特許 5883871 懸架されたビーム及びビームの変位を検出するピエゾ抵抗手段を有するデバイス及びデバイスを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5883871

(24)【登録日】2016年2月12日

(45)【発行日】2016年3月15日

(54)【発明の名称】懸架されたビーム及びビームの変位を検出するピエゾ抵抗手段を有するデバイス及びデバイスを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/24 20060101AFI20160301BHJP

   H03H 3/007 20060101ALI20160301BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20160301BHJP

【ＦＩ】

   H03H9/24 Z

   H03H3/007 Z

   B81B3/00

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-527626(P2013-527626)

(86)(22)【出願日】2011年9月9日

(65)【公表番号】特表2013-541273(P2013-541273A)

(43)【公表日】2013年11月7日

(86)【国際出願番号】EP2011065687

(87)【国際公開番号】WO2012034951

(87)【国際公開日】20120322

【審査請求日】2014年8月21日

(31)【優先権主張番号】1057249

(32)【優先日】2010年9月13日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】502124444

【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】セバスチャン・ヘンツ

(72)【発明者】

【氏名】フィリップ・アンドレッチ

(72)【発明者】

【氏名】エリック・コリネ

(72)【発明者】

【氏名】ローラン・デュラフルグ

(72)【発明者】

【氏名】セバスチャン・ラバルト

【審査官】 畑中 博幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０２１２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０１５９６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−１７５５７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｈ ９／２４

Ｈ０３Ｈ ３／００７

Ｂ８１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

−ほぼ平面状の表面を含む支持部（１４）、
−前記支持部から懸架され、前記支持部の表面の平面に対して平行に動作することが可能な直線状のビーム（１６；６４−６６−６８）、及び
−前記支持部から懸架された少なくとも２つのほぼ直線状のピエゾ抵抗ひずみゲージ（２０、２２；４０、４２、４４、４６；７０、７２、７４、７６；８８、９０、９２、９４）を含み、２つの前記ひずみゲージが互いに直線状に配置されない、ビームの変位を検出するための手段（１８）を含み、
前記ビーム（１６；６４−６６−６８）が、前記検出手段（１８）を通して前記支持部（１４）から懸架され、そのため前記支持部に直接固定されておらず、
前記少なくとも２つのひずみゲージが、前記ビームの２つの対向する側面方向表面にそれぞれ位置することを特徴とする、懸架されたビーム及び前記ビームの変位を検出するピエゾ抵抗手段を有するデバイス。

【請求項2】

前記ひずみゲージのそれぞれが、少なくとも１つのピエゾ抵抗材料を含む積層体を含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記ビーム（１６；６４−６６−６８）が、共振器を形成し、前記デバイスが、前記ビームを駆動する手段（３４）をさらに含む、請求項１及び２のいずれかに記載のデバイス。

【請求項4】

前記ビーム駆動手段（３４）が、静電的である、請求項３に記載のデバイス。

【請求項5】

前記ビーム（１６）が、一定の断面を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項6】

前記ビーム（６４−６６−６８）が、変化する断面を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項7】

前記ビーム（１６）の２つの端部が、前記支持部（１４）の表面の平面に対して平行に運動することができ、前記ひずみゲージ（４０、４２、４４、４６）が、前記ビームの２つの前記端部から離隔されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項8】

前記少なくとも２つのひずみゲージ（４０−４２、４４−４６；８８−９２、９０−９４）をそれぞれ含む２つのグループを含み、前記２つのグループが、前記ビーム（１６）の２つの対向する側面上にそれぞれ配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項9】

前記ひずみゲージのすくなくとも１つ（８８、９０）が弾性的である、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項10】

前記ビーム及び前記ひずみゲージが、表面技術を用いて形成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、懸架されたビーム、このビームの変位を検出するピエゾ抵抗手段を含むデバイス及びこのデバイスを製造する方法に関する。

【0002】

このデバイスは共振デバイスであってよく、その場合、ビームは共振器または非共振デバイスを形成するものであってよい。

【0003】

本発明の応用は、特にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：マイクロ電気機械システム）及びＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：ナノ電気機械システム）型のセンサの分野である。

