(57)【要約】  本明細書にて提供されるトランスデューサは不釣合いのプルーフマス（５１）を備え、それは、互いに直交する少なくとも２方向の加速を感知するように構成されている。プルーフマス（５１）は、互いに対向する第１側部（６５）及び第２側部（６７）を備えており、それらは異なる重量をそれぞれ有している。
2007530914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不釣合いのプルーフマスを備え、互いに直交する少なくとも２方向の加速を感知するように構成されたトランスデューサ。
【請求項２】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは単式プルーフマスを有するトランスデューサ。
【請求項３】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは、第１の軸に沿って配列された第１の感知フィンガーの組を備えているトランスデューサ。
【請求項４】
請求項３記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは、さらに、第２の軸に沿って配列された第２の感知フィンガーの組を備え、前記第１及び第２の軸は互いに直交しているトランスデューサ。
【請求項５】
請求項４記載のトランスデューサにおいて、
前記第１及び第２の感知フィンガーの組は、第１の面と平行である長軸を有しているトランスデューサ。
【請求項６】
請求項５記載の加速計において、
前記互いに直交する２方向のうちの一方向が前記第１の面に対して垂直である加速計。
【請求項７】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは、互いに直交する３方向の加速を感知するように構成されているトランスデューサ。
【請求項８】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記プルーフマスは、複数の感知フィンガーが配置される中央部と、その中央部に隣接し、重量が異なる対向する側部とを有しているトランスデューサ。
【請求項９】
請求項８記載のトランスデューサにおいて、
前記対向する側部は異なる大きさを有しているトランスデューサ。
【請求項１０】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記プルーフマスの下方に配置される第１及び第２の容量板をさらに備え、その容量板は、第１の面と垂直である軸に沿ったプルーフマスの動作を検出するように構成されているトランスデューサ。
【請求項１１】
請求項４記載のトランスデューサにおいて、
前記第１及び第２の感知フィンガーの組を構成する各感知フィンガーは、基板に固定されて取付けられている２つの平行なフィンガーによりそれぞれ包囲されているトランスデューサ。
【請求項１２】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記プルーフマスは、互いに直交する少なくとも２方向で弾性を有するサスペンション上の基板に取付けられているトランスデューサ。
【請求項１３】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記プルーフマスが基板上に取付けられ、前記プルーフマスの下方にて前記基板上に取付けられる２つの導電性板をさらに備えているトランスデューサ。
【請求項１４】
請求項４記載のトランスデューサにおいて、
前記第１及び第２の感知フィンガーの組は、鏡面対称である少なくとも１つの面を有するように配置されているトランスデューサ。
【請求項１５】
請求項４記載のトランスデューサにおいて、
前記第１及び第２の感知フィンガーの組は、鏡面対称である少なくとも２つの面を有するように配置されているトランスデューサ。
【請求項１６】
請求項１４記載のトランスデューサにおいて、
２つの導電性板をさらに備え、前記プルーフマスは基板上に取付けられ、前記導電性板は、前記プルーフマスの下方にある基板上に取付けられ、前記導電性板は、前記第１及び第２の感知フィンガーの組と同じ対称面を有するように配置されているトランスデューサ。
【請求項１７】
請求項１６記載のトランスデューサにおいて、
前記プルーフマスは、２つの底板間の対称線を中心に非対称であるトランスデューサ。
【請求項１８】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
少なくとも２つの対称面を有するように配置される複数のサスペンションバネをさらに備えるトランスデューサ。
【請求項１９】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは二層トランスデューサであるトランスデューサ。
【請求項２０】
互いに直交する第１及び第２の軸方向の加速を感知するように構成された第１及び第２のフィンガーの組を有し、
