(57)【要約】【課題】磁束を導いてＭＥＭＳデバイスを通過させるための磁極片の使用を提供すること。【解決手段】磁性材料で充填された１つまたは複数の凹部（１２２、１３０）をそれぞれが有する、２つの対向する基板層（１２８、１２４）が、閉ループ動作をもたらすために、磁束の流れを導いてＭＥＭＳデバイス層（６０）内のコイル（４４）を通過させる。磁束は、１つの磁極片からコイルを通過して第２の磁極片へ流れる。また、リソグラフィ・エッチング技術を用いた製造方法が提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳデバイス層内に磁束を供給する方法であって、
第１の基板内の第１のエッチング凹部内に堆積された第１の磁性材料から実質的な磁束を受け取るステップと、
前記磁束を導いて前記ＭＥＭＳデバイス層内に含まれたコイルを通過させるステップであって、前記ＭＥＭＳデバイス層は前記第１の基板とリターン部の間に位置する、磁束を導いてコイルを通過させるステップと、
前記磁束を前記リターン部に通すステップと
を含み、前記磁束を前記リターン部に通す前記ステップは、前記磁束を、第２の基板内の第２の凹部内に堆積された第２の磁性材料を通過させるステップを含み、前記第２の基板は前記ＭＥＭＳデバイス層と前記リターン部の間に位置する、方法。
【請求項２】
第１のエッチング凹部を有する第１の基板（１２８）であって、前記第１のエッチング凹部はある幅を有する、第１の基板（１２８）と、
コイル（４４）を含むＭＥＭＳデバイス層（６０）であって、前記コイルはある幅を有する、ＭＥＭＳデバイス層（６０）と、
リターン部（１９２）と、
前記第１の基板に隣接して位置する磁石（１６４）であって、前記第１の基板は、前記磁石と前記ＭＥＭＳデバイス層の間に位置する、磁石（１６４）と
を備えるシステムであって、
前記第１のエッチング凹部（１３０）内には、第１の磁性材料が堆積され、
前記ＭＥＭＳデバイス層は、前記第１の基板と前記リターン部の間に位置し、
前記コイルの幅は、前記第１のエッチング凹部の幅よりも大きい、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、第２のエッチング凹部（１２２）を有する第２の基板（１２４）をさらに備え、前記第２の基板は前記ＭＥＭＳデバイス層と前記リターン部の間に位置し、前記第２のエッチング凹部はある幅を有し、
前記第２のエッチング凹部内には、第２の磁性材料が堆積され、
前記コイルの幅は、前記第２のエッチング凹部の幅よりも大きく、
前記第１の基板は、エポキシを用いて前記磁石のほぼ中央に取り付けられ、
前記第２の基板は、エポキシを用いて前記リターン部に取り付けられる、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
力の検出および測定のために広く用いられる微小電気機械システム／センサ（ＭＥＭＳ）デバイスは、印加された力に比例する静電容量出力を有する機械的静電容量読出し型の力加速度計を使用する。このような加速度計の１つでは、１つまたは複数の屈曲部によって懸架されたプルーフマス上に、１つまたは複数のキャパシタが形成される。プルーフマスは、計器フレーム内に懸架される。特定の軸に沿ってプルーフマスに印加された力は、フレームに対して相対的にプルーフマスの変位を引き起こす。この変位は、静電容量出力を変化させる。プルーフマスに印加された力は、結果としての静電容量出力の変化を測定することによって定量化される。静電容量の変化に基づいて印加された力を求めることは、開ループ動作として知られている。
【０００２】
それに対して閉ループ加速度計は、フィードバックループを用いてプルーフマスの動きを打ち消し、それによりプルーフマスをほぼ静止状態に保つことによってより高い性能を得る。理想的には閉ループ加速度計では、静電容量出力は一定のままとなる。一定の出力を維持するために、プルーフマスが作用（外部）力を受けたときに、中立すなわち変位ゼロ点から変位されるプルーフマスの動きに対抗するように、比例する反作用力が発生される。プルーフマスに印加された作用力を求めるのに静電容量の変化を用いる代わりに、プルーフマスを中立位置に維持するために必要な反作用力に基づいて作用力が求められる。従来型（非ＭＥＭＳ）閉ループ、屈曲部タイプの加速度計の一例としては、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．によって製造されるＱ−ＦＬＥＸ（登録商標）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１６３６７９号
