(57)【要約】本発明は、３つのコンポーネント、すなわち、底部（１２）と中央部（１１）と上部（１３）とを備えたマイクロ慣性センサに関するものである。中央部（１１）は、２つの振動要素（１５，１６）を有するカルダン継手構造（１４）が形成されたシリコンウェハー内に存する。プレート（１７，１８）はウェハー面内に延びる回転軸について旋回できるシリコンウェハー内に形成されている。金属化部又は導電層（１９，２０，２１，２２）はエキサイタユニットを成し、カルダン継手構造の振動を起動させる。本発明はさらに、プレート（１７，１８）の変位を検出する装置を備える。前記構造は、同じ方法によって製造される回転速度センサと加速度センサとを有するセンサモジュールを示す。
2004514894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交して位置合わせされた振動軸を有する２つの結合された振動要素（１５，１６）と、第１の振動要素（１６）を振動させるエキサイタユニット（２０）と、第２の振動要素（１５）の反れを感知する装置（１９）とを含むジンバル構造（１４）を備えたマイクロ慣性センサにおいて、
回転軸（Ｐ１、Ｐ２）に対して旋回でき、その回転軸に直交して作用する加速度によって反れることができるように設置された少なくとも一の付加プレート（１７，１８）と；
プレート（１７，１８）の反れを感知する装置（２１，２２）とを備え；
ジンバル構造（１４）と少なくとも一のプレート（１７，１８）とは一のウェハー（１１）に形成されていることを特徴とするマイクロ慣性センサ。
【請求項２】
ジンバル構造（１４）及び／又はプレート（１７，１８）に付けられた一又は二以上の付加塊体要素（２３，２４，２５．２６，２７）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項３】
慣性センサが少なくとも３つの面から成り；ウェハー（１１）は、底部ウェハー（１２）と頂部ウェハー（１３）との間に固定された中央部ウェハーである請求項１又は２のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項４】
中央部ウェハー（１１）はシリコンから成り、底部ウェハー（１２）及び／又は頂部ウェハー（１３）はガラスから成る請求項３に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項５】
ジンバル構造（１４）とプレート（１７，１８）とは共にウェハー（１１）に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項６】
ウェハー（１１）は、ジンバル構造（１４）及び／又はプレート（１７，１８）のための捻れサスペンション手段（３５，３６，３７，３８）を有する請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項７】
プレート（１７，１８）及び／又は第２の振動要素（１５）の反れは容量で感知する請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項８】
プレート（１７，１８）及び／又は第２の振動要素（１５）の反れを感知する装置は、逆方向のキャパシタンスの変化を反れに対応した測定信号として生成されるように装備された複数の容量要素を含む請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項９】
第２の振動要素（１５）はフレームとして構成され、ウェハー面内にありかつ第１の振動要素（１６）の回転軸（Ｐ３）に対して直交して配置する回転軸（Ｐ４）を有する請求項１から８のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１０】
第１の振動要素（１６）は、ウェハー面に対して対称に位置合わせされた少なくとも２つの塊体要素（２３，２４）を含み、ウェハー面に平行に延びる回転軸（Ｐ３）を有する請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１１】
プレート（１７）は少なくとも一の付加塊体要素（２５）に取り付けられ、プレート（１７）及び付加塊体要素（２５）の共通の重心はウェハーに直交する方向においてプレート（１７）の回転軸（Ｐ１）からずれている請求項１から１０のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１２】
プレート（１７）の回転軸はプレート（１７）の中心を通って延びており、塊体要素（２５）はプレート（１７）の中心に配置し、ウェハー面から突出している請求項１から１１のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１３】
プレート（１８）には少なくとも一の付加塊体要素（２６，２７）が取り付けられており、プレート（１８）と付加塊体要素（２６，２７）との共通の重心はウェハー面の方向でプレート（１８）の回転軸（Ｐ２）からずれている請求項１から１２のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１４】
プラナー型に形成されかつウェハー面に平行な導電層を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１５】