前記第１及び第２の軸と直交する第３の軸方向の加速を感知するように構成された第１及び第２の容量板と、
プルーフマスに取付けられ、前記プルーフマスのための少なくとも１つのアンカーとを備え、
前記プルーフマスの重量は、前記アンカー及びバネによって非対称に支持されているトランスデューサ。
【請求項２１】
請求項２０記載のトランスデューサにおいて、
前記第１及び第２の容量板は、前記プルーフマスと同じ側に配置されているトランスデューサ。
【請求項２２】
請求項２０記載のトランスデューサにおいて、
前記アンカー及び前記第１及び第２の容量板は基板上にて支持されているトランスデューサ。
【請求項２３】
請求項２０記載のトランスデューサにおいて、
前記第１及び第２の容量板は、前記第１及び第２の軸に対して垂直方向の加速を容量的に感知するように構成されているトランスデューサ。
【請求項２４】
前記トランスデューサは加速計である請求項２０記載のトランスデューサ。
【請求項２５】
前記トランスデューサは二層トランスデューサである請求項２０記載のトランスデューサ。
【請求項２６】
不釣合いのプルーフマスと、第１の軸に沿って配列された第１の感知フィンガーの組とを備えているトランスデューサ。
【請求項２７】
請求項２６記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは、さらに、第２の軸に沿って配列された第２の感知フィンガーの組を有し、前記第１及び第２の軸は互いに直交しているトランスデューサ。
【請求項２８】
請求項２６記載のトランスデューサにおいて、
前記プルーフマスの下方に配置される第１及び第２の容量板をさらに備え、前記容量板は、前記第１の面に対して垂直方向の前記プルーフマスの動作を検出するように構成されているトランスデューサ。
【請求項２９】
トランスデューサの製造方法において、
基板を提供するステップ、
前記基板上に第１の導電層を成膜するステップ、
前記第１の導電層をパターニングすることによって第１及び第２の容量構造体を形成するステップ、
前記第１の導電層上に犠牲層を成膜するステップ、
前記犠牲層上に第２の導電層を成膜するステップ、及び、
前記第２の導電層をパターニングすることによって、プルーフマスの重心が前記第１及び第２の容量構造体に対して非対称に配置されるように該導電層に前記プルーフマス及び感知フィンガーを形成するステップ、
を備える方法。
【請求項３０】
請求項２９記載の方法において、
前記犠牲層の少なくとも一部を除去して前記プルーフマスを表出させるステップをさらに備える方法。
【請求項３１】
請求項２９記載の方法において、
前記第１及び第２の導電層はポリシリコンからなる方法。
【請求項３２】
請求項２９記載の方法において、
前記トランスデューサは、前記プルーフマスと前記第１及び第２の容量構造体との間の電気容量を測定することによって前記基板に対して垂直方向の加速を感知するように構成された加速計である方法。
【請求項３３】
請求項２９記載の方法において、
前記第１及び第２の容量構造体は板である方法。
【請求項３４】
請求項２９記載の方法において、
前記プルーフマスは、長軸が第１の軸と平行である第１の感知フィンガーの組と、長軸が第２の軸と平行である第２の感知フィンガーの組とを備えている方法。
【請求項３５】
請求項２９記載の方法において、
前記プルーフマスは、前記第１及び第２の容量構造体の上方にて前記プルーフマスを支持する複数の弾性構造体を備えている方法。
【請求項３６】
請求項２９記載の方法において、
前記プルーフマスは複数の固定フィンガーを備え、各感知フィンガーは一対の固定フィンガーの間に配置されている方法。
【請求項３７】
請求項２９記載の方法において、
前記プルーフマスは、
長軸が第１の軸と平行である第１の感知フィンガーの組及び長軸が第２の軸と平行である第２の感知フィンガーの組と、
前記第１及び第２の容量構造体の上方にて前記プルーフマスを支持する複数の弾性構造体と、
複数の固定フィンガーとを備え、
各感知フィンガーは一対の固定フィンガーの間に配置され、前記第１及び第２の感知フィンガーの組、前記複数の弾性構造体、及び前記複数の固定フィンガーはいずれも少なくとも一つの鏡面対称である面を有するように配置されている方法。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法において、
前記第１及び第２の感知フィンガーの組、前記複数の弾性構造体、及び前記複数の固定フィンガーはいずれも前記第２の導電層に形成され、それらの配置は、前記第２の導電層の主表面に対して直交する面を中心に鏡面対称である少なくとも２つの面を有している方法。
【請求項３９】
請求項３８記載の方法において、
前記配置は、前記第２の導電層の主表面に対して直交する軸を中心に対称である少なくとも４回転軸を有している方法。
【請求項４０】
請求項２９記載の方法において、
前記プルーフマスは、前記第１及び第２の容量板に対して非対称に配置されている方法。
【請求項４１】
請求項２９記載の方法において、
