JP2009303051A - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の支持部が適切な位置に配置された、ＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】ダイヤフラム６の２つの支持部８は、それぞれメイン部７の中心の周りに互いに角度αだけ離れた２つの位置に配置されている。そして、角度αは、
（Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）≧１
Ａ２：ダイヤフラム６に所定の音圧を入力したときのダイヤフラム６の最大振動幅
Ａ１：１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成のダイヤフラムにおいて、そのダイヤフラムに所定の音圧を入力したときのダイヤフラムの最大振動幅
Ｂ２：ダイヤフラム６に所定の音圧を入力したときにダイヤフラム６に生じる最大応力
Ｂ１：１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成のダイヤフラムにおいて、そのダイヤフラムに所定の音圧を入力したときにダイヤフラムに生じる最大応力
を満たす角度に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造される各種センサ（ＭＥＭＳセンサ）に関する。

最近、ＭＥＭＳセンサが携帯電話機などに搭載され始めたことから、ＭＥＭＳセンサの注目度が急激に高まっている。ＭＥＭＳセンサの代表的なものとして、たとえば、シリコンマイク（Ｓｉマイク）がある。
シリコンマイクは、シリコン基板を備えている。シリコン基板の中央部には、それを厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。シリコン基板上には、ポリシリコンからなるダイヤフラムが貫通孔に対向して設けられている。ダイヤフラムは、メイン部およびこのメイン部を支持する１つの支持部を一体的に有している。メイン部は、平面視略円形状をなしている。支持部は、メイン部の周縁から側方に延びるアーム状をなし、その先端部がシリコン基板に対して固定されている。これにより、ダイヤフラムは、１つの支持部によりメイン部が支持された１点支持状態で、シリコン基板の表面と対向する方向に振動可能に設けられている。ダイヤフラムに対してシリコン基板と反対側には、バックプレートがダイヤフラムに対して微小な間隔を空けて対向して配置されている。ダイヤフラムおよびバックプレートは、それらを対向電極とするコンデンサを形成する。

このコンデンサ（ダイヤフラムおよびバックプレート間）に所定の電圧が印加された状態で、音圧（音波）によりダイヤフラムが振動すると、コンデンサの静電容量が変化し、その静電容量の変化によるダイヤフラムおよびバックプレート間の電圧変動が音声信号として出力される。
特開２００７−１８０２０１号公報

同じ音圧に対するダイヤフラムの振動幅（ダイヤフラムの音圧入力面に直交する方向の変位量）が大きいほど、シリコンマイクの感度が大きい。しかしながら、ダイヤフラムが大きく振動し、ダイヤフラムに過大な応力が生じると、その応力によるダイヤフラムの破壊を生じる。
同じ音圧に対するダイヤフラムの振動幅（ダイヤフラムの振動しやすさ）は、たとえば、支持部の数を増やすことにより縮小できる。ところが、複数の支持部の配置によっては、同じ音圧に対するダイヤフラムの振動幅が極度に縮小され、シリコンマイクの感度が著しく低下する。そのため、複数の支持部によりダイヤフラムを支持する構成が採用される場合、それらの支持部の配置に工夫が必要である。

そこで、本発明の目的は、複数の支持部が適切な位置に配置された、ＭＥＭＳセンサを提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に設けられ、物理量の作用により振動する振動板とを含み、前記振動板は、前記基板上に浮いた状態に配置されるメイン部と、前記メイン部の周縁における２つの各位置から前記基板の表面に沿う方向に延びる支持部とを一体的に有し、各前記支持部と前記メイン部の中心とを結ぶ２つの直線のなす角度が、
（Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）≧１
Ａ２：前記振動板に所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
Ａ１：前記振動板から前記支持部の一方を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
Ｂ２：前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
Ｂ１：前記振動板から前記支持部の一方を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
の関係を満たす角度に設定されている、ＭＥＭＳセンサである。

物理量としては、加速度および音圧などが例示される。
この構成によれば、基板上に、物理量の作用により振動する振動板が設けられている。振動板は、１つのメイン部と２つの支持部とを一体的に有している。メイン部は、２つの支持部により支持され、基板上に浮いた状態に配置されている。２つの支持部は、それぞれメイン部の周縁の異なる部分から基板の表面に沿う方向に延びている。

２つの支持部によりメイン部が支持される構成（請求項１に記載の発明に係る構成）では、２つの支持部の配置により、振動板に所定値の物理量が作用したときの振動板の最大振動幅Ａ２と、そのときに振動板に生じる最大応力Ｂ２とが決まる。最大振動幅Ａ２は、１つの支持部によりメイン部が支持される構成の振動板に所定値の物理量が作用したときの振動板の最大振動幅Ａ１よりも小さい。また、最大応力Ｂ２は、１つの支持部によりメイン部が支持される構成の振動板に所定値の物理量が作用したときに振動板に生じる最大応力Ｂ１よりも小さい。この最大応力Ｂ２が小さいほど、振動板の応力による破壊を生じにくい。