【0004】

例えば、本発明は、静的または準静的な力の測定のための非共振センサに応用することができるが、特に例えば質量センサのような共振センサに応用できる。

【背景技術】

【0005】

ナノメートルスケールにおける変換の選択の問題（特に、静電容量、圧電及びピエゾ抵抗変換の間の）は、解決されていない。

【0006】

この選択は、設計される共振デバイスの変換増幅率、特に、このデバイスからの電気的出力信号の大きさとデバイスの一部を形成する共振器の変位の大きさとの間の比を増大することを求める場合に加わる。

【0007】

ピエゾ抵抗ゲージは、ＭＥＭＳ応用分野で通常用いられ、検出されるべき構造上に配置され、局所的にドープされたシリコン領域から形成される。

【0008】

しかしながらＮＥＭＳ応用分野では、既存の製造方法では、残留応力なく数ナノメートル幅の構造上に配置させることができることができるほど小さな局所的にドープしたシリコンゲージを得ることは、ほとんど不可能である。

【0009】

そして、そのようなゲージを備える共振センサで従来用いられるブリッジのようなホイートストンブリッジを形成することさえ、容易ではなくなっている。

【0010】

それにもかかわらず、ピエゾ抵抗変換では、非特許文献１に説明されるように、この変換が平面外の運動を検出できるように金属材料を用いるか、平面内の運動を検出するためのエッチングされた半導体ゲージを用いるかに関わらず、優秀な増幅率が得られている。

【0011】

ピエゾ抵抗検出を有する共振デバイスもまた、特許文献１によって知られている。

【0012】

図１は、この文献に記載されるデバイスの一例の上面図を示している。このデバイスは基板上に形成され、
−少なくとも１つの埋め込み部４（実際には、図示されるように、示されている例では第２の埋め込み部５が提供されている）を通して基板に接続されたビームの形状である共振器２、
−共振器を駆動させる固定電極６、
−共振器に対して交流電圧を電極に伝達させ、このとき、図１の二重矢印９で示されるように、この共振器が基板表面の平面に対して平行に振動するようにする、交流電圧源８、
−ピエゾ抵抗材料からなる懸架されたひずみゲージ１０、及び
−ゲージ１０に印加された応力を測定する手段１２を含む。

【0013】

このゲージ１０は、共振器２に、埋め込み部４の外部である点で接続される。その結果、このゲージに印加されるひずみを増加させる梃子の腕となる。

【0014】

特に、共振器が自由な埋め込まれたビームである場合に、この種類の解決方法は、共振器がひずみゲージまたはピエゾ抵抗ゲージ近傍の少なくとも１つの埋め込み部を通して基板に接続される多くのＮＥＭＳに応用することができる（「埋め込み部」という言葉は、共振器を形成するビームの表面上の領域を指し、固定された固体部分に直接接続され、そのため基板に対するその変位は阻害される）。

【0015】

特許文献２に対応するＰ．Ｒｏｂｅｒｔによる特許文献１は、そのような構造及び駆動手段並びに共振器の運動を検出するのに用いられる設定の図を記載している。

【0016】

上述のように、非特許文献１に記載されるデバイス内の共振器を形成するビームは、基板に対してビームを接続する少なくとも１つの埋め込み部を含む。このことが問題を生じる。

【0017】

デバイスがそのような２つ以上のゲージを含むときには単一または複数のピエゾ抵抗ゲージに印加される応力を最大化する必要があることは明らかであるにもかかわらず、梃子の腕によって増幅される応力の一部（埋め込み部とひずみゲージがビームに接続される点との間の距離に起因する）が埋め込み部の中で失われる。

【0018】

さらには、ビームの運動の減衰の原因の１つが、埋め込み部内のこの応力の損失の結果である。非特許文献１に示された共振デバイスのＱ値はそのため低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0019】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００８／０３１４１４８号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第２００８９６５号明細書

【特許文献3】国際公開第２０１０／０１５９６３号

【非特許文献】

【0020】

【非特許文献1】Ｅ．Ｍｉｌｅら著、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２１ Ｉｓｓｕｅ １６，ｐｐ１６５５０４（２０１０）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

本発明の目的は、上述の欠点を解消することである。

【課題を解決するための手段】

【0022】

これは、本発明に従うデバイスの一部を形成するビームが埋め込み部によって直接基板に接続されないことで、達成される。ビームは、ビームの運動を検出するピエゾ抵抗検出手段を通して基板に接続される。

