(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層（６）が設けられており、該第１の半導体層内に構造化により少なくとも１つの弾性部材（５）が設けられており、該弾性部材には互いに平行に延在し１つの端部区間で互いに結合されている２つの脚部（５１，５２）を有しており、
第１の脚部（５１）は支承ブロック（３）に固定されており、第２の脚部（５２）は、該支承ブロック（３）に対し相対的に運動する質量体（２）と結合されている形式の、
多層基板から成るセンサ（１）において、
前記脚部（５１，５２）の端部区間（５４，５５，５７，５８）は脚部の長手方向において半導体層（６）の平面内で、まずはじめに互いに離れるように湾曲されて配向されており、ついで互いに向き合うように曲げられて配向されており、中央の湾曲領域（５６）で互いに１つにまとめられていることを特徴とする、
多層基板から成るセンサ。
【請求項２】
前記弾性部材（５）はシリコンから成る、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記弾性部材（５）における両方の脚部（５１，５２）の互いに結合された端部区間は、複数の湾曲領域（５４，５５，５６，５７，５８）から構成された１つの結合領域を成している、請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
湾曲領域（５４，５５，５６，５７，５８）は円弧状に曲げられている、請求項３記載のセンサ。
【請求項５】
前記脚部（５１，５２）の結合領域における内側の曲率半径Ｒは、平行な脚部区間の間隔ｂよりも大きい、請求項３記載のセンサ。
【請求項６】
加速度センサまたは旋回レートセンサである、請求項１記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層基板から成るセンサに関する。この場合、第１の半導体層が設けられており、該第１の半導体層内に構造化により少なくとも１つの弾性部材が設けられており、該弾性部材には実質的に互いに平行に延在し１つの端部区間で互いに結合されている２つの脚部を有しており、第１の脚部は支承ブロックに固定されており、第２の脚部は、該支承ブロックに対し相対的に運動する質量体と結合されている。
【０００２】
【従来の技術】
この種のセンサはたとえば DE 195 03 236 A1 から公知である。このようなセンサは、表面微細加工により多層半導体基板から製造される。この場合、基板における第１の半導体層において構造化により可動の質量体が形成され、これはやはり半導体層から構造化された複数の弾性部材を介して基板の支承ブロックに取り付けられている。可動の質量体は電極構造体を有しており、それらは半導体層内に形成されている定置された別の電極構造体とともにコンデンサを成している。慣性力および／またはコリオリ力の結果として弾性部材の応力に抗して生じる可動質量体の変位によって、コンデンサの容量が変化する。その際、この容量変化は、加速度や旋回レートを測定するために用いられる。
【０００３】
公知のセンサは、互いに平行に延在する２つの脚部を有するＵ字形の弾性部材を用いており、それらの脚部は共通の結合ウェブから隔たっている。この場合、弾性部材は、検出方向では剛性度が僅かでありその他の２つの空間方向では高い剛性度をもつように設計されている。これにより、障害を及ぼす影響量を抑圧することができる。公知のセンサにおける欠点として判明したのは、衝撃や衝突により半導体層に対し垂直に可動質量体が変位すると弾性部材が破損してしまうことであり、弾性部材はこの方向では強く負荷に耐えることができない。たしかに、可動質量体の変位をストッパにより半導体層平面内に制限することは可能であるけれども、半導体層の平面に対し垂直な可動質量体の変位を回避することはできない。それというのも、製造技術的な理由でこの方向にストッパを形成することができないからである。したがって慣用のセンサの場合、衝突や揺れの負荷が発生した際の弾性部材の破損を避けることができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の多層基板から成るセンサにおいて、半導体層に対し垂直方向に強く変位したときに弾性部材の破損が生じないようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、脚部の端部区間は脚部の長手方向において半導体層の平面内で、まずはじめに互いに離れるように曲げられて配向されており、ついで互いに向き合うように曲げられて配向されており、中央の湾曲領域で互いに１つにまとめられていることにより解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上述の特徴によれば、両方の脚部の結合領域に湾曲部が形成され、これにより、半導体層に対し垂直に可動質量体が変位したときに材料中に生じる最大応力が、弾性部材破損のリスクを著しく抑えることのできる値まで低減される。しかも弾性部材は、半導体層に対し平行に延びる検出方向においては必要とされる低い剛性をもっているので、加速度が小さくても信頼性の高い可動質量体の変位が保証されるようになる。有利には、少なくとも一方の弾性部材の幾何学的形状ゆえに、センサ製造時に付加的な製造コストが不要となる。弾性部材のそのような幾何学的形状により、センサの信頼性や寿命が高められる。