しかし、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａ２の低下率が最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂ２の低下率を超えるような２つの支持部の配置は、応力低減により得られる振動板の破壊防止の利点に対して、ＭＥＭＳセンサの感度（振動板の振動しやすさ）の低下による不利益が大きい。
そこで、２つの支持部とメイン部の中心とをそれぞれ結ぶ２つの直線のなす角度が、（Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）≧１の関係を満たす角度に設定されている。これにより、２つの支持部は適切な位置に配置され、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａ２の低下率が最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂ２の低下率を超えない。その結果、振動板の応力による破壊を抑制できながら、ＭＥＭＳセンサの感度の大幅な低下を防止できる。

また、請求項２に記載の発明は、基板と、前記基板上に設けられ、物理量の作用により振動する振動板とを含み、前記振動板は、前記基板上に浮いた状態に配置されるメイン部と、前記メイン部の周縁における３つ以上の各位置から前記基板の表面に沿う方向に延びる支持部とを一体的に有し、３つ以上の前記支持部は、
（Ａｐ／Ａ１）／（Ｂｐ／Ｂ１）≧１
Ａｐ：前記振動板に所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
Ａ１：前記振動板から１つの前記支持部以外の他の前記支持部を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
Ｂｐ：前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
Ｂ１：前記振動板から１つの前記支持部以外の他の前記支持部を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
を満たすように配置されている、ＭＥＭＳセンサである。

この構成によれば、基板上に、物理量の作用により振動する振動板が設けられている。振動板は、１つのメイン部と３つ以上の支持部とを一体的に有している。メイン部は、３つ以上の支持部により支持され、基板上に浮いた状態に配置されている。３つ以上の支持部は、それぞれメイン部の周縁の異なる部分から基板の表面に沿う方向に延びている。そして、３つ以上の支持部は、（Ａｐ／Ａ１）／（Ｂｐ／Ｂ１）≧１の関係を満たすように配置されている。これにより、請求項１に係る発明と同様に、３つ以上の支持部が適切な位置に配置され、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａｐの低下率が最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂｐの低下率を超えない。その結果、振動板の応力による破壊を抑制できながら、ＭＥＭＳセンサの感度の大幅な低下を防止できる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るシリコンマイクの模式的な断面図である。
シリコンマイク１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。シリコンマイク１は、シリコンからなる基板２を備えている。基板２の中央部には、表面側ほど窄まる（裏面側ほど広がる）断面台形状の貫通孔３が形成されている。

基板２上には、第１絶縁膜４が積層されている。第１絶縁膜４は、たとえば、酸化シリコンからなる。
第１絶縁膜４上には、第２絶縁膜５が積層されている。第２絶縁膜５は、たとえば、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass：リンシリケートガラス）からなる。
第１絶縁膜４および第２絶縁膜５は、貫通孔３および基板２の表面（上面）における貫通孔３の周囲の部分（以下、この部分を「貫通孔周辺部」という。）上から除去されている。これにより、貫通孔周辺部は、第１絶縁膜４および第２絶縁膜５から露出している。

また、基板２の上方には、ダイヤフラム６が設けられている。ダイヤフラム６は、たとえば、不純物のドープにより導電性が付与されたポリシリコンからなる。ダイヤフラム６は、メイン部７および２つの支持部８を一体的に有している。
メイン部７は、平面視円形状をなし、貫通孔３および貫通孔周辺部に対向して、貫通孔周辺部から浮いた状態に配置されている。メイン部７の下面（貫通孔周辺部との対向面）には、メイン部７と貫通孔周縁部との密着を防止するための複数の突起状の下ストッパ９が形成されている。

２つの支持部８は、メイン部７の周縁における２つの各位置から基板２の表面に沿う方向（側方）に延びている。各支持部８は、その先端部が第１絶縁膜４と第２絶縁膜５との間に進入し、第１絶縁膜４および第２絶縁膜５に片持ち支持されている。そして、２つの支持部８によりメイン部７が支持されることにより、ダイヤフラム６は、２点支持状態で、基板２の表面と対向する方向に振動可能とされている。

ダイヤフラム６の上方には、バックプレート１０が設けられている。バックプレート１０は、ダイヤフラム６のメイン部７よりも小径な平面視円形状の外形を有し、メイン部７に対して空隙を挟んで対向している。バックプレート１０は、たとえば、不純物のドープにより導電性が付与されたポリシリコンからなる。
シリコンマイク１の最表面は、第３絶縁膜１１により被覆されている。第３絶縁膜１１は、第１絶縁膜４およびバックプレート１０の上面を被覆するとともに、ダイヤフラム６の側方をダイヤフラム６の周縁と間隔を有して取り囲むように形成されている。これにより、基板２上には、第３絶縁膜１１により区画される空間１２が形成されており、この空間１２内に、ダイヤフラム６のメイン部７が基板２および第３絶縁膜１１と非接触な状態で配置されている。

