(57)【要約】微小電子機械システム(MEMS)加速度計が、開口を定める枠(10)を付与するために超微細加工されたウェーハから成る。前記開口内には、検出マス(14)が配置される。一対の整列旋回ビーム(15)が前記検出マスを枠(10)に連結し、このとき、旋回軸が前記検出マスの重心からずれるようになっている。少なくとも一つの検出ビーム(16)が前記検出マス(14)を前記枠に連結し、前記検出ビーム(16)が前記検出マス(14)の旋回運動によって変形する。前記検出マスの旋回運動による前記検出ビームの変形が測定され、この変形から、加速度計の加速度が決定できる。
2006520897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電子機械システム(MEMS)加速度計であって、
開口を定める枠を付与するために超微細加工されたウェーハ、
前記枠の開口内に配置され、一対の整列旋回ビームによって前記枠に連結された検出マスであって、該旋回ビームが、前記枠に対する前記検出マスの旋回軸が前記検出マスの重心からずれるように配置されているような検出マス、
前記検出マスを前記枠に連結する少なくとも一つの検出ビームであって、前記検出マスの旋回運動が該検出ビームを変形させるように配置されているような検出ビーム、
から成り、ここで、
前記検出マスの旋回運動が前記検出ビームの変形の検出によって検出できる、
ことを特徴とする微小電子機械システム(MEMS)加速度計。
【請求項２】
当該検出マスが、前記検出マスの対向両辺から当該枠まで延びる二つの検出ビームによって前記枠に連結され、ここで、前記二つの検出ビームが、前記検出マスが旋回運動を行うときに、反対向きに変形することを特徴とする請求項１に記載のMEMS加速度計。
【請求項３】
当該枠、当該検出マス、当該旋回ビーム、および当該検出ビームが、すべて、超微細電子機械システム技術によって半導体材料の単一ウェーハから作られることを特徴とする請求項１または２に記載のMEMS加速度計。
【請求項４】
少なくとも当該検出ビームが、圧電材料から成るか、または圧電材料を支持しており、ここで、前記検出ビームの変形が、前記検出ビームの電気的性質の変化を測定することによって検出できることを特徴とする請求項３に記載のMEMS加速度計。
【請求項５】
当該検出ビームが、打ち込みまたは蒸着金属要素を有し、ここで、前記検出ビームの変形が、前記検出ビームの電気的性質の変化を測定することによって検出できることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載のMEMS加速度計。
【請求項６】
当該二つの検出ビームが共面であり、当該検出マスの対向両辺から反対向きに当該枠まで実質的に共線に延びていることを特徴とする請求項２から５までのいずれか１つに記載のMEMS加速度計。
【請求項７】
当該検出マスが大体直方体の形状を有し、当該検出ビームが前記直方体の一つの面から当該枠まで延びていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１つに記載のMEMS加速度計。
【請求項８】
当該旋回ビームが、当該検出ビームが延び出ている当該面の実質的に中心に配置され、当該旋回軸が前記面を横切るように延びていることを特徴とする請求項７に記載のMEMS加速度計。
【請求項９】
当該旋回ビームの旋回軸が、当該検出ビームが延び出ている当該検出マスの当該面にあるか、またはこの面に隣接していることを特徴とする請求項８に記載のMEMS加速度計。
【請求項１０】
当該検出ビームが、前記検出ビームが延び出ている当該検出マスの当該面内で、実質的に長方形の断面形状を有することを特徴とする請求項７から９までのいずれか１つに記載のMEMS加速度計。
【請求項１１】
当該検出ビームおよび当該旋回ビームが、当該加速度計が静止しているとき、実質的に共面であることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１つに記載のMEMS加速度計。
【請求項１２】
当該枠が二つの開口を定め、それぞれの開口に、前記開口内にそれぞれの旋回ビーム対および一つ以上のそれぞれの検出ビームによって取りつけられた同様の検出マスが備えられていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１つに記載のMEMS加速度計。
【請求項１３】
当該それぞれの検出ビーム対が実質的に共面であるが、当該それぞれの旋回ビーム対が実質的に直交しており、ここで、二つの加速度計が直交二方向の加速度を検出することを特徴とする請求項１２に記載のMEMS加速度計。
【請求項１４】