【特許文献２】米国特許第５，９５９，２０７号
【特許文献３】米国特許第５，７６３，７７９号
【特許文献４】米国特許第５，１１１，６９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プルーフマスに印加される反作用力は、電界と共に磁界を用いることによって発生することができる。このようなデバイスでは、ＭＥＭＳデバイスによって出力される測定値の精度は、磁界の特性、特に磁界の強度および一様性に依存する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は一般に、ＭＥＭＳデバイスにおいて閉ループ動作を容易にするために用いられる磁気回路に関する。より具体的には、本発明は、磁束を導いてＭＥＭＳデバイス層内のコイルを通過させるように精密に形成された磁極片の使用に関する。
【０００６】
例示のシステムは、高透磁率材料によって堆積された第１のエッチング凹部と、コイルおよびプルーフマスを含む加速度計を含むＭＥＭＳデバイス層と、磁束リターン部とを含む。リターン部も高透磁率材料から作られる。磁束は、磁性材料からコイルを通過してリターン部へ流れる。
【０００７】
本発明のさらなる態様によれば、磁性材料で充填された第２のエッチング凹部がリターン部に隣接して配置され、磁束は第２のエッチング凹部を通ってリターン部へ流れる。
本発明の他の態様によれば、磁気充填材料は飽和される。
【０００８】
本発明のさらなる態様によれば、コイルの幅は、エッチング凹部の幅より大きい。
本発明のさらに別の態様によれば、磁石が第１のエッチング凹部に隣接して配置される。
【０００９】
本発明のさらに他の態様によれば、このシステムは、２つの基板の間にＭＥＭＳデバイスをパッケージングし、各基板内にＭＥＭＳデバイスに対して対向する凹部をエッチングし、磁極片を生成するように高透磁率材料を追加し、第１の基板および磁極片に磁石を取り付け、第２の基板および磁極片にリターン部を取り付けることによって製造される。凹部を形成するために、異方性および／または等方性エッチング技術を使用することができる。また様々な形状を有する凹部を形成するように、様々な基板材料を様々なエッチング化学物質および／または他のエッチングパラメータと共に用いることができる。
【００１０】
本発明の異質の態様および多くの付随する利点については、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって、それらがよりよく理解されるにしたがって、より容易に認識されるであろう。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について、次の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明により形成されたＭＥＭＳ層にまたがって集束される磁界を示す部分断面図である。
【図２】本発明により形成されたＭＥＭＳコイルおよび磁気的駆動部の各部分を示す断面図である。
【図３】本発明により形成されたエッチングされた磁極片を示すＭＥＭＳデバイス層および磁界コンポーネントの断面図である。
【図４】図３に示される視点から９０°の方向のＭＥＭＳデバイス層および磁界コンポーネントの部分断面図である。
【図５】本発明により形成されたＭＥＭＳデバイス層、ハンドル、蓋部、およびエッチング凹部を示す部分断面図である。
【図６】本発明の実施形態による磁石と蓋部の間での中央取付け構成の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の原理により生成されたＭＥＭＳコイル４４に磁束を通過させる磁界２２を示す部分断面図である。磁界２２は、コイル４４とほぼ直交する。より詳細に以下に述べるように、コイル４４に電流を通すことによって電界（図示せず）が発生される。
【００１４】
磁界２２は、磁界コンポーネント１７０によって形成される。磁界コンポーネント１７０は、磁石１６４、第１の磁極片２８、蓋部１２８、第２の磁極片３０、およびハンドル１２４を含む。磁石１６４は、蓋部１２８に取り付けられる。第１の磁極片２８は、蓋部１２８内にエッチングされた第１の凹部１３０内にある。第２の磁極片３０は、ハンドル１２４内にエッチングされた第２の凹部１２２内にある。第２の磁極片３０およびハンドル１２４は、リターン部１９２に取り付けられる。リターン部１９２および磁極片２８、３０は、非限定的に、３９合金またはコバールなどの高い透磁率を有する導磁性材料を含む。