ウェハー（１１）は気密内部空間（２８）に配置され、電気フィードスルーは外部接触要素（３０）に付けられている請求項１から１４のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１６】
一又は二以上の塊体要素（２３，２４，２５，２６，２７）は球状であり、ウェハー（１１）の凹みに固定されている請求項１から１５のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１７】
ウェハー（１１）を備える段階と；
ウェハー（１１）において第１及び第２の振動要素（１５，１６）を含むジンバル構造（１４）を形成する段階と；
ウェハー（１１）において、ウェハー面内で延びる回転軸（Ｐ１、Ｐ２）に対して旋回することができかつ加速力によって反れることができる少なくとも一の付加プレート（１７，１８）を形成する段階と；
ジンバル構造（１４）に振動を生じさせるエキサイタユニット（１９）を形成する段階と；プレート（１７，１８）及びジンバル構造（１４）のそれぞれの反れを測定するためにそれぞれについて一の装置（２０，２１，２２）を形成する段階と；を備え、
ジンバル構造（１４）と少なくとも一のプレート（１７，１８）とはマイクロ技術を用いて単一ウェハー（１１）をパターニングすることによってウェハー（１１）において形成されるマイクロ慣性センサの製造方法。
【請求項１８】
それぞれの場合に、ウェハー（１１）の上側及び下側に一の新たなウェハーが取り付けられ；
その新たなウェハー（１２，１３）の間に気密内部空間（２８）を形成する段階を備え；
ジンバル構造（１４）とプレート（１７，１８）とがその内部空間に配置される請求項１７に記載のマイクロ慣性センサの製造方法。
【請求項１９】
一又は二以上の付加塊体要素（２３，２４，２５，２６，２７）はプレート（１７，１８）及び／又はジンバル構造（１４）の振動要素（１５，１６）に取り付けられる請求項１７または１８のいずれかに記載のマイクロ慣性センサの製造方法。
【請求項２０】
個々のセンサ要素とセンサ要素の全モジュールの結合されたテストを行う最終モジュールテストを実施することを特徴とする請求項１７から１９のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１において特定したようなマイクロ慣性センサ及びマイクロ慣性センサの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ慣性センサは例えば、回転の加速度又は回転速度を測定するために使用される。マイクロメカニクス技術によって、このような加速度又は回転速度センサを微小空間において比較的廉価に製造することが可能になっている。この場合、構造は例えば、慣性力による加速度の測定、又は、例えば、コリオリの効果による回転速度の測定を可能にする半導体コンポーネントから成る。
【０００３】
このタイプのセンサは、車両又は航空の分野のような多様な技術分野において使用可能である。自動車においては、加速度センサは例えば、エアーバッグシステムを起動するのに用いる。他の分野の用途としては車両の動力学制御システムであり、この主要部は複数の空間的方向における回転速度及び加速度の測定である。ナビゲーションの用途では、回転速度又は加速度の精密測定は、特に衛星ナビゲーションシステムの補完として位置もしく道を決定するのに用いられる。
【０００４】
マイクロ慣性センサの分野では、廉価な解決策は特に、大量生産又は多数の使用を可能とするために特に重要である。他の重要な要素はこのようなセンサの精確さである。さらに、陸上車両もしくは航空機において、又は、宇宙飛行用飛行体のような移動体における使用に対しては特に小型であることは最重要である。
【０００５】
米国特許第４，５９８，５８５号は、コリオリの効果をもとにした回転速度用のジンバル構造を有するプラナー慣性センサを開示している。ジンバル構造は酸化シリコンの薄層で形成されている。ジンバル構造の一部は、駆動要素による振動と、コリオリ力の作用による回転運動中に生ずるジンバル構造の他の部分のたわみと組み込まれる。
【０００６】
マイクロ加速度センサの一例が独国出願ＤＥ４４３９２２８Ａ１に記載されている。これに開示された容量型加速度センサはプラナー（平坦）構成を有し、すなわち、平坦な形で互いに接続されている２つの半導体部から成る。浮動構造は半導体部のうちの位置に接続され、２つの半導体部の面に直交する方向に自由に可動である。
【０００７】
しかしながら、公知のマイクロ加速度センサは、独立な運動（動き）データもしくは運動成分しか測定できないという欠点を有する。公知のセンサのセンサモジュールへの想到可能な組合せにおいては、モジュールの組み込み中に新たなエラー源を生じる。さらに、モジュールの組み込みは、異なるセンサユニットを互いに組合せなければならないのでさらにコストがかかる。また、このタイプのセンサモジュールは比較的大きなユニット体積を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、最も異なるタイプの運動データの精確な測定を可能とするにもかかわらず、非常に小さいユニットサイズで足りかつ製造コストも低くて済む慣性センサを提供することである。さらに、本発明は、廉価で、小さく、精確な慣性センサとなるマイクロ慣性センサを製造する方法を特定するものである。
【０００９】
