JP2014115210A - Ｍｅｍｓ素子、電子デバイス、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な微小圧力を計測可能とする圧力センサーを構成することができるＭＥＭＳ素子を得る。
【解決手段】基板と、前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、を備え、前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されているＭＥＭＳ素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子、電子デバイス、高度計、電子機器および移動体に関する。

従来、圧力を検出するデバイスとしては、特許文献１に示すような半導体圧力センサーが知られていた。特許文献１に示す半導体圧力センサーは、シリコンウエハーに歪受感素子を形成し、シリコンウエハーの歪受感素子形成面と反対側の面を研磨し、薄肉化することによってダイヤフラム部を形成し、圧力によって変位するダイヤフラム部に生じる歪を歪受感素子によって検出し、その検出結果を圧力に変換するものであった。

特開２００１−３３２７４６号公報

しかし、特許文献１に示す歪受感素子を備える圧力センサーでは、シリコンウエハーを薄肉化する必要があり、圧力センサーからの信号を処理する演算部となる半導体装置（ＩＣ）との一体化を困難にするものであった。

一方、半導体装置の製造方法、装置によって微小機械システムを製造する、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子が注目されている。ＭＥＭＳ素子を用いることによって、極めて小型の各種センサー、あるいは発振器などを得ることができる。これらはＭＥＭＳ技術によって微細な振動素子を基板上に形成し、振動素子の振動特性を利用して、加速度の検出、基準信号の生成、などを行う素子を得ることができる。

このＭＥＭＳ技術を用いて振動素子を形成し、ＭＥＭＳ振動素子の振動周波数の変動によって圧力を検出する圧力センサーを構成することにより、ＩＣとの一体化された圧力センサーを実現することが可能となる。しかし、ＭＥＭＳ素子は検出すべき圧力以外にも、振動、衝撃といった外的要因によっても振動周波数の変動が発生するため、特に微小な圧力変動に対する誤差を発生しやすいという課題があった。

そこで、外的要因による振動周波数の変動分を検出し、検出された圧力検出値から外的要因による振動周波数の変動分を補正することによって正確な微小圧力を計測可能とする圧力センサーを構成することができるＭＥＭＳ素子を得る。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例のＭＥＭＳ素子は、基板と、前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、を備え、前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されていることを特徴とする。

本適用例のＭＥＭＳ素子によれば、可撓部に外部圧力が付加されることにより可撓部には撓みが生じ、共振子の振動特性、すなわち共振周波数に変化をもたらす。この外部圧力と、共振子の周波数特性の変化と、の関係を導き出すことによって、共振子の周波数特性の変化から外部圧力を検出するセンサーとしてＭＥＭＳ素子を利用することができる。

一方、非可撓部では外部圧力による撓みは発生しない。しかし、ＭＥＭＳ素子に外部圧力以外の外乱、例えば衝撃力、加速度など、が付加されると、可撓部および非可撓部に配置される共振子は、共に外乱による共振周波数の変化が発生する。このとき、非可撓部に配置される共振子では外乱のみによる共振周波数の変化であることから、外部圧力と外乱とにより変化する可撓部に配置された共振子の共振周波数から、非可撓部に配置された共振子の共振周波数の変化分を減ずることにより、可撓部に配置された共振子の外部圧力のみによる共振周波数の変化を取得することができる。従って、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、正しい圧力値を検出する圧力センサーとしてのＭＥＭＳ素子を得ることができる。

また、複数の共振子を、同じ空間部の内部に収容させていることにより、空間部の気密性の変化に対する共振子の共振周波数の変化量が、複数の共振子間で差が生じることを抑制することができる。従って信頼性の高いＭＥＭＳ素子を得ることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記可撓部は、前記基板に設けられた凹部によって形成された前記基板の薄肉部であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、基板に凹部を形成するだけで容易に可撓部を形成することができる。また凹部の深さの調整によって、容易に薄肉部の肉厚を調整することができ、検出する外部圧力の高低に応じたＭＥＭＳ素子を簡便に得ることができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記可撓部は、前記主面と表裏の関係にある裏面側に形成された凹部によって形成された前記基板の薄肉部であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、基板における共振子を形成しない基板の裏面側に凹部を形成するため、複雑な製造工程を必要とせず、容易に可撓部を形成することができる。また凹部の深さの調整によって、容易に薄肉部の肉厚を調整することができ、検出する外部圧力の高低に応じたＭＥＭＳ素子を簡便に得ることができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、半導体装置を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、半導体装置、いわゆるＩＣの製造装置、方法と同じ製造装置、方法によってＭＥＭＳ素子が製造可能なので、製造コストの低減、環境負荷低減を図りながら、容易にＭＥＭＳ素子とＩＣとを一体化させることができ、発振回路を備える小型のＭＥＭＳ素子を得ることができる。

