(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にヨーレートセンサのための、マイクロメカニカル式のばね構造体であって、協動する第１のばねビームと第２ばねビーム（１５１，１５２）とが設けられており、これらのばねビームが所定の区分で互いにほぼ平行に延びていて、所定の区分で互いに連結されている形式のものにおいて、
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）とが、共通の１つの湾曲領域（１５０）を有しており、該湾曲領域で、結合領域（１５５）によって互いに連結されており、
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）との間に位置する、結合領域（１５５）への第１の移行領域（１６０ｃ，１６０ｄ）がほぼ曲率増減率が一定であるように延びていることを特徴とする、特にヨーレートセンサのための、マイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項２】
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）とが、第１の移行領域（１６０ｃ，１６０ｄ）に移行する第１の拡張領域（１７０ｄ，１７０ｅ；１７０ｆ，１７０ｇ）を有している、請求項１記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項３】
第１の拡張領域（１７０ｄ，１７０ｅ；１７０ｆ，１７０ｇ）が、第１の移行領域（１６０ｃ，１６０ｄ）から離れるにつれてほぼ直線的にまたは台形状に狭まる、請求項２記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項４】
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）とが、基板（１）に結合されたメインランド領域（１０）に、または基板（１）上を浮動するアイランド領域（２０）に接続されていて、メインランド領域（１０）またはアイランド領域（２０）に移行する第２の移行領域（１６０ａ；１６０ｂ；１６０ｅ；１６０ｆ）が、ほぼ曲率増減率が一定であるように延びている、請求項３記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項５】
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）とが、前記第２の移行領域（１６０ａ；１６０ｂ；１６０ｅ；１６０ｆ）に移行する第２の拡張領域（１７０ａ，１７０ｂ；１７０ｃ；１７０ｈ，１７０ｉ；１７０ｊ）を有している、請求項４記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項６】
第２の拡張領域（１７０ａ，１７０ｂ；１７０ｃ；１７０ｈ，１７０ｉ；１７０ｊ）が、第２の移行領域（１６０ａ；１６０ｂ；１６０ｅ；１６０ｆ）から離れるにつれほぼ直線状にまたは台形状に狭まっている、請求項５記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項７】
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）のうち少なくとも一方が、有利には円形の第３の拡張領域（１５８ａ〜１５８ｄ）を有しており、該第３の拡張領域（１５８ａ〜１５８ｄ）が、基板（１）に固定するための中央の固定領域（１５９ａ〜１５９ｄ）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項８】
第１のばねビームと第２のばねビーム（１５１，１５２）とが二重のＵ字形構造を有しており、結合領域（１５５）が二重のＵ字形湾曲部に位置している、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項９】
第１のばねビームと第２のばねビームとに第１の導体路装置と第２の導体路装置（２０１，２０２）とが取り付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【請求項１０】
シリコン表面マイクロマシニングまたは別のマイクロマシニング技術によって製造可能である、請求項１から９までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル式のばね構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景技術
本発明は、特にヨーレートセンサのための、マイクロメカニカル式のばね構造体であって、協動する第１のばねビームと第２ばねビーム（１５１，１５２）とが設けられており、これらのばねビームが所定の区分で互いにほぼ平行に延びていて、所定の区分で互いに連結されている形式のものに関する。
【０００２】
本発明は任意のマイクロメカニカル式のばね構造体に適用可能であるが、本発明および本発明の根底を成す問題点を、マイクロメカニカル式のヨーレートセンサに関して説明する。
【０００３】
図４には、ヨーレートセンサのための公知のマイクロメカニカル式のばね構造体が概略的な平面図で示されている。
【０００４】
図４には符号１０で第１のばねビームが、符号１２で第２のばねビームが示されている。符号１５では、第１のばねビーム１０と第２のばねビーム１２とが互いに連結される結合領域が示されている。
【０００５】