【００１５】
ＭＥＭＳデバイス層６０は、ハンドル１２４と蓋部１２８の間に位置する。ＭＥＭＳデバイス層６０は、主としてシリコンから作られる。ＭＥＭＳデバイス層６０はまた、コイル４４を含む。コイル４４は、ループ状に巻かれた導電性材料から作られる。コイル４４は、複数のコイル素子１２９を含む。
【００１６】
磁極片２８、３０は、ギャップ２０を画定する。ＭＥＭＳデバイス層６０の一部分は、ギャップ２０内に位置する。コイル４４には、サーボコントローラ（図示せず）によって電流が供給される。凹部１２２、１３０（および磁極片２８、３０）は、ギャップ２０内に複数のコイル素子１２９を含むコイル４４の一部分が位置するように配置されるべきである。
【００１７】
一般に、磁束は最も抵抗の少ない経路内を流れる。ハンドル１２４および蓋部１２８は、磁極片２８、３０の材料と比べて大幅に低い透磁率を有する（すなわち磁束に対する抵抗が大きい）材料から作られる。一実施形態では、蓋部１２８およびハンドル１２４は、パイレックス７７４０から形成される。磁極片２８、３０の透磁率と比べたハンドル１２４および蓋部１２８の透磁率に基づいて、磁束はハンドル１２４または蓋部１２８ではなく磁極片２８、３０を通って導かれる。
【００１８】
磁界２２は、コイル４４を通過させることが望ましい。したがって磁極片２８、３０は、磁界２２を磁石１６４からコイル４４を通過してリターン部１９２内へ方向付けるように、ハンドル１２４、蓋部１２８、およびコイル４４に対して配置される。図１に示される構成では、実質的な磁束は、大部分は磁石１６４から、第１の磁極片２８、ＭＥＭＳ層６０内のコイル４４、第２の磁極片３０を通って、リターン部１９２内へ流れる。
【００１９】
また、コイル４４を通過する磁界２２は、一様であることが望ましい。磁界２２の磁束の一様性を増すために、磁石１６４の強度を増加させることによりかつ／または磁極片２８、３０の透磁率を減少させることによって、磁極片２８、３０を部分的にまたは完全に飽和させることができる。
【００２０】
各温度にわたって一様な性能を得るためには、システム／デバイスの制約を条件として、理想的には磁界コンポーネント１７０は、熱膨張係数（ＣＴＥ）が互いに整合していることが望ましい。通常は、磁石１６４の材料と蓋部１２８の材料の互いのＣＴＥ整合は不十分である。以下により詳細に述べるように、不十分なＣＴＥ整合は、蓋部１２８を磁石１６４の中央に取り付けることによって部分的に軽減される。
【００２１】
図２は、本発明のＭＥＭＳデバイス層６０内に位置する、静電コーム駆動、閉ループ、平面内、微細加工型の加速度計２５の一部分を示す。加速度計２５は、ＭＥＭＳコイル４４とプルーフマス３２とを含む。ＭＥＭＳコイル４４は、プルーフマス３２に取り付けられる。磁極片２４、２８は、コイル４４の上にＭＥＭＳデバイス層６０に隣接して配置される。コイル４４は、幅６４を有する。
【００２２】
加速度計２５は２種類のコーム、すなわち固定部コーム４６と往復部コーム４８とを含む。往復部コーム４８は、プルーフマス３２に取り付けられる。固定部コーム４６の位置は固定され、一方、プルーフマス３２および往復部コーム４８は、懸架屈曲部５０により、固定部４６に対して相対的に平行移動することができる。平行移動の方向は、矢印６６によって示される。固定部４６は、第１の歯３８を有する。往復部４８は、第２の歯３６を有する。歯３６、３８は、電極として機能する。第１の歯３８と第２の歯３６の間の静電容量ギャップ４０によって、キャパシタが形成される。コーム４６と４８の間には、１つより多いキャパシタを構築することができる。往復部４８に対して相対的な固定部４６の平行移動は、キャパシタの値を変化させる。開ループ設計を使用するデバイスの場合は、キャパシタの値は、プルーフマス３２の平行移動の方向に印加された作用力を求めるために用いることができる。
【００２３】
閉ループ設計を使用するデバイスでは、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変位ゼロに維持される。プルーフマス３２に印加された作用（外部）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力に基づいて求められる。
【００２４】
