(57)【要約】【課題】より少ない製造工程で製造可能であり、かつ一定の方向について、結晶の配列のずれに対して非常に強く、ずれがあったとしても直交オフセットを最小限にできる共鳴構造を備えたマイクロメカニカルデバイス、共鳴構造、およびマイクロメカニカルデバイスの励起方法を提供すること。【解決手段】共鳴構造１０を有するマイクロメカニカルデバイス２０であって、共鳴構造１０は、結晶シリコンからなるビーム３と、ビーム３に取り付けられた、少なくとも１つの質量要素４とを備える。共鳴構造１０は、共鳴構造１０の励起運動の大部分が行われる励起面を有し、ビーム３の結晶軸はいずれもビーム３の長手方向に一致しないよう、または、結晶軸のいずれも該励起面の法線に平行とならないように配置されることを特徴とする。【選択図】図４
2007125693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの共鳴構造と、
前記共鳴構造を励起運動させる励起手段とを備えたマイクロメカニカルデバイスであって、
前記共鳴構造は、
結晶シリコンからなりかつ所定方向に延びるビームと、
前記ビームに取り付けられた少なくとも１つの質量要素とを備え、
前記共鳴構造には、前記共鳴構造の励起運動の大部分が行われる励起面が形成され、
少なくとも、前記ビームの結晶軸の全てが前記ビームの長手方向に一致しないように配置されているか、または、前記ビームの結晶軸の全てが前記励起面の法線に平行とならないように配置されている
ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、前記共鳴構造はセンサー素子であるであることを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のマイカルメカニカルデバイスにおいて、
前記マイクロメカニカルデバイスはセンサーデバイスであり、
前記励起手段は使用時に、前記励起面の法線方向に前記共鳴構造が励起運動をするよう励起し、
前記マイクロメカニカルデバイスはさらに、前記励起手段によらない前記励起面の法線方向の動きを検出する検出手段を備えた
ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
前記共鳴構造は励起されると主に回転運動を行うように構成されていることを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
前記マイクロメカニカルデバイスはエネルギー発生装置であり、
前記共鳴構造は励起されると主に回転運動を行うように構成され、
前記共鳴構造は使用時に、励起状態にある前記共鳴構造の回転軸が車輪の回転軸に略直交するように前記車輪に固定され、
前記マイクロメカニカルデバイスはさらに、使用時に、励起状態にある前記共鳴構造のコリオリの力を変換しエネルギーを発生させる
ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、前記励起手段が前記励起構造の励起運動を静電駆動することを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
【請求項７】
マイクロメカニカルデバイスに使用される共鳴構造であって、
前記共鳴構造は、
結晶シリコンからなるビームと、
前記ビームに取り付けられた、少なくとも１つの質量要素とを備え、
前記共鳴構造は、前記共鳴構造の励起運動の大部分が行われる励起面を有し、
前記ビームの結晶軸はいずれも前記ビームの長手方向に一致しないように、または、結晶軸のいずれも前記励起面の法線に平行とならないように配置される
ことを特徴とする共鳴構造。
【請求項８】
請求項７に記載の共鳴構造において、前記共鳴構造はセンサー素子であることを特徴とする共鳴構造。
【請求項９】
マイクロメカニカルデバイスの励起面で共鳴構造を励起するマイクロメカニカルデバイスの励起方法であって、
前記共鳴構造として結晶シリコンからなるビームを設け、
前記結晶シリコンの結晶軸がいずれも前記ビームの長手方向に一致しないように、または、結晶軸のいずれも前記励起面の法線に平行とならないように配置することにより、
前記共鳴構造を励起面の法線方向に励起運動するよう励起する
ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイスの励起方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメカニカルデバイス、このデバイスに利用される共鳴構造、およびこのデバイスの共鳴構造を励起させるマイクロメカニカルデバイスの励起方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、励起状態にあるセンサー素子の動きに生じた変化により外力を感知するマイクロメカニカルセンサーデバイスが知られている。このようなセンサーデバイスの一例には、車両の転覆検出等の用途に使用される角速度センサーがある（特許文献１など参照）。
【０００３】
このような角速度センサーの一部では、加速度などの外部刺激に応答する共鳴構造を構成し、この共鳴構造の運動を測定して前述した外部刺激の計測を行うような構成とされる。
例えば角速度センサー等のデバイスの各部材は、センサー素子を備えた共鳴構造の励起が、励起運動の所望面に対して法線面でなされるように配置する必要がある。角速度センサーでは、センサーに含まれるセンサー素子が励起電極により、励起電極表面に略平行な動きに振動するように励起されなくてはならない。つまり、このようなデバイスは、励起運動において、各部材が励起運動の所望面に対して法線方向になるように設計されなくてはならない
