(57)【要約】本発明は、マイクロマシニング型のセンサであって、基板（１）が設けられており、該基板（１）が、基板（１）上に設けられた構造層（３）を備えており、ばね力下で、前記構造層（３）に対して相対的に可動なサイズモ質量体（５）が設けられており、所定の測定方向で該サイズモ質量体（５）の移動を検出するための少なくとも１つの測定コンデンサ電極装置（１５，１６，１７）が設けられており、所定のセルフテスト方向にサイズモ質量体（５）を変位させるための少なくとも１つの駆動コンデンサ電極装置（１８，１９）が設けられており、測定方向が、セルフテスト方向に対して垂直に整列されている形式のマイクロマシニング型のセンサ、並びに対応する最適化方法に関する。
2005504976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロマシニング型のセンサであって、
基板（１）が設けられており、該基板（１）が、基板（１）上に位置する構造層（３）を備えており、
ばね力下で、前記構造層（３）に対して相対的に可動なサイズモ質量体（５）が設けられており、
所定の測定方向での該サイズモ質量体（５）の移動を検出するための、少なくとも１つの測定コンデンサ電極装置（１５，１６，１７）が設けられており、
所定のセルフテスト方向へサイズモ質量体（５）を変位させるための、少なくとも１つの駆動コンデンサ電極装置（１８，１９）が設けられており、
測定方向が、セルフテスト方向に対して垂直に整列されていることを特徴とする、マイクロマシニング型のセンサ。
【請求項２】
測定コンデンサ電極装置（１５，１６，１７）が、次の形で配置されている、すなわち、測定方向でのサイズモ質量体（５）の移動が、測定コンデンサ電極（１５，１６，１７）の間隔変化を引き起こす、請求項１記載のマイクロマシニング型のセンサ。
【請求項３】
駆動コンデンサ電極装置（１８，１９）が、次の形で配置されている、すなわち、セルフテスト方向へのサイズモ質量体（５）の変位が、測定コンデンサ電極（１５，１６，１７）の間隔変化、及び駆動コンデンサ電極装置（１８，１９）の平行移動を引き起こす、請求項１又は２記載のマイクロマシニング型のセンサ。
【請求項４】
駆動コンデンサ電極装置（１８，１９）が、２つの外部電極と、該外部電極の間の中間室に設けられた１つの内部電極とを有しており、外部電極が定置されており、かつ内部電極が可動になっているか、又は外部電極が可動になっており、かつ内部電極が定置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型のセンサ。
【請求項５】
セルフテスト反応の誤差を、測定コンデンサ電極（１５，１６，１７）の形成時のプロセス技術的な縁部損失（ｋｖ）に関して最適化することを特徴とする、請求項１から４までのマイクロマシニング型のセンサのデザインを最適化する方法。
【請求項６】
感度の誤差を、測定コンデンサ電極（１５，１６，１７）の形成時のプロセス技術的な縁部損失（ｋｖ）に関して最適化する、請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルフテスト機能及び対応する最適化方法を備えたマイクロマシニング型のセンに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニング型のセンサにおけるセルフテストの実施は、センサの機能性の試験を含むが、この試験は、センサが、本来このセンサが測定するように設計されている、物理的な測定コンデンサ値（例えば加速度、ヨーレートなど）にさらされる必要なしに行われる。
【０００３】
汎用のマイクロマシニング型のセンサは、基板を有しており、ばね力下でＳｉ構造層に対して可動なサイズモ質量体を有しており、このサイズモ質量体は、検出される物理的な測定コンデンサ値の影響下でこの測定コンデンサ値に比例した移動を被るようになっており、サイズモ質量体のこの移動を検出するための測定コンデンサ電極装置を有している。
【０００４】
このようなセンサにおいてセルフテストを実施するためには、例えば駆動コンデンサ電極装置を使用することができる。この駆動コンデンサ電極装置は、測定コンデンサ電極装置に対して平行に整列されており、この駆動コンデンサ電極装置によって、サイズモ質量体は測定コンデンサ値の影響なしでも運動するように駆動可能になっている。
