(57)【要約】【解決手段】  一対のカバープレートの間に感知機構を可撓的に懸架するための装置及び方法であり、本装置は、結晶シリコン基板に形成された感知機構と、結晶シリコン基板に形成された一対のカバープレートと、感知機構とカバープレートの内の第１のカバープレートとの間に固定された関係にある第１の複数の相補形の境界面と、感知機構とカバープレートの内の第２のカバープレートとの間に可撓的に懸架される第２の複数の相補形の境界面であって、可撓的に懸架される境界面の内の１つ又はそれ以上は、相補形の雄型と雌型の境界面である、第２の複数の相補形の境界面と、を含んでいる。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のカバープレートの間に感知機構を可撓的に懸架するための装置において、
結晶基板内に形成された感知機構と、
前記各結晶基板に形成され、前記感知機構の何れかの側に取り付けられている一対のカバープレートと、
前記感知機構と前記カバープレートの内の第１のカバープレートとの間の第１の複数の相補形の境界面と、
前記感知機構と前記カバープレートの内の第２のカバープレートの間に可撓的に懸架されている第２の複数の相補形の境界面であって、前記可撓的に懸架されている境界面の内の１つ又はそれ以上は、更に、相補形の雄型と雌型の境界面を備えている、第２の複数の相補形の境界面と、を備えている装置。
【請求項２】
前記第２の複数の相補形の境界面の１つ又はそれ以上は、更に、前記感知機構に予荷重を加えるために前記感知機構から離れる方向に可撓的に撓むことのできる相補形の境界面を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の複数の相補形の境界面は、更に、前記感知機構と、前記カバープレートの内の第１のカバープレートに対して固定されている複数の相補形の境界面を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の複数の相補形の境界面は、更に、複数の平面と境界を成す複数のメサを含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の複数の相補形の境界面は、更に、絶対基準面を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記一対のカバープレートのそれぞれは、更に、基部と、前記基部の縁部に沿って伸張する壁とによって形成されている空洞を備えており、前記一対のカバープレートの前記壁は、前記感知機構を収容するための空洞を形成するため、前記感知機構の中心線に沿って相互接続されており、
前記第１の複数の相補形の境界面は、前記感知機構と、前記カバープレートの内の前記第１のカバープレートの前記基部との間に固定されており、
前記第２の複数の相補形の境界面は、前記感知機構と、前記カバープレートの内の前記第２のカバープレートの前記基部との間に可撓的に懸架されており、
前記装置は、更に、前記一対のカバープレートの壁を接合する接着剤を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
精密機械加工された歪絶縁装置を有する精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置において、
結晶シリコン基板内に形成された精密機械加工された電気機械式力感知機構であって、そのフレーム部分の第１及び第２の相対する面に形成されている複数の境界面を含んでいる感知機構と、
それぞれの結晶シリコン基板内に形成された第１及び第２の精密機械加工されたカバープレートであって、各カバープレートは、前記感知機構が入るように間隔を空けて配置され、接合されると、前記感知機構を収容するための空洞を形成できる寸法に作られた複数の直立壁の間に実質的に平らな基部で形成されている、カバープレートと、
前記第１カバープレートの基部と、前記感知機構のフレーム部分の第１面に形成されている複数の相補形の平面との間に分布している複数のメサと、
前記第２カバープレートの基部と、前記感知機構の前記フレーム部分の第２の相対する面との間に分布している複数の可撓的に懸架された相補形の歪絶縁装置と、
前記第１と第２のカバープレートの前記壁を接合する接着剤と、を含んでいる装置。
【請求項８】
前記複数の可撓的に懸架された相補形の歪絶縁装置の内の１つ又はそれ以上は、更に、相補形の雌型凹部に並置された、切頭された雄型突起を備えている、請求項７に記載の歪絶縁装置。
【請求項９】
前記複数の可撓的に懸架された相補形の歪絶縁装置の内の１つ又はそれ以上は、更に、前記感知機構に予荷重を加える寸法に作られている、請求項７に記載の歪絶縁装置。
【請求項１０】
前記複数の相補形の歪絶縁装置は、更に、前記第２カバープレートの前記基部に形成された複数の可撓性懸架ブラケットを備えている、請求項７に記載の歪絶縁装置。
【請求項１１】
前記複数の相補形の歪絶縁装置は、更に、前記感知機構の前記フレーム部分に形成された複数の可撓性懸架ブラケットを備えている、請求項７に記載の歪絶縁装置。
【請求項１２】
前記直立壁は、更に、前記感知機構の中心線に沿って接合される寸法に作られている、請求項７に記載の歪絶縁装置。
【請求項１３】
精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置において、
それぞれが第１と第２の実質的に平らで、平行に間隔を空けて配置された相対する面を有している複数の結晶ウェーハと、
前記結晶ウェーハの第１及び第２のウェーハに形成されている第１及び第２のクラムシェルカバーであって、それぞれが、直立周辺壁部分に取り囲まれている実質的に平らな基部を備えているクラムシェルカバーと、
前記結晶ウェーハの第３のウェーハに形成されている精密機械加工された電気機械式感知機構であって、前記第１及び第２のクラムシェルカバーの前記直立周辺壁部分の中に嵌る寸法に作られたフレーム部分と、前記フレーム部分の中に形成され、そこから可撓的に懸架されている保証質量とを備えている感知機構と、
前記感知機構の前記フレーム部分と前記第１クラムシェルカバーの前記基部との間に配置され、前記フレーム部分と前記第１クラムシェルカバーの内の一方に対して固定されている第１の複数の相補形の境界面と、
前記感知機構の前記フレーム部分と前記第２クラムシェルカバーの前記基部との間に配置され、前記フレーム部分と前記第２クラムシェルカバーの内の一方に対して可撓的に懸架されている第２の複数の相補形の境界面と、を備えている装置。
【請求項１４】
前記第２の複数の相補形の境界面の内の１つは、更に、相補形の雌型ソケットと境界を成す切頭された角錐形の雄型突起を備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２の複数の相補形の境界面のそれぞれは、更に、可撓性のＺ形の懸架ブラケットを備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の複数の相補形の境界面は、更に、前記第２クラムシェルカバーに形成されている複数の可撓性懸架ブラケットを備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記第２の複数の相補形の境界面は、更に、前記感知機構の前記フレーム部分に形成されている複数の可撓性懸架ブラケットを備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の複数の相補形の境界面は、更に、複数の相補形の平面と境界を成す複数のメサを備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数のメサは、更に、前記第１クラムシェルカバーに対する基準面を備えている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置内の精密機械加工された感知機構を歪絶縁するための方法において、
精密機械加工された電気機械式感知機構を実質的に平らな結晶基板内に形成する段階と、
一対のカバープレートを、一対の実質的に平らな結晶基板内に形成する段階と、