前記プルーフマスの重心が前記第１及び第２の容量板に対して非対称に配置されるように、前記プルーフマスの表面上に材料を成膜するステップをさらに備える方法。
【請求項４２】
前記材料は金属からなる請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械センサに係り、詳しくは、プルーフマスを含むトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスデューサは、宇宙船、航空機、陸上車両、又は携帯機器等の加速度や方位を感知する慣性誘導システムとして実用化されている。また、トランスデューサは、乗客を保護するために衝撃を感知して各種装置（例えば、自動車でのエアバッグ）を展開させる車両にも使用されている。トランスデューサは、一軸、二軸、又は三軸方向の加速度や他の事象を感知するために必要である。そして、こうした情報から、装置の動作や方位等を確認することができる。
【０００３】
トランスデューサの小型化やコスト削減のための試みが行われており、種々の感知装置が提案されている。特に加速計として機能する感知装置の多くは容量構造体を有しており、それらの幾つかは、少なくとも半導体製造技術及びバルク微細加工の一方を用いて作製される。一般的な容量構造体は、ドープシリコンやその類似物等より形成される１以上の導電性プレートからなり、弾性サスペンションを介して基板上に取付けられている。そのプレートは、基板の平坦面と平行に配置されると共に、同基板上に取付けられる固定構造体及びキャパシタンスを形成する。プレートが加速して移動するとき、プレートとこれら固定構造体との間の電気容量が変化する。そして、これらの変化が装置の電子回路により感知されて、加速度を表す信号に変換される。
【０００４】
図１及び図２には、上記の容量加速計１１１の先行技術についてその一例が示されている。Ｚ軸加速（即ち、装置の主平坦面に対する垂直方向の加速）を感知可能に構成された加速度計は、捻りばねの屈曲部１１５により懸吊されてシーソー形状をなすプルーフマス板１１３を備える。このプルーフマスは、「重い」末端１１６上に位置する過剰な重量のために「不釣り合い」となっている。プルーフマス板は、基板１２３に取付けられた中央アンカー１２１により支持されている（図２参照）。装置がＺ軸方向に加速するとき、プルーフマスは、サスペンションにより定められる屈曲部の軸を中心に回動（又は傾斜）する。その結果生じる動作は、装置の加速量及び比例関係を有しており、プルーフマスの下方に配置される容量センサ板１１７，１１９により測定されて、加速を表す電気信号に変換される。釣り合っているプルーフマスはＺ軸方向の加速を受けた場合に傾斜しないことから、本装置には不釣合いのプルーフマスの利用が必要とされ、そのために、加速度を適切に感知することはない。
【０００５】
図１及び図２の装置は、Ｚ軸方向の加速のみを感知する単軸加速計である。一方、複数の軸方向の加速を感知するように構成された加速計についても技術的に知られている。そのような装置の一例を図３に示す。図３の装置は、同装置の面内にて直交する２つの軸方向の加速度を感知するように構成されたＸＹ変位加速計２３１である。その加速計はプルーフマス板２３３を備えており、同プルーフマス板２３３は、第１の感知フィンガー２４１の組及び第２の感知フィンガー２４３の組によってフレーム２３７に取付けられた中心部２３５を有している。第１及び第２の感知フィンガーの組は互いに直交するように配置されている。フレームは、複数のアンカー２４５により支持されており、それらアンカー２４５に対して一連の弾性バネ２４７を介して取付けられている。２つの直交する感知軸の軸方向で類似の加速度が感知されるように設計されたこの種類の構造にあっては、バネ２４７がＸ方向及びＹ方向で同等の剛性を有している。
【０００６】
図３では、各感知フィンガー２４１が、固定フィンガー２５１，２５２からなる２つの組によりそれぞれ包囲されている。同様に、各感知フィンガー２４３は、基板に固定された固定フィンガー２５３，２５４からなる２つの組によりそれぞれ包囲されている。プルーフマスがＹ方向に移動したとき、可動フィンガー２４１と固定フィンガー２５１，２５２との間の電気容量が変化する。同様に、プルーフマスがＸ方向に移動したとき、可動フィンガー２４３と固定フィンガー２５３，２５４との間の電気容量が変化する。本装置には、これらの電気容量の変化をＸ軸及びＹ軸方向の加速度を表す信号に変換する電子回路が設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述された加速計は、一軸又は二軸装置として作製される。しかしながら、用途によっては、互いに直交する３つの軸方向の加速度を感知できることが要求される場合がある。これは、図１の加速計を３台利用し、各加速計の感知軸を互いに直交させて配置することで実現される。しかしながら、各加速計の感知軸を他の加速計の感知軸と直交させて配置する必要があり、そのため、そうした構造からなる最終的なパッケージの容積は本質的に大きくなる。従って、パッケージ全体を一つの平面装置として形成することは不可能である。
