JP2019041349A - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】感度の高い出力信号を得ることができるＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】圧電膜４を有する可動電極膜の一部を圧電性材料で構成するとともに、この圧電性材料の少なくとも一部を挟んで第1の電極３と、第２の電極５とを配置する。音圧等を受けて可動電極膜が変位すると、固定電極８と可動電極間の容量変化に基づく第１の信号として出力する。同時に第１の電極と第２の電極間の圧電性材料の起電圧に基づく第２の信号として重畳して出力する。【選択図】図１

Description

この発明はＭＥＭＳ素子に関し、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。

半導体プロセスを用いて形成されるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に可動電極、犠牲層および固定電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して固定電極と可動電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成される。

例えば、容量型のＭＥＭＳ素子では、複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧等を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、振動による可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。

従来のＭＥＭＳ素子の動作を図４に模式的に示す。支持基板となるシリコン基板４１上に熱酸化膜からなる絶縁膜４２を介して、導電性の可動電極を含む可動電極膜４３と導電性の固定電極を含む固定電極膜４４とがスペーサー４５を介して配置されている。可動電極膜４３は、音圧等を受けて振動することで、固定電極膜４４の固定電極と可動電極膜４３の固定電極との間で形成されているキャパシタの容量値が変化する。この容量値を図示しない電極から取り出すことで、可動電極膜４３が受ける音圧等に応じた出力信号を得ることが可能となる。

特開２０１１−５５０８７号公報

この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の振動変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。本発明はこのような問題点を解消し、感度の高い出力信号を得ることができるＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、前記可動電極膜の一部を圧電性材料で構成するとともに、該圧電性材料の少なくとも一部を挟んで第1の電極と第２の電極とを配置し、前記可動電極膜の変位を、前記固定電極と前記可動電極間の容量変化に基づく第１の信号として出力するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電性材料の起電圧に基づく第２の信号として出力することを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記可動電極膜は、前記基板と前記スペーサーとにより支持され、該支持側の前記可動電極膜の一部を圧電性基板で構成することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、ＭＥＭＳ素子の出力信号を固定電極と可動電極間の容量変化に基づく第１の信号と、第１の電極と第２の電極との間に配置した圧電性材料の圧電効果に基づく起電圧を第２の信号として出力する構成とすることで、従来の容量変化に基づく信号に起電圧に基づく信号を重畳することができ、従来の容量変化に基づく変化のみと比較して大きな出力信号を得ることができ、高感度のＭＥＭＳ素子を構成することができる。

特に、可動電極膜の一部を構成する圧電性材料について、基板とスペーサーとの支持部側に配置することで、可動電極の振動により大きく変形する部分に圧電性材料を配置することができ、大きな起電圧を得ることができ、効果が大きい。さらに可動電極膜の支持部から離れた可動電極の中央部に圧電性材料を配置しない構造とすることで、圧電性材料の膜応力が緩和され、感度向上や可動電極膜のたわみを抑制する効果もある。

本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜の一部を圧電性材料とすることで、容量変化に基づく出力と圧電性材料の起電力に基づく出力とを重畳して出力可能としている。以下、本発明のＭＥＭＳ素子について詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例の説明図で、ＭＥＭＳ素子の中央部分の断面図を示している。図１に示すように、支持基板となるシリコン基板１（基板に相当）上に熱酸化膜からなる絶縁膜２を介して、モリブデン等の金属材料からなる下層電極３（第２の電極に相当）、窒化アルミニウム等の圧電性材料からなる圧電膜４、モリブデン等金属材料からなる上層電極５（第１の電極および可動電極に相当）が積層形成されている。下層電極３および上層電極５は、圧電材料の種類により、所望の金属材料を選択する。シリコン基板１の一部は、例えば円形に除去されたバックチャンバー６が形成され、残されたシリコン基板１とＵＳＧ膜からなるスペーサー７との間に下層電極３、圧電膜４および上層電極５の周縁部が支持固定されている。

図４に示す一般的なＭＥＭＳ素子と比較すると、本発明では、下層電極３と圧電膜４を備えている点が相違している。

その他の構造は一般的なＭＥＭＳ素子と同様で、スペーサー７を介して上層電極５に対向するように固定電極８が配置されている。９は窒化膜で固定電極８と一体となり、固定電極膜を構成している。固定電極膜には貫通孔１０が形成されている。固定電極８および上層電極５は、それぞれ、所望の電圧を印加することができ、出力信号を取り出すための引出電極１１ａ、１１ｂが接続している。下層電極３も図示しない引出電極を備えている。

