CN109455663B - Mems器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的MEMS器件具备固定构件(1)和通过弹性体(2)可振动地受到支撑的可动构件(3)，该MEMS器件具备在该可动构件和固定构件的可碰撞部分处设置的冲击缓和机构，该冲击缓和机构具有带板状的止动部和突条部，该止动部在与碰撞方向大致垂直的方向上，被突出地设置在固定构件及可动构件的其中之一，且至少一侧边被固定，该突条部在碰撞方向上，突出地设置于固定构件及可动构件中的另一个、或者止动部的一部分，该突条部及止动部构成为可动构件和固定构件的碰撞力越大，抵接区域边缘位置越靠近止动部的固定侧边。本发明能够提供抑制粘连,并不易破损的MEMS器件。

Description

MEMS器件
本申请是发明名称为“MEMS器件”、国际申请日为2015年6月3日、申请号为201580029298.1(国际申请号为PCT/JP2015/066006)的发明专利申请的分案申请。
[技术领域]
本发明涉及一种MEMS器件。
[背景技术]
近年来，利用被称为MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)的半导体制造技术而形成的具有微小的机械要素的装置(MEMS器件)正得到开发，例如，作为陀螺仪传感器、加速度传感器而被实现。
上述MEMS器件大多具备经由弹性体可振动地支持于基板的可动构件。已知具备可动构件的MEMS器件中，由于制造工程中所使用的液体的毛细管力(弯月面力)而产生使得可动构件粘着到其他构件上、被称为粘连(stiction)的现象。
为了有效防止这样的粘连，可以减小可动构件和其他构件的接触面积。为此，例如提供如下方法：设置抵接于可动构件的小突起状的止动部，来防止可动构件与其他构件的接触(例如参照日本专利特开2014-71097号公报)。
如上所述设置了止动部的MEMS器件中，例如当安装了MEMS器件的设备掉落等情况下，有冲击力作用，可动构件与止动部激烈碰撞，可动构件和止动部可能损坏。这样的可动构件和止动器的损害可能导致MEMS器件的功能受损。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利特开2014-71097号公报
[发明内容]
[发明所要解决的技术问题]
鉴于上述问题，本发明提供了能够抑制黏连并且不易损坏的MEMS器件。
[解决技术问题所采用的技术方案]
解决上述技术问题的本发明涉及一种具备固定构件和通过弹性体可振动地得到支撑的可动构件的MEMS器件，其特征在于，具备设置于该可动构件和固定构件的可碰撞部分处的冲击缓和机构，该冲击缓和机构具有：在与碰撞方向大致垂直的方向上，被突出地设置于上述固定构件与可动构件的其中一个，且至少一侧边被固定的带板状的止动部；以及在碰撞方向上，被突出地设置于上述固定构件与可动构件中的另一个、或者上述止动部的突条部，该突条部及止动部构成为可动构件和固定构件的碰撞力越大，则抵接区域边缘位置越靠近止动部的固定侧边。
该MEMS器件由于具备可动构件和固定构件通过突条部相抵接的冲击缓和机构，因此可动构件和固定构件经由冲击缓和机构而相接触的接触面积较小，从而能够抑制粘连。另外，该MEMS器件构成为冲击缓和机构的突条部及止动部在上述固定构件和可动构件的碰撞力越大时，抵接区域边缘位置越靠近止动部的固定侧边，由此，在碰撞的初期，止动部灵活地变形从而缓和可动构件的碰撞力，防止突条部及止动部的脆性破坏(破损、缺裂)，并且，在碰撞的后期，通过增大表面弹簧常数，从而抑制止动部的变形以及由此造成的应力集中，能够防止止动部的延性破坏。因此，该MEMS器件即节省空间又能抑制粘连，同时，即使受到冲击也不易破损。