当該枠が第三の開口を定め、第三の検出マスが前記第三の開口内に配置され、前記第三の検出マスの検出軸が当該第一および第二の検出マスの検出軸に実質的に直交することを特徴とする請求項１２または１３に記載のMEMS加速度計。
【請求項１５】
当該第三の検出マスが一つ以上の検出ビームによって支持されることを特徴とする請求項１４に記載のMEMS加速度計。
【請求項１６】
当該第三の検出マスが互いに直交する二つの方向に延びる四つの検出ビームによって支持されることを特徴とする請求項１５に記載のMEMS加速度計。
【請求項１７】
当該第三の検出マスが大体直方体の形状を有し、当該四つの検出ビームがそれぞれ前記第三の検出マスの一つの面の四つの辺の各々から当該枠まで延びることを特徴とする請求項１６に記載のMEMS加速度計。
【請求項１８】
当該第三の検出マスを支持する当該四つの検出ビームが他の二つの検出マスの前記検出ビームと実質的に共面であることを特徴とする請求項１７に記載のMEMS加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電子機械システム(MEMS)加速度計(a micro-electro-mechanical systems accelerometer)に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度の振幅と向きとの両方を三次元で正確に測定するための、軽量で低価格の加速度計が求められている。多数の巨視的スケール(macro-scale)の装置が設計されており、これらは通常、三つの単軸加速度計のアセンブリから成り、これらの加速度計の検出軸は互いに直交するように配置されている。そのような巨視的な加速度計は一般に多数の要素のアセンブリから成り、したがって作り上げられる三軸加速度計は大きすぎて意図する用途には適合させられないことが多い。また、アセンブリ全体が、意図する用途のためには、重すぎることがある。
【０００３】
微小電子機械システム(MEMS)技術により、通常の機械装置を微視的なスケールで製造することが可能になった。この場合、単一のウェーハたとえばシリコンウェーハ上にLSI半導体電子要素を製造するために開発された製造方法を使用する。MEMS技術で、軽量で低価格の三軸加速度計を製造することができるようになった。これらの加速度計は各種産業で広く使用されており、巨視的装置に比して、小型軽量であるという利点を有するが、それにもかかわらず、三次元における加速度の非常に正確かつ高信頼性の測定値を与えうるものである。
【０００４】
MEMS単軸加速度計の共通原理は、一つ以上の弾性変形可能なビームによって、プルーフマスを枠に支持するというものである。枠に加速度が加わると、このビームは、プルーフマスを加速するのに必要な力によって、静止状態から変形し、したがってプルーフマスが枠に対して変位する。プルーフマスの運動はビームの弾性によって支配され、この弾性によってプルーフマスをその静止位置に戻す復元力が与えられる。加速度は、プルーフマスを支持するビームのひずみを検出することによって測定することができる。この測定のためには、通常、ビームに備えられた圧電センサーまたは圧電抵抗センサーが使用される。
【０００５】
MEMS加速度計のもう一つの構造は、やはり一つ以上の弾性変形可能なビームによって支持されたプルーフマスを使用するが、このプルーフマスがキャパシターの一つの極板を支持し、枠がもう一つの極板を支持する、というものである。加速度は二つの極板の相対変位によるキャパシタンスの変化を測定することによって検出される。さらにもう一つの公知のタイプのMEMS加速度計では、プルーフマスの束縛のためにねじり部材が使用され、また、加速度計に加速度が加わったときのプルーフマスの変位の測定に、容量またはサーボ容量(servo-capacitive)装置が使用される。支持部材のねじり剛性により、プルーフマスの変位が決定され、あるいはサーボキャパシターによって生成される静電力によって、この変位が決定される。
【０００６】
大ざっぱに言えば、直交三軸方向の加速度を決定することのできるMEMS加速度計には三種類のものがある。それは、下記のものである。
1.  三つの個別単軸MEMS加速度計が立方体の三面に取りつけられて、三方向での加速度が測定される。個別ウェーハと取りつけ立方体との全体の集成により、完成三軸加速度計の重さは著しく大きなものとなる。また、非常に高い精度で三つの加速度計を位置合わせすることの困難さのために、製造が非常に難しく、したがって費用の点で不利となる。
2.  単一プルーフマスのMEMS加速度計が直交三方向での加速度の検出に使用されている。理想的には、各方向での感度は同じになるべきであろうが、実際には、面外応答(ウェーハに対する)が通常面内応答の数倍になる。各方向における個々の信号の分離は、装置の製造精度と各軸からの信号の等しさの要求とによって制限され、したがって軸交差(cross-axis)信号が生じる。それゆえ、このような装置の性能はあまり高くない。
