JP2019106616A - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな出力信号を得ることができ、かつハンドル基板の変形を抑制することができるＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】バックチャンバー１３を備えたハンドル基板７と、ハンドル基板上に、スペーサー１０を挟んで固定電極を含む固定電極膜１１と可動電極を含む可動電極膜９とが対向配置しているＭＥＭＳ素子２において、バックチャンバー内に、バックチャンバーの側壁から対向する側壁側に突出するハンドル基板の一部からなる補強部１４を備える。補強部は、可動電極膜に対向するハンドル基板の一方の表面とは反対側の他方の表面側に配置され、他方の表面側の側壁間の変形を抑制する。この補強部は、可動電極から所定の寸法だけ離間した構成とすることで、比較的大きな可動電極膜から出力信号を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にトランスデューサ等の各種センサとして用いることができるＭＥＭＳ素子に関する。

例えばＭＥＭＳ素子を用いたマイクロフォン装置では、図６に示すように実装基板１上にＭＥＭＳ素子２やこのＭＥＭＳ素子２から出力された信号を処理する集積回路３のような電子部品を実装し、全体を金属製の蓋部４で覆う構造を採用している。図６に示す例では、ＭＥＭＳ素子２に音圧等が伝搬するように蓋部４に孔部５を形成している。集積回路３の表面は樹脂６で覆い保護している。

図７は、図６に示すＭＥＭＳ素子２の拡大図である。ＭＥＭＳ素子２は、ハンドル基板７上に絶縁膜８を介して可動電極を含む可動電極膜９が積層し、さらにスペーサー１０を介して固定電極を含む固定電極膜１１が積層形成されている。なお図７では、集積回路３との接続は図示を省略している。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。

ところで図７に示すように、実装基板１上にハンドル基板７が接着部材１２によって固着された後、実装基板１上に集積回路３を実装したり、蓋部４を形成する組立工程では、１００℃を超えるような加熱処理が行われる場合がある。その際、ハンドル基板７には大きく開口したバックチャンバー１３が形成されているため、実装基板１とハンドル基板７との熱膨張や熱収縮の物性の違いにより、図７に示す矢印方向の力や逆方向の力がハンドル基板７に加わってしまう。

その結果、ＭＥＭＳ素子２の形状が歪み、可動電極膜９と固定電極膜１１との間の寸法が変動して出力特性が変動してしまうという問題があった。そこで、ハンドル基板７にある程度の力が加わってもＭＥＭＳ素子２の形状が歪まないようにバックチャンバーの開口面積を小さくし、さらに開口面積の減少によって出力信号が低下する場合には複数のＭＥＭＳ素子からの出力信号を合算して大きな出力信号を得るように構成することも可能である。

特開２０１１−５５０８７号公報

ところで、図７に示すようなＭＥＭＳ素子２では、可動電極膜９の外周が絶縁膜８とスペーサー１０とで挟持されているため、この挟持されている部分近傍の可動電極膜９の振動は小さく、挟持されている部分から離れた可動電極膜９の中心近傍の振動が信号出力に寄与している。上述のように、バックチャンバーの開口面積を小さくし、複数のＭＥＭＳ素子からの出力信号を合算して大きな出力信号を得ようとすると、信号出力に寄与しない部分の可動電極の面積が増加してしまう。そのため、比較的大きな可動電極を備えたＭＥＭＳ素子から大きな出力信号を得る方が好ましい。そこで本願発明は、大きな出力信号を得ることができ、かつハンドル基板７の変形を抑制することができる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ハンドル基板と、該ハンドル基板上に、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、前記バックチャンバー内に、該バックチャンバーの側壁から対向する側壁側に突出する前記ハンドル基板の一部からなる補強部を備え、該補強部は、前記可動電極膜に対向する前記ハンドル基板の一方の表面とは反対側の他方の表面側に配置され、前記他方の表面側の側壁間の変形を抑制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、前記ハンドル基板は積層体からなり、前記積層体を構成するハンドル基板は、前記補強部を備えたハンドル基板と前記補強部を備えないハンドル基板とで構成され、前記補強部を備えたハンドル基板は、前記他方の表面側に前記補強部が配置するように積層されていることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項２記載のＭＥＭＳ素子において、前記補強部を備えたハンドル基板は、複数の前記補強部を備えたハンドル基板からなることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記補強部は、相互に交わる少なくとも２方向に延出する部分を備えていることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子によれば、実装構造において実装基板に接するハンドル基板の裏面側に補強部を備えることで、実装基板とハンドル基板との間の熱膨張や熱収縮の物性の違いによりハンドル基板を変形させようとする力がハンドル基板７に加わった場合でも、ハンドル基板の変形を抑制することができる。特に本発明の補強部をハンドル基板７に加わる力が大きい位置に配置することで、ハンドル基板の変形を確実に抑制することができる。さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、ハンドル基板の表面側、即ち可動電極膜に対向する表面は、可動電極膜とは離間した形状としているため、可動電極の面積を大きく確保することができ、出力信号の低下を招くことがない。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子によれば、従来のハンドル基板の厚さよりハンドル基板を薄くしてもハンドル基板の変形を抑制できるため、ＭＥＭＳ素子の低背化が可能となるという利点がある。