〔適用例５〕本適用例の電子デバイスは、基板と、前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、を備え、前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されているＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子の前記主面と表裏の関係にある裏面側を、圧力変動領域に露出させて保持する保持手段と、を備え、前記圧力変動領域には、少なくとも１の前記可撓部と、少なくとも１の前記非可撓部と、が露出していることを特徴とする。

本適用例の電子デバイスによれば、可撓部に外部圧力が付加されることにより可撓部には撓みが生じ、共振子の振動特性、すなわち共振周波数に変化をもたらす。この外部圧力と、共振子の周波数特性の変化と、の関係を導き出すことによって、共振子の周波数特性の変化から外部圧力を検出する電子デバイスとしての圧力センサーが得られる。

一方、非可撓部では外部圧力による撓みは発生しない。しかし、ＭＥＭＳ素子に外部圧力以外の外乱、例えば衝撃力、加速度など、が付加されると、可撓部および非可撓部に配置される共振子は、共に外乱による共振周波数の変化が発生する。このとき、非可撓部に配置される共振子では外乱のみによる共振周波数の変化であることから、外部圧力と外乱とにより変化する可撓部に配置された共振子の共振周波数から、非可撓部に配置された共振子の共振周波数の変化分を減ずることにより、可撓部に配置された共振子の外部圧力のみによる共振周波数の変化を取得することができる。従って、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、正しい圧力値を検出する電子デバイスとしての圧力センサーを得ることができる。

また、複数の共振子を、同じ空間部の内部に収容させていることにより、空間部の気密性の変化に対する共振子の共振周波数の変化量が、複数の共振子間で差が生じることを抑制することができる。従って信頼性の高いＭＥＭＳ素子を備えた電子デバイスを得ることができる。

〔適用例６〕上述の適用例において、前記可撓部は、前記主面と表裏の関係にある裏面側に形成された凹部によって形成された前記基板の薄肉部であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、基板の凹部に有無によって容易に可撓部と非可撓部を形成することができる。また凹部の深さの調整によって、容易に薄肉部の肉厚を調整することができ、検出する外部圧力の高低に応じたＭＥＭＳ素子を備える電子デバイスを簡便に得ることができる。

〔適用例７〕上述の適用例において、前記ＭＥＭＳ素子は、半導体装置を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、半導体装置、いわゆるＩＣの製造装置、方法と同じ製造装置、方法によってＭＥＭＳ素子が製造可能なので、容易にＭＥＭＳ素子とＩＣとを一体化させることができ、発振回路を備える小型のＭＥＭＳ素子を備える電子デバイスを得ることができる。

〔適用例８〕本適用例の高度計は、基板と、前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、を備え、前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されているＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子の前記主面と表裏の関係にある裏面側を、圧力測定対象領域に露出させ、前記圧力測定対象領域には、少なくとも１つの前記可撓部と、少なくとも１つの前記非可撓部と、を露出させて保持する保持手段と、前記ＭＥＭＳ素子の測定データを処理するデータ処理部と、を備えていることを特徴とする。

本適用例の高度計によれば、可撓部に外部圧力が付加されることにより可撓部には撓みが生じ、共振子の振動特性、すなわち共振周波数に変化をもたらす。この外部圧力と、共振子の周波数特性の変化と、の関係を導き出すことによって、共振子の周波数特性の変化から外部圧力を検出し、その圧力値から高度を算出することができる高度計を得られる。

一方、非可撓部では外部圧力による撓みは発生しない。しかし、ＭＥＭＳ素子に外部圧力以外の外乱、例えば衝撃力、加速度など、が付加されると、可撓部および非可撓部に配置される共振子は、共に外乱による共振周波数の変化が発生する。このとき、非可撓部に配置される共振子では外乱のみによる共振周波数の変化であることから、外部圧力と外乱とにより変化する可撓部に配置された共振子の共振周波数から、非可撓部に配置された共振子の共振周波数の変化分を減ずることにより、可撓部に配置された共振子の外部圧力のみによる共振周波数の変化を取得することができる。従って、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、正しい圧力値からより正確な高度を算出することができる高度計を得ることができる。

また、複数の共振子を、同じ空間部の内部に収容させていることにより、空間部の気密性の変化に対する共振子の共振周波数の変化量が、複数の共振子間で差が生じることを抑制することができる。従って信頼性の高いＭＥＭＳ素子を備える高度計を得ることができる。