3.  三方向での加速度を検出するために、複数の単軸MEMS装置が一枚のウェーハに作りつけられる。MEMS技術の使用により、三つ以上の同一装置を一枚のウェーハに作ることができるが、この場合、面外方向の応答が面内方向の応答と異なる。
【０００７】
超微細加工技術の特性のため、一枚のウェーハに作られる必要要素は、本質的に二次元パターン形成されたものであるが、厚さの異なるいくつかの層を順番に積み重ねることができる。そのような超微細加工ウェーハは、しばしば2スD構造と呼ばれ、このとき、パターンはウェーハの厚さ全体にわたって実質的に同じであるか、または結晶方位とエッチングプロセスとによって決定される。
【０００８】
MEMS技術を使用して一枚のウェーハから作られる代表的な三軸加速度計は、面内および面外加速度に応答するときのプルーフマス支持ビーム内のひずみ分布が正確に同じになるようには作ることができない。製造方法を考えると、支持ビームは必ずウェーハ面内にあり、したがって面内および面外加速度によるひずみの検出には異なるひずみ検出機構が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、MEMS加速度計の公知の構造を改良して、面外方向の応答を最小限に抑えることである。したがって、本発明の実施形態のもう一つの目的は、少なくとも二つの単軸加速度計がMEMS技術を用いて一枚のウェーハに作りつけられる複数軸加速度計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの側面によれば、
微小電子機械システム(MEMS)加速度計であって、
開口を定める枠を付与するために超微細加工されたウェーハ、
前記枠の開口内に配置され、一対の整列旋回ビームによって前記枠に連結された検出マスであって、該旋回ビームが、前記枠に対する前記検出マスの旋回軸が前記検出マスの重心からずれるように配置されているような検出マス、
前記検出マスを前記枠に連結する少なくとも一つの検出ビームであって、前記検出マスの旋回運動が該検出ビームを変形させるように配置されているような検出ビーム、
から成り、ここで、
前記検出マスの旋回運動が前記検出ビームの変形の検出によって検出できる、
ことを特徴とする微小電子機械システム(MEMS)加速度計、
が提供される。
【００１１】
本発明の加速度計においては、プルーフマスが、面内加速度が加わったときに枠に対する旋回運動を行うように束縛され、プルーフマスの運動が検出ビームによって支配される。あるいは、検出ビームが二つ以上ある場合には、各検出ビームによって支配される。旋回軸方向の加速度は実質的にプルーフマスの運動を引起さない。また、旋回軸とプルーフマスの重心との両方を通る方向の加速度は、プルーフマスの最小限の運動しか引起さない。したがって、この加速度計は、非常に小さな軸交差誤差しか生じない真の単軸加速度計と見なすことができる。
【００１２】
もっとも好ましくは、枠とマスとに対して対称に配置された二つの検出ビームを使用する。これらのビームは、マスの対向二位置を枠に連結し、マスの旋回運動が両検出ビームを湾曲させるが、湾曲の向きが逆になるように配置されている。たとえば、検出ビームは、マスの対向二辺から枠まで、実質的に共線に延びることができる。
【００１３】
本発明の加速度計を作るのに使用されるMEMS製造技術は、好ましくは、公知のエッチング技術によりすべて半導体材料の単一ウェーハに作りつけられる枠、マス、旋回ビーム、および検出ビームを付与するものである。ウェーハの適当な処理により、検出ビームに圧電特性または圧電抵抗特性を与えることができ、そうすることによって、検出ビームの湾曲を、該ビームの電気的特性の変化を測定することによって、検出することができる。あるいは、検出ビームが打ち込みまたは蒸着金属要素(implanted or deposited metallic components)を有するようにすることができ、そうすることによって、該ビームの湾曲を、これらの要素の電気的特性の変化を測定することによって検出することができる。
【００１４】
MEMS製造技術が与える利点により、マスは大体直方体の形状を有することができ、検出ビームがマスの一面の対向二辺から枠まで延びる。さらに、旋回ビームは、検出ビームが延び出ているマスの面の実質的に中心に配置することができ、旋回軸が前記面を横切るように延びる。やはり、MEMS製造技術により、旋回ビームの旋回軸を、マスの前記面にあるか、またはこの面に隣接するようにすることができる。
【００１５】
