JP2013064667A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】梁部の損傷が抑制されたＭＥＭＳデバイスを提供する。
【解決手段】支持基板（１１）と、該支持基板（１１）から高さ方向に浮いた浮遊部（１５）と、該浮遊部（１５）と支持基板（１１）とを連結するアンカー（３０）と、を有するＭＥＭＳデバイスであって、浮遊部（１５）は、錘部（１７）、及び、該錘部（１７）とアンカー（３０）とを連結する梁部（２０）を有し、梁部（２０）は、錘部（１７）の端部と連結される第１部位（２１）、アンカー（３０）と連結される第２部位（２２）、及び、第１部位（２１）と第２部位（２２）とを連結する２つの連結部（２３）を有し、平面形状が環状を成しており、連結部（２３）は、平面形状が弧状を成し、２つの端部の内の一方が、第１部位（２１）の端部と連結され、残りもう一つの端部が、第２部位（２２）の端部と連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持基板と、該支持基板から高さ方向に浮いた浮遊部と、該浮遊部と支持基板とを連結するアンカーと、を有するＭＥＭＳデバイスに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板の一面側に、力学量の印加に応じて所定方向へ変位可能な可動電極およびこの可動電極に対向して配置された固定電極が形成されたセンサチップを備える容量式力学量センサ装置が提案されている。上記した半導体基板は、第１シリコン基板と第２シリコン基板との間に、酸化膜が挟まれて成るＳＯＩ基板であり、上記した可動電極及び固定電極は、ＳＯＩ基板を周知のマイクロマシン加工を施すことで形成される。

半導体基板には、酸化膜を介さずに、第１シリコン基板から第２シリコン基板が浮いた可動部と、酸化膜を介して、第１シリコン基板に第２シリコン基板が固定された固定部と、が形成されている。可動部は、細長四角形状の錘部、及び、所定方向にバネ性を有する梁部を有し、固定部は、梁部を第１シリコン基板に連結するアンカー部を有する。錘部に上記した可動電極が形成され、所定方向にて可動電極と固定電極とが対向して、コンデンサが構成されている。梁部は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状を成しており、２本の梁の長手方向と直交する方向（上記した所定方向）にバネ性を有する。錘部は、２つの梁部を介してアンカー部に連結されており、１つの梁部を構成する２本の梁の内の一つが錘部の端部と連結され、残り一つがアンカー部に連結されている。これにより、錘部が所定方向に変位可能となり、所定方向への加速度の印加によって、上記したコンデンサの静電容量が変動する構成となっている。

特開２００４−３４０６０８号公報

ところで、特許文献１に示される容量式力学量センサ装置では、梁部は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状を成しており、１つの梁に、錘部及びアンカー部のいずれか一方が連結される構成となっている。この構成によれば、錘部の所定方向への変位時に、矩形の梁と、２本の梁を連結する矩形の連結部との連結部位に応力集中が生じるため、過度な加速度が印加されると梁部が損傷する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、梁部の損傷が抑制されたＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、支持基板（１１）と、該支持基板（１１）から高さ方向に浮いた浮遊部（１５）と、該浮遊部（１５）と支持基板（１１）とを連結するアンカー（３０）と、を有するＭＥＭＳデバイスであって、浮遊部（１５）は、錘部（１７）、及び、該錘部（１７）とアンカー（３０）とを連結する梁部（２０）を有し、梁部（２０）は、錘部（１７）の端部と連結される第１部位（２１）、アンカー（３０）と連結される第２部位（２２）、及び、第１部位（２１）と第２部位（２２）とを連結する２つの連結部（２３）を有し、高さ方向に直交する平面の形状が環状を成しており、連結部（２３）は、高さ方向に直交する平面の形状が弧状を成し、２つの端部の内の一方が、第１部位（２１）の端部と連結され、残りもう一つの端部が、第２部位（２２）の端部と連結されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、連結部（２３）が弧状を成している。したがって、連結部が矩形である構成と比べて、梁部（２０）に応力集中が生じ難くなる。これにより、梁部（２０）に損傷が生じることが抑制される。

請求項２に記載のように、連結部（２３）と第１部位（２１）との連結部位、及び、連結部（２３）と第２部位（２２）との連結部位それぞれは、連続的な形状である構成が好適である。これによれば、連結部位が不連続な形状である構成と比べて、連結部位に応力集中が生じ難くなる。これにより、梁部（２０）に損傷が生じることが抑制される。なお、請求項２に記載の「連続的な形状」とは、急激に形が変化する部位がない形状のことである。換言すれば、形状を関数で表した際に、その関数が全領域で微分可能なことである。

