JP2010210402A - Mems sensor - Google Patents

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Ichita Okamoto
一太 岡本
Tomomi Igarashi
智美 五十嵐
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a MEMS sensor that prevents damage to a movable section and has improved durability. <P>SOLUTION: In the MEMS sensor for joining a sensor chip substrate, where the movable section that is operated mechanically and a sensor element for electrically detecting the displacement of the movable section are formed, to a base substrate with a gap from the movable section, a recess is provided along a portion of the outer periphery of the movable section on a substrate junction surface. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、MEMSセンサに関し、特に衝撃破損の防止構造に関する。   The present invention relates to a MEMS sensor, and more particularly to a structure for preventing impact damage.

近年では、加速度計、光通信、生物医学システムなど多くの技術分野で、微小電気機械システム(MEMS;Micro Electro Mechanical Systems)を利用したMEMSセンサが注目されている。MEMSセンサは、一般に、機械的に動作可能な可動部と該可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を半導体微細加工技術により形成したセンサチップ基板と、可動部との間に空隙を設けた状態で該センサチップ基板に接合したベース基板(支持基板)とを備えている。このようなMEMSセンサは、具体的には加速度センサ、角速度センサ、圧力センサに適用可能である。例えば特許文献1には、中央部と中央部の外周縁から四方に延在して成る梁部とからなる撓み部と、中央部にネック部を介して懸架支持される重り部と、内周側面に梁部が連結されて成る枠状のフレームと、フレームの下面を支持し、重り部の外周縁を切り込み部を介して包囲する支持部材とを有して構成された半導体加速度センサが開示されている。   In recent years, MEMS sensors using micro electro mechanical systems (MEMS) have attracted attention in many technical fields such as accelerometers, optical communications, and biomedical systems. In general, a MEMS sensor is provided with a gap between a movable part that can be mechanically operated and a sensor chip substrate in which a sensor element that electrically detects displacement of the movable part is formed by a semiconductor microfabrication technique, and the movable part. And a base substrate (support substrate) bonded to the sensor chip substrate. Specifically, such a MEMS sensor can be applied to an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a pressure sensor. For example, Patent Document 1 discloses that a bending portion including a central portion and a beam portion extending in all directions from the outer peripheral edge of the central portion, a weight portion suspended and supported by a central portion via a neck portion, and an inner periphery Disclosed is a semiconductor acceleration sensor having a frame-like frame formed by connecting a beam portion to a side surface, and a support member that supports the lower surface of the frame and surrounds the outer peripheral edge of the weight portion through a cut portion. Has been.

特開平11−311631号公報JP 11-311631 A

上記従来構造のMEMSセンサでは、センサチップ基板の可動部とベース基板の間に空隙を有する中空構造であるため、落下などによりベース基板側から衝撃が加えられると、その衝撃エネルギーを受けた可動部が共振し、可動部が破損してしまうおそれがあった。   The MEMS sensor having the conventional structure has a hollow structure having a gap between the movable portion of the sensor chip substrate and the base substrate. Therefore, when an impact is applied from the base substrate side due to dropping or the like, the movable portion receiving the impact energy. Resonated and the movable part might be damaged.

本発明は、以上の問題意識に基づき、可動部の破損を防止し、耐久性に優れたMEMSセンサを得ることを目的とする。   An object of the present invention is to obtain a MEMS sensor excellent in durability by preventing breakage of a movable part based on the above problem awareness.

本発明は、可動部の破損原因が、ベース基板側から受けた衝撃エネルギーが可動部周縁から可動部中心に向かって均一に伝わり、可動部が共振しやすいことにあるとの結論に達して、完成されたものである。   The present invention reaches the conclusion that the cause of damage to the movable part is that the impact energy received from the base substrate side is uniformly transmitted from the periphery of the movable part toward the center of the movable part, and the movable part is likely to resonate. It has been completed.

すなわち、本発明は、機械的に動作可能な可動部とこの可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を形成したセンサチップ基板を、前記可動部との間に空隙を設けてベース基板に接合してなるMEMSセンサにおいて、前記センサチップ基板と前記ベース基板の接合面に、前記可動部の外周の一部に沿って、凹部を設けたことを特徴としている。   That is, the present invention provides a sensor chip substrate on which a mechanically operable movable part and a sensor element for electrically detecting the displacement of the movable part are formed, and a gap is provided between the movable part and the base substrate. In the MEMS sensor formed by bonding, a concave portion is provided along a part of the outer periphery of the movable portion on the bonding surface of the sensor chip substrate and the base substrate.

凹部は、例えば可動部が平面視矩形状で形成されている場合、該平面視矩形の各角部の外周に沿う平面視L字形状でそれぞれ形成することができる。または、該平面視矩形の180°対向する一対の角部に、該角部の外周に沿う平面L字形状で形成してもよい。あるいは、該平面視矩形の180°対向する一対の辺の外周に、該各辺に沿う平面視直線状で形成することもできる。   For example, when the movable portion is formed in a rectangular shape in a plan view, the concave portions can be formed in an L shape in a plan view along the outer periphery of each corner portion of the rectangular shape in the plan view. Or you may form in a plane L shape in alignment with the outer periphery of this corner | angular part in a pair of corner | angular part which opposes 180 degrees of this planar view rectangle. Alternatively, it may be formed in a straight line shape in plan view along each side on the outer periphery of a pair of sides facing each other at 180 ° of the plan view rectangle.

