(57)【要約】  最大化された双方向の対称的な減衰のために最適化されて数千Ｇを超える加速度範囲に対応するプルーフマスを備えた新たな高Ｇ範囲減衰加速度センサを提案する。この高Ｇ範囲加速度センサは、最大限の双方向の対称的な減衰を達成するために、プルーフマスの質量を最小にする一方でその表面積を最大化するように設計される。このような高Ｇ範囲減衰加速度センサは、極めて高い頻度での減衰（すなわちリンギングの抑制）が望まれるあらゆる用途に適用することができる。【選択図】図１Ａ
2013501941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサの減衰を最大化するための、最小質量及び最大表面積を有するプルーフマスと、
前記プルーフマスの動きを減衰するための、前記プルーフマスの両面上の１又はそれ以上のダンパと、
前記プルーフマスをフレームに接続する１又はそれ以上の測定支持部と、
を備え、前記フレームが、加速度を測定するための測定対象に前記センサを接続する、
ことを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
平面を通じた加速度を測定するために、一方が前記プルーフマスのいずれかの長辺に沿った２つの片持ち式測定梁をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記測定梁から前記フレームへの電気経路を提供する、前記片持ち梁の外側にある一対の片持ち梁をさらに備える、
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記プルーフマスから前記フレームへの電気経路を提供するとともに、前記測定梁を横切る加速に対抗する機械的支持も行う、前記プルーフマスの前記短い端部に沿った一対の片持ち梁をさらに備える、
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記１又はそれ以上の測定支持部の各々が、ピエゾ抵抗ゲージ、溝、及び電気接点をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサの対称的な減衰を実現するために、前記プルーフマスの２つの相対する側の表面積の大きさがほぼ等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記センサの双方向の減衰を実現するために、前記プルーフマスが２つの相対する面を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
各々のダンパが気体のスクイーズ膜である、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
振動の調整から生じる疑似信号を避けるために、前記ダンパが、前記プルーフマス１０２の両側でほぼ同様に機能する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記センサが、該センサに加わる加速の方向に応じて前記プルーフマスの両側からの前記動きの捕捉を最大化するために、十分な強固なフレームによって一体に保持された面の形の軽量構造を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記プルーフマスが、開いたセル及び閉じたセルを有する一方で、減衰及び結合のための十分な表面積を保持する、
ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記セルが格子状に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記セルが列状に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記セルの境界が、見える狭い壁及び見えない狭い壁で形成される、
ことを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記壁が、前記加速度センサの構造に良好な剛性を残したままで非常に薄くかつ狭い、
ことを特徴とする請求項１４に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
加速度計（加速度センサ）は、バネ上に振動マス又はプルーフマスを含む。加速度計が重力などの外力を受けると、バネの力により、外力が平衡を保つまでプルーフマスが変位する。この変位が、加速度に比例する電気信号に変換される。
【０００２】
