JP2021112817A - ストッパを有する微小電気機械デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】測定精度およびデバイスの信頼性が新たに向上する微小電気機械デバイスを提供する。【解決手段】微小電気機械デバイスは、シリコン製の第１のロータ測定領域１１１およびシリコン製のロータストッパ領域１１２を備える可動ロータ１１と、前記ロータに隣接し、第１のステータ測定領域およびステータストッパ領域を備える固定ステータ１２とを備え、前記ロータストッパ領域は、ストッパ間隙によってステータストッパ領域から分離されており、前記ロータが、前記第１のロータ測定領域を前記ロータストッパ領域に機械的に接続し、前記第１のロータ測定領域を前記ロータストッパ領域から電気的に分離する、絶縁材料製の第１のロータ分離領域１１９をさらに備えることを特徴とする。【選択図】図１ａ
Description
本開示は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、より詳細には、可動構造を有するＭＥＭＳデバイスに関する。本開示はさらにストッパ構造に関する。
加速度計およびジャイロスコープなどの多くの微小電気機械デバイスは、ロータと呼ばれ得る可動部分を備える。ロータは、用途によっては、試験質量、コリオリ質量、または質量要素と呼ばれる場合がある。ロータは、典型的には、ステータと呼ばれ得る隣接する静止部分に、柔軟な取り付け構造によって取り付けられる。ロータは、デバイス基板をエッチングすることによって形成されている場合があり、ステータは、例えば、ロータを取り囲むデバイス基板の固定部分であり得る。代替的に、ステータは、カバーなどの、デバイス基板に隣接して存在する別の機械的構造の一部であり得る。ステータはＭＥＭＳチップの周囲の部分に対して固定されたままであるが、ロータはチップに対する運動を受けることができる。
ロータの運動は、典型的には、電気トランスデューサによって測定される（ジャイロスコープの場合は、作動もされる）。これらのトランスデューサは、例えば、一方がステータ上に、もう一方がロータ上にある、２つの対向する電極構造を有する容量性トランスデューサであり得る。電極構造は、ロータおよび／またはステータ上に堆積された導電層を備えることができる。代替的に、基板の材料がシリコンなどの少なくとも中程度に導電性の材料である場合、単純にロータ全体を特定の電位に接続することによって、ロータ上の容量性電極（ロータ電極と呼ばれる場合がある）を形成することができる。導電層が堆積されてロータ電極が形成される手法と比較して、ロータ全体をロータ電極に必要な電位に設定することの恩恵には、ロータ電極専用の高導電性電気配線がロータ全体にわたって構築される必要がないという利点がある。
米国特許出願公開第２０１９／０６３９２４号明細書は、シリコンロータが特定の電位に設定されて、隣接するステータ電極とともに容量性トランスデューサを形成するＭＥＭＳ加速度計を開示している。ロータ全体が所与の電位に設定されている配置構成では、特定の制約が避けられない。同じロータ内に形成される他のトランスデューサの電圧要件に起因して、各トランスデューサに印加される電圧を制限する必要がある場合があり、ロータおよびステータ上のストッパ構造間の物理的接触により、ロータおよびステータが異なる電位にある場合にロータとステータとの間の接触が発生させる可能性がある突然の電気的変化に起因して、トランスデューサの測定に電気妨害が生じる場合がある。
米国特許出願公開第２００４／１８３１４９号明細書は、２つの電気的に分離された領域を有するロータを開示している。ロータの回転運動が、これらの領域に結合された隣接する電極によって作動または測定されるように構成される。ただし、回転運動を作動または測定するために１つのステータ電極のみを使用することを可能にするために、ロータは２つの電気的に分離された領域に分離されている。ストッパが実装される場合、測定は依然として容易に妨げられる。
本開示の目的は、上記の問題を解決する装置を提供することである。
本開示の目的は、独立請求項に述べられている事項を特徴とする構成によって達成される。本開示の好ましい実施形態が、従属請求項に開示されている。
本開示は、ロータ内に２つ以上の電気的に分離された領域を形成し、ロータとステータとの電位が等しいストッパ構造を構築するという着想に基づく。これにより、測定精度およびデバイスの信頼性が新たに向上する。
以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態によって、本開示をより詳細に説明する。
ロータを有するＭＥＭＳデバイスを示す図である。