凹部は、可動部との空隙を真空状態で保持するMEMSセンサの場合、センサチップ基板とベース基板との接合により真空密閉されていることが実際的である。   In the case of a MEMS sensor that holds the gap between the movable part and the movable part in a vacuum state, it is practical that the concave part is vacuum-sealed by joining the sensor chip substrate and the base substrate.

本発明によれば、ベース基板側から可動部に伝わる衝撃エネルギーは、凹部を介して可動部の周縁方向で位相が異なり、可動部中心で打ち消し合う作用をするので、この衝撃エネルギーによる可動部の共振を抑えられる。これにより、可動部の破損を防止でき、耐久性に優れたMEMSセンサを得ることができる。   According to the present invention, the impact energy transmitted from the base substrate side to the movable portion is different in phase in the peripheral direction of the movable portion via the recess and acts to cancel out at the center of the movable portion. Resonance can be suppressed. Thereby, damage of a movable part can be prevented and the MEMS sensor excellent in durability can be obtained.

本発明のMEMSセンサを半導体圧力センサに適用した第1実施形態を示す断面図(図3のI−I線に沿う断面図)である。It is sectional drawing (sectional drawing which follows the II line | wire of FIG. 3) which shows 1st Embodiment which applied the MEMS sensor of this invention to the semiconductor pressure sensor. 同半導体圧力センサを示す断面図(図3のII−II線に沿う断面図)である。It is sectional drawing (sectional drawing which follows the II-II line | wire of FIG. 3) which shows the semiconductor pressure sensor. 同半導体圧力センサを示す平面図であり、基板接合面に設けた凹部と、ダイヤフラム(及びキャビティ)との位置関係を模式的に示している。It is a top view which shows the semiconductor pressure sensor, and has shown typically the positional relationship of the recessed part provided in the board | substrate joint surface, and a diaphragm (and cavity). 基板接合面に設けた凹部で起きるエネルギーの干渉を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the interference of the energy which arises in the recessed part provided in the board | substrate joint surface. 本発明のMEMSセンサを半導体圧力センサに適用した第2実施形態であって、基板接合面に設ける凹部の変形例を示す平面図である。It is 2nd Embodiment which applied the MEMS sensor of this invention to the semiconductor pressure sensor, Comprising: It is a top view which shows the modification of the recessed part provided in a board | substrate joint surface. 本発明のMEMSセンサを半導体圧力センサに適用した第3実施形態であって、基板接合面に設ける凹部の変形例を示す平面図である。It is 3rd Embodiment which applied the MEMS sensor of this invention to the semiconductor pressure sensor, Comprising: It is a top view which shows the modification of the recessed part provided in a board | substrate joint surface. 図6のVII−VII線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the VII-VII line of FIG. 本発明のMEMSセンサを半導体加速度センサに適用した第4実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 4th Embodiment which applied the MEMS sensor of this invention to the semiconductor acceleration sensor. 同半導体加速度センサを示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor acceleration sensor. 実施例1について、MEMSセンサの落下時に可動部エッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the maximum principal stress concerning a movable part edge along the elapsed time about the Example 1 at the time of the fall of a MEMS sensor. 比較例1について、MEMSセンサの落下時に可動部エッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the maximum principal stress concerning a movable part edge along the elapsed time about the comparative example 1 at the time of dropping of a MEMS sensor. 比較例2について、MEMSセンサの落下時に可動部エッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the maximum principal stress concerning a movable part edge along the elapsed time about the comparative example 2 at the time of dropping of a MEMS sensor. 図10のグラフを周波数分解して表したグラフである。It is the graph which frequency-resolved and represented the graph of FIG. 図11のグラフを周波数分解して表したグラフである。12 is a graph obtained by frequency-resolving the graph of FIG. 11. 図12のグラフを周波数分解して表したグラフである。13 is a graph obtained by frequency-resolving the graph of FIG. 図10の測定に用いた、基板接合面にダイヤフラムの外周一部に位置する凹部を設けた実施例1を説明する断面図及び平面図である。It is sectional drawing and top view explaining Example 1 which provided the recessed part located in the outer peripheral part of a diaphragm on the board | substrate joint surface used for the measurement of FIG. 図11の測定に用いた、基板接合面に凹部を具備しない比較例1を説明する断面図及び平面図である。It is sectional drawing and a top view explaining the comparative example 1 which does not comprise a recessed part in the board | substrate joint surface used for the measurement of FIG. 図12の測定に用いた、基板接合面にダイヤフラムの外周全体に位置する凹部を設けた比較例2を説明する断面図及び平面図である。It is sectional drawing and top view explaining the comparative example 2 which provided the recessed part located in the outer periphery of a diaphragm on the board | substrate joint surface used for the measurement of FIG.

図1〜図4は、本発明の第1実施形態を示している。図1、図2は、本発明のMEMSセンサを半導体圧力センサに適用した第1実施形態を示す断面図、図3は平面図である。   1 to 4 show a first embodiment of the present invention. 1 and 2 are sectional views showing a first embodiment in which the MEMS sensor of the present invention is applied to a semiconductor pressure sensor, and FIG. 3 is a plan view.

MEMSセンサである半導体圧力センサ101は、絶対圧を検出するダイヤフラム型の半導体圧力センサであって、外圧を受けて変形する圧力検出用のダイヤフラム(可動部)21とキャビティ(空隙)20を表裏面に形成したセンサチップ基板10と、このセンサチップ基板10にキャビティ20が真空密閉されるようにして接合したベース基板30とを備えている。   A semiconductor pressure sensor 101, which is a MEMS sensor, is a diaphragm type semiconductor pressure sensor that detects an absolute pressure, and includes a pressure detection diaphragm (movable part) 21 and a cavity (gap) 20 that are deformed by external pressure. And a base substrate 30 bonded to the sensor chip substrate 10 so that the cavity 20 is vacuum-sealed.

