(57)【要約】      （修正有）【課題】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス層内のコイルによる磁束を誘導するために、正確に形成されたポールピースを有する並進ＭＥＭＳ加速度計デバイスを提供すること。【解決手段】デバイスの一例は、デバイス層、デバイス層の第１の側に貼り付けられた磁気リターン経路構成要素、およびデバイス層の第２の側に貼り付けられた磁石ユニットを含む。デバイス層は、電気伝導トレース４４を有するプルーフマス３２と、フレーム構成要素とを含む。磁石ユニットは、トレースに近接して配置された（鉄材料から形成された）２つの磁気伝導ポストと、そのポストと同じ材料から形成されたベース部分と、伝導ポスト間で接続された（ガラス基板から形成された）非磁気伝導ポストと、２つの磁気伝導ポスト間のベース部分内に形成された空洞内で非磁気伝導ポストに貼り付けられた磁石とを含む。【選択図】図１
2010281813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス層（９４）であって、プルーフマスの少なくとも１つの側に取り付けられた電気伝導トレースを有するプルーフマス（３２）と、１つまたは複数のフレーム構成要素とを含むデバイス層（９４）と、
前記デバイス層の第１の側に貼り付けられた磁気リターン経路構成要素と、
前記デバイス層の第２の側に貼り付けられた磁石ユニットと備え、
前記磁石ユニットが、
前記プルーフマス上の前記電気伝導トレースに近接して配置された２つの磁気伝導ポスト（８２）と、
前記伝導ポストと同じ材料から形成されたベース部分（８４）と、
前記伝導ポスト間で接続された非磁気伝導ポスト（８６）と、
前記２つの磁気伝導ポスト間の前記ベース部分内に形成された空洞内で前記非磁気伝導ポストに貼り付けられた磁石（１０４）とを含み、
前記２つの磁気伝導ポストおよび前記ベース部分は鉄材料を含み、前記非磁気伝導ポストはガラス基板を含む、
並進の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計デバイス（２５）。
【請求項２】
前記磁気リターン経路構成要素は、
前記プルーフマス上の前記電気伝導トレースに近接して配置された２つの磁気伝導ポストと、
前記伝導ポストと同じ材料から形成されたベース部分と、
前記伝導ポスト間で接続された非磁気伝導ポストと
を備え、
前記２つの磁気伝導ポストおよび前記ベース部分は鉄材料を含み、前記非磁気伝導ポストはガラス基板を含む、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ガラス基板はパイレックス（Ｐｙｒｅｘ）（登録商標）を含み、前記鉄材料はコバール（Ｋｏｖａｒ）（登録商標）を含み、前記非磁気伝導ポストは、前記デバイス層上の所定の場所に陽極接合され、前記磁気伝導ポストの上面は、前記非磁気伝導ポストの上面の平面から凹んでいる、請求項２に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、並進マスＭＥＭＳデバイスにおいて使用される磁気回路に関する。より詳細には、本発明は、ＭＥＭＳデバイス層内のコイルによる磁束を誘導するために、正確に形成されたポールピースを使用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
力検出および力測定に広く使用される微小電気機械システム／センサ（ＭＥＭＳ）デバイスは、印加される力に比例して容量出力を有する機械容量読出し力加速度計を使用する。このような加速度計の１つにおいては、１つまたは複数のコンデンサが計器フレーム内の１つまたは複数のたわみ部によって懸垂されたプルーフマス上に形成される。特定の軸に沿ってプルーフマスに印加される力は、そのフレームに対するプルーフマスの変位をもたらすことになる。この変位は、容量出力に変化を持たせる。プルーフマスに印加される力は、容量出力における結果として得られる変化を測定することによって定量化される。容量変化に基づいて印加される力を決定することは、開ループ動作として知られている。
【０００３】
それとは対照的に、閉鎖ループ加速度計は、帰還ループを使用してプルーフマスの移動を相殺することよってより高い性能を達成し、したがって、マスをほぼ静止した状態に保つ。理想的には、容量出力が、閉鎖ループ加速度計において一定の状態を維持することである。一定出力を維持するためには、プルーフマスが作用の力（外力）を受けた場合、中立またはゼロの変位点から変位するプルーフマスの運動に対抗するように、比例する反作用の力が生成される。容量変化を使用して、マスに印加される作用の力を決定するのでなく、作用の力は、プルーフマスを中立位置に維持するのに必要な反作用の力に基づいて決定される。従来（非ＭＥＭＳ）の閉鎖ループ、フレクチャタイプの加速度計の一例は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．によって製造されるＱ−ＦＬＥＸ（登録商標）である。Ｑ−ＦＬＥＸ（登録商標）の生産は、生産が１つずつ行われるという理由から費用がかかる。
