルにバイアスし、一様で一定の電界をたわみ要素の周りの 領域で生成するバイアス手段と、 基板およびカバーに対するたわみ要素の位置を示す位置信号を生成する位置検 知手段と、 周期的に変化する駆動電圧信号からなる駆動信号を生成し、ビーム電極、第１ のバイアス電極、および第２のバイアス電極のうちの１つに駆動信号を供給して 、基板およびカバーに対するたわみ要素の振動を発生させ、前記位置信号を受け 取り、位置信号の周波数の変化に応答して駆動信号の周波数を変化させ、それに よって、駆動信号の周波数を前記共振周波数に一致するように調整する、振動手 段とを含むことを特徴とする装置。 ２．前記第１の領域が、たわみ要素の両端部から成り、前記第２の領域が、端部 間にあるたわみ要素の中間領域であることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．駆動信号がビーム電極に供給されることを特徴とする請求項２に記載の装置 。 ４．カバーと基板が協働して、たわみ要素を含むエンクロージャを形成し、かつ エンクロージャ内に実質的な真空を維持する流体シールを形成することを特徴と する請求項３に記載の装置。 ５．たわみ要素が、半導体材料で形成されたビームから成ることを特徴とする請 求項３に記載の装置。 ６．ビームが、基板上に堆積し、その後、ビームを形成するようにエッチングさ れた、ポリシリコン・ビーム層の一部から成る微粒子低応カポリシリコンで形成 されることを特徴とする請求項５に記載の装置。 ７．カバーが半導体材料で形成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。 ８．カバーが、ポリシリコン・ビーム層および犠牲スペーサ層上に堆積したポリ シリコン・カバー層として形成され、キャリア層を堆積させた後に犠牲スペーサ 層が除去されることを特徴とする請求項７に記載の装置。 ９．基板が、半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。 １０．基板がシリコンで形成されることを特徴とする請求項９に記載の装置。 １１．第１のバイアス電極、第２のバイアス電極、およびビーム電極がそれぞれ 、基板、カバー層、およびビーム層上へのイオン注入によって形成されることを 特徴とする請求項８に記載の装置。 １２．ビームが、第１のバイアス電極と第２のバイアス電極の間で、少なくとも ほぼ、横方向に心合わせされることを特徴とする請求項５に記載の装置。 １３．駆動信号が、第１の電圧レベルと第２の電圧レベルのほぼ中間の中央電圧 レベルの周りで変化することを特徴とする請求項１２に記載の装置。 １４．中央電圧レベルが、接地に等しく、第１および第２の電圧レベルが、少な くともほぼ等しく、その極性が相互に逆であることを特徴とする請求項１３に記 載の装置。 １５．位置検知手段が、ビーム上に形成され、駆動電極から電気的に絶縁された 、ピエゾ抵抗器から成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。 １６．ピエゾ抵抗器が、駆動電極と共面であり、駆動電極から離間されることを 特徴とする請求項１５に記載の装置。 １７．さらに、 ピエゾ抵抗器をバイアスするバイアス手段を含み、駆動信号が、第１の電圧レ べルと第２の電圧レベルのほぼ中間の中央電圧レベルの周りで変化し、バイアス 手段が、ピエゾ抵抗器を中央電圧レベルに対して対称的にバイアスすることを特 徴とする請求項１６に記載の装置。 １８．さらに、ピエゾ抵抗器と駆動電極の間に遮蔽手段を含むことを特徴とする 請求項１５に記載の装置。 １９．遮蔽手段が、たわみ要素上のシールド電極から成り、交流接地に維持され ることを特徴とする請求項１８に記載の装置。 ２０．駆動信号が、一方のバイアス電極に供給されることを特徴とする請求項２ に記載の装置。 ２１．第１の電圧レベルと第２の電圧レベルが、極性が相互に逆であり、少なく ともほぼ同じ大きさを有することを特徴とする請求項２０に記載の装置。 ２２．