(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小加工された加速度計の構造であって、基板（１０）、該基板の上方に懸架されその周囲で該基板に結合された弾性変形可能な薄層の膜（１２）、該膜の上方に懸架され該膜に中央のスタッド（１４）で接続された振動質量体（Ｍ）、及び該質量体の周りに分配され、該質量体に結合された可動板及び該基板に結合された固定板を有する、容量性の相互に嵌合した櫛形（Ｐ１〜Ｐ８）を備え、
櫛形（Ｐ１〜Ｐ８）のうち、振動質量体（Ｍ）を挟んだ二つの反対の側にあって振動質量体（Ｍ）を挟んで相対する二つの櫛形（Ｐ１，Ｐ３）が、膜（１２）の垂直な方向において、一方で可動板よりも、高さが大きい固定板を有し、もう一方で固定板よりも、高さが大きい可動板を有する加速度計の構造。
【請求項２】
振動質量体の各辺に二つの櫛形（Ｐ１，Ｐ２）があり、膜（１２）の垂直な方向において、一方は可動板よりも高さが大きい固定板を有し、もう一方は固定板よりも高さが大きい可動板を有する請求項１に記載の加速度計の構造。
【請求項３】
振動質量体の同一の側にある二つの櫛形（Ｐ１，Ｐ２）が、振動質量体の同一方向の水平変位に対して反対の向きに変化する板間の間隔を有する請求項１または２に記載の加速度計の構造。
【請求項４】
振動質量体の二つの反対の側にあって互いに向き合う二つの櫛形が、これらの側と平行な振動質量体の同一の変位に対して同じ向きに変化する板間の間隔を有する請求項２〜３のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
【請求項５】
相互に嵌合した容量性の櫛形の機構が、全ての相互に嵌合した櫛形の加速度がない場合に静止時の静電容量が同一となるために、対称である請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
【請求項６】
振動質量体の二つの側に平行な水平軸に沿った加速度の測定が、これらの側に沿って位置する四つの櫛形の静電容量値の一次結合によってなされる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
【請求項７】
膜に直角な垂直軸に沿った加速度の測定が八つの櫛形の静電容量値の一次結合によってなされ、この組合せが振動質量体のそれぞれの側に各々位置し、可動板よりも低い固定板を有する四つの櫛形（Ｐ１，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ７）の静電容量の合計と、同様に各々が振動質量体のそれぞれの側に位置し、固定板よりも低い可動板を有する四つの別の櫛形（Ｐ２，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ８）の静電容量の合計との差である、請求１〜５のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
【請求項８】
振動質量体（Ｍ）、相互に嵌合した櫛形（Ｐ１〜Ｐ８）、膜（１２）、及び中央のスタッド（１４）がシリコン製である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の加速度計の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小加工された慣性センサー、すなわちマイクロエレクトロニクスにおいて使用されるものと非常に近い技術で作られたセンサーに関する。それはより具体的に加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニングは、それらを個々のチップに分割する前に同一の支持スライス上の多くの加速度計を同時に機械加工することが可能であるため、比較的低コストで非常に小さいサイズの加速度計を生み出すことを可能にする。
【０００３】
しかしながら、この種の技術によってさえも、更に寸法及びコストを減少させることが依然として望まれている。具体的には、大衆市場の分野（自動車、携帯電話等）及び専門分野（航空学、産業ロボット等）において益々多くの用途があり、そこでは一方ではコスト、他方では寸法が主要な問題であって、コストはその上、一般的に与えられた技術に関してサイズに反比例している、
【０００４】
特に、空間において三次元で加速度を検出する必要がある用途では、これらの各々の方向において加速度を測定するように、各々が異なる方向に向いた三つの単純な加速度計が最初に使用された。この解決策は三つの微小加工された構成部品及び、これら三つの構成部品を共通のプラットフォーム上に、異なった、しかし非常に正確な方向で組立てることを要求するため、厄介で高価である。
【０００５】
それゆえ三つの独立した軸に沿った変位を検出する手段を備える、微小加工された共通の振動質量体を用いた三軸加速度計を生み出すことが探求されている。
【０００６】
特に、シリコン基板の厚み全体を通してスライスされるため、振動質量体が比較的厚い（例えば１００〜２００μｍ）三軸加速度計が提案されている。検出は容量性又は圧電性、あるいはピエゾ抵抗による。このタイプの生産は数個のシリコンスライス（又は他の材料）、一般に三つのスライスの接着による組立てを含む。該技術は振動質量体を定義するため非常に深いエッチングを準備することが必要であり、そしてこれらの深いエッチングはそこで相当な表面積、従って対応する寸法を要するため、かなり高価である。更に、これらのセンサーはしばしば基板移動技術を用いて生産され、それによって基板に対して直角方向の寸法的不正確さを生じ、これらセンサーの加速度に対する応答、すなわち加速度の関数としての出力信号の振幅はそのとき不正確で余り線形でないことがあり得る。その上、感度軸は余り独立しておらず、すなわち一つの軸に沿った加速度は他の軸に対応する出力に対してノイズ信号を引き起こす。従って補償システムを備えることが必要であり、これもまた欠点となる。
