JP2012247193A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】固定電極に備えたシリコン接触部と可動電極とが、それらの接触する部分において、固着を低減させるＭＥＭＳデバイスを提供する。
【解決手段】シリコン接触部１４は、Ｒを有する凸状に形成され、可動電極５は、シリコン接触部１４との対向面にＲ形状を有する凸部１３を備える。これら、可動電極５と絶縁基板２０は、シリコン接触部１４および凸部１３を介して接触し、シリコン接触部１４と凸部１３とは、それらが接触する点における法線の向きと点における離れる力の向きとが異なる。
【選択図】図３

Description

本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより加速度等の物理量を検出するＭＥＭＳデバイスに関するものである。

図６に示すように、従来、半導体物理量センサ４０は、物理量が加わることによって変位する可動電極４１を形成するシリコン基板４２と、可動電極４１との対向面に固定電極４３が設けられた絶縁基板４４を有し、可動電極４１の変位に伴う、可動電極４１と固定電極４３との間の静電容量の変化を検出することにより、前記物理量を検出する。また、この半導体物理量センサ１０は、可動電極４１の絶縁基板４４との対向面に形成された凸部４５と、凸部４５と対向する絶縁基板４４表面に形成されたシリコン薄膜電極４６とを備える。これら凸部４５とシリコン薄膜電極４６とが接触し、ストッパの役目を果たすので、シリコン基板４２と絶縁基板４４とを陽極接合する際、可動電極４１と固定電極４３とが貼りつくことを防止することができる（特許文献１）。

特開２０１０−８１３４号公報

しかしながら、この半導体物理量センサ４０では、小型化・高感度化を図る際、可動電極４１を弾性的に可動支持するビーム部のばね定数を上げると、その分復元力が弱まり、凸部４５とシリコン薄膜電極４６とは、面で接触するため、固着が発生するという問題あった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたもので、その課題は、固定電極に備えたシリコン接触部と可動電極とが、それらの接触する部分において、固着することを低減させるＭＥＭＳデバイスを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のＭＥＭＳデバイスは、物理量が加わることによって変位する可動電極と前記可動電極との対向面に固定電極が設けられた絶縁基板とを有し、前記絶縁基板は、前記可動電極との対向面に前記固定電極とは別にシリコン接触部を備え、前記可動電極と前記絶縁基板は、前記シリコン接触部を介して接触し、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化を検出することにより前記物理量を検出するＭＥＭＳデバイスであって、前記シリコン接触部は、Ｒを有する凸状に形成され、前記シリコン接触部と前記可動電極とは、それらが接触する点における法線の向きαと前記点における離れる力の向きβとが異なることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。

また、このＭＥＭＳデバイスにおいて、前記可動電極は、前記シリコン接触部との対向面にＲ形状を有する凸部を備え、前記可動電極と前記絶縁基板は、前記シリコン接触部および前記凸部を介して接触し、前記シリコン接触部と前記凸部とは、それらが接触する点における法線の向きαと前記点における離れる力の向きβとが異なることが好ましい。

また、このＭＥＭＳデバイスにおいて、前記可動電極は、前記シリコン接触部との対向面に穴を備え、前記穴の開口部における内周壁面は、Ｒを有し、前記可動電極と前記絶縁基板は、前記シリコン接触部および前記内周壁面を介して接触し、前記シリコン接触部と前記内周壁面とは、それらが接触する点における法線の向きαと前記点における離れる力の向きβとが異なることが好ましい。

本発明のＭＥＭＳデバイスにおいて、シリコン接触部は、Ｒを有する凸状に形成され、
シリコン接触部と可動電極とは、それらが接触する点における法線の向きαと前記点における離れる力の向きβとが異なる。これより、シリコン接触部と可動電極とは、点で接触し、それらが離間する際、可動電極が離れる力の向きβが前記点に局所集中できるため、固着を低減することができる。

本発明の実施形態１のＭＥＭＳデバイスを示す概略平面図である。 図１に示す線分ＡＡにおけるＭＥＭＳデバイスの断面図である。 図１に示す線分ＢＢにおけるＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明の実施形態１のＭＥＭＳデバイスの要部を示す概略断面図であって、（ａ）は離間時を示し、（ｂ）は接触時を示している。 本発明の実施形態２のＭＥＭＳデバイスの要部を示す概略断面図であって、（ａ）は離間時を示し、（ｂ）は接触時を示している。 従来例のＭＥＭＳデバイスを示す概略断面図である。