【０００５】
従って、この場合には駆動コンデンサ電極装置は、測定コンデンサ電極装置とは異なっており、駆動コンデンサ電極に印加される静電圧によって引き起こされた、サイズモ質量体の定位置での移動を検出することができるために役立つ。
【０００６】
しかし、電極の唯一組を時間マルチプレックス式に駆動及び測定コンデンサ電極として使用することも知られており、この場合、例えば第１の時点では、電極に印加された駆動電圧により、サイズモ質量体の移動が引き起こされ、より遅い時点では、サイズモ質量体の、前記移動により生ぜしめられた運動が同じ電極により測定される。
【０００７】
このようなセルフテストは、これまでは、センサの機能性のおおまかな評価しか可能にしていない。なぜならば、セルフテスト反応の誤差は、上に述べた両方の構造原理では、通常±１５％以上に位置しているからである。これらの誤差は、マイクロマシン構造体のエッチング時に阻止不能な製造誤差により引き起こされる。
【０００８】
上に述べた製造誤差は、一般にドライエッチングプロセスの形で行われるエッチング時に、主に種々異なるプロセス温度、プロセスガス組成又はプロセスガス流れ率により生じる。このドライエッチングプロセスは、一般にサイズモ質量体及び電極フィンガ装置を構造化するために使用される。なぜならば、このドライエッチングプロセスにより、ほぼ垂直な勾配を達成することができるからである。エッチングプロセスでは一般的であるように、エッチングトップマスク下で構造体の側方のサイドエッチが得られる。
【０００９】
図３は、エッチング誤差を説明するために、互いに向かい合って位置する２つの電極フィンガの部分図を例として示してる。
【００１０】
図３では、ＭＡはエッチングトップマスクを示しており、Ｅ１若しくはＥ２は、ポリシリコンから成る第１及び第２の電極フィンガを示しており、ｄ０はデザイン寸法、ｄは製造寸法、並びにδはサイドエッチを示している。
【００１１】
図３から判るように、互いに向かい合って位置する電極フィンガＥ１，Ｅ２の間の間隔は、ほぼ対称的なエッチング時には、サイドエッチにより間隔２δ分だけ拡大され、この場合に、この間隔変化は縁部損失ｋｖとしても示される。従って、電極フィンガＥ１，Ｅ２のコンデンサプレート間隔は、ｄ＝ｄ０＋ｋｖとなる。同様にして、電極フィンガの幅は、縁部損失ｋｖ分だけ縮小される。
【００１２】
本発明の根拠となった問題は、この縁部損失が約±７０％という高い誤差を有しており、ひいてはセンサの感度及びセルフテスト反応の誤差に対する主要影響要因となっていることにある。
【００１３】
今や製造方法若しくは補償方法が開発され、これにより、前記マイクロマシニング型のセンサエレメントの感度がほぼ誤差なしに製造可能であるにもかかわらず、すなわち、縁部損失誤差が±７０％の場合に感度の残留誤差は約１〜２％であるにもかかわらず、テスト信号反応の誤差を、許容可能な値にすることにはこれまで成功していない。特に、これらの誤差はこれまで依然として±１５％以上の幅に位置している。
【００１４】
テスト信号反応のこの大きい誤差にとっての最終的な原因は、静電力と、電極フィンガ間のギャップ間隔ひいては縁部損失との２次的な関係、及びこれにより生じる、テスト信号反応と縁部損失との３次的な関係、並びにテスト信号補償時の幾何学パラメータと感度補償の幾何学パラメータとが異なっているという事実である。
【００１５】
それ故、例えばセンサ感度のドリフトを確定可能な、できるだけ正確なテスト信号反応のためには、これまでは、サイズモ質量体の運動、ひいてはセンサエレメントの容量変化を評価するＡＳＩＣにおける、コスト高で技術的に手間がかかり誤差の生じやすい調整が不可欠であった。
【００１６】
本発明の利点
請求項１に記載のセルフセンサ機能を備えた本発明によるマイクロマシニング型のセンサ若しくは請求項５に記載の対応した最適化方法の特別な利点は、次の事実にある、すなわち、テスト信号反応の誤差の低減が、感度補償の同時的な達成時に可能であり、これにより、センサパラメータ、特に感度のドリフトを付加的な調整を必要とすることなしにより正確に検出することができるという事実にある。