【０００４】
他のＭＥＭＳセンサにおいては、プルーフマスに印加される反作用の力は、電場との組合せで磁場を使用して生成される。このようなデバイスにおいては、ＭＥＭＳデバイスによって出力される測定値の精度は、磁場の特性、具体的には、磁場の強度および均一性に左右される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第５８５６７７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、一般に、並進マスＭＥＭＳデバイスにおいて使用される磁気回路に関する。より詳細には、本発明は、ＭＥＭＳデバイス層内のコイルによる磁束を誘導するために、正確に形成されたポールピースを使用することに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
並進微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計デバイスの一例は、デバイス層、デバイス層の第１の側に貼り付けられた磁気リターン経路構成要素、およびデバイス層の第２の側に貼り付けられた磁石ユニットを含む。デバイス層は、少なくとも１つの側に配置された電気伝導トレース（例えば、ドープシリコン）を有するプルーフマスと、１つまたは複数のフレーム構成要素とを含む。磁石ユニットは、プルーフマス上の電気伝導トレースに近接して配置された２つの磁気伝導ポストと、伝導ポストと同じ材料から形成されたベース部分と、伝導ポスト間で接続された非磁気伝導ポストと、２つの磁気伝導ポスト間のベース部分内に形成された空洞内で非磁気伝導ポストに貼り付けられた磁石とを含む。２つの磁気伝導ポストおよびベース部分は鉄材料から形成され、非磁気伝導ポストはガラス基板から形成される。
【０００８】
本発明の１つの態様においては、磁気リターン経路構成要素は、プルーフマス上の電気伝導トレースに近接して配置された２つの磁気伝導ポストと、伝導ポストと同じ材料から形成されたベース部分と、伝導ポスト間で接続された非磁気伝導ポストとを含む。２つの磁気伝導ポストおよびベース部分は鉄材料から形成され、非磁気伝導ポストはガラス基板から形成される。非磁気伝導ポストは、デバイス層上の所定の場所に陽極接合される。
【０００９】
本発明の別の態様においては、ガラス基板はＰｙｒｅｘ（登録商標）であり、鉄材料はＫｏｖａｒ（登録商標）である。
本発明のさらなる別の態様においては、磁気伝導ポストの上面は、非磁気伝導ポストの上面の平面から凹んでいる。
【００１０】
本発明の好ましい、かつ代替の実施形態は、以下の図面を参照して詳細に後述される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明により形成されたＭＥＭＳセンサの上面ｘ線図である。
【図２】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図３】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図４】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図５】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図６】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図７】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図８】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【図９】ＭＥＭＳ並進加速度計のための磁気ポールピース・リターンパスを生成するためのステップを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、磁気リバランス駆動を有する微小電気機械システム／センサ（ＭＥＭＳ）のセンサ６０を示す。加速度計２５は、プルーフマス３２の少なくとも１つの側に配置されたコイル（すなわち、電気伝導トレース）４４を含む。ポールピース２４、２８は、コイル４４より上に位置決めされる。コイル４４は、好ましくは、幅がポールピース２４、２８よりも広い。コイル内の電流は、（ポールピース２４、２８と、中央に配置された磁石（図示せず）とを含む）磁気回路によって生成される直流磁束と相互作用して、印加される加速度に対抗する力を生成する。
【００１３】
加速度計２５は、２つのタイプの櫛形部、ステータ櫛形部４６とロータ櫛形部４８とを含む。ロータ櫛形部４８は、プルーフマス３２に貼り付けられる。プルーフマス３２およびロータ櫛形部４８は、懸垂撓部５０によってステータ櫛形部４６に対して並進することが可能であるが、ステータ櫛形部４６の位置は、フレームに固定される。並進の方向は、矢印６６によって示される。容量間隙がステータ櫛形部４６およびロータ櫛形部４８のそれぞれの枝部間に形成される。プルーフマス３２の運動を感知する櫛歯状部（図示せず）は、コイルの内側に存在し、櫛形部４６、４８に垂直である。櫛形部４６、４８は、制動をもたらし、必要に応じて、静電ばね軟化をもたらす。
