(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロマシニング磁界センサにおいて、
基板（１００）上に弾性的に変位可能に懸架されている導体路装置（５０）と、
前記導体路装置（５０）に接続し該装置と共に変位可能な第１のコンデンサプレート装置（５６，５７）と、
基板（１００）に固定的に結合された第２のコンデンサプレート装置（６１，６６，７１，７６）とを有し、
前記導体路装置（５０）は、細長の第２および第３のバー（５５ａ，５５ｂ）を有しており、これらのバーは、相対抗する方向（Ｙ，−Ｙ）で第１のバー（５０）から実質的に垂直に分岐して基板（１００）上を延在し、導体路装置（５０）からの分岐箇所と共通の電位を有しており、
前記第２のコンデンサプレート装置は、前記第１のコンデンサプレート装置（５６，５７）と共にコンデンサ装置を形成しており、
さらに、前記導体路装置（５０）を通る所定の電流（ｉ）を伝導し印加される磁界に依存して生じるコンデンサ装置のキャパシタンス変化を検出するための、磁界検出装置を有していることを特徴とする、マイクロマシニング磁界センサ。
【請求項２】
前記導体路装置（５０）は、第１の方向（Ｘ）に延在する細長の第１のバー（５０）を有しており、該第１のベースバーの端部は、基板（１００）上の各バネ装置（３０；４０）に、実質的に第２の方向（Ｙ）にのみ弾性的に変位可能に懸架されている、請求項１記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項３】
前記第１のコンデンサプレート装置（５６，５７）は、多数のバー（５６，５７）を有しており、これらは前記第２、第３のバー（５５ａ，５５ｂ）から分岐して実質的に第１のバー（５５）に対して並列かまたは垂直に基板（１００）上で延在している、請求項２記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項４】
前記第２および／または第３のバー（５５ａ，５５ｂ）の、第１のバー（５０）から離れている側の端部が基板（１００）上で懸架されており、この懸架を介してそこからの電位がピックアップ可能であり、この場合共通の電位が与えられている、請求項３記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項５】
前記第２のコンデンサプレート装置（６１，６６，７１，７６）は、多数のバー（６１，６６，７１，７６）を有しており、それらの一方の端部は基板（１００）に固定されており、さらにそれらは第１のコンデンサプレート装置（５６，５７）と共に差動容量型装置を形成するように配設されている、請求項１〜４いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項６】
前記磁界検出装置は、前記導体路装置（５０）を通る直流電流を伝導し印加される磁界を静的キャパシタンス変化を介して検出するように構成されている、請求項１〜５いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項７】
前記磁界検出装置は、前記導体路装置（５０）を通る有利には変位可能な構成要素の機械的固有周波数を有する交流電流を伝導し印加される磁界を動的キャパシタンス変化を介して検出するように構成されている、請求項１〜５いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項８】
前記導体路装置（５０）の細長の第１のバー上に少なくとも１つの伝導層、例えばドーピングされたエピタキシャルポリシリコン層またはアルミニウム層が析出されている、請求項２〜７いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項９】
周辺基板上に電流較正ループ（２１０）が設けられており、該ループ（２１０）を介して較正された磁界が印加可能である、請求項１〜８いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項１０】
第３のコンデンサプレート装置（２３０，２４０）が設けられており、該第３のコンデンサプレート装置（２３０，２４０）は、第１のコンデンサプレート装置（５６，５７）と共にさらなるコンデンサ装置（Ｃ１，Ｃ２）を形成し、前記磁界検出装置は、印加される磁界に依存して生じる、前記さらなるコンデンサ装置（Ｃ１，Ｃ２）のキャパシタンス変化を検出するように構成されている、請求項１〜９いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項１１】
前記第３のコンデンサプレート装置（２３０，２４０）は、基板（１００）内に存在する第４の導体層（２４０）と、キャップ（１６０）に設けられている第５の導体層（２３０）とを有している、請求項１０記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項１２】