最新の加速度計は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）であることが多く、いくつかの設計は、１又はそれ以上の片持ち梁によって懸架されたプルーフマスに基づく。外部加速の影響下では、プルーフマスが中立位置から偏向する。この偏向を、何らかの変換方法を使用して測定する。最も一般的には、固定した梁の組と、プルーフマスに取り付けた梁の組との間の静電容量を測定する。この方法は、単純で信頼性が高い上にコストもかからないが、感知部品の近くで信号を調整する必要がある。ピエゾ抵抗素子をバネに統合してバネの変形、従って偏向を検出することは良好な代替案であるが、製造工程中に２、３のさらなる処理段階が必要となる。超高感度のためには量子トンネルも使用されるが、これには専用処理が必要であり、コストが非常に高くなる。実験室規模では、光学的測定が行われてきた。
【０００３】
これらよりもずっとまれではあるが、別の種類のＭＥＭＳベースの加速度計に、非常に小さなドームの底部に小型ヒータを含み、このヒータがドーム内の空気を加熱して上昇させるものもある。ドーム上の熱電対が、加熱空気がドームのどこに到達するかを特定し、中心から外れた偏向が、センサに加わる加速度の尺度となる。
【０００４】
ほとんどの微小電気機械加速度計は面内で動作し、すなわちダイの平面内の一方向にのみ敏感に反応するように設計される。単一のダイ上に２つの装置を垂直に統合することにより、２軸加速度計を作成することができる。追加の面外装置を加えることにより、３軸を測定することもできる。このような組み合わせでは、３つの異なるモデルをパッケージ化後に組み合わせるよりも不整合誤差が常に大幅に少ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，９８８，４１２号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３９２，７１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微小機械加速度計は、最大数千Ｇ以上に達する様々な測定範囲で利用することができる。例示として、及び限定ではなく、高Ｇセンサでは、少なくとも１０，０００Ｇの測定範囲を達成することができる。高Ｇセンサでは、プルーフマス及びプルーフマスの支持フレームの動き又はリンギングを適切に減衰又は抑制するための減衰機構（ダンパ）を含むように設計し、非限定的な例として、スクイーズ膜による減衰を達成できるようにすべきである。設計者は、感度と測定できる最大加速度の間で妥協を図らなければならない。加速度センサの設計には、その他の基本的な経済的制限も存在する。非限定的な例として、センサのサイズを小型化することは、センサのコスト及び用途のいずれにとっても重要であり、センサの製造手段を確立しなければならない。
【０００７】
既存の低範囲加速度センサを高範囲加速度センサに適合させる方法が存在する。１つの方法は、（プルーフマスを支持するフレームなどの）センサの測定構造を強化することであるが、このような強化は、プルーフマスの利用可能な減衰の限度、及びセンサのダンパへの結合の限度をいずれもすぐに超える。別の方法は、プルーフマスの面積を小さくすることである。しかしながら、プルーフマスの面積を小さくすると、ダンパとの結合も線形的に弱くなり、ダンパの減衰係数及び有効性が線形的よりも激しく低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した関連技術の例及びこれらに関する限定は例示を目的とするものであり、排他的なものではでない。本明細書を読んで図面を検討すると、関連技術のその他の限定が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１（ａ）】完全な高Ｇ範囲加速度センサの例を示す図である。
【図１（ｂ）】測定支持部の例の詳細図である。
【図２（ａ）】格子状に配置された、相対する開いた及び閉じた／平らな外皮及びセルを含む高Ｇ範囲加速度センサのプルーフマスの例を示す図である。
【図２（ｂ）】格子状に配置された、相対する開いた及び閉じた／平らな外皮及びセルを含む高Ｇ範囲加速度センサのプルーフマスの例を示す図である。
【図３】図２（ｂ）に示す高Ｇ範囲加速度センサの様々な部分を単純化して圧縮した断面図例である。
【図４】図３の圧縮断面図に示す高Ｇ範囲加速度センサを、ＤＲＩＥ技術を使用して製造する過程の例を示す図である。