〔適用例９〕本適用例の電子機器は、上述のＭＥＭＳ素子、電子デバイスもしくは高度計を備えることを特徴とする。

本適用例の電子機器によれば、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、正しい圧力値が得られ、その圧力値を基に動作させる電子機器を得ることができる。また、空間部の気密性の劣化に対する共振子の共振周波数の変化量が、複数の共振子間で差が生じることを抑制することができるため、信頼性の高い電子機器を得ることができる。

〔適用例１０〕本適用例の移動体は、上述のＭＥＭＳ素子、電子デバイス、高度計、もしくは電子機器を備えることを特徴とする。

本適用例の移動体によれば、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、正しい圧力値が得られ、その圧力値を基に動作させる電子機器を備える移動体を得ることができる。また、空間部の気密性の劣化に対する共振子の共振周波数の変化量が、複数の共振子間で差が生じることを抑制することができるため、信頼性の高い電子機器を備える移動体を得ることができる。

第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子を示す，（ａ）は概略断面図、（ｂ）はＭＥＭＳ振動子部の平面図、（ｃ）は可撓部のその他の形態を示す概略断面図。 第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子の、（ａ）は定常状態、（ｂ）は加圧状態の動作を説明するＭＥＭＳ振動子部の断面模式図。 その他の形態に係るＭＥＭＳ素子を示す概略断面図。 その他の形態に係るＭＥＭＳ素子を示す概略断面図。 第２実施形態に係る高度計を示す、（ａ）は構成図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ部拡大図。 測定方法を示すフローチャート。 その他の形態に係る高度計を示す部分断面図。 第３実施形態に係る移動体を示す外観図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示す電極部のＡ方向の矢視図である。また、図１（ｃ）は可撓部のその他の形態を示す概略断面図である。なお、（ａ）および（ｃ）は、（ｂ）に示すＢ−Ｂ´部に相当する断面図となる。図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００は、ウエハー基板１１と、ウエハー基板１１の主面１１ａに形成された第１酸化膜１２と、第１酸化膜１２上に形成された窒化膜１３と、により構成される基板１０を備えている。ウエハー基板１１は、シリコン基板であり、後述する半導体装置、いわゆるＩＣを形成するウエハー基板１１としても用いられている。

基板１０の第１の面としての主面１０ａ、すなわち窒化膜１３の表面１３ａ、に共振子としてのＭＥＭＳ振動子２０が、本実施形態では２組形成されている。なお、形成されるＭＥＭＳ振動子２０は２組に限定されず、２組以上の複数であればよい。ＭＥＭＳ振動子２０は、図１（ｂ）に示す第１導電層２１に備える固定下部電極２１ａ（以下、下部電極２１ａという）と、第２導電層２２に備える可動電極２２ａ（以下、上部電極２２ａという）と、により構成される。図１（ｂ）にも示すように、第１導電層２１は、下部電極２１ａと図示しない外部配線とに接続する第１配線部２１ｂとを備えている。また、第２導電層２２は、上部電極２２ａと図示しない外部配線とに接続する第２配線部２２ｂとを備えている。第１導電層２１および第２導電層２２は、導電性のポリシリコンをフォトリソグラフィーによりパターニングすることで形成される。なお、第１導電層２１および第２導電層２２は、本実施形態ではポリシリコンを用いる例を示すが、これに限定されるものではない。

ＭＥＭＳ振動子２０は、下部電極２１ａと上部電極２２ａと、の間に上部電極２２ａが可動可能な空間としての間隙部Ｇが形成されている。また、２組のＭＥＭＳ振動子２０は、基板１０の主面１０ａ上に形成された空間部Ｓに収容されるように形成されている。空間部Ｓは、次のように形成される。第１導電層２１および第２導電層２２が形成された後、第２酸化膜４０を形成する。第２酸化膜４０には、第２導電層２２の形成と同時にポリシリコンによる、後述する空間壁部３０の最下層３３と接続されるように最下層３３が露出される穴が形成され、第１配線層３１がフォトリソグラフィーによるパターニングにより形成される。

更に、第３酸化膜５０が第２酸化膜４０上に形成される。第３酸化膜５０には、第１配線層３１が露出する穴が形成され、第２配線層３２がフォトリソグラフィーによるパターニングにより形成される。第２配線層３２は、後述する空間壁部３０の最上層を構成する壁部３２ａと、ＭＥＭＳ振動子２０を収納する空間Ｓを構成する蓋部３２ｂと、を備えている。更に、第２配線層３２の蓋部３２ｂには、空間Ｓを形成するために製造過程で形成された空間Ｓの領域にある第２酸化膜４０および第３酸化膜５０をリリースエッチングするための開口３２ｃを備えている。