【０００８】
また、３つの軸方向の加速を感知すると共に、上記の三軸加速計設計よりもコンパクトなトランスデューサがいくつか提案されている。そのようなトランスデューサの一例を図７及び図８に示す。図示される構成では、通常、中間層３２が、Ｘ軸及びＹ軸方向の加速を感知する容量板３０を備える単式プルーフマスとして機能する。図７及び図８の装置は、図３の装置といくつかの点で類似しているが、プルーフマスに容量的に連結されると共にプルーフマスの下方に配置され、基板１１上に取付けられた一連の導電体２３，２４，２６，及び２７と、プルーフマス３２上に配置される別の板４０，４３とを備えている。この種類の装置では、プルーフマス３０とその上部にある板４０〜４３に対するプルーフマス３０の下部にある板２３，２４，２６，及び２７との間に生じる電気容量差を測定することによって、Ｚ軸方向（即ち、基板の主表面に直交する方向）の加速が感知される。Ｘ−Ｙ面（即ち、基板の主表面）の加速は、プルーフマスとその下部にある適当な板との間（即ち、１３及び１４に対する１８及び１９、１６及び１７に対する２１及び２２）で重複する電気容量の差を測定することによって感知される。
【０００９】
図７及び図８のトランスデューサは技術的に著しく進歩し、かつパッケージ全体を小型化したものであるが、それらの構成は「三層」工程フローを必要とする。この表現は、装置内に存在する感知電気容量板、或いは製造工程により必要とされる感知電気容量板の製造に用いられる導電性材料（一般にはドープポリシリコン）からなる層の数を示している。特に、図７及び図８の装置では、プルーフマス３２、一連の導電体２３，２４，２６，２７、及び板４０，４１にそれぞれ一つの導電層が必要とされる。それに対して、図１及び図２の加速計は「二層」工程フローによって製造される。特に、これらの装置では、底板１１７，１１９が第１の導電層から形成され、プルーフマス１１３が第２の導電層から形成されている。二層工程フローと比較して、三層工程フローは、少なくとも２つの別のマスキング工程を要する点で望ましくない。その結果、三層工程により製造される装置は、二層工程により製造される類似の装置よりも製造コストが高くなり、歩留まりの低下を招く。
【００１０】
また、三層工程フローで製造されたトランスデューサは、二層工程フローで製造されるものと比べて、パッケージ化に伴い生じるパッケージ応力や導電層の応力勾配などの影響を受けやすい。これらの影響は、装置のＺ軸出力の場合に特に問題となる。このことは、基板１２９上に支持される上層１２３、中間層１２５、及び下層１２７を含む一般的な三層装置１２１を示す図９から理解される。中間層１２５及び上層１２３は、基板１２９から数ミクロン上方にて支持されている。そのため、装置が基板面内の軸方向に負荷を受ける際にＺ軸方向に変形する傾向がある。そのような力は、通常、例えば、温度サイクル時に生じる。さらに、導電層１２３，１２５に生じる応力勾配は、それらの層の変形（屈曲）に影響を及ぼす。上層の変形により上層及び中間層間の電気容量１３１が変化するため、装置のＺ軸出力に変動をもたらす。パッケージ応力は、トランスデューサのダイをエラストマー（時々「ドームコート」とも称される）によりコーティングすることで低減される。しかしながら、そのようなコーティングは製造工程を複雑化させてしまう。
【００１１】
そこで、複数の軸方向について感知可能であり、二層工程フローにより平面構造体として作製することもでき、パッケージ応力及び導電層応力の勾配の影響をほとんど受けることなく、パッケージ応力を低減させるためにのドームコートや他の機構などを必要としない、小型の単式ダイトランスデューサが技術的に求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一つの態様において、不釣合いのプルーフマスを有し、互いに直交する少なくとも２方向、好ましくは３方向の加速を感知可能に構成されたトランスデューサが提供される。トランスデューサは、好ましくは、三つの軸の全てで弾性を有するサスペンション上の基板に取付けられた一つの単式プルーフマスと、そのプルーフマスの下方の基板に取付けられた２つ以上の導電性板とを含む。プルーフマスは、好ましくは、第１の軸に沿って配列された第１の感知フィンガーの組、及び第２の軸に沿って配列された第２の感知フィンガーの組を備え、第１及び第２の軸は互いに直交している。通常、第１及び第２の感知フィンガーの組を構成する各感知フィンガーは、基板に固定され、取付けられると共に平行に配置された２つの感知フィンガーにより包囲されている。第１及び第２の感知フィンガーの組は、好ましくは、少なくとも２つの対称面、より好ましくは、少なくとも４つの対称面を有するように配置されている。また、導電性板が第１及び第２の感知フィンガーの組と同じ対称面で配列されたり、少なくとも２つの対称面を有するように配置された弾性バネ上に基板が取付けられたり、また、２つの底板間の対称線を中心にプルーフマスが非対称であることも好ましい。トランスデューサにおける第１及び第２の感知フィンガーの組は、好ましくは、第１の面に平行な長軸を有し、また、互いに直交する２方向のうちの一方向が第１の面に対して垂直である。トランスデューサのプルーフマスは、複数の感知フィンガーが配置された中央部と、それに隣接して設けられ、異なる重量を有する反対側の側部とを有する。反対側の側部は、異なる寸法を有していることが好ましい。トランスデューサは、更に、プルーフマスの下方に配置される第１及び第２の容量板を有してもよく、それらは、第１の面に対し垂直方向のプルーフマスの動作を検出するように構成されている。