前記感知機構と前記カバープレートの内の第１のカバープレートに、前記感知機構と前記第１カバープレートの間に配置される複数の相補形の境界面を形成する段階と、
前記感知機構と前記カバープレートの内の第２のカバープレートに、前記感知機構と前記第２カバープレートの間に可撓的に懸架される複数の相補形の境界面を形成する段階と、
前記一対のカバープレートを相互接続する段階と、から成る方法。
【請求項２１】
１つ又は複数の可撓的に懸架される相補形の境界面を形成する前記段階は、更に、前記結晶基板の｛１、０、０｝面をエッチングする段階を含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記結晶基板の｛１、０、０｝面をエッチングする前記段階によって、１つ又は複数の可撓的に懸架される相補形の境界面を形成する前記段階は、更に、
前記感知機構又は前記第２カバープレートの何れかに切頭された角錐形の雄型突起をエッチングする段階と、以下の２つの段階、即ち、
前記切頭された角錐形の雄型突起が前記第２カバープレートに形成される場合は、相補形の雌型ソケットを前記感知機構にエッチングする段階と、
前記切頭された角錐形の雄型突起が前記感知機構に形成される場合は、相補形の雌型ソケットを前記第２カバープレートにエッチングする段階、の内の一方の段階と、を含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記切頭された角錐形の雄型突起と前記相補形の雌型ソケットをエッチングする前記段階は、更に、異方性エッチング液を使ってエッチングする段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記感知機構と前記第２カバープレートとの間に可撓的に懸架される複数の相補形の境界面を形成する前記段階は、更に、前記相補形の境界面を可撓的に懸架するために、可撓性懸架ブラケットを、前記相補形の境界面のそれぞれに形成する段階を含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記感知機構と前記一対のカバープレートのそれぞれとの間の、前記相補形の境界面の内の１つ又はそれ以上に予荷重を作り出す段階を更に含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記感知機構と前記第１カバープレートの間に配置される複数の相補形の境界面を形成する前記段階は、更に、前記感知機構と前記第１カバープレートの間に複数の相補形の台地対平面の境界面を形成する段階を含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記感知機構と前記第１カバープレートの間に配置される複数の相補形の台地対平面の境界面を形成する前記段階は、更に、前記台地対平面の境界面の台地部分の端面によって画定される基準面を生成する段階を含んでいる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記一対のカバープレートを相互接続する前記段階は、更に、前記一対のカバープレートを、前記感知機構の中心線に沿って接着する段階を更に含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
一対のカバープレートを一対の実質的に平らな結晶基板内に形成する前記段階は、更に、前記カバープレートのそれぞれに、基部と前記基部の縁部に沿う直立壁とによって形成される空洞を形成する段階であって、前記各空洞は前記感知機構を部分的に入れることができる寸法に作られ、前記壁は、前記感知機構の中心線に沿って相互接続され、前記感知機構を収容できる寸法の空洞を形成する、段階を含んでいる、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、懸架装置及び懸架方法に関しており、具体的には、力対変位センサーを精密機械加工された電気機械式センサー（ＭＥＭＳ）装置に取り付けるための構造であって、外部応力源を能動センサー要素から絶縁するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの異なる型式のセンサーが、限定するわけではないが、例えば、結晶シリコン及び従来型のＭＥＭＳ製造技法と同様に反応する他の結晶材料を含め様々な結晶材料で、精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置として製造されている。従来型のＭＥＭＳ製造技法の１つの例は、センサー、特に加速度を測定するための力対変位又は「力／変位」センサーの製造に広く用いられている、絶縁体層の上にシリコン層を形成したＳＯＩ工程である。別のＭＥＭＳ装置は、エピタキシャルウェーハ工程と、酸化物成長が全くないドーピング処理されていないシリコンウェーハに形成されている偶数のセンサーとを使って製造されている。
【０００３】
本発明の背景を解説するために、１つの代表的な先行技術による（ＭＥＭＳ）装置の例を挙げ、先行技術における一般的な片持ち梁式歪み絶縁装置を説明する。
【０００４】
加速度計は、一般的に、加速される物体の表面に直接取り付けることによって、物体に加えられる加速力を測定するのに用いられる。従来型のＭＥＭＳ製造技法を使って作られた或る一般的な型式の加速度計は、加速度を測定するのに、１つ又は複数の力対変位又は「力／変位」センサーを使用している。必要最小限の１つのセンサーではなく、２つの力／変位センサーを使用している加速度計は、相当な利点を有している。２つのセンサーがプッシュプルモードで作動すると、熱的被駆動効果又はずれのような多くのエラー源は、通常モードとして排除され、一方、差異信号が所望の加速度測定値を表す。中には、２つの力／変位センサーを使った設計に２つの完全に分離した保証質量が含まれていて、その結果、それぞれが固有のセンサーを有しているが反対方向に作動する実質的に２つの加速度計となるものもある。しかしながら、多くの理由で、２つの保証質量の解決法は好適ではない。むしろ、加速度計には１つの保証質量だけを有する方が一般的に好都合である。
【０００５】
多くの異なる型式の力／変位加速度計が、従来型の技法を使って、ＭＥＭＳ装置として製造されている。先行技術によるＭＥＭＳ装置の１つの代表的な例は、精密機械加工された２センサー／１保証質量の加速度計である。限定するわけではないが、例として、一般に矩形設計と呼ばれているＭＥＭＳ加速度計装置を使って、現在最新の技術を説明する。
【０００６】
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは、従って、限定するわけではないが、例として、代表的なＭＥＭＳ加速度計１０を、半導体材料の基板１２から従来型の精密機械加工技法で製作された小型の構造として示している。基板１２は、単結晶シリコン材料で実質的に平坦な構造、即ち、実質的に平坦で平行な相対するオフセットした上面と下面を有する構造に形成されている。シリコン基板１２は、１９９９年９月７日に発行され、本出願の譲受者に譲渡されている米国特許第５，９４８，９８１号に図示し、記載されている振動梁加速度計のような、絶縁層１８によって下層の基板１６から電気的に分離されている上部シリコン又は活性層１４を含んでいる、即ち絶縁層が活性層１４に貼り付けられているものが多く、上記特許全体を参考文献としてここに援用する。絶縁層１８は、シリコン酸化物のような酸化物の、例えば約０．１から１０．０マイクロメーターの薄い層である。シリコン基板１２は、普通は、活性層１４と下層の基板１６を酸化させ、２つの層を接着させることによって形成される。活性層１４の一部分は、層１４を所望の厚さにするために取り除かれる。シリコン酸化物層１８は、広い温度範囲でその絶縁特性を保持し、摂氏１００度程度の高い作動温度において効果的な機械式共振器性能を保証する。更に、絶縁層１８は、製造中に活性層１４の望ましくないエッチングを阻止する。
【０００７】
