CN103528578B - 微机电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微机电系统，能够通过抑制由应力引起的MEMS的固有振动频率的变动来抑制由MEMS的检测灵敏度的变动导致的测量精度下降。首先，由于半导体衬底(2)的变形，固定部(3a～3d)在半导体衬底(2)的y方向上向外侧方向位移。可动体(5)以从半导体衬底(2)浮起的状态配置，因此不受半导体衬底(2)变形的影响，不发生位移。因此，在梁(4a)产生拉伸应力(+σ1)，在梁(4b)产生压缩应力(‑σ2)。此时，考虑将梁(4a)和梁(4b)组合而成的弹簧系统，则由作用于梁(4a)的拉伸应力引起的弹簧常数的增加和由作用于梁(4b)的压缩应力引起的弹簧常数的减少相互抵消。

Description

微机电系统
本申请是国际申请号为PCT/JP2009/063855、国际申请日为2009年8月5日、中国申请号为200980131308.7、发明名称为微机电系统的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS(micro electro mechanicalsystem))，尤其涉及可有效适用于如下MEMS的技术，该MEMS是用于测量车辆、飞机、机器人、移动电话、摄像机等运动体的运动状态的加速度传感器、角速度传感器等惯性传感器、滤波器、时钟产生用振子等结构体的固有振动频率对性能施加影响的MEMS。
背景技术
近年来，以数字照相机的防抖、汽车或机器人的姿势控制为目的，使用了MEMS的传感器被广泛应用。
通常，这种MEMS是采用光刻技术或蚀刻技术对硅衬底等半导体衬底进行加工而形成，包括半导体衬底、向预定方向位移的可动体、将该可动体与半导体衬底连接的多个梁。并且，MEMS基于可动体的位移来检测角速度、加速度等物理量。
日本专利第3669713号(专利文献1)中记载了角速度传感器的一例。该角速度传感器在振动体(可动体)的周围设置使振动体振动的振动发生单元，并设置将振动体在与振动方向正交的方向上发生位移时的位移量作为角速度而检测的角速度检测单元。此时，振动体经由作为弹簧起作用的梁而固定在半导体衬底上，通过如此构成，振动体能够振动。
在日本特开平9-292409号公报(专利文献2)中记载了加速度传感器的一例。该加速度传感器具有如下结构：为了使可动体向一定方向位移，经由作为弹簧起作用的梁将可动体固定在半导体衬底上，可动体根据所施加的加速度而进行位移。并且，设有将可动体的位移量作为加速度来检测的加速度检测单元。
上述专利文献1记载的角速度传感器和专利文献2记载的加速度传感器被称为传感器元件。即，将形成有角速度传感器、加速度传感器等的MEMS的半导体芯片称为传感器元件。实际的传感器通常是需要使用粘接材料将传感器元件安装到封装体主体，并用导线将形成于封装体上的电极与传感器元件连接，使得从设于封装体的电极取出信号。
现有技术文献
专利文献1：日本专利第3669713号
专利文献2：日本特开平9-292409号公报
发明内容
在上述的角速度传感器中，将相互正交的三个轴设为x轴、y轴、z轴，首先，利用振动发生单元使振动体在相对于与半导体衬底平行的x轴方向以频率f、振幅Xe进行振动。此时，振动体的x轴方向的位移x和其速度v关系如下式(1)所示。
x＝Xesin(2πft)
v＝2πfXecos(2πft) ···(1)
在此，f表示频率，Xe表示振幅，t表示时间。
在该状态下若自外部施加绕z轴旋转的角速度Ω，则产生式(2)所示的柯氏力Fc，振动体由于该柯氏力Fc而向与x轴正交的y轴方向发生位移。并且，利用角速度检测单元将因该柯氏力Fc产生的振动体的y轴方向位移例如作为静电电容或电阻的变化来检测，从而检测角速度。
Fc＝2mΩv (2)
在此，m表示振动体的质量，Ω表示角速度，v表示振动体的x轴方向的速度。
进而，在角速度传感器中，在振动体在x轴方向振动时的频率f总是共振状态时、即在以振动体的固有振动频率fo进行振动时，能够检测到振动体稳定地向y轴方向的位移。通常，振动体的固有振动频率fo以下式(3)定义。
在此，k表示梁的弹簧常数，m表示振动体的质量。
角速度检测灵敏度由S(Ω)＝Fc/Ω定义时，则角速度检测灵敏度S(Ω)可根据式(1)、式(2)、式(3)如式(4)那样求出。因此，可知角速度检测灵敏度由S(Ω)与固有振动频率fo、振动体的质量m和振幅Xe成正比。
S(Ω)＝Fc/Ω∝fo、m、Xe ···(4)
接着，上述的加速度传感器，在对该加速度传感器施加了加速度a1时，可动体上产生的力F1如下式(5)所示。
F1＝m1×a1＝k1×x1
在此，m1表示可动体的质量，a1表示施加于可动体的加速度，k1表示梁的弹簧常数，x1表示可动体的位移量。
并且，根据式(5)设加速度检测灵敏度S1＝x1/a1，将其与固有振动频率的定义式即式(3)关联，则可知加速度检测灵敏度S1如式(6)所示那样取决于可动体的固有振动频率f1。
S1＝x1/a1＝m1/k1＝1/(2πfo)2 ···(6)
但是，通常，将传感器元件粘接到封装体主体上时，由于伴随粘接材料的固化而产生的体积变形，会产生从粘接材料向传感器元件的应力。由于该传感器元件上产生的应力，存在传感器元件(可动体、振动体)的固有振动频率fo会发生变化这一问题点。而且，在传感器元件的周围温度发生变化时，由于构成传感器元件的材料的热膨胀系数之差会产生应力，存在传感器元件(可动体、振动体)的固有振动频率fo会发生变化这一问题点。这样的固有振动频率fo的变动在角速度传感器、加速度传感器中引起检测灵敏度的变动，结果导致角速度传感器、加速度传感器的测量精度下降。
本发明的目的在于提供一种通过抑制因应力引起的MEMS的固有振动频率的变动，从而能够抑制因MEMS的检测灵敏度的变动导致的测量精度下降的技术。
本发明的上述及其他目的和新特征，将通过本说明书的记载和附图而得以明确。