上述止动部的另一侧边不被固定，上述突条部的抵接面在上述碰撞方向与上述止动部的突出方向的截面上，其顶点位置和与上述止动部的固定侧边相对应的位置之间可以呈凸状弯曲。由此，止动部呈悬臂状固定，从上述截面观察，突条部的抵接面在顶点和与止动部的固定侧边相对应的位置之间呈凸状弯曲，因此，随着冲撞力的增大，抵接区域边缘位置以靠近止动部的固定侧边的方式连续且平滑地移动。
当上述突条部与上述止动部的固定侧边相抵接的状态下，上述止动部与设置有该止动部的固定构件或可动构件可以不抵接。由此，突条部与上述止动部的固定侧边相抵接的状态下，止动部与设置有该止动部的固定构件或可动构件不抵接，从而碰撞过程中不阻碍止动部的变形，止动部的表面弹簧常数能连续且平滑地上升。
上述突条部也可以被突出地设置在上述固定构件及可动构件的另一个，形成为至少一侧边被固定的带板状。由此，由于突条部形成侧边被固定的带板状，从而突条部和止动部一样，能够缓解可动构件和固定构件的碰撞力。由此，能够有效地防止可动构件和固定构件的破损。
上述突条部或止动部也可以和固定构件或可动构件形成为一体。由此，突条部或止动部和固定构件或可动构件形成为一体，从而能够容易且可靠地形成突条部或止动部微小但不易破损的冲击缓和机构。
在这里，“大致垂直”指的是角度在80度以上100度以下。
[发明的效果]
如上所述，该MEMS器件通过具备上述冲击缓和机构，能够抑制粘连的同时，即使受到的冲击也不易受损。
[附图说明]
[图1]表示本发明一种实施方式的MEMS器件的示意图。
[图2]图1的冲击缓和机构的放大示意图。
[图3]表示图2的冲击缓和机构的碰撞初期的放大示意图。
[图4]表示图2的冲击缓和机构的碰撞后期的放大示意图。
[图5]和图2不同的实施方式的冲击缓和机构的示意图。
[图6]和图2及图5不同的实施方式的冲击缓和机构的示意图。
[图7]和图2、图5及图6不同的实施方式的冲击缓和机构的示意图。
[图8]和图2、图5～图7不同的实施方式的冲击缓和机构的示意图。
[图9]和图2、图5～图8不同的实施方式的冲击缓和机构的示意图。
[优选实施方式]
以下，适宜参照附图来详细说明本发明的实施方式。
[第一实施方式]
图1的MEMS器件包括：固定构件1以及通过弹性体2可在X-Y方向上进行振动地受到支撑的可动构件3。
固定构件1和弹性体2的一端被固定在未图示的基板等基座(底座)。可动构件3与基座之间隔开空隙由弹性体2支持。
可动构件3抵抗弹性体2的弹性力，在X方向上移动，从而能与固定构件1在X方向上产生碰撞。在固定构件1和可动构件3的可碰撞部分处，设置有冲击缓和机构4。
固定构件1、弹性体2及可动构件3例如可以用硅材料形成。
和固定构件1、弹性体2及可动构件3在垂直于X-Y方向的Z方向(纸面深度方向)上的平均厚度例如可以是10μm以上100μm以下。
《冲击缓和机构》
图2中扩大示出的冲击缓和机构4具有：在与碰撞方向(X方向)大致垂直的方向(Y方向)上被突出地设置于固定构件1，一侧边被固定的带板状的止动部5；以及在碰撞方向(X方向)上突出地设置于可动构件3的突条部6。另外，固定构件1在止动部5的后面(和突条部6相反的一侧)形成狭缝状空间7。
止动部5和突条部6与固定构件1、弹性体2及可动构件3一样，例如可以用硅材料形成，固定构件1或可动构件3优选形成为一体。
(止动部)
止动部5形成为在垂直于X-Y方向的Z方向上延伸的带板状，Y方向的一侧(图中的下侧)的侧边被固定在固定构件1，另一侧(图中的上侧)的侧边未固定。
止动部5的平均宽度(Y方向上的平均长度)为能够确保为了缓和可动构件3碰撞时的冲击力而所需的变形量的宽度即可，例如可以是2μm以上100μm以下。此外，止动部5的宽度可以根据Z方向上的位置而不同，典型地，可以根据制造技术上的限制等在Z方向上以一定比例变化。
