(57)【要約】【課題】非常に低い位置感度を有する静電気ＭＥＭＳ駆動装置を提供する。【解決手段】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）閉ループ慣性デバイス３８は振動下で改善された性能を示す垂直櫛形駆動部を有する。このデバイスは、ハウジング４８からハウジングによって形成された空洞内に拡張する１つまたは複数のステータ歯４６を含む。ロータ歯４４は空洞に配置されたプルーフマス４２から拡張する。プルーフマスは垂直方向に移動することができるフレキシャによってハウジングに接合される。ロータ歯は移動の方向に第１の長さの値を有し、ステータ歯は移動の方向に第２の長さの値を有する。第２の長さの値は第１の長さの値よりも大きい。ステータ歯は２つの電気的に隔てられた部分を含む。ステータ歯に対してロータ歯は長さが短いので、ロータ歯とステータ歯の上半部または下半部との間の引力がロータ垂直位置に依存しない。振動環境でより良好な加速度計精度が生成される。【選択図】図２
2007309936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
囲まれた空洞を画定するハウジング（４８）と、
前記ハウジングから前記空洞に拡張する１つまたは複数のステータ歯（４６）と、
前記空洞に配置されたＭＥＭＳデバイスとを備え、
前記ＭＥＭＳデバイスは、
前記ハウジングに結合されたプルーフマス（４２）と、
各ロータ歯が対応するステータ歯から容量性距離に配置される、前記プルーフマスから拡張する１つまたは複数のロータ歯（４４）とを備え、
前記プルーフマスは前記対応する歯の間の法線ベクトルにほぼ直角の方向に偏位するように構成され、
前記ロータ歯は偏位の方向に第１の高さの値を有し、前記ステータ歯は偏位の方向に第２の高さの値を有し、前記第２の高さの値は前記第１の高さの値よりも大きく、
前記ステータ歯は２つの電気的に隔てられた部分をもつ少なくとも１つの歯に含む、
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）（３８）。
【請求項２】
前記電気的に隔てられた部分は酸化物層（６８）によって隔てられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのステータ歯の２つの電気的に隔てられた部分の少なくとも１つと電気通信するコントローラ（６０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記プルーフマスが受ける事前に決定された偏位力に基づいて駆動信号を前記電気的に隔てられた部分の１つに送るための駆動信号発生器（６０）を含む、請求項３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
高性能の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性機器（加速度計およびジャイロ）は閉ループ動作を必要とする。振動下の良好な性能には、静電気フィードバック力の大きさが零位置を基準とした機器慣性質量の位置に対して極めて低い感度であることが必要である。力の高い位置依存性のために、ＭＥＭＳアクチュエータで使用されるような一般の静電気垂直櫛形駆動装置は精密ＭＥＭＳ慣性機器に適用することができない。
【０００２】
図１は固定的加速度下で無難に機能する機器を示す。しかし、振動が固定的加速度に重畳された場合、時間平均測定加速度に大きな誤差が生じることになる。この誤差は振動整流と呼ばれ、その性質および原因は当業者によってよく知られている。閉ループ機器における振動整流誤差の１つの主要原因は、フィードバック力のプルーフマス位置依存性である。ロータ歯およびステータ歯が実質的に整列させられる（同じ高さ）場合、ロータとステータの上半部または下半部との間の静電力がロータ歯のわずかな垂直移動で大きく変化する。これらのロータ歯は加えられた外部振動で上下に移動するので、生じる時間平均差動電圧は固定的加速度入力だけで生じる電圧と異なる。これが加速度計誤差である。力―位置依存性の２次部分が誤差の主原因であるが、１次成分および２次よりも高い成分も一因となることがある。誤差への様々な次数の成分からの寄与は設計の細部に依存する。とにかく、この位置依存性、特に２次依存性を著しく低減する設計が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、非常に低い位置感度を有する静電気ＭＥＭＳ駆動装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、位置変化に関する容量変化を実質的に一定比率に向上させることによって改善された位置非依存力を示す垂直櫛形駆動装置を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供する。デバイスは、ハウジングによって形成された空洞にハウジングから拡張する１つまたは複数のステータ歯を含む。１つまたは複数のロータ歯は空洞に配置されたプルーフマスから拡張する。２つのグループの歯は、各ロータ歯が２つのステータ歯の間に収まるようにインターリブされ、逆の場合も同様である。各ロータ歯は、２つのステータ歯（ラインの縁のところを除いて）から容量性距離に配置される。慣性力を受ける場合、機器のプルーフマスは対応する歯の間の法線ベクトルにほぼ直角の方向に動く傾向がある。ロータ歯は移動の方向に第１の長さの値を有し、ステータ歯は移動の方向に第２の長さの値を有する。第２の長さの値は第１の長さの値よりも大きい。さらに、ステータ歯は２つの電気的に隔てられた部分を含む。
