JP2014153171A

JP2014153171A - 変位検知装置及び変位検知装置の製造方法

Info

Publication number: JP2014153171A
Application number: JP2013022650A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Koyama; 喜弘小山; Hiroshi Takahashi; 寛高橋; Masayuki Suda; 正之須田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25

Abstract

【課題】質量体を大型化させることなく低加速度の検知が可能であって、しかも加工が容易な変位検知装置及び変位検知装置の製造方法を提供する。
【解決手段】加速度スイッチの製造方法において、シリコンウエハ１００に、質量体２の底面に相当する位置に窪み２１を形成する窪み形成工程と、窪み形成工程にて形成した窪み２１に、シリコンウエハ１００を構成する材料よりも密度の高い充填材２２を充填する充填工程と、質量体２及びフレーム４が同一の高さとなるように、シリコンウエハ１００の底面全体を研磨する研磨工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、MEMS技術により構築された変位検知装置及び当該変位検知装置の製造方法に関する。

近年、加速度センサに代表される各種センサ類は、その構成を小型化、高精度化することが望まれているため、MEMS技術を用いた開発が進められている。例えば、下記特許文献１に開示されている加速度スイッチは、シリコン単結晶を構造体の材料とし、質量体とその質量体を支える梁と質量体と対向する電極を備え、加速度の印加に応じて質量体が変位するように構成される。そして、当該加速度スイッチに梁のばね定数などにより規定した以上の加速度が印加された場合、質量体の変位によって当該質量体と電極が接触することで、加速度スイッチは電気的導通状態となる。つまり、各種センサ類は、この導通状態を検知することにより、対象物の振動を検知することができる。

この様なMEMS技術により構築されたセンサ類において、上述のとおり質量体は印加された加速度に応じて変位するが、その変位量は質量体が受ける慣性力に依存する。そして、当該慣性力の大きさは、その質量体の重量と印加された加速度の積により定まる。そのため、印加される加速度が小さくともセンサ類が振動を検知できるようにするためには、質量体が大きな重量からなる必要である。つまり、低加速度でも検知可能な加速度スイッチを作製するには、質量体を大きくする必要があるため、小型化することが困難であった。

そこで、例えば、MEMS技術により構築された加速度センサであって、質量体に穴を設け、当該穴に他の部分よりも密度の高い高密度部材を充填させ、質量体を大型化させることなく低加速度でも振動を検知可能にしたものが知られている（特許文献２参照）。

特開２０１０−４８６５０号公報特開２００９−２７６３０５号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の加速度センサによると、上記質量体及び梁を水平に支持するフレーム部の高さ方向の長さが質量体及び梁よりも長く、フレーム部の上下端が、質量体及び梁の上下面よりも突出した形状からなる。そのため、当該加速度センサにおいて、上記穴に高密度部材を充填させた後、穴からはみ出した高密度部材を平坦化するために質量体及び梁の上下面に研磨加工等を施す際、上記フレーム部の上下端が阻害して容易に研磨加工等を行えない虞がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、質量体を大型化させることなく低加速度の検知が可能であって、しかも加工が容易な変位検知装置及び変位検知装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、外部要因により変位する質量体と、前記質量体に一端が接続された梁と、前記梁の他端に接続され前記質量体及び梁を水平に支持するフレームと、を有し前記質量体の変位を検知する変位検知装置の製造方法であって、前記質量体、梁、及びフレームが一体的に形成される基板の上下何れか一方の面であって、前記質量体のうち当該質量体が前記梁と接続される側の面と対向する側の面に窪みを形成する窪み形成工程と、前記窪み形成工程にて形成した窪みに、前記基板を構成する材料よりも密度の高い材料を充填する充填工程と、前記質量体及びフレームが同一の高さとなるように、前記基板の前記一方の面全体を研磨する研磨工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る変位検知装置の製造方法によると、質量体の底面に相当する位置に窪みを形成し、窪みに基板を構成する材料よりも密度の高い材料を充填するので、質量体の外形／体積を変化させることなく質量体の重量を増加させることが出来るので、質量体を大型化させることなく低加速度の検知が可能となる。しかも、本発明によると、窪みに充填された密度の高い材料のうち当該窪みから突出した部分を研磨で除去する際、質量体及びフレームが同一基板からなるとともに同一高さからなるように加工されるので、基板の面全体を研磨することで、上記突出した部分の除去を容易に実現することができる。