【０００７】
これらの欠点を回避するため、その振動質量体がシリコン基板の全体厚みでなく、基板の上に懸架された大幅に薄い厚みで作られた三軸加速度計もまた提案されている。検出は水平軸に関して相互に嵌合した櫛形、及び（振動質量体と該質量体の下方にある基板との間にある）平坦な静電容量により容量性である。性能を改善するため度々望まれるように、該質量体の位置を中央の静止位置に制御する必要がある場合、この自動制御に割り当てられた相互嵌合の櫛形を用いて、水平軸に沿ってそのようにすることは可能であるが、しかしそれは技術を相当に複雑化しなければ垂直軸の双方向（上下）にはそうすることが出来ない。
【０００８】
１９９７年の会議「ソリッドステート・センサー及びアクチュエーターに対する国際会議（ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｉｎ  １９９７  ’Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）」に引き続いた非特許文献１の論文は、表面技術で機械加工された振動質量体を有するそのような加速度計を説明している。
【０００９】
【非特許文献１】マーク・Ａ・レムキン（Ｍａｒｋ  Ａ．Ｌｅｍｋｉｎ）、ベルンハルト・Ｅ・ボーザー（Ｂｅｒｎｈａｒｄ  Ｅ．Ｂｏｓｅｒ）、デビット・アウスランダー（Ｄａｖｉｄ  Ａｕｓｌａｎｄｅｒ）、ジム・Ｈ・スミス（Ｊｉｍ  Ｈ．Ｓｍｉｔｈ）著「単一の振動質量体を用いた３軸力平衡加速度計（Ａ  ３−Ａｘｉｓ  Ｆｏｒｃｅ  Ｂａｌａｎｃｅｄ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｒｏｏｆ−Ｍａｓｓ）」ＩＥＥＥトランスデューサ’９７会議記録（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ’９７  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来技術の三軸加速度計の欠点を制限するため、本発明は基板、該基板の上方に懸架されその周囲で該基板に結合された弾性変形可能な薄層の膜、該膜の上方に懸架され該膜に中央のスタッドで接続された振動質量体、及び該質量体の周りに分配され、該質量体に結合された可動板及び該基板に結合された固定板を有する、容量性の相互に嵌合した櫛形を備える加速度計の構造を提案する。
【００１１】
該質量体は膜の上方に懸架され、該膜に点状の接触子で接続されており、膜の全周囲はそこで相互に嵌合した櫛形を分配するために利用できる。変位測定用の容量性櫛形を備えることは可能であるが、しかし該質量体を中央の静止位置に自動制御するための容量性櫛形も備えることが多分可能である。
【００１２】
幾つかの容量性櫛形の固定板はこれらの櫛形の可動板の高さよりも小さい、膜に直角な方向に測定された高さを有し、そして幾つかの櫛形の可動板は膜に直角な方向にこれら櫛形の固定板の高さよりも小さい高さを有することが望ましい。このような方法で、それゆえ不均整にされた二つの櫛形の静電容量の差は、質量体が垂直に（膜に直角に）一方向へ動くか、それ以外の方向へ動くかによって、逆向きに変化するであろう。
【００１３】
膜の各々の側に二つの櫛形が備えられ、一つは可動板よりも高い固定板を有し、他方は固定板よりも高い可動板を有する。二つの反対の側で互いに向き合う二つの櫛形は又一方で、可動板よりも高い固定板及び、もう一方で、固定板よりも高い可動板を有することが望ましい。
【００１４】
同一の側にある二つの櫛形の板間の間隔は、振動質量体の水平変位の同一方向に対して反対方向に変化することが再度望ましい。
【００１５】
二つの反対の側で互いに向き合っている二つの櫛形は、望ましくはこれらの側に平行な振動質量体の同一の変位に対して同じ方向に変化する板間の間隔を有するように準備される。
【００１６】
最後に、全ての相互に嵌合した櫛形の静止時（加速なし）における静電容量が同一となるために、望ましくは全体としてのセンサー配置が対称であるように準備される。
【００１７】
振動質量体の位置が自動制御されない状態において、加速度の様々な成分に起因する変化の成分を抽出するために、静電容量、又は相互に嵌合した櫛形の静電容量の変化、及び様々な測定値の一次結合の（直接又は間接）測定により、三つの軸に沿った加速度の測定がなされる。
【００１８】
典型的に、振動質量体の二つの側に平行な水平軸に沿った加速度測定は、これらの側に沿って位置する四つの櫛形の静電容量値の一次結合によってなされる。膜と直角な垂直軸に沿った加速度測定は八つの静電容量値の一次結合によってなされ、この組合せは各々が振動質量体のそれぞれの側に位置し、可動板よりも低い固定板を有する四つの櫛形の静電容量値の合計と、同様に各々が振動質量体のそれぞれの側に位置し、固定板よりも低い可動板を有する四つの別の櫛形の静電容量の合計との差である。
【００１９】