简要说明本申请公开的发明中的代表性技术方案的概要，如下所示。
作为代表性实施方式的微机电系统，一种微机电系统，具有传感器元件，该传感器元件包括：第一固定部(3a、30a)、和一端与上述第一固定部(3a、30a)连接的能够弹性变形的第一梁(4a、32a)；第二固定部(3b、30b)、和一端与上述第二固定部(3b、30b)连接的能够弹性变形的第二梁(4b、32b)；第三固定部(3c、30c)、和一端与上述第三固定部(3c、30c)连接的能够弹性变形的第三梁(4c、32c)；第四固定部(3d、30d)、和一端与上述第四固定部(3d、30d)连接的能够弹性变形的第四梁(4d、32d)；可动体(5)，能够向规定的位移方向位移，该可动体经由上述第一梁(4a、32a)悬架于上述第一固定部(3a、30a)，经由上述第二梁(4b、32b)悬架于上述第二固定部(3b、30b)，经由上述第三梁(4c、32c)悬架于上述第三固定部(3c、30c)，经由上述第四梁(4d、32d)悬架于上述第四固定部(3d、30d)，
在将穿过上述传感器元件的与上述位移方向正交的正交方向上的中心并沿上述位移方向延伸的直线作为中心线时，从上述第一固定部(3a、30a)观察到的上述第一梁(4a、32a)的配置方向与从上述第二固定部(3b、30b)观察到的上述第二梁(4b、32b)的配置方向为相反方向，从上述第三固定部(3c、30c)观察到的上述第三梁(4c、32c)的配置方向与从上述第四固定部(3d、30d)观察到的上述第四梁(4d、32d)的配置方向为相反方向，
在上述正交方向上，以上述中心线为中心，上述第一固定部(3a、30a)和第一梁(4a、32a)与上述第二固定部(3b、30b)和第二梁(4b、32b)配置于同一侧，上述第三固定部(3c、30c)和第三梁(4c、32c)与上述第四固定部(3d、30d)和第四梁(4d、32d)配置于同上述第一固定部(3a、30a)和第一梁(4a、32a)及上述第二固定部(3b、30b)和第二梁(4b、32b)相反的一侧。
以下简要说明根据本申请所公开的发明中具有代表性的技术方案所得到的效果。
能够抑制MEMS的测量精度下降，从而能够提高MEMS的可靠性。
附图说明
图1是表示本发明人研究的角速度传感器的传感器元件的构成的俯视图。
图2是表示本发明人研究的角速度传感器的传感器元件上作用拉伸应力时的状态的图。
图3是在本发明人研究的技术中表示半导体衬底的y方向的位置和各个位置下作用的应力的图表。
图4是表示本实施方式1的加速度传感器的传感器元件的构成的俯视图。
图5是图4的沿A-A线剖切的剖视图。
图6是图4的沿B-B线剖切的剖视图。
图7是表示将实施方式1的加速度传感器的传感器元件封装后的状态的剖视图。
图8是示意表示实施方式1的加速度传感器的加速度检测构成的框图。
图9是表示在半导体衬底上产生变形的状态的剖视图。
图10是表示在实施方式1的加速度传感器的传感器元件上作用拉伸应力时的状态的图。
图11是在实施方式1说明的技术中表示半导体衬底的y方向的位置和各个位置下作用的应力的图表。
图12是表示本实施方式2的加速度传感器的传感器元件的构成的图。
图13是图12的形成有梁的区域的放大图。
图14是在图13所示的梁中表示固定部发生了位移时作用的拉伸应力与压缩应力的图。
图15是表示实施方式3的加速度传感器的传感器元件的构成的图。
标记说明
1 传感器元件
2 半导体衬底
2a 埋入绝缘层
3a 固定部
3b 固定部
3c 固定部
3d 固定部
4a 梁
4b 梁
4c 梁
4d 梁
5 可动体
6 固定电极
7a 焊盘
7b 焊盘
10 外框体
10a 焊盘
11 粘接材料
12 半导体芯片
12a 焊盘
12b 焊盘
13 粘接材料
14a 导线
14b 导线
15 盖构件
20 集成电路
21 载波
22 CV转换部
23 同步检波部
24 加速度信号
30a 固定部
30b 固定部
30c 固定部
30d 固定部
31a 折回部
31b 折回部
31c 折回部
31d 折回部
32a 梁
32b 梁
32c 梁
32d 梁
35a 固定部
35b 固定部
36a 梁
36b 梁
36c 梁
36d 梁
37a 梁
37b 梁
37c 梁
37d 梁
40a 固定部
40b 固定部
100 传感器元件
101 半导体衬底
102a 固定部
102b 固定部
103 梁
104 振动体
105 梁
106 振动体
具体实施方式
在以下的实施方式中，有时为了便于说明而将其分割为多个部分或实施方式来进行说明，但除了特别明示的情况之外，这些部分或实施方式并非相互无关，而是存在一方是另一方的一部分或全部的变形例、详细描述、补充说明等关系。
在以下的实施方式中，提及要素的数量等(包括个数、数值、量、范围等)时，除了特别明示的情况以及原理上明确限定为特定数的情况等，均不限定于该特定数，也可以是特定数以上或以下。
另外，在以下的实施方式中，其构成要素(包括要素步骤等)，除了特别明示的情况以及原理上明确认为是必须的情况等，当然不是必须。
同样，在以下的实施方式中，提及构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别明示的情况以及原理上明确认为不是那样的情况等，也包括实质上与其形状等近似或类似的情况等。关于这点，对于上述数值及范围也是同样。
另外，在用于说明实施方式的所有附图中，原则上对同样构件标注相同附图标记，省略其重复说明。为了便于理解附图，有时对于俯视图也标注阴影线。
实施例1
首先，以本发明人所研究的角速度传感器为例，说明固有振动频率变化的机理。图1是表示本发明人研究的角速度传感器的传感器元件100的构成的俯视图。如图1所示，在矩形形状的半导体衬底101上形成有固定部102a、102b，振动体104经由梁103与该固定部102a、102b连接。梁103构成为可弹性变形，与该梁103连接的振动体104能够在x轴方向振动。振动体104构成外框体，在该外框体的内部经由梁105形成振动体106。该振动体106被构成为能够在y轴方向发生位移。