【0023】

特に、本発明の目的は、−ほぼ平面上の表面を含む支持部、−前記支持部から懸架され、前記支持部の表面の平面に対して平行に動作することが可能なビーム、及び−前記支持部から懸架された少なくとも２つのほぼ直線状のピエゾ抵抗ひずみゲージを含み、２つの前記ひずみゲージが互いに直線状に配置されない、ビームの変位を検出するための手段を含み、前記ビームが、前記検出手段を通して前記支持部から懸架され、そのため前記支持部に直接固定されておらず、前記少なくとも２つのひずみゲージが、前記ビームの２つの対向する側面方向表面にそれぞれ位置することを特徴とする、懸架されたビーム及び前記ビームの変位を検出するピエゾ抵抗手段を有するデバイスである。

【0024】

特許文献３には、２つのひずみゲージを通して支持部から懸架されたビームを含む電気機械変換器が開示されているが、これら２つのゲージは、ビームの同一の側に配置されている。

【0025】

そのような配置では、２つのゲージは同一ではありえない。もしそれらが同一であれば、ピエゾ抵抗信号は相殺されてしまう。さらに、２つのゲージのうちの一方は、もう一方よりもずっと大きくなければならず（この場合、非常に硬くなり、検出手段を通して間接的に懸架する利点が失われる）、または２つのゲージは互いに異なるように局所的にドープされなければならない。しかしながら、上述のように、ナノメートルスケールでは局所的なドーピングを達成することは困難である。

【0026】

本発明に従うデバイスは、これらの欠点を解決する。このデバイスにおいて、２つのゲージは、それぞれビームの対向する側面に配置される。このことは、同一の均一なドーピングを、２つのゲージに対して用いることができ、及び／または同一のゲージを用いることができ、そのため同じ細さであり、検出信号を最大化することができる。

【0027】

本発明の１つの特定の実施形態に従えば、前記ひずみゲージのそれぞれは、少なくとも１つのピエゾ抵抗材料を含む積層体を含む。

【0028】

本発明に従うデバイスの１つの特定の実施形態に従えば、前記ビームは共振器を形成し、前記デバイスは前記ビームを駆動する手段をさらに含む。

【0029】

前記ビーム駆動手段は、例えば静電的であってよい。

【0030】

前記ビームは、一定の断面を有するものであってよく、反対に、変化する断面を有するものであってよい。

【0031】

本発明の１つの特定の実施形態に従えば、前記ビームの２つの端部は自由端であり、従って前記支持部の表面の平面に対して平行に運動することができ、前記ひずみゲージは、これら２つの前記端部から離隔されている。

【0032】

１つの特定の実施形態に従えば、前記デバイスは、前記少なくとも２つのひずみゲージをそれぞれ含む２つのグループを含み、前記２つのグループは、前記ビームの２つの対向する側面上にそれぞれ配置される。

【0033】

本発明において、前記ひずみゲージのすくなくとも１つは弾性的である。

【0034】

本発明はまた本発明に従うデバイスを製造する方法に関し、前記ビーム及び前記ひずみゲージが、表面技術を用いて形成される。

【0035】

本発明は、純粋に情報のためであり限定的ではない以下に与えられる例示的な実施形態の説明を、添付した図面を参照して読むことにより、より良く理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】ピエゾ抵抗検出を有し、既に説明された従来のデバイスの上面図である。

【図2】本発明に従うデバイスの１つの特定の実施形態の上面図である。

【図3】自由端を有するビームを用いる、他の特定の実施形態の上面図である。

【図4】図３のデバイスの変形例の上面図である。

【図5】ビームが変化する断面を有する本発明の他の一例の上面図である。

【図6】弾性ピエゾ抵抗ゲージを用いる、本発明の他の一例の上面図である。

【図7】本発明に従う非共振デバイスの上面図である。

【図8A】本発明に従うデバイスを製造する方法におけるそれぞれの段階を図として示す。

【図8B】本発明に従うデバイスを製造する方法におけるそれぞれの段階を図として示す。

【図8C】本発明に従うデバイスを製造する方法におけるそれぞれの段階を図として示す。

【図9A】本発明に従うデバイスを製造する他の方法のそれぞれの段階を図として示す。

【図9B】本発明に従うデバイスを製造する他の方法のそれぞれの段階を図として示す。

【図9C】本発明に従うデバイスを製造する他の方法のそれぞれの段階を図として示す。

【図9D】本発明に従うデバイスを製造する他の方法のそれぞれの段階を図として示す。

【発明を実施するための形態】

【0037】

図２は、本発明に従うデバイスの特定の実施形態の上面図である。

【0038】

この図に示されるデバイスは、−表面がほぼ平面状である支持部または基板１４、−一定の断面を有し、支持部１４から懸架され、支持部の表面の平面に対して平行に運動することができるビーム１６、及び−ビームの変位を検出する手段１８を含む。