【０００５】
ロータ歯の電気的に隔てられた部分は酸化物または他の絶縁層によってほぼ等しい半部に隔てられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の好ましい実施形態および代替の実施形態が以降の図面を参照しながら以下で詳細に説明される。
図２は、改善された振動整流性能用のセンサシステム３８を示す。本例では、システム３８は、垂直すなわちＺ軸に沿った加速度による力を感知する加速度計である微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス４０を含む。全ての図および説明は加速度計を参照するが、本発明はジャイロにも適用される。
【０００７】
ＭＥＭＳデバイス４０は、複数のロータ歯４４（または櫛形フィンガもしくは歯、すべて交換可能に使用される）を有するプルーフマス４２を含む。プルーフマス４２はハウジング４８内に配置され、プルーフマスの垂直方向の運動は比較的自由であるが一般に他の方向には動かないフレキシャによってこのハウジングに接合される。ステータ歯４６は、ハウジング４８の一部分から延び、ロータ歯４４と交互配置される。ステータ歯４６はサーボ／コントローラデバイス６０に電気的に結合される。デバイス６０は、ここで説明しない方法および手段によって、プルーフマスと支持フレームとの間の垂直相対運動を感知する。一般に、この感知部またはピックオフは容量的に動作するであろう。デバイス６０がプルーフマスの移動を感知した後、デバイス６０はロータ歯４４を零位置に強制的に戻すためにステータ歯４６に信号を送る。ロータ歯４４を零位置に強制的に戻すためにステータ歯４６に送られる信号（例えば電圧値）を使用して、プルーフマス４２が受けている加速度の量が計算される。
【０００８】
図２は図１のデバイス４０のスライスの側面図を示す。ロータ歯４４およびステータ歯４６ならびにプルーフマスの残りの部分（図示せず）がハウジング４８によって形成された空洞５０内に配置される。ハウジング４８は第１のウェーハ６２および第２のウェーハ６４ならびに側壁構造６６を含む。ロータ歯４４は垂直方向にステータ歯４６よりも短い。さらに、歯４４および４６の各々は、歯４４および４６を２つの電気的に隔てられた半部に隔てる絶縁層６８を含む。絶縁層６８はシリコン（Ｓｉ）の半部の間の電気絶縁体として機能する。一実施形態では、ステータ歯４６の半部の各々はサーボ／コントローラデバイス６０に電気的に結合される。酸化物層６８はロータ歯４４の半部を隔てるが、半部の両方を電気的に結合するためにデバイスがロータ歯４４に適用される。この電気的結合デバイスは歯４４の内部または歯４４の外部に配置される。
【０００９】
突然の定常状態上向き加速度がフレームおよびステータ歯４６に加えられる場合、ロータ歯４４をもつプルーフマスは初めに遅れをとることになる。この位置の遅れはここでは説明しないデバイスの要素によって感知され、デバイス６０の動作により、適切な差動電圧がステータ歯４６の上半部とロータ歯４４との間に印加され、プルーフマスが零位置に戻される（コントローラデバイス６０が積分器機能を有するとすれば）。
【００１０】
初歩静電学理論から、プルーフマス４２のロータ歯４４が受ける引力の大きさは、上下動をもつロータ歯４４とステータ歯４６との間にある容量の変化率および差動電圧の２乗に比例することが知られている。コントローラデバイス６０の働きは、プルーフマスに加えられた慣性力を正確に相殺するのに必要な電圧を決定することである。必要な差動電圧は加えられた加速度の平方根にほぼ比例し、したがってそれを使用して加速度を決定することができる。下方の加速度では、差動電圧はロータ歯４４とステータ歯４６の下半部との間に印加される。
【００１１】
前述の問題は、図３に示されるように、ロータ歯４４をその最上部および最低部でステータ歯４６から垂直にずらすように配置することにより克服される。分析的には、ロータ歯４４が零位置の近くで垂直に移動するとき、任意の所与の歯形状の力−位置関係は一連の容量計算（有限要素法による）を行うことにより決定することができる。任意の位置での力はその位置の容量の一次微分に比例する。位置とともに変わる力に起因する修正誤差は、デバイスの多くの細部ならびに入力加速度に依存し、システムシミュレーションソフトウェア（例えばＳｉｍｕｌｉｎｋ）を使用して分析的に計算することができる。
【００１２】
図４〜１８は、図２および３に示されたデバイス４０の例示的製造の側面破断図を示す。図４および５に示されるように、製造プロセスは、２つのシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ７０および７１を使用することによって始まる。ウェーハ７０および７１の各々はハンドル層（シリコン−Ｓｉ）７２および８２、酸化物層７４および８０、ならびにデバイス層７６および７８を含み、酸化物層７４および８０はハンドル層７２および８２をデバイス層７６および５６から隔てる。この第一ステップで、酸化物層８４がデバイス層７８上に成長または堆積される。
【００１３】
図６に示されるように、第１のＳＯＩウェーハ７０のデバイス層７６の露出した表面は、好ましくは融着接合技法を使用して第２のＳＯＩウェーハ７１の酸化物層８４に接合される。次に、ハンドル層７２が除去され、したがって二重ＳＯＩウェーハが生成される。