この目的は、請求項１に記載のマイクロ慣性センサ及び請求項１６に記載のマイクロ慣性センサの製造方法によって実現される。本発明の他の特徴、側面及び細部は従属項、詳細な説明及び図面から明らかになる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるマイクロ慣性センサは、例えば、ウェハーにおいて形成され、結合されかつ互いに直交するように位置合わせされた振動軸を有する振動要素と、第１の振動要素を振動させるエキサイタユニットと、第２の振動要素の反れを感知する装置とを含むジンバル構造と、回転軸に対して旋回でき、その回転軸に直交して作用する加速度によって反れる（歪む）ことができるように設置された少なくとも一の付加プレートと、プレートの反れを感知する装置とを備え、ジンバル構造と少なくとも一のプレートとは一のウェハーに形成されている。
【００１１】
本発明による慣性センサは、異なる空間方向において複数の異なる種類の運動データの測定に適しており、他方、非常に小さいユニット体積を有し、極めて精確な測定結果を提供する。このセンサはモノリシック集積が可能であり、製造において有利である。モジュール集積における付加的な誤差源を排除する。慣性センサもしくはセンサモジュールは、ヨーレートや車両の横方向及び縦方向の加速度のような複数の運動の自由度における動力学的過程を測定するための廉価な手段である。特に、それは同じ方法を用いて共通の基板上に作製することができる。
【００１２】
好適な実施形態では、慣性センサは、ジンバル構造及び／又はプレートに付けられた一又は二以上の付加塊体要素をふくむ。
【００１３】
有利には、慣性センサは少なくとも３つの面から成り；ウェハーは好適には、底部ウェハーと頂部ウェハーとの間に固定された中央部ウェハーである。この構成を用いて、製造をさらに単純化して、コスト削減に寄与する。特に３つ又は４つ以上の面もしくはウェハー面は面の減少に寄与する。すなわち、異なるｕｎ同成分についての個々のセンサは例えば、３つの結合されたウェハーから成る。中央部ウェハーはシリコンから成り、底部ウェハー及び／又は頂部ウェハーは例えば、ガラスから成るのが好ましい。
【００１４】
有利には、ジンバル構造とプレートとが共にウェハー、すなわち、一のウェハーに形成される。すなわち、回転速度センサと加速度センサは例えば、シリコンマイクロ技術によって製造され、これによってそれらは一のウェハー上に形成することができる。この場合、回転速度センサの感度の軸、すなわち、測定される回転軸は、例えば、ウェハー面に直交して位置決めされている。例えば、ウェハー面に直交及び／又は平行な加速度を測定するセンサは、回転速度センサと共に、いかなる組合せで製造することができる。
【００１５】
ウェハーは、ジンバル構造及び／又はプレートについての回転もしいくはねじりサスペンション（吊り下げ）手段を有することができる。すなわち、慣性質量もしくは質量要素及び／又は励起され例えば、静電的に読み出されるプレートについての機械的なサスペンション手段を、シリコンウェハーから、又は単一シリコンウェハーから形成される。
【００１６】
プレート及び／又は第２の振動要素の反れは容量的に感知され得る。しかしながら、例えば、圧電的にもしくはピエゾ抵抗的に反れを検出するたの方法も存在する。
【００１７】
プレート及び／又は第２の振動要素の反れを感知する装置は、反対方向のキャパシタンスの変化が反れに応答する測定信号として生成されるように構成することができる例えば、複数の容量性要素を含む。この場合、個々のセンサは、ウェハー面に平行な回転軸についてねじれが生じ、それによって２つのキャパシタの逆方向の変化を生成するように構成することができる。すなわち、測定される加速度もしくは加速度はトルクを発生し、それがプレートあるいはキャパシタンスのねじれもしくは傾斜が生じ、逆方向のキャパシタンスの変化につながる。これは、回転速度もしくは加速度の目安として作用し、特に高い精度を実現し、測定に対して負に作用するドリフト効果等の乱れを低減もしくは防止する。
【００１８】
有利には、第２の振動要素はフレームとして構成され、例えばウェハー面内にありかつ特に第１の振動要素の回転軸に対して直交して配置する振動もしくは回転の軸を有するものである。この場合、ロッカーとしてもしくはプレートとして構成され、第２の振動要素内に取り付けられもしくは支持される第１の振動要素は、ウェハー面に対して対称的に配置されかつ特にウェハー面に平行に延びる回転軸を有する２つ又は３つ以上の塊体要素を含むことができる。この場合、第１の振動要素は例えば、ねじれ振動体を形成する；すなわち、振動又は回転の軸に対してねじれ振動を生じることができる。このねじれ振動体はフレームもしくは第２の振動要素内に配置され、例えば、ウェハー面に平行でかつロッカーもしくは第１の振動体の振動軸に直交して延びる軸についてねじれ振動を生じることができる。
【００１９】
プレートは例えば、少なくとも一の付加塊体要素に取り付けられ、プレート及び付加塊体要素の共通の重心は有利にはウェハーに直交する方向においてプレートの回転軸からずれている。加速度がウェハー面に平行な方向で生じるとき、プレートがウェハー面に平行な加速度を測定する加速度センサを成すように慣性力によって反れる。
【００２０】
プレートは、プレートがサスペンション点を通る軸について回転運動することができるように、例えば、ウェハー面において２つの反対の箇所もしくは位置に取り付けられる。好適には、この軸は面の中心を通る。この場合、塊体要素もしくは少なくとも一の塊体はウェハー面から突出するようにプレートの中心に配置してもよい。