前記第５の導体層（２３０）は、基板（１００）とキャップ（１６０）の間の接続領域において離間されるように構造化されている、請求項１１記載のマイクロマシニング磁界センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２いずれか１項記載のマイクロマシニング磁界センサを製造するための方法において、
基板（１００）を形成するステップと、
該基板（１００）上に第１の絶縁層（１１０）を設けて構造化するステップと、
前記構造部に、導体路装置（５０）とコンデンサ装置に対する電気的な接続端子形成のために、導体層（１２０）を設けて構造化するステップと、
前記構造部に、第２の絶縁層（１４０）を設けて構造化するステップと、
前記構造部に、導体路装置（５０）とコンデンサ装置の形成のために、第２の導体層（１３０）を設けて構造化するステップと、
変位可能な構成要素（３０，４０，５０，５５ａ，５５ｂ，５６，５７）のアンダーエッチングを行うステップとを有していることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記変位可能な構成要素（３０，４０，５０，５５ａ，５５ｂ，５６，５７）のキャッピングを行うステップを有している、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記キャップ（１６０）に第５の導体層を被着させて構造化するステップを有している、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシニング磁界センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術では種々のマイクロマシニング磁界センサが公知である。このセンサは、電荷に作用するローレンツ力に基づいて電流と磁界の間の相互作用を応力に変換している。磁界センサ構造に作用するこの応力は、変位に結び付く。この変位は種々の方法によって検出される。
【０００３】
ここではまず従来技術の例として３つの揺動型センサ構造を説明する。
【０００４】
第１の公知の磁界センサ構造は、共振型ＳｉＯ2ねじれ揺動構造である。これは例えば公知文献“B.Eyre und K.S.J. Pister,Micromechanical Resonant Magnetic Sensor in Standard CMOS, Transducers 97,1997 Int. Conf.Solid-state Sensors and Actuators, Chigago,16-19 Juni 1997”からも公知である。
【０００５】
この手段ではアルミニウム電流ループがトーション要素を介して懸架されている片持ち式のｓiＯ2−揺動構造で実現されている。（磁界との相互作用による）電磁的な励磁によって、揺動子の機械的共振周波数で機械的なねじれ振動が生じる。振幅検出は圧電抵抗型のホイートストーンブリッジ回路を介して行われる。構造部（ＳiＯ2−Ａｌ）の高い減衰（ないしは高い減衰値）によっては真空下で僅かな品質しか得られない。詳細にはＱ＝１０の範囲の品質である。薄い支持層（例えばＳiＯ2）によれば、応力作用のもとで揺動構造の強い結合が行われる。
【０００６】
第２の公知の磁界センサ構造は、共振型の単結晶ねじれ揺動構造である。これは例えば公知文献“Z.Kadar,A.Bosshe und J. Mollinger,Integrated Rsonant Magnetic-Field Sensor, Sensors and Actuators A, 41-42,(1994),pp.66-69”から公知である。
【０００７】
この磁界センサの構造は、トーションバーを介して懸架されている単結晶の揺動構造部からなっており、その上にはアルミニウム導体路が被着されている。ここでも機械的なねじれ振動の共振周波数を有する交流電流が導体路を伝導する。その際揺動振幅（ねじれ角度）が生じ、これが別個の電極を介して容量的に読み出される。対抗電極は構造化された伝導層によって形成され、これは切欠を備えたガラスキャップに被着される。共振方法および揺動子の僅かな構造的減衰によって、可能な真空密閉とそれに伴う高い品質に基づいていわゆる磁界はｎＴ領域で測定可能である。前記文献からはさらにセンサの大きな動的範囲が開示されている。容量的な読取りに対してはフィードバック導体路と同期復号器（搬送波周波数方式）が用いられる。実験室で実現したセンサ手段の静的キャパシタンスは０.５ｐＦの範囲にある。これに相応の製造プロセスは、複雑な（そして高価な）プロセスステップのために、安価な大量生産に対しては全く適していない。この公開例からは、図示の導体路交差がどのように実現されているかは明らかでない。
【０００８】
第３の公知の磁界センサ構造は、非共振型の手段である。この場合揺動半部の上のシリコン揺動構造が直流電流によって通流され（特に被着された導体路なしで）、それが磁界によって相互作用されてローレンツ力を生成する。このローレンツ力はトーションモーメントに変換され、これが揺動構造部をねじる。このねじれから生じた揺動面の容量変化が、深層にある対抗電極にむけてキャパシタンス測定手段によって読み出される。
【０００９】
さらに材料の電磁的な効果に基づく磁界センサも存在する。
【００１０】