【0039】

図２に示される例において、これらの検出手段１８は、２つのピエゾ抵抗ひずみゲージ２０及び２２を含む。これらの２つのゲージは、ビームの形状であり、従ってほぼ直線状である。加えて、これらは基板１４から懸架されている。各ひずみゲージは、ピエゾ抵抗材料から形成されてもよく、または少なくとも１つのピエゾ抵抗材料を含む積層体を含んでもよい。

【0040】

本発明に従えば、ビーム１６は、検出手段１８を通して支持部１６から懸架されており、そのため支持部１４には直接固定されていない。

【0041】

検出手段は、アンカー２４及び２６を有し、それらを通してピエゾ抵抗ゲージ２０及び２２がそれぞれ支持部１４に固定される。

【0042】

図に見られるように、２つのゲージ２０及び２２は、ビーム１６の２つの対向する側面方向の面上に位置し、互いに一直線上にない。従って、これらは並べられていない。

【0043】

より正確には、２つのゲージ２０及び２２は、ビーム１６に対して垂直に（そして支持部１４の表面に対して平行に）配置される。ゲージ２０の一端はビーム１６の一端２８に位置し、ゲージ２０の他の一端はアンカー２４に固定される。ゲージ２２の一端はこのビームの端部２８から離隔してビーム１６上の点３０に位置し、ゲージ２２の他の一端はアンカー２６に固定される。

【0044】

図２に示された例において、ビーム１６は共振器を形成し、デバイスは共振する。この場合、このデバイスはまたビーム１６を駆動させる手段３２も含む。この例において、これらの駆動手段は、静電型であり、支持部１４に固定された電極３４を含む。

【0045】

交流電圧源３６は、ビーム１６に対して交流電圧を電極１４に到達させるように提供される。そのためビーム１６が励起されると、図２の二重矢印３８によって示されるように、支持部１４の表面の平面に対して平行に振動する。

【0046】

静電手段と異なる他の手段、例えば圧電、熱または電磁手段を、ビーム１６の共振を励起するために用いることができる。

【0047】

本発明に従うデバイス、例えば図２に示されるデバイスと非特許文献１に記載されたデバイスとの間の設計上の差は、デバイスを読み出す方法をどのようにも変化させない。本発明の場合、ピエゾ抵抗ゲージの抵抗の変化が、常に読み出される。

【0048】

本発明において、機械的構造が改善されたにもかかわらず、読み出しはゲージ２０及び２２のアンカー２４及び２６へ読み出し手段３９を接続することによって形成することができる。従って、これらのアンカー２４及び２６はまた、導電接続部も形成する。以下に示す全ての例において、間に読み出し手段が接続される２つのアンカーに関して同じである。

【0049】

従って、ゲージの抵抗の変化は、従来のように、電気的接続として用いられる２つのアンカーの間で読み出される。この読み出しは、−直接、−またはロックインアンプを用いて、−またはホイートストンブリッジを用いて（非特許文献１を参照）、−または参照される特許文献１において説明されるようにより洗練された技術を用いて、読み出されるものであってよい。

【0050】

ゲージの抵抗の変化は、互いにキャンセルしないように、同符号でなければならない。そのため、ゲージ２０及び２２は図２の場合、ビーム１６の対向する面上に位置している。

【0051】

この図２の特別な場合において、仮にゲージ２０及び２２がビーム１６の同一の側にあるとすると、ビームに沿ったこれらのそれぞれの位置を考慮すると、ビーム１６が運動すると一方は引張となり、もう一方は圧縮となって、それらの対応する抵抗変化は反対となる。

【0052】

さらには、ゲージの大きさは各ゲージによって発生するジョンソンノイズ−このノイズはゲージの抵抗に比例する−と、ゲージの断面に反比例する、ゲージに印加される応力との間に可能な限り最良の妥協を与えるように選択されなければならない。