バックプレート１０および第３絶縁膜１１には、これらを連続して貫通する多数の微小な孔１３が形成されている。一部の孔１３には、第３絶縁膜１１が入り込んでおり、第３絶縁膜１１の孔１３に入り込んだ各部分には、バックプレート１０の下面（ダイヤフラム６との対向面）よりも下方に突出する突起状の上ストッパ１４が形成されている。上ストッパ１４が形成されていることにより、ダイヤフラム６の振動時に、ダイヤフラム６がバックプレート１０と接触することが阻止される。

また、第３絶縁膜１１には、バックプレート１０の周囲に、複数の連通孔１５が円形状に整列して形成されている。
ダイヤフラム６およびバックプレート１０は、それらを対向電極とするコンデンサを形成している。このコンデンサ（ダイヤフラム６およびバックプレート１０間）には、所定の電圧が印加される。その状態で、音圧（音波）によりダイヤフラム６が振動すると、コンデンサの静電容量が変化し、この静電容量の変化によるダイヤフラム６およびバックプレート１０間の電圧変動が音声信号として取り出される（出力される）。

図２は、ダイヤフラムの図解的な平面図である。
ダイヤフラム６の２つの支持部８は、それぞれメイン部７の中心の周りに互いに角度αだけ離れた２つの位置に配置されている。言い換えれば、２つの支持部８は、一方の支持部８とメイン部７の中心とを結ぶ直線Ｌ１および他方の支持部８とメイン部７の中心とを結ぶ直線Ｌ２が角度αをなすように配置されている。

そして、角度αは、次式（１）を満たす角度に設定されている。
（Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）≧１ ・・・（１）
Ａ２：ダイヤフラム６に所定の音圧を入力したときのダイヤフラム６の最大振動幅
Ａ１：１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成のダイヤフラムにおいて、そのダイヤフラムに所定の音圧を入力したときのダイヤフラムの最大振動幅
Ｂ２：ダイヤフラム６に所定の音圧を入力したときにダイヤフラム６に生じる最大応力
Ｂ１：１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成のダイヤフラムにおいて、そのダイヤフラムに所定の音圧を入力したときにダイヤフラムに生じる最大応力
＜シミュレーション＞
本願発明者は、角度αとダイヤフラム６の最大振動幅およびダイヤフラム６に生じる最大応力との関係を調べるためのシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、シミュレータとして、株式会社アドバンストテクノロジー製「IntelliSuite（登録商標）」を用いた。そして、２つの支持部８によりメイン部７が支持される構成（２点支持構成）のダイヤフラム（すなわち、ダイヤフラム６）と、１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成（１点支持構成）のダイヤフラムとを想定した。各ダイヤフラムの材料は、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により堆積されたポリシリコンである。また、メイン部７のサイズは、直径６００ｕｍ×厚さ１ｕｍである。支持部８のサイズは、３０ｕｍ×１００ｕｍ×厚さ１ｕｍである。さらに、各ダイヤフラムの物性値として、下記の各値をシミュレータに入力した。

密度：２．３［ｇ／ｃｍ^３］
熱膨張計数：２０［１０Ｅ−７／℃］
抵抗率：１［Ω・ｃｍ］
熱伝導率：１．５［Ｗ／ｃｍ／℃］
比熱：０．７１［Ｊ／ｇ／℃］
ヤング率：１６０［ＧＰａ］
ポアソン比：０．２２６
比誘電率：１
そして、１点支持構成のダイヤフラムのメイン部７に１Ｐａを入力し、ダイヤフラムの最大振動幅Ａ１およびダイヤフラムに生じる最大応力Ｂ１を調べた。また、２点支持構成のダイヤフラム６において、図２に示す角度αを７．５°、１０°、１２．５°、１５°、２０°、３０°、４０°、４５°、５０°、６０°、７５°、９０°、１０５°、１２０°、１３５°、１５０°、１６５°および１８０°に変更して、それらの角度ごとに、メイン部７に１Ｐａを入力し、ダイヤフラム６の最大振動幅Ａ２およびダイヤフラム６に生じる最大応力Ｂ２を調べた。さらに、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）および最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂ２の割合（Ｂ２／Ｂ１）を求め、式（１）の左辺（Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）の値を求めた。