本発明の二つの加速度計は単一ウェーハに作りつけることができる。この場合、MEMS製造技術により、ウェーハ内に二つの開口を備えることができ、各開口内に、付随する一対の旋回ビームと付随する一対の検出ビームとによって取りつけられた大体同じマスが備えられるが、二つの加速度計の旋回ビーム対は互いに直交している。したがって、このような加速度計は二つの直交方向の加速度を検出する。
【００１６】
さらに、枠は第三の開口を定めることができ、第三のマスが前記第三の開口内に配置され、前記第三のマスの主検出軸は、ウェーハ面外にあり、たとえば前記第一および第二のマスの検出軸に実質的に直交する。そのような配置の場合、第三のマスは、一つ以上の検出ビーム上に支持することができる。たとえば、枠の面内にあって互いに直交する二方向に延びる四つの検出ビームを備えることができるが、そのような加速度計は面内での加速度に対して少しばかり敏感である。このことは、四つの検出ビーム全部からの信号の適当な処理によって削除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、単なる例として、添付の図面を参照しつつ、本発明のMEMS三軸加速度計の一つの特定実施形態について詳しく説明する。
【００１８】
図面に示す加速度計の実施形態は、加速度の振幅と方向との両方を直交する三つの軸方向に関して正確に測定することを意図するものである。超微細加工技術を使用して、一つのシリコンウェーハ上に三つの個別単軸加速度計を作りつける。必要な配置精度は、エレクトロニクス産業で開発されたリソグラフィーエッチング法によって実現することができ、この三軸加速度計の基本構造を完成させるための後続の集成工程は必要でない。加速度の検出は、各加速度計において各三つのマスの支持ビームにおけるひずみを圧電または圧電抵抗測定することによってなされる。
【００１９】
図１は、本発明の加速度計の実施形態の平面図である。単一のシリコンウェーハ10が通常のリソグラフィーとエッチングの技術によって処理されて、三つの開口を定める枠が備えられ、これらの開口内にそれぞれ第一、第二、および第三の個別加速度計が作られる。第一の加速度計11は、X軸方向(すなわち、シリコンウェーハ10の長さ方向)の加速度を検出するための単軸構造のものであり、第二の加速度計12は、第一の加速度計11と同様のものであるが、Y軸方向(すなわち、シリコンウェーハ10の長さ方向を横断する方向)の加速度を検出するためのものであり、第三の加速度計13は、通常の構造のものであり、主としてZ軸方向(すなわち、ウェーハ10の表面に直交する方向)の加速度を検出するためのものである。この第三の加速度計は、その構造から、ウェーハ面内での加速度をも測定するが、この面内での応答はZ軸方向における応答よりもずっと小さい。
【００２０】
第一および第二の加速度計11および12は、プルーフマス14を有し、該プルーフマスは、ウェーハ10の材料からエッチング成形され、旋回ビーム15の整列対と一対の検出ビーム16とによって依然として該ウェーハに連結されている。これらのビーム15および16もウェーハ10の材料からエッチング成形される。旋回ビーム15の上面、検出ビーム16、およびプルーフマス14の上面は、すべて、ウェーハ10の上面をなす共通面内にあり、したがってプルーフマスの重心18は旋回ビーム15からずれている。そのため、加速度計にウェーハ面内にあって旋回ビーム15の共通軸に直交する加速度が加えられたとき、旋回ビーム15は、プルーフマスの運動を大体旋回ビーム15の軸の回りの回転運動に制限する。この回転運動により、二つの検出ビーム16は、図3に誇張して示すように、互いに逆向きに湾曲する。
【００２１】
第一および第二の加速度計11および12は、実質的に同じ構造のものであるが、それぞれの旋回ビーム15の旋回軸が互いに直交するように配置されている。第三の加速度計13は、四つの検出ビーム21によって支持されている大体直方体形のプルーフマス20を有するという点が異なる。それぞれの検出ビームは、プルーフマス20の上面22の各辺23からウェーハ10の開口24の隣接辺まで延びている。各検出ビーム21は、第一および第二の加速度計の検出ビーム16と同様のやり方で処理される。この処理により、プルーフマス20に加速度が加わったとき、ビームの電気的特性が該ビームの湾曲によって変化する。すなわち、この第三の加速度計13の構造は、本質的には、従来のMEMS構造と同じである。
【００２２】
Z軸方向の加速度により、ウェーハ10の表面に直交する方向にプルーフマス20が動き、その向きは加速度の向きによる。これによって、四つの検出ビーム21がすべて均一に湾曲し、加速度の大きさをこれらのビームにおけるひずみから決定することができる。ウェーハ面内の加速度も、プルーフマス20に力を及ぼして、このマスを動かす傾向を生じるが、検出ビーム21の幅のため、これらのビームは面内方向での変形に対しては非常に強く、したがってビーム21には非常に小さなひずみしか生じない。
【００２３】