【0053】

従って、第一近似として、可能なかぎり最も小さい断面を有する非常に短いゲージが選択される。

【0054】

これらの相対的な位置もまた、これらのゲージに印加される応力を最大化するように選択される。そのため、この位置は、選択される適切な動作モードに依存する。

【0055】

例えば図２の場合、「モード１」と呼ばれる共振モードの最適な位置は、ビーム１６の端部２８と点３０との間の距離Ｌ１が、ビーム１６の長さＬの１０％程度であるようにすることであると見積もることができる。

【0056】

ビームが検出手段を通して支持部から懸架されることに従う本発明の原理はまた、境界条件が「自由端−自由端」であるビーム、換言すればビームの２つの端部が自由端である場合に応用することができ、これらは支持部の表面の平面に対して平行に運動することができる。

【0057】

この場合、ピエゾ抵抗ゲージは、ビームの２つの端部から離隔して位置する。

【0058】

図３は、ビーム１６の２つの端部が自由端である発明の一例の上面図である。

【0059】

この例において、デバイスは、４つのピエゾ抵抗ゲージ４０、４２、４４及び４６を含む。図に見られるように、ゲージ４０及び４２は、ビーム１６の１つの側面上に位置し、ゲージ４４及び４６は、対向する側面上に位置する。ゲージ４０、４２、４４及び４６のアンカーは、それぞれ参照符号４８、５０、５２及び５４として示される。

【0060】

図３の例において、ビーム１６の駆動手段３２は、４つの電極５６、５８、６０及び６２を含む。図に見られるように、２つの電極５６及び５８は、ビーム１６のゲージ４０及び４２と同じ側に位置し、２つの電極６０及び６２は、ゲージ４４及び４６のように、反対側に位置する。

【0061】

さらに、図３の例において、ゲージ４０及び４４は、互いにほぼ直線状であり、ゲージ４２および４６についても同じである。電極５６及び６０は共にビーム１６の一方の端部に対面し、電極５８及び６２は共にビーム１６のもう一方の端部に対面する。

【0062】

図３に示されるデバイスにおいて、電源３６は、２つの電極５６及び５８を励起するように設計され、読み出し手段３９は、アンカー４８と５０との間に接続される（そして、電気的接続も形成する）。

【0063】

明らかに、電源３６は、異なるように接続することができ、複数の電源を用いることさえも可能であり、読み出し手段の接続は、電源の接続に依存する。

【0064】

例えば、電極５６及び５８に接続される代わりに、電源３６は、第１に、電極５８に接続され、第２に、１８０°位相シフターを通して電極６２に接続されることが可能である。または２つの励起源を用いることができ、１つは電極５６に接続され、もう１つは電極６０に接続される。

【0065】

同様に、読み出し手段３９がアンカー４８と５０との間に接続されるのではなく、アンカー５２と５４との間に接続されることができる。読み出し手段は、アンカー４８と５０との間に接続されることができるとしても、他の読み出し手段がアンカー５２と５４との間に接続されることができる。この問題は、再度後述される。

【0066】

ビーム１６の２つの端部が自由端である構成は、以下に示すように多数の利点を有する。

【0067】

１．この構成は、ゲージの抵抗の変化を常に読み出せることを意味する。

【0068】

２．この構成はまた、ゲージがビーム全体の長さに比べて互いに近接しているときは、梃子の腕の効果を得ることが可能になる。

【0069】

３．その他全ての場合において、１つまたは複数の静電駆動電極を用いることができる。このことは、いくつかの好適な構造の共振モードに対して優先度を与えることができることを意味し、または異なる周波数での２つの駆動調和を分離することさえ可能である。

【0070】

４．構造に関して用いられる共振モードに依存して、異なるゲージアンカー（これらのアンカーもまた電気的接続部として用いられる）の間の抵抗の変化を読み出すようにしてもよい。

【0071】

例えば、モード１（対称的である）に関して、読み出しは、アンカー４８と５０との間及び／またはアンカー５２と５４との間の抵抗からなるものとできる。

【0072】

非対称モードに関しては、アンカー４８及び５４並びに／またはアンカー５０及び５２が好適に用いられるであろう。

【0073】

アンカー５０に電圧＋Ｖ１を、及びアンカー５４に電圧−Ｖ１を印加することによって、差分測定も行うことができ、例えば、ともに例えば「接合」技術を用いて接続されたアンカー４８及び５２への電流を測定できる。