自動制御はまた可能である。四つの側における追加の櫛形は、静止位置から離そうとする傾向のある加速度が存在する状態において、質量体をその静止位置に復元するために、静電気力により自動制御を実行するように設計されることが出来る。この場合、加速度測定は相互に嵌合した櫛形の静電容量の直接又は間接測定によらず、櫛形の静電容量をそれらの静止値に保つために必要な自動制御の電圧又は電流測定によってなされる。例えば二つの交互の段階：静電容量測定段階と交互に起こる静電気力適用段階による時分割多重化のおかげで、同じ櫛形を測定及び自動制御に使用することも又可能である。
【００２０】
本発明の別の特徴及び利点は、以下に続きそして添付図面を参照して与えられる詳細説明を読むことにより明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１の上面視図において、各々の側方に相互に嵌合した容量性の櫛形を備える、例えば長方形又は正方形、あるいは円形の可動振動質量体Ｍが見られる。相互に嵌合した櫛形は従来、微小加工された加速度計における振動質量体の変位測定に使用されている。それらは振動質量体に結合された櫛形の指である可動板及び、加速度計の基板の固定部分に結合された櫛形の指である固定板を有する可変の静電容量である。各々の側には少なくとも一つの相互に嵌合した櫛形があるが、片側あたり二つの櫛形があることが望ましい。加速度計が制御されるタイプの場合、静電気モータの機能を有する追加の櫛形があってもよいが、これは必須ではなく、同じ櫛形が測定及び自動制御に役立つことが可能である。
【００２２】
静止した各櫛形の静電容量は平行な板の数、互いに対向する個々の板の表面積、及び板の間の静止した間隔により定義される。振動質量体が変位する間、間隔は変化し得るが、対向する表面積もまた変わることができ、これら二つのタイプの変化は測定されるであろう全体的な静電容量の変化に寄与する。図１には３対のみの板が表わされているが、実際は十分な静電容量を得るために板の数はずっと多い。
【００２３】
優先的な例として、図１に表わされているのは質量体の一側面あたり二つの櫛形：第一の測定軸Ｏｙに平行な第一の側の櫛形Ｐ１、Ｐ２；櫛形Ｐ１、Ｐ２の反対の側に面する櫛形Ｐ３、Ｐ４；第二の測定軸Ｏｘに平行な側の櫛形Ｐ５、Ｐ６；櫛形Ｐ５、Ｐ６に対称な反対の側の櫛形Ｐ７、Ｐ８を有する構造である。同一の側にある二つの櫛形、例えばＰ１とＰ２は、より容易に別個に働くことが出来るように、質量体の一方向の変位が櫛形のうちの一つ（例えばＰ１）の板の間隔増大を生じ、同時に他方の櫛形（Ｐ２）の板の間隔の減少を生じるように、逆対称に配置されている。静止状態において、可動指の板は固定指の間の隙間の中央にはなく、逆もまた同様であり、同一の側に位置する二つの櫛形に関して逆になっているのはこの偏心であることが注目されるであろう。二つの反対の側で互いに面している櫛形、例えばＰ１とＰ３に関して、板の配置はこれらの側の方向（Ｏｙ）への質量体の変位に対して同じ方向に板の間の間隔が変わるようなものであることが望ましい。結果としてこの場合、Ｐ１とＰ４又はＰ２とＰ３のような二つの対角線上で向き合った櫛形は、それらを保持している側の方向への変位に関して互いに反対の向きに変化する静電容量を有する。
【００２４】
従って、本発明者らは以下の好適な配置を有する。
―Ｐ１及びＰ３：Ｏｙ方向の変位に関して静電容量の同じ変化；Ｐ２及びＰ４：反対の変化。
―Ｐ５及びＰ７：Ｏｘ方向の変位に関して静電容量の同じ変化；Ｐ６及びＰ８：反対の変化。
【００２５】
図２は静止状態と想定され、望ましくはシリコン製の基板１０内に加工された加速度計の垂直断面視図を表わす。振動質量体Ｍはその中央のみにおいて、周辺が基板１０に結合された薄い弾性変形可能な膜１２により支持されている。小さい寸法の中央のスタッド１４は振動質量体の中央を膜の中央に連結する。スタッド１４は膜の中央に対して質量体の点状の取付けを形成する。振動質量体は加速度の影響下で動こうとする時に膜を変形させ、該質量体の変形及び変位は膜によりもたらされる復元力により制限される。膜は加速度のない場合に該質量体を静止位置に復元させようとする傾向がある。
【００２６】
該膜はセンサーが測定しようと意図する範囲内の加速度における、下向きの垂直加速度の存在下で膜の垂直運動を許容するために、基板１０の上方に十分な空間ギャップを伴って懸架されている。同様に、上向きの加速度の存在下で膜の変位を許容するため、膜の上方に自由なギャップが残されている。これらのギャップは質量体の位置の自動制御により加速度計が作動する場合に、非常に小さくなり得る。
【００２７】
Ｏｙ軸に沿った水平加速度の測定のために、櫛形Ｐ１、Ｐ２及びＰ３、Ｐ４に起因する静電容量の変化が主に用いられる。具体的に、これらの静電容量の変化はこれら櫛形の板間の間隔（または距離）の変更から生じ、静電容量はこれらの間隔（隙間）の変化に特に敏感である。しかしながら静電容量において更に限定された変化も又、Ｏｙに沿ったこの変位の間に、それ以外の側の櫛形において存在することが注目されるべきであるが、しかしこれらの変化が互いに無効にするように考案されていることが見られるであろう。
【００２８】