このように形成された公知のマイクロメカニカル式のばね構造体は重大な欠点を有している。即ち、結合領域１５の領域において極端に湾曲している場合、ばねビーム１０，１２と結合領域１５との間のほぼ直角な移行部において応力ピークが生じるという欠点がある。このことは不都合には、亀裂を生ぜしめ、または結合領域を完全に破壊する。
【０００６】
発明の効果
請求項１に記載の本発明の根底を成す思想は、ばねジオメトリの特別な構成にある。特に第１のばねビームと第２のばねビームとが共通の１つの湾曲領域を有しており、該湾曲領域において前記両ばねビームが互いに結合領域によって連結されている。第１のばねビームと第２のばねビームとの間に位置する第１の移行領域は、結合領域に向かってほぼ曲率の増減率が一定であるように延びている。湾曲領域とはこの関係で、この領域では常に湾曲部が存在しているか、または湾曲がここで作動時に生じることを意味している。
【０００７】
このような形式のジオメトリは、結合領域での応力が減じられるので、この場所での損傷が殆ど生じないという利点を有している。
【０００８】
請求項２以下では、請求項１に記載のマイクロメカニカル式のばね構造体の有利な別の構成および改良形が記載されている。
【０００９】
有利な別の構成では、第１のばねビームと第２のばねビームとが、第１の移行領域に移行する第１の拡張領域を有している。このことは、生じる応力がさらに減じられるという利点を有している。
【００１０】
別の有利な構成によれば、第１の拡張領域が、第１の移行領域から離れるにつれてほぼ直線的にまたは台形状（trapezoidal）に狭まっている。このことは、作動方向での応力値および落下強度のための応力値が僅かに維持されるという利点を有している。これにより応力の分配と応力の最大値の著しい低減という効果が得られる。
【００１１】
有利な別の構成によれば、第１のばねビームと第２のばねビームとが、基板に結合されたメインランド（本土Festland）領域に、または基板上を浮動するアイランド（島Insel）領域に接続されている。メインランド領域またはアイランド領域に移行する第２の移行領域は、ほぼ曲率増減率が一定であるように延びている。メインランド領域もしくはアイランド領域への結合部における平滑なもしくは曲率増減率が一定な移行部も、ここで応力ピークが生じることが防止されている。
【００１２】
別の有利な構成では、第１のばねビームと第２のばねビームとが、第２の移行領域に移行する第２の拡張領域を有している。このことは生じる応力がさらに低減されるという利点を有している。
【００１３】
別の有利な構成では、第２の拡張領域が、第２の移行領域から離れるにつれほぼ直線状にまたは台形状に狭まっている。このことは、運転方向における応力値および落下強度のための応力値が僅かに保たれるという利点を有している。
【００１４】
別の有利な構成によれば、第１のばねビームと第２のばねビームのうち少なくとも一方が、有利には円形の第３の拡張領域を有しており、該第３の拡張領域が、基板に固定するための中央の固定領域を有している。これにより気相エッチングの際に相応の製造確実性を伴い固有振動数を減じるために有利な形式で連結される。
【００１５】
別の有利な構成によれば、第１のばねビームと第２のばねビームとが二重のＵ字形構造を有しており、結合領域が二重のＵ字形湾曲部に位置している。このような構造は、有利な対称性を有している。この二重のＵ字形ばね形状は、同じ幅の互いに絶縁された２つの導体路をばねビームに沿って案内するために有利である。単なるＵ字形ばねでは、ばねビーム構造は、同じ剛性を得るためには少なくとも２倍の幅で、ひいては少なくとも２倍の長さでなければならない。チップの面積は即ち、二重のＵ字形ばねが実現されているならば、著しく小さくなる。両ばねビームは、Ｕ字形の円形部で機械的に結合されており、これにより共鳴運転の際に振動方向に対して垂直方向の加速成分が生じない。
【００１６】
このような加速成分は、ばね構造体を使用するコリオリ・ヨーレートセンサの検出方向で作用し、ひいては直角成分を生ぜしめる。即ち出力電圧に外乱信号が生じる。結合部はこの例では、生じる応力が運動方向およびｚ方向でできるだけ小さくなるように形成されている。
【００１７】
別の有利な構成では、第１のばねビームと第２のばねビームとに第１の導体路装置と第２の導体路装置とが取り付けられている。従って、同じ幅の２つの導体路は互いに効果的に絶縁される、もしくは分離される。
【００１８】
別の有利な構成では、シリコン表面マイクロマシニングによって、もしくはシリコンバルクマイクロマシニングと関連して行うシリコン表面マイクロマシニングによって、または別のマイクロメカニック技術によって製造可能である。
【００１９】
実施例の説明
図面では同一の符号は、同一の構成部分または機能的に同一の構成部分を示している。
【００２０】
図１には、ヨーレートセンサの部分として本発明によるマイクロメカニカル式ばね構造体の実施例が概略的な平面図で示されている。
【００２１】
図１には、符号１５１で第１のばねビームが、符号１５２で第２のばねビームが示されており、これらのばねビームは、二重Ｕ字形構造体を有している。第１のばねビーム１５１と第２のばねビーム１５２とは共通のＵ字形湾曲領域１５０を有していて、ここで、特別な結合領域１５５によって互いに連結されている。言い換えれば結合領域１５５は、両ばねビーム１５１，１５２の間の一貫したブリッジである。両ばねビーム１５１，１５２は、基板１に結合されたメインランド領域１０を、基板１上に浮かぶアイランド領域２０に結合させる。第１のばねビーム１５１および第２のばねビーム１５２には、第１の導体路装置２０１もしくは第２の導体路装置２０２が互いに絶縁されて取り付けられている。