次に、第２配線層３２の開口３２ｃを露出させるように保護膜６０が形成され、開口３２ｃより第２酸化膜４０および第３酸化膜５０をエッチングするエッチング液が導入され、リリースエッチングより空間Ｓが形成される。空間Ｓは、最下層３３と、第１配線層３１と、第２配線層３２と、によって形成される空間壁部３０に囲まれた領域である。

ＭＥＭＳ振動子２０に設けられている間隙部Ｇは、上述した空間Ｓの形成時におけるリリースエッチングにより形成される。すなわち、第１導電層２１が形成された後、下部電極２１ａ上に図示しない第４酸化膜が形成され、第４酸化膜上に上部電極２２ａが形成される。そして、第４酸化膜がリリースエッチングによって、第２酸化膜４０および第３酸化膜５０とともに除去され、間隙部Ｇが形成される。なお、上述したリリースエッチングによって除去される空間Ｓに相当する領域の第２酸化膜４０および第３酸化膜５０、そして第４酸化膜は、犠牲層と呼ばれている。

リリースエッチングが終了し、空間Ｓが形成されると被覆層７０が形成され、保護膜６０に覆われていない第２配線層３２の蓋部３２ｂを覆い、開口３２ｃが封止される。これにより空間Ｓは密閉される。

こうしてＭＥＭＳ素子１００が形成されるが、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００では、少なくとも１つのＭＥＭＳ振動子２０に対応する基板１０の主面１０ａの反対面である第２の面としての基板裏面１０ｅとなるウエハー基板１１のウエハー基板裏面１１ｄに、凹部１１ｂが形成されている。凹部１１ｂが形成されることにより、ＭＥＭＳ振動子２０が形成される主面１０ａの領域では薄肉部１１ｃが形成される。この薄肉部１１ｃと、薄肉部１１ｃ上に形成される第１酸化膜１２と、窒化膜１３と、により可撓部１０ｂが構成される。本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００は、可撓部１０ｂを備える第１ＭＥＭＳ素子部１１０と、可撓部１０ｂを備えない、すなわち非可撓部１０ｃを備える第２ＭＥＭＳ素子部１２０と、を備え、第１ＭＥＭＳ素子部１１０を構成するＭＥＭＳ振動子２０と、第２ＭＥＭＳ素子部１２０を構成するＭＥＭＳ振動子２０と、が空間部Ｓ内部に収容されている。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように、第１ＭＥＭＳ素子部１１０、第２ＭＥＭＳ素子部１２０を各々１つ備えた形態を例示しているが、これに限定されず、第１ＭＥＭＳ素子部１１０、第２ＭＥＭＳ素子部１２０を各々複数備えていても良い。複数の第１ＭＥＭＳ素子部１１０、第２ＭＥＭＳ素子部１２０を備えることで、第１ＭＥＭＳ素子部１１０、第２ＭＥＭＳ素子部１２０からの取得データを、例えば平均化することで、より正確なデータ取得を可能とする。複数の第１ＭＥＭＳ素子部１１０、第２ＭＥＭＳ素子部１２０を備える場合には、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０を、それぞれ少なくとも１つ備えていれば良い。

可撓部１０ｂは、図１（ｃ）に示すような形態であってもよい。図１（ｃ）に示すように、第１ＭＥＭＳ素子部１１１は、ウエハー基板１１に第１酸化膜１２が露出する凹部１１ｂを形成し、第１酸化膜１２と窒化膜１３とにより可撓部１０ｄを形成してもよい。また、第２ＭＥＭＳ素子部１２０における非可撓部１０ｃは、図１（ａ）に示す形態に限定されず、ＭＥＭＳ振動子２０に対応する領域の基板１０が外力によって撓まない、あるいは撓みにくい構成であればよい。

本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００では、可撓部１０ｂ，１０ｄを備える第１ＭＥＭＳ素子部１１０，１１１は、外的な要因、特に圧力などの外力によって可撓部１０ｂ，１０ｄに撓みが生じ、ＭＥＭＳ振動子２０の振動周波数特性に変化を与える。そのメカニズムについて、図２に基づいて説明する。図２（ａ）は、図１（ａ）に示す第１ＭＥＭＳ素子部１１０の定常状態におけるＭＥＭＳ振動子２０の図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ´部の断面拡大模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す定常状態に対して外力が付加された状態における第１ＭＥＭＳ素子部１１０のＭＥＭＳ振動子２０を示す断面拡大模式図である。なお、本例では、第１ＭＥＭＳ素子部１１０を例示して説明するが、第１ＭＥＭＳ素子部１１１であっても良い。