【０００４】
このようなセンサーに含まれるセンサー素子の代表的な構造として、加速度などの外部刺激に応答する単一または複数の質量要素がビームに取り付けられた構造が採用されている。既存のデバイスは、特別に設計された形状を有するビームを使用することによって、所望の励起特性を得ている。ビームの断面は非対称になるよう設計され（図１のビーム１および質量要素２を参照）、かつ、ビームの主軸が質量要素の表面法線に平行にならないような形状に構成されている。つまり、ビームが表面から湾曲傾向にある。その結果、励起モードでは、小さな部材が質量要素表面外に位置することになり、そのため、質量要素の表面側から静電駆動可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特許公開２００２−２０３９７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この手法は、ビームが複雑な断面を有するため、センサー素子の製造工程が多くなり過ぎるという問題点がある。この問題は、共鳴構造を使用する他のマイクロメカニカルデバイスでも同様である。 
【０００７】
また他にも、共鳴構造が異方性を有する単結晶シリコンからなることに起因する問題もある。よって、共鳴構造の機械的特性は、異方性材料の配列に大きく依存することになる。ビームを構成する結晶の配列がわずかにずれているだけでも、ビームの動きに多大な不具合、例えば大きな直交オフセット等が発生し得る。
【０００８】
本発明の目的は、より少ない製造工程で製造可能であり、かつ一定の方向について、結晶の配列のずれに対して非常に強く、ずれがあったとしても直交オフセットを最小限にできるマイクロメカニカルデバイス用の共鳴構造、それを備えたマイクロメカニカルデバイス、およびマイクロメカニカルデバイスの励起方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるマイクロメカニカルデバイスは少なくとも１つの共鳴構造をと、前記共鳴構造が励起運動をするよう励起する励起手段を備え、
該共鳴構造は、結晶シリコンからなりかつ所定方向に延びるビームと、
該ビームに取り付けられた少なくとも１つの質量要素とを備え、
該共鳴構造には、該共鳴構造の励起運動の大部分が行われる励起面が形成され、
少なくとも、該ビームの結晶軸の全てが前記ビームの長手方向に一致しないように配置されているか、または、前記ビームの結晶軸の全てが前記励起面の法線に平行とならないように配置されることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明によるマイクロメカニカルデバイスにおいて使用される共鳴構造が提供され、
該共鳴構造は、
結晶シリコンからなるビームと、
前記ビームに取り付けられた、少なくとも１つの質量要素とを備え、
前記共鳴構造は、前記共鳴構造の励起運動の大部分が行われる励起面を有し、
前記ビームの結晶軸はいずれも前記ビームの長手方向に一致しないように、または、結晶軸のいずれも前記励起面の法線に平行とならないように配置される
ことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明によるマイクロメカニカルデバイスにおいて、共鳴構造を励起面で励起する方法は、
前記共鳴構造として結晶シリコンからなるビーム設け、
前記結晶シリコンの結晶軸がいずれも前記ビームの長手方向に一致しないように、または、結晶軸のいずれも前記励起面の法線に平行とならないように配置することにより、
共鳴構造が励起面の法線方向に励起運動するよう励起することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
図２を参照すると、本実施形態の共鳴構造１０は、例えば結晶シリコンの基板（図４の基板１１参照）に構成される。この共鳴構造１０は、所定方向（図２のＸ軸方向）に延びるビーム３と、このビーム３に取り付けられた、単一または複数の質量要素４とを備えている。図３にも示すように、ビーム３は例えば矩形などの一般的な断面を有している。
ビーム３および質量要素４の上面（周囲の基板から続く構造的な表面、図２のＸＹ平面）は、本発明における励起面９とされている。これにより共鳴構造１０は、外部から励起されることで、励起面９が法線方向に移動するように所定の励起運動を行うようになっている。
【００１３】
共鳴構造１０において、ビーム３（ないし周囲の基板）を構成するシリコンウエハの結晶軸Cは、ビーム３の長軸（長手方向、Ｘ軸方向）とは一致しないように配列されている。その代わりに、ビーム３は、例えばＺ軸を中心に回転する等、ある軸について回転するように構成されている。
【００１４】
もしくは、前述したシリコンウエハの結晶方向が、その結晶軸のいずれも励起面９（図２のＸＹ平面）の法線（Ｚ軸）に平行にならないように、励起面９について回転するように構成してもよい。
このように、結晶方向をビーム３あるいた励起面９の少なくとも何れかについて回転させることで、一定の方向について、結晶の配列のずれに対して非常に強く、ずれがあったとしても直交オフセットを最小限にできるビーム３を得ることができる。
【００１５】