【００１７】
本発明の核心は、セルフテスト反応を形成するために不可欠な電極が、次のような形で配置されている、すなわち、力と縁部損失との２次的な関係が低減されるような形で配置されることにある。このためには、セルフテスト反応を形成するための駆動電極は測定電極装置から独立して構成され、この測定電極装置に対して垂直に配置される。これにより、静電力と縁部損失との線状の関係のみがもたらされ、これにより、セルフテスト反応の誤差の対応した低減がもたらされる。特に、セルフテスト反応と縁部損失との関係は、提案されたセンサでは２次的でしかない。従って、本発明によるセンサでは、セルフテスト反応の誤差は典型的には±５％しかない。
【００１８】
さらに、いわゆる等価加速度、すなわち、セルフテスト反応と感度との比率の最適化により、セルフテスト反応の誤差の値は±２％までも低減され、これにより、テスト信号調整は完全に省略することができる。
【００１９】
有利な構成によれば、測定コンデンサ電極装置は次の形で配置されている、すなわち、測定方向でのサイズモ質量体の移動が、測定コンデンサ電極の間隔変化を引き起こすような形で配置されている。
【００２０】
別の有利な構成によれば、駆動コンデンサ電極装置は次のような形で配置されている、すなわち、サイズモ質量体のセルフテスト方向への変位が、測定コンデンサ電極の間隔変化及び駆動コンデンサ電極装置の平行移動を引き起こすような形で配置されている。
【００２１】
別の有利な構成によれば、駆動コンデンサ電極装置は、２つの外部電極と、この外部電極の間の中間室に設けられた１つの内部電極とを有しており、この場合、外部電極が定置され、かつ内部電極が可動になっているか、又は外部電極が可動になっており、かつ内部電極が定置されている。この構成は、多様に反復可能であるという利点を有する。
【００２２】
さらに別の有利な構成によれば、センサのセルフテスト反応の誤差はプロセス技術的な縁部損失に関して、測定コンデンサ電極の形成時に最適化される。
【００２３】
本発明の別の特徴及び利点が、付属の図面に関連した以下の実施例の説明に明らかである。
【００２４】
まず、図４はセルフテスト反応の通常の形成の概略図を示している。
【００２５】
図４では、Ｖは固定子を示しており、この固定子Ｖは、ばね定数ｋを備えたばねＦを介してサイズモ質量体Ｍに結合されている。Ｆ１は定置された電極であり、この電極Ｆ１は、サイズモ質量体とのオーバラップ部ＵＥを有している。Ｕｔｅｓｔは、印加される静的なセルフテスト電圧を示している。この場合、Ｕｔｅｓｔは、一般的な場合には動的であってもよいことを述べておく。
【００２６】
外部の加速度がサイズモ質量体Ｍに加えられることなしに、サイズモ質量体Ｍの変位を達成するためは、静電力ＦＥ１１が、テスト電圧Ｕｔｅｓｔによって形成される。このために、これまでは電圧を負荷された２つのコンデンサプレートの接近のメカニズムが使用されており、これにより、等価加速度が静電力により形成される。このことは、次の関係で表され得る。
【００２７】
【数１】
2005504976.tif 000003
この場合、ε０は真空誘電率であり、εｒは比較誘電率であり、Ａはコンデンサ面であり、ｄはコンデンサ電極の間の間隔である。
【００２８】
プレートが前出の式に基づく力により設計される場合、ばね力ＦＦｅｄｅｒを備えた力バランスを推定することができる。すなわち、次の式が成り立つ。
ＦＦｅｄｅｒ＝ＦＥ１１
Δｄにより、プレート間隔の変化を示す場合、次の式が成り立つ。
【００２９】
【数２】
2005504976.tif 000004
【００３０】
【数３】
2005504976.tif 000005
【００３１】
前記方程式をΔｄに基づいて解き、この値を最後の方程式に挿入し、さらに縁部損失ｋｖを考慮した場合、印加されたテスト電圧により引き起こされた出力電圧Ｕ（セルフ電圧反応）は、Ｃ／Ｕ変換器により数値的に検出することができる。
【００３２】
より簡単に説明するためには、次の近似方程式が用いられる。
Ｕ（ｋｖ）＝Ｋ２／（（ｄ０＋ｋｖ）３＊（ｂｆ−ｋｖ）３）
この場合、定数Ｋ２は縁部損失の関数ではなく、ｂｆは、ばね幅若しくは電極幅を示している。
【００３３】