図２（ａ）に示すように、定常状態におけるＭＥＭＳ振動子２０は、下部電極２１ａに対して間隙部Ｇを離間して上部電極２２ａが配置されている。上部電極２２ａは、基板１０の主面１０ａとの接合点Ｐｆを固定点とする片持梁となっている。下部電極２１ａおよび上部電極２２ａに付加される電荷によって生じる静電力が、上部電極２２ａをＦ方向に振動させる。また、間隙部Ｇの静電容量の変化を検出することにより、ＭＥＭＳ振動子２０の振動周波数などの振動特性を取得することができる。

上述のように振動させることができるＭＥＭＳ振動子２０を備える第１ＭＥＭＳ素子部１１０に、図２（ｂ）に示すように、ウエハー基板１１の凹部１１ｂに外力として圧力ｐが付加され、可撓部１０ｂを構成する薄肉部１１ｃ、第１酸化膜１２、そして窒化膜１３に応力が掛かり、基板１０の主面１０ａである窒化膜１３の表面１３ａは変形して主面１０ａ´、表面１３ａ´となって撓みδを生じる。その結果、ＭＥＭＳ振動子２０の間隙部Ｇは負荷後の間隙部Ｇ´へ変化し、ＭＥＭＳ振動子２０の振動特性に変化をもたらす。この外圧ｐと、ＭＥＭＳ振動子２０の周波数特性の変化と、の関係を導き出すことによって、ＭＥＭＳ振動子２０の周波数特性の変化から外圧ｐを検出するセンサーとしてＭＥＭＳ素子１００を利用することができる。

第１ＭＥＭＳ素子部１１０は、可撓部１０ｂが外部圧力ｐによって撓まされ、ＭＥＭＳ振動子２０の静電容量変化によって共振周波数が変化して圧力ｐの値を得ることができる。一方、第２ＭＥＭＳ素子部１２０は、非可撓部１０ｃを備えていることで圧力ｐによる非可撓部１０ｃには撓みは発生しない。すなわち、ＭＥＭＳ素子１００に圧力ｐ以外の外乱、例えば衝撃力、加速度など、が付加されると、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０共に外乱による共振周波数の変化が発生する。このとき、第２ＭＥＭＳ素子部１２０では外乱のみによる共振周波数の変化であることから、圧力ｐと外乱とにより変化する第１ＭＥＭＳ素子部１１０の共振周波数から、第２ＭＥＭＳ素子部１２０の共振周波数の変化分を減ずることにより、第１ＭＥＭＳ素子部１１０の圧力ｐのみによる共振周波数の変化を取得することができる。従って、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、正しい圧力値を検出する圧力センサーとしてのＭＥＭＳ素子１００を得ることができる。

また、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０に備えるＭＥＭＳ振動子２０を、同じ空間部Ｓの内部に収容させていることにより、空間部Ｓの気密性の変化に対する第１ＭＥＭＳ素子部１１０と第２ＭＥＭＳ素子部１２０との共振周波数の変化量に差が生じることを抑制することができる。すなわち、空間部Ｓの内部は、ＭＥＭＳ振動子２０の上部電極２２ａが振動方向Ｆの振動を阻害する空気に含む酸素分子、窒素分子を排除した、いわゆる真空気密に保持されている。しかし、時間の経過とともに、空間部Ｓの内部にはＭＥＭＳ素子１００は使用されている環境中のガス成分が僅かずつでも侵入する虞があり、空間部Ｓ内に侵入したガス成分の分子によって上部電極２２ａの振動が妨げられてしまう。その結果、共振周波数の変動を起こしてしまう。

しかし、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００では、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０に備えるＭＥＭＳ振動子２０を、同じ空間部Ｓの内部に収容させていることにより、空間部Ｓ内にガス成分が侵入しても、第１ＭＥＭＳ素子部１１０に備える上部電極２２ａの振動への影響と、第２ＭＥＭＳ素子部１２０に備える上部電極２２ａの振動への影響と、は同じ条件となる。従って、侵入したガス成分による共振周波数の変化量には差が生じにくくなり、衝撃や加速度といった外乱が存在する環境下であっても、長時間に亘って正しい圧力値を検出する圧力センサーとしてのＭＥＭＳ素子１００を得ることができる。