さらに、結晶方向をビーム３について回転させるということは、ビーム３が励起面９に平行でない湾曲面を有していることになる。つまり、電気的な励起手段を設けてＺ方向の励起運動を静電駆動することで、励起面９において励起運動を励起することが可能になり、その結果、例えば、共鳴構造１０をセンサー素子として用いるセンサー（図４のマイクロメカニカルデバイス２０等）において、その特定方向（ここではＺ軸方向）についてのセンサー素子の励起および検出が可能になる。これにより、共鳴構造１０にコリオリの力を作用させる運動（センサー素子が搭載される車両など外部の角運動）は、励起状態にあるセンサー素子のＺ軸方向の運動を検出することで計測可能である。
なお、共鳴構造１０は、例えば、センサー素子としての利用に限らず、車輪の回転からエネルギーを得てセンサーデバイスなどのデバイスを駆動する装置と一体として設けられてもよい。
【００１６】
図４において、マイクロメカニカルデバイス２０はセンサーとして機能するものであり、前述した共鳴構造１０をセンサー素子として用いるものである
マイクロメカニカルデバイス２０は、結晶性シリコンウエハからなる基板１１を有し、この基板１１の中央に形成された開口部分にはビーム３がいわば橋状に掛け渡されている。ビーム３の中間部分には質量要素４が形成されている。
本実施形態において、質量要素４は一つであるが、複数がビーム３に設置されてもよい。一つの基板１１に複数のビーム３が設けられていてもよい。ビーム３は両端が基板１１に固定される両持ち形式に限らず、一方の端部だけが基板１１に固定されるいわゆる片持ち形式としてもよく、この場合には質量要素４はビーム３の固定されていない端部に配置されていてもよい。
ビーム３の軸は、ビーム３および質量要素４の表面、つまり、励起面９（ＸＹ平面）の法線となる軸（Ｚ軸）を中心に回転する。
マイクロメカニカルデバイス２０は、励起手段である励起電極５および検出手段である検出電極６を備え、ＸＹ平面に平行な軸の角速度を感知する。励起電極５は使用時に、励起面９の法線方向に共鳴構造１０の励起運動を励起する。一方で検出電極６は、励起電極５により引き起こされたのではない励起面の法線方向の動きを検出する。共鳴構造１０は、励起されると主に回転運動を行うよう構成されてもよい。
デバイス２０は、共鳴構造１０のような構造を複数有していてもよい。
【００１７】
このような本実施形態によれば、本発明による共鳴構造１０によって、不規則なビーム断面（図１参照）を有する従来のデバイスと同等の動作が可能なセンサーデバイス２０がが提供される。
さらに、ビーム３の断面形状が簡素になるため、共鳴構造１０の製造に必要な処理工程の数を減少することができる。具体的に、本発明に基づく図３に示す矩形のビーム３と、先行技術による図１に示す複雑な断面を有するビーム１を比較すれば、その容易さは自明であろう。
【００１８】
本発明による共鳴構造１０は、車両に搭載して使用されるエネルギー発生装置に応用できる。ここで、コリオリの力は有用なエネルギーに変換される。変換エネルギーのうち一部はデバイスにフィードバックされ励起手段を駆動するために使用され、また一部は車両に搭載されたセンサーデバイスの電力として使用される。また共鳴構造１０は、励起状態になると、その回転軸が車両の車輪において、車輪の回転軸にほぼ直交するように固定される。
【００１９】
ある面におけるシリコンウエハの結晶方向は、その構造形状についてウエハを回転させることで変更できる。これは、反応性イオンエッチングなど当業者によく知られたウエハ成形方法は結晶方向に依存しないからである。従って、本発明におけるシリコンウエハの結晶方向とビーム３の方向などの設定は、その製造時に適宜調整することで実施可能である。
【００２０】
ある共鳴構造の最適結晶方向は、ビームの形状および構造全体を力学的に考察、および、材料特性を考察すれば、見つけられる。同等の分析方法が当業者に知られているが、最も容易な方法は、有限要素解析などの数値法である。
【００２１】
各構造形状には、直交オフセットの問題を軽減するための最適結晶方向、および、励起および検出／エネルギー抽出を共鳴装置の同一側から発生させるための最適結晶方向がある。これらの最適結晶方向は、構造の形状によって、同じ場合もあれば異なる場合もある。しかし、これらの最適結晶方向のいずれか一方がなくても、デバイスとして機能する。直交オフセットの問題を軽減し、同時に、検出／エネルギー抽出側からの励起を可能にする結晶方向も存在する。  
【００２２】
適用例によっては、例えば、結晶方向は直交オフセットの問題を最小限に抑えるものを採用し、構造形状のそれ以外の部分で、例えば検出／エネルギー抽出側からの励起など、他の基準に十分対応可能な構成とすることが望ましい場合もある。また、直交オフセットおよび同一側からの励起の両方の点について比較的良好となる結晶方向が望ましい場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のセンサー素子の断面図である。
【図２】本発明にかかる共鳴構造の一例の斜視図である。
【図３】図２に示す共鳴構造の断面図である。
【図４】本発明によるセンサー素子を備えたマイクロメカニカルデバイスの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
３     ビーム
４     質量要素
５     励起手段である励起電極
６     検出手段である検出電極
９     励起面
１０   共鳴構造（センサー素子）
２０   マイクロメカニカルデバイス
Ｘ     ビームの長手方向
Ｃ     シリコンウエハの結晶方向
【図１】
2007125693.tif 000003
【図２】
2007125693.tif 000004
【図３】
2007125693.tif 000005
【図４】
2007125693.tif 000006