静電力とプレート間隔との２次的な関係、及びこれにより生じるセルフテスト反応の３次的な関係は、汎用のセルフテスト機能では、上に述べたような、出力電圧の±１５％以上という大きい誤差につながってしまう。
【００３４】
図５は、セルフテスト反応の本発明による形成を示す概略図である。
【００３５】
図５によれば、２つのコンデンサプレートの平行した移動が、セルフテスト反応を形成するために使用される。この場合、定置されたコンデンサプレート対Ｆ１′，Ｆ２′の向かい側に設けられた可動なサイズモ質量体ｍは、テスト電圧Ｕｔｅｓｔの印加により、間隔Δｘ分だけ変位せしめられる。
【００３６】
図４に関する上記考察と類似して、次の力バランスがΔｘ分の変位後に生じる。
ＦＦｅｄｅｒ＝ＦＥ１２
又は、
【００３７】
【数４】
2005504976.tif 000006
この場合、セルフテスト電極の変位Δｘは、測定電極の変位Δｄに対応しており、従って、Δｄ＝Δｘが成り立つ。前記方程式がΔｘに基づき解かれた場合、出力電圧Ｕ′（セルフテスト反応）のためには、次の式が成り立つ。
【００３８】
【数５】
2005504976.tif 000007
【００３９】
この場合、ｄ０．１は検出時のギャップであり、ｄ０．２はセルフテスト時のギャップである。これらは、種々様々に、又は等しく形成されていてもよい。定数Ｋ３は、縁部損失ｋｖの関数ではない。この方程式から、セルフテスト反応は、通常の原理とは反対に、縁部損失との２次的な関係しか有していない。縁部損失の、５％にまで低減された誤差は、通常のセルフテスト原理に比べて１／３に改良されたことに相当する。
【００４０】
セルフテスト反応の誤差をさらに最小化するためには、上記方程式を縁部損失ｋｖに基づき微分し、ゼロに設定することができる。これにより、所定のデザイン値でセルフテスト反応の最もわずかな誤差が生じるような縁部損失ｋｖ＊が数値的に算出され得る。この縁部損失ｋｖ＊の算出された最適な値は、もちろん感度補償のための縁部損失ｋｖ＊とは異なる。
【００４１】
感度の誤差とセルフテスト反応の誤差とを調整するためには、代わりにいわゆる等価加速度が縁部損失ｋｖに基づき導き出すことができる。
【００４２】
等価加速度は次に式により求められる。
【００４３】
【数６】
2005504976.tif 000008
【００４４】
定数Ｋ４は、同様に縁部損失の関数ではない。
【００４５】
求められた最小値のためには、次の等価条件が生じる。
【００４６】
ｂｍ＝ｄ０．２＋２ｋｖ、若しくは、ｄ０．２＝ｂｍ−２ｋｖ、若しくはｋｖ＝（ｂｍ−ｄ０．２）／２
【００４７】
【数７】
2005504976.tif 000009
【００４８】
上に説明した最適化アルゴリズムは、原理的に、センサリングのための差動キャパシタンスを備えた全てのセンサ、例えば、加速度センサ、加速度切換装置、ヨーレートセンサなどに使用することができる。
【００４９】
さらなる考察は、所定のデザインにおいてセルフテスト反応と感度を最適化するための新しい方法では、感度誤差の最小値とセルフテスト反応誤差の最小値とが一致することを示している。
【００５０】
図１は、本発明の第１の構成によるマイクロマシニング型のセンサの平面図を示しており、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図を示しており、この場合、セルフテスト反応の、上に説明した本発明による形成が実施可能である。
【００５１】
センサがシリコン基板１により構成されており、このシリコン基板１には、ＳｉＯ２犠牲層により離隔されたシリコン構造層３が設けられている。この構造層３には、窓４がエッチングされており、この場合、窓４の中央にはサイズモ質量体５、並びにこのサイズモ質量体５と周囲の構造層３との間のばね弾性的な結合ウェブ６が形成されている。シリコン構造層３を構造化するために行われるこのエッチング段階は、上に述べた縁部損失ｋｖのために働く。
【００５２】
犠牲層２のエッチングの別の段階により、窓４を介してサイズモ質量体５は基板から分離されており、可動になっている。
【００５３】