【００２２】
符号１６０ｃと１６０ｄは、第１のばねビーム１５１および第２のばねビーム１５２と、結合領域１５５との間の第１の半円形の移行領域をそれぞれ示している。この移行領域１６０ｃ，１６０ｄは、ほぼ曲率増減率恒常的に延びている。これは、曲率が均一に増大もしくは減少し、例えば図４の構造体のように直角により形成されるような突出部を有していないということを意味している。これにより応力ピークが減じられる。
【００２３】
図１及び図２の領域Ｖの部分拡大図により明らかであるように、第１のばねビーム１５１および第２のばねビーム１５２の端部にはそれぞれ拡張領域１７０ｄ，１７０ｅもしくは１７０ｆ，１７０ｇが設けられている。これらの拡張領域もほぼ曲率増減率恒常的に第１の移行領域１６０ｃ若しくは１６０ｄへと延びている。このような第１の実施例では、第１の拡張領域１７０ｄ，１７０ｅもしくは１７０ｆ，１７０ｇがほぼ直線的に、それぞれのばねビーム１５１，１５２に移行して延びている。言い換えれば拡張領域は直線的に狭まっている。
【００２４】
対応する第２の半円形の移行領域１６０ａ，１６０ｂ若しくは１６０ｅ，１６０ｆが、メインランド領域１０もしくはアイランド領域２０に設けられている。ここではばねビーム１５１若しくは１５２が曲率増減率恒常的にメインランド領域１０もしくはアイランド領域２０に移行している。結合領域１５５と同様に、ここにも拡張領域１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃ，１７０ｈ，１７０ｉ，１７０ｊが設けられている。これらの拡張領域もほぼ直線的に、移行領域１６０ａ，１６０ｂ若しくは１６０ｅ，１６０ｆから離れるにつれて狭まる。従って、この場所においても応力ピークを最小にすることができる。このことは、ばねビームが直線的にメインランド領域１０もしくはアイランド領域２０に移行する個所、即ち二重Ｕ字形構造体の内面においても言えることである。
【００２５】
両ばねビーム１５１，１５２はさらにそれぞれ、円形の第３の拡張領域１５８ａ〜１５８ｄを有している。この拡張領域１５８ａ〜１５８ｄは、基板に固定するために中央の固定領域１５９ａ〜１５９ｄを有している。これは図３に示した、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図で詳しく示されている。
【００２６】
この実施例のマイクロメカニカル式ばね構造体は、コリオリの原理に従ってヨーレートを直線的な加速度に変換する公知のヨーレートセンサのために考えられている。
【００２７】
図１〜図３に示したマイクロメカニカル式のばね構造体は、シリコン表面マシニングおよびシリコンバルクマシニングによって形成される。基本的にこのためにシリコン基板１にはシリコン酸化膜の犠牲層が設けられている。この犠牲層にはエピタキシャル成長されたポリシリコン層が析出される。
【００２８】
ばね構造体は、トレンチ・溝エッチングプロセス（Trench / Grabenaetzprosses）によって形成され、次いでシリコン酸化膜の犠牲層がエッチングプロセスによって、ポリシリコンが基板１に対して自由に運動可能であることが所望されるところで取り除かれる。
【００２９】
図１によれば、ポリシリコンから成るマイクロメカニカル式ばね構造体は、同様にポリシリコンから成る、シリコン酸化膜の犠牲層を介して基板１に結合されたメインランド領域１０を、同様にポリシリコンから成るアイランド領域２０に結合させる。このアイランド領域２０は基板１に堅固に結合されるが、自由に運動可能である。
【００３０】
基板とエピタキシャル成長されたポリシリコンとの間の機械的な結合を保証するために、シリコン酸化膜の所定の係合面が、基板と、エピタキシャル成長されたポリシリコンとに残る必要がある。所定のデザインにより、所要の円形の拡張部が得られ、二重Ｕ字形湾曲部を結合する結合部における要求が満たされる。
【００３１】
ばねビームの具体的な設計のためのベースは、考慮される機械的状況を極めて良好に描写することができる有限要素シュミレーションによって形成することができる。パターンに従って、本発明によるばね構造体が、基板とエピタキシャル成長されたポリシリコンとの間の機械的に安定した結合を保証することが証明される。
【００３２】
本発明は有利な実施例に従って上記のように説明したが、これに限定されるものではなく、多様に応用可能である。
【００３３】
特にばね構造体の形状は、図示の例に限定されない。勿論、外部の加速度の直線的な成分が、測定結果の質を落とす危険がある場合には、対称的な形状から大きくずれるのは回避するべきである。
【００３４】
製造法も一例として理解されたい。例えば電気メッキ法のような他の方法もマイクロメカニカル式のばね構造体を製造するために利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ヨーレートセンサの部分としての本発明によるマイクロメカニカル式のばね構造体の実施例の概略的な平面図である。
【図２】  図１の領域Ｖの部分拡大図である。
【図３】  図１のＡ−Ａ線に沿った横断面図である。
【図４】  公知のマイクロメカニカル式のばね構造体の概略的な平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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