本发明人所研究的角速度传感器的传感器元件如上述那样构成，以下简单说明其动作。首先，使图1所示的振动体104在x轴方向振动。此时，在振动体104的内部经由梁105配置的振动体106也在x轴方向振动。在该状态下，当作用绕z轴旋转的角速度时，由于柯氏力，配置在振动体104内部的振动体106在y轴方向发生位移。振动体106的y轴方向的位移与绕z轴产生的角速度的大小成正比，因此通过检测振动体106的y轴方向的位移，能够检测绕z轴的角速度。例如，由于振动体106的y轴方向的位移，由固定电极和振动体106形成的静电电容发生变化，因此通过将该静电电容的变化转换为电压信号，能够检测振动体106的y轴方向的位移量。换言之，通过将振动体106的y轴方向的位移作为静电电容的变化来检测，能够测量绕z轴产生的角速度。
以上这样的传感器元件100安装到封装体上而成为角速度传感器。此时，传感器元件100借助粘接材料而粘接到封装体上，由于伴随粘接材料的固化导致的体积变形等，在传感器元件100产生应力。例如如图2所示，对于构成传感器元件100的半导体衬底101，产生了y方向的拉伸应力时，半导体衬底101发生变形向y方向延伸。此时，由于固定部102a、102b固定在半导体衬底101上，因此当半导体衬底101向y方向延伸时，随之固定部102a、102b也发生位移。另一方面，由于振动体104不固定在半导体衬底101上，因此即使半导体衬底101上产生了拉伸应力，振动体104也不发生位移。因此，在连接固定部102a、102b和振动体104的梁103作用拉伸应力。即，与梁103的一端连接的固定部102a、102b发生移位，而与梁103的另一端连接的振动体104不发生位移，因此梁103伴随固定部102a、102b的位移而被拉伸。结果，在梁103产生拉伸应力。当在梁103作用拉伸应力时，梁103的弹簧常数增加，因此传感器元件100的固有振动频率也增加。
在此，振动体104与固定部102a、固定部102b连接，但在半导体衬底101的y方向作用拉伸应力时，将固定部102a和振动体104连接的梁103、将固定部102b和振动体104连接的梁103这两方也作用拉伸应力。参照图3说明该情况。图3是表示半导体衬底101的y方向的位置与在各位置作用的应力的图表。在图3中，横轴表示y方向的位置，纵轴表示应力。可知，在半导体衬底101作用应力时，以y方向的中心位置(C)为界，应力的作用方向相反。例如，在固定部102a所位于的y1处，向-y方向作用应力σ，而在固定部102b所位于的y2处，向+y方向作用应力σ。因此，可知，当在半导体衬底101作用拉伸应力时，应力的作用使得固定部102a和固定部102b一起向外侧发生位移。另一方面，如图2所示，振动体104在y方向上配置在固定部102a与固定部102b之间，并以自半导体衬底101浮起的状态配置，因此不会发生位移。由此，当在半导体衬底101上作用拉伸应力时，固定部102a和固定部102b均以离开振动体104的方式进行位移。结果，在设于固定部102a与振动体104之间的梁103、设于固定部102b与振动体104之间的梁103上均作用拉伸应力。因此，在与振动体104连接的所有梁103上作用拉伸应力，作为整个传感器元件100来看，梁103的弹簧常数增加，传感器元件100的固有振动频率增加地发生变化。
当然，粘接材料和半导体衬底101的热膨胀系数通常是不同的，因此伴随周围温度的变化，施加于半导体衬底101的应力发生变化。因此，周围的温度变化也成为传感器元件的固有振动频率发生变动的因素。而且，对于粘接材料的机械常数随时间而变化的情况，也同样是固有振动频率发生变动的因素。
尤其是最近由于要低成本化，用塑料树脂模制传感器元件的情况较多。通常作为塑料树脂，为了其成形工艺的便利，多使用热固化性树脂，在成形时体积变化较大，产生变形，因此，传感器元件的固有振动频率的变动表现更显著。
关于上述的固有振动频率的变动，对因传感器元件100和封装体的粘接引起的因素进行了说明，但传感器元件100单独也存在固有振动频率变动的因素。
在传感器元件100的制作中经常使用的SOI(Silicon On Insulator)衬底由衬底层、形成在该衬底层上的埋入绝缘层、形成在埋入绝缘层上的硅层构成。在由该SOI衬底形成传感器元件100时，对硅层加工形成固定部102a、102b，构成固定部102a、102b的硅层隔着埋入绝缘层固定于衬底层。另一方面，梁103和振动体104也是对硅层加工而形成，为使其能够可动，位于构成梁103和振动体104的硅层的下层的埋入绝缘层被除去，成为从衬底层浮起的状态。
在这样构成的SOI衬底上，由硅形成衬底层和硅层，埋入绝缘层由氧化硅膜形成。硅和氧化硅膜的热膨胀系数不同，因此当周围温度发生变化时，硅层自埋入绝缘层受到应力。因此，固定部102a、102b由于受到来自埋入绝缘层的应力而位置变动。另一方面，振动体104由于从衬底层浮起而不发生变形。结果，将振动体104和固定部102a、102b连接的梁103受到拉伸应力或压缩应力。因此，梁103的弹簧常数发生变化，传感器元件100的固有振动频率发生变动。
如上所述，可知，由于由传感器元件100与封装体的粘接、或者传感器元件100单独的结构而引起的应力，固有振动频率发生变动。传感器元件100的固有振动频率的变动引起角速度传感器、加速度传感器中的检测灵敏度的变动，由此导致测量精度下降、可靠性降低的问题。
因此，在本实施例1中，提出抑制传感器元件的固有振动频率的变动的结构。以下参照附图说明本实施方式1的MEMS。在本实施例1中，作为MEMS的一例，以加速度传感器为例进行说明。