【００１４】
閉鎖ループ設計を使用するデバイスにおいては、プルーフマス３２は、変位の効果をフィードバックすることによって、中立位置、すなわちゼロ変位に維持される。プルーフマス３２に印加される作用の力（外力）は、プルーフマス３２をヌル位置に維持するのに必要な反作用の力に基づいて決定される。プルーフマスに印加される力は、ポールピース２４、２８によりプルーフマス３２の両端部でコイル４４の中を通る（直流）磁束と、コイル４４に印加される電流との相互作用によって生成される。
【００１５】
図２〜図９は、図１に示すセンサ６０を作製する方法を示す。図２は、鉄−ニッケル−コバルトの鉄合金（例えば、Ｋｏｖａｒ（登録商標））など、鉄合金基板８０の断面図を示す。次に、図３に示すように、基板８０は、複数のメサ８２と、ベース部分８４とを作製するために、第１の側からエッチングされる。基板８０のエッチングは、等方性タイプのエッチングを行う化学エッチング工程であり、それによって、メサ８２のベースと、メサ８２間に形成される間隙の床部との間の場所にいくつかの湾曲部を作製する。
【００１６】
図４に示すように、強化ソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラス材料８６（例えば、Ｐｙｒｅｘ（登録商標））が加熱されて、メサ８２間に形成される間隙内に流れ込む。ガラス材料８６がメサ８２同士の間およびそれらの周囲に沈下後、ガラス材料８６は、メサ８２の上縁部より（２〜２０μ）上の所定の高さに平坦化される（図５を参照のこと）。
【００１７】
次に、図６に示すように、緩衝領域９６が、メサ８２の上面の周囲、およびデバイス層内のプルーフマス３２に最終的に対応することになる領域において、ガラス材料８６内にエッチングされる。これにより、ガラス材料ポスト８６−１が作製され、それらの材料ポストは、次いで、デバイス層９４内のフレーム構成要素（例えば、ステータ）に陽極接合される。デバイス層は、プルーフマスと、デバイス層９４のフレームとの間に取り付けられたばね（図示せず）のベースにおいてガラス材料８６に接合され、デバイス層９４のいずれかの端部における、およびプルーフマス（フレーム）の外周のばねのベースは、間隙によって分離されて、プルーフマスが移動することを可能にする。
【００１８】
図７に示すように、図２〜図５に示す工程において説明したものなどのもう１つのピースが、図６に示し、説明したものと同じ形で、デバイス層９４の対向する側に貼り付けられる。一方のピースは、ベース部分８４がより大きくてよい。次に、図８に示すように、空洞１００が、２つのメサ８２間の２つのベース部分８４のうちのより大きい方に形成される。１つの実施形態においては、空洞１００は、ダイシングソーを使用して形成される。別の実施形態においては、ベース部分８４は、含まれないか、またはデバイス層９４に貼り付けられる前にピースから取り外される。基板（例えば、Ｋｏｖａｒ（登録商標））の個別ピースは、機械加工され、磁石の両端部に接合される。基板磁石組立体は、次いで、デバイス層に接合される。
【００１９】
次いで、磁石１０４が、ガラス材料８６に貼り付けられている磁石により、空洞１０８のそれぞれの中に挿入される。磁石を貼り付ける方法の一例が、１９９９年１月５日発行の米国特許出願第５８５６７７２号に開示され、参照により本明細書によって組み込まれる。
【００２０】
ウェハレベル製造ステップが完了すると、ウェハを個々の並進ＭＥＭＳ加速度計パッケージ１２０に分離するために、ウェハは、ダイシング工程を使用してダイシングされる（図９を参照のこと）。パッケージ１２０は、次いで、回路ボードなど、所望のデバイス上に実装される。
【００２１】
デバイス層９４の厚さの例は、５０ミクロンである。基板８４のベースの高さの例は、３ｍｍであり、デバイス層９４間のガラス材料８６内にエッチングされる間隙により、メサ８２の高さの例は、約０．２５ｍｍである。これにより、全厚さは約７ｍｍになる。
【００２２】
排他的な特性または特権が主張される本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲のように定められる。
【符号の説明】
【００２３】
２４  ポールピース
２５  加速度計
２８  ポールピース
３２  プルーフマス
４４  コイル
４６  ステータ櫛形部
４８  ロータ櫛形部
５０  懸垂撓部
６０  ＭＥＭＳセンサ
６６  矢印
８０  基板
８２  メサ
８４  ベース部分
８６  ガラス材料
８６−１  ガラス材料ポスト
９４  デバイス層
９６  緩衝領域
１００  空洞
１０４  磁石
１０８  空洞
１２０  並進ＭＥＭＳ加速度計パッケージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010281813.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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