図３は、２対の磁極片２４、２６、２８、３０を有する構成の図を示す。別の数の磁極片のまたは配置を用いた他の実施形態は可能である。しかし２対の磁極片は、コストに対して最適な性能をもたらす。磁極片２４、２６、２８、および３０の大きさは、磁石１６４および／またはリターン部１９２より大幅に小さい。磁極片２４、２６、２８、および３０は、ハンドル１２４および蓋部１２８内にエッチングされた凹部を充填することによって形成される。磁極片２４、２６、２８、および３０は、幅６２を有する。磁石１６４は、Ｓ極１６２とＮ極１６６とを有する。複数の矢印は、磁束の方向１６０を示す。磁界２２とコイル４４を通って伝わる電流は、プルーフマス３２に働く外部加速度に対抗して反作用力を発生する。反作用力はプルーフマス３２をその初期位置に戻し、それによって閉ループ設計を実現する。より具体的にはプルーフマス３２に働く反作用力は、磁界２２と、コイル４４内の電流の電界ベクトルとのベクトル積である。
【００２５】
閉ループ設計は、外部加速度に応答したコイル４４およびプルーフマス３２の動きを最小にすべきであるが、典型的には振動により、コイル４４およびプルーフマス３２のある程度の動きは生じ得る。コイル４４の動きは、コイル４４の一部分の、磁極片２８、３０によって画定されるギャップ２０の外側への変位を引き起こし得る。好ましくは、ＭＥＭＳデバイス層６０は、磁極片２８、３０の幅６２がコイル４４の幅６４より小さくなるように構成することにより、プルーフマス３２およびコイル４４の動きに対して敏感でなくなる。図２を参照すると、コイル４４が平行移動した場合、ギャップ２０内に形成された磁界２２内には依然として同一の数のコイル素子１２９があることになる。コイル素子１２９の数が変わらないことにより、磁界２２は、ほぼ一様な密度を有する電界と相互作用することが可能になる。電界の一様な密度は、ほぼ一定の反作用力（Ｅ×Ｂ）を可能にする。
【００２６】
図４は、その垂直軸上で９０°回転された視点からの図３のコンポーネントを示す。示されているのは、磁界コンポーネント１７０と、１つのコイル素子１２９である。コイル４４のコイル素子１２９は、蓋部１２８とハンドル１２４の間にある。磁極片２４と蓋部１２８は、磁石１６４に取り付けられる。それに対応して磁極片２６とハンドル１２４は、リターン部１９２に取り付けられる。
【００２７】
上記の発明の凹部は、リソグラフィ・エッチングを用いて形成される。リソグラフィ・エッチングは、正確に形成、配置された、比較的費用のかからない凹部を形成する手段をもたらす。コイル４４にまたがって強い磁界２２を生成するには、凹部１３０および１２２の深さは、理想的にはできるだけ蓋部１２８またはハンドル１２４の深さに近くなるようにすべきである。言い換えれば、ウェハ厚さ１２５および１２７は、最小にされるべきである。
【００２８】
様々な寸法を有する凹部を形成するように、異なる種類のリソグラフィ・エッチングおよび基板材料を組み合わせることができる。等方性エッチングは、すべての方向においてほぼ同じ速度で進行するエッチングであり、一方、異方性エッチングは一方向ではより速く、他方向ではより遅く進行するエッチングである。エッチング化学物質の種類、リソグラフィマスクの種類、エッチング持続時間、温度、攪拌、および化学物質濃度、ならびに基板の種類は、エッチングの寸法を決定する要因の一部である。したがって、当業者により、所望の形状および大きさを有する凹部をエッチングするように化学物質および基板材料が選択され得ることが理解されよう。磁石の大きさ、蓋部およびハンドル厚さ、およびコイル幅は、凹部の所望の大きさおよび形状に影響を及ぼし得る要因である。
【００２９】
別法として、凹部を形成するためにドライエッチングまたは機械加工技術を用いることもできるが、ウェットエッチングが、基板材料への最も少ない損傷で凹部を形成するための最もコスト効率のよい方法である。具体的には、Ｓｉから作られたハンドルをエッチングが貫通するのを防止するための酸化停止モジュールと共に、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセス（ボッシュ派生型）を用いることができる。別法として同じＤＲＩＥプロセスを、酸化停止モジュールを必要とせずに、Ｓｉから作られたハンドル内へ時間で制御された距離だけエッチングするように用いることもできる。
【００３０】