图4是表示本实施例1中的加速度传感器的传感器元件的俯视图。如图4所示，加速度传感器的传感器元件(第一半导体芯片)1具有矩形形状的半导体衬底2，在该半导体衬底2上形成有固定部3a、3b、3c、3d和可动体5。固定部3a、3b、3c、3d固定在半导体衬底2上，而可动体5被构成为能够位移。具体而言，固定部3a和可动体5由可弹性变形的梁4a连接，同样，固定部3b和可动体5由可弹性变形的梁4b连接，固定部3c和可动体5由可弹性变形的梁4c连接，固定部3d和可动体5由可弹性变形的梁4d连接。即，可动体5分别经由梁4a～4d与固定部3a～3d连接。如此构成的可动体5能够在x方向位移。
在半导体衬底2上还形成有固定电极6，由该固定电极6和可动体5构成静电电容元件。即，固定电极6和可动体5由导电材料构成，固定电极6和可动体5构成一对电极。在固定部3a和固定电极6上形成有用于与外部电路进行信号交换的焊盘(pad)7a、7b。
图5是图4的沿A-A线剖切的剖视图。如图5所示，传感器元件1例如是通过利用光刻技术或DRIE(Deep Reactive Ion Etching)技术对SOI衬底进行加工而形成。SOI衬底包括由单晶硅构成的半导体衬底(衬底层)2、由氧化硅膜构成的埋入绝缘层(BOX层)2a、形成于埋入绝缘层2a之上且由单晶硅构成的硅层(活性层)。具体而言，如图5所示，对硅层进行加工而形成固定电极6、可动体5和固定部3b。此时，固定电极6和固定部3b隔着埋入绝缘层2a固定于半导体衬底2。在固定电极6上形成有焊盘7b。另一方面，在对硅层进行加工而形成的可动体5，除去下层的埋入绝缘层2a，可动体5被配置成从半导体衬底2浮起，而能够动作。
图6是图4的沿B-B线剖切的剖视图。如图6所示，对SOI衬底的硅层进行加工而形成固定部3a、3b、3c、3d、梁4a、4b、4c、4d、可动体5及固定电极6。固定部3a、3b、3c、3d和固定电极6隔着埋入绝缘层2a固定于半导体衬底2。相对于此，在梁4a、4b、4c、4d和可动体5除去下层的埋入绝缘层2a。由此，梁4a、4b、4c、4d和可动体5成为从半导体衬底2浮起的结构，能够进行位移。此时，梁4a、4b、4c、4d的一端与固定部3a、3b、3c、3d连接，另一端与可动体5连接。因此，可动体5成为从半导体衬底2浮起的结构，但由梁4a、4b、4c、4d支承。
在本实施例1中，使用SOI衬底形成传感器元件1，但也未必一定使用SOI衬底。例如，也可以使用例如如下这样的半导体衬底来形成传感器元件1，即，该半导体衬底是在将硅和玻璃贴合而成的衬底或具有衬底层作用的硅衬底上形成具有BOX层作用的绝缘膜，并形成具有活性层作用的多晶硅膜等导电性膜而成的。
本实施例1的加速度传感器的传感器元件1如上述那样构成，以下，说明将传感器元件1封装后的构成。图7是表示将传感器元件1封装后的状态的剖视图。如图7所示，隔着粘接材料11将形成有集成电路的半导体芯片(第二半导体芯片)12装载到具有凹部的外框体10的底面上，在该半导体芯片12上隔着粘接材料13而装载传感器元件(第一半导体芯片)1。并且，例如通过使用导线14b将形成在传感器元件1的固定电极6上的焊盘7b和形成在半导体芯片12上的焊盘12a连接。同样，用导线14a将形成在半导体芯片12上的焊盘12b与形成在外框体10上的焊盘10a连接。由此，将传感器元件1和形成在半导体芯片12上的集成电路电连接，并且能够将来自形成在半导体芯片12上的集成电路的输出信号自外框体10输出到外部。如此，配置在外框体10内部的传感器元件1及半导体芯片12被设于外框体10上部的盖构件15密封。如此，能够将传感器元件1封装，能够形成加速度传感器。
接着，说明本实施例1的加速度传感器的动作。在本实施例1中，主要图4所示的可动体5的质量为上述式(5)的m1，图4所示的梁4a、4b、4c、4d的弹簧常数总计为式(5)的k1。在此，当对加速度传感器(图4所示的传感器元件1)的检测方向(x方向)施加加速度a1时，可动体5在检测方向发生位移。其位移量根据上述的式(5)求出为x1＝(m1/k1)×a1。当发生位移x1时，可动体5与固定电极6之间的距离发生变动，可动体5与左侧的固定电极6(参照图4)的静电电容、可动体5与右侧的固定电极6(参照图4)的静电电容分别向减少的方向和增加的方向变化。例如，可动体5向图4的右侧方向发生位移时，由于可动体5与左侧的固定电极6之间的距离变大，因此静电电容减少，由于可动体5与右侧的固定电极6之间的距离变小，因此静电电容增加。
该电容的变化自图7所示的传感器元件1输出到形成在图7所示的传感器控制、信号处理用IC即半导体芯片12上的集成电路并进行处理。具体而言，如图8所示，将用于检测静电电容的载波21从形成于半导体芯片12(参照图7)上的集成电路20施加到图4所示的固定电极6的焊盘7b上。于是，从经由梁4a连接于图4所示的可动体5上的固定部3a的焊盘7a输出电容变化的信号。即，如图8所示，来自传感器元件1的电容变化的信号被差动输入到CV转换部22。在CV转换部22，电容变化被转换为电压信号后，该电压信号被输出到同步检波部23。在同步检波部23仅取出必要的信号成分，最终以电压形式输出加速度信号24。此时，若可动体5的质量m和梁4a、4b、4c、4d的弹簧常数的总计k恒定，则可动体5的位移量x1与被施加的加速度成正比，因此通过监视与位移量x1成正比的输出电压(加速度信号)，能够检测所施加的加速度。如此，本实施例1的加速度传感器进行动作。
接着，说明在本实施例1中做成抑制传感器元件1的固有振动频率的变动的结构。图9是表示在传感器元件1的封装中借助粘接材料13连接传感器元件1和半导体芯片12的构成的图。首先，粘接材料13以低粘性的状态涂敷于半导体芯片12与传感器元件1之间。然后，通过对该粘接材料13进行加热使其固化，将传感器元件1与半导体芯片12粘接固定。但是，在粘接材料13的加热固化时为了降低粘接材料13的粘度而使用的有机溶剂进行挥发，因此粘接材料13的体积发生变化，由于其影响，形成传感器元件1的半导体衬底2发生变形(第一因素)。