また、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、前記質量体は平面視円環状からなり、前記窪み形成工程において、前記窪みは前記質量体の内縁と外縁との間に形成された環状の溝であることを特徴とする。
本発明に係る変位検知装置の製造方法によると、窪みが質量体の内縁と外縁との間に形成されるので（つまり、窪みが質量体の側壁に設けられないので）、その後の基板における質量体下部の形成加工を阻害しない。

また、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、前記研磨工程の後に、一端が前記質量体の上面に接続されるように梁を形成する梁形成工程をさらに備えることを特徴とする。
本発明に係る変位検知装置の製造方法によると、梁が質量体の上面に接続されるように形成され、窪みが質量体の底面に形成されるので、窪み形成や充填材の充填・研磨工程は、梁が形成される基板の上面側に影響を及ぼさない。そのため、梁の動作を特徴付ける梁の厚みなどに影響をおよぼすことがない。

また、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、前記基板はシリコン材からなり、前記密度の高い材料は金であることを特徴とする。
本発明に係る変位検知装置の製造方法によると、金は密度が19.3g/cm³からなるので、例えば、密度が2.329g/cm³のシリコンからなる質量体のうち、約１４％の体積が金からなるように窪みの大きさを設計することにより、窪みを設けない変位検知装置に比べて、外形を変更することなく質量体の重量を倍にすることが可能となるので、半分の大きさの加速度検知が実現できる。

また、本発明に係る変位検知装置の製造方法は、前記基板の下面側に、上面のうち前記質量体が備わる平面位置に相当する箇所に凹状のキャビティが設けられた下部ガラス基板を接続する工程と、前記基板の上面側に、下面のうち前記質量体が備わる平面位置に相当する箇所に凹状のキャビティが設けられた上部ガラス基板を接続する工程と、をさらに備えることを特徴とする。
本発明に係る変位検知装置の製造方法によると、基板の上下面に凹状のキャビティを備えるガラス基板が接続されるので、質量体の変位を阻害しないケーシングを実現できる。

また、本発明に係る変位検知装置は、外部要因により変位する質量体と、前記質量体の上面に一端が接続された梁と、前記梁の他端に接続され前記質量体及び梁を水平に支持するフレームと、前記質量体の底面に形成された窪みと、前記窪みに充填され、前記質量体を構成する材料よりも密度の高い材料と、を備え、前記質量体及びフレームが同一の高さからなることを特徴とする。

したがって、本発明は、質量体を大型化させることなく低加速度の検知が可能であって、しかも加工が容易な変位検知装置及び変位検知装置の製造方法を提供できる。

本発明にかかる加速度スイッチの全体図である。図１に示す加速度スイッチのうち本体部を表す上面図である。図２に示す本体部の縦断面図である。本発明にかかる加速度スイッチの製造工程を説明するための図である。本発明にかかる加速度スイッチの製造工程を説明するための図である。

以下、本発明に係わる変位検知装置の第１実施形態として、加速度スイッチについて図面を参照して説明する。なお、本発明に係る加速度検出装置は、加速度スイッチに限られるものではなく、加速度センサであっても勿論よい。

（加速度スイッチの構造について）
図１に示すように、本実施形態に係る加速度スイッチ１は、加速度検知を行う本体部１０と、本体部１０の下面に接続された下部ガラス基板２００と、本体部１０の上面に接続され当該本体部１０で検知される加速度検知信号を外部に伝送するための外部電極６を備えた上部ガラス基板３００と、で構成される。

本体部１０は、図２及び図３に示すように、外的要因により変位する質量体２と、当該質量体２を変位可能に支持する梁３と、梁３と連接され当該梁３及び質量体２を支持するフレーム４と、質量体２が変位した際に質量体２と接触することで加速度の印加を検知する中央電極５と、で構成される。ここで、図２に示すように、質量体２とフレーム４と中央電極５とは、同一高さからなる。

質量体２は、内周側に中央電極５が配置されるように上面視環状のシリコン材からなる。そして、質量体２は、図２に示すように、底面から上方に向かって窪み２１が形成され、当該窪み２１内に充填材２２が充填された構成からなる。