例えばホール効果の利用である。このホール効果は、外部からの磁界の出現のもとでの電流の流れる導体路において現われる。電流の通流される材料に依存して電子は、その移動方向に対して垂直な方向に変位される。この変位によって導体路の両サイドの間で電位差が生じる。この電位差がホール測定効果を表すものである。このホールセンサに対しては以下に述べるような欠点が挙げられる。
【００１１】
非常に限られた分解能（通常の分解能限界はｍＴ範囲にある）、制限された動特性、大きなオフセット、測定効果における強い温度依存性。
【００１２】
材料の電磁的な効果に基づくさらなるセンサは、磁気抵抗センサである。これは磁界の出現のもとで電気抵抗の高まりによって特徴付けられるものである（例えば公知文献“M.J.Caruso,Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems, 1997 Society of Automotive Engineers, Inc., Publ. #970602, pp 15-21）参照”。
【００１３】
またフラックスゲートセンサ（この場合は通常センサとエレクトロニクスが１つのチップ上に設けられ、典型的には９ｍＶ/μＴの高分解能を一部有している）が、例えば公知文献“R.Gottfried-Gttfried.W.Budde, R Jaehne, H.Kueck, B. Sauer, S. Ulbricht und U. Wende, A Miniaturized Magnetic-Field Sensor System Consisting of A Planar Fluxgate Sensor and A CMOS Readout Circuitry, Sensors and Actuators A54 (1996), pp. 443-447”に開示されている。
【００１４】
前述した公知例での欠点として挙げられる事実は、これらの磁界センサが僅かな分解能かないしは僅かな感度しか有してなく、温度依存性の高いオフセットを有しあるいは非常に高コストでしか製造できないことなどである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前述したような公知技術における欠点に鑑みこれを解消すべく改善を行うことである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明により、基板上に弾性的に変位可能に懸架されている導体路装置と、前記導体路装置に接続し該装置と共に変位可能な第１のコンデンサプレート装置と、基板に固定的に結合された第２のコンデンサプレート装置とを有し、該第２のコンデンサプレート装置は、前記第１のコンデンサプレート装置と共にコンデンサ装置を形成しており、さらに、前記導体路装置を通る所定の電流を伝導し印加される磁界に依存して生じるコンデンサ装置のキャパシタンス変化を検出するための、磁界検出装置を有しているように構成されて解決される。
【００１７】
本発明が基礎としている考察は、ローレンツ力によって引き起こされるセンサ構造の移動が容量的に有利には櫛形の電極を介して検出されることである。この場合、ローレンツ力が利用される限り、（片持ち式の）電気的導体路に印加される電流と外部から印加される磁界によって、片持ち式の構造部の横方向の移動が引き起こされる。
【００１８】
固定された櫛形電極（固定された櫛形構造部）と可動式の櫛形電極（可動の櫛形構造部の適用により（これらは有利には公知の表面シリコンマイクロマシニング技術いより製造される）、動きに依存した容量変化の生成が可能となる。
【００１９】
櫛形の配置構成は、移動方向に対して平行または垂直（ないしは導体路装置に対して垂直または平行）に行われてもよい。この櫛形構造部は、統一的な電位を有しており、これは動きからの電気的なキャパシタンスの読取りを著しく容易にさせる。そのような解決手段はこれまでには知られていない。というのも公知の全ての解決手段では、可動電極が、位置に依存した電位を有していたからである。
【００２０】
付加的な有利には柔軟なバネによって、前記電位はタップ可能であり、例えば電気的な制御に対して利用できる。
【００２１】
センサ運動の容量的検出の際に容量的な測定手法によって、固定された櫛形電極と可動性の櫛形電極の間で、間隔変化が電気的な信号に変換され、ないしは可動電極と固定電極の間の表面被覆度が容量変化に結び付けられる。振幅信号の容量的な読出しによって、比較的僅かな温度特性と僅かな温度ヒステリシスが期待される。
【００２２】
静的な及び動的な、特に共振モード用のセンサの適用により、センサ構造部の変位が磁界中の直流電流または交流電流を用いて可能となり、一方のケースでは静的な変位が生じ、他方の場合は揺動が生じる。差動式キャパシタンス測定方法と結び付けられた動的な作動モードでは、横方向加速度が機械的な共振周波数に応じて無視できる。
【００２３】
さらに揺動品質の向上とそれに伴う感度の向上のために、動的モードに対する真空密閉の手段がある。真空の雰囲気のもとでの共振モードは、静的な測定手法に比べて、明らかに向上された感度を許容する（共振増幅による比較的高い品質での高い揺動振幅）。交流電流の代わりに構造部を通して直流電流を送出することも可能である。そのため交流の磁場が検出され得る。
