JP2017135456A - MEMS element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はMEMS素子、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられるMEMS素子に関する。 The present invention relates to a MEMS element, particularly a MEMS element used as a microphone, various sensors, and the like.
従来から、マイクロフォン、センサ、アクチュエータ、電子回路、機械要素部品等に、MEMS(Micro Electro Mechanical System)素子が用いられており、例えば携帯機器の市場においては、MEMS素子のマイクロフォンがエレクトレットコンデンサマイクロフォンに置き換わり、近年では小型化に加えて高感度化の要求が高まっている。 Conventionally, MEMS (Micro Electro Mechanical System) elements have been used for microphones, sensors, actuators, electronic circuits, mechanical component parts, etc. For example, in the market of portable devices, the microphone of the MEMS element is replaced with an electret condenser microphone. In recent years, there has been an increasing demand for higher sensitivity in addition to downsizing.
このようなマイクロフォンは、半導体基板上に作製された可動電極と固定電極とが平行平板型コンデンサを形成し、音圧によって可動電極が振動して生じる静電容量変位を電圧変化に変換することにより、音声を電気信号に変換するものである。 In such a microphone, the movable electrode and the fixed electrode formed on the semiconductor substrate form a parallel plate capacitor, and the capacitance displacement caused by the vibration of the movable electrode due to sound pressure is converted into a voltage change. The sound is converted into an electric signal.
図8に、従来のMEMSマイクロフォンの一例(断面図)が示されており、このマイクロフォンでは、半導体基板61に絶縁膜62を介して可動電極(ダイヤフラム)66が形成されると共に、支持層(犠牲層の一部からなる)67を介して固定電極68が設けられる。この固定電極68と可動電極66は、平行となるように配置され、上記固定電極68には、その上に絶縁膜69を設けられた状態で多数の音孔71が形成される。
FIG. 8 shows an example (cross-sectional view) of a conventional MEMS microphone. In this microphone, a movable electrode (diaphragm) 66 is formed on a
ところで、マイクロフォンの感度は、音圧を受けた可動電極66が変位して生じる静電容量の変化率を大きくすることで向上するが、図8に示されるような一般的なMEMSマイクロフォンは、可動電極66の周囲が基板61や支持層67等で固定されているため、可動電極66の中の湾曲のみで静電容量を変化させている。
一方、可動電極66では、それにかかる引張応力が小さい程、湾曲し易くなって感度は向上するが、逆に圧縮応力に転じてしまうと可動電極66が撓み、マイクロフォンとして動作しなくなる。そのため、可動電極66の成膜工程とその後のアニール工程で可能な限り小さな引張応力が維持されるように設定することが重要とされ、可動電極66に用いる材質も限定されている。
By the way, the sensitivity of the microphone is improved by increasing the rate of change in capacitance caused by the displacement of the
On the other hand, in the
従来のマイクロフォンでは、上述のように可動電極66の周囲が固定されているため、可動電極66の全体の変位により静電容量が変化することはなく、可動電極66の径が小さくなる程、その変位が小さくなり感度が低下するという問題がある。そのため、感度を維持したまま小型化を図ることも困難である。
In the conventional microphone, since the periphery of the
上記特許文献1に示されるマイクロフォンでは、可動電極の外周にスリットを設けて変位し易くしている。一方、スリット周辺にかかる応力集中を緩和するため、可動電極の厚さを厚くする必要があり、可動電極の変位を妨げてしまっていた。そのため、応力の集中を緩和しつつ、可動電極の変位を妨げない方法が求められている。
In the microphone disclosed in
また、マイクロフォンにおいて、可動電極66の周囲が固定される条件で小型化すると、共振周波数が高音域側にシフトし、中低音域の感度が低下してしまう。この中低音域の感度低下を防ぐために空気振動の抵抗成分、所謂音響抵抗を増加させる方法があり、例えば可動電極66と固定電極68とのギャップに遮蔽物を設けることで、音響抵抗を増加させることが可能となるが、遮蔽物は静電容量の変化に寄与できるコンデンサの実効面積を減らすため、中低音域の感度低下を防ぐ一方で、音域全体の感度を低下させるという不都合がある。
Further, if the microphone is miniaturized under the condition that the periphery of the
更に、上記可動電極66を薄くしたり、固定のための支持部(62,67)を減らしたりすることで、可動電極66は変位し易くなり感度を向上させることができるが、機械的強度が低下して可動電極66が破壊され易いといった問題が生じる。以上のことから、従来のMEMS素子としてのマイクロフォンでは、感度の低下或いは機械的強度の低下のいずれかを伴うために小型化することが困難であった。
このような感度の低下や機械的強度の低下は、上記マイクロフォンに限らず、変位や振動を電気量に変換する他のMEMS素子についても同様に解決課題となる。
Furthermore, by reducing the thickness of the
Such a decrease in sensitivity and a decrease in mechanical strength are not only limited to the above-described microphone, but are also a problem to be solved for other MEMS elements that convert displacement and vibration into an electric quantity.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度の低下或いは機械的強度の低下を伴うことなく、小型化が可能となるMEMS素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a MEMS device that can be miniaturized without a decrease in sensitivity or a decrease in mechanical strength.