窪み２１は、環状の質量体２の底面において内縁と外縁との間に形成された環状の溝である。充填材２２は、質量体２を構成する材料よりも大きな密度からなる金属材などであって、窪み２１内部に充填される。ここで充填材２２を構成する金属材は、例えば金であって、密度が19.3g/cm³からなる。そのため、密度が2.329g/cm³のシリコンからなる質量体２のうち、約１４％の体積が充填材２２からなるように窪み２１の大きさを設計することにより、窪み２１を設けない場合に比べて、外形を変更することなく質量体２の重量を倍にすることが可能となる。また金だけでなく、金属材としては、オスミウム（22.57 g/cm³）,イリジウム（21.45 g/cm³）、白金（21.45 g/cm³），レニウム（21.02 g/cm³），タングステン（19.3 g/cm³）タンタル（16.65 g/cm³），ハフニウム（13.31 g/cm³）ロジウム（12.41 g/cm³）、ルテニウム（12.41 g/cm³）、パラジウム（12.02 g/cm³）、タリウム（11.85 g/cm³），鉛（11.35g/cm³）,銀（10.5 g/cm³）、モリブデン（10.22 g/cm³）などが基材のシリコンより密度が5倍以上あり、充填材として使用可能である。なお、窪み２１は、上記環状の溝形状に限られるものではなく、質量体２の底面中心に対して対称性を保つように配置された複数の窪み等であってももちろん良い。

梁３は、質量体２外周面上端部分に一端が連接されるとともに他端がフレーム４と連接され、質量体２の周囲を取り囲むように当該質量体２を支持する。当該梁３は、平面視にて、一部に切欠きを有する略環状の部材であって、切欠き箇所に矩形状の両端部が形成された形状からなる。

フレーム４は、梁３の他端側と連接され当該梁３及び質量体２を支持する。中央電極５は、質量体２と間隙を隔てた状態で質量体２の環内部に配置され、質量体２が変位した際に、質量体２の内周面と接触するように構成された電極である。

そして、上記構成よりなる加速度スイッチ１は、加速度が印加された場合、質量体２の変位に応じて当該質量体２と中央電極５が当接し、フレーム４と中央電極５の導通状態が変化して、当該中央電極５と接続された回路（図示省略）での電位変化によって加速度の印加を検知できる。ここで、本実施形態に係る加速度スイッチ１は、窪み２１に質量体２を構成する材料よりも密度の高い充填材２２を備えるので、窪み２１及び充填材２２を備えない加速度スイッチよりも印加される加速度が小さくとも、当該加速度を検知することが可能となる。

（加速度スイッチの製造方法）
次いで、上記加速度スイッチ１の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、所定の厚みとなるように研磨された本体部１０を構成するシリコンウエハ１００を用意する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、シリコンウエハ１００のうち、底面側に対してリアクティブイオンエッチングなどを用いて、窪み２１に相当する環状の溝を形成する（窪み形成工程）。ここで、窪み２１を形成する位置は、後述の図５（ｂ）に示されるように、質量体２の底面であって当該質量体２の内縁と外縁との間に相当する箇所である。

次いで、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）にて形成した窪み２１に、めっき処理などにより充填材２２を充填する（充填工程）。この際、充填材２２をシリコンウエハ１００の底面と完全に同一面となるように形成することは困難なので、多少窪み２１より突出するように充填材２２のメッキ処理を行う。

次いで、図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）で充填された充填材２２のうち窪み２１より突出した部分を除去し、充填材２２の下端面がシリコンウエハ１００の底面と同一面となるように、シリコンウエハ１００の底面全体を研磨する（研磨工程）。ここで、図４（ａ）におけるシリコンウエハ１００の厚みは、当該研磨後の厚みが質量体２，フレーム４、中央電極５の高さに一致するように設定される。

次いで、図４（ｅ）に示すように、研磨後のシリコンウエハ１００に対してリアクティブイオンエッチングなどを用いて、本体部１０の裏面側の形状を構築する。

次いで、図５（ａ）に示すように、図４（ｅ）にて形成したシリコンウエハ１００の下面に、下部ガラス基板２００をAu-Sn共晶接合などによって接合する。ここで、下部ガラス基板２００の上面には、シリコンウエハ１００のうち質量体２が備わる位置に相当する箇所に、当該質量体２との接触防止用のキャビティ２０１が形成される。なお、シリコンウエハ１００と下部ガラス基板２００との接合は、Au-Sn共晶接合に限定されるものではなく、例えばCu-Sn接合や陽極接合などを用いてもよい。