止动部5的平均厚度(X方向的平均长度)对应可动构件3的质量等能够确保必要的强度和可挠性的厚度即可，例如可以是1μm以上20μm以下。此外，止动部5的厚度可以根据Z方向的位置和Y方向的位置而不同，典型地，由于制造技术上的限制等可以在Z方向上以一定比例变化。
止动部5的Z方向的平均长度可以与固定构件1的平均厚度相等。
另外，形成在止动部5的后面的空间7具有在止动部5的理论最大弯曲时，止动部5的自由侧边不和固定构件1抵接的X方向宽度。具体来说，空间7的X方向的宽度大于将止动部5弯曲成使得其固定侧边处在突条部6的与止动部5的自由侧边对应的位置处的切线方向上延伸时的止动部5的自由侧边的X方向的移动量即可。由此，止动部5的外观上的弹簧常数连续且平滑地上升，可以平滑地吸收可动构件3的运动量。
(突条部)
突条部6在X方向上最突出的顶点在接近于止动部5的自由端一侧的侧边的位置与X方向相对。另外，突条部6相对于止动部5的接触面在碰撞方向(X方向)及止动部5的突出方向(Y方向)的截面上，在其顶点位置和与止动部5的固定侧边对应的位置之间呈凸状弯曲。另外，突条部6具有以其顶点为基准，Y方向的一侧(止动部5的固定侧边)比另一侧还要长的非对称形状。
考虑到止动部5的预定变形量等，突条部6在X-Y平面上X方向的最大突出高度被设计为可动构件3不接触到固定构件1，例如可以是0.1μm以上20μm以下。这个突条部6的X方向的最大突出高度可以根据Z方向的位置和Y方向的位置而不同，典型地，由于制造技术上的限制等可以在Z方向上以一定比例变化。
突条部6的基端(可动构件3的边界面)的Y方向的平均宽度例如可以是止动部5的Y方向的平均宽度的0.7倍以上1.5倍以下。
突条部6的Z方向的平均长度可以和可动构件3的平均厚度相等。
《作用》
该MEMS器件在可动构件3和固定构件1的可碰撞部分处设置了上述冲击缓和机构4，可动构件3和固定构件1不直接抵接，接触面积较小。因此，该MEMS器件不易发生粘连现象。
另外，该MEMS器件中，在可动构件3和固定构件1发生碰撞时，首先，如图3所示，突条部6的顶点与止动部5的自由端一侧的侧边附近的位置P1相抵接。
可动构件3进一步向固定构件一侧移动的情况下，突条部6使得止动部5发生弹性变形，将止动部5弯曲成使得止动部5的自由端一侧的侧边被压入后面的空间7。反过来说，止动部5因为弹性变形，而起到承受住固定构件1运动量的板弹簧的作用。
若止动部5弯曲，则由于止动部5和突条部6的相对面的弯曲使得突条部6的X方向的顶点无法接触到止动部5。也就是说，可动构件3和固定构件1的碰撞力越大越是增大止动部5的弹性变形量，突条部6和止动部5的抵接区域边缘位置向接近止动部5的固定侧边的方向移动。另外，突条部6和止动部5的抵接由于两者的弹性变形而使得抵接的面积较为微小，因此，使用“抵接区域”来表示，以下，该位置都使用“外侧位置”。此外，图3的冲击缓和机构4的抵接区域在俯视下可以视为大致呈点状。
突条部6和止动部5的抵接区域越接近止动部5的固定侧边，止动部5的表面弹簧常数(由止动部5的弹性力而产生的有效X方向反作用力与突条部6的X方向的位移量之比)变得越大。因此，在可动构件3和固定构件1碰撞的初期阶段，止动部5利用比较小的弹簧常数来缓和突条部6和止动部5的碰撞冲击，防止两者的脆性破坏(破损、缺裂)。另一方面，在之后的阶段中，止动部5逐渐增大表面弹簧常数，抑制因变形而产生的应力集中，承受住可动构件3的运动量，而不会产生延性破坏。