加速度の大きさは、検出ビーム16および21を処理するかこれらに材料を蒸着するかして、圧電または圧電抵抗特性を有するようにしてから、これらのビームの電気的特性の変化をモニターするようにすることによって、決定することができる。第一および第二の加速度計11および12の場合、ウェーハ面内にあってそれぞれの旋回軸に直交する加速度に対する検出ビーム16の機械的変形が、検出ビームの変形の検出したがって信号の検出に関して最大の応答となる。他の方向の加速度に対する検出ビームの機械的変形は、旋回ビームの作用により大きく低下する。これらの旋回ビームがない場合には、測定方向における加速度は、他の二つの方向のいずれにおける加速度よりも小さなひずみしか生じないと考えられる。
【００２４】
旋回ビームのない構成の場合、理論的には、非測定軸方向の応答はひずみ測定機構の適当な配置によって相殺することができる。しかし、製造許容差によってもたらされるμm程度の位置の狂いにより、重大な軸交差誤差が生じうる。旋回ビーム15を備えることにより、発生源における軸交差信号強度を低下させて、この信号を最小限に抑えることができる。たとえば、旋回ビームがない場合には、２μmの位置の狂いが0.60%の軸交差誤差を生じうるが、前記のように旋回ビームを備えると、この軸交差誤差は0.03%に低下させることができる。
【００２５】
旋回ビームにより、XおよびY軸加速度計11および12が、アセンブリの所定第一共振周波数に対して、小さな検出ビーム剛性を有するようにすることができる。通常、第一共振周波数は、面内センサーを設計する場合に、一つの制限因子となる。最低共振周波数が装置の帯域幅を決定するからである。一例として、MEMS加速度計の通常の設計における面内信号最大強度は、同じ装置の面外信号強度の5単位に対して、2単位とすることができる。第一共振周波数は、面外モードにおいては、5 kHz、面内モードにおいては、7 kHzとすることができる。これに対して、本発明の前記実施形態のように構成された大体同じ寸法の装置では、5単位の面内信号と0.2単位の面外信号とを生成させることができる。第一共振周波数を、敏感な面内モードにおける5 kHzとすることができ、第二共振周波数を、面外モードにおける18 kHzとすることができる。ここで、旋回ビームを除去した場合、面外共振周波数が2 kHzに低下し、面外信号強度が20単位に増大する、ということを示すことができる。
【００２６】
前記のような加速度計の実施形態のための代表的MEMS製造技術は、厚さ500 μｍの<100>方位単結晶シリコンウェーハからビームとプルーフマスとを作るというものである。ビームは、ウェーハの上面からのエッチングによってパターン形成され、プルーフマスは、反対側からウェーハバルクをエッチングによって除去することにより、枠から切り離される。ビームの厚さはエッチング停止のやり方によって定まる。このような停止のやり方には、SOIウェーハの酸化物層を利用することによるもの、通常のシリコンウェーハの上面にドーピングすることによるもの、あるいは単にエッチングの時間を調節することによるもの、などがある。エッチングは、加速度計の所望の最終形状に応じて、湿式または乾式法(たとえば、KOHまたはDRIE)によって実施することができる。
【００２７】
支持ビームの変形は、ビームに対するひずみゲージとして作用する圧電抵抗トラックを作ることにより、または装置の製造時にビームの表面に薄膜型の圧電抵抗センサーを蒸着することにより、測定することができる。この場合、適当な導体をトラックの端に電気的に接続し、ひずみゲージの変形が測定できるようにする。他の技術を使用して、装置に加速度が加わったときのビームのひずみを測定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】単一ウェーハ加速度計の実施形態の平面図である。
【図２】図１のアセンブリの三つの単軸加速度計のうちの一つの、同図の線Ｘ−Ｘに沿う模式部分断面図である。
【図３】面内加速度が加わったときの、図１の実施形態の単軸加速度計のうちの一つの動きを示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
10  シリコンウェーハ
11  第一の加速度計
12  第二の加速度計
13  第三の加速度計
14  プルーフマス
15  旋回ビーム
16  検出ビーム
18  14の重心
20  プルーフマス
21  検出ビーム
22  20の上面
23  22の各辺
24  開口
【図１】
2006520897.tif 000003
【図２】
2006520897.tif 000004
【図３】
2006520897.tif 000005
【国際調査報告】
2006520897.tif 000006
2006520897.tif 000007