CN111051236B - Mems振动元件的制造方法及mems振动元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供MEMS振动元件的制造方法，该MEMS振动元件具有固定电极、可动电极、以及相对于固定电极弹性支撑可动电极的弹性支撑部，MEMS振动元件的制造方法包括：对第一厚度的基材进行蚀刻加工来形成固定电极及上述可动电极的工序；和对基材进行蚀刻加工而将弹性支撑部形成为比第一厚度薄的第二厚度的工序。

Description

MEMS振动元件的制造方法及MEMS振动元件
技术领域
本发明涉及MEMS振动元件的制造方法及MEMS振动元件。
背景技术
作为从环境振动获取能量的能量收集技术之一，公知使用MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)振动元件亦即振动发电元件从环境振动中进行发电的方法(例如参照专利文献1)。环境振动包括各种频带，但为了有效地进行振动发电，需要使振动发电元件的共振频率与主要频率一致。
在振动发电元件中，由伸臂之类的弹性支撑部来支撑可动电极，通过使可动电极相对于固定电极振动来进行发电。由于振动发电元件的共振频率依存于弹性支撑部的弹簧常数，所以为了使共振频率与主要频率一致，需要调整弹性支撑部的粗细、长度等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-172523号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，主要频率根据作为振动检测对象的环境而分别不同，在现有的振动发电元件中，由于根据对象环境来重新设计弹性支撑部的粗细、长度等，所以无法容易地对应于各种主要频率，从而存在为了进行对应而有耗费成本、劳力和时间的问题。
用于解决课题的方案
本发明的第一方案的MEMS振动元件的制造方法是具有固定电极、可动电极、以及相对于上述固定电极弹性支撑上述可动电极的弹性支撑部的MEMS振动元件的制造方法，包括：对第一厚度的基材进行蚀刻加工来形成上述固定电极及上述可动电极的工序；和对上述基材进行蚀刻加工而将上述弹性支撑部形成为比上述第一厚度薄的第二厚度的工序。
在第一方案的MEMS振动元件的制造方法的基础上，本发明的第二方案的MEMS振动元件的制造方法优选为，在形成上述固定电极及上述可动电极后，形成上述弹性支撑部。
在第一或第二方案的MEMS振动元件的制造方法的基础上，本发明的第三方案的MEMS振动元件的制造方法优选为，上述固定电极及上述可动电极是梳齿构造的电极。
本发明的第四方案的MEMS振动元件具备：固定电极，其形成于基材；可动电极，其形成于上述基材；以及弹性支撑部，其形成于上述基材，并相对于上述固定电极弹性支撑上述可动电极，上述弹性支撑部的至少一部分的基材厚度方向的尺寸比上述固定电极及上述可动电极的基材厚度方向的尺寸小。
在第四方案的MEMS振动元件的基础上，本发明的第五方案的MEMS振动元件优选为，上述固定电极及上述可动电极是梳齿构造的电极。
在第五方案的MEMS振动元件的基础上，本发明的第六方案的MEMS振动元件优选为，上述弹性支撑部的上述一部分的沿弹性支撑部延伸方向的长度尺寸比上述可动电极的梳齿的长度尺寸大。
发明的效果
根据本发明，能够容易地制造对应于各种环境振动的MEMS振动元件。
附图说明
图1是示出振动发电元件的简要结构的示意图。
图2是示出振动发电元件的一部分的立体图。
图3是说明振动发电元件的形成方法的图。
图4是说明图3之后的形成顺序的图。
图5是说明图4之后的形成顺序的图。
图6是说明振动发电元件的形成方法的其它例的图。
图7是说明图6之后的形成顺序的图。
图8是示出变形例1的图。
图9是示出变形例2的图。