可动构件3的运动量越大，则突条部6和止动部5的抵接区域越接近止动部5的固定侧边，随之止动部5的表面弹簧常数变得越大，能够吸收可动构件3更大的运动量。然后，如图4所示，突条部6和止动部5的抵接区域P2到达止动部5的固定侧边，该抵接区域P2的位置(作用点)和止动部5的固定侧边(支点)在Y方向的距离大约为零，止动部5没有弯曲力矩作用，作为止动部5的板弹簧的表面弹簧常数变得极大。通过增大该止动部5的表面弹簧常数，来防止止动部5的过度变形，从而防止止动部5的延性破坏。
图4的状态下，由于止动部5的根部及固定构件1的支撑止动部5的部分在X方向被压缩而被容许的可动构件3的移动量比由于止动部5弯折而被容许的移动量要大。另外，止动部5和固定构件1压缩变形的情况下，突条部6及突条部6附近的可动构件3也同样压缩变形。这种X方向的压缩变形对应突条部6的突出形状而逐渐增大止动部5和突条部6的接触面积。另外，止动部5和其附近的固定构件1以及突条部6和其附近的可动构件3的压缩变形所相关的表面弹簧常数随着固定构件1在X方向上的移动而增大。由此，在碰撞的后期，由止动部5和其附近的固定构件1以及突条部6和其附近的可动构件3的压缩变形来吸收碰撞力，同时由于抵接面积的增大而应力得到缓和，从而防止各部件的延性破坏。
《MEMS器件的制造方法》
该MEMS器件可以通过以下步骤来制造：在成为基座的材料(例如硅基板)上隔着牺牲层层叠形成有固定构件1、弹性体2、可动构件3及冲击缓和机构4的材料层(例如硅基板)的步骤；通过DRIE(Deep Reactive Ion Etching：深反应离子刻蚀)等在上述材料层形成图案，来形成固定构件1、弹性体2、可动构件3及冲击缓和机构4的平面形状的步骤；以及除去牺牲层，将弹性体2、可动构件3和冲击缓和机构4从基座分离的步骤。
根据该制造方法，冲击缓和机构4与固定构件1及可动的构件3形成为一体。也就是说，止动部5作为固定构件1的一部分和固定构件1形成为一体，突条部6作为可动构件3的一部分和可动构件3形成为一体。由此，形成微小但不易破损的冲击缓和机构4。
[第二实施方式]
图5的冲击缓和机构4a可以代替图2的冲击缓和机构4而适用于图1的MEMS器件。
图5的冲击缓和机构4a具有：在与碰撞方向(X方向)大致垂直的方向(Y方向)上被突出地设置于固定构件1，一侧边被固定的带板状的止动部5a；以及在碰撞方向(X方向)上突出地设置于可动构件3的突条部6。图5的冲击缓和机构4a的突条部6的结构和图2的冲击缓和机构4的突条部6的形状等相同，因此省略重复说明。
(止动部)
止动部5a形成为与X-Y方向垂直的Z方向上延伸的带板状，Y方向的一侧的侧边被固定在固定构件1，其他侧边未被固定。该止动部5a形成为X方向的厚度朝固定侧边变大。图5的冲击缓和机构4a的结构除了上述平面形状以外，其他的形状等均和图2的冲击缓和机构4的形状等相同，因此省略重复说明。
《作用》
图5的冲击缓和机构4a的止动部5a的厚度越接近固定侧侧边则越大，因此对于突条部6和止动部5a的抵接区域的移动，止动部5a的表面弹簧常数则更大地上升。由此，能更可靠地防止碰撞后期的过度变形，而不会降低碰撞初期的冲击缓和能力。
[第三实施方式]
图6的冲击缓和机构4b可以代替图2的冲击缓和机构4适用于图1的MEMS器件。
图6的冲击缓和机构4b具有：在与碰撞方向(X方向)大致垂直的方向(Y方向)上被突出地设置于固定构件1，两侧边被固定的带板状的止动部5b；以及在碰撞方向(X方向)上突出地设置于可动构件3的突条部6。图6的冲击缓和机构4b的突条部6的结构和图2的冲击缓和机构4的突条部6的形状等相同，因此省略重复说明。
(止动部)
止动部5b形成为在与X-Y方向垂直的Z方向上延伸的带板状，Y方向上两侧侧边被固定在固定构件1。也就是说，该止动部5b两边固定。另外，固定构件1在止动部5b的后面形成有空间7，该空间7使得即使突条部6和止动部5b的固定侧边相抵接的状态下，止动部5b也不会与固定构件1抵接。图6的冲击缓和机构4b的止动部5b结构除了上述的平面形状以外，其他形状等均和图2的冲击缓和机构4的形状等相同，因此省略重复的说明。