【図５】図３の圧縮断面図に示す高Ｇ範囲加速度センサを、ＤＲＩＥ技術を使用して製造する過程の例を示す図である。
【図６】図３の圧縮断面図に示す高Ｇ範囲加速度センサを、ＤＲＩＥ技術を使用して製造する過程の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
同じ参照番号が同様の要素を示す添付図面の図に、本装置を限定ではなく一例として示す。なお、本開示における「ある（ａｎ）」又は「１つの（ｏｎｅ）」又は「いくつかの（ｓｏｍｅ）」実施形態に対する言及は、必ずしも同じ実施形態を示すわけではなく、このような参照は少なくとも１つの実施形態を意味する。
【００１１】
最大化された双方向の対称的な減衰のために最適化されて数千Ｇを超える加速度範囲に対応するプルーフマスを備えた高Ｇ範囲減衰加速度センサを提案する。この高Ｇ範囲加速度センサは、最大限の双方向の対称的な減衰を達成するために、最大表面積を有するプルーフマスの質量が最小になるように設計される。このような高Ｇ範囲減衰加速度センサは、極めて高い頻度での減衰（すなわちリンギングの抑制）が望まれるあらゆる用途に適用することができる。
【００１２】
図１（ａ）に、完全な高Ｇ範囲加速度センサ１００の例を示しており、この加速度センサ１００は、能動部品であるプルーフマス１０２と、加速度センサ１００の支持フレーム１０４の頂部及び底部を形成する２つの受動部品である「蓋部」１０６及び「基部」１０８とを含む。ここでは、フレーム１０４は、（プルーフマス１０２及び測定支持部１１２などの）測定システムを測定対象１１４に接続する物理的構造である。蓋部１０６と基部１０８の間のプルーフマス１０２の両面上には、それぞれダンパ１１０を配置して、測定対象（図示せず）の加速運動を測定する際にプルーフマス１０２のリンギングを抑制する。測定支持部１１２は、プルーフマス１０２をフレーム１０４に接続する物理的構造である。図１（ｂ）は、測定支持部１１２の一例の詳細図である。ここでは、１０２が図１（ａ）に示すプルーフマス全体を表し、１０４が支持フレーム全体を表す。図１（ｂ）に示すように、測定支持部１１２は、測定支持部１１２上にエッチング処理された溝１２０を覆うピエゾ抵抗ゲージ１１６をさらに含み、このピエゾ抵抗ゲージ１１６は、測定した加速度を電気信号に変換する。ピエゾ抵抗ゲージ１１６に接続された電気接点１１８により、測定した電気信号が外部回路に供給される。本出願で全体的又は部分的に利用するのに適したピエゾ抵抗ゲージ及びその他の構成要素のより詳細な説明は、米国特許第６，９８８，４１２号及び米国特許第７，３９２，７１６号に開示されている。
【００１３】
１つの実施形態では、ダンパ１１０が、その周囲の気体及び空間で構成される。１つの実施形態では、プルーフマス１０２のいずれかの側で気体のスクイーズ膜をダンパ１１０として利用して、加速中のプルーフマスの動きを減衰することができる。ここでは、振動の調整から生じる疑似信号を避けるために、気体スクイーズ膜をプルーフマス１０２の両側にほぼ同様に適用しなければならない。ダンパ１１０が正しく機能するには、その減衰係数、減衰力／減衰速度が、プルーフマス１０２及びその測定支持部１１２の臨界減衰と同等でなければならず、この臨界減衰は、プルーフマスと測定支持部の強度の積の平方根の２倍である。また、ダンパ１１０の強度は、プルーフマス１０２の支持部１１２の強度と同等（又はそれ以上）でなければならない。
【００１４】
１つの実施形態では、サイズを大幅に減少させずに低Ｇ範囲加速度センサからプルーフマス１０２の一部を除去することにより、加速度範囲が５００Ｇ〜２，０００Ｇの低Ｇ範囲加速度センサから高Ｇ範囲加速度センサ１００を作成することができる。この質量の除去では、低Ｇ範囲形態の加速度センサの減衰機能及び有効性を持続するプルーフマスの（単複の）表面は残しておく。
【００１５】
１つの実施形態では、プルーフマスの動きによって生じる空気の動きの捕捉を最大化するための、フレームが軽く風を捉えるために表面積が広い、凧に似た網目状の垂直壁から成る十分に強固なフレームによって一体に保持された外皮（表面）状のプルーフマスの軽量構造により、高Ｇ範囲加速度センサの表面積が最大でプルーフマスが最小の設計を達成することができる。しかしながら、凧とは異なり、センサのプルーフマスは、センサに加わる加速度の方向に応じて、両側からの空気の動きを捕捉できる必要がある。このセンサは、２つの相対するプルーフマスの表面の構造の真ん中にフレームを設けることにより、このような双方向性を達成する。最後に、プルーフマスの両側に同じサイズの表面積を設けることにより、対称的な減衰を達成することができる。
