JP2011176426A - 共振振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】封止基板の接合での気密封止パッケージで発生する内部応力による振動デバイスの共振周波数の変化やばらつきを低減し安定した特性の共振振動デバイスを提供する。
【解決手段】共振振動デバイスは、振動部が形成されている基板と、該基板に接合されて気密封止する封止基板とによって構成され、振動部が形成されている基板に封止基板に接合する接合フレーム１０１とは別に振動部を支持する支持フレーム１０３が設けられていて、接合フレーム１０１と支持フレーム１０３とがそれぞれのフレームよりも剛性の小さい部材によって結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は気密封止パッケージされたマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術を応用した共振振動デバイスに関する。

シリコン基板上に微細加工技術によって可動部や検出部を有する機能素子が形成されているＭＥＭＳデバイスは、シリコン基板の半導体プロセスによる一括加工によって形成されるという、その製法上の特徴から小型化が容易なだけではなく、高機能、低消費電力、低コスト、高信頼性などの多くの利点を有することから、近年精力的に開発が進められてきており、すでに自動車や携帯電話に搭載する加速度センサ、角速度センサ、傾斜角センサや流量センサ、圧力センサ、ディスプレイ用の光スイッチ、プロジェクタ用の光スキャナなど多くのＭＥＭＳデバイスが実用化あるいはサンプル出荷レベルにまで完成されてきている。

これらの機能素子の構造は薄膜や狭ギャップなどのシリコン微細構造や微細な配線から構成され、外部からの温度、湿度、パーティクル等の変動、汚染などからその安定した動作を確保、維持するための対応として機能素子を気密封止し、外界から完全に遮断する形態でパッケージが行われる。気密封止空間の内部は機能素子の種類により減圧封止されている場合や不活性ガスが充填されている場合があり、一般に高速で振動動作する角速度センサや光スキャナなどの場合は動作するうえでの抵抗となる気体の粘性抵抗を低減するため減圧状態で気密封止される。

光スキャナや角速度センサなどの振動デバイスは一般に低いエネルギーで効率よく大きな動作振幅を得るために振動デバイスの構造と材料で決まってくる共振周波数で駆動する。減圧状態で気密封止する方法としてはセラミックパッケージやメタルパッケージといった個別にパッケージングする方法と振動デバイスが形成されているウエハに両面から別ウエハを接合したあとでチップ分割するウエハレベルパッケージングが知られているが、ＭＥＭＳデバイスでは材料と工程のコスト面から後者のほうが有利である場合が多く、例えば特許文献１に示されるような各種デバイスでの気密封止パッケージングが考案されている。ウエハレベルパッケージングでは共振振動デバイスが形成されているシリコンウエハにシリコンウエハあるいはガラスウエハを接合する。接合方法としては直接接合、陽極接合、常温接合など接合層を介さずにウエハどうしを直接接合する方法と、ガラスフリットやポリイミド、エポキシ樹脂などの接着層を介して接合する方法がある。

これらの接合工程では一般に接合ウエハの熱膨張係数差から生じる内部応力の影響を低減するため、接合基板にシリコンと熱膨張係数が近いガラスを用い、できるだけ熱膨張係数が近くなる温度で接合したりしてきた。また３枚以上のウエハを接合する場合は一方の面を高温で接合した後、いったん室温まで下げてから他方の面を再び高温に上げて接合するといった昇温、降温を繰り返す接合工程によっても内部応力は増大し、これが特性上問題となってくる高精度の共振振動デバイスにおいては、共振振動デバイスが形成されているウエハの両面に同一ウエハを同時接合することで内部応力の影響をさらに低減する方法をとってきた。また、例えば特許文献２では能動的に共振周波数を調整する機能を盛り込んでデバイスを作製する方法をとっている。

しかし、接合基板にシリコンと熱膨張係数が近いガラスを用いたり、接合温度を低く抑えることで熱膨張係数差が大きくならないようにしてきたが、熱膨張係数差の影響を全くなくすことは難しく、また、ウエハ面内でばらつきをもった内部応力の影響により振動部の弾性係数が場所によって変わり共振周波数が設計値からのシフト量にばらつきが発生してしまい、デバイス特性としてこれらのばらつきを見込んだ値に設定せざるを得なかった。

