CN109643961B - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

半导体装置具备固定电极(11)、可动电极(12)以及弹性支承体(13)。可动电极与固定电极的主面(11b)对置，沿着主面能够相对于固定电极相对移动。弹性支承体将可动电极以能够在伸缩方向上移动的方式支承。固定电极和可动电极中的一方是驻极体电极。固定电极以及可动电极在伸缩方向上周期性地形成有多个电极部。构成固定电极以及可动电极的电极部的形成周期，比从可动电极静止的状态到弹性支承体压缩最大的状态为止的可动电极的移动距离的2倍小。在可动电极静止的状态中，将主面主视时，可动电极配置在固定电极与可动电极不重叠的位置。在可动电极振动的状态中，出现固定电极与可动电极重叠的状态。

Description

半导体装置

相关申请的交叉引用

本申请基于2016年8月24日提出的日本申请号2016-164006号，在此引用其记载内容。

技术领域

本公开涉及将振动的能量变换为电力的半导体装置。

背景技术

近年来，作为对环境的负荷少的发电手段，使用作为保持永久电极化的物质的驻极体的发电受到关注。如专利文献1记载的那样，在使用驻极体的发电装置中，通过由驻极体形成的静电场，在对置的电极产生感应电荷，使驻极体与对置电极的重叠面积变化，由此能够使得与对置电极连接的外部电路中产生交流电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2014-226003号公报

发明内容

此外，专利文献1中公开了设有如下制动器的半导体装置，该制动器用来针对相对于被固定的驻极体相对可动的可动电极，限制由振动引起的过度移动。制动器通过与形成有可动电极的可动体接触，限制可动体的移动。如果制动器与可动体持续接触，则制动器以及可动体上积蓄由碰撞引起的损伤。该损伤有可能导致半导体装置的可靠性的降低。

本公开的目的在于提供能够实现可动部的非接触下的制动的半导体装置。

根据本公开的一个方式，半导体装置具备固定电极、可动电极以及弹性支承体。可动电极与固定电极的主面对置，沿着主面能够相对于固定电极相对移动。弹性支承体将可动电极以能够在伸缩方向上移动的方式支承。

固定电极和可动电极中的某一方是驻极体电极。固定电极以及可动电极在伸缩方向上周期性地形成有多个电极部。构成固定电极以及可动电极的电极部的形成周期，比从可动电极静止的状态到弹性支承体压缩最大的状态为止的可动电极的移动距离的2倍小。

在可动电极静止的状态中，在将主面主视时，可动电极配置在固定电极与可动电极不重叠的位置上。在可动电极振动的状态中，出现固定电极与可动电极重叠的状态。

根据本公开的一个方式，在可动电极比半周期大地位移时，除了基于弹性支承体的弹簧常数的、对于位移而言线性的制动，还有基于在可动电极与固定电极之间产生的静电电容的、对于位移而言非线性的力学上的力附加到制动力中。即，在可动电极比半周期大地位移时，能够产生比仅基于弹性支承体的复原力大的复原力。

因此，不用像以往那样设置制动器就能够限制可动电极的移动，所以不会发生由与制动器的碰撞引起的可动电极或保持可动电极的可动体的破损。也就是说，能够抑制由碰撞引起的损伤，并且能够实现可动部的制动。

附图说明

关于本公开的上述目的及其他目的、特征及优点通过参照所附的附图进行的下述的详细叙述而变得更加明确。

图1是表示第1实施方式中的可动电极以及固定电极的构造的俯视图。

图2是沿着图1中的II-II线的截面图，是表示可动电极以及固定电极的构造的图。

图3是表示可动电极的位移与静电电容的关系的图。

图4是表示可动电极的运动模型的图。

图5是将可动电极的运动模型简化的图。

图6是表示可动电极的位移与施加在可动电极上的力的关系的图。

图7是表示变形例中的可动电极的构造的俯视图。

图8是表示第2实施方式中的可动电极以及固定电极的构造的截面图。

图9是表示其他实施方式中的可动电极以及固定电极的构造的俯视图。

具体实施方式

以下，基于附图对本公开的实施方式进行说明。另外，在以下的各图彼此中，对于相互相同或等同的部分，赋予相同的标号。

(第1实施方式)

首先，参照图1以及图2对本实施方式的半导体装置的概略结构进行说明。另外，图1为俯视图，但为了构成要素的识别容易性，俯视图中被施加了阴影。

该半导体装置例如是将日常中发生的振动的能量变换为电力的装置。该半导体装置例如搭载于车辆，将通过车辆的振动而发电的电力作为车载传感器的电源，由此不用在车载传感器上连接电池等外部电源就能够实现少的线束下的驱动。