図３に、第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００のその他の形態を示す。図３に示すＭＥＭＳ素子２００は、図１に示すＭＥＭＳ素子１００に対して、第１ＭＥＭＳ素子部１１０に備える可撓部１０ｂと第２ＭＥＭＳ素子部１２０に備える非可撓部１０ｃの形態が異なる。図３に示すように、ウエハー基板１４と、第１酸化膜１２と、窒化膜１３と、から構成される基板１Ａは、基本構成として可撓性を有する可撓部１Ａａを第１ＭＥＭＳ素子部２１０に備えるように薄肉に形成されている。一方、基板１Ａに非可撓性を必要とする第２ＭＥＭＳ素子部２２０は、凸部１４ａが形成され厚肉化によって非可撓部１Ａｂが形成されている。なお、本例では凸部１４ａはウエハー基板１４に一体的に形成されているが、凸部１４ａを別体としてウエハー基板１４に固着させて構成しても良い。

図４は、上述したＭＥＭＳ素子１００と半導体装置を１チップに構成した形態を示すずである。図４に示すＭＥＭＳ素子３００は、第１ＭＥＭＳ素子部１１０と、第２ＭＥＭＳ素子部１２０と、半導体装置３１０と、を１チップに形成した構成を有する。第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０は、半導体製造装置を用い、半導体製造方法によって製造することができる微細装置であることから、半導体装置３１０を第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０と同一のウエハー基板１１に容易に形成することができる。半導体装置３１０は、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０を駆動する発信回路、および第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０の周波数変動を演算する演算回路、などを備えている。図４に示すようにＭＥＭＳ素子３００が、半導体装置３１０を、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０と１チップに形成されるため、小型のセンサーデバイスを得ることができる。また、半導体装置３１０とＭＥＭＳ素子部１１０，１２０は、上述した通り同じ半導体製造装置および同じ半導体製造法方法により製造できることから、製造コストの低減および環境負荷低減を実現することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態として、高度計を図面に基づいて説明する。第２実施形態に係る高度計は、第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００もしくはＭＥＭＳ素子３００を備える電子デバイスとしての圧力センサーを備える電子機器の１形態である。

図５（ａ）に示すように、第２実施形態に係る高度計１０００は筐体１１００に、第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子３００と、ＭＥＭＳ素子３００を保持し筐体１１００に装着される保持手段としての素子固定枠１２００と、ＭＥＭＳ素子３００からの得られるデータ信号を高度データへ演算する演算部１３００と、を備えている。筐体１１００には、ＭＥＭＳ素子３００に備える第１ＭＥＭＳ素子部１１０の可撓部１０ｂおよび第２ＭＥＭＳ素子部１２０の非可撓部１０ｃ（図１、図４参照）が、大気と通気可能とする開口１１００ａが設けられている。

図５（ａ）に示すＣ部、すなわちＭＥＭＳ素子３００の装着部断面の詳細を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示すように、開口１１００ａ側に第１ＭＥＭＳ素子部１１０の可撓部１０ｂおよび第２ＭＥＭＳ素子部１２０の非可撓部１０ｃが露出するように配置されている。また、素子固定枠１２００も、貫通孔１２００ａを備え、貫通孔１２００ａも第１ＭＥＭＳ素子部１１０の可撓部１０ｂおよび第２ＭＥＭＳ素子部１２０の非可撓部１０ｃが露出するように配置されている。

素子固定枠１２００とＭＥＭＳ素子３００とは、素子固定枠１２００の接合面１２００ｂに接着などの手段により接合されている。ＭＥＭＳ素子３００が固着された素子固定枠１２００は、ねじ１４００により筐体１１００に装着される。なお、素子固定枠１２００の筐体への固定方法はねじ１４００に限定されず、接着などの固着手段であってもよい。

高度計１０００は、筐体１１００の開口１１００ａ、および素子固定枠１２００の貫通孔１２００ａを介して通気されている第１ＭＥＭＳ素子部１１０の可撓部１０ｂと第２ＭＥＭＳ素子部１２０の非可撓部１０ｃに付加される圧力変動領域としての大気の圧力（以下、大気圧という）を検出し、高度を計測する。しかし、高度計１０００を使用する環境は、必ずしも静的な環境ではなく、移動による加速度、衝撃による加速度などの動的な環境において用いられる。このような動的環境においても本実施形態に係る高度計１０００は、正確な高度測定を可能にするものである。

以下に、本実施形態に係る高度計１０００による高度測定方法の概要を説明する。図６は、高度測定方法を示すフローチャートである。

（測定準備工程）
先ず測定準備工程（Ｓ１）によって、電源が入れられ、必要があれば初期調整が実行される。これによって、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０の発信周波数がＦ（ＭＨｚ）に調整されて測定準備（Ｓ１）が終了し、センシング工程に移行する。