なお、請求項２に記載の構成の具体例としては、請求項３に記載のように、第１部位（２１）及び第２部位（２２）は、同一形状を成し、それぞれ、一方の連結部（２３）から他方の連結部（２３）に延びる形状を成しており、連結部（２３）は、高さ方向に直交する平面の形状が、円弧状を成す構成を採用することができる。更に具体的には、請求項４に記載のように、連結部（２３）の円弧の曲率を決定する中心点と両端部とを結ぶ２つの線分の間の角度が、１８０度である構成を採用することができる。

請求項５に記載のように、浮遊部（１５）は、錘部（１７）に形成された第１可動電極（１８）と、２つの連結部（２３）が並ぶ方向にて、第１可動電極（１８）と対向する第１固定電極（１９）と、を有する構成が良い。これによれば、２つの連結部（２３）が並ぶ方向に加速度が印加され、それによって錘部（１７）が変位した際に、第１可動電極（１８）と第１固定電極（１９）とによって構成される第１コンデンサの静電容量が変動する。これにより、変動した静電容量に基づいて、加速度を検出することができる。

請求項６に記載のように、第１可動電極（１８）と第１固定電極（１９）は、櫛歯電極である構成が良い。これによれば、第１可動電極及び第１固定電極それぞれが平板電極である構成と比べて、ＭＥＭＳデバイス（１００）の体格の増大を抑制しつつ、第１コンデンサの静電容量を大きくすることができる。

請求項７に記載のように、浮遊部（１５）は、錘部（１７）に形成された第２可動電極と、２つの連結部（２３）が並ぶ方向と高さ方向とに直交する方向にて、第２可動電極と対向する第２固定電極と、を有し、第１可動電極（１８）に、一定電圧が印加され、第１固定電極（１９）に、周期的に極性が反転する電圧が印加される構成が良い。これによれば、錘部（１７）は２つの連結部（２３）の並ぶ方向に振動するので、高さ方向に角速度が印加されると、２つの連結部（２３）が並ぶ方向と高さ方向とに直交する方向に沿うコリオリ力が錘部（１７）に生じ、そのコリオリ力によって、第２可動電極と第２固定電極とによって構成される第２コンデンサの静電容量が変動する。これにより、変動した静電容量に基づいて、角速度を検出することができる。

請求項８に記載のように、第２可動電極と第２固定電極は、櫛歯電極である構成が良い。これによれば、第２可動電極及び第２固定電極それぞれが平板電極である構成と比べて、ＭＥＭＳデバイス（１００）の体格の増大を抑制しつつ、第２コンデンサの静電容量を大きくすることができる。

第１実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの概略構成を示す上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 梁部を示す拡大上面図である。 梁部の変形例を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの概略構成を示す上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、梁部を示す拡大上面図である。なお、各図面においては、ＭＥＭＳデバイス１００を構成する部材の境界が不明瞭である場合、必要に応じて、各部材を破線で囲んでいる。また、以下においては、互いに直交の関係にある２方向をｘ方向、ｙ方向と示し、これら２つの方向に直交する方向をｚ方向と示す。ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の高さ方向に相当する。

図１に示すように、ＭＥＭＳデバイス１００は、半導体基板１０に微細構造が形成されたものである。図２及び図３に示すように、半導体基板１０は、２つの半導体層１１，１２の間に絶縁層１３が挟まれて成るＳＯＩ基板であり、この半導体基板１０に、上記した微細構造に相当するセンサ素子１４が形成されている。なお、第１半導体層１１が、特許請求の範囲に記載の支持基板に相当する。

センサ素子１４は、周知の露光技術を用いて、第２半導体層１２と絶縁層１３とを所定形状にエッチングすることで形成される。センサ素子１４は、絶縁層１３を介さずに、第１半導体層１１に対して第２半導体層１２が浮いた浮遊部１５と、絶縁層１３を介して、第１半導体層１１に対して第２半導体層１２が固定された固定部１６と、を有する。

浮遊部１５は、質量中心を成す錘部１７、該錘部１７に形成された可動電極１８、該可動電極１８とｙ方向にて対向する固定電極１９、及び、ｙ方向にバネ性を有する梁部２０を有する。固定部１６は、梁部２０を支持する第１アンカー３０、及び、固定電極１９を支持する第２アンカー３１を有する。