一方、本発明のＭＥＭＳ素子は、ハンドル基板を複数のハンドル基板を積層した構造とすることができる。そのため、積層されるハンドル基板それぞれに、ハンドル基板に加わる力に抗する方向に延出する補強部を形成し、補強部の延出方向が交わるように積層することで、異なる方向から加わる力に抗した補強部を用意することが可能となる。さらに補強部を備えたハンドル基板と補強部を備えないハンドル基板とを積層する構造とすることで、バックチャンバーの体積を可能な限り大きくすることができるので、出力信号の大きいＭＥＭＳ素子が得られるという利点もある。

本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。 本発明の補強部の平面構造を説明する図である。 本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。 本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。 本発明の第４の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。 一般的なＭＥＭＳ素子を用いたマイクロフォン装置の実装構造を説明する図である。 一般的なＭＥＭＳ素子の実装構造を説明する図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、ハンドル基板と一体となった補強部を備える構造とし、ハンドル基板、あるいは可動電極膜および固定電極膜の変形を抑制する構成としている。この補強部は、可動電極から所定の寸法だけ離間した構成とすることで、補強部により可動電極膜が分割されることはなく、比較的大きな可動電極膜から出力信号を得ることができる構成となっている。以下、本発明に実施例について詳細に説明する。

まず、本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子について説明する。本実施例のＭＥＭＳ素子は、先に説明した図７に示すＭＥＭＳ素子と比較してハンドル基板のバックチャンバーの構造が異なっている。図１は本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図であって、図２（ａ）に示すような平面構造を有するバックチャンバーを備えたＭＥＭＳ素子について、略円形の可動電極膜９の中心を通り、図面左右方向あるいは上下方向に切断した場合の断面（図１ａ）と、同様に可動電極膜９の中心を通らず、バックチャンバー１３と補強部１４を横断する断面（図１ｂ）をそれぞれ模式的に示した断面図である。

図１に示すように、シリコン基板からなるハンドル基板７の表面には、シリコン基板を熱酸化して形成した絶縁膜８が積層している。この絶縁膜８上には、導電性のポリシリコン膜からなる可動電極を含む可動電極膜９が積層している。可動電極膜９の応力緩和のため、スリットも形成されている。

可動電極膜９上には、ＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなるスペーサー１０を介して導電性のポリシリコン膜からなる固定電極を含む固定電極膜１１が形成されている。固定電極膜１１には、音等を可動電極膜９に伝えるための貫通孔が形成されている。さらに図示しない配線部が形成されている。このようにハンドル基板７上の形状、製造方法等は周知のＭＥＭＳ素子の形状、製造方法等と同一である。

次に本発明の特徴であるバックチャンバーの構造について説明する。従来のＭＥＭＳ素子は、ハンドル基板７の裏面側から表面側に達する１個の貫通孔によってバックチャンバー１３が形成されている（図７）。これに対し本実施例のＭＥＭＳ素子は、ハンドル基板７の一部にバックチャンバーを分割するように補強部１４が形成されている（図２ａ）。この補強部１４は、バックチャンバー１３の周囲のハンドル基板７同様に、ハンドル基板７をエッチング除去せず残して形成できる。その結果、ハンドル基板７と補強部１４は一体に形成される（図１ａ）。またこの補強部１４の間にはバックチャンバー１３が形成されていることがわかる（図１ｂ）。

この補強部１４は、ハンドル基板７の変形を抑制するために形成されているので、例えば、図２（ａ）のように十字形状のように交わる２方向の変形を抑えることができる形状とするのが好ましい。この場合、例えば図１に矢印で示す方向、あるいはその逆向きの方向の力がハンドル基板７に加わった場合でも、補強部１４を配置することで、ハンドル基板７が変形することはない。同様に、図１(ａ)（ｂ）に矢印で示すそれぞれの方向と異なる方向の力がハンドル基板７に加わった場合でも、図１に示すように補強部１４を配置することで、ハンドル基板７が変形することはない。