次いで、図５（ｂ）に示すように、シリコンウエハ１００に対してリアクティブイオンエッチングなどを用いて本体部１０の表面側の形状を構築し、図２及び図３にて説明した質量体２と、梁３と、フレーム４と、中央電極５と、を形成する（梁形成工程）。

次いで、図５（ｃ）に示すように、シリコンウエハ１００の上面に、上部ガラス基板３００をAu-Sn共晶接合などによって接合する。ここで、上部ガラス基板３００には、底面に質量体２との接触防止用のキャビティ３０１が形成されるとともに、後述する外部電極６形成用の貫通孔３０２が備わる。

最後に、図５（ｄ）に示すように、上部ガラス基板３００の貫通孔３０２の壁面に沿うように、アルミなどの金属をスパッタリング法や蒸着法で成膜した外部電極６を形成することで、加速度スイッチ１が生成される。

以上、本実施形態に係る加速度スイッチ１によると、質量体２の底面に相当する位置に窪み２１を形成し、窪み２１に質量体２を構成する材料（シリコン）よりも密度の高い材料（金）からなる充填材２２を充填するので、質量体２の外形／体積を変化させることなく質量体２の重量を増加させることが出来るので、質量体２を大型化させることなく低加速度の検知が可能となる。しかも、加速度スイッチ１によると、充填材２２のうち窪み２１から突出した部分を研磨で除去する際、質量体２及びフレーム４が同一のシリコンウエハ１００からなるとともに同一高さからなるように加工されるので、シリコンウエハ１００の面全体を研磨することで、上記突出した部分の除去を容易に実現することができる。

１・・・加速度スイッチ
２・・・質量体
３・・・錘
４・・・フレーム
５・・・中央電極
６・・・外部電極
１０・・・本体部
２１・・・窪み
２２・・・充填材
１００・・・シリコンウエハ
２００・・・下部ガラス基板
２０１・・・キャビティ
３００・・・上部ガラス基板
３０１・・・キャビティ
３０２・・・貫通孔

Claims

外部要因により変位する質量体と、前記質量体に一端が接続された梁と、前記梁の他端に接続され前記質量体及び梁を水平に支持するフレームと、を有し前記質量体の変位を検知する変位検知装置の製造方法であって、
前記質量体、梁、及びフレームが一体的に形成される基板の上下何れか一方の面であって、前記質量体のうち当該質量体が前記梁と接続される側の面と対向する側の面に窪みを形成する窪み形成工程と、
前記窪み形成工程にて形成した窪みに、前記基板を構成する材料よりも密度の高い材料を充填する充填工程と、
前記質量体及びフレームが同一の高さとなるように、前記基板の前記一方の面全体を研磨する研磨工程と、
を備えることを特徴とする変位検知装置の製造方法。
前記質量体は平面視円環状からなり、
前記窪み形成工程において、前記窪みは前記質量体の内縁と外縁との間に形成された環状の溝であることを特徴とする請求項１に記載の変位検知装置の製造方法。
前記研磨工程の後に、一端が前記質量体の上面に接続されるように梁を形成する梁形成工程をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位検知装置の製造方法。
前記基板はシリコン材からなり、前記密度の高い材料は金であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の変位検知装置の製造方法。
前記基板の下面側に、上面のうち前記質量体が備わる平面位置に相当する箇所に凹状のキャビティが設けられた下部ガラス基板を接続する工程と、
前記基板の上面側に、下面のうち前記質量体が備わる平面位置に相当する箇所に凹状のキャビティが設けられた上部ガラス基板を接続する工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の変位検知装置の製造方法。
外部要因により変位する質量体と、
前記質量体の上面に一端が接続された梁と、
前記梁の他端に接続され前記質量体及び梁を水平に支持するフレームと、
前記質量体の底面に形成された窪みと、
前記窪みに充填され、前記質量体を構成する材料よりも密度の高い材料と、
を備え、
前記質量体及びフレームが同一の高さからなることを特徴とする変位検知装置。