（実施形態１）
図１ないし４は、本発明の実施形態１であるＭＥＭＳデバイス１を示す。このＭＥＭＳデバイス１は、物理量が加わることによって変位する可動電極５と可動電極５との対向面に固定電極６が設けられた絶縁基板２０とを有し、絶縁基板２０は、可動電極５との対向面に固定電極６とは別にシリコン接触部１４を備え、可動電極５と絶縁基板２０は、シリコン接触部１４を介して接触し、可動電極５と固定電極６との間の静電容量の変化を検出することにより前記物理量を検出するＭＥＭＳデバイス１である。また、シリコン接触部１４は、Ｒを有する凸状に形成され、可動電極５は、シリコン接触部１４との対向面にＲ形状を有する凸部１３を備える。これら、可動電極５と絶縁基板２０は、シリコン接触部１４および凸部１３を介して接触し、シリコン接触部１４と凸部１３とは、それらが接触する点９における法線の向きαと点９における離れる力の向きβとが異なる。

以下、この実施形態を具体的詳細に説明する。

図２、３に示すように、本発明の実施形態１となるＭＥＭＳデバイス１は、可動電極５を形成するシリコン基板２の表裏両面に陽極接合によってガラス基板等の絶縁基板２０，２１を接合することで形成され、図１に示す紙面に向かって垂直な方向（Ｚ方向）の加速度や角速度等の物理量を検出することができる。シリコン基板２には、図１ないし３に示すように、半導体プロセスにより間隙１０が形成されることで、アンカー部３、ビーム部４、可動電極５、フレーム部７、および電位取出部８が形成されている。図２、３に示すように、シリコン基板２と絶縁基板２０，２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、シリコン基板２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。

図２に示すように、絶縁基板２０の表面２０ａには、導体層２３が成膜されており、シリコン基板２の各部の電位を取得するための電極として用いられる。本実施形態では、絶縁基板２０にサンドブラスト加工等によって貫通孔２４を形成し、シリコン基板２の表面（絶縁基板２０側の表面）の一部を露出させる。そして、絶縁基板２０の表面上から貫通孔２４の内周面上およびシリコン基板２の表面上にかけて電気的に接続された一連の導体層２３を成膜し、導体層２３からシリコン基板２内の各部の電位を検出できるようにしてある。

図１に示すように、シリコン基板２は、全体として平面視において、略長方形状に形成されており、フレーム部７が、シリコン基板２の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に設けられている。間隙１０は、反応性イオンエッチング（RIE : Reactive Ion Etching）により垂直エッチング加工をすることで、間隙１０の側壁面をシリコン基板２の表面と垂直になるように形成される。このようにして、垂直エッチング加工により形成された間隙１０の側壁面同士は、互いに略並行に対向することになる。反応性イオンエッチングとしては、例えば、誘導結合型プラズマ（ICP : Inductively Coupled Plasma）を備えたエッチング装置によるＩＣＰ加工を利用することができる。

フレーム部７の内側には、シリコン基板２の平面視略中央位置よりフレーム部７の一長辺側（図１の上側）にわずかにずれた位置に、矩形断面を有する柱状のアンカー部３が設けられている。このアンカー部３のフレーム部７の短辺に対向する一対の側壁からビーム部４，４がそれぞれフレーム部７の長辺と略並行に延伸している。ビーム部４は、一定の断面でフレーム部７の長辺に沿う方向に延伸し、一方の端部４ａは、アンカー部３に接続されており、他方の端部４ｂは、可動電極５に接続されている。

図１に示すように、可動電極５は、アンカー部３およびビーム部４，４に対して、フレーム部７の一長辺側（図１の下側）には、間隙１０を空けて略矩形状の大板部５ａを備えている。また、フレーム部７の他の長辺側（図１の上側）には、間隙１０を空けて略矩形状の小板部５ｂを備えている。これら大板部５ａと小板部５ｂとが、フレーム部７の短辺に沿う一対の接続部５ｃ，５ｃを介して相互に接続された形状となっている。そして、ビーム部４，４は、それぞれ対応する接続部５ｃ，５ｃの略中央部に接続されている。大板部５ａおよび小板部５ｂは、一枚の単結晶シリコン基板から形成されているため、小板部５ｂよりサイズの大きい大板部５ａは、質量が大きくなっている。このように可動電極５が、ＭＥＭＳデバイス１の固定部としてのアンカー部３にビーム部４，４を介して非対称な質量バランスで可動支持された構造は、シリコン基板２に間隙１０を形成し、シリコン基板２および絶縁基板２０，２１のうち少なくともいずれか一方に凹部２２を形成することで得ることができる。したがって、アンカー部３、ビーム部４，４、および可動電極５は、シリコン基板２の一部として一体に構成されており、それらアンカー部３、ビーム部４，４、および可動電極５の電位はほぼ等電位とみなすことできる。