【００２１】
本発明の他の実施形態では、プレートと付加塊体要素との共通の重心はウェハー面の方向でプレートの回転軸からずれるように、少なくとも一の付加塊体要素はプレートに取り付けられている。この場合、プレートは、慣性力の作用によりウェハー面に直交する方向における加速度に応答して反れる。これは、この様式で構成されたプレートはウェハー面に対して直交方向の加速度に敏感な加速度センサを成す。
【００２２】
言い替えると、ウェハー面に対して直交方向の加速度を測定するセンサは、プレートがサスペンション点を通る軸についての回転運動を実施することができるように、ウェハー面において２つの反対の位置に取り付けることができるプレートを有する。この場合、軸はプレートの中心を通っては延びない。特に回転軸から離間して配置するプレート上の位置では、例えば、それぞれの場合に、ウェハー面から突出する一の塊体もしくは塊体要素は、プレートに対称的に上方及び／又は下方に取り付けられている。
【００２３】
好都合には、互いに直交する３つの空間方向における加速度を測定するために、ウェハー内に複数のプレートが備えられもしくは形成されている。すなわち、異なる回転軸を有するプレートから成る加速度センサは、独立にもしくは組み合わされて装備することができる。
【００２４】
有利には、ウェハー面に平行な第１の軸に沿った測定のための加速度センサは、ウェハー面に平行でかつ第１の軸に直交する方向の第２の軸に沿った測定のための加速度センサと同じ構造を有する。この場合、加速度センサもしくはプレートはそれらが互いに９０°だけ回転するようにウェハー上に配置することもできる。
【００２５】
有利には、ウェハーは気密な内部空間に配置され、特に電気的フィードスルーのために一又は二以上の外部接触要素に付けられる。この様式では、センサの内部は液密及び気密に密閉することができる。電気的フィードスルーは、センサの内部と外部電気的接触点との間の電気的接続を提供する。
【００２６】
プラナー式でかつウェハー面に平行に形成することができる接触要素に付けるのが好ましい。全ての電気的接触点はプラナー構成を有し、ウェハーもしくは基板面に平行に配置するのが好ましい。これは製造の単純化及びセンサもしくは個々のセンサ要素の接触の容易性にも寄与する。
【００２７】
有利には、塊体要素もしくは要素は球状であり、ウェハーの対応する凹みに固定される。この場合、例えば、好適には比較的重量の大きな鋼鉄球もしくは同様な球を有することが可能である。凹みへの載置は、例えば、磁気取り付けもしくは接着等の他の固定手段と組み合わせることも可能であり、容易でかつ耐久性がある。
【００２８】
本発明の他の態様では、ウェハーを備える段階と、ウェハーにおいて第１及び第２の振動要素を含むジンバル構造を形成する段階と、ウェハーにおいて、ウェハー面内で延びる回転軸に対して旋回することができかつ加速力によって反れることができる少なくとも一の付加プレートを形成する段階と、ジンバル構造に振動を生じさせるエキサイタユニットを形成する段階と、プレート及びジンバル構造のそれぞれの反れを測定するためにそれぞれについて一の装置を形成する段階と；を備え、ジンバル構造と少なくとも一のプレートとはマイクロ技術を用いて単一ウェハーをパターニングすることによってウェハーにおいて形成されるマイクロ慣性センサの製造方法を提供する。
【００２９】
この様式では、複数の異なる空間方向において運動量を測定するのに適した精確でかつ小型の慣性センサを廉価で製造することができる。特に、この方法は本明細書に記載したマイクロ慣性センサを製造するのに用いることができる。方法の好適な実施形態では、それぞれの場合に、一の新たなウェハーがウェハーの上側及び下側に取り付けられている。
【００３０】
好都合には、その新たなウェハーの間に気密内部空間を形成する；ジンバル構造とプレートとがその内部空間に配置される。
【００３１】
一又は二以上の付加塊体要素をプレート及び／又ジンバル構造の振動要素に取り付けられることが可能である。すなわち、センサはそれぞれ少なくとも一の独立に取り付けられた塊体を有することができる。加速度もしくは回転速度のような力学的な入力によってキャパシタが傾斜する。この傾斜によって２つのキャパシタンスが逆方向に変化する。
【００３２】
好都合には、個々のセンサ要素とセンサ要素の全モジュールの結合されたテストを行う最終モジュールテストをこの方法において実施する。すなわち、モジュールのセンサに共通のテストを実施する。センサの個々のテスト及び最終モジュールテストは結合することができ、その結果、特に時間とコストの節約が可能となる。
【００３３】
本発明による慣性センサは、特に一の基板上に共に作製することができる個々のセンサもしくはセンサ要素を用いて、ウェハー面に直交する加速度及び平行する加速度と、ウェハー面に直交する軸に対する回転速度とを測定可能である。本発明は、感度の軸によって独立なセンサを設置する必要はない。感度の軸は基板上のセンサ構造及び構成によって決まる。
【００３４】
特に、本発明は以下の利点を有する：完成センサモジュールの小さなユニット体積、すなわち、特に、個々のセンサの製造と比較してモジュールの結合作製のために基板上に要する面積の小ささ。特にこれによって製造コストの低減につながる。
【００３５】