图10是示出变形例3的图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。图1是示出本发明的一个实施方式的MEMS振动元件的一例、并示出应用于振动发电元件1的情况的简要结构的俯视图。并且，图2是图1的符号A所示的部分的立体图。
此外，本实施方式的MEMS振动元件并不限定于振动发电元件1，也能够应用于麦克风等。
振动发电元件1具备基体2、固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5。负载6与振动发电元件1连接。在本实施方式中，如图1、图2所示，固定电极3及可动电极4分别具有梳齿构造。在固定电极3形成有多个梳齿30，并在可动电极4形成有多个梳齿40。固定电极3和可动电极4配置为梳齿30与梳齿40相互经由间隙啮合。
这样，固定电极3构成固定梳齿电极，可动电极4构成可动梳齿电极。如图1的固定电极3、可动电极4所示，梳齿电极并列配置有多个梳齿。此外，本发明中的梳齿的根数不限定于图1所示的根数。
本实施方式的振动发电元件1使用硅基板、SOI(Silicon On Insulator)基板并由普通的MEMS加工技术来形成。在图1、图2所示的例子中，由SOI基板形成振动发电元件1，但在使用硅基板的情况下也能够相同地形成。在使用硅基板的情况下，例如，在距导电率较小的本征硅基板的表面为预定厚度的区域内通过掺杂形成P型或N型导电层，在导电层的下部的本征硅层形成基体2，并在导电层形成固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5即可。
如图2所示，SOI基板由Si的处理层100、SiO2的BOX层101以及Si的器件层102构成，基体2由处理层100形成，固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5由器件层102形成。弹性支撑部5的一端由设于弹性支撑部5的图示右侧的固定部50而固定于基体2。在弹性支撑部5的图示左侧前端设有构成可动电极4的梳齿40。
在梳齿30和梳齿40的至少一方且在对置面的表面附近形成有驻极体。即，固定电极3及可动电极4的至少一方带电。若从外部对振动发电元件1施加振动，则弹性支撑部5在z方向上挠曲而可动电极4如箭头R所示地沿z方向振动。其结果，固定电极3与可动电极4的对置面积产生变化，固定电极3与可动电极4之间的静电电容产生变化。因这一情况和驻极体的感应电荷，固定电极3与可动电极4之间的电压产生变化而产生电动势，从而进行振动发电元件1的发电。
如图1所示，负载6通过导线7a与设于固定电极3的垫片8a连接，并且通过导线7b与设于弹性支撑部5的固定部50的垫片8b连接。垫片8b经由弹性支撑部5与可动电极4电连接。对负载6施加通过振动发电元件1的发电而获得的电动势，从而驱动负载6。
在设定弹性支撑部5的弹簧常数k及可动电极4的质量m[kg]时，图1、图2所示的振动发电元件1中的共振频率f[Hz]由下式(1)表示。在将弹性支撑部5的z方向的厚度设为t[m]、将从支点至载荷点为止的距离(即弹性支撑部5的x方向的长度)设为L[m]、将宽度尺寸(即弹性支撑部5的y方向的宽度尺寸)设为b[m]、并将杨氏模量设为E[Pa]时，弹簧常数k由下式(2)表示。此外，在可动电极4的质量不足式(1)所需要的质量m的情况下，将质量调整用的砝码附加到可动电极4上。
(振动发电元件1的形成方法)
接下来，参照图3～图5对振动发电元件1的形成方法的一例进行说明。此处，对使用SOI基板来形成的情况进行说明，但在使用硅基板的情况下也能够相同地形成。此外，图3中，图示上部的图是俯视图，图示下部的图是B-B剖视图。并且，图4、图5中，图示上部的图是俯视图，图示中部的图是C-C剖视图，图示下部的图是D-D剖视图。
在图3的(a)所示的第一步骤中，通过真空蒸镀等在由处理层100、BOX层101以及器件层102构成的SOI基板的器件层102的表面形成铝(Al)层110。