而且，传感器元件1例如由SOI衬底构成，但在该SOI衬底上由硅形成衬底层和硅层，由氧化硅膜形成埋入绝缘层。由于硅和氧化硅膜的热膨胀系数不同，因此当周围温度发生变化时，硅层受到来自埋入绝缘层的应力。即，由于构成SOI衬底的构成要素(衬底层、埋入绝缘层、硅层)的热膨胀系数的差异，构成传感器元件1的半导体衬底2发生变形(第二因素)。
由于包括上述第一因素和第二因素的因素，如图9所示，半导体衬底2发生变形。当在半导体衬底2上产生如图9所示的变形时，固定于半导体衬底2上的固定部3a～3d发生位移。具体而言，形成于半导体衬底2周边附近的固定部3a和固定部3c位移了距离d2，形成于半导体衬底2中央部附近的固定部3b和固定部3d位移了距离d1。此时，距离d2大于距离d1。当半导体衬底2这样变形时，固定部3a～3d发生位移，结果，对与固定部3a～3d连接的梁4a～4d作用应力。
使用图10说明对该梁4a～4d作用的应力。图10是表示在图9所示的半导体衬底2产生了变形时作用于梁4a～4d的应力的图。在图10中，首先，由于半导体衬底2的变形，固定部3a～3d在半导体衬底2的y方向上向外侧方向发生位移。换言之，固定部3a和固定部3b向纸面上方(-y方向)发生位移，固定部3c和固定部3d向纸面下方(+y方向)发生位移。此时，可动体5以从半导体衬底2浮起的状态配置，因此不受半导体衬底2的变形的影响，不发生位移。因此，例如考虑到固定部3a和可动体5的关系，固定部3a向纸面上方(-y方向)发生位移，且可动体5不发生位移，因此，固定部3a与可动体5之间的距离变大。因此，在连接固定部3a和可动体5的梁4a上产生拉伸应力(+σ1)，梁4a的弹簧常数增加。相对于此，例如考虑到固定部3b和可动体5的关系，固定部3b向纸面上方(-y方向)发生位移，且可动体5不发生位移，因此，固定部3b与可动体5之间的距离变小。因此，在连接固定部3b和可动体5的梁4b上产生压缩应力(-σ2)，梁4b的弹簧常数减少。
由此，考虑到组合梁4a和梁4b而成的弹簧系统，通过由于作用于梁4a的拉伸应力引起的弹簧常数的增加、和由于作用于梁4b的压缩应力引起的弹簧常数的减少相互抵消，能够抑制组合梁4a和梁4b而成的弹簧系统的弹簧常数的变动。这一点是本实施例1的特征之一。换言之，虽然在各个梁4a、4b上引起了弹簧常数的变动，但考虑组合梁4a和梁4b而成的弹簧系统，能够减少弹簧常数的变动。
这点在连接固定部3c与可动体5的梁4c、连接固定部3d与可动体5的梁4d之间也成立。即，考虑到固定部3c和可动体5的关系，固定部3c向纸面下方(+y方向)发生位移，且可动体5不发生位移，因此，固定部3c与可动体5之间的距离变大。因此，在连接固定部3c和可动体5的梁4c上产生拉伸应力(+σ1)，梁4c的弹簧常数增加。相对于此，例如考虑到固定部3d和可动体5的关系，固定部3d向纸面下方(+y方向)发生位移，且可动体5不发生位移，因此，固定部3d与可动体5之间的距离变小。因此，在连接固定部3d和可动体5的梁4d上产生压缩应力(-σ2)，梁4d的弹簧常数减少。
由此，考虑到组合梁4c和梁4d而成的弹簧系统，通过由于作用于梁4c的拉伸应力引起的弹簧常数的增加、和由于作用于梁4d的压缩应力引起的弹簧常数的减少相互抵消，能够抑制组合梁4c和梁4d而成的弹簧系统的弹簧常数的变动。
在本实施例1的传感器元件1中，具有两个组合梁4a和梁4b而成的第一弹簧系统，且具有两个组合梁4c和梁4d而成的第二弹簧系统，能够利用第一弹簧系统和第二弹簧系统分别降低弹簧常数的变动，结果，能够抑制传感器元件1的连接可动体5和固定部3a～3d的所有梁4a～4d组合而成的弹簧常数的变动。能够抑制传感器元件1的总计弹簧常数的变动，意味着能够抑制传感器元件1的固有振动频率的变动。由此，根据本实施例1，能够抑制传感器元件1的固有振动频率的变动，能够抑制角速度传感器、加速度传感器的检测灵敏度的变动，由此能够防止测量精度下降、可靠性降低。
本实施例1的特征点在于改进连接可动体和固定部的弹簧系统。例如，由连接可动体5和固定部3a的梁4a、和连接可动体5和固定部3b的梁4b构成一个弹簧系统。此时，梁4a的弹簧常数增加，而梁4b的弹簧常数减少，因此组合梁4a和梁4b而成的一个弹簧系统中，能够通过抵消来减少弹簧常数的变动。
例如通过相对于传感器元件(第一半导体芯片)1的中心线将固定部3a、梁4a、固定部3b及梁4b配置在同一侧，能够实现可抵消弹簧常数变动的构成。此时，例如在半导体衬底2的变形产生在y轴方向时，作为传感器元件1的中心线可以是穿过y方向的中心(C)且沿x轴方向(可动体5的位移方向)延伸的直线。并且，在该情况下，梁4a和梁4b配置在与中心线交叉的方向上。以该构成为前提，进一步最重要的构成是与梁4a和梁4b连接的可动体5的连接部配置成被梁4a和梁4b夹着。换言之，也可以说是做成梁4a和梁4b配置在与梁4a和梁4b连接的可动体5的连接部的相反侧的构成。
例如，通过将固定部3a和固定部3b配置在中心线的同一侧，从而能够使固定部3a和固定部3b向同一方向(纸面上方，-y方向)发生位移。在该状态下，通过以夹在固定部3a和固定部3b之间的方式设置可动体5的连接部，从而能够对连接固定部3a和可动体5的梁4a作用拉伸应力，相反地对连接固定部3b和可动体5的梁4b作用压缩应力。因此，梁4a的弹簧常数增加，梁4b的弹簧常数减少。从而，能够抑制组合梁4a和梁4b而成的弹簧系统的弹簧常数的变动。
图11是表示在本实施例1的传感器元件1中半导体衬底2的y方向的位置和各个位置下作用的应力的图表。在图11中，横轴表示y方向的位置，纵轴表示应力。可知，在半导体衬底2作用拉伸应力时，以y方向的中心位置(C)为界，应力的作用方向相反。因此，可知为了在构成一个弹簧系统的固定部3a和固定部3b产生同一方向的应力，需要在相对于y方向的中心位置(C)的同一侧配置固定部3a和固定部3b。例如，在图11中，y1a表示固定部3a的配置位置，y1b表示固定部3b的配置位置。因此，可知固定部3a和固定部3b相对于y方向的中心位置(C)配置在同一侧。在该状态下，通过以夹在固定部3a和固定部3b之间的方式设置可动体5的连接部，从而能够对连接固定部3a和可动体5的梁4a作用拉伸应力，相反地对连接固定部3b和可动体5的梁4b作用压缩应力。但是，作用于梁4a(也可称为作用于固定部3a)的应力(σ1)与作用于梁4b(也可称为作用于固定部3b)的应力(σ2)的大小不同，因此，不能完全抵消作用于梁4a的拉伸应力和作用于梁4b的压缩应力，但确定至少能使组合梁4a和梁4b而成的弹簧系统的弹簧常数的变动变少。