【００１６】
１つの実施形態では、プルーフマスの中心から質量体を除去し、相対する外皮／表面及び内部空洞を残して、開いたセルを形成することができる。１つの実施形態では、プルーフマスから除去する質量体の量を、約５０〜９０％の量にすることができる。プルーフマスの半分又はそれ以上を除去しても、ダンパからプルーフマスへの正しい結合、及び通常は非常に高範囲の加速度センサに関連するプルーフマスのリンギングを抑制するのに十分な減衰係数が依然として保たれる。
【００１７】
図２（ａ）に、質量体の８７％を除去した、格子状に配置された相対する開いた及び閉じた／平らな外皮及びセルを有する高Ｇ範囲加速度センサのプルーフマス２００（図１の１０２）の例を示す。或いは、セルを格子状の代わりに列状に配置することもできる。図２（ａ）は、セルの境界２１０に存在する見える狭い壁２０６及び見えない狭い壁２０８で格子状に配置された開いたセル２０２及び平らな又は閉じたセル２０４で構成された、センサの「核」とも呼ばれるプルーフマス２００の部分を示す上面図である。図２（ａ）に示すように、プルーフマスを空洞（開いたセル）２０２でいっぱいになるようにエッチング処理する一方で、減衰及び結合のための平らな外皮／表面積２１２を十分に保持することができる。
【００１８】
図２（ｂ）に、加速度センサの核であるプルーフマスを含む高Ｇ範囲加速度センサを示す。図２（ｂ）の中央領域が、開いたセル２０２及び閉じたセル２０４を有するプルーフマス２０２である。プルーフマス２００は、一方がプルーフマス２００のいずれかの長辺に沿った２つの片持ち梁２１４により、平面を通じた動きに対抗して支持される。平面を通じた加速度の測定は、質量端部及びこれらの片持ち梁２１４のフレーム端部に存在するピエゾ抵抗構造によって行われる。測定用片持ち梁２１４の外側の別の一対の片持ち梁２１６は、測定用梁２１４から図１に示すフレーム１０４への電気経路を提供する。プルーフマス２００の短い端部に沿ったさらに別の一対の片持ち梁２１８は、プルーフマス２００からフレーム１０４への電気経路を提供するとともに、測定用片持ち梁２１４を横切る加速に対抗する機械的支持も行う。プルーフマス２００に溝をエッチングするために使用するスロット２２０は、剛性を高めるための、表面２１２を横切る連続線又はリブ２２２によって遮断される。スロットに対する遮断は狭く、以下で詳述する深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術で実現することができる。
【００１９】
図３は、図２（ｂ）に示す高Ｇ範囲加速度センサの様々な部分を単純化して圧縮した断面図の例である。これらの部分は、以下に限定されるわけではないが、少なくとも（側面及び断面を示す）ゲージ及びヒンジ３１０、基板接点３２０、穴３３０、片持ち梁３４０、及び屈曲バー３５０といった構成要素を含む。
【００２０】
１つの実施形態では、以下に限定されるわけではないが、シリコンエッチング、ドライシリコンエッチング、犠牲層エッチングなどの様々なエッチング法を通じてプルーフマスから質量体を除去することにより、プルーフマスが最小で表面積が最大の高Ｇ範囲加速度センサを実現することができる。
【００２１】
１つの実施形態では、高Ｇ範囲加速度センサの製造に深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）技術を使用する。より詳細には、ＤＲＩＥは、ウェハ内に垂直にエッチング処理を施して入り込んだ面を消費するが、反対側の面を手付かずで残す可能性がある。図２（ａ）〜（ｂ）に示すような格子状のプルーフマスの両面にＤＲＩＥを適用した場合、元々の面の約半分は消費されるが、プルーフマスには、共用するセル壁とともに一連の開いたセルが残る。セル底部の半分は一方の面に存在し、半分は他方の面に存在する。図２（ｂ）に示す高Ｇ範囲加速度センサでは、セルのサイズ及び形状をより大きな構造に適合するように調整することができる。１つの実施形態では、加速度センサの構造に良好な剛性を残したままで、共有セル壁を非常に薄くかつ狭くすることができる。製造管理では、製造ロット全体を通じて一様に薄いセル底部を残すようにエッチング処理することが課題となる場合があるので、セル底部はセル壁よりも厚くなる傾向にある。
【００２２】