上記目的を達成するために、請求項1の発明に係るMEMS素子は、基板の支持層に固定された固定電極と、この固定電極に略平行に配置された変位可能な可動電極と、この可動電極の上又は下の位置で上記基板の支持層に固定されたバネ層と、を有し、上記可動電極を、上記バネ層に対し支持体を介して機械的に支持すると共に電気的に接続してなることを特徴とする。
請求項2の発明は、平面視において上記支持体を点状又は線状として複数配置し、上記バネ層には上記点状又は線状の支持体の周りに、少なくとも1巻以上の渦巻き状スリットを形成したことを特徴とする。
請求項3の発明は、平面視において上記支持体を上記バネ層の周囲に環状に配置し、上記バネ層には上記環状の支持体の外周に沿って1巻以上の渦巻き状スリットを形成したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a MEMS device according to the invention of
According to a second aspect of the present invention, a plurality of the support bodies are arranged in the form of dots or lines in plan view, and the spring layer has at least one spiral slit around the dot or line support bodies. Is formed.
According to a third aspect of the present invention, the support body is annularly arranged around the spring layer in a plan view, and one or more spiral slits are formed in the spring layer along the outer periphery of the annular support body. It is characterized by that.
以上の構成によれば、例えばバネ層に形成した渦巻き状スリットの中心部に支持体が設けられ、この支持体を介して可動電極がバネ層に取り付けられることにより、可動電極が渦巻きバネを介してバネ層の上又は下に支持される状態となる。また、この可動電極は支持体(コンタクトとする場合もある)を介してバネ層へ、そして回路部へ電気的に接続される。
この結果、可動電極にかかる基板や支持層等からの応力がなくなると共に、可動電極全体が水平方向だけでなく垂直方向にも変位できる状態となり、例えばマイクロフォンでは、音圧に対する敏感な変位、振動により、良好な感度が得られる。
According to the above configuration, for example, the support is provided at the center of the spiral slit formed in the spring layer, and the movable electrode is attached to the spring layer via the support, so that the movable electrode is interposed via the spiral spring. To be supported above or below the spring layer. The movable electrode is electrically connected to the spring layer and to the circuit portion through a support (which may be a contact).
As a result, stress from the substrate or support layer applied to the movable electrode is eliminated, and the entire movable electrode can be displaced not only in the horizontal direction but also in the vertical direction. For example, in a microphone, due to sensitive displacement and vibration with respect to sound pressure. Good sensitivity can be obtained.
本発明によれば、可動電極が水平方向及び垂直方向(全方位方向)に変位可能となるため、可動電極の中の変位、振動及び可動電極全体の変位、振動を得ることができ、音圧に対する静電容量の変化率の正確性が担保され、感度も良好となるので、感度の低下或いは機械的強度の低下を伴うことなく、小型化が可能となる According to the present invention, since the movable electrode can be displaced in the horizontal direction and the vertical direction (omnidirectional direction), the displacement in the movable electrode, the vibration, the displacement of the entire movable electrode, and the vibration can be obtained. As the accuracy of the rate of change in capacitance with respect to is ensured and the sensitivity is improved, it is possible to reduce the size without lowering the sensitivity or lowering the mechanical strength.