【００１３】
別の態様において、例えば加速計等のトランスデューサであって、互いに直交する第１及び第２の軸方向の加速を感知可能に構成された第１及び第２のフィンガーの組と、第１及び第２の軸と直交する第３の軸方向の加速を感知可能に構成された第１及び第２の容量板と、それぞれがバネによりプルーフマスに取付けられた複数のプルーフマス用アンカーとを備え、プルーフマスの重量がアンカーによって非対称に支持されるトランスデューサが提供される。第１及び第２の板は、通常、プルーフマスと同じ側部上に（垂直に）配置され、かつ基板上に支持されており、第１及び第２の軸に対して垂直方向の加速を容量的に感知可能に構成されている。
【００１４】
さらに別の態様において、トランスデューサの製造方法であって、基板を提供するステップ、その基板上に第１の導電層を成膜するステップ、第１の導電層をパターニングして第１及び第２の容量構造体を形成するステップ、第１の導電層上に犠牲層を成膜するステップ、その犠牲層上に第２の導電層を成膜するステップ、及び第２の導電層をパターニングしてプルーフマスの重心が第１及び第２の板に対して非対称に位置するようにプルーフマスを形成するステップを備える方法が提供される。第１及び第２の導電層は金属からなるが、好ましくは、ポリシリコンからなり、また、第１及び第２の容量構造体は板である。第１及び第２の板に対して非対称に配置されるプルーフマスは、好ましくは、長軸が第１の軸と平行である第１の感知フィンガーの組と、長軸が第２の軸と平行である第２の感知フィンガーの組とを備えている。また、プルーフマスは、好ましくは、各感知フィンガーが一対の固定フィンガー間に配置されるような複数の固定フィンガーと、第１及び第２の容量構造体の上方にてプルーフマスを支持する複数の弾性構造体とを備えている。トランスデューサは、プルーフマスと第１及び第２の容量構造体との間の電気容量を測定し、それにより基板に垂直方向の加速を感知するように構成される加速計であってもよい。好ましくは、第１及び第２の感知フィンガーの組、複数の弾性構造体、及び複数の固定フィンガーは、少なくとも一つの面、より好ましくは、少なくとも２つの面を有し、かつ第２の導電層の主表面に直交しつつ鏡面対称をなすように配置される。前記方法は、犠牲層の少なくとも一部を除去してプルーフマスを表出させるステップ、又は、プルーフマスの重心が第１及び第２の板に対して非対称に位置するようにプルーフマスの表面上に金属を成膜するステップをさらに有してもよい。
【００１５】
本明細書にて示唆するこれらの態様、及び他の態様を更に詳細に以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
加速計、トランスデューサ、又はそれらを製造する工程フローに関し本明細書中に用いられる「二層」及び「三層」といった用語は、装置に存在するか、或いは製造方法により必要とされる感知電気容量板を作製するのに使用される導電性材料（通常はドープポリシリコン）の層の数を示している。
【００１７】
本明細書の示唆において、例えば加速計や他の感知装置等の小型単式ダイトランスデューサは、二層工程フローで作製されるものとして提供されている。二層工程フローから製造される実施形態は、通常の三層工程フローよりも簡単であり、かつ安価に実施することができる。さらに、得られるトランスデューサは、第３の導電層からのパッケージ応力の感度に影響を及ぼすことはない。トランスデューサは、互いに直交する２以上の軸方向で感知するように構成されている。
【００１８】
図４及び図５には、本明細書の示唆により製造されるトランスデューサ５１の一実施形態が示されている。装置は、Ｙ感知フィンガー５７及びＸ感知フィンガー５９によりフレーム５５から支持される中心部５３を備えている。次いで、フレームは、好ましくは、互いに直交し３方向で弾性を有する一連のバネ６３を介して複数のアンカー６１に取付けられている。アンカーは、ダイや他の基板７５上に取付けられている（図５参照）。各Ｙ感知フィンガー５７は、２対の固定フィンガー６６及び６８によって包囲されている。同様に、各Ｘ感知フィンガー５９は、２組の固定フィンガー６２，６４によって包囲されている。トランスデューサがＸ軸方向に加速するとき、Ｘ感知フィンガー５９と、隣接する固定フィンガー６２，６４との間の距離が変化し、それにより、これらフィンガー間の電気容量が変化する。こうした電気容量の変化が感知回路（不図示）により記録されて、その軸方向の加速を表示する出力信号に変換される。Ｙ軸方向の加速は、Ｙ感知フィンガー５７と対応する固定フィンガー６６,６８との間の電気容量の変化を記録することによって同様に感知される。