垂直加速度の測定に関して、本発明者らは先験的に可動板の垂直変位が固定板に面した可動板の表面積を変更し得ることを利用する。固定板が可動板と全く同じ高さを有し、そして静止状態において固定板が可動板とぴったりと面している場合、そこで可動質量体の垂直変位は面している表面積を減少させ、それによって生じる静電容量の減少を測定することができる。その結果、その面する板の表面積が垂直変位に従って変更される、全ての静電容量の変化を観察することが可能である。しかしながら、この解決策は静電容量の変化が双方の場合に同じであるため、上向きの加速度を下向きの加速度と区別することが出来ない。垂直変位の距離に比例するのは静電容量における減少である。
【００２９】
上向きの加速度を下向きの加速度と区別するための、固定板と可動板の不均整が、本発明によって次の方法で準備される。櫛形は可動板の高さと異なる高さを有する固定板で構成される。櫛形のうちの一つに関して、固定板よりも高いのは可動板である。もう一方に関して、それは逆である。図において、櫛形Ｐ１は可動板ＡＭ１よりも低い固定板ＡＦ１を有し、一方で反対の側に面する櫛形Ｐ３は固定板ＡＦ３よりも低い可動板ＡＭ３を有する。同一の櫛形の全ての板は望ましくは同じであり、該櫛形は従って全体的に板の高さにおけるこれらの差を示す。
【００３０】
垂直加速度と水平加速度の区別のための、この高さの不均整は本来、質量体を囲む相互に嵌合した櫛形が、全く同時に垂直加速度及び水平加速度の測定のために役立つ限り、振動質量体の基板に対する支持様式及び接続（中央のスタッド、膜）と無関係に有利な配置を構成することが注目されるであろう。
【００３１】
図２は加速度のない場合の加速度計を表わす。
【００３２】
図３は一方で板ＡＦ１及びＡＭ１のそれぞれの位置を、もう一方でＡＦ３及びＡＭ３のそれぞれの位置を、誇張した尺度と共に下向きの垂直加速度の存在下（水平加速度のない場合）において図２と同じ垂直断面で表わす。振動質量体は下向きに動き、右側の櫛形の可動板ＡＭ３は固定板ＡＦ３の下方に下降し、向き合った板の表面積は減少し；櫛形Ｐ３の静電容量は減少する。しかし反対の側の固定板ＡＦ１は、高さの差が少なくとも質量体の変位の最大限可能な高さと等しいため、より高い可動板ＡＭ１と完全に向き合ったままであり；櫛形Ｐ１の静電容量は減少しない。
【００３３】
逆に振動質量体が上向きに動いた場合、それは反対となって櫛形Ｐ１の静電容量は減少し、櫛形Ｐ３の静電容量は減少しない。従ってこのように垂直軸Ｏｚに沿ったプラスとマイナスの加速度を区別することが出来る。
【００３４】
図４は上向きの垂直加速度に関する加速度計を表わす。
【００３５】
好適なことに、図２に表わされている構造の八つの櫛形は、従って例えばＰ１とＰ３のように対として不均整であり、すなわち櫛形（Ｐ１，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ７）の固定板は可動板よりも低く、逆に反対の側に向き合っている櫛形（それぞれＰ３，Ｐ２，Ｐ８，Ｐ５）の可動板は固定板よりも低い。該配置はこのように非常に対称であるが、振動質量体の垂直変位の区別を確実にするために、例えば四つだけ、又は実に二つだけの櫛形が異なる固定板と可動板の高さを有し、その他は同じ高さの固定板と可動板を有する別の配置もまた計画し得る。
【００３６】
図５はＯｘに沿った左向きの加速度に関する視図を表わす。振動質量体に与えられる力は質量体を左向きに変位させる傾向があり、そして櫛形Ｐ１に関して向かい合った板の表面積の増加、及び櫛形Ｐ３に関して向かい合った板の表面積の減少を生み出し、それゆえ櫛形Ｐ１の静電容量の増加と櫛形Ｐ３の静電容量の減少を生み出す傾向がある。これらの変化はそれらが存在するため記載されているが、更に説明されるように、使用されるのはそれらではない。図５において表わすことが出来ないのは、この左向きの変位が、板間の間隔を増すことにより又櫛形Ｐ５及びＰ７の静電容量の減少を生み出し、そして板間の間隔を減らすことにより櫛形Ｐ６及びＰ８の静電容量の増加を生み出すという事実である。Ｏｘに沿った加速度測定に本当に寄与するのはこの二次的効果である。
【００３７】
ここで変位の（従って加速度の）成分の区別が、様々な櫛形の静電容量の直接的、又は間接的測定に基づいてどのようにして行なわれるかを説明しよう。
【００３８】
基本として用いられる例は上記に述べられたものであり、
―静電容量変化の測定用として各々の側に二つの櫛形、全体で八つの櫛形があり、全ての櫛形は静止状態で同一の向かい合った板の表面積を有し、
―同一の側（例えばＰ１、Ｐ２）における櫛形は、この側に平行な質量体の変位が二つの櫛形に関して同一であるが符号が逆の静電容量の変化を生み出すように、固定板と可動板の間隔に関して対称であり、
―二つの反対の側で互いに向き合っている櫛形（例えばＰ１、Ｐ３）は、これらの側に平行な質量体の変位が、該二つの櫛形に関して同一で同じ符号である静電容量の変化を生み出すような板間の間隔配置を有し、
―二つの反対の側で互いに向き合っている櫛形は板の高さの不均整：一方の櫛形に関して可動板よりも低い固定板、他方の櫛形に関して固定板よりも低い可動板を示し、
―対角線上で向き合う櫛形（例えばＰ１、Ｐ４）は同一の相対的高さを有し：Ｐ１が可動板よりも低い固定板を有し、そこでＰ４も同様である場合、櫛形Ｐ６及びＰ７は櫛形Ｐ１及びＰ４と同一であると想定され、
―最後に、櫛形が他よりも高い固定板又は可動板を有すると言う事実と無関係に、静止時の全ての櫛形の静電容量が同一であるように、より高い固定板の高さはより高い可動板の高さに等しく、同様により低い固定板の高さは、より低い可動板の高さに等しい。
【００３９】
対称とは静止時に全ての櫛形の静電容量が同一であり、相対的なモードで働くことにより、存在し得る全ての不均整が取り除かれることである。