図１０に厚さ１００ｕｍのねじり梁に作用する内部応力とこのねじり梁を中心軸として往復振動する振動ミラーの共振周波数の変化の計算結果を示した。この場合の内部応力変化は１ＧＰａ当り約０.５Ｈｚとなっており、一般に接合時の内部応力の値が場合によっては数ＧＰａから数１０ＧＰａ相当になることから、接合による共振周波数変化が無視できないレベルになる場合もあることがわかる。

また両面に同一ウエハを同時接合することで内部応力の影響をさらに低減する方法においては、構造上の制約や工程が複雑になったり、あるいは接合時のジグ等に複雑な構造を要するなど、コスト面で不利になる場合が多かった。さらに、共振周波数を能動的に調整する機構では構造やプロセスが複雑になりコストアップにつながるうえ、デバイスの信頼性を低下させてしまうことになっていた。

本発明の目的は、これら従来の気密封止パッケージされた共振振動デバイスにおける問題点を解決すべく、封止基板の接合での気密封止パッケージで発生する内部応力による振動デバイスの共振周波数の変化やばらつきを低減し、安定した特性の共振振動デバイスを提供することにある。

請求項１記載の発明は、振動部が形成されている基板と、該基板に接合されて気密封止する封止基板とによって構成される共振振動デバイスであって、振動部が形成されている基板に封止基板に接合する接合フレームとは別に振動部を支持する支持フレームが設けられていて、接合フレームと支持フレームとがそれぞれのフレームよりも剛性の小さい部材によって結合されていることを特徴とする共振振動デバイスである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、接合フレームと支持フレームとを結合する部材が両フレームと一体的に同一材料で形成される複数の梁であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の共振振動デバイスにおいて、接合フレームと支持フレームとを結合する複数の梁が振動部の支点方向と直行する方向に配置されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の共振振動デバイスにおいて、接合フレームと支持フレームとを結合する複数の梁が両フレームと直行しない方向で結合されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、振動部が形成されている基板に封止基板に接合するフレームとは別に設けられている振動部を支持するフレームが振動部の外周を連続して囲む枠体形状をなすことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、接合フレームと支持フレームとを結合するそれぞれのフレームよりも剛性の小さい部材が、両フレーム間に全面にわたり充填されていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、封止基板との接合フレーム厚よりも振動部と支持フレームとが薄いことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、封止基板と接合フレームとが接着層を介して接合されたことを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、振動部が形成されている気密封止空間が減圧されていることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１記載の共振振動デバイスにおいて、振動部が形成されている気密封止空間に不活性ガスが充填されていることを特徴とする。

本発明によれば、封止基板の接合での気密封止パッケージで発生する内部応力による振動デバイスの共振周波数の変化やばらつきを低減し、安定した特性の共振振動デバイスを提供することができる。

本発明の第１の実施形態である気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を示す図である。 ねじり梁の支持フレームと内部応力を緩和するための結合梁構造をもたないスキャナ構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態であるスキャナの製造方法を示す図である。 スキャナウエハのミラー面側に接合するガラスウエハとその反対面側に接合するシリコンウエハの製造方法を示す図である。 ３つのウエハの接合工程と反射面、電極パッドの形成工程を示す図である。 本発明の第２の実施形態である気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図である。 本発明の第３の実施形態である気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図である。 本発明の第４の実施形態である気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図である。 本発明の第５の実施形態である気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図である。 振動ミラーの共振周波数の変化の計算結果を示す図である。

本発明の第１の実施の形態における気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図１に示した。本実施の形態では静電力で駆動するマイクロスキャナのパッケージングに本発明を適用している。図１下の断面図は中央平面図のＡ−Ａ‘位置の断面である。また、図１中央の平面図ではスキャナが形成されているデバイスウエハの構造を説明するため表側に接合されるガラス基板（ガラスウエハ）１１２は図示していない。

本実施の形態におけるマイクロスキャナは厚さ１ｕｍの酸化膜１００を介して厚さ２００ｕｍの２枚の低抵抗シリコンウエハが接合されたＳＯＩウエハに形成されている。低抵抗ウエハを構造体として用いることで、適切な位置で基板を絶縁分離すれば電極配線が不要となり、簡単なプロセスで駆動電極を形成することができる。

酸化膜を中央に全厚４０１ｕｍの接合フレーム１０１はスキャナ全体の外形をなすとともにパッケージングの際に上下ウエハとの接合部となる。接合フレーム１０１の内側にはそれぞれ３本の結合梁１０２で短辺と長辺の中央位置で結合された一対の支持フレーム１０３が設けられており、両フレームと結合梁はいずれもＳＯＩウエハの酸化膜を介した片側のシリコンウエハで一体的に形成されている。