（センシング工程）
センシング工程（Ｓ２）では、ＭＥＭＳ素子３００に通気した大気圧を可撓部１０ｂ、および非可撓部１０ｃに受け、大気圧のセンシングが実行される。センシング工程（Ｓ２）では、第１ＭＥＭＳ素子部１１０および第２ＭＥＭＳ素子部１２０の発信周波数は、可撓部１０ｂおよび非可撓部１０ｃの大気圧による撓みを要因とする変化と、動的外部要因の衝撃力や移動加速度などを要因とする変化と、を生じる。ここで、センシング工程（Ｓ２）における第１ＭＥＭＳ素子部１１０の発信周波数を第１発信周波数ｆ１（ＭＨｚ）、第２ＭＥＭＳ素子部１２０の発信周波数を第２発信周波数ｆ２（ＭＨｚ）とする。第２発信周波数ｆ２を出力する第２ＭＥＭＳ素子部１２０では、ＭＥＭＳ振動子２０が非可撓部１０ｃの領域に形成されていることから、大気圧によるＭＥＭＳ振動子２０の領域の基板１０の撓みは発生しない。従って、第２発信周波数ｆ２は動的外部要因による変化が生じた周波数であるといえる。

一方、第１ＭＥＭＳ素子部１１０では、可撓部１０ｂを備えていることから、大気圧の変化によって可撓部１０ｂには撓みが発生し、発信周波数に変化が生じる。更に、同時に動的外部要因による発信周波数変化も発生していることから、第１発信周波数ｆ１は、大気圧変化と動的外部要因とによる周波数変化が生じた結果となる。こうして第１発信周波数ｆ１および第２発信周波数ｆ２が得られ、次の周波数カウント値演算工程に移行する。

（周波数カウント値演算工程）
周波数カウント値演算工程（Ｓ３）では、高度計１０００に備える演算部１３００において、第１発信周波数ｆ１から第２発信周波数ｆ２を減算し、
Δｆ＝ｆ１−ｆ２
により、Δｆが求められる。求められたΔｆが、第１発信周波数ｆ１から動的外部要因による周波数変動分が除外された、すなわち大気圧変化による周波数変動分となる。

（圧力値変換工程）
周波数カウント値演算工程（Ｓ３）により求められたΔｆを、圧力値に変換する圧力値変換工程（Ｓ４）を実行する。圧力値変換工程（Ｓ４）では、高度計１０００に備える演算部１３００に備える図示しない記憶手段に予めΔｆから圧力値へ変換する変換テーブルが備えられ、この変換テーブルによりΔｆが圧力値に変換される。すなわち、変換テーブルを記憶手段より呼び出し、周波数カウント値演算工程で得られたΔｆと一致、もしくは略一致するテーブル上の圧力値を選択し、出力する。なお、圧力値から高度への変換は、変換式により演算し、出力する。

出力される高度データは、図５（ａ）に示す表示手段２１００を備えるパーソナルコンピューター２０００（以下、ＰＣ２０００という）に送信され、ＰＣ２０００の表示手段２１００に表示される。この際、ＰＣ２０００に備える処理ソフトによって、高度データの記憶、グラフ化、地図データへの表示、など様々なデータ処理を行うことができる。なお、ＰＣ２０００に代えて、高度計１０００にデータ処理装置、表示部、外部操作部、等を備えることもできる。

第２実施形態に係る高度計１０００では、第２ＭＥＭＳ素子部１２０を備えることにより、圧力変動による高度の計測において、圧力変動以外の動的外部要因である移動の加速度、衝撃力などによるＭＥＭＳ振動子２０の発信周波数を検出し、第１ＭＥＭＳ素子部１１０の発信周波数から圧力変動による発信周波数成分を抽出し、正確な圧力値あるいは圧力値から変換される高度データを得ることができる。

図７は、第２実施形態に係る高度計１０００に備えるＭＥＭＳ素子３００のその他の形態を示す。図７は、図５（ａ）に示す高度計１０００の図５（ａ）のＣ部を示す。図７に示すように、ＭＥＭＳ素子３００に可撓性と気密性を備える可撓膜４００が固着されＭＥＭＳ素子５００が構成されている。可撓膜４００としては、例えばフッ素樹脂、合成ゴムなどの弾力性を備え、気体透過率の小さい材料、あるいは金属薄膜が好ましい。