センサチップ基板10は、シリコン酸化膜(SiO2)13を介して第1シリコン基板11と第2シリコン基板12を貼り合わせてなるSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板である。第1シリコン基板11は、半導体微細加工技術により、ダイヤフラム21の変位を電気的に検出するセンサ素子として複数の圧力感応抵抗素子22を埋設形成した回路形成面(図1、図2の上面)を有している。回路形成面は、複数の圧力感応抵抗素子22の上方位置を除いて、シリコン酸化膜で覆われている。シリコン酸化膜上には各圧力感応抵抗素子22に導通する配線23(図3)及びパッド24(図2、図3)が設けられ、さらに圧力感応抵抗素子22、配線23及びシリコン酸化膜は、図示されていないシリコンナイトライド(Si34)からなるパッシベーション膜で絶縁保護されている。パッド24は、パッシベーション膜から露出しており、外部の測定装置に接続可能となっている。本実施形態では圧力感応抵抗素子22としてピエゾ抵抗を用いるが、これに限定されない。 The sensor chip substrate 10 is an SOI (silicon-on-insulator) substrate in which a first silicon substrate 11 and a second silicon substrate 12 are bonded together via a silicon oxide film (SiO 2 ) 13. The first silicon substrate 11 has a circuit formation surface (upper surface in FIGS. 1 and 2) in which a plurality of pressure sensitive resistance elements 22 are embedded as sensor elements for electrically detecting the displacement of the diaphragm 21 by a semiconductor microfabrication technique. Have. The circuit formation surface is covered with a silicon oxide film except for the position above the plurality of pressure sensitive resistance elements 22. On the silicon oxide film, wirings 23 (FIG. 3) and pads 24 (FIGS. 2 and 3) conducting to the respective pressure sensitive resistance elements 22 are provided. Further, the pressure sensitive resistance elements 22, the wirings 23, and the silicon oxide film are It is insulated and protected by a passivation film made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) (not shown). The pad 24 is exposed from the passivation film and can be connected to an external measuring device. In the present embodiment, a piezoresistor is used as the pressure-sensitive resistor element 22, but the present invention is not limited to this.

センサチップ基板10には、第2シリコン基板12とシリコン酸化膜13の一部を第2シリコン基板12側からドライエッチングにより除去することによって上記キャビティ20が形成され、このキャビティ20の上面を構成するシリコン酸化膜13及び第1シリコン基板11によって上記ダイヤフラム21が形成されている。キャビティ20及びダイヤフラム21の中心軸Xは、センサチップ基板10及びベース基板30の平面中心Oと一致している。図3に示されるように、ダイヤフラム21は平面視矩形をなし、ダイヤフラム21の矩形輪郭の各辺にかかるようにして複数の圧力感応抵抗素子22が配置されている。ダイヤフラム21の平面形状は、圧力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、圧力感応抵抗素子22の数、配置も任意に設定可能である。   In the sensor chip substrate 10, the cavity 20 is formed by removing part of the second silicon substrate 12 and the silicon oxide film 13 from the second silicon substrate 12 side by dry etching, and constitutes the upper surface of the cavity 20. The diaphragm 21 is formed by the silicon oxide film 13 and the first silicon substrate 11. The central axis X of the cavity 20 and the diaphragm 21 coincides with the plane center O of the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30. As shown in FIG. 3, the diaphragm 21 has a rectangular shape in plan view, and a plurality of pressure sensitive resistance elements 22 are arranged so as to cover each side of the rectangular outline of the diaphragm 21. The planar shape of the diaphragm 21 may be any other shape as long as it is distorted by pressure, and the number and arrangement of the pressure sensitive resistance elements 22 can be arbitrarily set.

ベース基板30は、センサチップ基板10を支持するシリコン基板である。このベース基板30は、基板中央でキャビティ20に臨み、基板周縁部で第2シリコン基板12に接合する表面30aとは反対側の裏面30bで、外装パッケージ35に樹脂接着剤36により接合されている。   The base substrate 30 is a silicon substrate that supports the sensor chip substrate 10. The base substrate 30 faces the cavity 20 in the center of the substrate and is joined to the exterior package 35 by a resin adhesive 36 on the back surface 30b opposite to the front surface 30a to be joined to the second silicon substrate 12 at the periphery of the substrate. .

上記センサチップ基板10とベース基板31の接合面には、図2、3に示されるように、平面視矩形をなすダイヤフラム21の外周に位置させて、該ダイヤフラム21の4つの角部に沿う平面視L字形状の凹部41がそれぞれ設けられている。凹部41は、センサチップ基板10を第2シリコン基板12側からドライエッチング加工または機械的な研磨加工を施して形成されていて、センサチップ基板10とベース基板30の接合により真空状態で密閉されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the joint surface between the sensor chip substrate 10 and the base substrate 31 is positioned on the outer periphery of the diaphragm 21 having a rectangular shape in plan view, and is a plane along the four corners of the diaphragm 21. Each of the L-shaped concave portions 41 is provided. The recess 41 is formed by subjecting the sensor chip substrate 10 to dry etching or mechanical polishing from the second silicon substrate 12 side, and is sealed in a vacuum state by joining the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30. Yes.