【００２４】
請求項１の特徴部分に記載の本発明によるマイクロマシニング磁界センサは公知手段に比べて特に次のような利点を有する。すなわちそれが高い磁界分解能を有し（詳細にはμＴ領域）、僅かな構造サイズしか有さず、標準的な表面マイクロマシニング製造過程において低コストに製造可能なことである。
【００２５】
大量生産工程は、櫛形構造部を有する加速度センサの製造から周知の工程である。表面マイクロマシニング技術の適用、特に厚いエピポリ層を伴う大量生産工程の適用によって、堅固なセンサ構造が可能になる。これは横方向の感度を抑えることが達成できる。その上さらに、表面マイクロマシニング技術によって三重ウエハ構造（これは例えば公知文献“Z.Kadar, A.Bossche und J.Mollinger, Integrated Resonant Magnetic-Field Sensor, Sensors and Actuators A, 41-42,(1994)”から公知である）の代わりに二重ウエハ構造（センサとキャップ）が可能である。
【００２６】
本発明による磁界センサのさらなる利点は、センサ構造部の横方向の運動を与えることができ、高品質と共に感度の向上も併せ持つ共振モードの実施ができることである。
【００２７】
本発明の別の有利な実施例および改善例は従属請求項に記載されている。
【００２８】
本発明の別の有利な構成例によれば、導体路装置は、第１の方向に延在する細長の第１のバーを有しており、該第１のベースバーの端部は、基板上の各バネ装置に、実質的に第２の方向にのみ弾性的に変位可能に懸架される。これにより、評価の際には第２の方向の応力のみを考慮するだけでよくなる。
【００２９】
別の有利な実施例によれば、前記導体路装置は、細長の第２および第３のバーを有しており、これらのバーは、相対抗する方向で第１のバーから実質的に垂直に分岐して基板上で延在し、有利には導体路装置からの分岐点の統一された電位を有している。この第２および第３のバーは有利には、可動の第１のコンデンサプレート装置の固定に用いられる。相対向する分岐は、可動の第１のコンデンサプレート装置のコンデンサプレートを実質的に全て同じ電位におくことを可能にする。
【００３０】
さらに別の有利な実施例によれば、前記第１のコンデンサプレート装置は、多数のバーを有しており、これらは前記第２、第３のバーから分岐して実質的に第１のバーに対して並列かまたは垂直に基板上で延在している。
【００３１】
別の有利な実施例によれば、前記第２および/または第３のバーの、第１のバーから離れている側の端部が基板上で懸架されており、この懸架を介してそこからの電位がピックアップ可能であり、この場合有利には統一された電位が与えられる。この電位のピックアップは、導体路装置のリード導体における電位を介して櫛形構造部の電位のコントロールないし制御を可能にする。
【００３２】
別の有利な実施例によれば、前記第２のコンデンサプレート装置は、多数のバーを有しており、それらの一方の端部は基板に固定されており、さらにそれらは第１のコンデンサプレート装置と共に差動コンデンサ装置を形成するように配設されている。これにより、加速度センサ技術から公知の手法または変調型の差動キャパシタンス手法が評価に用いられる。
【００３３】
別の有利な実施例によれば、前記磁界検出装置は、前記導体路装置を通る直流電流を伝導し印加される磁界を静的キャパシタンス変化を介して検出するように、構成される。
【００３４】
さらに別の有利な実施例によれば、前記磁界検出装置は、前記導体路装置を通る有利には変位可能な構成要素の機械的固有周波数を有する交流電流を伝導し印加される磁界を動的キャパシタンス変化を介して検出するように、構成される。この手法は比較的高い分解能（特に共振周波数のもとで）と、静的な障害作用の消去とを可能にする。
【００３５】
別の有利な実施例によれば、前記導体路装置の細長の第１のバー上に少なくとも１つの伝導層、例えばドーピングされたエピタキシャルポリシリコン層またはアルミニウム層が析出される。これは導体路装置の抵抗のコントロールされた設定性の利点をもたらす。
【００３６】
さらに別の有利な実施例によれば、周辺基板上に電流較正ループが設けられており、該ループを介して較正された磁界が印加可能である。相応の基準測定によって、温度の影響または障害的な磁界が消去可能である。
【００３７】
本発明による有利な製造方法は、請求項１４に記載されている。
【００３８】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。なお図中同じ構成部材ないしは同じ機能を有する構成部材には同じ符号が付されている。
【００３９】
図１は本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第１実施形態の概略的平面図であり、図２は相応の概略的斜視図である。
【００４０】