【0074】

ビームのそれぞれの側に位置するゲージは、対ごとに軸に関してオフセットすることも可能である。この可能性の例が、図４に図面として示されている。

【0075】

この図４に示されるデバイスにおいて、ゲージ４０及び４４は、互いに直線状にない。これらの対応する軸Ｘ１及びＸ２は、一致しない。同様に、ゲージ４２および４６にそれぞれ対応する軸Ｘ３及びＸ４は一致しない（図３の場合と異なる）。図に見られるように、図４の例において、軸Ｘ１及びＸ３は、軸Ｘ２及びＸ４で区画される領域内にある。

【0076】

本発明において、ビーム端部にゲージを位置することも可能であろう。この時ゲージは同じ軸線に沿っていてもよく、または沿っていなくてもよい。

【0077】

さらに、一定の断面を有するのではなく、ビームは変化する断面を有するものであってもよい。

【0078】

次いで、ゲージがビーム端部に位置する場合で、このビームが共振器を形成するとき、非線形状態に到達する前のビームの最大振動強度が、埋め込み―埋め込み型共振器、換言すれば２つの端部が支持部に固定されているビームの最大振動よりも大きいという、デバイス（このとき、共振する）のもう１つの利点が、実際に存在する。

【0079】

図５は、ビーム１６の断面が一定でない発明の一例の部分上面図を示している。この例において、図に見られるように、ビーム１６は、中央部６４並びに中央部のそれぞれの側に２つの端部６６及び６８を含み、これらは全て互いに一直線上にある。

【0080】

さらには、図５のデバイスは、互いに軸についてオフセットし、端部６６に接続された２つのピエゾ抵抗ゲージ７０及び７２並びに一致する軸を有し端部６８に接続された２つのピエゾ抵抗ゲージ７４及び７６を含む。そのためビーム１６は、ゲージ７０、７２、７４及び７６を通して懸架されている。ゲージ７０、７２、７４及び７６のアンカーの参照符号はそれぞれ７８、８０、８２および８４である。

【0081】

図５のデバイスは、ビーム１６を駆動する１つの電極のみを含む。励起源及び読み出し手段は図示されていない。

【0082】

本発明において、ピエゾ抵抗ゲージの少なくとも１つは弾性的であってよい。このことは、非線形なビーム変位状態が始まる閾値を取り除くことができることを意味する。

【0083】

この可能性の１つの例が、図６に図面として示されている。この図は、それぞれアンカー参照符号９６、９８、１００及び１０２を有する４つのピエゾ抵抗ゲージ８８、９０、９２及び９４を有するビーム１６を示している。

【0084】

ゲージ８８及び９０の軸は一致しており、ビームの一方の端部の対向する側面上にある。同様に、図に見られるように、ゲージ９２及び９４は、一致する軸を有し、ビーム１６のもう一方の端部の対向する側面上にある。

【0085】

図６の例において、４つの電極、すなわち、図に見られるように、ゲージ８８及び９２と同じ側にある２つの電極１０４及び１０６並びにゲージ９０及び９４と同じ側にある２つの他の電極１０８及び１１０が、ビーム１６を駆動するために用いられる。

【0086】

軸について並べられた２つのゲージは弾性的であり、例えばゲージ８８及び９０である。変形例として、４つのゲージ８８、９０、９２及び９４が弾性的である。

【0087】

例えば、デバイスの読み出し手段３９は、アンカー９６と１００との間に接続され、例えば電源３６は電極１０８及び１１０を励起する。

【0088】

ゲージが弾性的であることを必要とするのは、その長さが幅に対してずっと大きくなければならないこと、例えば幅の少なくとも１０倍の長さでなければならないことだけであることに注意する必要がある。

【0089】

上述した本発明の例において、デバイスは共振するものであった。しかし、本発明はこの場合に限定されず、本発明に従うデバイスはまた非共振性であってもよい。

【0090】

そのようなデバイスの一例が、図７に図面として示されている。図に見られるように、どのような駆動手段も含まないことを除いて、図２に示されたデバイスと同一であり、図２の電極３４（および電源３２）は存在しない。同一の参照符号が、図７に現れる図２の要素に付されている。

【0091】

図７のデバイスは、静的または準静的な力を測定するために用いることができ、例えば、基板１４上で部分的に支持され、ビーム１６の自由端１４０上で部分的に支持される細胞１３８によって印加される力を測定することができる。この細胞は横軸方向３８ｂにビーム１６の静的または準静的な変位を引き起こす。