表面に反射膜１０４が形成された振動ミラー１０５の両側短辺は接合フレーム１０１近傍に対向して櫛歯形状をなしており、両側長辺の中央には一対のねじり梁１０６が一体的に形成されている。また、この一対のねじり梁１０６の振動ミラーの反対側は上記一対の支持フレーム１０３で支えられている。

振動ミラー１０５の櫛歯形状の短辺に対向した両側の接合フレーム１０１にはＳＯＩウエハの片側基板相当の２００ｕｍ深さで幅５０ｕｍのスリット１０７で電気的に分離された一対の駆動電極１０８が形成され、振動ミラーの櫛歯形状の短辺に対向した部分が１０ｕｍのギャップを介して噛み合う形状で同ピッチの櫛歯形状をなしている。この駆動電極１０８の表面には電極パッド１１０が形成されている。また、振動ミラーの電位を接地するための電極パッド１１１がＳＯＩウエハの駆動電極が形成されている基板とは酸化膜を介して反対側（下側）の基板に上側基板の貫通口を通した先に形成されている。

スキャナが形成されているＳＯＩウエハは、接合フレーム１０１において反射面側にはガラス基板（ガラスウエハ）１１２が陽極接合され、その反対側の面には接合フレームの外周に沿ってパターニングされたガラスフリットの接着層１１６を介してシリコンウエハ１１３が接合されている。ガラスウエハとシリコンウエハで両面から接合されたスキャナの振動空間は、空気の粘性抵抗を減らして低エネルギーで大きな触れ角が得られるように減圧状態で気密封止されている。

ガラス基板（ガラスウエハ）１１２にはスキャナが形成されたＳＯＩウエハの一対の駆動電極の電極パッド１１０と、振動ミラーの電位を接地するための電極パッド１１１の位置にそれぞれ３ヶ所の貫通口１１４が形成されており、また、シリコンウエハ１１３のスキャナが動作する部分にはその動きを妨げない大きさで深さ２００ｕｍのキャビティ１１５が形成されている。

次にこのマイクロスキャナの動作について説明する。
振動ミラーと同電位である接合フレームに形成された電極パッド１１１を接地して、接合フレーム上の対称位置にある一対の駆動電極１０８上の電極パッド１１０に交互に５０Ｖの正弦波電圧を印加する。駆動電極に形成された櫛歯構造に対し振動ミラー短辺に形成された櫛歯構造は下方位置にあるため、電圧印加により静電引力が作用して下方の振動ミラー短辺が上方位置の駆動電極方向に交互に引き寄せられる。このとき、印加電圧の周波数を振動ミラーとねじり梁の材料と構造、寸法で決まってくる共振周波数に設定すると、ねじり梁を中心軸とした振動ミラーの往復振動は大きくなり、駆動電圧の上昇に伴い振動の振れ角はさらに大きくなる。

本マイクロスキャナの基本特性のひとつである共振周波数は振動ミラーとねじり梁の材料と構造、寸法から設計することができるが、実際に加工されたスキャナの共振周波数は数１０Ｈｚのオーダーで設計値とずれてくる場合がある。その要因のひとつとして、仕上がったデバイスの加工寸法、形状と設計段階で想定したものとのずれが挙げられることから、これに対しては加工精度を向上させたり、設計値にそれを見込んだ寸法のシフトを取り込むことで、合わせ込んでいくことができる。

このようにしてスキャナを形成するウエハの段階で共振周波数が設計どおりになっていても、それを上下から材質や厚さの異なるウエハにより順次、高温状態で気密封止接合したあと室温に戻す工程を繰り返していくと、最終的にはウエハ間の熱膨張係数差から発生する内部応力の影響でねじり梁の弾性係数が変わり、それによっても共振周波数が変化してくる。特に量産段階で大面積ウエハ上に数多くのスキャナを同時形成する場合、面内の場所によっても内部応力の状態が異なるため、共振周波数の値が面内で数Hzのオーダーでばらついてくることになる。