精密機械加工された加速度計１０は、保証質量２４が、保証質量２４に対して垂直な入力軸Ｉに沿って運動できるように、内部センサーフレーム又はプレート２６から保証質量２４を柔軟にに懸架する１つ又は複数の可撓部２２を有する加速度感知機構２０を含んでいる。可撓部２２は、下にある基板１６の中心付近又は中心、即ち下にある基板１６の相対する上面と下面の間の実質的な中心をエッチングするのが望ましい。随意的に、可撓部２２は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような適したエッチング液内で、異方性エッチングによって形成される。可撓部２２はヒンジ軸Ｈを画定し、その回りを、保証質量２４が、例えば、加速度計１０が取り付けられている車両、航空機又は他の可動物体などの加速された物体の加速度のような加えられる力に応答して動く。感知機構２０は、保証質量２４に加えられる力を測定するために、保証質量２４とセンサーフレーム２６の間に連結されている一対の力／変位センサー２８を含んでいる。力／変位センサー２８は、例えば、活性シリコン層１４から両頭式音叉（ＤＥＴＦ）力センサーとして形成されている機械式共振器である。
【０００８】
保証質量２４は、加えられる力に応じてヒンジ軸Ｈの回りを回転し、軸方向の力、即ち圧縮力又は引張力の何れかを機械式共振器２８に加える。軸方向の力は、機械式共振器２８の振動の周波数を変え、この変化の大きさが、加えられる力又は加速度の尺度の役目を果たす。換言すると、力／変位センサー２８は、加えられる加速力を、保証質量２４の変位の関数として測定する。
【０００９】
上部及び下部のカバープレート３０ａ、３０ｂは、減衰面及び衝撃停止抑制材として用いられる。望ましくない外部応力及び歪みは、加速度計センサーフレーム２６を、一方が通常はセラミック又は金属の取付プレート３２に機械的に連結されている一対の上部及び下部のシリコンカバープレート３０ａ、３０ｂに機械的に連結することによって、高感度加速感知機構２０内に誘発される。高性能加速度計の設計者に一貫して突きつけられている主要な問題は、加速度計センサーフレーム２６とカバープレート３０の間の境界面における不連続性による追加的エラー源を局所的に導入すること無く、感知機構２０を支持することである。これらの不連続性は、通常、感知機構２０の材料とは異なる材料で形成されている接着剤又は締結部材の形態で導入される。
【００１０】
エポキシ又はガラスフリットのような入手可能な接着剤は、感知機構２０を形成しているシリコン基板とは相当異なる熱膨張係数を有している。接着剤は、普通は高温で硬化して、シリコンと接着接合部の間に内部応力状態が生じる。接着剤は、組み合わせると境界面に局所的な応力と機械的ヒステリシスを作り出す他の異なる物理的特性も有している。感知機能のエラーを防ぐには、局所的な応力と機械的ヒステリシスを、センサー機構から絶縁しなければならない。センサーフレーム２６に生じる歪みは、保証質量２４に伝えられるだけでなく、保証質量２４を通して２つのＤＥＴＦ共振器２８にも伝えられる。システム内の唯一重大なコンプライアンスは、感知ＤＥＴＦ共振器２８自体なので、歪みの殆ど全体が、ＤＥＴＦ共振器２８からのエラー出力として現れる。この様に、望ましくないエラーは、測定される加速度とは関係のない入力から、ＤＥＴＦ共振器２８内で生成される。実際のシステムで有用な程度の精度で加速を検出するには、ＤＥＴＦ共振器２８によるコンプライアンスは低くなければならないので、これらのエラーは極めて大きくなり得る。
【００１１】
この様に、精密機械加工された加速度計内の歪みの絶縁は、良好な性能、即ち精度にとって最も重要である。歪みを絶縁すると、機構が、製作及び組み立ての間に機械的に誘起される応力から分離されて、加速度計機構の２つの振動梁力感知部分の梁内の共振点の変動が低減する。歪みを絶縁すると、更に、機構が、作動環境内の衝撃、振動及び温度変動によって外部的に誘起される応力から分離される。
【００１２】
高感度加速感知機構２０をそのような望ましくない応力及び歪みから絶縁するための多くの方法が知られている。通常、加速度機構はフレーム上に懸架され、カバー接着接合部が、懸架梁によってフレームに接続されている周縁に形成される。例えば、片持ち梁式の絶縁方式では、センサーフレーム２６が、基板１２を貫通する重なり合うスロット３８と４０で形成される可撓部３６によって、第２外側又は外部フレーム部分３４から懸架されている。センサーフレーム２６は、この様に、米国特許第５，９４８，９８１号に図示、説明されているように、外側フレーム３４に対して動くことができ、同特許をここに援用する。このような絶縁によってセンサーフレーム２６の変形が最小になるので、機械式共振器２８に生じる外部応力及び歪みの影響が少なくなる。
【００１３】
図１Ｂは、ダイスタックの組み立てを示しており、上部と下部のカバープレート３０ａ、３０ｂは、周縁部に沿って第２外側又は外部フレーム部分３４に接着され、通常「ダイスタック」と呼ばれる完成した加速度計１０を形成する。上部と下部のカバープレート３０ａ、３０ｂは、減衰面及び衝撃停止抑制材として用いられる。加速度計即ちダイスタック１０は、通常は接着剤によってセラミック又は金属取付プレート又はヘッダー３２に接続され、適切な駆動電子機器が取り付けられて完成した加速度計が形成される。
【００１４】
図１Ｃは、精密機械加工された加速度計１０の、共振器２８に沿う断面図である。先に論じ、図示したように、保証質量２４は、入力軸Ｉに沿って加速度を受けると、ニュートンの法則Ｆ＝ｍａの原理に従って可撓部２２の回りに自由に回転する。この回転は、図示の機構の表面に配置され、ＤＥＴＦ共振器として示されている２つの力／変位センサー２８の動作によって拘束される。保証質量２４が感知機構２０の面に対して変位すると、一方のＤＥＴＦ共振器２８は圧縮され、他方のＤＥＴＦ共振器は引っ張られるので、これら２つの振動梁力センサー２８は、プッシュプル可変周波数出力信号を提供する。２つの周波数の間の差は、測定された加速を表す。一方、温度、機構応力又はずれの様な望ましくない原因による共通のモード周波数の偏移は、エラーとして排除される。
【００１５】
図１Ｃに示すように、上部及び下部のカバープレート３０ａ、３０ｂは、互いの縁部に沿って第２外側又は外部フレーム部分３４に接着され、完成された加速度計又はダイスタック１０を形成する。これにより、中に保証質量２４が懸架されている内部センサーフレーム又はプレート２６は、可撓部３６によって、上部と下部のカバープレート３０ａ、３０ｂの間に懸架されることになる。この様に、図面１Ａ−１Ｃは、先行技術による片持ち梁式の絶縁方式を示している。
【００１６】
図１Ｄに図示し、先に援用した米国特許第５，９４８，９８１号に記載されている既知の発振器回路は、各機械式共振器２８をそれぞれの共振周波数で駆動する。図１Ｄは、トランスジューサ２８の振動梁が共振器として機能する、代表的な振動回路５０を示している。トランスインピーダンス増幅器５２は、振動梁から受け取った感知電流を電圧に変換する。この電圧は、帯域通過フィルター５４によって濾過されてノイズが低減され、電圧の振幅は、振幅リミッタ５６によって制御される。作り出された信号は、加算接合部６０で、ＤＣ電源５８からの出力又はＤＣバイアス電圧と組み合わされる。ＤＣバイアス電圧は、電極と、力／変位センサー２８の梁の間に力を作り出す。振幅リミッタ５６からの信号は、この力を変調して、トランスジューサ２８の梁を、その共振周波数で横方向に振動させる。この横方向の梁の動きは、今度は、感知電流を作り出す。出力バッファ６２は、発振器を、発振回路５０の出力６４に接続されている外部回路から絶縁している。発振回路５０のゲインは、力／変位センサー２８の梁の発振を持続する。
【００１７】
先行技術によるＭＥＭＳ設計は、片持ち梁式の歪み絶縁方式を効果的に使用しており、新しい用途は、加速度計に利用できる空間を減らし続けている。歪みを絶縁するために加速度計内で利用できる空間に、新たな制約を設けている。これらの新しい空間的制約は、先行技術による片持ち梁式の歪み絶縁方式を許容しない。従って、加速度計の設計者は、最小の空間内で十分な歪み絶縁を提供すること挑戦している。