《作用》
图6的冲击缓和机构4b中，在碰撞的初期阶段，突条部6的X方向的顶点抵接在止动部5b的Y方向的中心附近。接着，突条部6在X方向上将止动部5b压入使之变形的情况下，突条部6具有偏向Y方向的一侧的接触面，所以突条部6和止动部5b的抵接区域偏向止动部5b的一个固定侧侧边而扩大，该抵接区域边缘靠近止动部5b的一个固定侧边。因此，图6的冲击缓和机构4b中，相对于突条部6在X方向上的压入量，止动部5b的表面弹簧常数随着碰撞力的增加而增大。由此，图6的冲击缓和机构4b既能够防止碰撞初期的脆性破坏，又能够防止碰撞后期的延性破坏。
[第四实施方式]
图7的冲击缓和机构4c可以代替图2的冲击缓和机构4适用于图1的MEMS器件。
图7的冲击缓和机构4c具有：在与碰撞方向(X方向)大致垂直的方向(Y方向)上被突出地设置于固定构件1，一侧边被固定，且另一侧边未被固定的带板状的止动部5c；以及在碰撞方向(X方向)上突出地设置于止动部5c的突条部6c。图7的冲击缓和机构4c的止动部5c的结构除了突出地设置有突条部6c以外，和图2的冲击缓和机构4中的止动部5形状等相同，因此省略重复说明。另外，图7的冲击缓和机构4c的突条部6c的结构除了配设位置不同以外，和图2的冲击缓和机构4中的突条部6形状等相同，因此省略重复说明。
《作用》
图7的冲击缓和机构4c的止动部5c的结构中，首先突条部6c的顶点抵接在可动构件3，由于碰撞力而引起的止动部5c的弹性变形，使得突条部6c和可动构件3的抵接区域向止动部5c的固定侧侧边移动。由此，可动构件3和固定构件1的碰撞力越大，止动部5c的表面弹簧常数就越大。由此，图7的冲击缓和机构4c既能够防止碰撞初期的脆性破坏，又能够防止碰撞后期的延性破坏。
[第五实施方式]
图8的冲击缓和机构4d可以代替图2的冲击缓和机构4适用于图1的MEMS器件。
图8的冲击缓和机构4d具有：在与碰撞方向(X方向)大致垂直的方向(Y方向)上被突出地设置于固定构件1，两侧边被固定的带板状的止动部5d；以及在碰撞方向(X方向)上突出地设置于可动构件3的第1突条部6d1和在碰撞方向(X方向)上突出地设置于止动部5d的第2突条部6d2。图8的冲击缓和机构4d的止动部5d的结构除了突出地设置有第2突条部6d2以外，和图5的冲击缓和机构4a中的止动部5a的形状等相同，因此省略重复说明。
(突条部)
第1突条部6d1和第2突条部6d2由于可动构件3接近固定构件1而互相抵接，因碰撞力而引起的止动部5d的弹性变形使得形成为第1突条部6d1和第2突条部6d2的抵接区域向止动部5d的一个固定侧侧边移动的形状。
关于图8的冲击缓和机构4d中的第1突条部6d1和第2突条部6d2的宽度、突出高度等，可以和图2的冲击缓和机构4中的突条部6的形状等相同。
第2突条部6d2的Z方向的平均长度可以和可动构件3的平均厚度相等。
《作用》
图8的冲击缓和机构4d通过具备与突条部6d相对的第2突条部6d2，从而可以增大突条部6d从而不会降低碰撞初期的止动部5d的表面弹簧常数，并且能够调整抵接区域相对于可动构件3的移动量而向固定侧侧边的移动量。
[第六实施方式]
图9的冲击缓和机构4e可以代替图2的冲击缓和机构4适用于图1的MEMS器件。
图9的冲击缓和机构4e具有：在与碰撞方向(X方向)大致垂直的方向(Y方向)上被突出地设置于固定构件1，两侧边被固定的带板状的止动部5b；以及在碰撞方向(X方向)上被突出地设置于可动构件3的突条部6e。图9的冲击缓和机构4e的止动部5b的结构与图6的冲击缓和机构4b的止动部5b的结构相同，因此省略重复的说明。