ビーム部４，４は、フレーム部７に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素として機能する。本実施形態では、ビーム部４，４は、ＭＥＭＳデバイス１の厚み方向に長い断面（ビーム部４の延伸軸に垂直な断面）を有しているため、厚み方向には撓みにくい。また、可動電極５は、ビーム部４，４を挟んで相互に対向する質量の異なる大板部５ａと小板部５ｂとを備えているため、ＭＥＭＳデバイス１に厚み方向の加速度が生じると、大板部５ａおよび小板部５ｂに作用する慣性力の差によるビーム部４，４のねじりにより、ビーム部４，４を中心として揺動することになる。すなわち、本実施形態では、ビーム部４，４は、ねじりビーム（トーションビーム）として機能することになる。そして、本実施形態では、可動電極５の大板部５ａおよび小板部５ｂのそれぞれに対向するように絶縁基板２０の下面２０ｂに固定電極６Ａ、６Ｂを設けている。大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量、および小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量を検出することで、ＭＥＭＳデバイス１のアンカー部３に対する可動電極５の揺動姿勢の変化を得ることができる。固定電極６は、絶縁基板２０の下面２０ｂ上に導体層（例えばアルミニウム合金の層）として形成してある。

このＭＥＭＳデバイス１において、可動電極５が揺動することなく絶縁基板２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態では、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の大きさと、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の大きさとが等しくなる。そのため、大板部５ａおよび固定電極６Ａの相互対向面積と、小板部５ｂおよび固定電極６Ｂの相互対向面積とを等しくしてある場合には、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量とは等しくなる。一方、可動電極５が揺動して絶縁基板２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａから離れると共に小板部５ｂが固定電極６Ｂに近接した状態では、可動電極５が揺動することなく絶縁基板２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態に比べて、大板部５ａと固定電極６Ａとの間は大きくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間は小さくなる。そのため、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は大きくなる。同様に、可動電極５が揺動して絶縁基板２０の下面２０ｂに対して傾き、大板部５ａが固定電極６Ａに近接すると共に小板部５ｂが固定電極６Ｂから離間した状態では、可動電極５が揺動することなく絶縁基板２０の下面２０ｂに対して平行な姿勢にある状態に比べて、大板部５ａと固定電極６Ａとの間は小さくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間は大きくなる。そのため、大板部５ａと固定電極６Ａとの間の静電容量は大きくなり、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間の静電容量は小さくなる。

したがって、大板部５ａと固定電極６Ａとの間を検知ギャップとする静電容量と、小板部５ｂと固定電極６Ｂとの間を検知ギャップとする静電容量と、の差動出力から、Ｃ−Ｖ変換することで得られる電圧波形を求めＭＥＭＳデバイス１に加えられた種々の物理量を検出することができる。このような物理量は、可動電極５および固定電極６Ａ，６Ｂの電位から取得することができる。本実施形態では、図１、２に示すように、アンカー部３上の絶縁基板２０には貫通孔２４が形成されており、可動電極５の電位は、この貫通孔２４の内面に形成した導体層２３を介して取り出される。

図４（ａ）は、シリコン接触部１４と凸部１３との離間時を、図４（ｂ）は、接触時を示している。図４（ａ）に示すように、本実施形態では、可動電極５の大板部５ａの表面上の適宜位置にはシリコン基板２を二段エッチングすることにより、Ｒを有する形状の凸部１３が形成されている。また、絶縁基板２０の下面２０ｂの凸部１３に対向する位置には、スパッタリング法によりシリコンを成膜し、エッチングすることにより、シリコン接触部１４が形成されている。また、このシリコン接触部１４は、Ｒを有する形状に形成されている。また、図４（ｂ）に示すように、凸部１３は、点９において、シリコン接触部１４で接触する。また、この凸部１３とシリコン接触部１４とは、点９において、その頂点がずれるように対向して形成されていて、それらが接触する点９における法線の向きαと点９における離れる力の向きβとが異なる。このような構成によれば、可動電極５の凸部１３と絶縁基板２０に備えるシリコン接触部１４とは、点９で接触することで対向面積を小さくし、固着を低減することができる。また、凸部１３とシリコン接触部１４とが接触する点９における法線の向きαと点９における離れる力の向きβとが異なるので、凸部１３とシリコン接触部１４とが離間する際、可動電極５の凸部１３がシリコン接触部１４から離れる力の向きβを点９に局所集中でき、さらに固着を低減することができる。これより、凸部１３とシリコン接触部１４とは、陽極接合時の接触や、ビーム部４の揺動による接触において、可動電極５と固定電極６とが貼りつくことを防止できる。