【０００７】
従属請求項に記載の構成により本発明の有利な実施形態が実現される。
【０００８】
殊に有利には本発明の１つの実施形態によれば、弾性部材の両方の脚部において互いに結合された最終区間により、球状に曲げられた複数の領域から成る結合領域が形成される。
【０００９】
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。
【００１０】
【実施例】
図１には、従来技術において知られている加速度センサの平面図が示されている。っこのセンサは可動質量体を有しており、これは中央バー２と可動電極２１，２２から成る。可動質量体は可動弾性部材５を介して基板に定置された支承ブロック３に取り付けられており、加速が生じると中央バー２の長手軸に沿ってその初期位置からシフトできるように構成されている。さらにセンサは固定電極３１，３２を有しており、これらは支承バー４に懸架されている。可動電極２１，２２と固定電極３１，３２により、コンデンサ４１，４２が形成されている。図３には、図１のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見たセンサ断面図が示されている。図３に示されているようにセンサは多層の基板から成り、この基板はシリコンから成る第１の半導体層６と第２の半導体層８を有している。
【００１１】
センサ１における個々のエレメントは、実質的に第１の半導体層６から構造化されている。この場合、弾性部材５、中央バー２ならびに可動電極２１，２２は第１の半導体層６から構造化されており、第２の半導体層８に間隔がおかれている。したがってこれらのエレメントは、第２の半導体層８に対し可動に構成されている。弾性部材５の支承ブロック３は、誘電層７を介して第２の半導体層８と接続されている。このようにこの実施例では、支承ブロック３は第２の半導体層８に固定的に取り付けられている。さらに、支承バー４が誘電層７を介して半導体層８と結合されている。したがってこの支承バー４も、第２の半導体層８に固定的に取り付けられている。そしてこの支承バー４に、固定電極３１，３２が懸架されている。固定電極３１，３２の幾何学的寸法は、加速が生じたときにほとんど変位しないように選定されている。これに対し弾性部材５は、加速が生じると中央バー２の長手軸（検出方向）に沿って弾性部材５の変形が生じるように構成されている。図１に示されているようにセンサ１における可動質量体２，２１，２２は、全部で４つのほぼＵ字形の弾性部材５によって２つの支承ブロック３に懸架されている。中央バー２が変位すると、可動電極２１，２２と固定電極３１，３２との間隔が変化するようになる。各電極間の間隔の変化は、可動電極２１，２２と固定電極３１，３２との間の容量を測定することにより検出することができる。図１による周知のセンサは、容量式加速度センサとして用いられる。
【００１２】
電極の接触接続のために導体路１１が設けられており、それらの導体路を介して支承ブロック３および支承バー４の接触接続が行われる。そしてこれらの導体路１１により、センサ１と評価回路との間のダイレクトな接続を形成することができる。導体路の厚さに対し第１の半導体層６の層厚は大きく、構造化されたエレメントは垂直な辺を有しているので、支承バー４ないしは支承ブロック３と第１の半導体層６の残留部分との間に配置された結合部材１０が設けられている。これらの結合部材１０を越えて導体路が案内されるので、導体路は僅かな高さの差を乗り越えるだけでよい。
【００１３】
支承ブロック３、支承バー４、弾性部材５、中央バー２、ならびに電極２１，２２，３１，３２は、高濃度でドーピングされている。このように高濃度でドーピングされていることによって、電極がコンデンサプレートとして動作するようになり、各電極間の容量を測定できるようになる。結合部材１０は低濃度でドーピングされている。このようにすることで、センサが第１の半導体層６に対し絶縁されるようになる。さらにこの構成により、可動電極２１，２２と固定電極３１，３２とが確実に絶縁されるようになる。