如图1以及图2所示，半导体装置100具备导电性基板10、固定在导电性基板10上的固定电极11、配置在与固定电极11的主面11b对置的位置上的可动电极12、安装于可动电极12并支承可动电极12的弹簧构造体13、以将可动电极12以及固定电极11包围并保护的方式配置的框部14。可动电极12经由弹簧构造体13支承于框部14，并且通过弹簧构造体13的伸缩能够相对于框部14以及固定电极11相对移动。

导电性基板10例如是以硅为主成分的基板。如图2所示，在导电性基板10的一面固定有构成固定电极11的多个电极11a。导电性基板10连接于基准电位(例如接地电位)，对所连接的负载200赋予基准电位。此外，导电性基板10经由绝缘膜15固定有后述的框部14。即，导电性基板10还具有支承框部14或可动电极12的功能。

固定电极11如图1以及图2所示，多个电极11a以条纹状形成在基板10上而形成。电极11a还称为电极部11a。本实施方式中的电极11a是驻极体，通过电晕放电或电子束照射、X射线充电等方法而处于带电的状态。通过在电极11a保持电荷，在构成固定电极11的电极11a的周围产生静电场，在对置的可动电极12以及感应性基板10产生感应电荷。

构成固定电极11的电极11a是单方向上长的直方体，在短边方向上以规定间隔排列而呈条纹状。也就是说，固定电极11为电极11a在短边方向上周期性地排列的构造。电极11a的短边方向的长度(以下称为宽度)为w。

可动电极12是与固定电极11的主面11b对置而配置的电极，由多个电极12a以条纹状形成而构成。电极12a还称为电极部12a。可动电极12例如以硅为主成分构成。构成可动电极12的电极12a与构成固定电极11的电极11a同样，是单方向上长的直方体，在短边方向上以规定间隔排列而呈条纹状。

也就是说，可动电极12为电极12a在短边方向上周期性地排列的构造。电极12a的长边方向与电极11a的长边方向一致，如图1所示，电极12a和电极11a既可以成为相互不同的状态，并且也可以是可动电极12在电极12a的短边方向上移动，由此成为电极12a和电极11a重叠的状态。

构成可动电极12的多个电极12a如图1所示，在长边方向的端部相互相连，作为整体形成为一体的可动电极12。换言之，可动电极12为以梯子状打穿的状态，以使得在将固定电极11的主面11b主视时，固定电极11为可视状态。也就是说，可动电极12为所谓虫笼窗那样的形态。

本实施方式中的电极12a的宽度是与构成固定电极11的电极11a的宽度相同的w。并且，在如图1或图2所示的、电极12a位于相邻的电极11a的正中央的状态中，电极11a与电极12a的短边方向的相离距离为s。即，构成固定电极11的电极11a的短边方向的形成周期为2w+2s。此外，构成可动电极12的电极12a的短边方向的形成周期也为2w+2s。

可动电极12能够在电极12a的短边方向上移动，相对于固定电极11相对地移动。因此，如图1以及图2那样，有电极11a与电极12a不重叠的状态、和电极11a与电极12a重叠的状态。在将主面11b主视时，电极11a完全被电极12a遮挡的状态是固定电极11与可动电极12之间的静电电容最大(Cmax)的状态，驻极体产生的静电场在可动电极12感应出最多的电荷。

另一方面，如图1以及图2所示，电极12a位于相邻的电极11a的正中央的状态是在将主面11b主视时电极11a与电极12a相离最远的状态，是固定电极11与可动电极12之间的静电电容最小(Cmin)的状态。

弹簧构造体13相当于弹性支承体，通过构成为能够在电极12a的短边方向上伸缩，将可动电极12可移动地支承。弹簧构造体13在构成可动电极12的电极12a的短边方向、即排列方向的两端部分别各形成一个，合计两个弹簧构造体13支承可动电极12。弹簧构造体13介于框部14与可动电极12之间。也就是说，可动电极12经由弹簧构造体13支撑于框部14。

如上所述，框部14经由绝缘膜15固定于导电性基板10。因此，可动电极12能够相对于导电性基板10、进而固定电极11和框部14相对地移动。

弹簧构造体13只要构成为在电极12a的短边方向上伸缩，则可以采用任何弹性构造，在本实施方式中为例如折叠弹簧方式或双折叠弹簧方式的弹簧构造。如图1所示，弹簧构造体13通过对于菱形的硅板以留下外框的方式将中央打穿来产生弹性。弹簧构造体13在其伸缩方向上介于框部14与可动电极12之间。在对半导体装置100没有施加外力而可动电极12静止时，弹簧构造体13的伸缩方向的宽度为l。