図１ないし図２において示されている符号１０,２０はリード導体、符号３０,４０はバネ装置、符号３５,４５は固定部、符号５０は第１の第１のバーの形態の導体路装置、符号５５ａ,５５ｂは第２ないし第３のバー、符号５５ｃは第４のバー、符号５６,５７は可動コンデンサプレート、符号６０,６５,７０,７５は固定されたコンデンサプレートに対する電気的な接続端子、符号６１,６６,７１,７６は固定されたコンデンサプレート、符号８０はバネ装置、符号９０は電気的接続端子、符号９５は固定部、符号１００はシリコン基板、符号１１０は二酸化珪素からなる第１の絶縁層、符号１２０は、埋め込まれたポリシリコンからなる第１の導体層、符号１３０はエピタキシャルポリシリコンからなる第２の導体層を示し、符号Ｘ，Ｙ，Ｚは方向を示し、符号Δｙは変位を表し、符号Ａ，Ａ′は図３に関する図面での断面方向を示している。
【００４１】
図１および図２による実施例は、対称性を備え機能的に孔あけされた揺動構造部を有しており、これの構造部は２つの端部でバネ装置３０，４０を介して可動に懸架されている。
【００４２】
この孔あけされた構造部は、導体路形状の第１のバー５０（導体路装置）からなり、これはバネ装置３０,４０と、当該第１のバー５０中央から分岐している第２および第３のバー５５ａ,５５ｂとの間に存在している。第２および第３のバー５５ａ，５５ｂはそこから分岐している櫛形で可動の第１コンデンサプレート櫛形構造部５６,５７を有している。
【００４３】
揺動構造部は、バネ装置３０,４０を介して機械的に第１の導体層１２０と第１の絶縁層１１０（例えば熱的酸化物など）を介してＳｉ基板１００に接続されている。この場合は第１の導体層１２０に施されているリード導体１０,２０に対し電気的な接続が生じる。バネ装置３０,４０（これらはここでは曲折した形状で示されているがその他の幾何学的形状を有することも可能である）は次のように構成される。すなわちそれらがｙ軸方向で比較的柔軟な懸架状態を示すように構成される。別の側では揺動構造部がｘ軸方向ないしｚ軸方向でバネ素子の剛性的構造によって変位しにくくされている。
【００４４】
可動な導体路装置５０も、それに結び付けられるコンデンサプレート櫛形構造部５６,５７も、ゆがみやねじれに十分対抗できるように剛性的に設計される。
【００４５】
第２のコンデンサプレート櫛形構造部は、第１の導体層１２０と第１の絶縁層１１０を介して機械的に固定され電気的に絶縁されて基板と接続される。この第２のコンデンサプレート櫛形構造部は多数のバー６１,６６,７１,７６を有しており、これらのバーは第１のコンデンサプレート櫛形構造部５６,５７と共に差動コンデンサ装置を形成するように配設されている。この構成は加速度センサからもよく知られているものなので、ここでの詳細な説明は省く。電気的な接続は、第１の導体層１２０に施されている電気的接続端子６０,６５,７０,７５に対して生じる。
【００４６】
図１においてのみ示されているバネ装置８０は（これは見やすくする理由から図２では示されていない）、可動の揺動構造部に係合し、端子９０を介した電位のピックアップを可能にする。この場合このバネ装置８０のバネ定数は、前記バネ装置３０,４０のものよりも著しく少ない。これは比較的大きな曲率半径および/または比較的狭い幅によって達成できる。
【００４７】
以下の明細書では図１および図２に示されている実施形態の作用を詳細に説明する。
【００４８】
電流はリード導体１０を介して揺動構造部に供給される。電流ｉは、導体層１２０の導体路を介して、不動のエピタキシャルポリシリコン固定部３５に流れる。これを介して電流ｉはバネ装置３０に達し、さらに揺動構造部内へ、すなわち導体路装置５０を通り、最終的に対向側のバネ装置４０、固定部４５、およびそこからは導体層１２０の導体路を介して他方のリード導体２０に流れる。
【００４９】
この印加電流ｉと外部磁界Ｂの同時の存在のもとで、ローレンツ力が導体路装置５０に作用する。
【００５０】
結果として生じるローレンツ力Ｆは、外部磁界Ｂと、導体路装置５０（導体路長１）を通って印加された電流ｉに基づいて以下のベクトル関係式から得られる。
【００５１】
Ｆ＝１・ｉ×Ｂ                                              （１）
この場合ローレンズ力Ｆは、印加された電流ｉに対しても磁界Ｂに対しても垂直な関係にある。ベクトル成分表示によれば以下の通りである。
【００５２】
Ｆx＝１・（ｉyＢz−ｉzＢy）                                  （２）
Ｆy＝１・（ｉzＢx−ｉxＢz）                                  （３）
Ｆz＝１・（ｉxＢy−ｉyＢx）                                  （４）
導体路装置５０のｘ軸方向の電流成分ｉxのみが生じるので（他のものはゼロかまたは相互に相殺される）、以下のように簡単に表すことができる。
【００５３】
Ｆx＝０                                                      （２′）
Ｆy＝１・（−ｉxＢz）                                        （３′）
Ｆz＝１・（ｉxＢy）                                          （４′）