【００１４】
図２および図３には、センサの周知の製造方法について説明されている。第２の半導体層８たとえばシリコンウェハ上には、誘電層７とシリコンから成る第１の半導体層６が取り付けられている。誘電層７に関しては、酸化シリコン、窒化シリコンあるいは種々のガラス層など半導体製造において知られている一般的な誘電材料が考えられる。以下の説明について、誘電層７のための材料は酸化シリコンであるとする。図２に示されているように誘電層７は、センサ構造の下に配置させることができる。誘電層７が構造化されている場合、第１の半導体層６が好適にはデポジットプロセスにより被着される。この目的で、たとえばポリシリコン層を数μｍの厚さで被着させることができる。この場合、半導体層６は完全にポリシリコンから成る。別の可能性として挙げられるのは、半導体製造においてエピタキシャル層をデポジットするために知られているプロセスを適用することである。この場合、誘電層７の上だけにおいて第１の半導体層６がポリシリコンから成る一方、第１の半導体層６が単結晶の第２の半導体層８とじかに接触している領域においては、第１の半導体層は単結晶シリコンから成る。エピタキシャル層によって達成可能な層の厚さは１０〜２０μｍのオーダにあり、ポリシリコンをデポジットするプロセスを適用した場合よりも著しく厚い。エピタキシャル成長の場合、シリコンから成り低濃度でドーピングされた高抵抗の第１の半導体層６を形成するプロセスが用いられる。
【００１５】
センサ構造が高濃度でドーピングされ結合部材１０が低濃度でドーピングされているようにするため、拡散領域１７が設けられる。この目的でマスク１５が取り付けられ、その下では第１の半導体層６のドーピングが行われないようにする。そしてプラズマエッチングプロセスにより第１の半導体層６が構造化される（図３）。これにより支承ブロック３，支承バー４、弾性部材５、中央バー２、電極２１，２２，３１，３２ならびに結合部材１０が、第１の半導体層（シリコン層）６から構造化されて形成される。マスキングにより、第１の半導体層６において構造化すべきでない領域が保護される。同様に、すでに被着されている導体路１１ならびにパッシベーション層１６が保護される。導体路１１は、パッシベーション層１６によって第１の半導体層（シリコン層）６に対し絶縁されている。支承ブロック３または支承バー４の領域においてのみ、導体路１１がシリコンの上にじかに位置している。したがってそれらの個所においてのみ、センサの接触接続が行われる。
【００１６】
ついで後続のエッチングステップにおいて、弾性部材５、中央バー２および可動電極２１，２２の下で誘電層７が除去される。これは、多層の基板に対し第１の半導体層６の構造化後にエッチング剤を加え、それによって誘電層７がエッチングされることによって行うことができる。支承ブロック３，支承バー４ならびに結合部材１０が比較的幅の広い寸法であるため、エッチングを適時に中止すればそれらの下に誘電層７が残されたままになる。しかし弾性部材５，中央バー２ならびに可動電極および固定電極２１，２２，３１，３２はそれらの幾何学的寸法に関して、その時点においてすでにそれらの部材の下では誘電層７が完全に除去されているように選定される。
【００１７】
図４には、従来技術において知られている多層基板から成る別のセンサ１００が示されており、これは旋回レートセンサとして用いられる。センサ１００には、図１に示した２つの加速度センサ１が含まれている。両方の加速度センサ１の各々は、４つの弾性部材５を介して可動半導体プレート１０１ないしは可動半導体プレート１０２に取り付けられている。さらにこれらの半導体プレート１０１，１０２はそれらの周辺区間２ａにおいて、それぞれ４つの弾性部材５ａを介して、固定半導体フレーム１０３の支承ブロック３ａに取り付けられている。動作中、半導体プレート１０１，１０２は矢印Ｂの方向で振動させられる。センサ１０１が図４のｚ軸を中心に旋回すると、加速度センサ１は矢印Ａの方向に変位する。このようにして、センサ１００によって旋回レートを測定することができる。
【００１８】
図１と図４に示した公知のセンサは、弾性部材５のためにも弾性部材５ａのためにも図５に示した幾何学的形状を用いており、これは実質的に互いに平行に延在する２つの脚部５１，５２を有している。第１の脚部５１は、一方の端部において支承ブロック３と結合されている。この脚部５１の他方の端部は結合ウェブ５３と結合されており、これには第２の脚部５２も結合されている。第２の脚部５２において結合ウェブ５３と結合されていない方の端部は、支承ブロック３に対し相対的に可動である質量体２と結合されている。図４に最もよく示されているように、ｘ方向およびｙ方向における弾性部材５，５ａの最大変位は、第１の半導体層内に形成されたストッパにより制限される。しかしながら、基板平面に対し垂直にｚ方向に変位する場合にはストッパは設けられていない。図５に示されている弾性部材はｚ方向での変位が生じたときには強い負荷に耐えられないので、そのために脚部５１，５２が結合ウェブ５３から折れてしまい、それによってセンサが使えなくなってしまう。ｚ方向における弾性部材５の負荷耐性は、結合ウェブ５３と脚部５１，５２により形成されるエッジを丸くすることによって改善することができる。