【００４０】
本発明者らは次のように呼ぶ。
―Ｃ０：静止時における櫛形の各々の静電容量値、
―Ｃｉ（ｉ＝１〜８）：加速度の存在下における櫛形Ｐｉの静電容量、
―ｄＣｉｖ：特に垂直加速度による（従って垂直方向Ｏｚの振動質量体の変位に続く、向かい合った板の表面積の変化による）静電容量Ｃｉの変化、
―ｄＣｉｘｅ：Ｏｘ方向の板の間隔（向かい合った表面積ではない）の変更による静電容量Ｃｉの変化；ｄＣｉｘｅはｉ＝１，２，３，４に対してゼロであり、ｉ＝５，６，７，８に対してゼロ以外であり、
―ｄＣｉｙｅ：Ｏｙ方向の板の間隔（向かい合った表面積ではない）の変更による静電容量Ｃｉの変化；ｄＣｉｙｅはｉ＝５，６，７，８に対してゼロであり、ｉ＝１，２，３，４に対してゼロ以外であり、
―ｄＣｉｘｓ：Ｏｘ方向の変位に続く、向かい合った板の表面積（間隔ではない）の変更による静電容量Ｃｉの変化；ｄＣｉｘｓはｉ＝５，６，７，８に対してゼロであり、ｉ＝１，２，３，４に対してゼロ以外であり、
―最後にｄＣｉｙｓ：Ｏｙ方向の変位に続く、向かい合った板の表面積（間隔ではない）の変更による静電容量の変化；ｄＣｉｙｓはｉ＝１，２，３，４に対してゼロであり、ｉ＝５，６，７，８に対してゼロ以外である。
【００４１】
いずれの櫛形の静電容量も理論的に、
Ｃｉ＝Ｃ０＋ｄＣｉｖ＋ｄＣｉｘｅ＋ｄＣｉｘｓ＋ｄＣｉｙｅ＋ｄＣｉｙｓであり、すなわち、それは或る方向への変位が静電容量の値に影響しない場合に、これらの成分の幾つかがゼロであり得るという事実を考慮した、静止時の値と、間隔又は向かい合った板の表面積の全ての可能な変化の値との合計である。
【００４２】
最終的に、対称性により、
―成分ｄＣｉｙｅはＯｙに平行な側に置かれた二つの隣接する櫛形に関して等しく、反対の符号であり、Ｏｙに平行な二つの反対の側における二つの向かい合った櫛形に関して等しく、同じ符号：例えばｄＣ１ｙｅ＝−ｄＣ２ｙｅ＝ｄＣ３ｙｅであって、Ｏｘに平行な側に置かれた櫛形に対する成分ｄＣｉｘｅに関しても同様：例えばｄＣ５ｘｅ＝−ｄＣ６ｘｅ＝ｄＣ７ｘｅである。
―成分ｄＣｉｘｓは同じ側に置かれた二つの櫛形に関して同一で同じ符号であり、反対の側に置かれた二つの櫛形に関して同一で反対の符号：例えばｄＣ１ｘｓ＝ｄＣ２ｘｓ＝−ｄＣ３ｘｓ＝−ｄＣ４ｘｓである。
―成分ｄＣｉｖは板の高さに関して同質の櫛形について全て同じである。可動板よりも低い固定板を有する櫛形の成分ｄＣ１ｖ，ｄＣ４ｖ，ｄＣ６ｖ，ｄＣ７ｖは全て等しく、可動板よりも高い固定板を有する櫛形の成分ｄＣ２ｖ，ｄＣ３ｖ，ｄＣ５ｖ，ｄＣ８ｖは全て等しく、上向きの加速度の存在下で、前者はゼロ以外であり、後者はゼロであり、下向きの加速度の存在下では、反対に前者はゼロであり、後者はゼロ以外である。
【００４３】
これら全ての考察から、Ｏｘ方向又はＯｙ方向、あるいはＯｚ方向の加速度の影響のみから生じる静電容量値の一次結合が引き出され、それらは他の軸に沿った加速度の影響を受けない。これらの一次結合は次の通りである。
Ｃｘ＝（Ｃ５＋Ｃ７）−（Ｃ６＋Ｃ８）
具体的に、
Ｃ５＝Ｃ０＋ｄＣ５ｖ＋ｄＣ５ｘｅ＋ｄＣ５ｘｓ＋ｄＣ５ｙｅ＋ｄＣ５ｙｓ
ここで、ｄＣ５ｘｓ＝０、及びｄＣ５ｙｅ＝０とすると、
すなわち、Ｃ５＝Ｃ０＋ｄＣ５ｖ＋ｄＣ５ｘｅ＋ｄＣ５ｙｓ
Ｃ７＝Ｃ０＋ｄＣ７ｖ＋ｄＣ７ｘｅ＋ｄＣ７ｘｓ＋ｄＣ７ｙｅ＋ｄＣ７ｙｓ
ここで、ｄＣ７ｘｓ＝０、ｄＣ７ｙｅ＝０、ｄＣ７ｘｅ＝ｄＣ５ｘｅ、ｄＣ７ｙｓ＝−ｄＣ５ｙｓとすると、
すなわち、Ｃ７＝Ｃ０＋ｄＣ７ｖ＋ｄＣ５ｘｅ−ｄＣ５ｙｓ
それゆえＣ５＋Ｃ７＝２Ｃ０＋ｄＣ５ｖ＋ｄＣ７ｖ＋２ｄＣ５ｘｅであり、ｄＣ５ｙｓの値はｄＣ７ｙｓの値により補償される。
【００４４】
同様に、
Ｃ６＋Ｃ８＝２Ｃ０＋ｄＣ６ｖ＋ｄＣ８ｖ＋２ｄＣ６ｘｅ
ここでｄＣ８ｖ＝ｄＣ５ｖ、ｄＣ６ｖ＝ｄＣ７ｖ、ｄＣ６ｘｅ＝−ｄＣ５ｘｅとすると、
それゆえＣ６＋Ｃ８＝２Ｃ０＋ｄＣ５ｖ＋ｄＣ７ｖ−２ｄＣ５ｘｅ
従って、
Ｃｘ＝（Ｃ５＋Ｃ７）−（Ｃ６＋Ｃ８）＝４ｄＣ５ｘｅが導かれ、この一次結合Ｃｘはｙ及びｚに沿った加速度に依存しない。それはｄＣｉｘｅの変化が特にＯｘに沿った変位に起因する変化であるため、Ｏｘに沿った変位にのみ専ら起因する静電容量の変化を表わす。この組合せＣｘの値を測定することにより、変位を直接決定することができ、それゆえＯｘ軸に沿った加速度を受ける。
【００４５】
同じ計算をすることにより、一次結合
Ｃｙ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）＝４ｄＣ２ｙｅは、Ｏｙに沿った加速度の計算を可能にする。
【００４６】
最終的に、八つの静電容量値Ｃ１〜Ｃ８を含む一次結合は、Ｏｚに沿った変位の値、従ってＯｚに沿った加速度にさかのぼることを可能にする。
【００４７】
この一次結合はＣｚであり、ここで、
Ｃｚ＝（Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ４＋Ｃ１＋Ｃ６＋Ｃ７）である。
これらの各々の項はＯｘ、Ｏｙ、及びＯｚに沿った変位による変化を受ける。
ａ）Ｏｚに沿った変位：
１．最初の四つの項Ｃ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ８はそれらの可動板が固定板よりも低い櫛形の静電容量である。それらは振動質量体が上向きに変位する間は変化しない。
２．その他の四つの静電容量は上向きの加速度の間に減少する。Ｃｚの全体的な変化は従って上向きの加速度の間はプラスである。