駆動信号が、接地に等しい中央電圧レベルの周りで変化し、第１および第 ２の電圧レベルの大きさよりも小さい振幅を有することを特徴とする請求項２１ に記載の装置。 ２３．位置検知手段が、たわみ要素が振動したとき、ビーム電極と一方の前記バ イアス電極の間のキャパシタンスの変化を測定する手段から成ることを特徴とす る請求項１に記載の装置。 ２４．導電経路が、第２のバイアス電極を電流検知増幅器に結合し、駆動信号が 、第１のバイアス電極に提供されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。 ２５．縦長のたわみ要素を支持するプロセスにおいて、 たわみ要素の中間領域が自由に振動する間、たわみ要素の長寸法を長手方向に 配向させた状態で縦長のたわみ要素を固定的に支持するステップと、 たわみ要素の周りの領域に基本的に一様で一定の電界を生成するステップと、 基本的に一様で一定の電界を維持する間、たわみ要素の周期的な機械的振動の 共振周波数に等しい駆動信号周波数に応じて周期的に変化する駆動電圧から成る 駆動信号を、たわみ要素上に据え付けられた駆動電極に印加して前記機械的振動 を発生させるステップとを含むことを特徴とする方法。 ２６．基本的に一様で一定の電界を生成する前記ステップが、たわみ要素の各対 向側で第１のバイアス電極と第２のバイアス電極を位置決めして維持し、バイア ス電極が固定されたわみ要素から横方向に離間されたままにし、第１および第２ の電極をそれぞれの異なる第１および第２の電圧レベルにバイアスすることを含 むステップを特徴とする請求項２５に記載の装置。 ２７．駆動信号を駆動電極に印加するステップが、前記機械的振動時にたわみ要 素の位置を検知してたわみ要素の位置を示す周期的位置信号を生成し、駆動信号 の周波数を位置信号の周波数に一致するように制御可能に調整し、それによって 、駆動信号が機械的振動の共振周波数に一致するようにするステップを含むこと を特徴とする請求項２５に記載の置。 ２８．圧力検知手段において、 可とう性のダイアフラムと、ダイアフラムを囲み支持する基本的に剛性の周辺 領域とを含む基板と、 長手方向に縦長であり、可とう性ダイアフラムのたわみに応答してたわみ要素 自体が長手方向に伸長できるように、ダイアフラムの一方の側に沿って前記周辺 領域の近くにたわみ要素自体を位置決めするために基板に対して固定された対向 する第１の端部と第２の端部とを有するたわみ要素と、 基板とカバーがそれぞれ、たわみ要素から離間され、たわみ要素の各対向側に ある第１の表面部と第２の表面部とを有する基板に対して固定されたカバーと、 基板の第１の表面部に形成された第１のバイアス電極と、カバーの第２の表面 部に形成された第２のバイアス電極と、たわみ要素上に形成されたビーム電極と 、 第１および第２のバイアス電極を、基本的に一定であるそれぞれの異なる第１ および第２の電圧レベルにバイアスし、基本的に一様で一定の電界をたわみ要素 の周りの領域で生成する、バイアス手段と、 基板およびカバーに対するたわみ要素の位置を検知し、たわみ要素が振動した ときのたわみ要素の位置を示す周期的位置信号を生成する位置検知手段と、 周期的駆動電圧信号を生成し、ビーム電極、第１のバイアス電極、および第２ のバイアス電極のうちの１つに駆動信号を印加して、基板およびカバーに対する たわみ要素の周期的な機械的振動を発生させ、位置信号周波数の変化に応答して 駆動信号の周波数を制御可能に調整し、それによって、駆動信号周波数を機械的 振動の共振周波数に一致するように調整することを特徴とする装置。 ２９．駆動信号が、ビーム電極に印加されることを特徴とする請求項２８に記載 の装置。 ３０．前記ダイアフラムが、基本的に円形であり、ダイアフラムの半径方向の長 寸法にたわみ要素を配向させることを特徴とする請求項２９に記載の装置。 ３１．位置検知手段が、たわみ要素上に形成され、駆動電極と共面であり、駆動 電極から離間された、ピエゾ抵抗器から成ることを特徴とする請求項３０に記載 の装置。 ３２．