本実施の形態のスキャナにおいては、このような接合によって発生する内部応力が作用する接合フレーム１０１で振動ミラーのねじり梁１０６を直接支持するのではなく、接合フレーム１０１に複数の梁１０２で結合された支持フレーム１０３でねじり梁１０６を支持している。ここで複数の結合梁は接合フレームや支持フレームよりも剛性が小さくなるようにその構造、寸法を設定しているため、接合フレームに発生した内部応力はこの結合梁が微小量変形することで緩和されることになり、支持フレームへの内部応力の影響を低減することができる。したがって、支持フレームで支えられたねじり梁の弾性係数の変化が低減され、接合によるスキャナの共振周波数変化を低減させることができる。

本実施の形態に対してねじり梁の支持フレームと内部応力を緩和するための結合梁構造をもたない従来技術のスキャナ構造を図２に示した。ねじり梁２０１は接合フレーム２０２に直結されており、接合工程で接合フレームに発生する内部応力は直接ねじり梁に影響を与えるため振動ミラー２０３の共振周波数のシフト量やばらつきが大きくなる。

本実施の形態のスキャナの製造方法について図３を用いて説明する。
スキャナ作成には厚さ１ｕｍの酸化膜を介して接合された２００ｕｍ厚のシリコンウエハ３０２、３０３からなるＳＯＩウエハを用いる（ａ）。

まず、レジストマスクでシリコンウエハ３０２に振動ミラー（短辺側櫛歯形状）、ねじり梁、支持フレーム、結合梁、接合フレームの基本形状３０４を高密度プラズマエッチング装置を用いた２００ｕｍの深堀り加工で形成する（ｂ）。

次に、深堀加工底面に露出した酸化膜をドライエッチング装置で除去する（ｃ）。

次に、反対面のシリコンウエハ３０３にレジストマスクで電極周囲のスリット形状３０５を同じく高密度プラズマエッチング装置を用いた２００ｕｍの深堀り加工で形成する（ｄ）。

次に、レジストマスクで振動ミラー、ねじり梁、支持フレーム、結合梁のそれぞれを含む中央部矩形領域３０６と、シリコンウエハ３０２から電極を引き出すための貫通口（図示せず）を同じく高密度プラズマエッチング装置を用いた２００ｕｍの深堀り加工で形成し、このとき駆動電極の側櫛歯形状をミラー短辺の櫛歯形状が移動してきたときに噛み合う位置に形成する（ｅ）。

次に、露出している酸化膜をドライエッチング装置で除去する（ｆ）。
以上の工程でＳＯＩウエハにスキャナの基本構造を形成することができる。

次に、スキャナウエハのミラー面側に接合するガラスウエハとその反対面側に接合するシリコンウエハの製造方法を図４を用いて説明する。４０１は厚さ１００ｕｍのテンパックスガラスウエハであり、このガラスの３ヶ所に高分子系のマスク材でサンドブラストにより貫通口４０２を形成する。４０３は厚さ３００ｕｍのシリコンウエハであり、中央にシリコン窒化膜マスクで異方性エッチングにより５４.７度の傾斜面で囲まれた深さ２００ｕｍのキャビティ４０４を形成する。

最後にこれらの方法で作製した３つのウエハの接合工程と反射面、電極パッドの形成工程について図５を用いて説明する。

中央部にキャビティが形成されたシリコンウエハ５０１の外周にスクリーン印刷でガラスフリット５００をパターニングしたあと熱処理する（ａ）。

次に、加圧制御が可能な接合装置を用いてこのシリコンウエハ上に位置合わせしたうえでスキャナウエハ５０２を加熱しながら接合する（ｂ）。

次に、Ａｌ電極パッド５０３を２ヶ所の駆動電極位置にステンシルマスクを用いてマスク成膜する（c）。

次に、反射面位置に同じくステンシルマスクを用いてＡｕ反射膜５０４をマスク成膜する（ｄ）。

最後にスキャナウエハのミラー面側に、電極パッド５０３との位置合わせをしながら電極引出しのための貫通口が形成されたガラスウエハ５０５を減圧下で陽極接合する（e）。

本発明の第２の実施の形態における気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図６に示した。ここでの実施の形態は静電力で駆動するマイクロスキャナのパッケージングに本発明を適用したものである。