サイズモ質量体５は、通常はほぼアルファベットのＨの形を有しており、この場合、Ｈの中央のビーム９は多数の可動な電極１５を有しており、２つの側方のビーム１１は、主にサイズモ質量体５のバランスひいては感度に貢献するという課題を有している。一般に、サイズモ質量体５は、個々の長細いビームから構成されている。なぜならば、サイズモ質量体５の下方の犠牲層２を除去するために必要な時間は、サイズモ質量体５のエレメントがより幅を有していれば有している程、それだけより長くなり、それ自体望ましくない縁部損失が、エッチング継続時間の延長に伴って増加するからである。
【００５４】
可動な測定コンデンサ電極１５が、中央のビーム９から２つの異なる方向へ延びており、定置された２組の測定コンデンサ電極１６若しくは１７と協働しており、これらの測定コンデンサ電極１６若しくは１７は、構造層３の互いに向かい合って位置する縁部８１，８２から四角形の窓４内に延びている。
【００５５】
中央のビーム９の両側に設けられた２つの測定コンデンサ電極装置の、逆位相に変化する容量変化に基づいて、検出したい外部の力の作用下でサイズモ質量体５の変位を検出し、測定することができる。
【００５６】
対置された別の縁部対８３，８４からは、定置されたセルフテスト−駆動コンデンサ電極１８が窓４内に延びており、サイズモ質量体５の側方のビーム１１に形成された可動な駆動コンデンサ電極１９と協働する。前記駆動コンデンサ電極１８，１９の表面は、それぞれ測定コンデンサ電極１５，１６，１７の表面に対して垂直に延びている。
【００５７】
図１には、それぞれ定置された個々の駆動コンデンサ電極１８が示されており、この駆動コンデンサ電極１８は、両側のギャップ幅ｄをもって、２つの可動な駆動コンデンサ電極１９の間に挿入されている。当然のことながら、可動な駆動コンデンサ電極が２つの定置された駆動コンデンサ電極の間に挿入されているか、又は駆動コンデンサ電極の数はより大きくてもよい。
【００５８】
逆位相の駆動電圧Ｕを駆動コンデンサ電極１８に印加することにより、サイズモ質量体５の移動はＩＩ−ＩＩ線に対して平行に引き起こされ得る。この移動は、測定コンデンサ電極１５，１６，１７のプレートの間隔の変化を引き起こす。本発明によるセルフテスト機能のためのこの変化の検出及び評価は、既に上に概要を説明した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の構成によるマイクロマシニング型のセンサを示す平面図である。
【００６０】
【図２】図１によるセンサの横断面図である。
【００６１】
【図３】製造パラメータとしての縁部損失を示す概略図である。
【００６２】
【図４】セルフテスト反応の通常の形成を説明する概略図である。
【００６３】
【図５】セルフテスト反応の本発明による形成を示す概略図である。
【国際公開パンフレット】
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2005504976.tif 000011
2005504976.tif 000012
2005504976.tif 000013
2005504976.tif 000014
2005504976.tif 000015
2005504976.tif 000016
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2005504976.tif 000018
2005504976.tif 000019
2005504976.tif 000020
2005504976.tif 000021
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2005504976.tif 000029
2005504976.tif 000030
2005504976.tif 000031
2005504976.tif 000032
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504976.tif 000033
2005504976.tif 000034
【国際調査報告】
2005504976.tif 000035
2005504976.tif 000036
2005504976.tif 000037
2005504976.tif 000038
2005504976.tif 000039
2005504976.tif 000040