図１及び図２に示すように、錘部１７は、ｙ方向に長手方向が沿う平面矩形状を成し、その両端それぞれに梁部２０が１つ連結され、梁部２０を介して第１アンカー３０と連結されている。この構成により、錘部１７（可動電極１８）はｙ方向に変位可能となっている。

図１及び図３に示すように、錘部１７の側面からは、ｘ方向に長手方向が沿う可動電極１８が櫛歯状に形成され、第２アンカー３１の側面からは、ｘ方向に長手方向が沿う固定電極１９が櫛歯状に形成されている。そして、ｙ方向にて互いに対向するように、櫛歯状の電極１８，１９が互いに噛み合わさり、第１コンデンサが構成されている。第１コンデンサの静電容量は、錘部１７（可動電極１８）のｙ方向への変位によって変動される。

図１に示すように、第１アンカー３０には一定電圧を入力するための第１パッド３２が形成され、第２アンカー３１には、第１コンデンサの静電容量変化を外部素子（図示略）に出力するための第２パッド３３が形成されている。図１に白抜き矢印で示すように、ｙ方向に沿う加速度がＭＥＭＳデバイス１００に印加されると、その印加された加速度の大きさに応じて錘部１７が変位し、その変位量が、第１コンデンサの静電容量に変換される。この変換された静電容量が、加速度の検出信号として、第２パッド３３を介して外部素子に出力される。

次に、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００の特徴点である梁部２０を図４に基づいて説明する。上記したように、梁部２０は、ｙ方向にバネ性を有し、錘部１７を第１アンカー３０に連結する機能を果たす。梁部２０は、錘部１７の端部と連結される第１部位２１、第１アンカー３０と連結される第２部位２２、及び、第１部位２１と第２部位２２とを連結する２つの連結部２３を有している。そして、連結部２３は、平面形状が弧状を成し、２つの端部の内の一方が、第１部位２１の端部と連結され、残りもう一つの端部が、第２部位２２の端部と連結されている。これにより、梁部２０は、平面形状が環状を成している。

本実施形態に係る部位２１，２２は、同一形状を成し、それぞれ、一方の連結部２３から他方の連結部２３に向かう方向（ｘ方向）に延びる平面矩形状を成している。そして、第１部位２１の中央に錘部１７の端部が連結され、第２部位２２の中央に第１アンカー３０が連結されている。なお、本実施形態に係る連結部２３は、平面形状が円弧状を成し、連結部２３の円弧の曲率を決定する中心点と両端部とを結ぶ２つの線分の間の角度（扇の成す中心角）が、２７０度となっている。なお、図４では、梁部２０の構成要素２１〜２３を明りょうとするために、部位２１，２２にハッチングを施し、各部位の境界を破線で示している。

次に、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００の作用効果を説明する。上記したように、連結部２３は弧状を成している。したがって、連結部が矩形である構成と比べて、梁部２０に応力集中が生じ難くなる。これにより、梁部２０に損傷が生じることが抑制される。

電極１８，１９は、櫛歯電極である。これによれば、電極それぞれが平板電極である構成と比べて、ＭＥＭＳデバイス１００の体格の増大を抑制しつつ、第１コンデンサの静電容量を大きくすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、連結部２３の円弧の曲率を決定する中心点と両端部とを結ぶ２つの線分の間の角度（以下、中心角と示す）が、２７０度である例を示した。しかしながら、中心角としては上記例に限定されず、例えば図５に示すように、中心角として１８０度を採用することができる。

図５に示す梁部２０の変形例の場合、円弧を成す連結部２３の端部の接線方向と、部位２１，２２の長手方向とが沿っている。そのため、連結部２３と第１部位２１との連結部位、及び、連結部２３と第２部位２２との連結部位それぞれは、連続的な形状となっている。この構成によれば、連結部位が不連続な形状である構成と比べて、連結部位に応力集中が生じ難くなる。これにより、梁部２０に損傷が生じることが抑制される。なお、上記した「連続的な形状」とは、急激に形が変化する部位がない形状のことである。換言すれば、形状を関数で表した際に、その関数が全領域で微分可能なことである。図５は、梁部の変形例を示す上面図である。なお、図５では、図４と同様にして、梁部２０の構成要素２１〜２３を明りょうとするために、部位２１，２２にハッチングを施し、各部位の境界を破線で示している。