シミュレーションの結果を表１に示す。

シミュレーションの結果から理解されるように、ダイヤフラム６では、２つの支持部８の配置により、最大振動幅Ａ２および最大応力Ｂ２が決まる。最大振動幅Ａ２は、最大振動幅Ａ１よりも小さい。また、最大応力Ｂ２は、最大応力Ｂ１よりも小さい。最大応力Ｂ２が小さいほど、ダイヤフラム６の応力による破壊を生じにくい。しかし、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａ２の低下率が最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂ２の低下率を超えるような２つの支持部８の配置は、応力低減により得られるダイヤフラム６の破壊防止の利点に対して、シリコンマイク１の感度（ダイヤフラム６の振動しやすさ）の低下による不利益が大きい。

そこで、図２に示す２つの直線Ｌ１，Ｌ２のなす角度αは、（Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）≧１の関係を満たす角度に設定される。たとえば、シミュレーションで設定したモデルでは、シミュレーションの結果から、角度αは、約７．５°〜２０°の範囲に設定される。これにより、２つの支持部８は適切な位置に配置され、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａ２の低下率が最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂ２の低下率を超えない。その結果、ダイヤフラム６の応力による破壊を抑制できながら、シリコンマイク１の感度の大幅な低下を防止できる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は他の形態で実施することもできる。
たとえば、２つの支持部８によりメイン部７が支持される構成を取り上げたが、３つ以上の支持部８によりメイン部７が支持される構成が採用されてもよい。この構成が採用される場合、３つ以上の支持部は、
（Ａｐ／Ａ１）／（Ｂｐ／Ｂ１）≧１
Ａｐ：３つ以上の支持部８を有するダイヤフラムに所定の音圧を入力したときのダイヤフラムの最大振動幅
Ａ１：１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成のダイヤフラムにおいて、そのダイヤフラムに所定の音圧を入力したときのダイヤフラムの最大振動幅
Ｂｐ：３つ以上の支持部８を有するダイヤフラムに所定の音圧を入力したときにダイヤフラムに生じる最大応力
Ｂ１：１つの支持部８によりメイン部７が支持される構成のダイヤフラムにおいて、そのダイヤフラムに所定の音圧を入力したときにダイヤフラムに生じる最大応力
これにより、２つの支持部８によりメイン部７が支持される構成（前述の実施形態に係る構成）と同様に、３つ以上の支持部８が適切な位置に配置され、最大振動幅Ａ１に対する最大振動幅Ａｐの低下率が最大応力Ｂ１に対する最大応力Ｂｐの低下率を超えない。その結果、振動板の応力による破壊を抑制できながら、シリコンマイクの感度の大幅な低下を防止できる。

また、ＭＥＭＳセンサの一例として、シリコンマイクを取り上げたが、本発明は、シリコンマイクに限らず、物体の加速度を検出するための加速度センサおよび物体の角速度を検出するためのジャイロセンサなどに適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係るシリコンマイクの模式的な断面図である。 図２は、図１に示すダイヤフラムの図解的な平面図である。

符号の説明

１ シリコンマイク（ＭＥＭＳセンサ）
２ 基板
６ ダイヤフラム（振動板）
７ メイン部
８ 支持部
Ｌ１ 直線
Ｌ２ 直線
α 角度

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、物理量の作用により振動する振動板とを含み、
   前記振動板は、前記基板上に浮いた状態に配置されるメイン部と、前記メイン部の周縁における２つの各位置から前記基板の表面に沿う方向に延びる支持部とを一体的に有し、
   各前記支持部と前記メイン部の中心とを結ぶ２つの直線のなす角度が、
   （Ａ２／Ａ１）／（Ｂ２／Ｂ１）≧１
   Ａ２：前記振動板に所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
   Ａ１：前記振動板から前記支持部の一方を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
   Ｂ２：前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
   Ｂ１：前記振動板から前記支持部の一方を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
   の関係を満たす角度に設定されている、ＭＥＭＳセンサ。
2. 基板と、
   前記基板上に設けられ、物理量の作用により振動する振動板とを含み、
   前記振動板は、前記基板上に浮いた状態に配置されるメイン部と、前記メイン部の周縁における３つ以上の各位置から前記基板の表面に沿う方向に延びる支持部とを一体的に有し、
   ３つ以上の前記支持部は、
   （Ａｐ／Ａ１）／（Ｂｐ／Ｂ１）≧１
   Ａｐ：前記振動板に所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
   Ａ１：前記振動板から１つの前記支持部以外の他の前記支持部を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときの前記振動板の最大振動幅
   Ｂｐ：前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
   Ｂ１：前記振動板から１つの前記支持部以外の他の前記支持部を省略した構成において、前記振動板に前記所定値の物理量を作用させたときに前記振動板に生じる最大応力
   を満たすように配置されている、ＭＥＭＳセンサ。

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