半導体圧力センサ101は、ダイヤフラム21が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪み度合いに応じて複数の圧力感応抵抗素子22の抵抗値が変化し、この複数の圧力感応抵抗素子22で構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として測定装置に出力される。測定装置は、各パッド24を介して、外装パッケージ35に実装された半導体圧力センサ101に接続され、半導体圧力センサ101の出力(中点電位変化)に基づいて圧力を測定できるようになっている。   When the diaphragm 21 is distorted in accordance with the pressure applied to the outer surface of the semiconductor pressure sensor 101, the resistance values of the plurality of pressure sensitive resistance elements 22 change according to the degree of distortion. The midpoint potential of the configured bridge circuit is output to the measuring device as a sensor output. The measuring device is connected to the semiconductor pressure sensor 101 mounted on the exterior package 35 via each pad 24, and can measure the pressure based on the output (change in midpoint potential) of the semiconductor pressure sensor 101. .

落下などにより半導体圧力センサ101が外装パッケージ35側から衝撃を受けると、その衝撃エネルギーEは、ベース基板30からセンサチップ基板10に伝わり、ダイヤフラム21の周縁から中心へ向かう。このエネルギー伝播経路中、センサチップ基板10とベース基板30の接合面では、図4に示されるように、真空密閉された凹部40で衝撃エネルギーEが干渉を起こす。よって、凹部40が形成されている部分では干渉した衝撃エネルギーEがセンサチップ基板10へ伝わり、凹部40が形成されていない部分ではベース基板30からの衝撃エネルギーがそのままダイレクトにセンサチップ基板10へ伝わる。すなわち、ダイヤフラム21の周縁に伝わる衝撃エネルギーEは、センサチップ基板10とベース基板30の接合面での凹部40の有無により、周縁方向においてエネルギー量及び位相に差が生じる。位相の異なる衝撃エネルギーEは、ダイヤフラム21の周縁から中心に向かうとダイヤフラム21の中心で相殺されるので、ダイヤフラム21の中心で実際に受ける衝撃エネルギーEは小さくなり、衝撃によるダイヤフラム21の共振を抑えることができる。   When the semiconductor pressure sensor 101 receives an impact from the exterior package 35 side due to dropping or the like, the impact energy E is transmitted from the base substrate 30 to the sensor chip substrate 10 and travels from the periphery of the diaphragm 21 toward the center. In this energy propagation path, the impact energy E causes interference at the joint 40 between the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30, as shown in FIG. Therefore, the impact energy E that has interfered is transmitted to the sensor chip substrate 10 in the portion where the recess 40 is formed, and the impact energy from the base substrate 30 is directly transmitted to the sensor chip substrate 10 as it is in the portion where the recess 40 is not formed. . That is, the impact energy E transmitted to the peripheral edge of the diaphragm 21 has a difference in energy amount and phase in the peripheral direction depending on the presence or absence of the recess 40 in the joint surface between the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30. The impact energy E having a different phase cancels out from the periphery of the diaphragm 21 toward the center, so that the impact energy E actually received at the center of the diaphragm 21 is reduced, thereby suppressing the resonance of the diaphragm 21 due to the impact. be able to.

図5は、本発明のMEMSセンサを半導体圧力センサに適用した第2実施形態を示す平面図である。第2実施形態による半導体圧力センサ201には、センサチップ基板10とベース基板30の接合面に、平面視矩形状をなすダイヤフラム21の外周に位置させて、該ダイヤフラム21の対角線方向の(180°対向する)一対の角部にのみ、該角部を囲む平面視L字形状の凹部42を設けてある。このようにダイヤフラム21の一対の角部に対応させて基板接合面に凹部42を形成しても、該凹部42があることでベース基板30から受ける衝撃エネルギーEの伝播経路が変化するので、ダイヤフラム21の周縁に伝わる衝撃エネルギーは一様でなくなる。これにより、位相の異なる衝撃エネルギーがダイヤフラム21の中心で相殺されて、衝撃によるダイヤフラム21の共振を抑えることができる。凹部42以外の構成は、第1実施形態と同一であり、凹部42を通るように図5のII−II線で切断して示す半導体圧力センサ201の断面図は図2と同様になる。   FIG. 5 is a plan view showing a second embodiment in which the MEMS sensor of the present invention is applied to a semiconductor pressure sensor. In the semiconductor pressure sensor 201 according to the second embodiment, the joint surface of the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30 is positioned on the outer periphery of the diaphragm 21 having a rectangular shape in plan view, and the diagonal direction of the diaphragm 21 is (180 °). Only a pair of opposing corners is provided with an L-shaped recess 42 in plan view surrounding the corner. Thus, even if the concave portion 42 is formed on the substrate bonding surface so as to correspond to the pair of corner portions of the diaphragm 21, the presence of the concave portion 42 changes the propagation path of the impact energy E received from the base substrate 30, so that the diaphragm The impact energy transmitted to the periphery of 21 is not uniform. Thereby, impact energy having different phases is canceled out at the center of the diaphragm 21, and resonance of the diaphragm 21 due to impact can be suppressed. The configuration other than the recess 42 is the same as that of the first embodiment, and a cross-sectional view of the semiconductor pressure sensor 201 shown by cutting along the II-II line in FIG.