図４〜図６に、図３の圧縮断面図に示す高Ｇ範囲加速度センサを、ＤＲＩＥ技術を使用して製造する過程の例を示す。以下、電気的特性を有する面（ゲージ、接点、トレース）を前面と呼び、スロット及び空洞のみを有する面を裏面と呼ぶ。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、まずウェハの前面上で最初の酸化を行う。次に、図４（ａ）に示すように、拡散マスク、酸化物エッチング、レジスト除去、ホウ素又はその他の材料の蒸着、埋め込みマスク、埋め込み、レジスト除去、及びアニール処理のうちの１又はそれ以上を施してピエゾ抵抗素子を作成することができる。高度にドープされた拡散領域を接点として形成し、低度にドープされた領域を前面のゲージとして形成する。
【００２４】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、高Ｇ範囲加速度センサを製造する過程は裏面へと続き、裏面でのヘッドスタートマスク、酸化物エッチング、レジスト除去、及び裏面での凹部マスクのうちの１又はそれ以上を施すことにより、前面のダイヤフラム、ヒンジ及びバーの部分的完了を形成する。図４（ｂ）に示すように、後で貫通される大きな空洞及びスロットのためのエッチング処理を裏面に施す。次に、図４（ｃ）に示すように、エッチングの深さがそれほど必要でない追加領域を酸化によって開く。大きな空洞の底部の正味残余が１０μｍになり、新たな酸化膜層が成長するまでエッチング処理を継続する。
【００２５】
その後、前面に戻り、図５（ａ）に示すように、前面の小さな穴マスク、酸化物上で終端する裏面からエッチング処理した空洞の底部を通じてエッチング処理された深いシリコン、レジスト除去のうちの１又はそれ以上を施すことにより、前面の穴を形成することができる。
【００２６】
図５（ｂ）に示すように、前面上の処理を継続し、接点マスクを使用して、酸化物エッチング、レジスト除去、及び蒸着により酸化膜を通じて接点を開き、シリコン及び導線への電気接点を作成することができる。非限定的な例として、蒸着は、これらの接点間を接続するようにパターン化された約３０００オングストローム厚のアルミニウムとすることができる。トレースマスクを使用し、その後、アルミニウムエッチング、レジスト除去、例示としてアルミニウム及びパッドマスクとすることができるシャドウマスクを通じた蒸着などのエッチング処理を行うこともできる。図５（ｃ）に示すように、前面に厚いフォトレジストマスク（ヘッドスタートマスク）を使用し、前面の酸化膜を通じてさらに多くの領域を開いてさらなるエッチング処理の準備を行い、その後、（大きな空洞を形成するための）酸化物エッチング、レジスト除去、前面の凹部マスク、及び深いシリコンエッチングを行って、裏面のダイヤフラムを部分的に完成させることができる。
【００２７】
図６（ａ）に示すように、前面をもう１度エッチングすることにより、空洞の底部に１０μｍまでの残余が生じ、裏面から形成された酸化膜への貫通スロットが生じる。図６（ｂ）に示すように、裏面上の別の厚い（転写した）レジストマスク（穴マスク）を使用して、前面からエッチング処理した空洞の底部に、裏面から小さな穴をエッチングする。図６（ｃ）に示すように、図４（ｃ）から残っている酸化膜を裏面の空洞から除去する。
【００２８】
当業者には、本明細書の検討及び本明細書に開示した発明の実施により、本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。本明細書及び実施例は例示にすぎないと見なすべきであり、本発明の真の範囲及び思想は以下の特許請求の範囲によって示される。
【符号の説明】
【００２９】
１００  高Ｇ範囲加速度センサ
１０２  プルーフマス
１０４  フレーム
１０６  蓋部
１０８  基部
１１０  ダンパ
１１２  測定支持部
１１４  対象
【図１Ａ】
2013501941.tif 000003
【図１Ｂ】
2013501941.tif 000004
【図２Ａ】
2013501941.tif 000005
【図２Ｂ】
2013501941.tif 000006
【図４Ａ】
2013501941.tif 000007
【図４Ｂ】
2013501941.tif 000008
【図４Ｃ】
2013501941.tif 000009
【図５Ａ】
2013501941.tif 000010
【図５Ｂ】
2013501941.tif 000011
【図５Ｃ】
2013501941.tif 000012
【図６Ａ】
2013501941.tif 000013
【図６Ｂ】
2013501941.tif 000014
【図６Ｃ】
2013501941.tif 000015
【図３】
2013501941.tif 000016
【国際調査報告】
2013501941.tif 000017