本実施例のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜を構成する下層電極３、圧電膜４および上層電極５の端部が、シリコン基板１とスペーサー７との間に固定されているので、可動電極膜が音圧を受けて振動すると、一般的な容量型のＭＥＭＳ素子同様、固定電極８と可動電極膜の一部を構成する上層電極５との間の距離が変化し、容量変化に基づく出力信号(第１の信号に相当)を得ることができる。

同時に本実施例のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜の一部を構成する圧電膜４が変形し、上層電極５と下層電極３との間に電圧差が生じることになり、この起電圧から得られる出力信号（第２の信号に相当）を得ることができる。

具体的には図２に示すように、固定電極と可動電極間の容量変化に基づく容量変化に基づく出力信号Ｓ１（第１の信号に相当）と、第１の電極と第２の電極との間に配置した圧電性材料の圧電効果に基づく出力信号Ｓ２（第２の信号に相当）が出力する構成される。従来のＭＥＭＳ素子は、容量変化に基づく出力信号のみであるので、従来と比較して大きな出力信号を得られることがわかる。

それぞれの出力信号Ｓ１、Ｓ２は、例えば信号処理のための集積回路に入力し、増幅、加算、アナログ・デジタル変換および信号処理を行った後、出力信号Ｓ３が出力される。なお、増幅、アナログ・デジタル変換及び信号処理は、出力信号を得るために従来のＭＥＭＳ素子においても行われている。

次に第２の実施例について説明する。図３は本発明の第２の実施例の説明図で、ＭＥＭＳ素子の中央部分の断面図を示している。図３に示すように支持基板となるシリコン基板１（基板の相当）上に熱酸化膜からなる絶縁膜２を介して、モリブデン等の金属材料からなる下層電極３（第２の電極に相当）、窒化アルミニウム等の圧電性材料からなる圧電膜４、ポリシリコン膜１２（第１の電極および可動電極に相当）が積層形成されている。ここで、上述の第１の実施例と異なり、圧電膜４を一部のみに形成する構造とし、ポリシリコン膜１２を可動電極としている。また、圧電膜４とポリシリコン膜１２の間に、圧電膜４にオーミック接触を形成する別の金属材料からなる電極膜を介在させる構造としてもよい。

シリコン基板１の一部は、例えば円形に除去され、バックチャンバー６が形成され、残されたシリコン基板１ととＵＳＧ膜からなるスペーサー７との間に下層電極３、圧電膜４およびポリシリコン膜１２の周縁部が支持固定されている。スペーサー７を介してポリシリコン膜１２に対向するように固定電極８が配置されている。９は窒化膜で固定電極８と一体となる固定電極膜を構成している。固定電極膜には貫通孔１０が形成されている。固定電極８およびポリシリコン膜１２は、それぞれ、所望の電圧を印加することができ、出力信号を取り出すための引出電極１１ａ、１１ｂが接続している。下層電極３も図示しない引出電極を備えている。

本実施例のＭＥＭＳ素子は、可動電極膜を構成する下層電極３、圧電膜４およびポリシリコン膜１２の端部が、シリコン基板１とスペーサー７との間に固定されているので、可動電極膜が音圧を受けて振動すると、一般的な容量型のＭＥＭＳ素子同様、固定電極８と可動電極を構成するポリシリコン膜１２との間の距離が変化し、容量変化から得られる出力信号（第１の信号に相当）を得ることができる。

本実施例のＭＥＭＳ素子は、周縁部の可動電極のみに圧電膜４を配置する構成とすることで、圧電性材料の膜応力が緩和され、感度向上や可動電極膜のたわみを抑制する効果がある。

出力信号を得るための信号処理は、上記第１の実施例同様、図２に示す処理とすればよい。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、圧電素子は、窒化アルミニウムに限定されない。なお、本発明のＭＥＭＳ素子は、マイクロフォン以外の各種センサ等として用いることも可能である。

１：シリコン基板、２絶縁膜、３：下層電極、４：圧電膜、５：上層電極、６：バックチャンバー、７：スペーサー、８：固定電極、９：窒化膜、１０：貫通孔、１１ａ、１１ｂ：引出電極、１２：ポリシリコン膜

Claims (2)

1. バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とが対向配置しているＭＥＭＳ素子において、
   前記可動電極膜の一部を圧電性材料で構成するとともに、該圧電性材料の少なくとも一部を挟んで第1の電極と第２の電極とを配置し、
   前記可動電極膜の変位を、前記固定電極と前記可動電極間の容量変化に基づく第１の信号として出力するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極間の前記圧電性材料の起電圧に基づく第２の信号として出力することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記可動電極膜は、前記基板と前記スペーサーとにより支持され、該支持側の前記可動電極膜の一部を圧電性基板で構成することを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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