本実施の形態におけるマイクロスキャナは厚さ１ｕｍの酸化膜１００を介して厚さ２００ｕｍの２枚の低抵抗シリコンウエハが接合されたＳＯＩウエハに形成されている。６０１はスキャナ全体の外形をなすとともにパッケージングのさいに上下ウエハとの接合部となる接合フレームであり、酸化膜を中央にして全厚は４０１ｕｍとなる。接合フレーム６０１の内側には複数の結合梁６０２で結合された一対の支持フレーム６０３が設けられており、両者はＳＯＩウエハの酸化膜を介して片側のシリコンウエハで一体的に形成されている。ここで、本実施の形態における複数の結合梁６０２は支持フレーム６０３の短辺側にねじり梁６０６に直行する方向で結合されている。

表面に反射膜６０４が形成された振動ミラー６０５の両側短辺は接合フレーム６０１近傍に向けて櫛歯形状に加工され、両側長辺の中央には一対のねじり梁６０６が一体的に形成されている。また、この一対のねじり梁６０６の振動ミラーの反対側は一対の支持フレーム６０３で支えられている。振動ミラー６０５の櫛歯形状の短辺に対向した部分の接合フレーム６０１の両側にはＳＯＩウエハの片側基板の深さのスリット６０７で電気的に分離された一対の駆動電極６０８が形成され、振動ミラーの櫛歯形状の短辺に対向した部分が１０ｕｍのギャップを介して噛み合う形状で加工されている。接合フレーム６０１における一対の駆動電極６０８以外の部分は振動ミラーと導電位となる。そしてこの駆動電極６０８の表面には電極パッド６１０が、それ以外の部分には振動ミラーをグランドにおとすための電極パッド６１１が形成されている。

スキャナが形成されているＳＯＩウエハは、接合フレーム６０１において反射面側はガラスウエハ６１２が接着層なしに直接接合され、その反対面側は接合フレームの外周に沿って設けられたガラスフリットの接着層６１６を介してシリコンウエハ６１３が接合されており、この両ウエハによって挟まれたスキャナの振動空間は減圧状態で気密封止されている。ガラスウエハ６１２にはスキャナが形成されたＳＯＩウエハの一対の電極パッド６１０と電極パッド６１１の位置にそれぞれ３ヶ所の貫通口６１４が形成されており、また、シリコンウエハ６１３のスキャナが動作する部分にはその動きを妨げない大きさのキャビティ６１５が形成されている。

このマイクロスキャナの動作については上記の第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態のスキャナにおいては、接合によって発生する内部応力が直接作用する接合フレーム６０１で振動ミラーのねじり梁６０６を直接支持するのではなく、接合フレーム６０１に短辺側をねじり梁６０６に直行する方向の複数の結合梁６０２で結合された支持フレーム６０３でねじり梁６０６を支持している。ここで複数の結合梁は接合フレームや支持フレームよりも剛性が小さくなるようにその構造、寸法を設定しているため、接合フレームに発生した内部応力は結合梁が微小量変形することで緩和されることになり、支持フレームへの内部応力の影響を低減することができる。したがって、支持フレームで支えられたねじり梁の剛性変化が低減され、接合による共振周波数変化を低減させることができる。さらにねじり梁６０６に平行な方向で支持フレームに結合している結合梁がないことで、ねじり梁への内部応力の影響を低減させている。

本発明の第３の実施の形態における気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図７に示した。ここでの実施の形態は静電力で駆動するマイクロスキャナのパッケージングに本発明を適用したものである。

本実施の形態におけるマイクロスキャナは厚さ１ｕｍの酸化膜７００を介して厚さ２００ｕｍの２枚の低抵抗シリコンウエハが接合されたＳＯＩウエハに形成されている。７０１はスキャナ全体の外形をなすとともにパッケージングのさいに上下ウエハとの接合部となる接合フレームであり、酸化膜を中央にして全厚は４０１ｕｍとなる。接合フレーム７０１の内側には複数の結合梁７０２で結合された一対の支持フレーム７０３が設けられており、両者はＳＯＩウエハの酸化膜を介して片側のシリコンウエハで一体的に形成されている。ここで、本実施の形態における複数の結合梁７０２は支持フレーム７０３の短辺側にねじり梁に直行する方向で結合され、さらに支持フレームの結合梁がない部分には樹脂材料７０４が充填されている。