【００１９】
フレーム５５は、重量が異なる対向する側部６５，６７を有する。この特定の実施形態において、これは、対向する側部６５及び６７の厚さ及び幅をそれぞれ略同等にし、一方でそれらの長さを異ならせてフレームを構成することにより実現される。その結果、側部６５は、側部６７よりも大きい重量を有し、そのため、Ｚ軸方向の加速に応じてＹ軸を中心にプルーフマス５２（フレーム５５及び中心部５３を有する）の回転／傾斜を生じさせる。この場合の加速は、プルーフマスの下方に配置された容量板７１，７３によって感知される。
【００２０】
図４及び図５の装置において、Ｙ感知フィンガー５７、Ｘ感知フィンガー５９、固定フィンガー６２，６４，６６，６８、及びバネ６３はいずれも等間隔で配置され、これら要素の配列が鏡面対称である２つの面を有するように中心部５３の対向する側部に配置されている。そのような対称性は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の加速を感知する際に装置が各軸方向に生じる加速成分のみを感知できるように、軸横断方向の感度がほぼ打ち消されるという点で有利となる。特に、このような対称性は、１つの感知フィンガーにて生じる各軸の横断方向の感度が、それと等価であるが正反対である他の感知フィンガーにて生じる軸横断方向の感度により打ち消されるという効果を有する。
【００２１】
本明細書の示唆によって、プルーフマスの種々の構造を採用することができる。そのような構造の一例を図６に示す。図６のトランスデューサ８１は、第１及び第２の感知フィンガーの組８７，８９によりフレーム８５から支持される中心部８３を備えている。第１の感知フィンガーの組８７は、固定フィンガー８６及び固定フィンガー８８間に配置されている。同様に、第２の感知フィンガーの組８９は、固定フィンガー８２及び固定フィンガー８４間に配置されている。次いで、フレームは、好ましくは、互いに直交する３方向で弾性を有する一連のバネ９３により包囲されている。各バネは、アンカー９１に取付けられている。アンカー９１及び固定フィンガー８２，８４，８６，８８は、ダイや他の基板（不図示）上に取付けられている。
【００２２】
フレームは、重量が異なる対向する側部９５及び９７を有する。図４及び図５の実施形態と同様に、これは、対向する側部９５，９７の厚さ及び幅をそれぞれ略同等にし、一方でそれらの長さを異ならせてフレームを構成することにより実現される。その結果、側部９５は、側部９７よりも大きい重量を有する。プルーフマスは、Ｚ軸方向の加速に応じてＹ軸を中心に傾斜する。この場合の加速は、プルーフマスの下方に配置された容量板１０１，１０３によって感知される。
【００２３】
図４及び図５のトランスデューサでは、第１及び第２の感知フィンガーの組６７，６９、固定フィンガー６２，６４，６６，６８、及びバネ６３の配列がいずれも鏡面対称である２つの面を有するように設計されていた。同様に、図６のトランスデューサ８１では、中心部８３を支持するのに用いられる第１及び第２のフィンガーの組８７，８９、固定フィンガー８２，８４，８６，８８、バネ９３がいずれも鏡面対称である２つの面を有するように配置されている。両面の配置によって、軸横断方向の感度を効果的に無くすことができる。
【００２４】
図４及び図５の実施形態において、プルーフマスの一端を他端よりも大きくすることにより、プルーフマスにおける重量の位置が非対称となるようにしていた。しかしながら、他の方法によっても、同様の結果を得ることは可能である。例えば、図４及び図５の対向側部６５，６７の長さ及び幅を同等にし、一方でそれらの厚さを異ならせる方法が考えられる。選択的金属化や層の更なる付加や構造体の更なる付加等、前記両側部の一方に対する材料の選択的な付加によって、両側部の一方の重量を他方より大きくすることもできる。プルーフマスの重量を増加させるための手法が、２００３年４月２９日に出願され、代理人事件整理番号ＳＣ１２４７７ＺＰが付され、全ての内容が本明細書に参照として組み込まれ、同一出願人により同時係属出願された米国特許出願番号１０／４２６１４８に記載されている。
【００２５】