同样，可知为了在构成一个弹簧系统的固定部3c和固定部3d产生同一方向的应力，需要在相对于y方向的中心位置(C)的同一侧配置固定部3c和固定部3d。例如，在图11中，y2a表示固定部3c的配置位置，y2b表示固定部3d的配置位置。因此，可知固定部3c和固定部3d相对于y方向的中心位置(C)配置在同一侧。在该状态下，通过以夹在固定部3c和固定部3d之间的方式设置可动体5的连接部，从而能够对连接固定部3c和可动体5的梁4c作用拉伸应力，相反地对连接固定部3d和可动体5的梁4d作用压缩应力。但是，作用于梁4c(也可称为作用于固定部3c)的应力(σ1)与作用于梁4d(也可称为作用于固定部3d)的应力(σ2)的大小不同，因此，不能完全抵消作用于梁4c的拉伸应力和作用于梁4d的压缩应力，但确定至少能使组合梁4c和梁4d而成的弹簧系统的弹簧常数的变动变少。
如图10所示，在本实施例1的传感器元件1中，可以构成为例如如梁4a和梁4b那样配置在一直线上，也可以构成为例如如梁4c和梁4d那样不配置在一直线上。在任一构成中，均能够增加一个梁的弹簧常数而减少另一个梁的弹簧常数。因此，不仅能够抑制配置在一直线上的梁4a和梁4b组合而成的弹簧系统的弹簧常数的变动，也能抑制不配置在一直线上的梁4c和梁4d组合而成的弹簧系统的弹簧常数的变动。
本实施例1中的微机电系统的特征在于，在包括固定于衬底上的固定部、在该固定部延伸设置且将可动体支承为可动的状态的梁、悬架在梁上的可动体的MEMS中，将固定部和梁作为一个弹簧系统时，具有两个以上的弹簧系统，构成为在各个固定部因衬底的变形等而发生了位置变动时弹簧常数增加的第一弹簧系统、和弹簧常数减少的第二弹簧系统。由此，在组合第一弹簧系统和第二弹簧系统而成的一个弹簧组中，能够抑制弹簧常数的变动。
可动体的固有振动频率是可动体的质量、和将可动体悬架于衬底上的梁的弹簧常数的函数。在此，若假定没有异物附着等的情况，可忽略可动体的质量随着温度、经过时间而发生的变动，因此固有振动频率成为仅是梁的弹簧常数的函数。因此，即使在由于温度、经过时间等周边环境的变化，衬底或可动体发生了变形时，只要振动系统(弹簧系统)整体的弹簧常数不发生变动，固有振动频率就不会变动。因此，通过采用本实施例1的技术思想，能够提供一种在固有振动频率影响结构性能的角速度传感器、加速度传感器、滤波器、振子等中，不受安装变形、温度变动等周边环境变动影响地稳定的结构。
而且，在将第一弹簧系统和第二弹簧系统作为一个弹簧组时，具有如下特征：从驱动轴的中心来看，一个弹簧组位于与驱动轴中心正交方向的同一侧，从各个固定部来看，具有向相反方向延伸的梁，在以驱动轴为中心对称的相反侧也构成相同结构。在此，从驱动轴的中心看去，第一弹簧系统和第二弹簧系统对称地配置在同一侧，因此，在衬底或可动体因安装变形、温度变动等而发生了变形时，位于各弹簧系统的各固定部向相同方向发生位移。因此，例如在第一弹簧系统上产生了拉伸应力时，在第二弹簧系统产生压缩应力，结果是在由第一弹簧系统和第二弹簧系统构成的一个弹簧组内能够抑制弹簧常数的变动。
实施例2
在本实施例2中，对在半导体衬底上产生了应力时能够进一步抑制传感器元件整体的弹簧常数的变动的例子进行说明。
图12是表示本实施方式2的加速度传感器的传感器元件1的俯视图。在图12中，本实施方式2的传感器元件1的特征在于例如在连接固定部30a和可动体5的梁32a上设置折回部31a。同样，在连接固定部30b和可动体5的梁32b上设置折回部31b。由此，能够使配置于相对于可动体5的连接部对称的位置处的固定部30a和固定部30b的距离减小。即，梁32a在梁32a的一端与梁32a的另一端之间具有折回部31a，梁32b在梁32b的一端与梁32b的另一端之间具有折回部31b。
对这样使固定部30a和固定部30b接近的优点进行说明。例如参照图11可知，当相对于y轴的中心(C)位于同一侧时，产生同一方向的应力，设固定部30a的位置为y1a，设固定部30b的位置为y1b，则若固定部30a的位置y1a和固定部30b的位置y1b相分离，应力大小差异较大。此时，在本实施方式2中，对连接于固定部30a的梁32a作用压缩应力，对连接于固定部30b的梁32b作用拉伸应力。因此，能够使梁32a处的弹簧常数的减少与梁32b处的弹簧常数的增加相抵消，能够抑制组合梁32a的弹簧系统和梁32b的弹簧系统而成的弹簧组中的弹簧常数的变动。但是，固定部30a和固定部30b的距离大时，则作用于梁32a的压缩应力的大小与作用于梁32b的拉伸应力的大小相差较大，因此不能完全抵消压缩应力和拉伸应力。即，理想状况是作用于梁32a的压缩应力的大小与作用于梁32b的拉伸应力的大小相等。为此，参照图11可知，优选是减小固定部30a和固定部30b的距离。
在此，在本实施例2中，如图12所示，减小固定部30a和固定部30b之间的距离。为了减小固定部30a和固定部30b之间的距离，需要改进梁32a和梁32b的配置，例如通过在梁32a上设置折回部31a来实现。以上的构成适用于构成传感器元件1的所有固定部和梁。例如，可以在连接固定部30c和可动体5的梁32c上设置折回部31c。同样，在连接固定部30d和可动体5的梁32d上设置折回部31d。