振動ミラーの形状、接合フレームに設けられた駆動電極、気密封止するためのガラスウエハ、シリコンウエハについては上記の第２の実施の形態と同じであるのでここでは説明を省略する。また、マイクロスキャナの動作についても上記の第２の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態のスキャナにおいては、接合によって発生する内部応力が直接作用する接合フレーム７０１で振動ミラーのねじり梁を直接支持するのではなく、接合フレーム７０１に短辺側をねじり梁に直行する方向の複数の結合梁７０２で結合された支持フレーム７０３でねじり梁を支持している。ここで複数の結合梁は接合フレームや支持フレームよりも剛性が小さくなるようにその構造、寸法を設定しているため、接合フレームに発生した内部応力は結合梁が微小量変形することで緩和されることになり、支持フレームへの内部応力の影響を低減することができる。したがって、支持フレームで支えられたねじり梁の剛性変化が低減され、接合による共振周波数変化を低減させることができる。さらにねじり梁に平行な方向で支持フレームに結合している結合梁がないことで、ねじり梁への内部応力の影響を低減させている。また、支持フレームの結合梁がない部分に樹脂材料を充填することで支持フレームの強度を高め位置精度を向上させている。

本発明の第４の実施の形態における気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図８に示した。ここでの実施の形態は電磁力で駆動するマイクロスキャナのパッケージングに本発明を適用したものである。

本実施の形態におけるマイクロスキャナは厚さ４００ｕｍのシリコンウエハに形成されている。８０１はスキャナ全体の外形をなすとともにパッケージングのさいに上下ウエハとの接合部となる接合フレームである。接合フレーム８０１の内側には複数の結合梁８０２で結合された矩形の支持フレーム８０３が設けられており、両者はシリコンウエハで一体的に形成されている。表面に反射膜８０４が形成された振動ミラー８０５の両側長辺の中央には一対のねじり梁８０６が一体的に形成されている。また、この一対のねじり梁８０６の振動ミラーの反対側は矩形の支持フレーム８０３で支えられている。振動ミラー８０５の裏面には磁性体８１１が接着層を介して貼り付けられている。

スキャナが形成されているシリコンウエハは、接合フレーム８０１において反射面側はガラスウエハ８０７が接着層なしに直接接合され、その反対面側は接合フレームの外周に沿って設けられたガラスフリットの接着層８１０を介してシリコンウエハ８０８が接合されており、この両ウエハによって挟まれたスキャナの振動空間は空気の粘性抵抗を減らして低エネルギーで大きな触れ角が得られるように減圧状態で気密封止されている。シリコンウエハ８０８のスキャナが動作する部分にはその動きを妨げない大きさのキャビティ８０９が形成されている。

このマイクロスキャナでは振動ミラーの裏面に磁性体が接合されているため外部からの電磁誘導で往復振動させることができる。このとき、外部磁場の周波数を振動ミラーとねじり梁の材料と構造、寸法で決まってくる共振周波数に設定すると、振動ミラーはねじり梁を中心軸として往復振動を始め、外部に設置したコイルの電流上昇に伴い振動の振れ角は大きくなる。

本実施の形態のスキャナにおいては、気密封止のためのウエハ接合によって発生する内部応力が直接作用する接合フレーム８０１で振動ミラーのねじり梁８０６を直接支持するのではなく、接合フレーム８０１に複数の梁８０２で結合された矩形の支持フレーム８０３でねじり梁８０６を支持している。ここで複数の結合梁は接合フレームや支持フレームよりも剛性が小さくなるようにその構造、寸法を設定しているため、接合フレームに発生した内部応力は結合梁が微小量変形することで緩和されることになり、支持フレームへの内部応力の影響を低減することができる。したがって、矩形の支持フレームで支えられたねじり梁の剛性変化が低減され、接合による共振周波数変化を低減させることができる。さらに支持フレームが振動ミラーとねじり梁の外周を囲む矩形の一体構造であることで支持フレームの強度が増し振動ミラーの動作を安定させることができる。

本発明の第５の実施の形態における気密封止パッケージされた共振振動デバイスの構成を図９に示した。ここでの実施の形態は上記の第４の実施の形態と同じく電磁力で駆動するマイクロスキャナのパッケージングに本発明を適用したものである。

本実施の形態におけるマイクロスキャナは厚さ４００ｕｍのシリコンウエハに形成されている。９０１はスキャナ全体の外形をなすとともにパッケージングのさいに上下ウエハとの接合部となる接合フレームである。接合フレーム９０１の内側には４本の結合梁９０２で結合された矩形の支持フレーム９０３が設けられており、両者はシリコンウエハで一体的に形成されている。ここで、４本の結合梁９０２はいずれも両フレームに対し４５度の角度で結合している。表面に反射膜９０４が形成された振動ミラー９０５の両側長辺の中央には一対のねじり梁９０６が一体的に形成されている。また、この一対のねじり梁９０６の振動ミラーの反対側は矩形の支持フレーム９０３で支えられている。振動ミラー９０５の裏面には磁性体９１１が接着層を介して貼り付けられている。