【００１８】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、或る効果的な歪み絶縁技法を示している。２００１年１０月１６日に本発明の発明人に発行され、本出願の譲受者に譲渡された米国特許第６，３０１，９６６号「クラムシェルカバー加速度計」に開示されている歪み絶縁技法は、従来型のカバープレートを「クラムシェル」カバープレートに取り替えて、感知機構をカバープレート内に収容することによって、駆動応力の直接的低減と絶縁性を改良しており、同特許全体を参考文献としてここに援用する。カバープレート接着領域の中心線上での単一のカバー対カバー接着によって、プレートが互いに接着されている。センサー機構を固定するための接着は随意である。そうする場合は、センサー機構の接着は、局所化され、感知機構から絶縁されている。従って、クラムシェル設計は、内部応力の問題を、他の先行技術による構造よりも、効果的に且つ費用を掛けずに解決する。
【００１９】
図２Ａ−２Ｃは、図１Ａ−１Ｄに示しているような、片持ち梁式の歪み絶縁方式と、第２外側又は外部フレームと、センサーフレーム２６と高感度加速感知機構２０を懸架する片持ち梁式の可撓部３６とを排除した、米国特許第６，３０１，９６６号の歪み絶縁技法を示している。図２Ａと２Ｂは、加速度計／感知機構８０を収納する構造になっている一対のクラムシェルカバープレート７６と７８を有するクラムシェル加速度計７５を示している。クラムシェルカバープレート７６と７８は、それぞれ、深くエッチングされた空洞８２と８４を含んでおり、加速度計の保証質量８６が動けるようになっており、感知機構８０全体に空間を提供している。従って、感知機構８０は、カバープレート７６と７８の内側に閉じ込められ、カバープレート７６と７８は、中心線接着８８によって互いに直接接着されている。感知機構８０の小さなタブ９０、９２、９４は、カバープレート７６と７８に接着されている。タブ９０、９２、９４の接着は、非常に小さく、局所化され、センサーの衝撃が最小になるように配置されている。
【００２０】
カバープレート７６と７８の間の単一の中心線接着８８は、カバー接着を単一の接合部へ低減し、接着材料を半分にするので、駆動応力が直接的に下がる。クラムシェルカバー対カバーの中心線接着８８は、更に、感知機構を面から逸脱させることになりかねない上部と下部の接着接合部の間の不整合を取り除く。
【００２１】
しかしながら、米国特許第６，３０１，９６６号の発明のクラムシェルカバーの発明は歪み絶縁性を著しく改良してはいるが、感知機構８０は、大きな偏りと目盛係数エラー、並びに整列偏移を避けるために、やはり、クラムシェルカバープレートの境界の中に制約される。１つの制約機構は、カバープレートと感知機構の間の選択された局所的部位に接着剤の量を制限していることである。残念ながら、少量の接着剤ですら、感知機構境界面における異質材料との望ましくない接触を作り出す。
【００２２】
代わりに、接着点９０、９２、９４を、図２Ｃに示すように、感知機構８０をクラムシェルカバー７６と７８の間の所定に位置に保持する接触圧力に置き換えてもよい。
【００２３】
しかしながら、感知機構を境界面の摩擦によって拘束するのに必要なクランプ力は、実用的でない高い許容差を必要とし、一方では感知機構に妥当でない応力を加えることになる。更に、時間が経過し環境に曝されるうちには応力が解放されるので、大きなクランプ力は、性能及び長期のずれに影響を与える。
【００２４】
加速度計と他のＭＥＭＳ装置の設計者は、斯くして、最小の空間で効果的な歪み絶縁性を提供することに挑んでいる。
【特許文献１】米国特許第５，９４８，９８１号
【特許文献２】米国特許第６，３０１，９６６号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の背景を説明するために、先行技術による精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置の１つの代表的な例を挙げて、先行技術による一般的な片持ち梁式歪絶縁装置を説明した。しかしながら、ここで論じる本発明の可撓性懸架歪絶縁装置は、この代表的な装置で実用可能ではあるが、本発明は、異なる従来型のＭＥＭＳ製造技法に掛けられたときに結晶シリコンと同様に反応する他の結晶材料でも同様に実用可能である旨理解頂きたい。
【００２６】
本発明は、一対のカバープレートの間に感知機構を可撓的に懸架するための装置を提供することによって、最小の空間内で効果的な歪絶縁を提供するために、先行技術の限界を克服しており、本装置は、結晶シリコン基板内に形成された感知機構と、結晶シリコン基板内に形成され、それぞれが、基部と基部の縁部に沿って伸張する壁とによって形成された空洞を有する一対の「クラムシェル」カバープレートであって、この一対のカバープレートの壁は、感知機構の中心線に沿って相互接続され感知機構を収容するための空洞を形成している、一対の「クラムシェル」カバープレートと、感知機構とカバープレートの内の第１のカバープレートとの間に固定された関係にある第１の複数の相補形の境界面と、感知機構とカバープレートの内の第２のカバープレートの基部との間に可撓的に懸架されている第２の複数の相補形の境界面であって、１つ又はそれ以上のこの可撓的に懸架された境界面は、相補形の雄型と雌型の境界面である、第２の複数の相補形の境界面と、感知機構を密閉するために対のカバープレートの壁を接着接合する接着剤と、を有するＭＥＭＳ装置である。
【００２７】
本発明の別の態様によれば、この１つ又はそれ以上の可撓的に懸架された相補形の境界面は、感知機構に予荷重を加えるために、感知機構から離れる方向に可撓的に撓ませることができる。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、第１の複数の相補形の境界面の少なくとも１つのサブセットは、相補形の平面と境界を成すメサとして形成されている。相補形の境界面の３つのメサ部分は、随意的に、感知機構をカバーに対して方向付けるための絶対基準面を形成している。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、複数の可撓的に懸架されている相補形の境界面は、感知機構の表面に亘って規則的な分布パターンでエッチングされた、第２カバープレートの基部にエッチングされた相補形の雌型又は雄型属性と並置される雄型又は雌型の属性である。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、複数の可撓的に懸架された相補形の境界面の中で、複数の相補形の雄型属性の内の１つ又はそれ以上は、切頭された雄型突起として形成され、相補形の雌型属性は嵌合するソケット又は凹部として形成されている。
【００３１】
本発明の更に別の態様によれば、本発明は、精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置内の精密機械加工された感知機構を歪絶縁するための異なる方法を提供しており、その方法の１つは、精密機械加工された電気機械式感知機構を実質的に平らな結晶基板内に形成する段階と、一対のカバープレートを一対の実質的に平らな結晶基板内に形成する段階であって、各カバープレートは基部と基部の縁部に沿う直立壁とによって形成される空洞を有しており、各空洞は感知機構が部分的に入る大きさに作られ、壁は、感知機構の中心線に沿って相互接続されて、感知機構を収容できる大きさに空洞を形成する、段階と、感知機構に、そして両カバープレートの内の第１のカバープレートに、感知機構と第１カバープレートの間に、これらに固定された関係に配置されている複数の相補形の境界面を形成する段階と、感知機構に、そして一対のカバープレートの内の第２のカバープレートに、結晶基板の｛１、０、０｝面を水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は別の適した異方性エッチング液によってエッチングすることによって、感知機構と第２のカバープレートの間に可撓的に懸架された複数の相補形の雄型と雌型の境界面を形成する段階と、一対のカバープレートを、感知機構の中心線に沿って接着する接着剤によって相互接続させる段階と、を含んでいる。  
【００３２】
本発明の別の態様によれば、結晶基板の｛１、０、０｝面をエッチングすることによって相補形の雄型と雌型の境界面を形成する１つの方法は、更に、感知機構又は第２カバープレートの何れかに切頭円錐形の雄型突起をエッチングする段階を含んでいる。本方法は、更に、感知機構又は第２カバープレートの何れかに相補形の雌型ソケットをエッチングする段階を含んでいる。切頭角錐形の雄型突起が第２カバープレートに形成される場合は、相補形の雌型ソケットは感知機構にエッチングされ、切頭角錐形の雄型突起が感知機構に形成される場合は、相補形の雌型ソケットは第２カバープレートにエッチングされる。