【００１４】
図７に示されるように、フォトレジストマスクパターン８８が酸化物層７４上に施される。次に、図８に示されるように、酸化物層７４の保護されていない酸化物がエッチングされ、次にフォトレジストパターン８８が除去される。
【００１５】
図９に示されるように、Ｓｉのディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）がデバイス層７６に事前に画定された深さまで行われる。図１０に示されるように、酸化物層７４の残りの酸化物は除去され、第１のキャップウェーハ９０がデバイス層７６に接合される。この接合は融着接合プロセスを使用するＳｉ−Ｓｉ接合とするか、または共晶接合を使用して行うことができる。キャップウェーハ９０は、図９に示されたＤＲＩＥプロセスで生成された柱がキャップウェーハ９０の表面に接触しないように事前にエッチングされた。
【００１６】
図１１に示されるように、第２のＳＯｌウェーハ７１のハンドル層８２は、ウェット化学エッチング（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、およびＥＤＰ）またはＤＲＩＥ、あるいは機械的研削とその後に続くウェットまたはドライエッチングによって除去される。酸化物層８０が除去され、窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）層９４がデバイス層７８の表面に堆積される。次に、図１２に示されるように、窒化物層９４がフォトレジスト９８の塗布パターンに従ってエッチングされる。図１３に示されるように、フォトレジスト９８が除去され、窒化物がもはやなくなっている場所のデバイス層７８の表面に酸化物層１００が成長される。
【００１７】
図１４に示されるように、フォトレジストパターン１０４が施され、次に酸化物層１００および窒化物層９４の露出された部分がエッチングされる。酸化物層１００および窒化物層９４は同時にプラズマエッチングを使用してエッチングすることができる。図１５に示されるように、次にデバイス層７８の保護されていない部分がＤＲＩＥを使用して酸化物層８４まで完全にエッチングされる。次に、露出された酸化物層８４がデバイス層７６の表面までエッチングされる。
【００１８】
図１６に示されるように、フォトレジスト１０４が除去され、次に残りの窒化物９４が熱リン酸によって除去される。次に、図１７に示されるように、事前に窒化物９４によって覆われたデバイス層７８の部分およびデバイス層７６の残りの露出された部分を除去するためにＤＲＩＥエッチが行われる。図１８に示されるように、酸化物層１００がエッチングされ、第１のキャップウェーハ９０と同様の第２のキャップウェーハ１１０がデバイス層７８の露出された表面に融着接合され、それによって、櫛形駆動構造にステータ歯よりも小さいロータ歯が生成される。
【００１９】
図１９〜２９は、窒化物１２０の層が酸化物層の代わりにデバイス層７６の表面に堆積されることを除き、図５に示されたステップの後に始まる別の製造プロセスの側面断面スライス図を示す。次に、フォトレジストマスク１２２が窒化物層１２０上に施される。次に、図１９に示されるように、窒化物エッチングが行われ、フォトレジストマスク１２２が除去される。
【００２０】
図２１に示されるように、酸化物層１３０がデバイス層７６の露出された表面に施され、次にフォトレジストパターン１３２が酸化物層１３０および窒化物層１２０の部分に施される。
【００２１】
次に、図２２に示されるように、酸化物および窒化物エッチングが下方にデバイス層７６の表面まで行われ、次に露出されたデバイス層７６のＤＲＩＥが下方に酸化物層８４まで行われ、別の酸化物エッチングが酸化物層８４を除去するために行われ、最後に第２のＤＲＩＥが行われてデバイス層７８の部分がエッチングされる。
【００２２】
図２３に示されるように、フォトレジストパターン１３２が除去される。次に、残りの窒化物層１２０がエッチングされる（例えば、窒化物だけを除去する熱リン酸を使用して）。
【００２３】
次に、図２４に示されるように、別のＤＲＩＥが行われ、したがってデバイス層７８の残りの露出された部分が下方に酸化物層８０の表面までエッチングされ、デバイス層７６のちょうど今除去された窒化物層１２０によりこれまで保護されていた部分がエッチングされる。図２５に示されるように、酸化物層１２０を除去した後にキャップウェーハ９０がデバイス層７６に接合される。
【００２４】
図２６に示されるように、ハンドル層８２が除去され、それによって酸化物層８０が露出される。フォトレジストパターン１３８が酸化物層８０の部分に施される。次に、図２７に示されるように、露出されている酸化物層８０の部分がエッチングされる。図２８に示されるように、ＤＲＩＥがデバイス層７８の露出された領域に行われる。最後に、図２９に示されるように、フォトレジストパターン１３８が酸化物層８０と同様に除去される。次に、キャップウェーハ１１０がデバイス層７８に接合される。
【００２５】
製造中に、電気リード線がステータの部分およびシステムの他の構成要素に取り付けられる。
独占的な権利または特権が請求される本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲のように定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術で使用される櫛形構造のスライスの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に従って形成されたセンサシステムのブロック図である。