可撓膜４００は、第１ＭＥＭＳ素子部１１０の可撓部１０ｂおよび第２ＭＥＭＳ素子部１２０の非可撓部１０ｃを覆うように配置され、フランジ部４００ａで基板１０に固着されている。このとき、基板１０と可撓膜４００によって形成される空間Ｑ（図示点状ハッチング部）は、例えば空気、不活性ガスなどの気体が充填され、圧力変動領域として形成されている。可撓膜４００を備えたＭＥＭＳ素子５００は、素子固定枠１２００に固着され、筐体１１００に装着される。

ＭＥＭＳ素子５００は、可撓膜４００を備えることにより、外部の異物、ごみなどがＭＥＭＳ素子部１１０，１２０に付着することを防止し、清浄に保つことができるため、安定した高度計の性能を得ることができる。また、可撓膜４００の外部環境が液体、腐食ガス、などであってもＭＥＭＳ素子３００の損傷を抑制することができる。

（第３実施形態）
第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００，２００，３００、あるいは第２実施形態に係る高度計１０００を備える電子機器としてのナビゲーションシステムと、そのナビゲーションシステムを搭載する移動体としての一態様の自動車について説明する。

図８は、電子機器としてのナビゲーションシステム３０００を備える移動体としての自動車４０００の外観図である。ナビゲーションシステム３０００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、第２実施形態に係る高度計１０００と、が備えられ、運転者に視認可能な位置に配設された表示手段３１００に所定の位置情報あるいは進路情報を表示する。

図８に示す、自動車４０００では、ナビゲーションシステム３０００に高度計１０００を備えることにより、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を運転者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３０００では、高度情報が高度計１０００によって取得することができ、一般道路から高架道路へ侵入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を運転者に提供することができる。

また本実施形態に係る自動車４０００に備えるナビゲーションシステム３０００では、頻繁に加わる振動による衝撃力、加減速や方向転換による加速度に対して、図１に示す第２ＭＥＭＳ素子部１２０によって得られる周波数変動分を第１ＭＥＭＳ素子部１１０の周波数変動から減ずることにより、微小な圧力変動を検出することができる。すなわち、少ない高度変化に対しても正確な高度データが得られるナビゲーションシステム３０００を備える自動車４０００を得られる。

また、第１実施形態に係るＭＥＭＳ素子１００，２００，３００により小型の圧力検出機器を構成することが可能となり、自動車４０００に、油圧あるいは空気圧による駆動システムを容易に組み込むことができる。これにより、装置の圧力の監視、および制御データを容易に取得することができる。

１０…基板、２０…ＭＥＭＳ振動子、３０…空間壁部、４０…第２酸化膜、５０…第３酸化膜、６０…保護膜、７０…被覆層、１００…ＭＥＭＳ素子、１１０…第１ＭＥＭＳ素子部、１２０…第２ＭＥＭＳ素子部。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、
   前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、
   を備え、
   前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、
   前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されている、
   ことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 前記可撓部は、前記基板に設けられた凹部によって形成された前記基板の薄肉部である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
3. 前記可撓部は、前記主面と表裏の関係にある裏面側に形成された凹部によって形成された前記基板の薄肉部である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ素子。
4. 半導体装置を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子。
5. 基板と、
   前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、
   前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、
   を備え、
   前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、
   前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されているＭＥＭＳ素子と、
   前記ＭＥＭＳ素子の前記主面と表裏の関係にある裏面側を、圧力変動領域に露出させて保持する保持手段と、を備え、
   前記圧力変動領域には、少なくとも１の前記可撓部と、少なくとも１の前記非可撓部と、が露出している、
   ことを特徴とする電子デバイス。
6. 前記可撓部は、前記主面と表裏の関係にある裏面側に形成された凹部によって形成された前記基板の薄肉部である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電子デバイス。
7. 前記ＭＥＭＳ素子は、半導体装置を含む、
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の電子デバイス。
8. 基板と、
   前記基板の主面上に形成されてなる密閉された空間部と、
   前記空間部内の前記主面上に設けられた複数の共振子と、
   を備え、
   前記基板には、少なくとも１つの可撓部と、少なくとも１つの非可撓部と、を備え、
   前記可撓部および前記非可撓部に対応して前記空間部に前記複数の共振子が配置されているＭＥＭＳ素子と、
   前記ＭＥＭＳ素子の前記主面と表裏の関係にある裏面側を、圧力測定対象領域に露出させ、前記圧力測定対象領域には、少なくとも１つの前記可撓部と、少なくとも１つの前記非可撓部と、を露出させて保持する保持手段と、
   前記ＭＥＭＳ素子の測定データを処理するデータ処理部と、を備えている、
   ことを特徴とする高度計。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子、電子デバイスもしくは高度計を備えることを特徴とする電子機器。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子、電子デバイス、高度計、もしくは電子機器を備えることを特徴とする移動体。

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