另外，在本实施方式中，可动电极12、弹簧构造体13、框部14都是以硅为主成分的导电体，一体地形成。具体而言，通过将一张硅板进行构图(patterning)，通过同一工序形成梯子状的可动电极12、弹簧构造体13以及将它们包围的框部14。

另外，外部的负载200如图2所示连接在上述导电性基板10与框部14之间。框部14经由弹簧构造体13而与可动电极12电连接，因此负载200实质上连接在可动电极12与导电性基板10之间。可动电极12如果被从外部施加振动，则在弹簧构造体13的伸缩方向上振动，通过驻极体的静电场感应出电荷。可动电极12中感应出的电荷流经负载200。

在本实施方式中，如上所述，在对半导体装置100没有施加外力而可动电极12静止时，弹簧构造体13的伸缩方向的宽度为l，此时，电极12a为位于相邻的电极11a的正中央的状态。即，在可动电极12静止时，可动电极12与固定电极11不重叠。此外，弹簧构造体13的伸缩方向的宽度l与弹簧构造体13被压缩最大时的可动电极12的位移量大致相等。

进而，本实施方式中的半导体装置100中，构成固定电极11的电极11a或构成可动电极12的电极12a的形成周期(2w+2s)比弹簧构造体13的伸缩方向的宽度l的2倍(2l)小。即，满足w+s＜l的关系。

接着，参照图3～图5对可动电极12的运动进行说明。

首先，对固定电极11与可动电极12之间的静电电容进行说明。

在将弹簧构造体13的伸缩方向设为x方向时，静电电容C(x)如图3所示地变化。对于图3所示的横轴而言，设电极11a与电极12a完全重叠的状态为x＝0，表示可动电极12位移的距离，纵轴表示静电电容C(x)。

如图3所示，静电电容在x＝0取最大值Cmax。另一方面，如图1以及图2所示，在电极12a位于相邻的电极11a的正中央的状态(x＝w+s)下取最小值Cmin。关于静电电容的实测值，根据电极11a以及电极12a的形成周期性，能够用三角函数近似。在被设想为可动电极12a的可动域的0≤x≤w+s的范围内，近似精度尤其高。即，静电电容能够如公式1那样近似

(公式1)

[数学式1]

公式1中，φ是与相位差相关的常数。在本实施方式中，在可动电极12静止时，是电极12a位于相邻的电极11a的正中央的状态，所以φ＝0。此外，在以下的说明中，关于位移x的定义，将电极12a位于相邻的电极11a的正中央的状态重新设为x＝0，将电极11a与电极12a完全重叠的状态重新设为x＝w+s。

此外，本实施方式中的半导体装置100能够作为图4所示的模型来考察运动。即，是将作为驻极体的固定电极11以及可动电极12简化为没有构图(patterning)的结构、并且具备相当于弹簧构造体13的弹簧常数k的弹簧的模型。固定电极11保持起因于驻极体的电荷，其表面电位为Vs。在导电性基板10与可动电极12之间连接有电阻值为R_L的负载200。在可动电极12与固定电极11之间产生静电电容C(x)。

另外，将弹簧的伸缩方向设为x，可动电极12受到外力而在x方向上振动。此外，在可动电极12的移动时，因空气阻力或与弹簧构造体13的伸缩有关的阻力而可动电极12的振动衰减，将与这些衰减有关的衰减常数设为c。

将图4所示的模型简化得到的是图5所示的模型。即，将表面电位以及负载200的电阻值设为零。并且，代替负载200，在固定电极11与可动电极12之间设定产生电位差Vs的电源。

在图5所示的模型中，对于外力f的可动电极12的运动方程式如公式2。另外，将可动电极12的质量设为m。

(公式2)

[数学式2]

公式2中，右边第1项是可动电极12的惯性项。第2项是由衰减常数c规定的衰减项，与可动电极12的速度成比例。第3项是基于弹簧构造体13的弹性项。第4项是起因于在可动电极12与固定电极11之间产生的静电场的静电项。

如果向公式2代入公式1，并且设φ＝π，A＝(Cmax-Cmin)×π/2(w+s)，则成为如公式3那样。

(公式3)

[数学式3]

进而，如果将公式3的右边第4项泰勒展开，例如将4次项以后省略，则公式3能够如公式4那样近似。

(公式4)

[数学式4]

公式4中，右边第3项是对于可动电极12的位移x，线性地变动的力的项。并且，其系数比弹簧常数k小。即，与仅在弹簧构造体13的作用下可动电极12振动的形态相比，线性地作用的制动力变小。另一方面，公式4中，右边第4项是对于可动电极12的位移x，非线性地变动的力的项。