在图3的(b)所示的第二步骤中，通过使用光掩模的光刻加工来形成抗蚀图案111。在抗蚀图案111形成有与弹性支撑部5的俯视形状相当的矩形孔111a。
在图3的(c)所示的第三步骤中，将抗蚀图案111作为掩模来进行铝层110的蚀刻。由此，器件层102在矩形孔111a的区域露出。
在图4的(a)所示的第四步骤中，在除去图3的(c)所示的抗蚀图案111后，形成与固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5的俯视形状相当的抗蚀图案112。此外，在第三步骤中形成于铝层110的矩形孔由抗蚀图案112覆盖。
在图4的(b)所示的第五步骤中，将抗蚀图案112作为掩模来对铝层110进行蚀刻。其结果，除去相当于将与固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5相当的区域除去而得的间隙部分的区域的铝层110，并且器件层102在所除去的区域露出。
在图4的(c)所示的第六步骤中，将抗蚀图案112作为掩模来对器件层102进行DRIE(Deep Reactive Ion Etching)加工。进行蚀刻加工直至到达BOX层101。通过该蚀刻加工，在器件层102形成固定电极3及可动电极4。
在图5的(a)所示的第七步骤中，除去图4的(c)所示的抗蚀图案112。其结果，应形成弹性支撑部5的区域的器件层102露出。
在图5的(b)所示的第八步骤中，将铝层110作为掩模，对器件层102进行DRIE加工直至预定深度。通过该蚀刻加工，在器件层102形成预定厚度t2的弹性支撑部5。
在图5的(c)所示的第九步骤中，在处理层100的表面形成矩形框形状的作为蚀刻掩模的铝图案(未图示)，并通过对处理层100进行DRIE加工，形成矩形框形状的基体2。之后，除去铝层110。此外，利用强氟酸来除去在固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5的下表面侧露出的BOX层(SiO2层)。
之后，在形成垫片8a、8b后，通过实施公知的带电处理(例如日本特开2014-049557号公报所记载的带电处理)来在梳齿30、40的至少一方形成驻极体，从而形成振动发电元件1。
(其它形成方法)
图6、图7是说明振动发电元件1的形成方法的其它例的图。在图3～图5中说明的形成方法中，在形成固定电极3及可动电极4之后形成弹性支撑部5，但在图6、图7所示的形成方法中，在形成弹性支撑部5之后形成固定电极3及可动电极4。
在图6的(a)所示的第一步骤中，通过使用了光掩模的光刻加工，在SOI基板的器件层102的表面形成抗蚀图案120。在抗蚀图案120形成有与弹性支撑部5的俯视形状相当的矩形孔120a。器件层102从矩形孔120a露出。
在图6的(b)所示的第二步骤中，将抗蚀图案120作为掩模来对器件层102进行DRIE加工直至预定深度。通过该蚀刻加工，在器件层102形成预定厚度t2的弹性支撑部5。
在图6的(c)所示的第三步骤中，在除去图6的(b)所示的抗蚀图案120后，通过真空蒸镀等来形成铝层121。
在图7的(a)所示的第四步骤中，在铝层121的上表面，形成与固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5的俯视形状相当的抗蚀图案122。铝层110在相当于抗蚀图案122的将与固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5相当的区域除去而得的间隙部分的区域露出。
在图7的(b)所示的第五步骤中，将抗蚀图案122作为掩模来对铝层121进行蚀刻。其结果，除去相当于将与固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5相当的区域除去而得的间隙部分的区域的铝层110，并且器件层102在所除去的区域露出。