【００３３】
本発明の別の態様によれば、感知機構と第２カバープレートの間に可撓的に懸架される複数の相補形の雄型と雌型の境界面を形成する方法は、相補形の境界面を可撓的に懸架するために、相補形の雄型及び雌型境界面のそれぞれに可撓性懸架ブラケットを形成する段階を含んでいる。
【００３４】
本発明の又別の態様によれば、本発明の１つの方法は、感知機構と第２カバープレートの間の、１つ又はそれ以上の可撓的に懸架される相補形の境界面に、予荷重を生成する段階を含んでいる。
【００３５】
本発明の別の態様によれば、感知機構と第１カバープレートの間に、それらに固定された関係に配置されている複数の相補形の境界面は、複数の相補形の台地対平面の境界面を、感知機構と第１カバープレートの間に、感知機構又は第１カバープレートの何れかに固定された関係に形成する段階によって作られる。随意的に、複数の相補形の台地対平面の境界面を形成する方法は、更に、台地対平面の境界面の台地部分の端面によって画定される絶対基準面を生成する段階を含んでいる。
【００３６】
本発明の以上及びこの他の態様について、図面を参照しながら以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以上の本発明の態様及び付帯する利点の多くは、添付図面と関連付けて以下の詳細な説明を参照すれば、容易に理解頂けるであろう。
【００３８】
図面では、同様の数字は同様の要素を示している。
【００３９】
本発明は、加速度感知機構を、一対の「クラムシェル」カバープレートの間に可撓的に懸架するための装置及び方法であり、同装置は、感知機構と、それぞれが基部と基部の縁部に沿って突き出ている壁によって形成された空洞を有している一対の「クラムシェル」カバープレートであって、カバープレートの壁は、感知機構を収容するための空洞を形成するために感知機構の中心線に沿って相互接続されているカバープレートと、感知機構と各カバープレートの基部の間に可撓的に懸架されている複数の相補形の境界面であって、感知機構と一方のカバープレートの間の１つ又は複数の境界面は、更に、雄型角錐状突起と相補形の雌型ソケット凹部とを備えている、境界面と、を含んでいる。
【００４０】
図３は、限定するわけではないが、例として、先行技術の片持ち梁式の歪み絶縁方式を回避しながら、クラムシェル加速度器に歪み絶縁性を提供するための「角錐型」ソケット懸架装置として具現化されている本発明のソケット懸架装置を示している。図３は、米国特許第６，３０１，９６６号に開示されているクラムシェルカバープレート１０２、１０４を、感知機構１１４と各カバープレート１０２、１０４の基部１１６、１１８との間で可撓的に懸架されている複数の相補形の境界面１０６、１０８、１１０、１１２として具現化されている本発明のソケット懸架装置と組み合わせて使用するクラムシェル加速度計１００の断面図であり、同特許を、参考文献としてここに援用する。
【００４１】
図３に具現化しているように、１１０、１１２は、カバープレート１０４の基部１１８にエッチングされており、感知機構１１４を配置するための絶対基準面となっている。対照的に、境界面１０６、１０８は、感知機構１１４と、カバープレート１０２の一方の基部１１６の間に可撓的に懸架されている。例えば、以下に詳細に論じるように、対になっているスロット１２０、１２２と１２４、１２６は、各境界面１０６、１０８をカバープレート１０２から絶縁している。或いは、対になったスロットがフレーム部分１２８に形成され、そこから、感知機構１１４の保証質量１３０が、各境界面１０６、１０８をカバープレート１０２から絶縁するために、可撓的に懸架されている。スロット１２０、１２２と１２４、１２６は、境界面１０６、１０８が、感知機構１１４を「浮かせ」て、そうでない場合には境界面１０６、１０８、１１０、１１２を通して伝達されることになるカバープレート１０２、１０４の歪から、切り離すことができるようにしている。
【００４２】
この様に、境界面１０６−１１２には２つの種類がある。境界面１１０、１１２には、感知機構フレーム１２８の対応する面上の相補形の平面１３４と当接し境界を成すような寸法に作られた平坦な先端の雄型又は「台地状」突起１３２が設けられている。雄型突起１３２は、カバープレート１０４の内側面１１８の中の、保証質量１３０が懸架される感知機構フレーム１２８の面に対応する場所にエッチングされている。雄型台地状突起１３２は、周囲のカバー材料から、又は「上方」に、或る設定距離で切頭されている。雄型台地状突起１３２は、従って、感知機構１１４を、カバー基部１１８の内側面から所定の離間距離Ｄ１だけ間隔を空けて配置する働きをする。感知機構１１４のこの間隔は、保証質量１３０が回転できるほどに基部１１８の面から離れているが、基部１１８の面が減衰面及び衝撃停止抑制材として作動できるほどに近接している間隔である。
【００４３】
図３に示す代表的な実施形態では、複数の台地対平面の境界面１１０、１１２は、感知機構１１４の平衡支持を提供できるように、規則的なパターンで、間隔を空けた位置に分布している。分布している台地対平面の境界面１１０、１１２は、更に、感知機構１１４をカバー１０４に対して方向決めするための絶対基準面を提供している。
【００４４】
境界面１１０、１１２は、雄型台地状突起１３２と相補形の平面１３４の当接部に生じるので、台地状突起１３２の側壁面の形状は、以下に論じるように、{１、０、０}結晶面のエッチングの結果として、角錐形（１１０で示している）でもよい。代わりに、垂直に近い壁のエッチングを可能にする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又は深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用する場合は、台地状突起１３２がもっと垂直になってもよい。つまり、台地状突起１３２の側壁は境界面１１０、１１２の何れの部分も形成しないので、それらの形状は、本発明に関係ない。
【００４５】
境界面１０６、１０８は、一般的に「メサ」として知られている雄型突起１３６と、相補形の雌型凹部又はソケット１３８とで形成されている第２の型式である。雄型突起又はメサ１３６は、カバー１０２の基部１１６の内側面（図３に示している）か、又は感知機構フレーム１２８の対応する面（以下に論じる）の何れかに形成される。
【００４６】
相補形の雌型凹部又はソケット１３８は、突起１３６とは反対側の別の部分、即ち、感知機構１２８又はカバー基部１１６の対応する面に形成されている。
【００４７】
雄型突起１３６は、切頭「角錐」形の位置決め小塊であり、相補形の雌型凹部１３８はこれと嵌合する切頭錐体又は角錐形の窪みである。雄型突起１３６と雌型凹部１３８両方の角錐形は、適した異方性エッチング液による｛１、０、０｝シリコン面のエッチングの結果であり、シリコン面は、結晶構造用の周知のミラーインデクスを使って定められる。このエッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような極めて選択性の高いエッチング液使って実現されるが、他の適した異方性エッチング液も広く周知であり、使える結果が得られれば代用してもよい。この様に、雄型突起１３６と雌型凹部１３８両方の角錐形は、結晶シリコン及び他の結晶ウェーハ材料の好適なエッチング特性に基づいている。本発明のソケット懸架装置は、同様に挙動する他の結晶材料を使って実現することもでき、ここでは例としてシリコンについて論じているのであり、本発明の、他の結晶材料への適用性について制限を課するものではない。
【００４８】