センサモジュールの組立中に、感度軸に沿ったセンサの後続の位置合わせは費用となる。これによって高精度と製造コストの削減が可能となった。
【００３６】
全電気接触点が同じ面に存することができる。これによってさらに、センサ要素を接触される労力が低減される。
【００３７】
モジュールのセンサは共通のテスト手順にかける。この場合、センサの個々のテストと最終モジュールテストとを合わせることができ、時間及びコストのさらなる節約が可能となる。
【００３８】
特に、異なるキャパシタンス測定原理を用いて合わせた評価方法はあらゆるセンサに適用可能である。これによって、評価エレクトロニクスの開発及び製造のさらなるコスト削減が可能となる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下において、好適な実施形態を用いて本発明を説明する。
【００４０】
図１は、本発明の好適な実施形態である慣性センサもしくはセンサモジュール１０の概略断面図である。この構成では、慣性センサ１０は３つの部分から成る；中央部１１は底部１２と頂部１３との間に位置する。中央部１１は、振動構造を成すウェハーもしくは基板要素である。このような振動構造は第１の振動要素１６と第２の振動要素１５とを有するジンバル構造を含む。ウェハーもしくは半導体本体１１では、ウェハー１１にそれぞれ取り付けられた２つのプレート１７，１８は、ウェハー面において回転軸Ｐ１、Ｐ２について旋回（ピボット運動）できるように構成されている。第１の振動要素１６を振動させるように静電エキサイタユニット金属化領域もしくは導電性領域２０は、底部１２の内面に配置する。他の金属化あるいは導電性領域１９は、第２の振動要素１５のたわみを容量的に感知する装置を形成する。中央部１１に対面する底部１２の面上に形成された他の金属化あるいは導電性領域２１，２２は、各プレート１７，１８のたわみを感知する容量型作動装置を形成する。
【００４１】
中央部を形成するウェハー１１において可動もしくは振動構造は、マイクロ技術を用いて単一ウェハーにおいて又は単一ウェハーからパターン化されている。中央部１１は、可動構造を基礎に、ｚ軸についての回転を測定する回転速度センサと、ｘ軸もしくはｙ軸の方向の加速度を測定する加速度センサと、ｚ軸の方向の加速度を測定する加速度センサとを構成するシリコンウェハーである。この場合、回転速度センサはジンバル構造１４によって形成され、他方、ｘ軸もしくはｙ軸についての加速度センサはプレート１７によって形成され、ｚ軸についての加速度センサはプレート１８によって形成されている。
【００４２】
プレート１７，１８の回転軸Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ、図面に対してすなわちｙ軸に対して直交方向に延び、それによってプレート１７及び１８は、それらがｚ軸について回転又は振動することができるように支持されている。
【００４３】
ジンバル構造１４の第１の振動要素１６も、それが、図面に対してすなわちｙ軸に対して直交方向を向いた軸Ｐ３について回転又は振動することができるように支持されている。ジンバル構造１４の第１の振動要素１６も、ｚ軸方向に撓み、又は、ｚ軸方向のたわみを有して振動することができる。従って、第１の振動要素１６は、フレーム状の構成を有する第２の振動要素１５内に支持されている。外側のフレーム状要素１５は、それが振動しもしくは回転することができるように残っているウェハー１５上に支持されている；第２の振動要素１５の回転軸Ｐ４は、ｘ軸すなわち第１の振動要素１６の回転軸Ｐ３に直交する方向でウェハー面において延びている。
【００４４】
ウェハー１１の上側及び下側上に、そこに形成された可動構造の領域にはさらに付加球形要素２３，２４，２５，２６，２７が配置されている。この接続部では、これらの球形要素がポジティブロック方式でウェハーの異なる領域における凹みされて固定されている。この場合、付加球形塊体要素は、慣性センサの他のコンポーネントと比較して大きな重量を有する鋼鉄球である。しかしながら、付加球形塊体要素２３，２４，２５，２６，２７について、他の形状あるいは材料を使用することも可能である。
【００４５】
ロッカーとして構成された第１の振動要素１６は、各場合に、上側及び下側のそれぞれの上に一の塊体要素２３，２４を支持する。ロッカー１６上の付加球形塊体要素２３，２４は、ロッカー１６の回転軸Ｐ３の上及び下のそれぞれの中心に配置されている；すなわち、塊体要素２３，２４はロッカー１６のの回転軸Ｐ３に対して対称に位置合わせされている。センサーモジュール１０はウェハー面に直交して（ｚ方向）延びる軸に対して回転するとき、ジンバル構造１４は、ｙ方向においてウェハー面に延びる、ロッカーもしくは第１の振動要素１６の回転軸について振動する一方、フレームもしくは第２の振動要素１５はコリオリ力の作用によりそれる。すなわち、フレーム１５もしくは第２の振動要素は回転軸Ｐ４軸についてそれる。フレーム１５のｚ方向におけるこのそれは、ｚ方向に延びる回転軸についての慣性センサもしくはセンサモジュール１０の回転速度の目安である。
【００４６】
第１のプレート要素１７の上側上に、塊体要素２５は中央に配置し、ポジティブロック方式で凹みに固定されている。この場合、塊体要素２５は第１のプレート１７の回転軸Ｐ１の真上に位置する。従って、質量中心は回転軸Ｐ１軸及びウェハー面に対して変位する。慣性センサ１０がｘ方向に加速されるとき、慣性力は、それによって第１のプレート１７は回転軸Ｐ１に対して傾斜するように付加塊体要素２５によって作用する。すなわち、プレート１７はｚ方向で反れる。