有効な応力は、磁界も電流も印加された場合にのみ生じ、しかもｘ軸方向（電流方向）に対して垂直にのみ生じる。磁界なしでは揺動構造部に有効に作用する応力（重力ないしは多少の加速力を除いて）もない。
【００５４】
揺動構造部に対する応力は、“共に結び付けられる”バネ装置３０,４０,８０の戻り力に反作用する。
【００５５】
従ってばねの戻り力とｙ軸方向に作用するローレンツ力（Ｆy＝１・(−ｉxＢz)に依存して変位量Δｙが生じる。変位量Δｚは測定信号に関与しないかあるいは当該実施例のｚ軸方向でのばねの剛性構造によって無視できる。従って変位量Δｙは、可動のコンデンサプレート櫛形構造部５６,５７と、固定されたコンデンサプレート櫛形構造部６１，６６，７１，７６を介して電気的に検出可能である。この変位量Δｙが減少している場合には、可動のコンデンサ櫛形構造部の櫛形部分と、固定のコンデンサ櫛形構造部の櫛形部分の間の間隔が一方の側でΔｙだけ減少するならば、別の側の間隔はΔｙだけ拡大する。このような間隔の変化と共に、そのように形成されたコンデンサ装置においては容量の変化が現われる。この変化は例えば差動キャパシタンス測定手法などによって求めることが可能である。多数の櫛形部分の並列接続によって総体的に測定の容易な大きなキャパシタンスが達成される。
【００５６】
導体路装置５０の同じ箇所における可動櫛形構造部方向への揺動構造部の分岐によって、可動櫛形構造部はどこでも同じ電位を有するようになる。このことは電子的な評価を著しく容易にする。
【００５７】
電子的な励起と評価は静的にまたは動的に行うことが可能である。
【００５８】
静的な作動モードでは、直流電流が揺動構造部を通って供給される。外部磁界の出現のもとで生じるローレンツ力は、バネ装置３０,４０による（これらを介して揺動構造部は可動に懸架されている）応力に反作用している。バネ装置３０,４０による応力バランスの調整のもとで、片持ち式の揺動構造部における磁界に依存した静的な横方向変位量Δｙが生じる。これは例えば差動キャパシタンス測定手法によって電気的に検出可能である。
【００５９】
動的な差動モードでは合目的に交流電流が導体路装置５０を通って供給される。これは機械的なばね−質量系の共振周波数によって振動する（“振幅共振周波数”）。アンダークリティカルな励振周波数も可能である（これは密閉された気圧に僅かに反応し、機械的な共振周波数への電気的な励振周波数の正確な整合に反応する）。その他にも交流電流の周波数は揺動の電気的な帰還結合によって共振振幅に正確に制御でき、さらに維持することが可能である。
【００６０】
外部磁界が印加された場合には、振動力も導体路装置５０に作用する。電気機械的な揺動系の立上がり期間の経過後では、機械的揺動振幅が生じる。これは減衰度（ないしは品質、これはまず第１に内部圧力に依存する空気摩擦によって定められる）と、印加電流のもとで測定された磁界成分Ｂzに依存する。機械的な揺動も、櫛形構造部を介して容量的に測定される（例えば搬送周波数測定手法により）。
【００６１】
重力加速度に基づく静的な変位は、剛性的な構造部と（共振周波数の適切な選択のもとでの）動的な測定方法によって一次近似において測定信号には関与しなくなる。
【００６２】
この共振方法は、共振周波数のもとでの振幅上昇の有効利用によって、静的な方法よりもはるかに高い分解能ないし感度を可能にする。あるいは同じように印加される外部磁界のもとで、揺動構造部のより大きな最大変位を生じさせる。
【００６３】
電荷増幅の利用のもとでは可動櫛形構造部の所定の電位が電気的な容量測定を著しく容易にする。有利には柔軟なバネ装置８０を介して相応の電位ピックアップも実現できる。この電位ピックアップは（電気的に非対称の場合；導体路の抵抗など）、櫛形構造部の電位の制御を入力電圧を介して可能にする（２つのリード導体１０,２０における電位）。
【００６４】
図３は、図１の本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第１実施例によるカプセル化されたセンサ構造部のラインＡ−Ａ′に沿った断面図を概略的な示している。
【００６５】
図３では付加的にさらに符号１３５が基台部を示し、符号１４０が二酸化珪素からなる第２の絶縁層を示し、符号１５０がろうガラスを示し、符号１６０がシリコンウエハ形状のキャップを示し、符号１７０はボンディングパッドのためのアルミニウムからなる第３の導体層を示し、符号１７５が、ボンディングパッド基台部を示し、符号１８０はボンディングパッド開口部を示している。
【００６６】
以下では図３に基づいて本発明によるマイクロマシニング磁界センサの製造方法を詳細に説明する。
【００６７】
準備された基板１００上ではまず二酸化珪素からなる第１の絶縁層の析出ないし生長、構造化が行われる。
【００６８】
次にその上に、導体路装置５０とコンデンサ装置に対する電気的接続端子の形成のために、ＬＰＣＶＤポリシリコンからなる第１の導体層１２０が析出され構造化される。
【００６９】
そして前述のように形成された構造部の上で、二酸化珪素からなる第２の絶縁層１４０の析出と構造化が行われる。
【００７０】