図４は、ＫＯＨのような適した異方性エッチング液を使って、結晶シリコン又は他の結晶ウェーハ材料を様々な形状にエッチングすることによって、精密機械加工された電気機械式センサー（ＭＥＭＳ）装置を制作する一般的なプロセスを示している。マスクの辺を｛１、０、０｝シリコン面の＜１、１、０＞方向に沿って整列させることによって、ＫＯＨ内でのエッチングは、シリコンウェーハの＜１、１、０＞方向に迅速に進む。ＫＯＨエッチングは、＜１、１、０＞に向いたマスク縁部に沿って５４．７４度の角度でシリコンウェーハ面と交差する事実上の非エッチング｛１、１、１｝側壁によって限定される。ダークフィールドマスクの場合、長方形の空洞が、｛１、１、１｝側壁と｛１、０、０｝底面によって形成される。反対にクリアフィールドマスクの場合、エッチングの結果は、｛１、１、１｝側壁を備えたメサ型の構造になる。後者の場合、鋭い、又は制御可能に丸い凸状の角を保護するために、マスクの角に補償構造が加えられる。この補償構造は、所望のメサ形状が画定されるまで、ＫＯＨ内での犠牲エッチングを許容する。この固有のエッチング挙動は、原子格子の５４．７４度の角度の角度の線に非常に正確に沿って傾斜する非垂直側壁を作る。この傾斜エッチングは、一般的に、余分な空間を必要とし、得られる形状分解能が制限されることになる、望ましくない結果となる。
【００４９】
本発明のソケット懸架装置は、この特徴的な挙動を利用する。従って、雌型凹部又はソケット穴１３８は、適切な位置で、感知機構１１４のフレーム部分１２８の１つの面（図３に示している）又はカバー１０２の基部１１６（以下に論じる）の中へと目的を定めてエッチングされる。雄型突起１３６は、対応するする位置で、カバープレート（図３）又は感知機構のフレーム１２８（以下に論じる）の中へとエッチングされる。エッチングされた斜面は、原子格子に追従しているので、非常に正確であり、雄型突起１３６とソケット１３８の両方にとって実質的に等しい。
【００５０】
図３に図示している雄型突起１３６と雌型凹部１３８は、雄型突起１３６の先端が雌型凹部１３８の開口部に入るように相補的な寸法に作られているが、雄型突起１３６の外壁は、雄型突起１３６の基部が雌型凹部１３８の開口部に入る前に、雌型凹部１３８の内面と干渉する。雄型突起１３６が雌型凹部１３８と干渉するので、感知機構１１４は、基部１１６の内側面から所定の離間距離Ｄ２だけ間隔が空けられる。雄型突起１３６面と雌型凹部１３８の内面との干渉は、雄型突起１３６を雌型凹部１３８の中心に配置する役目も果たす。雄型突起１３６の先端が切頭されているので、互いの内面と外面が干渉する前に、雄型突起１３６が雌型凹部１３８の切頭端部に「底付する」ことはない。
【００５１】
この様に、雄型突起１３６と相補形の雌型凹部１３８は、感知機構１１４をカバー１０２に対して相対的に整列させて配置し、感知機構１１４を基部１１６の内側面から設定距離だけ間隔を空けて配置するという両方の働きをする。感知機構１１４のこの間隔は、保証質量１３０が回転できるほどに基部１１６の面から離れているが、基部１１６の面が減衰面及び衝撃停止抑制材として作動できるほどに近接している間隔である。
【００５２】
間隔Ｄ１とＤ２は、クラムシェルカバー１０２、１０４を感知機構１１４の回りに組み立てるときに、感知機構１１４の中心線ＣＬを、各基部１１６、１１８の縁部に沿って突き出ている壁１４０、１４２の頂部の面上に配置できる寸法になっている。これによって、カバー１０２、１０４の間の接着接合部１４４が、感知機構１１４を曲げ又は反らすよう作用するモーメントアームが無くなる。
【００５３】
各クラムシェルカバー１０２、１０４の壁１４０、１４２の内側の長さＬ１とＬ２は、感知機構１１４を補完する寸法になっている。最終的な離間距離Ｄ１、Ｄ２は、この様にして、所定の接着線が接着接合部１４４に設けられるように、壁１４０、１４２を所定の間隔を空けて配置するため、感知機構１１４の厚さＴと協働して調整される。内側壁の長さＬ１、Ｌ２、感知機構の厚さＴ、及び離間距離Ｄ１、Ｄ２の寸法は、接着接合部１４４が形成されるときに所望量の予荷重が境界面１０６−１１２に掛かるように選択される。予荷重は、感知機構１１４を、クラムシェルカバープレート１０２、１０４内に閉じ込めて、偏りと目盛係数エラー、並びに整列偏移を回避するように選択される。
【００５４】
相補形の境界面１０６、１０８の可撓性懸架機構は、境界面の摩擦によって感知機構を拘束するために先行技術で必要であった非実用的な高い許容差を克服している。エッチングされた斜面は、本来的に非常に正確であり、純正シリコンではほぼ無欠陥である。組み立てるとき、雄型角錐突起１３６は、ほぼ完全な精度で雌型ソケット１３８に嵌る。この正確な嵌合によって、シリコン対シリコン境界面１０６−１１２は、安定で、横方向の変位に対する耐力も大きいものとなる。境界面には、接着剤は必要ない。
【００５５】
接合は、その安定を摩擦に依存していないので、クランプ力は、予想される環境の下で垂直方向の分離を防ぐのに必要な程度にまで低減される。しかしながら、この可撓性懸架機構は、更に、クランプ力が、時間経過と環境への暴露によって応力が解放される際の性能及び長期の偏移に関して通常有する影響を排除する。このように、本発明のソケット懸架装置は、支持されている感知機構に固有の如何なる性能も最大にするように作用する。本発明のソケット懸架装置は、更に、通常の設計で組み合わせられたときに、随意のクラムシェルカバープレートの動作を強化する。
【００５６】
図５は、限定するわけではなく、例として、相補形の境界面１０６、１０８の可撓性懸架機構の或る実施形態を示している。従って、図５は、クラムシェルカバー１０２の基部１１６に形成されている複数の薄い「Ｚ」形状の可撓部又は可撓性懸架ブラケット１４６、１４８、１５０、１５２を示している。Ｚ形状の可撓性懸架ブラケット１４６、１４８、１５０、１５２は、細長いステム１６２の互いに反対側の端部に対のバー１５８、１６０を画定し、各懸架ブラケット１４６−１５２をカバープレート１０２から絶縁している対のＺ形状スロット１５４、１５６（懸架ブラケット１４６に対して示している）によって形成されている。雄型突起又はメサ１３６は、各ステム１６２の懸架ブラケット１４６−１５２の中心に形成されている。
【００５７】
懸架ブラケット１４６−１５２の薄い「Ｚ」形状は、ほぼ垂直な壁のエッチングが可能な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又は深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使って形成される。つまり、懸架ブラケット１４６−１５２の側壁は、実質的な垂直な壁として形成され、Ｚ形状スロット１５４、１５６を非常に狭くし、懸架ブラケット１４６−１５２を非常に明確に画定することができるようになる。
【００５８】
懸架ブラケット１４６−１５２の薄い「Ｚ」形状は、雄型突起１３６が３軸方向に撓むことができるようにし、ステム１６２の両端の対のバー１５８、１６０は、懸架構造１４６−１５２がステム１６２に沿って屈曲できるようにし、一方、ステム１６２の細長い構造は、その長手方向軸に対し横に円柱状の屈曲ができるようにし、対のバー１５８、１６０は、細長いステム１６２と協調して作動して、カバー１０２の基部１１６の面から外れて屈曲できるようにする。懸架ブラケット１４６−１５２の３軸方向の屈曲性は、感知機構１１４をカバー１０２に組み付けるときに、カバー１０２に対する雄型角錐突起１３６の位置をずらし、雌型ソケット凹部１３８との整列不良を吸収できるようにする。
【００５９】
図３に示する代表的な実施形態では、２つ又はそれ以上の角錐対ソケット境界面１０６、１０８が、カバー１０２に設けられている。図示のように、感知機構１１４をカバー１０２に対して位置決めするには、複数の角錐対ソケット境界面１０６、１０８があれば十分である。理論的には、横軸方向の衝撃及び振動荷重を受けたときに感知機構１１４をカバー１０２に対して面内に維持するには、角錐対ソケット境界面１０６、１０８の２つで十分である。
【００６０】
しかしながら、実際には、雄型角錐突起１３６の内の２つが雌型ソケット１３８の内の２つと完全に整列するのは見込めない。従って、角錐対ソケット境界面１０６、１０８の内の３つ又はそれ以上が、感知機構１１４をカバー１０２に対して位置決めするために間隔を空けた位置に、規則的なパターンで分布している。懸架ブラケット１４６−１５２の薄い「Ｚ」形状は、横断軸方向の僅かな撓みを許容するので、雄型角錐突起１３６をずらして、対応する雌型ソケット１３８と整列させる。雄型角錐突起１３６は、各角錐突起１３６の所望の切子面が雌型ソケット１３８の対応する面と接触するように、随意的に、雌型ソケット１３８に対して僅かにずらされている。
【００６１】