本実施形態では、ＭＥＭＳデバイス１００が、加速度を検出する構成を有する例を示した。しかしながら、ＭＥＭＳデバイス１００が、角速度を検出する構成を有しても良い。この場合、浮遊部１５は、錘部１７に形成された第２可動電極と、ｘ方向にて第２可動電極と対向する第２固定電極と、を有する。そして、可動電極１８に、一定電圧が印加され、固定電極１９に、周期的に極性が反転する電圧が印加される。これによれば、錘部１７はｙ方向に振動するので、ｚ方向に角速度が印加されると、ｘ方向にコリオリ力が錘部１７に生じ、そのコリオリ力によって、第２可動電極と第２固定電極とによって構成される第２コンデンサの静電容量が変動する。これにより、変動した静電容量に基づいて、角速度を検出することができる。なお、この変形例の場合、浮遊部１５は、ｘ方向にバネ性を有する新たな梁部（図示略）を有し、固定部１６は、新たな梁部を支持する新たなアンカーを有する。錘部１７は、新たな梁部を介して新たなアンカーに連結される。これにより、錘部１７がｘ方向に変位可能となる。ちなみに、新たな梁部の平面形状としては、梁部２０をｚ方向周りに９０度回転した形状を採用することができる。

なお、上記した第２可動電極と第２固定電極は、電極１８，１９と同様にして、櫛歯電極である構成が良い。これによれば、第２可動電極及び第２固定電極それぞれが平板電極である構成と比べて、ＭＥＭＳデバイス１００の体格の増大を抑制しつつ、第２コンデンサの静電容量を大きくすることができる。

なお、第２部位２２における、第１アンカー３０との接続部位は、第１半導体基板１１から浮いていなくともよく、絶縁層１３を介して、第１半導体層１１に第２半導体層１２が固定されていても良い。すなわち、第２部位２２における、第１アンカー３０との接続部位は、固定部１６の一部でも良い。この場合、浮遊部１５は、梁部２０の全てを有さず、固定部１６が、梁部２０の一部を有することとなり、梁部３０の平面形状は、略環状となる。

１０・・・半導体基板
１７・・・錘部
１８・・・可動電極
１９・・・固定電極
２０・・・梁部
２１・・・第１部位
２２・・・第２部位
２３・・・連結部
１００・・・ＭＥＭＳデバイス

Claims (8)

1. 支持基板（１１）と、該支持基板（１１）から高さ方向に浮いた浮遊部（１５）と、該浮遊部（１５）と前記支持基板（１１）とを連結するアンカー（３０）と、を有するＭＥＭＳデバイスであって、
   前記浮遊部（１５）は、錘部（１７）、及び、該錘部（１７）と前記アンカー（３０）とを連結する梁部（２０）を有し、
   前記梁部（２０）は、前記錘部（１７）の端部と連結される第１部位（２１）、前記アンカー（３０）と連結される第２部位（２２）、及び、前記第１部位（２１）と前記第２部位（２２）とを連結する２つの連結部（２３）を有し、前記高さ方向に直交する平面の形状が環状を成しており、
   前記連結部（２３）は、前記高さ方向に直交する平面の形状が弧状を成し、２つの端部の内の一方が、前記第１部位（２１）の端部と連結され、残りもう一つの端部が、前記第２部位（２２）の端部と連結されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記連結部（２３）と前記第１部位（２１）との連結部位、及び、前記連結部（２３）と前記第２部位（２２）との連結部位それぞれは、連続的な形状であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記第１部位（２１）及び前記第２部位（２２）は、同一形状を成し、それぞれ、一方の前記連結部（２３）から他方の前記連結部（２３）に延びる形状を成しており、
   前記連結部（２３）は、前記高さ方向に直交する平面の形状が、円弧状を成すことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記連結部（２３）の円弧の曲率を決定する中心点と両端部とを結ぶ２つの線分の間の角度が、１８０度であることを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
5. 前記浮遊部（１５）は、前記錘部（１７）に形成された第１可動電極（１８）と、２つの前記連結部（２３）が並ぶ方向にて、前記第１可動電極（１８）と対向する第１固定電極（１９）と、を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 前記第１可動電極（１８）と前記第１固定電極（１９）は、櫛歯電極であることを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記浮遊部（１５）は、前記錘部（１７）に形成された第２可動電極と、２つの前記連結部（２３）が並ぶ方向と前記高さ方向とに直交する方向にて、前記第２可動電極と対向する第２固定電極と、を有し、
   前記第１可動電極（１８）に、一定電圧が印加され、
   前記第１固定電極（１９）に、周期的に極性が反転する電圧が印加されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 前記第２可動電極と前記第２固定電極は、櫛歯電極であることを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。

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