接着，参照图6对采用本实施方式中的半导体装置100而带来的作用效果进行说明。

图6示出了公式3中关于尤其对位移x贡献于可动电极12的复原的弹性项(第3项)和静电项(第4项)。

仅有弹性项的情况下，如在图6中用虚线表示的那样，将弹簧常数k作为比例常数，随着位移x的增加而线性地产生复原力。

如果对弹性项附加基于静电项的复原力，则如在图6中用实线表示的那样，规定的位移量之前是比仅弹性项的复原力小的复原力，如果可动电极12比规定的位移量更大地位移，则作用比仅弹性项的复原力大的复原力。这里，规定的位移量相当于w+s。

即，本实施方式中的可动电极12在位移为0≤x≤w+s的范围中，以比仅基于弹簧构造体13的制动更弱的力发现复原力(以下，称为软弹簧效果)。另一方面，在x＞w+s的范围中，以比仅基于弹簧构造体13的制动更强的力发现复原力(以下，称为硬弹簧效果)。

软弹簧效果是通过在公式4所示的第3项中对于位移x的线性系数比弹簧常数k小而产生的。硬弹簧效果是通过在公式4所示的第4项中对于位移x的非线性项的贡献变大而产生的。

并且，本实施方式中的半导体装置100中，w+s比作为弹簧构造体13的最大压缩量的l小。因此，在弹簧构造体13达到压缩最大的状态之前，发挥硬弹簧效果，所以不用像以往那样设置制动器等的接触型制动装置，而能够实现可动电极12的非接触方式的制动。

此外，在位移为0≤x≤w+s的范围中，与仅有弹簧构造体13的情况相比复原力小，所以在较小的振动下也容易使可动电极12振动。即，能够提高发电的响应性。

另外，与本实施方式不同，如果假设在可动电极12静止的状态下可动电极12与固定电极11重叠的状态，则φ＝0，公式3中第4项的符号反转。在该情况下，对于位移x的线性系数会比弹簧常数k大，在位移为0≤x≤w+s的范围中产生硬弹簧效果。进而，在位移为x＞w+s的范围中产生软弹簧效果。即，不仅会阻碍0≤x≤w+s的范围中的可动电极12的运动，而且在x＞w+s的范围中会减弱制动力。

像这样，在可动电极12静止的状态下，电极12a配置在与相邻的电极11a的中央附近越近的位置，则越能起到0≤x≤w+s的范围中的软弹簧效果、以及x＞w+s的范围中的硬弹簧效果。上述效果发挥最大的效果的是在可动电极12静止的状态下电极12a位于相邻的电极11a的正中央时。即，是可动电极12相对于固定电极11在伸缩方向上偏离半周期而配置时。

此外，在本实施方式中，可动电极12与弹簧构造体13一体地形成，由相同的导电性材料(例如硅)构成。据此，与对弹簧构造体另形成电连接用布线的情况相比，能够提高连接可靠性。弹簧构造体几乎总是进行伸缩动作，所以在弹簧构造体的侧面等形成连接用布线是不被优选的。相对于此，通过如本实施方式那样弹簧构造体13自身与可动电极12电连接，能够提高连接可靠性。

(变形例)

在第1实施方式中，可动电极12经由弹簧构造体13连接于框部14，框部14连接于负载200。由此，可动电极12与负载200的电连接得以确保。

此外，由于框部14是导电性的，所以在框部14与经由绝缘膜15的导电性基板10之间会产生寄生电容。也就是说，通过由振动引起可动电极12位移而发电的电荷向该寄生电容流出，针对发电的响应性有可能降低。

相对于此，本变形例中的半导体装置110如图7所示，框部14被缝隙14a分离为第1框部14b和第2框部14c。缝隙14a也称为沟槽14a。具体而言，框部14被缝隙14a分离为与弹簧构造体13电连接的第1框部14b和第1框部14b以外的第2框部14c。缝隙14a以贯通框部14而达到绝缘膜15的方式形成，将第1框部14b和第2框部14c电分离。尤其，缝隙14a形成在弹簧构造体13与框部14的连接部分附近，将固定电极11的主面11b主视时的第1框部14b的面积比第2框部14c的面积小。

据此，由于可能作为寄生电容而产生的框部14的区域是第1框部14b的比较小的区域，所以与没有形成缝隙14a的第1实施方式的半导体装置100相比，能够使寄生电容变小。即，能够提高针对发电的响应性。

(第2实施方式)