スキャナが形成されているシリコンウエハは、接合フレーム９０１において反射面側はガラスウエハ９０７が接着層なしに直接接合され、その反対面側は接合フレームの外周に沿って設けられたガラスフリットの接着層９１０を介してシリコンウエハ９０８が接合されており、この両ウエハによって挟まれたスキャナの振動空間は空気の粘性抵抗を減らして低エネルギーで大きな触れ角が得られるように減圧状態で気密封止されている。シリコンウエハ９０８のスキャナが動作する部分にはその動きを妨げない大きさのキャビティ９０９が形成されている。

このマイクロスキャナでは振動ミラーの裏面に磁性体が接合されているため外部からの電磁誘導で往復振動させることができる。このとき、外部磁場の周波数を振動ミラーとねじり梁の材料と構造、寸法で決まってくる共振周波数に設定すると、振動ミラーはねじり梁を中心軸として往復振動を始め、外部に設置したコイルの電流上昇に伴い振動の振れ角は大きくなる。

本実施の形態のスキャナにおいては、気密封止のためのウエハ接合によって発生する内部応力が直接作用する接合フレーム８０１で振動ミラーのねじり梁８０６を直接支持するのではなく、接合フレーム８０１に複数の梁８０２で結合された矩形の支持フレーム８０３でねじり梁８０６を支持している。ここで複数の結合梁は接合フレームや支持フレームよりも剛性が小さくなるようにその構造、寸法を設定しているため、接合フレームに発生した内部応力は結合梁が微小量変形することで緩和されることになり、支持フレームへの内部応力の影響を低減することができる。したがって、矩形の支持フレームで支えられたねじり梁の剛性変化が低減され、接合による共振周波数変化を低減させることができる。また、支持フレームが振動ミラーとねじり梁の外周を囲む矩形の一体構造であることで支持フレームの強度が増し振動ミラーの動作を安定させることができる。さらに４本の結合梁９０２がいずれも両フレームに対し４５度の角度で結合しているため、接合フレームの内部応力の作用が結合梁の長さ方向と幅方向に分解されることで、支持フレームに直接作用する長さ方向の内部応力成分を低減することができる。

以下、各請求項ごとの作用効果を説明する。
本発明の請求項１に示した複数基板の接合によって封止されている共振振動デバイスにおいて、振動部が形成されている基板に、支持あるいは封止基板と接合するフレームとは別に振動部を支持するフレームが設けられていて、上記接合フレームと支持フレームがそれぞれのフレームよりも剛性の小さい部材によって結合されている共振振動デバイスでは、接合フレームと支持フレームを結合する部材の剛性が接合フレームや支持フレームよりも小さくなるようにその構造、寸法を設定しているため、接合の際に接合フレームに発生した内部応力は低剛性部材が微小量変形することで緩和されることになり、支持フレームへの内部応力の影響を低減することができる。したがって、支持フレームで支えられた共振振動デバイスの剛性変化が低減され、接合によって発生する共振周波数変化を低減させることができる。

本発明の請求項２に示した請求項１の接合フレームと支持フレームを結合する部材が複数の梁である共振振動デバイスでは、製造工程でのフォトマスクパターンで一部構造を追加するだけで剛性の低い部材を両フレームと同一の部材で同時形成できるため、接合によって発生する共振周波数変化を低減させる構造を低コストで形成することができる。

本発明の請求項３に示した請求項２の接合フレームと支持フレームを結合する複数の梁が振動部の支点方向と直行する位置に配置されている共振振動デバイスでは、ねじり梁などの振動部の支点に作用してその弾性係数を変化させる方向の内部応力成分を低減させることができるため、共振周波数のシフトやばらつきをさらに低減することができる。

本発明の請求項４に示した請求項２の接合フレームと支持フレームを結合する複数の梁が両フレームと直行しない方向に配置されている共振振動デバイスでは、梁が両フレームに対し角度をもって結合しているため、接合フレームの内部応力の作用が結合梁の長さ方向と幅方向に分解されることで、支持フレームに直接作用する梁の長さ方向の内部応力成分を低減することができ、共振周波数のシフトやばらつきをさらに抑えることができる。