図6及び図7は、本発明のMEMSセンサを半導体圧力センサに適用した第3実施形態を示す平面図及び断面図である。第3実施形態に示す半導体圧力センサ301には、センサチップ基板10とベース基板30の接合面に、平面視矩形状をなすダイヤフラム21の外周に位置させて、該ダイヤフラム21の平行な一対の辺(180°対向する一対の辺)に沿って平面視直線状の凹部43をそれぞれ設けてある。このようにダイヤフラム21の一対の辺に対応させて基板接合面に凹部43を形成しても、該凹部43があることでベース基板30から受ける衝撃エネルギーEの伝播経路が変化するので、ダイヤフラム21の周縁に伝わる衝撃エネルギーは一様でなくなる。これにより、位相の異なる衝撃エネルギーがダイヤフラム21の中心で相殺されて、衝撃によるダイヤフラム21の共振を抑えることができる。凹部43以外の構成は、第1実施形態と同一である。   6 and 7 are a plan view and a cross-sectional view showing a third embodiment in which the MEMS sensor of the present invention is applied to a semiconductor pressure sensor. In the semiconductor pressure sensor 301 shown in the third embodiment, a pair of parallel sides of the diaphragm 21 is positioned on the outer periphery of the diaphragm 21 having a rectangular shape in plan view on the joint surface of the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30. A concave portion 43 that is linear in a plan view is provided along (a pair of sides facing each other by 180 °). Thus, even if the recess 43 is formed on the substrate bonding surface so as to correspond to the pair of sides of the diaphragm 21, the propagation path of the impact energy E received from the base substrate 30 changes due to the presence of the recess 43. The impact energy transmitted to the periphery of is not uniform. Thereby, impact energy having different phases is canceled out at the center of the diaphragm 21, and resonance of the diaphragm 21 due to impact can be suppressed. The configuration other than the recess 43 is the same as that of the first embodiment.

第1実施形態の4つの凹部41、第2実施形態の一対の凹部42、及び第3実施形態の一対の凹部43はそれぞれダイヤフラム21の中心軸Xに対して回転対称となり、ダイヤフラム21の外周全部ではなく外周の一部に凹部41、42、43があることで、ダイヤフラム21に伝わる衝撃エネルギーの位相及びエネルギー量を周縁方向で異ならせることができる。   The four recesses 41 of the first embodiment, the pair of recesses 42 of the second embodiment, and the pair of recesses 43 of the third embodiment are rotationally symmetric with respect to the central axis X of the diaphragm 21, respectively. Instead, the presence of the recesses 41, 42, and 43 in a part of the outer periphery makes it possible to vary the phase and energy amount of impact energy transmitted to the diaphragm 21 in the peripheral direction.

第1〜第3実施形態において、凹部41、42、43は、ベース基板30側に形成されていても、センサチップ基板10とベース基板31の両方に形成されていてもよい。凹部41、42、43は、センサチップ基板10に形成すればキャビティ20と同時に形成できるので、製造容易となって好ましい。   In the first to third embodiments, the recesses 41, 42, and 43 may be formed on the base substrate 30 side, or may be formed on both the sensor chip substrate 10 and the base substrate 31. Since the recesses 41, 42, and 43 can be formed at the same time as the cavity 20 if they are formed in the sensor chip substrate 10, it is preferable because manufacturing becomes easy.

図8及び図9は、本発明のMEMSセンサを半導体加速度センサ401に適用した第4実施形態を示す断面図及び平面図である。半導体加速度センサ401は、ダイヤフラム型の半導体加速度センサであって、加速度が加えられたときに重り423の慣性力により撓む可動部421と、該可動部421の撓み量を電気的に検出するセンサ素子422とを形成したセンサチップ基板410を備えている。   8 and 9 are a sectional view and a plan view showing a fourth embodiment in which the MEMS sensor of the present invention is applied to a semiconductor acceleration sensor 401. FIG. The semiconductor acceleration sensor 401 is a diaphragm type semiconductor acceleration sensor, and is a sensor that electrically detects a movable portion 421 that is bent by an inertial force of a weight 423 when acceleration is applied, and a bending amount of the movable portion 421. A sensor chip substrate 410 on which an element 422 is formed is provided.

可動部421は、センサチップ基板410の外枠フレーム410Aで囲まれた全体として平面視矩形状をなしていて、その中央に位置する平面視矩形状の中央部421aと、この中央部421aの外周縁からセンサチップ基板410の外枠レーム部410Aに延出させた梁部421bとで構成され、中央部421aに重り423を懸架支持している。図9に示されるように、中央部421aの矩形の輪郭の各辺にかかるようにして、上記複数のセンサ素子422が配置されている。本実施形態ではセンサ素子422としてピエゾ抵抗を用いるが、これに限定されない。中央部421aの平面形状は、重り423の慣性力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、センサ素子422の数、配置も任意に設定可能である。   The movable portion 421 has a rectangular shape in plan view as a whole surrounded by the outer frame frame 410A of the sensor chip substrate 410, and has a central portion 421a in a rectangular shape in plan view located at the center thereof, and an outside of the central portion 421a. The beam portion 421b extends from the periphery to the outer frame frame portion 410A of the sensor chip substrate 410, and a weight 423 is suspended and supported on the central portion 421a. As shown in FIG. 9, the plurality of sensor elements 422 are arranged so as to cover each side of the rectangular outline of the central portion 421a. In this embodiment, a piezoresistor is used as the sensor element 422, but the present invention is not limited to this. The planar shape of the central portion 421a may be any other shape as long as it is distorted by the inertia force of the weight 423, and the number and arrangement of the sensor elements 422 can be arbitrarily set.