３．下向きの加速度に関して、それは逆になる。Ｃｚの変化は二番目の４項が変化しない一方で最初の４項が減少するため、全体的にマイナスである。
ｂ）Ｏｘに沿った変位
１．Ｃ２とＣ３の静電容量の変化は、Ｏｘに沿った向かい合う表面積の変化に起因する変化に関して、互いに相殺する。Ｃ１とＣ４に関しても同様である。Ｏｘに沿った変位に関する向かい合った表面積の変化はＣ５，Ｃ６，Ｃ７及びＣ８に関してゼロである。
２．板の間隔に起因する変化はＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８のみに関連する。それらはゼロであるが、しかしそれらは一方でＣ６とＣ７に関して、他方でＣ５とＣ８に関して互いに相殺する。
ｃ）Ｏｙに沿った変位
１．向かい合った表面積の変更に起因する変化はＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に関してゼロである。それらはＣ６とＣ７に関してと同様、Ｃ５とＣ８に関して互いに相殺する。
２．間隔の変更に起因する変化はＣ５とＣ８に関してゼロである。それらはゼロ以外であるが、一方でＣ２とＣ３に関して、他方でＣ１とＣ４に関して互いに相殺する。
【００４８】
そこで、
Ｃｚ＝４Ｃｄ２ｖ−４Ｃｄ１ｖ
が見出される。
【００４９】
加速度が上向きの場合、Ｃｄ２ｖの項はゼロであり、静電容量Ｃ１の変動はマイナスとなり（向かい合った表面積が減少するため静電容量は減少する）、Ｃｚの項はプラスである。
【００５０】
加速度が下向きの場合、Ｃｄ１ｖの項はゼロであり、静電容量Ｃ２の変動はマイナスとなり（向かい合った表面積は減少する）、Ｃｚの項はマイナスである。
【００５１】
この一次結合Ｃｚを通じて、それゆえ垂直変位に専ら起因する静電容量の変化の振幅が得られ、従って垂直変位及び垂直加速度の値がその符号と共に得られる。
【００５２】
説明されている配置は最も対称で従って有利であるが、対称性はより少ないものの、しかし同様に機能し、そして加速度の各々の成分に起因する静電容量の変化を切り離すことが可能な一次結合の確立を可能にする、他の配置（従って他の一次結合）を見出すことが出来ることは理解されるであろう。
【００５３】
該加速度計は、説明された機械要素に加えて、上記の一次結合の確立を可能にする、静電容量を測定するため手段及び静電容量を加減するための手段を備える。
【００５４】
既知の一般的な原理に従って、加速度測定を制御されない方法又は制御された方法で行なうことができる。制御されない方法が採用される場合、本発明者らは単に静電容量を測定し、一次結合を計算し、そこから加速度の様々な成分の影響下で質量体の変位を推定するだけである。これらの変位は振動質量体Ｍを支持する膜１２によりもたらされる復元力により制限され、それによって変位と復元力の間の関係、従って変位と加速度の間の関係、及びそれゆえ静電容量Ｃｘ、Ｃｙ又はＣｚの変化と加速度の間の関係を確立する。センサーが制御された方法で作動する場合、該測定は異なる。静電容量の測定が振動質量体の静止位置からの逸脱を示す場合に、それを静止位置に保とうとする力を振動質量体に作用させるために静電気モータが備えられ、そして該質量体が受ける加速度に拘わらず、該質量体をその静止位置に保つためにモータに加える必要のある電流又は電圧が測定される。
【００５５】
最も単純なのは、モータとして上記の測定用櫛形に類似の相互に嵌合した櫛形を用い、該質量体をその静止位置に戻そうとする静電気力を発生する電圧をこれらの櫛形に加えることである。そのとき各々の側には測定用櫛形に加えて四つの櫛形がある。しかしながら、知られているように、例えば測定と作動を切り替える、又は電圧スタックを切り替えるための時分割多重化を実行することにより、静電容量測定を行なうため及び静電気モータとして役立つために同じ櫛形を使用することもまた可能である。
【００５６】
それらが同じ櫛形であるかどうかに拘わらず、復元用櫛形はその組合せが全ての構成要素に従って適切な復元力を及ぼすために適した電圧を受ける。それらが測定用櫛形Ｐ１〜Ｐ８のように構成される場合、次の判定基準に適合するであろうそれぞれの復元用櫛形に電圧Ｖ１〜Ｖ８を加えることができる。
―その間隔がＯｘ方向に逆向きに変化する二つの櫛形（例えばＰ５，Ｐ６）に加えられる自動制御電圧（例えばＶ５−Ｖ６）の間の差は、一次結合Ｃｘが大きくなればなる程大きく、
―その間隔がＯｙ方向に逆向きに変化する二つの櫛形（Ｐ１，Ｐ２）に加えられる自動制御電圧（例えばＶ２−Ｖ１）の差は、一次結合Ｃｙが大きくなればなる程大きく、
―その固定板が可動板よりも低い櫛形に加えられる電圧（Ｖ１，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７）は、Ｃｚがプラス（上向きの加速度）のとき、Ｃｚが大きくなればなる程、他の櫛形に加えられる電圧（Ｖ２，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ８）に比べてより高くなり、
―その可動板が固定板よりも低い櫛形に加えられる電圧（Ｖ２，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ８）は、Ｃｚがマイナス（下向きの加速度）のとき、Ｃｚの絶対値が大きくなればなる程、他の櫛形に加えられる電圧（Ｖ１，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７）に比べてより高くなる。