また、渦巻き状スリットを設けることで、支持層からバネ層に与えられる水平方向の応力をスリットが吸収し、可動電極は水平方向へ変位しながらも平板を保つことができる。このため、製膜工程での応力制御の幅が広がり、従来可動電極として使用できなかった機械的強度の高い材質や複合材料を用いることが可能となる。
更に、バネ層の材質、渦巻き状スリット数、スリット形状、スリット幅、巻き数、可動電極の質量を選択することにより、共振周波数の帯域を広く設計することが可能となり、小型化した際の中低音域の感度低下を抑えられるという効果がある。
Further, by providing the spiral slit, the slit absorbs the horizontal stress applied from the support layer to the spring layer, and the movable electrode can keep the flat plate while being displaced in the horizontal direction. For this reason, the range of stress control in the film forming process is widened, and it becomes possible to use a material having high mechanical strength or a composite material that could not be used as a movable electrode in the past.
Furthermore, by selecting the material of the spring layer, the number of spiral slits, the slit shape, the slit width, the number of windings, and the mass of the movable electrode, it is possible to design a wide resonance frequency band, which is There is an effect that it is possible to suppress a decrease in sensitivity in the low frequency range.
図1乃至図4に、第1実施例のMEMS素子であるマイクロフォンの構成が示されており、図1に示されるように、マイクロフォンは、中央にキャビティ30を有する半導体基板1、この基板1上に形成された絶縁膜2、この絶縁膜2上に形成され、中央に開口を有するバネ層(断面を示す斜線は省略)3、このバネ層3の中央部開口3aの周辺に所定の間隔で配置され(バネ層のホールに接続され)、電気的接続(コンタクト)を兼ねるピン状支持体5、このピン状支持体5が取り付けられる可動電極6が設けられる。この可動電極6は、圧力の作用で変位可能な膜(ダイヤフラム)からなる電極である。
1 to 4 show a configuration of a microphone that is a MEMS element according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the microphone includes a
また、上記バネ層3の上方で支持層(犠牲層)7を介して可動電極6と平行に設置される固定電極8、この固定電極8を保持する絶縁膜9が設けられる。上記の固定電極8は、絶縁層9に保持されて支持層7に支持されることで、可動電極6との間にギャップ10を形成する。上記固定電極8及び絶縁膜9には、複数の音孔11が設けられる。
そして、実施例では、図2乃至図4に示されるように、バネ層3の中央開口3aの周辺において上記ピン状支持体(平面視において点状に設けた支持体)5を中心とする円形渦巻き状のスリット12が複数設けられる。
Further, a fixed electrode 8 provided in parallel with the
In the embodiment, as shown in FIGS. 2 to 4, a circular shape centering on the pin-like support body (support body provided in a dotted shape in plan view) 5 around the
上記バネ層3、ピン状支持体5及び可動電極6は、音圧を電気信号として取り出すため導電性材料で形成され、バネ層3の外周の一部が図示しない外部電極に接続される。なお、バネ層3、ピン状支持体5において、導電性材料で形成される部分を一部としてもよい。上記固定電極8においても、導電性材料で形成された固定電極8の一部が外周に引き出されて図示しない外部電極に接続される。
また、バネ層3としては、不純物を添加したポリシリコン膜の他に、チタン又はタングステンなどの高融点金属やポリシリコン膜と金属膜を反応させたシリサイド化合物を用い、また表面に導電性があればよいため、例えば窒化膜などの絶縁性膜の上に高融点金属を堆積した積層膜とすることもできる。
上記可動電極6は、平板キャパシタを形成する電極部とピン状支持体5(全部又は一部)が電気的に接続されていればよく、不純物を添加したポリシリコン膜の他に、チタン又はタングステン等の高融点金属、或いは導電性材料の上部に例えば窒化膜などの絶縁性膜を積層したものを用いることができる。
The
In addition to the polysilicon film to which impurities are added, the
The