重り423の周囲には、センサチップ基板410をその裏面(センサ素子422が形成された面とは反対側の面)からドライエッチングにより除去することによって空隙425が形成されている。この空隙425を生じさせた状態で、センサチップ基板410とベース基板430は接合されている。ベース基板430は、センサチップ基板410の支持基板となるシリコン基板である。ベース基板430は、センサチップ基板410との接合面とは反対側の面が、樹脂接着剤436により外装パッケージ435に接着固定されている。可動部421(中央部421a)の中心軸Xとセンサチップ基板10及びベース基板30の平面中心Oは、一致している。   A gap 425 is formed around the weight 423 by removing the sensor chip substrate 410 from its back surface (the surface opposite to the surface on which the sensor element 422 is formed) by dry etching. The sensor chip substrate 410 and the base substrate 430 are bonded in a state where the gap 425 is generated. The base substrate 430 is a silicon substrate that serves as a support substrate for the sensor chip substrate 410. The base substrate 430 is bonded and fixed to the exterior package 435 with a resin adhesive 436 on the surface opposite to the bonding surface with the sensor chip substrate 410. The central axis X of the movable portion 421 (center portion 421a) and the plane center O of the sensor chip substrate 10 and the base substrate 30 coincide.

上記センサチップ基板410とベース基板430の接合面には、図8、図9に示されるように、全体として平面視矩形をなす可動部421の外周、すなわち、外枠フレーム部410Aに位置させて、該可動部421の4つ角部をそれぞれ囲む平面視L字形状の凹部441が設けられている。凹部441は、センサチップ基板410をその裏面側からドライエッチング加工または機械的な研磨加工を施して形成されていて、センサチップ基板410とベース基板430の接合により閉じられている。   As shown in FIGS. 8 and 9, the joint surface between the sensor chip substrate 410 and the base substrate 430 is positioned on the outer periphery of the movable portion 421 having a rectangular shape in plan view, that is, on the outer frame frame portion 410A. A concave portion 441 having an L shape in plan view is provided to surround each of the four corners of the movable portion 421. The concave portion 441 is formed by subjecting the sensor chip substrate 410 to dry etching processing or mechanical polishing processing from the back side thereof, and is closed by joining the sensor chip substrate 410 and the base substrate 430.

半導体加速度センサ401は、重り423に加速度が加わると、重り423と連動する可動部421が撓み、この撓み量に応じて複数のセンサ素子422の出力(センサ素子422がピエゾ抵抗であれば抵抗値)が変化し、これら複数のセンサ素子422で構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として測定装置に出力される。測定装置は、半導体加速度センサ401の出力(中点電位変化)に基づいて加速度を測定できるようになっている。   When acceleration is applied to the weight 423, the semiconductor acceleration sensor 401 bends the movable portion 421 interlocked with the weight 423, and outputs a plurality of sensor elements 422 according to the amount of the bend (if the sensor element 422 is a piezoresistor, the resistance value). ) Changes, and the midpoint potential of the bridge circuit constituted by the plurality of sensor elements 422 is output to the measuring device as a sensor output. The measuring device can measure acceleration based on the output (change in midpoint potential) of the semiconductor acceleration sensor 401.

落下などにより半導体加速度センサ401が外装パッケージ435側から衝撃を受けると、その衝撃エネルギーEは、ベース基板430からセンサチップ基板410に伝わり、梁部421bを介して中央部421aの周縁から中心へ向かう。このエネルギー伝播経路中、センサチップ基板410とベース基板430の接合面では、上述の第1実施形態と同様に、密閉された凹部441で衝撃エネルギーEが干渉を起こす。よって、凹部441が形成されている部分では干渉した衝撃エネルギーEがセンサチップ基板410へ伝わり、凹部441が形成されていない部分ではベース基板430からの衝撃エネルギーEがそのままダイレクトにセンサチップ基板410へ伝わる。すなわち、可動部421(中央部421a、梁部421b)の周縁に伝わる衝撃エネルギーEは、センサチップ基板410とベース基板430の接合面での凹部441の有無により、周縁方向においてエネルギー量及び位相に差が生じる。位相の異なる衝撃エネルギーEは、可動部421の周縁から中心に向かうと可動部421の中心で相殺されるので、可動部421の中央部421aが実際に受ける衝撃エネルギーEは小さくなり、衝撃による可動部421の共振を抑えることができる。   When the semiconductor acceleration sensor 401 receives an impact from the exterior package 435 side due to dropping or the like, the impact energy E is transmitted from the base substrate 430 to the sensor chip substrate 410 and goes from the periphery of the central portion 421a to the center via the beam portion 421b. . In this energy propagation path, the impact energy E causes interference in the sealed recess 441 at the joint surface between the sensor chip substrate 410 and the base substrate 430, as in the first embodiment. Therefore, the impact energy E that has interfered is transmitted to the sensor chip substrate 410 in the portion where the recess 441 is formed, and the impact energy E from the base substrate 430 is directly applied to the sensor chip substrate 410 as it is in the portion where the recess 441 is not formed. It is transmitted. That is, the impact energy E transmitted to the periphery of the movable part 421 (center part 421a, beam part 421b) has an energy amount and a phase in the peripheral direction depending on the presence or absence of the recess 441 at the joint surface between the sensor chip substrate 410 and the base substrate 430. There is a difference. The impact energy E having a different phase cancels out at the center of the movable part 421 toward the center from the periphery of the movable part 421. Therefore, the impact energy E actually received by the central part 421a of the movable part 421 becomes small, and the movable part can be moved by the impact. The resonance of the part 421 can be suppressed.