在图7的(c)所示的第六步骤中，将抗蚀图案122及铝层121作为掩模来对器件层102进行DRIE加工。进行蚀刻加工直至到达BOX层101。通过该蚀刻加工，在器件层102形成固定电极3及可动电极4。
虽省略图示，但在第六步骤之后的下一步骤中，与图5的(c)所示的情况相同，通过蚀刻加工在处理层100形成基体2，之后除去铝层121及抗蚀图案122。之后，在形成垫片8a、8b后，通过实施公知的带电处理(例如日本特开2014-049557号公报所记载的带电处理)来在梳齿30、40的至少一方形成驻极体，从而形成振动发电元件1。
此外，在图7的(c)所示的步骤中，将抗蚀图案122及铝层121用作蚀刻的掩模，但也可以省略铝层121而仅将抗蚀图案122作为掩模。然而，在存在弹性支撑部5的部分那样的凹凸构造的情况下，难以也包括凹部在内地均匀涂覆抗蚀剂。另一方面，在利用铝蒸镀来形成铝层121的情况下，能够如图6的(c)所示地均匀形成铝层121。因此，为了稳定且正确地进行图7的(c)所示的器件层102的蚀刻，如图7的(c)所示，优选将抗蚀图案122及铝层121用作蚀刻掩模。
如上所述，在作为MEMS振动元件的本实施方式的振动发电元件1中，固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5由作为同一基材的器件层102形成。而且，弹性支撑部5的厚度(即器件层102的厚度方向的尺寸)形成为比固定电极3及可动电极4的厚度薄。
为了增大振动发电元件1的发电输出，需要使固定电极3及可动电极4的面积更大，因此固定电极3及可动电极4的厚度t1越大越好。另一方面，有时在环境振动中具有几十Hz的较低的主要频率。在这样的情况下，需要减小弹性支撑部5的厚度t2来降低共振频率。即，将厚度t1、t2设为上述的结构，并通过控制蚀刻深度来调整厚度t2，从而能够容易地对应于各种主要频率。
并且，与本实施方式不同，在通过蚀刻加工来同时加工固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5的情况下，由于以同一蚀刻速率对上述部件进行蚀刻，所以固定电极3、可动电极4以及弹性支撑部5的厚度尺寸相同。因此，为了使振动发电元件1的共振频率与环境振动的主要频率一致，会调整弹性支撑部5的宽度尺寸(图1的尺寸b)、长度尺寸(图2的尺寸L)。其结果，每当主要频率不同时就需要重制用于形成弹性支撑部5的掩模，有耗费成本、劳力和时间的问题。
另一方面，在本实施方式中，如图2所示，构成为将弹性支撑部5的厚度t2设定为比可动电极4的厚度尺寸t1小，因而分别进行固定电极3及可动电极4的蚀刻加工和弹性支撑部5的蚀刻加工。其结果，能够在各自适宜的蚀刻条件下对间隙较窄的梳齿构造的固定电极3及可动电极4、和蚀刻面积较大的弹性支撑部5进行蚀刻，能够容易地进行弹性支撑部5的厚度调整。
即，如上述的制造方法所述，对作为基材的器件层102进行蚀刻加工，将固定电极3及可动电极4形成为厚度t1，并对器件层102进行蚀刻加工，将弹性支撑部5形成为比厚度t1薄的厚度t2，从而能够高精度地将弹性支撑部5形成为所希望的厚度。因此，即使不重制掩模等，仅调整弹性支撑部5的厚度t2就能够对应于各种主要频率。
尤其，如上述的实施方式所述，在固定电极3及可动电极4是梳齿构造的电极的情况下，梳齿30与梳齿40之间的间隙比弹性支撑部5的周围的间隙窄。这样，通过分别进行条件很大不同的固定电极3及可动电极4的蚀刻加工和弹性支撑部5的蚀刻加工，能够在各自适宜的加工条件下进行蚀刻。
并且，优选在形成厚度尺寸t1的较大的固定电极3及可动电极4后，形成厚度t2的较小的弹性支撑部5。例如，即使在固定电极3及可动电极4的贯通部分处的贯通状态不充分的状态下结束了蚀刻的情况，在进行之后的弹性支撑部5的蚀刻加工时，也能够期待改善贯通部分的贯通状态的效果。
(变形例1)