図５は、ＭＥＭＳデバイス層６０、蓋部１２８、およびハンドル１２４の断面図を示す。凹部１２２、１３０は、等方性エッチングプロセスを用いて蓋部１２８内およびハンドル１２４内にエッチングされている。蓋部１２８は、第１のウェハ厚さ１２５までエッチングされる。ハンドル１２４は、第２のウェハ厚さ１２７までエッチングされる。磁極片を形成するために電気メッキによって３９合金、コバール、または同様な導磁性の充填材料が凹部１２２、１３０内へ堆積される。凹部内に充填材料を堆積するために、他の技術を用いることができる。例示的実施形態では、充填材料から磁極片を形成するためにスランプモールドおよび機械加工を用いることができる。次いで凹部内に磁極片が挿入される。材料が凹部内に堆積された後に、ハンドル１２４および／または蓋部１２８はマスキングされ、メッキされる。別法として、ハンドル１２４および／または蓋部１２８をメッキし、次いで平坦化することもできる。磁極片２４、２８および蓋部１２８は磁石１６４に取り付けられ、磁極片２６、３０はハンドル１２４に取り付けられる。ハンドル１２４および磁極片２６、３０は、可撓性エポキシを用いてリターン部１９２に取り付けられる。
【００３１】
図６は、リターン部または磁石表面２０８に対して相対的な、蓋部またはハンドル表面２０６の中央取付け構成２００の詳細図を示す。具体的には、温度範囲にわたって一貫性のある性能を得るために、蓋部またはハンドル表面２０６は、磁石またはリターン部表面２０８のほぼ中央に配置される。表面２０６と２０８の間には小さな面外オフセットが存在する。リターン部または磁石を表面２０８に取り付けるために、隙間に可撓性エポキシ２０２が加えられる。エポキシ２０２が硬化して収縮するときに、リターン部または磁石表面２０８は引っ張られて蓋部またはハンドル表面２０６と堅固に接触する。典型的には磁石１６４は蓋部１２８の材料とのＣＴＥ整合をもたないので、磁石１６４を蓋部１２８に取り付けるときに、中央取付け構成２００は特に有用である。これに比べてリターン部１９２は、蓋部またはハンドル表面２０６と良好なＣＴＥ整合を有する３９合金、コバール、または同様な材料から作ることもでき、蓋部またはハンドル表面２０６、および磁極片３０に直接接合することができる。
【００３２】
上述の様々な実施形態は、他の実施形態を実現するように組み合わせることができる。米国特許出願公開第２００６／０１６３６７９号、ならびに米国特許第５，９５９，２０７号、第５，７６３，７７９号、および第５，１１１，６９４号について、その全体を参照により本明細書に組み込む。態様は、他の実施形態を実現するために必要によりデバイス、特徴、ならびに様々な特許、特許出願、および公報の概念を利用するように変更することができる。
【００３３】
様々な寸法の凹部を用いることができる。それに対応して、様々な寸法の磁極片を形成することができる。また蓋部１２８の代わりに、第２のハンドルを用いることもできる。さらに蓋部１２８またはハンドル１２４のために、非限定的に、シリコンまたはショット社のボロフロートなどの材料を用いることもできる。したがって本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示に限定されない。代わりに本発明は、専ら添付の特許請求の範囲に即して判断されるべきである。
【符号の説明】
【００３４】
２０  ギャップ
２２  磁界
２４  磁極片
２５  加速度計
２６  磁極片
２８  磁極片
３０  磁極片
３２  プルーフマス
３６  第２の歯
３８  第１の歯
４０  静電容量ギャップ
４４  コイル
４６  固定部コーム
４８  往復部コーム
５０  懸架屈曲部
６０  ＭＥＭＳデバイス層
６２  磁極片の幅
６４  コイルの幅
６６  平行移動の方向
１２２  第２の凹部
１２４  ハンドル
１２５  第１のウェハ厚さ
１２７  第２のウェハ厚さ
１２８  蓋部
１２９  コイル素子
１３０  第１の凹部
１６０  磁束の方向
１６２  Ｓ極
１６４  磁石
１６６  Ｎ極
１７０  磁界コンポーネント
１９２  リターン部
２００  中央取付け構成
２０２  エポキシ
２０６  蓋部またはハンドル表面
２０８  リターン部または磁石表面
【図１】
2010230657.tif 000003
【図２】
2010230657.tif 000004
【図３】
2010230657.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010230657.tif 000007
【図６】
2010230657.tif 000008
【外国語明細書】
2010230657000001.pdf