図１に示す例では、補強部１４はハンドル基板７の厚さと同じ厚さとしている。そのため可動電極膜９中心の可動電極膜９に対向する位置に補強部１４が配置し、可動電極膜９の振幅が制限されることになる。そこで、十分な大きさのＭＥＭＳ素子の出力信号が得られるように、絶縁膜８の厚さを設定すれば良い。なお、可動電極膜９に対向する位置に配置している補強部１４は、可動電極膜９の破損を防止するストッパーとして使用することが可能である。可動電極膜９の振幅が制限されることは、出力信号の大きさの制限にもつながるため、図２（ｂ）に示すように可動電極膜９の振幅の大きい領域には補強部１４を形成しない形状とする等、補強部１４の形状は適宜設定すれば良い。

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の実施例の断面図を示す。上述の第１の実施例では、補強部１４の厚さをハンドル基板７の厚さと同じ厚さに形成していたが、本実施例では、補強部１４の厚さをハンドル基板７より薄くしている。また補強部１４をハンドル基板７の裏面側に配置している。

図３に示すように本実施例の補強部１４は、実装基板１と接合するハンドル基板７の裏面側に配置している。実装基板１から受ける力はハンドル基板７の裏面側に加わるため、補強部１４をハンドル基板７の裏面側に配置すれば、補強部１４の厚さが薄くても十分にハンドル基板７の変形を抑制することが可能となる。

なお、図３に示す補強部１４を形成する場合、予めハンドル基板７表面にバックチャンバーに相当する深さの凹部を形成しておき、一旦犠牲層を充填して平坦化してハンドル基板７表面に所望の構造を形成させ、その後、薄く残るハンドル基板７にバックチャンバー１３を形成し、平坦化のために使用した犠牲層を除去すれば、簡便に形成することができる。

次に第３の実施例を説明する。上述の第２の実施例で説明したＭＥＭＳ素子を形成する場合、バックチャンバーを形成するため、比較的深い凹部を形成し、その平坦化を行う必要があり、製造工程が複雑になる。そこで、ハンドル基板を図４に示すようにハンドル基板７ａ、７ｂのように分割して積層構造とすることで簡便に製造することが可能となる。この場合、通常の方法により形成した補強部を備えていないハンドル基板７ａを備えたＭＥＭＳ素子を、補強部１４を形成したハンドル基板７ｂに積層する。図４に示す例では、ハンドル基板７ａの厚さがハンドル基板７ｂの厚さより厚く形成されているが、これに限定されることはない。

次に第４の実施例を説明する。上述の第３の実施例で説明したＭＥＭＳ素子では、ハンドル基板７ａをハンドル基板７ｂに積層した例について説明したが、図５に示すように、さらにハンドル基板７ｃを積層する構造としても良い。この場合、補強部１４の形状を一方のバックチャンバーの側面から対向する側面に向かって延出する形状とし、ハンドル基板７ｂとハンドル基板７ｃとを補強部１４ｂ、１４ｃの延出方向がそれぞれ異なる方向となるように積層している。ここで積層体となるハンドル基板７ｂ、７ｃが、実装基板１側に配置することで、ハンドル基板７ｂに加わる力に対し、補強部１４ｂ、１４ｃが一体となって、ハンドル基板７ｂ、７ｃ、７ａの変形を抑制することができる。なお、補強部１４ｂ、１４ｃが個々に延出構造が異なる形状を備えている場合には、それぞれの形状が重なるように配置してもよい。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば補強部１４は、実装基板１からハンドル基板７に加わる力に抗してハンドル基板７の変形を抑制する位置に配置されることは必須であるが、図２等で図示したようにハンドル基板７等の裏面側の表面と実装基板１に対向する補強部１４の表面とが同一面上となる位置に配置することは必須の要件ではなく、適宜設定すればよい。

１：実装基板、２：ＭＥＭＳ素子、３：集積回路、４：蓋部、５：孔部、６：樹脂、７、７ａ、７ｂ、７ｃ：ハンドル基板、８絶縁膜、９：可動電極膜、１０：スペーサー、１１：固定電極膜、１２：接着部材、１３：バックチャンバー、１４：補強部

Claims (4)

1. バックチャンバーを備えたハンドル基板と、該ハンドル基板上に、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、
   前記バックチャンバー内に、該バックチャンバーの側壁から対向する側壁側に突出する前記ハンドル基板の一部からなる補強部を備え、
   該補強部は、前記可動電極膜に対向する前記ハンドル基板の一方の表面とは反対側の他方の表面側に配置され、前記他方の表面側の側壁間の変形を抑制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、前記ハンドル基板は積層体からなり、前記積層体を構成するハンドル基板は、前記補強部を備えたハンドル基板と前記補強部を備えないハンドル基板とで構成され、前記補強部を備えたハンドル基板は、前記他方の表面側に前記補強部が配置するように積層されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項２記載のＭＥＭＳ素子において、前記補強部を備えたハンドル基板は、複数の前記補強部を備えたハンドル基板からなることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
4. 請求項１乃至３いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記補強部は、相互に交わる少なくとも２方向に延出する部分を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

Images