図10〜図12は、MEMSセンサの落下時に、可動部のエッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。この測定は、図16に示される基板接合面にダイヤフラム21の一対の辺に沿う直線状の凹部43を設けた実施例1(第3実施形態)、図17に示される基板接合面に凹部を設けていない比較例1、図18に示される基板接合面にダイヤフラム21の外周全体に各辺に沿う凹部45を設けた比較例2についてそれぞれ実施した。図10〜12の縦軸はダイヤフラム21の輪郭各辺の中心位置にかかる最大主応力を示し、横軸は落下時からの経過時間を示している。   10 to 12 are graphs showing the results of measuring the maximum principal stress applied to the edge of the movable part along the elapsed time when the MEMS sensor is dropped. In this measurement, Example 1 (third embodiment) in which linear concave portions 43 along a pair of sides of the diaphragm 21 are provided on the substrate bonding surface shown in FIG. 16, and the concave portions are formed on the substrate bonding surface shown in FIG. Comparative Example 1 that was not provided, and Comparative Example 2 in which a recess 45 along each side was provided on the entire outer periphery of the diaphragm 21 on the substrate bonding surface shown in FIG. 10 to 12, the vertical axis indicates the maximum principal stress applied to the center position of each side of the contour of the diaphragm 21, and the horizontal axis indicates the elapsed time since the drop.

図10〜図12から明らかなように、落下時にダイヤフラム21が受ける衝撃は、実施例1で比較例1、2よりも小さくなっている。   As is clear from FIGS. 10 to 12, the impact received by the diaphragm 21 when dropped is smaller in the first embodiment than in the first and second comparative examples.

図13〜図15は、図10〜図12のグラフをそれぞれ周波数分解して表したグラフである。図13〜図15の縦軸はダイヤフラム21にかかる最大主応力に対応する信号値を示し、横軸は周波数を示している。   13 to 15 are graphs obtained by frequency-resolving the graphs of FIGS. 10 to 12, respectively. The vertical axis | shaft of FIGS. 13-15 shows the signal value corresponding to the largest principal stress concerning the diaphragm 21, and the horizontal axis has shown the frequency.

図13〜図15を見ると、実施例1及び比較例1、2のいずれにおいても、衝撃によるダイヤフラム21の共振周波数は300Hz、1400Hz付近にあることがわかる。凹部を具備しない比較例1では、共振周波数300Hzのとき信号値7000、共振周波数1400Hzのとき信号値4000となっている。これに対し、基板接合面にダイヤフラム21の外周一部に位置する凹部43を設けた実施例1では、共振周波数300Hzのとき信号値4000、共振周波数1400Hzのとき信号値3200程度と明らかに比較例1より小さくなっており、凹部43を設けたことでダイヤフラム21が受ける応力が低減していることが明らかである。基板接合面にダイヤフラム21の外周全体に位置する凹部45を設けた比較例2では、共振周波数300Hzのとき信号値6500、共振周波数1400Hzのとき信号値5200であり、凹部を具備しない比較例1とそれほど変わらない。   13 to 15, it can be seen that in both Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the resonance frequency of the diaphragm 21 due to impact is in the vicinity of 300 Hz and 1400 Hz. In Comparative Example 1 having no recess, the signal value is 7000 when the resonance frequency is 300 Hz, and the signal value is 4000 when the resonance frequency is 1400 Hz. On the other hand, in the first embodiment in which the concave portion 43 located at a part of the outer periphery of the diaphragm 21 is provided on the substrate bonding surface, the signal value is 4000 when the resonance frequency is 300 Hz, and the signal value is about 3200 when the resonance frequency is 1400 Hz. It is apparent that the stress received by the diaphragm 21 is reduced by providing the recess 43. In Comparative Example 2 in which the concave portion 45 located on the entire outer periphery of the diaphragm 21 is provided on the substrate bonding surface, the signal value is 6500 when the resonance frequency is 300 Hz, and the signal value is 5200 when the resonance frequency is 1400 Hz. It does n’t change that much.

以上から明らかなように、センサチップ基板10(410)とベース基板30(430)の接合面において、可動部(ダイヤフラム21、可動部421)の外周の一部に凹部(41、42、43、441)を設けることで、可動部に伝わる衝撃エネルギーを低減でき、衝撃による可動部の共振を抑えることができる。これによって、可動部の破損を防止し、耐久性に優れたMEMSセンサが得られる。   As is clear from the above, in the joint surface between the sensor chip substrate 10 (410) and the base substrate 30 (430), a concave portion (41, 42, 43,. By providing 441), the impact energy transmitted to the movable part can be reduced, and the resonance of the movable part due to the impact can be suppressed. As a result, it is possible to obtain a MEMS sensor that prevents damage to the movable part and has excellent durability.

以上では、半導体圧力センサまたは半導体加速度センサに本発明を適用した実施形態について説明したが、半導体型に限らず、静電容量型の圧力センサや加速度センサのほか、接合したセンサチップ基板とベース基板の間に空隙を生じるMEMSセンサ一般に本発明は適用可能である。また第1〜第3実施形態では、キャビティが真空状態で保持されて絶対圧力を検出する絶対圧センサに本発明を適用しているが、本発明は、キャビティが外方に通じていて所定の基準圧力との差分を検出する差圧センサにも適用可能である。   The embodiment in which the present invention is applied to the semiconductor pressure sensor or the semiconductor acceleration sensor has been described above. However, the present invention is not limited to the semiconductor type, and in addition to the capacitance type pressure sensor and the acceleration sensor, the bonded sensor chip substrate and the base substrate. In general, the present invention is applicable to MEMS sensors that generate air gaps between them. In the first to third embodiments, the present invention is applied to an absolute pressure sensor that detects an absolute pressure while the cavity is held in a vacuum state. The present invention is also applicable to a differential pressure sensor that detects a difference from a reference pressure.