【００４７】
第２のプレート１８の上側及び下側上に、各場合にそれぞれ一の付加塊体要素２６又は２７を配置する。球状塊体要素２６、２７は上述のように凹み固定する。しかしながら、それらは、第２のプレート１８の回転軸の上及び下において中心でない位置に配置して、ウェハー面の方向あるいはｘ方向のこの回転軸に対してオフセットして（ずれて）いる。この場合、付加塊体要素２６、２７はプレート１８の端部に取り付けられている。すなわち、塊体要素２６、２７の中心は、ｘ方向又はウェハー面の方向において回転軸Ｐ２についてオフセットされている。ｚ方向すなわちウェハー面もしくはセンサーモジュール１０に直交する方向における加速の際に、第２のプレート１８は、付加塊体要素２６、２７の慣性力の作用によってｚ方向においてそれる。この過程において、プレート１８はｙ方向に延びる回転軸Ｐ２について傾斜する。
【００４８】
加速度又は回転速度に基づくコリオリ力を測定するために慣性力を生成するために、各場合において、上側及び下側上のそれぞれに塊体要素を配置することが必須ではないことは言うまでもない。しかしながら、上側及び下側上に対称に配置された塊体要素を含むこの構成が、高度の対称性によってかなり改善されたセンサの精度を測定するに際して非常に有利である。
【００４９】
この場合、ガラスから成る上部１３及び底部１２はそれぞれ、付加球形塊体要素２３，２４，２５，２６，２７を受けるように凹み１３ａ及び１２ａを備えている。この場合、十分なクリアランス（隙間）を有し、プレート要素１７，１８及びジンバル構造１４が旋回もしくは傾斜運動を行うことができる。
【００５０】
端部領域では、半導体基板もしくはウェハー１１は、下方に位置する底部１２及び上方に位置する上部１３に固く結合されている。この結合によって、ウェハー１１の可動構造が配置された気密密閉された内部空間２８が形成されている。従って、回転の加速後及び速度を測定するように形成され又はウェハー１１からパターニングされた個々のセンサーは、気密及び液密に外部から密閉されている。この場合には、圧力気密に接続され、内部空間２８を排気することが可能である。
【００５１】
センサ要素を駆動するため、又は、可動構造の傾斜（チルティング）運動又は旋回運動を読み出すための全導電領域を、プラナーもしくはフラット型で底部１２の上側上に配置されている。導電領域１９，２０，２１，２２は互いに平行でかつ中央部もしくはウェハー１１の反対面に平行に位置合わせされている。
【００５２】
導電領域２０は、内側ロッカー状振動要素もしくはジンバル構造を静電的に駆動するのに用いられる。導電領域１９は、外側フレーム状振動要素１５の反対側に配置し、フレーム１５の傾斜運動もしくは反れを読み出すための一対のキャパシタを形成する。この場合、逆方向のキャパシタンスの変化が生じて、誤りを測定する可能性を大きく低減する。
【００５３】
導電領域２１は、プレート１７の底部の反対側にもしくはプレート１７と共にフラット型で配置され、キャパシタ対を形成する；一のキャパシタは回転軸Ｐ１の両側上に形成されている。ここでも、逆方向のキャパシタンスの変化はプレート１７の反れに応答して回転軸Ｐ１の軸について生じる。
【００５４】
導電領域２２も、底部上側上にフラット型でかつ反対側のプレート１８に平行して位置合わせされている。ここで、プレート１８と共に導電領域２２は、プレート１８の反れに応答して逆方向のキャパシタンス信号を生成するキャパシタ対を形成する。
【００５５】
センサーモジュール１０の端部領域において電気的フィードスルー２９は、内部２８に配置されたセンサ要素と外部電気接続部３０との間の電気的接続を提供する。それを通して、電源、制御及び信号評価ユニットが接続されている。
【００５６】
図２は、パターンによってジンバル構造１４を形成するウェハーの部分領域の平面図である。対向外側スロット３１，３２及び対向内側スロット３３，３４はこの部分領域に形成されている。この様式では、ジンバル構造１４は、旋回もしくは振動可能でありかつ第２の振動要素１５を形成する様式で支持された外側フレームと、フレーム内に可動もしくは旋回可能に支持されかつ第１の振動要素１６を形成するプレート状のロッカーとを含んで形成されている。振動要素１５，１６のそれぞれは振動したもしくは撚った対向サスペンション手段３５，３６及び３７，３８のそれぞれの上に取り付けられている。対向サスペンション手段３５，３６及び３７，３８のそれぞれは、ジンバル構造１４に対してそれぞれ回転軸Ｐ４もしくはＰ３を形成し、２つの回転軸Ｐ３、Ｐ４は、ウェハー面もしくはコンポーネント面において互いに直交している。
【００５７】
図３は、それぞれ一対の電極面３９を形成する導電領域の基本構成を示す。上述の導電領域１９，２０，２１，２２はこの様式で構成されるのが好都合である。各電極面３９は閉リング電極４１によって囲繞されている。リング電極４１を電気的に接触するためのターミナル４３もしくはターミナルパッドは各リング電極４１に配置されている。さらに、各電極面３９の端部では、ターミナル４４もしくはターミナルパッドが各電極面に対して備えられている。
【００５８】