全ての台地状突起１３２と予荷重が掛けられた角錐突起１３６の組み合わせは、入力軸方向の衝撃及び振動荷重を受けたときに、感知機構１１４を、カバー１０２、１０４に対して面外に拘束する。
【００６２】
更に、本発明の可撓性懸架機構は、図５及び他の図面に示されている複数の薄い「Ｚ」形状の可撓性懸架ブラケット１４６−１５２として実施されるとき、異なる懸架ブラケット１４６−１５２の間に特定の方向付けを必要としない。異なる懸架ブラケット１４６−１５２相互の特定の方向付けは必要ない。薄い「Ｚ」形状の懸架ブラケット１４６−１５２は、その寸法と形状によって、面内の両軸にコンプライアンスを持っている。従って、本発明の可撓性懸架機構は、薄い「Ｚ」形状の懸架ブラケットとして実施される場合は、意図するように作動させるのに特定の方向付けは必要ない。図５に示すように可撓性懸架ブラケット１４６−１５２を対称的に方向付けするのは、特定の用途には有用であるが、他の有用な方向付けも、後続の図面に示している。
【００６３】
図６は、クラムシェルカバー１０２の外側面１６４の代表的な図である。限定するわけではないが、例として、外側面１６４の一部分１６６は、角錐突起１３６の領域内で彫り込まれている。そのため、薄い「Ｚ」形状の懸架ブラケット１４６−１５２は、薄くなり、感知機構１１４の入力軸Ｉ沿いに更に撓み易くなっている。入力軸沿いの可撓性によって、個々の角錐突起１３６は面外に偏移できるようになり、感知機構１１４と個々の角錐及び台地状突起１３６の内の一方又は両方の非平面特性自体を受け容れることができるようになる。従って、組み立ての間に、感知機構１１４を、個々の角錐及び突起１３６と安定した関係に落ち着かせることができる。
【００６４】
先に述べたように、カバーの壁１４０、１４２の内側の長さＬ１、Ｌ２は、接着接合部１４４が境界面１０６−１１２に予荷重を掛けるように、感知機構１１４を補完する寸法になっている。
【００６５】
彫り込み部分１６６がもたらした追加的な入力軸の可撓性は、追加の予荷重機構を提供する。彫り込み部分１６６の深さを調整することによって、可撓部１４６−１５２の厚さ、従ってばね定数は、彫り込み１６６が完全に省かれているときの最大剛性から、彫り込み部分１６６の深さの関数として減少する。つまり、可撓部１４６−１５２が薄くなるほど、それらのばね定数は下がって、掛けられる予荷重も減少する。
【００６６】
図７と図８は、感知機構１７８に形成されている複数の薄い「Ｚ」形状の可撓部又は可撓性懸架ブラケット１７０、１７２、１７４、１７６として具現化されている本発明の可撓性懸架装置を示している。可撓性懸架ブラケット１７０、１７２、１７４、１７６は、感知機構１７８のフレーム部分１８０に形成されており、そこから保証質量１８２が可撓的に懸架されている。図７の例では、可撓性懸架ブラケット１７０−１７６は、感知機構フレーム１８０に対して有用に同じに方向付けされている。或る例では、可撓性懸架ブラケット１７０−１７６は、それぞれ、拡張された島部分１８４、１８６、１８８、１９０を含んでおり、その島は、中心の細長いステム１９２の長さに沿って中心に又は対称的に配置されている。
【００６７】
境界面１０６、１０８は、島部分１８４−１９０に形成されている。例えば、各島部分１８４は、先に論じたような、一方のクラムシェルカバー１９６の基部１９４に形成されている雄型突起又は角錐メサ１３６と相補的な雌型凹部又はソケット１３８の内の１つで形成されている。
【００６８】
図８に示すように、台地対平面の境界面１１０、１１２の部分は、感知機構１７８と上部カバー１９８の間に設けられている。従って、平面１３４は、各可撓性懸架ブラケット１７０−１７６の島部分１８４−１９０の反対側に形成されており、クラムシェルカバー１９６の基部１９４に形成されている台地状メサ１３２との境界面を形成している。台地状メサ１３２は、それぞれ、周囲の材料から又は周囲材料の「上方」に或る設定された距離で切頭されている平坦な同一平面を有している。この様に、台地状メサ１３２は、感知機構１７８に対する絶対基準面を提供しており、更に、平面１３４と境界を形成し、感知機構１７８を、カバー１９６の基部１９４の内側面から所定の離間距離Ｄ１だけ間隔を空けて配置している。
【００６９】
この様に、可撓性懸架ブラケット１７０−１７６は、全ての相補的境界面１０６−１１２を可撓的に支持し、感知機構１７８を、そうでなければ境界面１０６−１１２を通して伝達される、カバープレート１９６、１９８の歪みから絶縁する。
【００７０】
図９と図１０は、感知機構２１０の対を成すスロット２０９によって形成されている複数の薄い「Ｚ」形状の可撓部又は可撓性懸架ブラケット２０２、２０４、２０６、２０８を有するセンサー２００として具現化されている本発明の可撓性懸架装置を示している。感知機構２１０は、保証質量２１４が可撓的に懸架されているフレーム部分２１２を含んでいる。可撓性懸架ブラケット２０２−２０８は、フレーム部分２１２に形成されており、それぞれ、拡張した島部分２１６、２１８、２２０、２２２を含んでおり、その島は、中心の細長いステム２２４の長さに沿って中心に又は対称的に配置されている。
【００７１】
図９の例では、各可撓性懸架ブラケット２００−２０８は、他の可撓性懸架ブラケット２００−２０８に対して約９０度に、有用に方向付けされている。
【００７２】
角錐−ソケット境界面１０６、１０８は、島部分２１６−２２２に形成されている。例えば、各島部分２１６、２１８、２２０、２２２は、雄型突起又は角錐メサ１３６で形成され、一方、相補形の雌型凹部又はソケット１３８は、一方のクラムシェルカバー２２８の基部２２６内の対応する位置に形成されている。
【００７３】
図１０に示すように、台地対平面の境界面１１０の部分は、感知機構１７８と上部カバー１９８の間に設けられている。従って、台地状メサ１３２は、各島部分２１６、２１８、２２０、２２２に設けられている。これらの台地状メサ１３２は、上部クラムシェルカバー２３２の基部２３０に形成されている平面１３４と境界を形成している。台地状メサ１３２は、それぞれ、感知機構フレーム２１２の周囲の材料から又は周囲の材料の「上方」に或る設定された距離で切頭されている平坦な同一平面を有している。この様に、台地状メサ１３２は、感知機構２１０に対する基準面を提供している。台地状メサ１３２は、更に、平面１３４と境界を形成し、感知機構２１０を、カバー２３２の基部２３０の内側面から所定の離間距離Ｄ１だけ間隔を空けて配置している。
【００７４】
センサー機構２１０のフレーム２１２は、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８が示すばね定数を調整するため、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８の領域内で随意的に彫り込まれている。クラムシェルカバー２２８、２３２が感知機構２１０に組み付けられたときに所望のばね定数を達成し所望の予荷重を掛けるために、フレーム２１２は、一方又は両方の側から彫り込まれる。
【００７５】
この様に、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８は、全ての相補形の境界面１０６−１１２を可撓的に支持し、感知機構２１０を、そうでなければ境界面１０６−１１２を通して伝達されるカバープレート２２８、２３２の歪みから絶縁する。
【００７６】
更に、感知機構２１０内に本発明の可撓性懸架ブラケット２０２−２０８を形成することによって、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８を画定するためのスロットは、クラムシェルカバー２２８、２３２から省かれる。カバー２２８、２３２が縁部シール１４４によって接合された後では、完成したセンサー２００の気密シールを危うくするのは、数個のアクセス窓２３４（図５と図６にも示している）だけである。
【００７７】
本発明の或る実施形態によれば、機構１１４へのアクセスを提供する必要な全ての窓２３４は、図５及び図６に示すように、可撓性懸架ブラケット１４６−１５２が形成されているカバー１０４に形成されている。この随意の選択によって、全ての貫通エッチングが単一のカバーで行われるので、製造の複雑さが軽減される。
【００７８】