導体路装置５０とコンデンサ装置の形成のために、ここにおいて前述のように形成された構造部の上に、エピタキシャルポリシリコンからなる第２の導体層１３０の析出と構造化が行われる。この第２の導体層１３０からは、キャップウエハ１６０に対する基台部１３５とボンディングパッド基台部１７５が形成される。
【００７１】
変位可能な構成要素３０，４０，５０，５５ａ,５５ｂ,５６，５７の酸化物のアンダーエッチングによって、これらが自由に可動となるようにされる。
【００７２】
最後に、これらの変位可能な構成要素のキャッピングが行われる。このキャッピング過程に対してここでは１つの具体例としてろうガラスによる結合技法が示されている。それによりセンサはカプセル化さると同時に真空に密閉される（これを介してシステムの品質ないし減衰度が設定可能である）。もちろんその他の技法、例えば陽極ボンディング技法などをこのキャッピング化に適用することも可能である。
【００７３】
図４には本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第２の実施形態の斜視図が概略的に示されている。
【００７４】
この図４ではさらに符号２００で、機能ブロックとしての前述したマイクロマシニング磁界センサ構造部が示され、符号２１０で、較正電流ループが示され、符号２２０で、ボンディングパッドと較正電流ｉEが示されている。
【００７５】
前述の説明では、共振動作が可能なものではなく、外部磁界検出のためのマイクロマシニング磁界センサ構造部２００を述べてきた。
【００７６】
共振の場合では特に、検出された電圧信号Ｕ（これは櫛形電極間の検出キャパシタンスＣの関数である）が、外部磁界のみでなく揺動系の品質ないし減衰度にも依存する。
【００７７】
検出キャパシタンスＣは、共振周波数ｆrefでの共振モードの際の時間関数でもある。この場合、ｔ＝１/ｆref、電流の通流する導体路に対して垂直な関係の磁界をＢ90゜および品質をＱ（これは特に揺動部を取り巻く気圧の関数である）とすると以下の関係式が成り立つ。
【００７８】
Ｃ＝ｆ（ｔ、Ｂ90゜、Ｑ）                                        （５）
特に気圧は真空密閉の際のプロセス変動に基づいて正確には設定できず、また周辺変温度にも依存して変化するものなので、有利には較正基準が用いられ、これに基づいて測定値が較正される。
【００７９】
図４による本発明の実施形態ではそれに対して較正電流ループ２１０が用いられている。このループは磁界センサ構造部２００を取り囲むように配設されている。この較正電流ループ２１０のプロセス技術施行と交差は、有利には標準技法に従って種々の平面（例えば埋め込まれたポリシリコン面、エピタキシャルポリシリコン面、アルミニウム面など）で行われる。
【００８０】
この較正電流ループ２１０は２つのボンディングパッド２２０を介して、一定の較正電流ｉEが印加される。この較正電流通流によって、この較正電流ループ２１０は、一定の較正磁界をその中心ないしはループの内面全体に生じさせる。アクティブなセンサ構造部２００は、この較正電流ループ２１０の内部にあるので、印加された測定電流ｉのもとで相応の測定効果が得られる。
【００８１】
一定の較正電流ＩEは比較的容易に温度安定性を生じさせることができるので、それにより、品質Ｑないしは周辺温度に依存しない磁界を生成することが可能である。
【００８２】
所定の間隔での較正電流ｉEの投入または転極によって磁界センサのスイッチオンの際の出力信号の変化を較正することができる。例えば、所定の較正磁界のもとで所定の測定振幅を持たせるために、導体路装置を通る励起交流電流をその振幅に関して追従制御することも可能である。
【００８３】
一回の較正によって、空洞内圧が優勢なもとでの（これは前述したようにプロセス変動に基づいている）出力信号を目標値にもたらすことが可能である。さらに周期的な投入によって、空洞内圧に対する温度の影響を電子的に消去することもできる。
【００８４】
さらに例えば地磁気などのなんらかの磁場の遮蔽のもとでの較正も考えられる。
【００８５】
図５には、本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第３の実施形態の斜視図が概略的に示されている。
【００８６】
この第３の実施形態は、前述の測定原理を二次元的（軸線）に展開したものである。前述した第１および第２実施例では横方向の動き（これは磁界と可動の導体路を通って印加される電流に引き起こされる）がセンサ構造部の変位量Δｙの結果を介して容量的に検出されるのに対して、この第３の実施形態では、センサ構造部の変位量Δｚが検出される。
【００８７】
それに対してはバネ装置が次のように構成されている。すなわち付加的にさらに１つの柔軟なばねがｚ軸方向に設けられるように構成されている。それにより、基本的にｚ軸方向の変位量と、印加される磁界の第２の軸線が容量的に検出可能となる。
【００８８】
図５では、第１ないし第２の実施形態による、横方向の櫛形電極並びに陽極的にボンディングされた基板ウエハ１００に対するばね懸架部を有する磁界センサ構造部が符号２００で示されている。さらに符号２３０は金属層を示し、符号２４０は埋め込まれたポリシリコン層を示し、符号２５０は酸化物層を示し、符号２６０はエピタキシャルポリシリコン層を示し、符号２７０は埋め込まれたマスキング層を示し、符号２８０はさらなるエピタキシャルポリシリコン層を示し、符号１６０は既に前述したようにキャップを示している。