上述したトランスデューサの構成は多くの利点を有している。例えば、これらの装置は、図１及び図２の一軸加速計や図３の二軸加速計に用いられる同種の二層工程フローで製造され、上述されたことに付随して得られる全ての利点を有している。さらに、これらトランスデューサのコンパクト性によって、トランスデューサを特定のＡＳＩＣ（特定用途の集積回路）と共に一つの小ケース（一軸加速計で用いたのと同様のもの）中に入れてパッケージ化することができる。これらのトランスデューサでは、既存の三軸トランスデューサよりもその構成が簡素化されており、幾つかの実施形態では、３つの全ての感知軸が同じ中間層を用いるために、プルーフマス及び可動要素接着パッドをそれぞれ一つだけ必要としている。それとは対照的に、各方向の感知を行うために各別のトランスデューサを用いる装置では、各トランスデューサがプルーフマスをそれぞれ有しており、可動要素接着パッドがそれぞれ備えられている。さらに、本明細書に開示されるトランスデューサは、単一のパッケージ化された装置として、一軸トランスデューサとほぼ同じ製造コストで製造されることから、各別のトランスデューサから製造される三軸装置よりも実質的に安価に製造することができる。それとは対照的に、各別のトランスデューサから作製される三軸装置ではその製造コストが約３倍となってしまう。
【００２６】
また、本明細書に記載の設計によれば、ポリシリコンの応力勾配及びパッケージ応力に対する耐久性を備えることもできる。これは、図１０を参照すれば理解することができる。ここで示すトランスデューサ１４１は、第１及び第２の感知板１４７，１４９の形態を有する第１の導電層、第２の導電層１４５、及び基板１５１を備えている。第２の導電層１４５は、第１の感知板１４７と共に第１のキャパシタンス１５５を形成すると共に、第２の感知板と共に第２のキャパシタンス１５３を形成する。パッケージ応力によって第２のポリシリコン層を垂直方向に移動させる基板１５１の面内歪み（伸張）が生じ、そのため、第２のポリシリコン層１４５と、第１の感知板１４７及び第２の感知板１４９のそれぞれとの隙間を増大させる。しかしながら、図９に示す三層装置での状況とは対照的に、図１０の二層装置では、第２のポリシリコン層１４５が垂直方向に移動したとき、両感知板１４７，１４９との間に生じる隙間の変化量はほぼ等しくなっている。その出力は容易に実装される感知回路のための電気容量１５３と電気容量１５５との割合と比例関係を有するため、このような動作の結果、出力信号の変化が生じることはない。同様に、第２の導電層１４５の応力勾配によって、図１０に示すような屈曲がもたらされる。しかしながら、第１及び第２の感知板１４７，１４９が第２の層１４５のためのアンカー位置に対し対称に配置されているため、第２の導電層１４５において応力勾配により屈曲したとしても、その結果、出力信号の変化が生じることはない。
【００２７】
本明細書に記載のトランスデューサは多種多様な方法によって製造される。それら方法の一例を図１１〜図１７に示す。
図１１に示すように、通常はシリコン製の基板７５が提供される。第１の導電性材料からなる第１の導電層７０が基板の主表面上に成膜される。幾つかの応用においては、第１の導電層の成膜に先立ち、その層が付与される表面が、誘電体材料からなる一以上の層によってコーティングされる。第１の導電層７０は、好ましくは、ポリシリコンからなる（幾つかの応用では適切にドープされてもよい）が、他の半導体材料や各種金属から形成してもよい。
【００２８】
第１の導電層７０の成膜後、同第１の導電層７０をマスキングし、パターニングし、そしてエッチングすることで（不図示）、図１２に示す容量板７１，７３が形成される。次に、図１３に示すように、容量板７１，７３を覆うように犠牲層７２が成膜される。犠牲層は、好ましくは、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）であるが、技術的に知られる他の適切な犠牲材料から形成してもよい。
【００２９】
続いて、図１４に示すように、一連のコンタクト開口７４，７６を犠牲層に形成することで、バネサスペンション系や固定フィンガー６２，６４（図４参照）のためのアンカー６１がそれぞれ形成される。犠牲層がリンケイ酸ガラスである場合、このことは、基板７５にてエッチング停止挙動を示す適切なオキサイドエッチングを行うことにより実現される。図１５に示すように、第２の導電性材料５２が開口内に、かつ犠牲層７２を覆うように成膜される。第２の導電性材料は、好ましくは、ポリシリコンからなる（幾つかの応用では好適にドープされてもよい）が、種々の金属から形成してもよい。より好ましくは、第２の導電性材料は、第１の導電性材料層７０と同種の材料か、或いは類似の材料から形成される（図１１参照）。最も好ましくは、第１及び第２の導電性材料はいずれもポリシリコンからなる。第２の導電性材料５２は、化学蒸着（ＣＶＤ）や技術的に知られる他の適切な手法を用いて成膜される。
【００３０】
次に、第２の導電層をマスキングし、パターニングし、そしてエッチングすることによって（不図示）、図１６に示すプルーフマスの各種要素が形成される。図示される特定の実施形態において、それには、バネアンカー６１、固定フィンガー６２，６４、感知フィンガー５９、及びバネ６３等が含まれる。次に、好適なエッチング液を用いて構造体の表出が行われて、図４の１７−１７線に沿った断面図である図１７に示すようなデバイス構造体が得られる。犠牲層がリンケイ酸ガラスである場合、エッチング液としてフッ化水素水溶液を用いることが好ましい。
【００３１】