上記バネ層3の中央開口の周囲に設けられた渦巻き状スリット12は、図3,図4に示されるように、渦巻きバネ部を構成し、この渦巻き状スリット12の中心に、可動電極6を支持するピン状支持体5を配置することにより、可動電極6を複数の渦巻きバネ部で支持する形となる。この渦巻き状スリット12は、少なくとも1巻以上の渦巻きで形成すればよく、これによって、水平方向及び垂直方向に変位することが可能となる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the spiral slit 12 provided around the central opening of the
上記マイクロフォンの構成によれば、音圧による空気振動が固定電極8及び絶縁膜9に形成された音孔11を通って可動電極6へ伝わり、この可動電極6がバネ層3の渦巻き状スリット12により形成された渦巻きバネ部に支持されることで、可動電極6は固定電極8と平行のままで変位・振動し、この変位・振動により生じる可動電極6と固定電極8との間の静電容量の変化が電気信号に変換される。この場合の可動電極6の変位・振動は、電極の中の振動だけでなく、電極全体の水平方向及び垂直方向の振動も加わったものとなり、これにより音圧を良好な感度で電気信号へ変換できることになる。
According to the configuration of the microphone, air vibration due to sound pressure is transmitted to the
また、可動電極6がバネ層3の渦巻き状スリット12のバネ部で支持されるので、基板1や支持層7等の支持部材(可動電極6の周囲)から可動電極6へ生じる応力が緩和される。即ち、可動電極6が支持層等に直接固定される条件で、可動電極6に圧縮応力がかかる場合は外側へ変位し、可動電極6に引張応力がかかる場合には内側へ変位するが、実施例においては、これらの応力が渦巻き状のスリット12により吸収され、可動電極6の垂直方向及び水平方向の変位が可能となるため、音圧又は応力のいずれを受けても可動電極6と固定電極8との平行が保たれ、高い感度が維持される。
In addition, since the
また、バネ層3の中央部に設けた開口3aは必須の構成ではないが、実施例では、この開口3aを形成することによっても応力が緩和されるようにしている。即ち、バネ層3の外周は絶縁膜2と支持層7で固定・支持されており、これらの支持部材から圧縮応力或いは引張応力が与えられるが、中央部に開口3aを設けることで、バネ層3引いては可動電極6にかかる応力が緩和されるという利点がある。
Further, the
図5に、第1実施例の渦巻きはスリットの変形例が示されており、図5の渦巻き状スリット13のように、スリットが中心から徐々に拡がるように設け、バネ層3のスリット間の線幅が太くなる螺旋形のスリットとしてもよい。
FIG. 5 shows a modified example of the spiral of the first embodiment. As shown in the spiral slit 13 of FIG. 5, the spiral is provided so as to gradually expand from the center, and between the slits of the
図6に、第2実施例のマイクロフォンの構成が示されており、この第2実施例は、全体が弧形となる渦巻きスリットを4箇所に設けたものである。図6(A),(B)に示されるように、可動電極6の外周部の下側でバネ層3の開口3aの周囲の位置に、可動電極6とバネ層3を機械的及び電気的に接続するための弧形の支持片(平面視において線状に設けた支持体)15が設けられており、この弧形支持片15の周囲に、支持片15を中心として1巻以上巻かれた渦巻き状スリット16が形成される。その他の構成は、図1と同様となる。
FIG. 6 shows the configuration of the microphone according to the second embodiment. This second embodiment is provided with four spiral slits that are arcuate as a whole. As shown in FIGS. 6A and 6B, the
第1及び第2実施例のマイクロフォンでは、図1に示されるように、音圧によってマイクロフォンに導入される空気は、固定電極8及び絶縁膜9の複数の音孔11を通って可動電極6の外側から渦巻状スリット12,16又は支持体(片)5,15同士の間を通り、キャビティ30へ抜ける。
しかし、第2実施例の場合は、4つの渦巻きスリット16(及び支持片15)しか設けておらず、支持片間の隙間の数が第1実施例に比べて少なくなっている。従って、音響抵抗が大きくなり、中低音域における感度を増加させることが可能となる。
In the microphones of the first and second embodiments, as shown in FIG. 1, the air introduced into the microphone by the sound pressure passes through the plurality of
However, in the case of the second embodiment, only four spiral slits 16 (and support pieces 15) are provided, and the number of gaps between the support pieces is smaller than that of the first embodiment. Therefore, the acoustic resistance is increased, and the sensitivity in the mid-low range can be increased.