図４は、慣性センサ１０もしくはセンサモジュールの拡大断面図である。中央部１１もしくはウェハーは圧力接触部４５によってガラスの底部１２に接続されている。この場合、センサーの内部から外部への圧力密閉型電気フィードスルーを上述のようにこの領域に備えている。底部１２は端部に中央部１１を越えてわずかに突出している；すなわち、突出部は、適当な金属化によってターミナルパッドの形で形成された上側接続部３０上に形成されている。
【００５９】
ｚ軸について、及び、ｘ軸及び／又はｙ軸について上述の加速度センサを形成するプレート１７，１８（図１参照）はそれぞれ、ジンバル構造１４と同様に、対向サスペンション点もしくは位置でウェハー１１の残部に取り付けられている。従って、それらもロッカー要素として構成され、かつ、各プレートの一領域もしくは中央領域を通って延びる軸について回転可能である。
【００６０】
個々の振動要素の回転軸Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４は、感度の測定が最も異なる方向において運動の量に対して可能であるように、最も異なる空間方向に延びることができることは言うまでもない。同様に、一のプレートだけがジンバル構造１４に加えてウェハー１１に形成される。
【００６１】
マイクロ慣性センサの製造中、ジンバル構造はマイクロ技術を用いてウェハーにおいてパターニングされている。さらに、少なくとも一の他のプレートは同じウェハーにおいてパターニングされており、その他のプレートはウェハー面内における回転軸について旋回することができる。導電領域は、ジンバル構造１４のためのレーザーエキサイタとプレートの反れを測定するための読出ユニットとを形成する導電領域を、ガラスウェハーすなわち後の底部ウェハー１２に付ける。パターニングされたシリコンウェハーもしくは半導体コンポーネント上に、上述の球状塊体要素を予め形成した凹みに挿入し、そこに固定する。その底側では、パターニングされたウェハーを、導電領域を支持し下に配置されたガラスウェハーに後で接続する。他のガラスウェハーは上方からパターニングされたウェハー上に置かれ、上部ウェハーと下部ウェハーとの間に密閉空間を形成する。
【００６２】
ウェハーは端部に圧力接触によって接続され、外方へ向かって形成された電気フィードスルーを備える。センサモジュールは排気するのが好ましい。
【００６３】
後に、モジュールテストを実施する；すなわち、個々のセンサ要素もしくはセンサ要素のモジュール全体の結合テストを実施する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロ慣性センサの好適な実施形態の断面図である。
【図２】図１で示した慣性センサのジンバル構造の平面図である。
【図３】ジンバル構造の振動を電気的に駆動する電極構造の平面図である。
【図４】本発明の慣性センサの好適な実施形態の外縁部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１１　中央部
１２　底部
１３　頂部
１４　ジンバル構造
１５，１６　振動要素
１７，１８　プレート
１９，２０，２１，２２　導電層
２３，２４，２５．２６，２７　付加塊体要素
３５，３６，３７，３８　捻れサスペンション手段
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年11月13日(2002.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交して位置合わせされた振動軸を有する２つの結合された振動要素（１５，１６）と、第１の振動要素（１６）を振動させるエキサイタユニット（２０）と、第２の振動要素（１５）の反れを感知する装置（１９）とを含むジンバル構造（１４）を備えたマイクロ慣性センサにおいて、
回転軸（Ｐ２）に対して旋回でき、その回転軸（Ｐ２）に直交して作用する加速度によって反れることができるように設置された少なくとも一の付加プレート（１７，１８）と；
プレート（１７，１８）の反れを感知する装置（２１，２２）とを備え；
ジンバル構造（１４）と少なくとも一のプレート（１７，１８）とは一のウェハー（１１）に形成されていることを特徴とするマイクロ慣性センサ。
【請求項２】
一の付加プレート（１７）がウェハー（１１）に形成され、前記付加プレートは他の回転軸（Ｐ１）に対して旋回でき、かつ、その回転軸（Ｐ１）に直交して作用する加速度によって反れることができるように付けられており；他の付加プレート（１８）の反れは装置（２１，２２）によって感知される請求項１に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項３】
一又は二以上の付加塊体要素（２３，２４，２５）がジンバル構造（１４）及び／又はプレート（１７）に付けられている請求項２に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項４】
慣性センサが少なくとも３つの面から成り；ウェハー（１１）は、底部ウェハー（１２）と頂部ウェハー（１３）との間に固定された中央部ウェハーである請求項１又は２のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項５】
中央部ウェハー（１１）はシリコンから成り、底部ウェハー（１２）及び／又は頂部ウェハー（１３）はガラスから成る請求項４に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項６】