【００１９】
本発明によるセンサの場合、第１の半導体層６と一体的に結合された弾性部材５あるいは図４に示した旋回レートセンサの弾性部材５ａが、図６に示す幾何学的形状によって製造される。弾性部材は上述のようにエッチングによって第１の半導体層６から製造されるので、有利には製造プロセスにおいてたいした変更を伴わずにこのことを実現できる。
【００２０】
図６に示されているように、半導体材料たとえばシリコンから形成された弾性部材５は、実質的に互いに平行に延在し方形の断面をもつ２つの脚部５１，５２を有している。各脚部間の間隔ｂはたとえば４μｍであり、１つの脚部の幅ａもたとえば４μｍである。脚部５１は一方の側で支承ブロックと結合されており、脚部５２は可動質量体と結合されている。この場合、支承ブロックは、たとえば図４に示したように可動半導体プレート１００と固定的に結合された支承ブロック３としてもよいし、あるいは第２の半導体層８と固定的に結合された支承ブロック３ａとすることもできる。また、可動質量体はたとえば、図１に示した中央バー２または図４に示した半導体プレート１０１，１０２の周辺区間２ａとすることができる。したがって支承ブロック３，３ａを、必ずしも図１に示されているように第２の半導体層８に固定的に取り付けておかなくてもよい。ここで重要であるのは、可動質量体と支承ブロックが互いに相対的に運動するように構成されていることである。
【００２１】
さらに図６に示されているように、両方の脚部５１，５２において支承ブロック３および可動質量体２とは反対側の端部区間は、脚部の長手方向において第１の半導体層６の平面内でまずはじめに互いに離れるように湾曲するように配向され、ついで互いに向き合うように配向され、中央の湾曲領域５６においてひとつになる。この場合、両方の脚部の結合領域は、たとえば５つの湾曲領域５４，５５，５６，５７，５８から成る。中央の湾曲領域５６は、ほぼ半円状またはＣ字状に形成されている。中央領域５６に続いて、ほぼ八分円だけ湾曲された２つの領域５５，５７が設けられており、これらはほぼ等しい湾曲中心点５９を中心に湾曲されている。これに続いて２つの別の湾曲領域５４，５８が設けられており、それらの湾曲中心点は図６における脚部５２の上方と脚部５１の下方に位置している。そしてこれらの湾曲領域５４，５８に、脚部５１，５２が続いている。この場合、曲げられた弾性領域の幅は脚部５１，５２の幅ａにほぼ一致しているが、それより大きくても小さくてもよい。
【００２２】
ここでは、中央領域５６および領域５５，５７の内側の曲率半径Ｒはたとえば１１μｍであり、これは脚部５１，５２の間隔ｂよりも著しく大きい。とはいえ、他の曲率半径であってもよい。有利には曲率半径Ｒは５〜２０μｍである。なお、湾曲領域５４〜５８を実質的に球状に曲げられた領域５４〜５８として構成するのが有利であると判明した。また、可変の曲率半径または球状ではない曲率半径をもつ湾曲部を用い、それと同時に湾曲領域の幅を変えるようにすることも、当然ながら可能である。ここで重要であるのは、脚部５１，５２における平行区間にじかに続く湾曲領域５４，５８を、まずはじめに互いに離れる方向で湾曲させ、ついで再び向き合うようにしてそれらが共通の湾曲領域５６において、かどや折れ目なくひとつになるまで湾曲させることである。このようにすることで、平行な２つの脚部の結合領域において弾性部材の外壁および内壁に、Ｚ方向での変位にあたり弾性部材を破損させてしまうおそれのあるかどのある構造が生じるのを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術において公知の弾性部材を備えた加速度センサの平面図である。
【図２】図１によるセンサの製造中における多層基板の断面図である。
【図３】図１のラインＩＩＩ−ＩＩＩに沿ってみたセンサの断面図である。
【図４】弾性部材を備えた公知の旋回レートセンサの斜視図である。
【図５】従来技術による弾性部材を示す図である。
【図６】本発明によるセンサの弾性部材を示す図である。
【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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