这样在本实施例2中的传感器元件1中，通过在梁32a～32d设置折回部31a～31d，从而使固定部30a和固定部30b或固定部30c和固定部30d接近。这是由于在固定部之间距离较大时各固定部的位置变动量不同，因此发生在梁上的内部应力的大小也不同。即，在固定部之间的距离较大时，例如在组合梁32a的弹簧系统和梁32b的弹簧系统而成的弹簧组中的弹簧常数不能完全被抵消而残留一部分。因此，在本实施方式2中，通过折回梁，将固定部配置在尽量接近的位置。此时，例如固定部30a和固定部30b之间的距离小于折回部31a和折回部31b之间的距离。
在本实施例2的传感器元件1中，特征在于缩小第一弹簧系统的固定部与第二弹簧系统的固定部之间的间隔。因安装变形、温度变动而使衬底具有一定曲率地变形为凹凸的形状。随之各固定部的位移量与曲率半径成反比、且与距离驱动中心的距离成正比地变大。因此，在第一弹簧系统的固定部和第二弹簧系统的固定部分离开的情况下，各个固定部的位移量有差异，弹簧常数的变动量的绝对值也有差异。因此，在本实施例2中，尽可能地缩小第一弹簧系统的固定部与第二弹簧系统的固定部的间隔，因此能够使第一弹簧系统与第二弹簧系统上产生的弹簧常数的变动量的绝对值大致相等。由此，能够更有效地抑制固有振动频率的变动。
在此，通过将第一弹簧系统和第二弹簧系统的梁都折回，来缩小固定部彼此之间的间隔。即，通过折回第一弹簧系统的梁和第二弹簧系统的梁而能够容易缩小固定部彼此之间的间隔。
接着，说明本实施例2的变形例。在图12所示的本实施例2中，表示设置例如2个固定部30a，在两个固定部30a之间形成梁32a的例子。相对于此，在本变形例中，对设置例如一个固定部30a，以包围一个固定部30a的方式设置多根梁的例子进行说明。
图13是放大表示连接可动部5和固定部35a的梁36a～36d的形成区域和连接可动部5和固定部35b的梁37a～37d的形成区域的图。如图13所示，由梁36a～36d这四根梁进行可动部5和固定部35a的连接，同样，由梁37a～37d这四根梁进行可动部5和固定部35b的连接。在此，外侧的两根梁36a、36d连接于可动体5，内侧的两根梁36b、36c连接于固定部35a。并且，梁36a～36d通过折回部31a而相互连接。在图13中，两根梁36b、36c与固定部35a连接，但也未必一定是两根，也可以是一根或多根。
如图13所示，由多根梁36a～36d将可动部5和固定部35a连接，因此即使在由于半导体衬底上产生变形使固定部35a发生了位置变动时，梁36a～36d本身难以发生旋转，因此能够更有效地抵消弹簧常数的变动。
图14表示在图13所说明的梁结构中发生了衬底变形、固定部35a、35b向远离驱动中心的方向发生位置变动(d)时的示意图。如图14所示，由于固定部35a、35b的位置变动，在梁36a、36d、37b、37c产生拉伸应力，在梁36b、36c、37a、37d产生压缩应力。在此，由于采用四根梁，因此产生于梁36a、36d的拉伸应力被同一弹簧系统中的梁36b、36c上产生的压缩应力抵消。因此，理论上讲，通过适当调整梁36a～36d的长度或宽度，即使不是本发明中说明的对称结构，也应该能抑制弹簧系统的弹簧常数的变动。但是，在对SOI衬底的硅层进行加工时产生了加工偏差的情况、或由于固定部35a、35b的位置变动而使可动体5产生了变形等情况下，不是按照理论那样的。
因此，在本变形例中，如图14所示，通过设置另一个弹簧系统(固定部35b、梁37a～37d)，产生于梁36a、36d的拉伸应力被对称配置的梁37a、37d上产生的压缩应力相互抵消。同样，产生于梁36b、36c的压缩应力被梁37b、37c上产生的拉伸应力抵消。此时，在梁36a、36d和梁37a、37d、梁36b、36c和梁37b、37c上，加工条件、固定部的位移量等周边环境大致相同，因此会产生绝对值大致相同、符号相反的应力。因此，使第一弹簧系统(固定部35a、梁36a～36d)与第二弹簧系统(固定部35b、梁37a～37d)组合而成的一个弹簧组的总应力变化大致为0，能够抑制弹簧常数的变动。即，通过使构成第一弹簧系统的梁36a～36d的根数与构成第二弹簧系统的梁37a～37d的根数相同，各个梁之间的应力被抵消，能够减少由第一弹簧系统与第二弹簧系统组合而成的一个弹簧组的总应力变化。结果，能够抑制传感器元件的弹簧常数的变动。
实施例3
在本实施例3中，对在半导体衬底上产生了应力时，能够进一步抑制传感器元件整体的弹簧常数的变动的例子进行说明。
图15是表示本实施例3的加速度传感器的传感器元件1的俯视图。在图15中，本实施例3的传感器元件1的特征在于将与梁32a连接的固定部和与梁32b连接的固定部做成共用的固定部40a。同样，将与梁32c连接的固定部和与梁32d连接的固定部做成共用的固定部40b。
例如，在分别形成与梁32a连接的固定部和与梁32b连接的固定部时，必然会在与梁32a连接的固定部和与梁32b连接的固定部之间存在一定距离。如此，当与梁32a连接的固定部和与梁32b连接的固定部相分离时，作用于梁32a的压缩应力的大小和作用于梁32b的拉伸应力的大小相差较大，因此不能完全抵消压缩应力和拉伸应力。即，理想状况是作用于梁32a的压缩应力的大小和作用于梁32b的拉伸应力的大小相等。这能通过使与梁32a连接的固定部和与梁32b连接的固定部共用化来实现。通过共用，使与梁32a连接的固定部和与梁32b连接的固定部一致，因此能够使作用于梁32a的压缩应力的大小和作用于梁32b的拉伸应力的大小相等。结果，能够使第一弹簧系统(固定部40a、梁32a)与第二弹簧系统(固定部40a、梁32b)组合而成的一个弹簧组的总应力变化大致为0。结果，能够将传感器元件的弹簧常数的变动抑制为最小。
如上所述，根据本发明的技术思想，即使在因传感器元件与封装体的粘接、或者传感器元件单独的结构而引起了应力、变形时，也能减少固有振动频率的变动。由此，能够提供更高性能、高可靠性的角速度传感器、加速度传感器。而且，由于不受安装变形、温度变动影响地稳定化，出厂时的调整作业变得简单。因此，可期待有助于降低成本。
以上，基于实施方式具体说明了本发明人完成的发明，但本发明并不限于上述实施方式，不言而喻，在不脱离其要旨的范围内可进行各种变更。