ジンバル構造（１４）と少なくとも一つのプレート（１７，１８）とは共にウェハー（１１）に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項７】
ウェハー（１１）は、ジンバル構造（１４）及び／又は少なくとも一つのプレート（１７，１８）のための捻れサスペンション手段（３５，３６，３７，３８）を有する請求項１から６のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項８】
少なくとも一つのプレート（１７，１８）及び／又は第２の振動要素（１５）の反れは容量で感知する請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項９】
少なくとも一つのプレート（１７，１８）及び／又は第２の振動要素（１５）の反れを感知する装置（２１，２２）は、逆方向のキャパシタンスの変化を反れに対応した測定信号として生成されるように装備された複数の容量要素を含む請求項１から８のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１０】
第２の振動要素（１５）はフレームとして構成され、ウェハー面内にありかつ第１の振動要素（１６）の回転軸（Ｐ３）に対して直交して配置する回転軸（Ｐ４）を有する請求項１から９のいずれかに記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１１】
第１の振動要素（１６）は、ウェハー面に対して対称に位置合わせされた少なくとも２つの塊体要素（２３，２４）を含み、ウェハー面に平行に延びる回転軸（Ｐ３）を有する請求項１から１０のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１２】
プレート（１７）は少なくとも一の付加塊体要素（２５）に取り付けられ、プレート（１７）及び付加塊体要素（２５）の共通の重心はウェハーに直交する方向においてプレート（１７）の回転軸（Ｐ１）からずれている請求項１から１１のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１３】
プレート（１７）の回転軸はプレート（１７）の中心を通って延びており、塊体要素（２５）はプレート（１７）の中心に配置し、ウェハー面から突出している請求項１から１２のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１４】
プラナー型に形成されかつウェハー面に平行な導電層を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１５】
ウェハー（１１）は気密内部空間（２８）に配置され、電気フィードスルーは外部接触要素（３０）に付けられている請求項１から１４のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１６】
一又は二以上の塊体要素（２３，２４，２５，２６，２７）は球状であり、ウェハー（１１）の凹みに固定されている請求項１から１５のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサ。
【請求項１７】
ウェハー（１１）を備える段階と；
ウェハー（１１）において第１及び第２の振動要素（１５，１６）を含むジンバル構造（１４）を形成する段階と；
ウェハー（１１）において、ウェハー面内で延びる回転軸（Ｐ１、Ｐ２）に対して旋回することができかつ加速力によって反れることができる少なくとも一の付加プレート（１７，１８）を形成する段階と；
ジンバル構造（１４）に振動を生じさせるエキサイタユニット（１９）を形成する段階と；プレート（１７，１８）及びジンバル構造（１４）のそれぞれの反れを測定するためにそれぞれについて一の装置（２０，２１，２２）を形成する段階と；を備え、
プレート（１８）及び付加塊体要素（２６，２７）の共通の重心がウェハー面の方向においてプレート（１８）の回転軸（Ｐ２）からずれるように、少なくとも一の付加塊体要素（２６，２７）がプレート（１７，１８）の少なくとも一（１８）に取り付けられており；
ジンバル構造（１４）と少なくとも一のプレート（１７，１８）とはマイクロ技術を用いて単一ウェハー（１１）をパターニングすることによってウェハー（１１）において形成されるマイクロ慣性センサの製造方法。
【請求項１８】
それぞれの場合に、ウェハー（１１）の上側及び下側に一の新たなウェハーが取り付けられ；
その新たなウェハー（１２，１３）の間に気密内部空間（２８）を形成する段階を備え；
ジンバル構造（１４）とプレート（１７，１８）とがその内部空間に配置される請求項１７に記載のマイクロ慣性センサの製造方法。
【請求項１９】
一又は二以上の付加塊体要素（２３，２４，２５）はプレート（１７，１８）及び／又はジンバル構造（１４）の振動要素（１５，１６）に取り付けられる請求項１７または１８のいずれかに記載のマイクロ慣性センサの製造方法。
【請求項２０】
個々のセンサ要素とセンサ要素の全モジュールの結合されたテストを行う最終モジュールテストを実施することを特徴とする請求項１７から１９のいずれか一項に記載のマイクロ慣性センサの製造方法。
【国際調査報告】
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