【００５７】
加速度計の製作
本発明による加速度計を生産するために、幾つかの製作方法を用いることが可能であり、その例は以下に与えられる。
【００５８】
第一の例（図６）において、本発明者らはその上部に細かい埋設された最大厚さ数ミクロン（たとえば１μｍ）の酸化シリコン層６２を有するシリコンウェーハ６０から成り、それ自体が振動質量体の支持膜を形成するであろう、最大厚さ数ミクロン（例えば２μｍ）のエピタキシャル・シリコン層６４で覆われた、望ましくはＳＯＩ（絶縁体上のシリコン）タイプの基板であるシリコン基板から出発する。
【００５９】
膜を定義するであろう領域にわたって分布する点状の開口６６は、エピタキシャル・シリコン層６４に開けられている。これらの開口は後で、下にある酸化シリコン層６２を侵食するために役立つであろう（図７）。
【００６０】
基板の全表面を覆い、開口６６を埋める数ミクロン（例えば５μｍ）の酸化シリコン膜６８が堆積される（図８）。
【００６１】
この層は振動質量体を所定の電位（例えばアース）に導くことが出来るように、該膜（及びその後に振動質量体）と外側の間の電気的接続に役立つ、少なくとも一つの領域７０において酸化物を取り除くために局部的にエッチングされる。このエッチングの過程で、膜を伴う振動質量体の取り付けポイントが何であろうかを定義するために、点状の開口７２もまた膜のために割り当てられた領域の中央に開けられる（図９）。
【００６２】
電気的接続領域７０と直接的に接触し、また点状の開口７２を通じてエピタキシャル層６４と結合する単結晶シリコン層７４はエピタキシーによって堆積される。開口７２を埋めるシリコンは図２に関して言及された中央のスタッド１４を構成するであろう。この結合で形成されたエピタキシーの厚さは、例えば約２５ミクロンである。このシリコン層は可動板と固定板の双方に関して、全く同時に振動質量体及び相互に嵌合した櫛形を構成するであろう。シリコンは伝導するため及び相互に嵌合した櫛形の静電容量プレートとして直接役立つことができるために、十分にドーピングされる。シリコンは少なくとも層６４の下にある単結晶シリコンとの接点領域、すなわち開口７０と７２の所で単結晶の様式において成長するが、それはこれらの接点から離れた領域においては多結晶のまま残り得ることが注目されよう（図１０）。
【００６３】
シリコン層７４はそれらが固定板（領域７６）か、可動板（領域７８）であるかどうかに拘わらず、より低い櫛形プレートを定義する領域において部分的局部エッチングにより、局部的に薄くされる（図１１）。該図面において、図は垂直断面の視図では表わすことが容易ではないであろう相互の嵌合を示さずに、左側に一つだけの固定板を表わし、右側に一つだけの可動板を表わすことによって単純化されている。しかしながら、同じ櫛形の内側の向き合う板の高さを減らすことなく櫛形の内側の固定（又は可動）板の高さを減らすように、領域７６及び７８は正確にエッチングされる。
【００６４】
異なる板の高さが、低くされるべき板に関する沈んだ窪みとしてではなく、それらに更に大きな高さを与えるため、高められるべき板に関する突出部として定義できることは注目されるであろう。この場合、領域７６及び７８をエッチングする代わりに領域７６及び７８を突出させたまま、残り全体の表面がエッチングされる。
【００６５】
金属層８０は様々な櫛形の板と電気的接触をとるため、その後に堆積されエッチングされる。可動板は全体的に伝導性の振動質量体に結合され、全て同じ電位であろう。そして右側の接点は振動質量体を所望の電位に導くため、膜に、従って振動質量体に接続されたままであろう。逆に、固定された櫛形は、電位測定用又は電圧供給用の装置と別個に接続されることが出来なければならず、そして櫛形あたり別々の接点が備えられる（図１２）。
【００６６】
層７４のシリコンの全体厚さは一方で振動質量体Ｍを、他方で他の櫛形から絶縁された各々の固定された櫛形を定義するため、及びこれら各々の櫛形の固定板又は可動板の各々を定義するためにエッチングされる。図１３は中央で振動質量体の間に二つの分離開口８２及び８４を、そして右側と左側に櫛形を象徴的にのみ表わしているが、しかし実際にこのエッチング作業は二つの向き合った板、固定板及び可動板の間の各々の隙間を定義する。シリコンのエッチングは絶縁層６８において停止される。
【００６７】
このようにシリコン層内にエッチングされた開口を通じて、層６８と次に６２の酸化シリコンは異方性エッチングにより侵食される。後者に関して、例えばフッ化水素による酸化物の溶解は開口６６を通じて行なわれ、それは図７のステップで実施されている。酸化物のエッチングは幾らかの酸化物の残留を許容し、それは櫛形と始まりの基板６０を結合する（図１４）。これは図１及び図２に定義された加速度計の構造を、懸架された振動質量体として、及び可動と固定の櫛形板として役立つためにシリコン層７４で生み出し、そして懸架された膜、該膜を結合している中央のシリコンスタッド１４、及び後者の中央における質量体として役立つためにシリコン層６４で生み出す。
【００６８】
図１５〜１８に表わされている別の製作技術においては、次のような方法で進められる。
【００６９】
図６のものと類似の基板からスタートする。シリコン層６４で覆われ、埋設された酸化シリコン層６２を有するシリコンウェーハ６０から成るＳＯＩ基板である。振動質量体と膜の間の中央接続スタッド１４を構成すべき位置において、これら二つの層に開口９２が開けられる（図１５）。