上記の方法において、犠牲層は、好ましくはリンケイ酸ガラスからなり、それを覆う第２の導電性材料は、好ましくはポリシリコンからなる。これらの材料の使用は、構造体の表出のために使用されるＨＦ水溶液がポリシリコンに対し高選択性を有している点で有利となる。従って、バネ及び固定フィンガーのためのアンカーを形成するコンタクト７４，７６（例えば図１４参照）がポリシリコンにより覆われているとき、また、フッ化水素水溶液を用いて構造体の表出を行うとき、それらアンカーとの境界線が良好に画定され、エッチング時間やフッ化水素濃度等の表出エッチング工程に関するパラメータから比較的独立している。
【００３２】
小型三軸単式ダイトランスデューサ、及びその製造方法について本明細書において説明してきた。このように、二層ポリシリコン工程フローで平面構造をなすように製造されるトランスデューサは、三層工程で構成されるものと比較して容易に製造される。
【００３３】
本発明に係り上述された説明は例示目的であり、本発明を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、上述された実施形態に様々な追加、置換、及び変更を加えてよいことは明白である。従って、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲にのみ基づき解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来のＺ軸加速計を示す図。
【図２】図１の２−２線に沿った断面図。
【図３】従来のＸＹ加速計を示す図。
【図４】本明細書の示唆に従い作製される三軸加速計の第１の実施形態を示す図。
【図５】図４に示す装置の不釣合いのプルーフマスを示す模式断面図（図４の１７−１７線に沿ったより詳細な断面図を図１７に示す）。
【図６】本明細書の示唆に従い作製される三軸加速計の第２の実施形態を示す図。
【図７】三層工程フローによって作製される従来の加速計を示す図。
【図８】図７の８−８線に沿った断面図。
【図９】三層工程フローにより作製される加速計におけるパッケージ応力の効果を説明するための図。
【図１０】本明細書の示唆に従い作製される加速計におけるパッケージ応力の効果を説明するための図。
【図１１】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【図１２】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【図１３】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【図１４】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【図１５】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【図１６】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【図１７】本明細書の示唆に従うトランスデューサの製造方法の一実施形態を示す図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年7月6日(2007.7.6)
【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】
不釣合いのプルーフマスを備え、互いに直交する少なくとも２方向の加速を感知するように構成されたトランスデューサ。
【請求項２】
請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記トランスデューサは、互いに直交する３方向の加速を感知するように構成されているトランスデューサ。
【請求項３】
互いに直交する第１及び第２の軸方向の加速を感知するように構成された第１及び第２のフィンガーの組を有し、
前記第１及び第２の軸と直交する第３の軸方向の加速を感知するように構成された第１及び第２の容量板と、
プルーフマスに取付けられ、前記プルーフマスのための少なくとも１つのアンカーとを備え、
前記プルーフマスの重量は、前記アンカー及びバネによって非対称に支持されているトランスデューサ。
【請求項４】
不釣合いのプルーフマスと、第１の軸に沿って配列された第１の感知フィンガーの組とを備えているトランスデューサ。
【請求項５】
トランスデューサの製造方法において、
基板を提供するステップ、
前記基板上に第１の導電層を成膜するステップ、
前記第１の導電層をパターニングすることによって第１及び第２の容量構造体を形成するステップ、
前記第１の導電層上に犠牲層を成膜するステップ、
前記犠牲層上に第２の導電層を成膜するステップ、及び、
前記第２の導電層をパターニングすることによって、プルーフマスの重心が前記第１及び第２の容量構造体に対して非対称に配置されるように該導電層に前記プルーフマス及び感知フィンガーを形成するステップ、
を備える方法。
【国際調査報告】
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