在上述的实施方式中，弹性支撑部5是悬臂梁构造，并构成为梳齿40相对于梳齿30沿z方向振动，但也可以如图8所示的变形例1所述，构成为由一对弹性支撑部200支撑可动电极4。在图8所示的例子中，弹性支撑可动电极4的弹性支撑部200以在箭头R2所示的x方向上挠曲的方式变形，并沿x方向振动。弹性支撑部200的厚度(z方向的尺寸)设定为t2，并且固定电极3及可动电极4的厚度设定为t1(＞t2)。在像这样沿x方向振动的情况下，上述的式(2)的尺寸t与弹性支撑部200的x方向的尺寸对应，尺寸b与弹性支撑部200的z方向的尺寸对应。在该情况下，通过调整弹性支撑部200的z方向的尺寸，也能够调整振动发电元件1的共振频率。
(变形例2)
并且，作为固定电极3及可动电极4的形态，并不限定于上述的梳齿构造，例如也可以是图9所示的变形例2那样的平行平板型电极构造。在该情况下，弹性支撑部200的厚度t2也相对于固定电极3及可动电极4的厚度t1设定为t2＜t1。因可动电极4沿x方向振动，固定电极3与可动电极4之间的间隙尺寸g发生变化，由此进行发电。
(变形例3)
另外，也可以如图10所示的变形例3那样，由厚度t2的变形部51和厚度t1的电极连接部52构成弹性支撑部5。
然而，从上述的式(1)、(2)可知，弹性支撑部5的厚度t2的部分的长度L越长，共振频率f越低。并且，若长度L较短，则为了获得相同的共振频率，需要使厚度t2更薄，会降低弹性支撑部5的机械强度。另外，有长度L较长可较大地获得振动的振幅的优点。即，弹性支撑部5的沿弹性支撑部延伸方向的长度L优选较长。例如，可以将厚度t2的部分的长度L设定为比可动电极4的梳齿40的长度L4大。
综上所述，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明不限定于上述内容。并且，各实施方式及变形例可以分别单独地应用，也可以组合来使用。在本发明的技术思想的范围内考虑的其它方案也包括在本发明的范围内。
以下的在先基础申请的公开内容作为引用文而并入本说明书。
日本专利申请2017年第154474号(2017年8月9日申请)
符号的说明
1—振动发电元件，3—固定电极，4—可动电极，5、200—弹性支撑部，30、40—梳齿，51—变形部，102—器件层。

Claims (6)

1.一种MEMS振动元件的制造方法，该MEMS振动元件具有固定电极、可动电极、以及相对于上述固定电极弹性支撑上述可动电极的弹性支撑部，
上述MEMS振动元件的制造方法的特征在于，包括：
对第一厚度的基材进行蚀刻加工来形成上述固定电极及上述可动电极的工序；和
对上述基材进行蚀刻加工而将上述弹性支撑部形成为比上述第一厚度薄的第二厚度的工序，
上述弹性支撑部的第二厚度部分的延伸方向的长度比上述可动电极的延伸方向的长度长。
2.根据权利要求1所述的MEMS振动元件的制造方法，其特征在于，
在形成上述固定电极及上述可动电极后，形成上述弹性支撑部。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS振动元件的制造方法，其特征在于，
上述固定电极及上述可动电极是梳齿构造的电极。
4.一种MEMS振动元件，其特征在于，具备：
固定电极，其形成于基材；
可动电极，其形成于上述基材；以及
弹性支撑部，其形成于上述基材，并相对于上述固定电极弹性支撑上述可动电极，
上述弹性支撑部的至少一部分的基材厚度方向的尺寸比上述固定电极及上述可动电极的基材厚度方向的尺寸小，
上述弹性支撑部的基材厚度方向的尺寸比上述固定电极及上述可动电极的基材厚度方向的尺寸小的部分的延伸方向的长度比上述可动电极的延伸方向的长度长。
5.根据权利要求4所述的MEMS振动元件，其特征在于，
上述固定电极及上述可动电极是梳齿构造的电极。
6.根据权利要求5所述的MEMS振动元件，其特征在于，
上述弹性支撑部的上述一部分的沿弹性支撑部延伸方向的长度尺寸比上述可动电极的梳齿的长度尺寸大。
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