在上述的第1实施方式中，示出了固定电极11为驻极体的例子，但也可以在可动电极12侧采用驻极体。

如图8所示，对于半导体装置120而言，构成固定电极11的电极11a例如由硅构成，形成在例如以硅为主成分的导电性基板10上。另一方面，与固定电极11对置的可动电极12具有由驻极体构成的电极12a。构成可动电极12的电极12a形成于例如以硅为主成分的导电性基板16。

即，可动电极12由导电性基板16和作为驻极体的电极12a接合而构成，一体地可动。电荷通过电晕放电等的带电手段而在电极12a与导电性基板16的界面上产生，产生永久电极化。

在本实施方式中，构成固定电极11的电极11a和构成可动电极12的电极12a也形成为条纹状，各自的宽度及形成周期与第1实施方式相同。关于可动电极12与固定电极11的相对的位置关系以及位移，由于与第1实施方式相同，因此在可动电极12静止的状态下，电极12a位于相邻的电极11a的正中央时，起到0≤x≤w+s的范围中的软弹簧效果以及x＞w+s的范围中的硬弹簧效果。

(其他实施方式)

以上，对本公开的优选的实施方式进行了说明，但本公开不受上述实施方式的任何限制，在不脱离本公开的主旨的范围中，能够进行各种变形来实施。

在上述的各实施方式中，示出了构成固定电极11的电极11a以条纹状构成，构成可动电极12的电极12a以条纹状构成的例子，但各电极11a、12a的形状并不限定于条纹状。

例如在图9所示的半导体装置130中，固定电极12在打穿的部分和残留的部分具有大致方格状的栅格构造。并且，在将固定电极11的一面11b主视时，构成固定电极11的电极11a形成为大致方格状，以便在可动电极12静止的状态下能够从可动电极12的被打穿的部分辨认。

在该形态中，可动电极12的可动方向、即弹簧构造体13的伸缩方向上的电极11a的形成周期也为2w+2s，电极12a的形成周期也为2w+2s。并且，在可动电极12静止的状态下，电极12a构成为，位于相邻的电极11a的正中央，并且满足l＞w+s，由此起到0≤x≤w+s的范围中的软弹簧效果、以及x＞w+s的范围中的硬弹簧效果。

此外，在上述的各实施方式中，作为与驻极体对置的电极的构成材料而例示了硅，但只要起到作为电极的功能，则并不限定构成材料，例如可以采用铜或铝、金。此外，在配置电极的导电性基板10、16中，也作为构成材料而例示了硅，但并不限定于硅。但是，作为与驻极体接合的对象的导电性基板，优选选择在与驻极体的界面容易保持电荷的材料。

本公开根据实施方式进行了叙述，但可理解为本公开并不限定于该实施方式或构造。本公开还包含多种变形例及等同范围内的变形。除此之外，各种组合和形态、还有包含它们之中的仅一个要素、一个要素以上、或一个要素以下的其他组合和形态也落入本公开的范畴和思想范围内。

Claims (5)

1.一种半导体装置，具备：

固定电极；

可动电极，与上述固定电极的主面对置，沿着上述主面能够相对于上述固定电极相对地移动；以及

一对的弹性支承体，将上述可动电极以能够在伸缩方向上移动的方式从上述伸缩方向的两侧支承；

上述固定电极和上述可动电极中的某一方为驻极体电极，

上述固定电极以及上述可动电极通过在上述伸缩方向上周期性地形成多个电极部而构成；

构成上述固定电极以及上述可动电极的电极部的形成周期，比从上述可动电极静止的状态到上述一对的弹性支承体中的一个弹性支承体被压缩最大的状态为止的上述可动电极的移动距离的2倍小；

在上述可动电极静止的状态中，将上述主面主视时，上述可动电极配置在上述固定电极与上述可动电极不重叠的位置；

在上述可动电极振动的状态中，出现上述固定电极与上述可动电极重叠的状态。

2.如权利要求1所述的半导体装置，

上述可动电极的电极部相对于上述固定电极的电极部在上述伸缩方向上偏离半周期而配置。

3.如权利要求1所述的半导体装置，

上述可动电极和上述弹性支承体一体地形成，且由相同的导电性材料构成。

4.如权利要求3所述的半导体装置，

具备框体，该框体以支承上述弹性支承体的方式连接上述弹性支承体；

上述框体被沟槽电分离为连接上述弹性支承体的第1框部、和上述第1框部以外的第2框部。

5.如权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，

上述固定电极通过将多个电极部在与上述伸缩方向正交的方向上以条纹状延伸设置而构成；

上述可动电极通过将多个电极部在与上述伸缩方向正交的方向上以条纹状延伸设置而构成。

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