（実施形態２）
上記実施形態１と重複する構成についての、詳しい説明は省略する。また、実施形態１の符号を付したものは、同様のものであるため、説明を省略する。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１において、可動電極５は、シリコン接触部１４との対向面に穴２５を備え、穴２５の開口部における内周壁面２６は、Ｒを有する。可動電極５と絶縁基板２０は、シリコン接触部１４および内周壁面２６を介して接触し、シリコン接触部１４と内周壁面２６とは、それらが接触する点９における法線の向きαと点９における離れる力の向きβとが異なる。

以下、具体的詳細に説明する。

図５（ａ）に示すように、絶縁基板２０の下面２０ｂには、スパッタリング法によりシリコンを成膜し、エッチングすることにより、シリコン接触部１４が形成されている。また、このシリコン接触部１４は、Ｒを有する形状に形成されている。可動電極５の大板部５ａの表面には、シリコン接触部１４に対向する位置に、穴２５を有していて、この穴２５の開口部における内周壁面２６は、Ｒを有している。穴２５は、テーパー状に形成され、対向するシリコン接触部１４から離れるにつれて、その内周が小さくなるように形成されている。また、図５（ｂ）に示すように、この内周壁面２６は、点９において、シリコン接触部１４と接触する。また、この内周壁面２６とシリコン接触部１４とは、点９において、その頂点がずれるように対向して形成されていて、それらが接触する点９における法線の向きαと点９における離れる力の向きβとが異なる。このような構成によれば、可動電極５の内周壁面２６と絶縁基板２０に備えるシリコン接触部１４とは、点９で接触することで対向面積を小さくし、固着を低減することができる。また、内周壁面２６とシリコン接触部１４とが接触する、点９における法線の向きαと点９における離れる力の向きβとが異なるので、内周壁面２６とシリコン接触部１４とが離間する際、可動電極５の内周壁面２６がシリコン接触部１４から離れる力の向きβを点９に局所集中でき、さらに固着を低減することができる。これより、シリコン接触部と内周壁面２６とは、陽極接合時の接触や、ビーム部４の揺動による接触において、可動電極５と固定電極６とが貼りつくことを防止できる。また、穴２５を形成する構造は、内周壁面２６とシリコン接触部１４とが、点９で接触するような構造を形成しやすい。また、内周壁面２６は、Ｒを有する曲面に限らす、平面であっても構わない。

なお、上記に述べたＭＥＭＳデバイス１は、静電容量式加速度センサとしても用いられる。

１ MEMSデバイス
２ シリコン基板
５ 可動電極（大板部５ａ，小板部５ｂ）
６ 固定電極（６Ａ，６Ｂ）
７ フレーム部
１０ 間隙
１３ 凸部
１４ シリコン接触部
２０，２１ 絶縁基板
２５ 穴
２６ 内周壁面

Claims (3)

1. 物理量が加わることによって変位する可動電極と前記可動電極との対向面に固定電極が設けられた絶縁基板とを有し、
   前記絶縁基板は、前記可動電極との対向面に前記固定電極とは別にシリコン接触部を備え、
   前記可動電極と前記絶縁基板は、前記シリコン接触部を介して接触し、
   前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化を検出することにより前記物理量を検出するＭＥＭＳデバイスであって、
   前記シリコン接触部は、Ｒを有する凸状に形成され、
   前記シリコン接触部と前記可動電極とは、それらが接触する点における法線の向きと前記点における離れる力の向きとが異なることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記可動電極は、前記シリコン接触部との対向面にＲ形状を有する凸部を備え、
   前記可動電極と前記絶縁基板は、前記シリコン接触部および前記凸部を介して接触し、
   前記シリコン接触部と前記凸部とは、それらが接触する点における法線の向きと前記点における離れる力の向きとが異なることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記可動電極は、前記シリコン接触部との対向面に穴を備え、
   前記穴の開口部における内周壁面は、Ｒを有し、
   前記可動電極と前記絶縁基板は、前記シリコン接触部および前記内周壁面を介して接触し、
   前記シリコン接触部と前記内周壁面とは、それらが接触する点における法線の向きと前記点における離れる力の向きとが異なることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。

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