駆動信号が、少なくともほぼ接地に等しい中央電圧レベルの周りで周期的 に変化し、ピエゾ抵抗器が、接地に対して対称的にバイアスされ、第１および第 ２の電圧レベルが、基本的に等しい値であり、かつ逆の極性のものであることを 特徴とする請求項３１に記載の装置。 ３３．さらに、 ピエゾ抵抗器と駆動電極の容量結合を低減させる遮蔽手段を含むことを特徴と する請求項３１に記載の装置。 ３４．前記遮蔽手段が、たわみ要素上の駆動電極とピエゾ抵抗器の間に形成され たシールド電極と、シールド電極の電圧を接地に維持する手段とから成ることを 特徴とする請求項３３に記載の装置。 ３５．加速度検知装置において、 加速を受ける本体と、 プルーフ・マスと、 本体の加速によって、プルーフ・マスが偏向し、それに対応して、偏向を受け 入れるためにブリッジング部材自体がたわむように、本体に対して片持ち梁的に プルーフ・マスを支持する可とう性のブリッジング手段と、 ブリッジング手段のたわみに応答してたわみ要素が長手方向に伸長できるよう にたわみ要素を配向させるために、ブリッジング手段の一方の側に沿って固定さ れた対向する第１の端部と第２の端部とを有する縦長のたわみ要素と、 ブリッジング手段とカバーがそれぞれ、たわみ要素から横方向に離間され、た わみ要素の各対向側にある、それぞれの第１の表面部と第２の表面部とを有する 、ブリッジング手段に対して固定されたカバーと、 ブリッジング手段の第１の表面部に形成された第１のバイアス電極と、カバー の第２の表面部に形成された第２のバイアス電極と、たわみ要素上に形成された たわみ電極と、 第１および第２のバイアス電極を、基本的に一定であるそれぞれの異なる第１ および第２の電圧レベルにバイアスし、基本的に一様で一定の電界をたわみ要素 の周りの領域で生成するバイアス手段と、 ブリッジング手段およびカバーに対するたわみ要素の位置を検知し、たわみ要 素が振動したときのたわみ要素の位置を示す周期的位置信号を生成する位置検知 手段と、 周期的駆動電圧信号を生成し、たわみ電極、第１のバイアス電極、および第２ のバイアス電極のうちの１つに駆動信号を印加して、ブリッジング手段およびカ バーに対するたわみ要素の周期的な機械的振動を発生させ、位置信号周波数の変 化に応答して駆動信号の周波数を制御可能に調整し、それによって、駆動信号周 波数を機械的振動の共振周波数に一致するように調整することを特徴とする装置 。 ３６．駆動信号が、たわみ電極に印加されることを特徴とする請求項３５に記載 の装置。 ３７．前記本体、プルーフ・マス、および可とう性ブリッジング部材が、単体の 基板の別々の部分から成ることを特徴とする請求項３５に記載の装置。 ３８．基板が、シリコンで形成され、たわみ要素が、微粒子低応カポリシリコン で形成されたビームから成り、カバーがポリシリコンで形成されることを特徴と する請求項３７に記載の装置。 ３９．たわみ要素の長手方向の伸長が、本体の前記加速の方向に垂直であること を特徴とする請求項３５に記載の装置。 ４０．位置検知手段が、たわみ要素上に形成され、駆動電極と共面であり、駆動 電極から離間された、ピエゾ抵抗器から成ることを特徴とする請求項３５に記載 の装置。 ４１．駆動信号が、少なくともほぼ接地に等しい中央電圧レベルの周りで周期的 に変化し、ピエゾ抵抗器が、接地に対して対称的にバイアスされ、第１および第 ２の電圧レベルが、基本的に等しい値であり、かつ逆の極性のものであることを 特徴とする請求項４０に記載の装置。 ４２．位置検出手段が、たわみ要素の機械的振動に応答して、たわみ電極と、第 １および第２のバイアス電極のうちの一方との間のキャパシタンスの変化を測定 する手段を備えることを特徴とする請求項３５に記載の装置。 ４３．さらに、ピエゾ抵抗器と駆動電極との容量結合を低減させる遮蔽手段を含 むことを特徴とする請求項３５に記載の装置。 ４４．前記遮蔽手段が、たわみ要素上の駆動電極とピエゾ抵抗器の間に形成され たシールド電極と、シールド電極の電圧を接地に維持する手段とから成ることを 特徴とする請求項４３に記載の装置。