しかしながら、図７及び図８に示すように、感知機構１７８内に可撓性懸架ブラケット１７０−１７６を形成するか、又は図９及び図１０に示すように感知機構２１０内に可撓性懸架ブラケット２０２−２０８を形成すると、機構の回りに気密シールを固定するための機会が提供される。
【００７９】
従って、可撓性懸架ブラケット１７０−１７６又は２０２−２０８の内の１つ又はそれ以上に導電性トレース２３６を形成して（図示）システムの電力及び信号を伝えることによって、アクセス窓２３４は省かれ、気密シールされたセンサーとなる。本発明の或る実施形態によれば、導電性トレース２３６は、金のような導電性金属２３８で形成され、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８の表面に蒸着されている。本発明の別の実施形態によれば、導電性トレース２３６は、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８の表面を適した導電性ドーパントでドーピングすることによって形成される。例えば、ドーパントのチャネル２４０を、可撓性懸架ブラケット２０２−２０８の半導体シリコン材料の表面に拡散させる。ドーパントは、選択されたシリコンウェーハの基材の関数として選択されたｐ形（正）又はｎ形（負）のドーパントであり、一般的には、ｐ形ウェーハ内に「ｎ」チャネルを形成するためのｎ形ドーパントと、ｎ形ウェーハ内に「ｐ」チャネルを形成するためのｐ形ドーパントである。ｎ形面のドーピング不純物は、限定するわけではないが、例えば、燐、砒素又はアンチモンである。ｐ形面のドーピング不純物は、限定するわけではないが、例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム又はチタンである。表面ドーピング不純物の供給源は、蒸着炉内でイオンを注入する場合は、固体でも、液体でも、気体でもよい。表面ドーピング不純物の供給源は、真空イオン加速器を使用してイオン注入する場合は、気体だけである。不透明な領域と透明な領域を備えた石英マスクのようなマスクが、シリコンウェーハをパターン化するために、普通は「フォトレジスト」と呼ばれる感光レジストフィルムを選択的に露出／パターン化するためのマスクアライナーツールで用いられる紫外線を、それぞれ遮断し、通過させるのに用いられる。
【００８０】
感知機構を、一対のカバープレートの間に可撓的に懸架するための本発明の装置は、ここに記載しているクラムシェルカバー用途に限定されるものではない旨理解頂きたい。むしろ、角錐−ソケット境界面と台地−平面界面は、センサーとシリコン又は異方性エッチングを受け易い別の結晶材料から製作されるカバーとを有する、どの様な取り付け用途にでも有益に利用される。更に、ここで論じているように、本発明の可撓性懸架歪絶縁装置を説明するために、先行技術による精密機械加工された電気機械式システム（ＭＥＭＳ）装置の１つの代表的な例を提供しているが、ここで論じられているように、本発明は、従来型のＭＥＭＳ製造技法に掛けられたときに結晶シリコンと同様に反応する、どの様な結晶材料でも同様に実行可能であると理解頂きたい。従って、ここまで本発明の好適な実施形態を図示し説明してきたが、これら好適な実施形態には、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く様々な変更を施すことができる旨理解頂きたい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは、先行技術による、片持ち梁式歪み絶縁方式を備えた、精密機械加工された２センサー／１保証質量型加速度計の代表的な例を示しており、図１Ａは加速度計の平面図であり、図１Ｂは図１Ａの加速度計の組み立て図であり、図１Ｃは図１Ａの加速度計の断面図であり、図１Ｄは、図１Ａの加速度計を作動させるための既知の発振器回路である。
【図２】図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、先行技術による或る効果的な歪み絶縁技法を示しており、図２Ａは加速度計の平面図であり、図２Ｂは図２Ａの加速度計の断面図であり、図２Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂの歪み絶縁技法の代替実施形態を示している。
【図３】本発明の加速度計の断面図であり、限定するものではないが、本発明のソケット懸架装置を、歪みを絶縁するための「角錐」型ソケット懸架装置として具現化した例を示している。
【図４】様々な形状の異方性エッチングによる、精密機械加工された電気機械式センサー（ＭＥＭＳ）装置の一般的な製作プロセスを示している。
【図５】限定するものではないが、本発明の相補形の境界面の可撓性懸架装置の或る実施形態を具現化しているセンサーカバーの内側面の例を示している代表的な図である。
【図６】限定するものではないが、本発明の相補形の境界面の可撓性懸架装置の或る実施形態を具現化しているセンサーカバーの外側面の例を示している代表的な図である。
【図７】限定するものではないが、感知機構内に形成されている、複数の薄い「Ｚ」形状の可撓部又は可撓性懸架ブラケットとして具現化されている本発明の可撓性懸架装置の例を示しており、薄い「Ｚ」形状の可撓性懸架ブラケットが中に形成されている感知機構を含む加速度計の平面図である。
【図８】図７に示す加速度計の断面図である。
【図９】限定するものではないが、感知機構内に複数の薄い「Ｚ」形状の可撓性懸架ブラケットとして具現化されている本発明の可撓性懸架装置の例を示しており、薄い「Ｚ」形状の可撓性懸架ブラケットが中に形成されている感知機構を含む加速度計の平面図である。
【図１０】図９に示す加速度計の断面図である。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月18日(2006.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のカバープレートの間に感知機構を可撓的に懸架するための装置において、
結晶基板内に形成された感知機構（１１４）と、
前記各結晶基板に形成され、前記感知機構の何れかの側に取り付けられている一対のカバープレート（１０２，１０４）と、
前記感知機構と前記カバープレートの内の第１のカバープレートとの間の第１の複数の相補形の境界面（１１０，１１２）と、
前記感知機構と前記カバープレートの内の第２のカバープレートの間に可撓的に懸架されている第２の複数の相補形の境界面であって、前記可撓的に懸架されている境界面の内の１つ又はそれ以上は、更に、相補形の雄型と雌型の境界面を備えている、第２の複数の相補形の境界面（１０６，１０８）と、を備えている装置。
【請求項２】
前記第２の複数の相補形の境界面の１つ又はそれ以上は、更に、前記感知機構に予荷重を加えるために前記感知機構から離れる方向に可撓的に撓むことのできる相補形の境界面を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の複数の相補形の境界面は、更に、前記感知機構と、前記カバープレートの内の第１のカバープレートに対して固定されている複数の相補形の境界面を含んでおり、前記第１の複数の相補形の境界面は、更に、複数の平面と境界を成す複数のメサを含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記一対のカバープレートのそれぞれは、更に、基部と、前記基部の縁部に沿って伸張する壁とによって形成されている空洞を備えており、前記一対のカバープレートの前記壁は、前記感知機構を収容するための空洞を形成するため、前記感知機構の中心線に沿って相互接続されており、前記第１の複数の相補形の境界面は、前記感知機構と、前記カバープレートの内の前記第１のカバープレートの前記基部との間に固定されており、前記第２の複数の相補形の境界面は、前記感知機構と、前記カバープレートの内の前記第２のカバープレートの前記基部との間に可撓的に懸架されており、前記装置は、更に、前記一対のカバープレートの壁を接合する接着剤を備えている、請求項１に記載の装置。
【国際調査報告】
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