【図３】図１に示されたシステムの構成要素で使用される櫛形構造のスライスの断面図である。
【図４】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図５】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図６】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図７】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図８】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図９】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１０】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１１】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１２】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１３】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１４】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１５】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１６】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１７】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１８】本発明の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する製造プロセスのステップの断面スライス図である。
【図１９】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２０】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２１】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２２】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２３】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２４】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２５】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２６】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２７】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２８】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【図２９】本発明の別の実施形態に従って垂直櫛形構造を生成する別の製造プロセスのステップの横断スライス図である。
【符号の説明】
【００２７】
３８  センサシステム
４０  微小電気機械システムデバイス
４２  プルーフマス
４４  ロータ歯
４６  ステータ歯
４８  ハウジング
５０  空洞
６０  サーボ／コントローラデバイス
６２  第１のウェーハ
６４  第２のウェーハ
６６  側壁構造
６８  絶縁層
７０  シリコン・オン・インシュレータウェーハ
７１  シリコン・オン・インシュレータウェーハ
７２  ハンドル層
７４  酸化物層
７６  デバイス層
７８  デバイス層
８０  酸化物層
８２  ハンドル層
８４  酸化物層
８８  フォトレジストマスクパターン
９０  第１のキャップウェーハ
９４  窒化物層
９８  フォトレジスト
１００  酸化物層
１０４  フォトレジストパターン
１１０  第２のキャップウェーハ
１２０  窒化物層
１２２  フォトレジストマスク
１３０  酸化物層
１３２  フォトレジストパターン
１３８  フォトレジストパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2007309936.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2007309936.tif 000026
【図２５】
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【図２６】
2007309936.tif 000028
【図２７】
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【図２８】
2007309936.tif 000030
【図２９】
2007309936.tif 000031
【外国語明細書】
2007309936000001.pdf