(突条部)
图9的冲击缓和机构4e的突条部6e形成为在碰撞方向(X方向)上大致呈梯形形状突出地弯曲，在Z方向上延伸的带板状，Y方向上的两侧的侧边被固定在可动构件3。该突条部6e的后面(固定构件1的相反侧)，形成有能够因该突条部6e的弹性变形而供其后退的空间8。该突条部6e可以相对于止动部5b在Y方向上偏移。
突条部6e的平均厚度被设计成对应于可动构件3的质量等能够确保必要的强度和可挠性的厚度即可，例如可以是1μm以上20μm以下。另外，突条部6e的厚度可以根据Z方向的位置及Y方向的位置而不同，典型地，可以因制造技术上的限制等在Z方向上以一定比例变化。
图9的冲击缓和机构4e的突条部6e在X方向上的平均突出高度和Z方向上的长度可以与图1的冲击缓和机构4中的突条部6的平均突出高度和Z方向上的长度相同。
《作用》
图9的冲击缓和机构4e中，止动部5b及突条部6e共同发生弹性变形，缓和可动构件3和固定构件1之间的碰撞冲击。另外，关于图9的冲击缓和机构4e，可动构件3和固定构件1的碰撞力越大，止动部5b和突条部6e的抵接区域越扩大，Y方向两侧的抵接区域边缘位置分别靠近止动部5b的固定侧边。因此，图9的冲击缓和机构4e既能防止碰撞初期的脆性破坏，又能防止碰撞后期的延性破坏。
[其他实施方式]
上述的实施方式并不限定本发明的结构。因此，上述的实施方式可以根据本说明书的记载及技术常识来对上述实施方式的各部分的构成要素进行省略、置换或追加，变形后的实施方式都应被看作是属于本发明的范围内。
上述各实施方式中，固定构件设置有止动部，还可以在可动构件设置止动部，也可以在该止动部或固定构件设置突条部。
另外，突条部形成为带板状的情况下，可以是只固定一侧边，另一侧边不固定的悬臂状。
另外，止动部或突条部也可以与固定构件及可动构件分开形成。
另外，突起状的突条部可以像图9的带板状的突条部那样在止动部的突出方向上呈前后对称，带板状的突条部也可以像图1的突起状的突条部那样在止动部的突出方向上呈前后不对称。
另外，止动部也可以在碰撞力较大时与设置该止动部的固定构件或可动构件抵接，由此急剧增大反作用力。
另外，该MEMS器件中的冲击缓和机构的数量和配置可以自由变更。
[产业上的应用]
该MEMS器件例如可适用为加速度传感器、陀螺仪传感器等MEMS器件。
[符号的说明]
1 固定构件，
2 弹性体，
3 可动构件，
4，4a，4b，4c，4d，4e冲击缓和机构，
5，5a，5b，5c，5d止动部，
6，6c，6d1，6d2，6e突条部，
7，8空间。

Claims (1)

1.一种MEMS器件，具有固定构件和通过弹性体可振动地得到支撑的可动构件，其特征在于：
具备设置于该可动构件和固定构件的可碰撞部分处的冲击缓和机构，
该冲击缓和机构具有：
带板状的止动部，该止动部在与碰撞方向垂直的方向上，以所述固定构件和所述可动构件的其中之一为起点，被突出地设置于所述固定构件及所述可动构件的所述其中之一，且至少一侧边被固定；以及
突条部，该突条部在碰撞方向上，被突出地设置于所述固定构件及所述可动构件中的另一个、或者所述止动部，
该突条部及止动部构成为当所述可动构件和所述固定构件的碰撞力越大，抵接区域边缘位置越靠近止动部的固定侧边，
所述止动部的另一侧边未被固定，
所述突条部的抵接面在所述碰撞方向和所述止动部的突出方向的截面上，其顶点位置和与所述止动部的固定侧边相对应的位置之间呈凸状弯曲，
所述止动部中被突出地设置在与所述碰撞方向垂直的方向上的带板状的部分形成为在所述碰撞方向上的厚度朝所述止动部的固定侧边变大。
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