在上述实施例1～3中以加速度传感器为例进行了说明，但本发明也可以应用于加速度传感器以外的、角速度传感器等具有由梁支承可动体的结构的MEMS，可获得降低MEMS的固有振动频率的变动这一显著效果。
工业实用性
本发明可广泛应用于制造微机电系统的制造业。

Claims (11)

1.一种微机电系统，其特征在于，具有传感器元件，该传感器元件包括：
第一固定部(3a、30a、40a)、和一端与上述第一固定部(3a、30a、40a)连接的能够弹性变形的第一梁(4a、32a)；
第二固定部(3b、30b、40a)、和一端与上述第二固定部(3b、30b、40a)连接的能够弹性变形的第二梁(4b、32b)；
第三固定部(3c、30c、40b)、和一端与上述第三固定部(3c、30c、40b)连接的能够弹性变形的第三梁(4c、32c)；
第四固定部(3d、30d、40b)、和一端与上述第四固定部(3d、30d、40b)连接的能够弹性变形的第四梁(4d、32d)；
可动体(5)，能够向规定的位移方向位移，该可动体经由上述第一梁(4a、32a)悬架于上述第一固定部(3a、30a、40a)，该可动体经由上述第二梁(4b、32b)悬架于上述第二固定部(3b、30b、40a)，该可动体经由上述第三梁(4c、32c)悬架于上述第三固定部(3c、30c、40b)，该可动体经由上述第四梁(4d、32d)悬架于上述第四固定部(3d、30d、40b)，
在将穿过上述传感器元件的与上述位移方向正交的正交方向上的中心并沿上述位移方向延伸的直线作为中心线时，
从上述第一固定部(3a、30a、40a)观察到的上述第一梁(4a、32a)的配置方向与从上述第二固定部(3b、30b、40a)观察到的上述第二梁(4b、32b)的配置方向为相反方向，
从上述第三固定部(3c、30c、40b)观察到的上述第三梁(4c、32c)的配置方向与从上述第四固定部(3d、30d、40b)观察到的上述第四梁(4d、32d)的配置方向为相反方向，
在上述正交方向上，以上述中心线为中心，上述第一固定部(3a、30a、40a)和第一梁(4a、32a)与上述第二固定部(3b、30b、40a)和第二梁(4b、32b)配置于同一侧，上述第三固定部(3c、30c、40b)和第三梁(4c、32c)与上述第四固定部(3d、30d、40b)和第四梁(4d、32d)配置于同上述第一固定部(3a、30a、40a)和第一梁(4a、32a)及上述第二固定部(3b、30b、40a)和第二梁(4b、32b)相反的一侧。
2.根据权利要求1所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一固定部(3a、30a、40a)和上述第二固定部(3b、30b、40a)相同，上述第三固定部(3c、30c、40b)和上述第四固定部(3d、30d、40b)相同。
3.根据权利要求1或2所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一梁(32a)经由第一折回部(31a)悬架上述可动体(5)，上述第二梁(32b)经由第二折回部(31b)悬架上述可动体(5)，上述第三梁(32c)经由第三折回部(31c)悬架上述可动体(5)，上述第四梁(32d)经由第四折回部(31d)悬架上述可动体(5)。
4.根据权利要求3所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一固定部(30a)与上述第二固定部(30b)之间的距离小于上述第一折回部(31a)与上述第二折回部(31b)之间的距离，上述第三固定部(30c)与上述第四固定部(30d)之间的距离小于上述第三折回部(31c)与上述第四折回部(31d)之间的距离。
5.根据权利要求1所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一梁(4a、32a)和上述第二梁(4b、32b)被配置为呈一直线状，上述第三梁(4c、32c)和上述第四梁(4d、32d)被配置为呈一直线状。
6.根据权利要求1所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一固定部(3a、30a)和第一梁(4a、32a)及上述第二固定部(3b、30b)和第二梁(4b、32b)、与上述第三固定部(3c、30c)和第三梁(4c、32c)及上述第四固定部(3d、30d)和第四梁(4d、32d)配置在以上述中心线为中心而对称的位置。
7.根据权利要求1所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一梁(4a、32a)、上述第二梁(4b、32b)、上述第三梁(4c、32c)和上述第四梁(4d、32d)分别具有多个梁。
8.根据权利要求7所述的微机电系统，其特征在于：
构成上述第一梁的多个梁的根数与构成上述第二梁的多个梁的根数相同，构成上述第三梁的多个梁的根数与构成上述第四梁的多个梁的根数相同。
9.根据权利要求1所述的微机电系统，其特征在于：
上述第一固定部(3a、30a、40a)、上述第二固定部(3b、30b、40a)、上述第三固定部(3c、30c、40b)、上述第四固定部(3d、30d、40b)、上述第一梁(4a、32a)、上述第二梁(4b、32b)、上述第三梁(4c、32c)、上述第四梁(4d、32d)及上述可动体(5)形成在第一半导体芯片(1)上，
上述第一半导体芯片(1)隔着粘接材料而装载在下层衬底上。
10.根据权利要求9所述的微机电系统，其特征在于：
上述下层衬底是形成有集成电路的第二半导体芯片。
11.根据权利要求1所述的微机电系统，其特征在于：
上述传感器元件是角速度传感器。
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