このような第2実施例においても、バネ層3の渦巻き状スリット16により、支持片15に支持された可動電極6が水平方向及び垂直方向に変位・振動することができるため、可動電極6は応力に関係なく、固定電極8との平行が維持されたまま、音圧に対し全面において変位・振動することが可能となる。
Also in the second embodiment, the
図7に、第3実施例のマイクロフォンの構成が示されており、この第3実施例は、全体に1つの渦巻きスリットを設けたものである。図7に示されるように、可動電極6の外周部の下側において、バネ層3の開口3aの周囲に沿って可動電極6とバネ層3を機械的及び電気的に接続するための1つの環状支持体(平面視において環状に設けた支持体)17が設けられており、この環状支持体17の外側に、外周を1周以上巻いた渦巻き状スリット18が形成される。その他の構成は、図1と同様となる。
FIG. 7 shows the configuration of the microphone according to the third embodiment. In the third embodiment, one spiral slit is provided as a whole. As shown in FIG. 7, on the lower side of the outer peripheral portion of the
第3実施例の構成によれば、第1及び第2実施例のような支持体間の隙間がなく、音圧によって導入された空気は、渦巻き状スリット18のみからキャビティ30へ抜けるため、音響抵抗が第1及び第2実施例よりも大きくなり、中低音域における感度を増加させることが可能となる。また、第3実施例においても、バネ層3に設けられた渦巻状スリット18と環状支持体5により、可動電極6が水平方向および垂直方向に変位することができるため、可動電極6は応力に関係なく、固定電極8との平行が維持されたまま、その全面が音圧に対して変位・振動することができる。
According to the configuration of the third embodiment, there is no gap between the supports as in the first and second embodiments, and the air introduced by the sound pressure escapes only from the spiral slit 18 to the
上記各実施例の構成に限らず、バネ層3には形状の異なる渦巻き状スリットを組み合わせて配置することが可能となる。例えば、形状の異なる複数の渦巻き状スリットを設けることにより、マイクロフォン全体を揺する特定周波数の外部振動に可動電極6が共振し、大きな揺れとなって破壊されることを防ぐことができる。なお、形状の異なるスリットは、例えばスリットの渦巻きの大きさ、スリットの幅、巻き数の異なるものを組み合わせて配置してもよい。
Not only the configuration of each of the embodiments described above, it is possible to arrange the
上記実施例では、可動電極6をバネ層3の上側(上層)に配置したが、この可動電極6はバネ層3の下側(下層)に配置してもよい。
In the above embodiment, the
1,61…半導体基板、 2,9,62,69…絶縁膜、
3…バネ層、 5…ピン状支持体、
6,66…可動電極、 7,67…支持層(犠牲層)、
8,68…固定電極、 10…ギャップ、
11,71…音孔、 12,13,16,18…渦巻き状スリット、
15…弧形支持片、 17…環状支持体、
30…キャビティ。
1, 61 ... Semiconductor substrate, 2, 9, 62, 69 ... Insulating film,
3 ... spring layer, 5 ... pin-shaped support,
6, 66 ... movable electrode, 7, 67 ... support layer (sacrificial layer),
8, 68 ... fixed electrode, 10 ... gap,
11, 71 ... sound holes, 12, 13, 16, 18 ... spiral slits,
15 ... arc-shaped support piece, 17 ... annular support,
30 ... cavity.
Claims (3)
この固定電極に略平行に配置された変位可能な可動電極と、
この可動電極の上又は下の位置で上記基板の支持層に固定されたバネ層と、を有し、
上記可動電極を、上記バネ層に対し支持体を介して機械的に支持すると共に電気的に接続してなるMEMS素子。 A fixed electrode fixed to the support layer of the substrate;
A displaceable movable electrode disposed substantially parallel to the fixed electrode;
A spring layer fixed to the support layer of the substrate at a position above or below the movable electrode,
A MEMS element, wherein the movable electrode is mechanically supported and electrically connected to the spring layer via a support.
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WO2021135109A1 (en) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 潍坊歌尔微电子有限公司 | Dustproof structure, microphone packaging structure and electronic device |
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