101 201 301 半導体圧力センサ(MEMSセンサ)
10 センサチップ基板
11 第1シリコン基板
12 第2シリコン基板
13 シリコン酸化膜
20 キャビティ(空隙)
21 ダイヤフラム(可動部)
22 圧力感応抵抗素子(センサ素子)
30 ベース基板
30a 表面(接合面)
30b 裏面(実装面)
35 外装パッケージ
36 樹脂接着剤
41、42、43 凹部
401 半導体加速度センサ(MEMSセンサ)
410 センサチップ基板
410A 外枠フレーム
421 可動部
421a 中央部
421b 梁部
422 センサ素子
423 重り
430 ベース基板
435 外装パッケージ
436 樹脂接着剤
441 凹部
E 衝撃エネルギー
O 平面中心(基板中心)
X 中心軸
101 201 301 Semiconductor pressure sensor (MEMS sensor)
10 Sensor chip substrate 11 First silicon substrate 12 Second silicon substrate 13 Silicon oxide film 20 Cavity (void)
21 Diaphragm (movable part)
22 Pressure sensitive resistance element (sensor element)
30 Base substrate 30a surface (bonding surface)
30b Back side (mounting side)
35 Exterior Package 36 Resin Adhesive 41, 42, 43 Recess 401 Semiconductor Acceleration Sensor (MEMS Sensor)
410 sensor chip substrate 410A outer frame frame 421 movable portion 421a center portion 421b beam portion 422 sensor element 423 weight 430 base substrate 435 exterior package 436 resin adhesive 441 recess E impact energy O plane center (substrate center)
X Center axis

Claims (5)

機械的に動作可能な可動部とこの可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を形成したセンサチップ基板を、前記可動部との間に空隙を設けてベース基板に接合してなるMEMSセンサにおいて、
前記センサチップ基板と前記ベース基板の接合面に、前記可動部の外周の一部に沿って、凹部を設けたことを特徴とするMEMSセンサ。
A MEMS sensor in which a mechanically operable movable part and a sensor chip substrate on which a sensor element for electrically detecting the displacement of the movable part is formed are joined to a base substrate with a gap provided between the movable part and the sensor chip substrate. In
A MEMS sensor, wherein a concave portion is provided along a part of an outer periphery of the movable portion on a joint surface between the sensor chip substrate and the base substrate.
請求項1記載のMEMSセンサにおいて、前記可動部は平面視矩形状をなし、前記凹部は、この平面視矩形の各角部の外周に沿う平面視L字形状でそれぞれ形成されているMEMSセンサ。 2. The MEMS sensor according to claim 1, wherein the movable portion has a rectangular shape in a plan view, and the concave portion is formed in an L shape in a plan view along an outer periphery of each corner portion of the rectangular shape in the plan view. 請求項1記載のMEMSセンサにおいて、前記可動部は平面視矩形状をなし、前記凹部は、この平面視矩形の180°対向する一対の角部に、該角部の外周に沿う平面L字形状で形成されているMEMSセンサ。 2. The MEMS sensor according to claim 1, wherein the movable portion has a rectangular shape in plan view, and the concave portion has a planar L-shape along a periphery of the corner portion at a pair of corner portions facing each other at 180 ° of the rectangular shape in plan view. MEMS sensor formed by. 請求項1記載のMEMSセンサにおいて、前記可動部は平面視矩形状をなし、前記凹部は、この平面視矩形の180°対向する一対の辺の外周に、該各辺に沿う平面視直線状で形成されているMEMSセンサ。 2. The MEMS sensor according to claim 1, wherein the movable portion has a rectangular shape in a plan view, and the concave portion has a linear shape in a plan view along each side on an outer periphery of a pair of sides facing each other at 180 ° of the rectangular shape in the plan view. The formed MEMS sensor. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載のMEMSセンサにおいて、前記凹部は、真空密閉されているMEMSセンサ。 5. The MEMS sensor according to claim 1, wherein the concave portion is vacuum-sealed. 6.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104760923A (en) * 2014-01-06 2015-07-08 阿尔卑斯电气株式会社 Mems sensor
US20150253375A1 (en) * 2014-03-05 2015-09-10 Infineon Technologies Ag Semiconductor device and method for detecting damaging of a semiconductor device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104760923A (en) * 2014-01-06 2015-07-08 阿尔卑斯电气株式会社 Mems sensor
KR20150082119A (en) * 2014-01-06 2015-07-15 알프스 덴키 가부시키가이샤 Mems sensor
KR101633027B1 (en) 2014-01-06 2016-06-23 알프스 덴키 가부시키가이샤 Mems sensor
CN104760923B (en) * 2014-01-06 2017-01-11 阿尔卑斯电气株式会社 Mems sensor
US20150253375A1 (en) * 2014-03-05 2015-09-10 Infineon Technologies Ag Semiconductor device and method for detecting damaging of a semiconductor device
US9618561B2 (en) * 2014-03-05 2017-04-11 Infineon Technologies Ag Semiconductor device and method for detecting damaging of a semiconductor device

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