【0092】

本発明で用いられるピエゾ抵抗ゲージは、ドープされたシリコンからなるものであってよい。これらはまた金属からなるものであってもよく、このことを実現するために、シリコンをアモルファスになるまで非常に強くドープすることができる。例えばＮｉＳｉまたはＰｔＳｉのような金属−シリコン複合体からなるゲージもまた用いることができる。

【0093】

上に金属層、例えば金またはアルミニウム層が成膜されてゲージの感知部分を形成するシリコン要素からゲージを得ることもまた可能である。

【0094】

さらには、本発明のゲージは、同一（換言すれば同一の形状、同一の構成材料を有し、同一のドーピングがなされている）であってもよく、または異なるものであってもよい。

【0095】

本発明に従うデバイスは、表面技術によって形成することもできる。

【0096】

製造方法の例は、図８Ａから８Ｃに図面として、部分的に示されている。

【0097】

第１の段階（図８Ａ）は、シリコンのベース基板１４２、例えば０．４μｍの厚さのＳｉＯ_２犠牲層１４４及び例えば４μｍの厚さのシリコン層１４６を含むＳＯＩ基板上にＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ層を成膜するものである。コンタクト１４８のようなデバイスのコンタクトは、フォトリソグラフィ及びエッチングによって画定される。

【0098】

次の段階（図８Ｂ）は、フォトリソグラフィ及びＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、犠牲層１４４上で停止させ、デバイスの機械的構造１４９を画定するものである。

【0099】

次いで、デバイスの構成要素が、フッ酸（液体状または気体状）にさらされ、所定の時間後に停止し、リリースされる（図８Ｃ）。

【0100】

結果的に得られるものは、ゲージ１５０のようなピエゾ抵抗ゲージ、共振器１５２及び共振器の励起電極（図示されない）である。

【0101】

この方法において、フォトリソグラフィは、電子ビームを用いてなされてもよい。

【0102】

共振器自体、しかし特にピエゾ抵抗ゲージは、図９Ａから９Ｄに図面として示される製造方法の他の例に従うトップダウン型表面技術によって形成されたナノワイヤーであってもよい。

【0103】

第１の段階は、ＳｉＯ_２、ＳｉＧｅまたはＳｉからなるものであってよい犠牲層１５４（図９Ａ）を形成するものである。次いで活性層１５６が層１５４上に形成される。

【0104】

層１５６は、ＳｉまたはＳｉＧｅからなるものであってもよい。これは、ビームやピエゾ抵抗ゲージのようなデバイスの様々な要素またはパターンが形成される層である。

【0105】

次いで、パターンを得るために必要な感光性樹脂マスク１５８が形成される。

【0106】

次いで、パターン１６０（図９Ｂ）のようなこれらのパターンが、フォトリソグラフィ及び活性層のエッチングによって形成される。その前にレジストトリミングが適用されてもよい。

【0107】

次の段階はパターン１６０の大きさを減少させ、丸くするための酸化、次いで酸化物の除去である（図９Ｃ）。

【0108】

次いで、パターン１６０は、ＳｉＯ_２の場合にはフッ酸に、ＳｉＧｅの場合にはメタン−酸素型プラズマにさらすことによってリリースされる（図９Ｄ）。

【符号の説明】

【0109】

２ 共振器
４、５ 埋め込み部
６ 固定電極
８ 交流電圧源
１０ ひずみゲージ
１２ 応力測定手段
１４ 支持部
１６ ビーム
１８ 変位検出手段
２０、２２ ピエゾ抵抗ひずみゲージ
２４、２６ アンカー
２８ ビーム端部
３０ ビーム上の点
３２ 駆動手段
３４ 電極
３６ 交流電圧源
３９ 読み出し手段
４０、４２、４４、４６ ピエゾ抵抗ゲージ
４８、５０、５２、５４ アンカー
５６、５８、６０、６２ 電極
６４ 中央部
６６、６８ 端部
７０、７２、７４、７６ ピエゾ抵抗ゲージ
７８、８０、８２、８４ アンカー
８８、９０、９２、９４ ピエゾ抵抗ゲージ
９６、９８、１００、１０２ アンカー
１０４、１０６、１０８、１１０ 電極
１３８ 細胞
１４０ 自由端
１４２ 基板
１４４ 犠牲層
１４６ シリコン層
１４９ 機械的構造
１５０ ゲージ
１５２ 共振器
１５４ 犠牲層
１５６ 層
１５８ 感光性樹脂マスク
１６０ パターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】