本発明の請求項５に示した請求項１の振動部の支持フレームが振動部の外周を連続して囲む枠体形状をなす共振振動デバイスでは、支持フレームが振動ミラーとねじり梁の外周を囲む矩形の一体構造であることで支持フレームの強度が増し振動ミラーの動作を安定させることができる。

本発明の請求項６に示した請求項１の接合フレームと支持フレームを結合する部材が両フレーム間に全面にわたり充填されている共振振動デバイスでは、結合部材の両フレームとの結合部の角部での応力集中がないため２つのフレームからなる構造体の破壊強度が大きく、さらには支持フレームの強度を高め位置精度を向上させている。

本発明の請求項７に示した請求項１の接合フレーム厚よりも振動部と支持フレームが薄い共振振動デバイスでは、接合フレームに上下から接合する２枚の封止ウエハのうちの少なくとも１枚にはデバイスウエハの振動部や支持フレームとの干渉を防ぐための凹部を形成する必要がなくなり、封止ウエハの製造コストを低減することができる。

本発明の請求項８に示した請求項１の接着層を介して接合された共振振動デバイスでは、接合フレームに接着層があることで封止ウエハと支持フレームとの間にクリアランスができるため、接合フレームに上下から接合する２枚の封止ウエハのうちの少なくとも１枚にはデバイスウエハの振動部や支持フレームとの干渉を防ぐための凹部を形成する必要がなくなり、封止ウエハの製造コストを低減することができる。

本発明の請求項９に示した請求項１の密封封止空間が減圧されている共振振動デバイスでは、気体の粘性抵抗が小さいため機能素子を高速、高精度に動作させることができる。
本発明の請求項１０に示した請求項１の密封封止空間に不活性ガスが充填されている共振振動デバイスでは、不活性ガスの粘性抵抗により共振振動デバイスのＱ値が低くなるため、共振点前後の振幅変化がゆるやかになり動作の制御がしやすい。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更実施が可能である。本発明はデジタル複写機、及びレーザプリンタ等の書込系に用いられる光スキャナ、角速度センサとして用いる振動ジャイロに適用可能である。

１００ 酸化膜
１０１ 接合フレーム
１０２ 結合梁
１０３ 支持フレーム
１０４ 反射膜
１０５ 振動ミラー
１０６ ねじり梁
１０７ スリット
１０８ 駆動電極
１１０ 電極パッド
１１１ 電極パッド
１１２ ガラス基板（ガラスウエハ）
１１３ シリコンウエハ
１１４ 貫通口
１１５ キャビティ
１１６ 接着層

特開２００８−２６３１６６号公報 特開２００６−１９５２９０号公報

Claims (10)

1. 振動部が形成されている基板と、該基板に接合されて気密封止する封止基板とによって構成される共振振動デバイスであって、
   前記振動部が形成されている基板に前記封止基板に接合する接合フレームとは別に前記振動部を支持する支持フレームが設けられていて、前記接合フレームと前記支持フレームとがそれぞれのフレームよりも剛性の小さい部材によって結合されていることを特徴とする共振振動デバイス。
2. 前記接合フレームと前記支持フレームとを結合する部材が両フレームと一体的に同一材料で形成される複数の梁であることを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。
3. 前記接合フレームと前記支持フレームとを結合する複数の梁が前記振動部の支点方向と直行する方向に配置されていることを特徴とする請求項２記載の共振振動デバイス。
4. 前記接合フレームと前記支持フレームとを結合する複数の梁が両フレームと直行しない方向で結合されていることを特徴とする請求項２記載の共振振動デバイス。
5. 前記振動部が形成されている基板に前記封止基板に接合するフレームとは別に設けられている前記振動部を支持するフレームが前記振動部の外周を連続して囲む枠体形状をなすことを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。
6. 前記接合フレームと前記支持フレームとを結合するそれぞれのフレームよりも剛性の小さい部材が、両フレーム間に全面にわたり充填されていることを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。
7. 前記封止基板との接合フレーム厚よりも前記振動部と前記支持フレームとが薄いことを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。
8. 前記封止基板と前記接合フレームとが接着層を介して接合されたことを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。
9. 前記振動部が形成されている気密封止空間が減圧されていることを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。
10. 前記振動部が形成されている気密封止空間に不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項１記載の共振振動デバイス。

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