【００７０】
一方で振動質量体と支持膜の間の将来の中央接続スタッドを構成しながら開口９２を埋め、そしてもう一方で以前から存在する層６４の厚さを増加する、シリコン層が堆積される。このようにして酸化物６２の上方に構成されたシリコン層９４は、振動質量体のための支持膜を構成するであろう（図１６）。
【００７１】
このように生み出された基板は層９４がここで下側になるように反転され、この基板はその前面、すなわち層９４の側を介して、膜のために割り当てられた全体領域を占める表面の空洞９８を有する、別の基板９６へと接着される。基板６０と９６は従ってそれらの周囲のみで接着され、シリコン層９４は空洞９８の上方に懸架されて位置する（図１７）。
【００７２】
基板６０の背面は次に、振動質量体のために所望される厚さ、例えば５０ミクロン以下の厚さを有するまで機械加工又は化学加工によって薄くされる（図１８）。選ばれる厚さは、相互に嵌合した櫛形板の容易で正確なエッチングを可能にする厚さである。
【００７３】
次のステップは図１１〜１４に関して説明されたものと同じであり、再度記述されないであろう。その他の板よりも低いか又は高い板の領域を定義するためのシリコンの窪み加工、電気接点の形成、相互に嵌合した櫛形のエッチング、及び最後に、シリコン層９４により構成された膜を解放するために、櫛形のエッチングによって作られる開口を通じた酸化シリコン層６２の溶解。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明による加速度計の上方から見た線図を表わす。
【図２】図１の破線ＩＩ−ＩＩに沿った断面視図を表わす。
【図３】図１の平面に直角な垂直軸Ｏｚに沿った下向きの加速度の存在下における、振動質量体の変位を示す断面視図を表わす。
【図４】垂直軸Ｏｚに沿った上向きの加速度の存在下における、振動質量体の変位を表わす。
【図５】軸Ｏｘに沿った左向きの水平加速度の存在下における、振動質量体の変位を表わす。
【図６】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図７】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図８】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図９】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図１０】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図１１】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図１２】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図１３】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図１４】本発明によるセンサーを製作する例示的方法の様々なステップを表わす。
【図１５】別の例示的製作方法のステップを表わす。
【図１６】別の例示的製作方法のステップを表わす。
【図１７】別の例示的製作方法のステップを表わす。
【図１８】別の例示的製作方法のステップを表わす。
【符号の説明】
【００７５】
Ｐ１  櫛形
Ｐ２  櫛形
Ｐ３  櫛形
Ｐ４  櫛形
Ｐ５  櫛形
Ｐ６  櫛形
Ｐ７  櫛形
Ｐ８  櫛形
Ｍ  振動質量体
ＡＦ１  固定板
ＡＦ３  固定板
ＡＭ１  可動板
ＡＭ３  可動板
１０  基板
１２  膜
１４  中央のスタッド、スタッド、中央のシリコンスタッド、中央接続スタッド
６０  シリコンウェーハ、基板
６２  酸化シリコン層、層、酸化物
６４  エピタキシャル・シリコン層、エピタキシャル層、層、シリコン層
６６  開口
６８  酸化シリコン膜、絶縁層、層
７０  領域、電気的接続領域、開口
７２  点状の開口、開口
７４  単結晶シリコン層、シリコン層、層
７６  領域
７８  領域
８０  金属層
８２  開口
８４  開口
９２  開口
９４  シリコン層、層
９６  基板
９８  空洞 
【図１】
0005211387.tif 000002
【図２】
0005211387.tif 000003
【図３】
0005211387.tif 000004
【図４】
0005211387.tif 000005
【図５】
0005211387.tif 000006
【図６】
0005211387.tif 000007
【図７】
0005211387.tif 000008
【図８】
0005211387.tif 000009
【図９】
0005211387.tif 000010
【図１０】
0005211387.tif 000011
【図１１】
0005211387.tif 000012
【図１２】
0005211387.tif 000013
【図１３】
0005211387.tif 000014
【図１４】
0005211387.tif 000015
【図１５】
0005211387.tif 000016
【図１６】
0005211387.tif 000017
【図１７】
0005211387.tif 000018
【図１８】
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