【００８９】
符号２４０で示されている埋め込まれたポリシリコン層はここではｚ軸方向の磁界検出のための第１の電極として用いられている。この場合Ｃ１は、埋め込まれたポリシリコン層２４０と可動の導体路装置５０（ないしは横方向電極ないしは別個に設けられた他の可動電極と統一された電位を有する面）の間のキャパシタンスである。
【００９０】
ガラスウエハキャップ１６０に接する構造化された金属層２３０は、ｚ軸方向の磁界検出のための第２の電極として用いられる。この場合Ｃ２は、構造化された金属層２３０と可動の導体路装置５０（ないしは横方向電極ないしは別個に設けられた他の可動電極と統一された電位を有する面）の間のキャパシタンスである。
【００９１】
図を見やすくする理由からここでは、埋め込まれたポリシリコン層２４０と、構造化された金属層２３０に対する接続端子は示していない。
【００９２】
可動の磁界センサ構造部と、埋め込まれたポリシリコン層２４０ないしは構造化された金属層２３０との間の間隔を有利には同じ大きさに選択するならば、ここでも測定技術的に差動コンデンサ方式が適用可能である。なぜならｚ軸方向の変位が一方のキャパシタンスＣ１を縮小し、他方のキャパシタンスは拡大するからである。
【００９３】
センサウエハ１００の製造は例えば通常の手法によって行われる。キャップウエハ１６０の製造は、金属層２３０のスパッタリングまたは蒸着とそれに続く構造化を介して実行されてもよい。この構造化は次のように行われてもよい。すなわち陽極的なボンディング領域においては除去し、電極およびコンタクト領域においては残すように行われてもよい。それに続いて２つのウエハ１００と１６０の間の陽極的ボンディングが行われる。
【００９４】
前述した方法はあくまでも一例としてのものである。従ってそれ以外の方法や手法、例えば前述した電極の製造に対し、絶縁された電極の被着を用いたシリコンキャップの構造化なども考えられる。
【００９５】
例えば、ｚ軸方向で変位可能な同じ２つのセンサ構造部を、ウエハ面において相互に９０度回転させて配置するならば、それらのうちの少なくとも１つのセンサ構造部は付加的に横方向の変位量を検出でき、それによって３つの空間軸線ｘ,ｙ,ｚの全てにおいて磁界が検出できるようになる。
【００９６】
前述した本発明による有利な実施例は、本発明に関する限定を意味するものではなく、それどころか本発明では多種多様な変更が可能である。
【００９７】
特にコンデンサ装置の幾何学的構造は、図示の実施形態に限定されるものではなく、十分な変更が可能である。
【００９８】
さらに本発明によるマイクロマシニング磁界センサを用いれば、静的な磁界のみでなく、振動性の磁界、つまり動的な磁界も測定可能である。
【００９９】
前記センサは、磁界測定のためだけではなく、磁気的測定効果の用いられる、但し磁界の大きさが直接再現されるのではない適用分野（例えば回転数測定、角度測定、リミットスイッチなど）にも利用可能である。
【０１００】
さらに、細長の第１のバー５０の上に導電層、例えばドーピングされたポリシリコンまたはアルミニウム層を析出しその抵抗を制御して低減させることも可能である。
【０１０１】
最後に前述した全ての材料も例として選択されたものであり、その他の適した材料に置き換えることももちろん可能であることを述べておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第１実施例の概略的平面図である。
【図２】本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第１実施例の概略的斜視図である。
【図３】図１のラインＡ−Ａ′に沿った、本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第１実施形態を備えカプセル化されたセンサ構造の概略的断面図である。
【図４】本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第２実施形態の概略的斜視図である。
【図５】本発明によるマイクロマシニング磁界センサの第３実施形態の概略的斜視図である。
【符号の説明】
１０      リード導体
２０      リード導体
３０      バネ装置
４０      バネ装置
５０      第１のバー
５５ａ    第２のバー
５５ｂ    第３のバー
５６,５７  第１のコンデンサプレート装置(可動コンデンサプレート櫛形構造部）
６６,７１  第２のコンデンサプレート装置(固定のコンデンサプレート櫛形構造部)
８０      バネ装置
１００    基板
【図１】
0004347951.tif 000002
【図２】
0004347951.tif 000003
【図３】
0004347951.tif 000004
【図４】
0004347951.tif 000005
【図５】
0004347951.tif 000006