ロータを有するＭＥＭＳデバイスを示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの別の製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの別の製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの別の製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの別の製造方法を示す図である。
ＭＥＭＳデバイスの別の製造方法を示す図である。
ロータ分離領域の可能な形状を示す図である。
ロータ分離領域の可能な形状を示す図である。
ロータ分離領域の可能な形状を示す図である。
ロータ分離領域の可能な形状を示す図である。
ロータ分離領域の可能な形状を示す図である。
測定コンデンサおよびストッパ構造を有するＭＥＭＳデバイスを示す図である。
代替的なロータ設計を示す図である。
本開示は、シリコン製の第１のロータ測定領域およびシリコン製のロータストッパ領域を備える可動ロータと、ロータに隣接し、第１のステータ測定領域およびステータストッパ領域を備える固定ステータとを備える微小電気機械デバイスについて説明する。ロータストッパ領域は、ストッパ間隙によってステータストッパ領域から分離されている。ロータはまた、第１のロータ測定領域をロータストッパ領域に機械的に接続し、第１のロータ測定領域をロータストッパ領域から電気的に分離する絶縁材料製の第１のロータ分離領域を備える。
ロータストッパ領域とステータストッパ領域とは同じ電位に設定することができる。可動ロータは、通常の動作において第１の方向における動きを受けるように構成することができ、この動きは、ストッパ間隙を閉じることができる。代替的に、可動ロータは、通常の動作において第１の方向における動きを受けるように意図的に構成されていない場合があるが、それにもかかわらず、デバイスが突然の外部衝撃にさらされた場合、ロータが第１の方向に動くリスクがあり得る。これらのシナリオの両方でストッパ構造が必要になり得、同じデバイス内でこれらのシナリオの両方のためのストッパを実装することができる。
本開示では、「ロータ」という用語は、デバイス層内の可動部分を指す。デバイス層は、エッチングおよびコーティング技法によって微小機械構造が形成されているシリコンウェハであり得る。ロータは、剛体として並進および／または回転運動を受けるように構成された物体であり得る。ロータ内で発生する任意の曲げまたはねじれは、並進および／または回転運動の大きさに比べて小さいものであり得る。
本開示では、デバイスウェハによって規定される平面は、デバイス平面と呼ばれ、ｘｙ平面として示されている。「水平」という用語は、この平面に平行な寸法を指す。デバイス平面への動きは、「面内」運動と呼ばれる場合があり、一方、デバイス平面から外方への動きは、「面外」運動と呼ばれる場合がある。
「垂直」という用語は、水平デバイス平面に垂直な方向を指し、図ではｚ軸として示されている。「上方」および「下方」という用語は、ｚ座標の差を参照する。「高さ」および「深さ」などの用語は、垂直距離（ｚ方向）を参照し、「幅」および「長さ」は、水平距離（ｘ方向またはｙ方向）を参照する。「ボリューム」という用語は、ｘｙｚ空間内の三次元領域を参照する。
「垂直」または「水平」などの用語は、ＭＥＭＳデバイスが製造されるとき、またはデバイスが使用されているときのシリコンウェハの向きについて一切意味しない。デバイスおよびシリコンウェハは、使用または製造中に任意の適切な方向、例えば、本開示で「水平」として参照される面が垂直面になるように横向きにすることができる。言い換えれば、「水平」および「垂直」という用語は、２つの直交する方向を定義するに過ぎず、当該方向の一方はデバイスウェハの表面に平行であり、他方は当該表面に垂直である。
ロータは、デバイスの使用中に動きを受けるように構成されている。この動きは、直線並進もしくは角回転のいずれかであり得、または、並進と回転との組み合わせであり得る。動きは、例えば、ＭＥＭＳデバイスが加速または角回転を受けるとき、外力によって誘発され得る。代替的に、動きは、ロータに接続された容量性力変換器によって作動され得る。
ロータ自体は、１つまたは複数の容量性力変換器の一部を形成することができる。これらの力変換器は、例えば、各ステータ電極が対応するロータ電極に隣接するように、ロータ上の１つまたは複数のロータ電極およびステータ上の１つまたは複数のステータ電極を備える容量性トランスデューサを含むことができる。各電極は、複数の平行で細長いフィンガを備えることができ、ロータ電極のフィンガは、容量性トランスデューサの静電容量を増加させるために、対応するステータ電極のフィンガとかみ合うことができる。代替的に、ロータ電極およびステータ電極は、平行板測定のために１つのステータ電極板と対になっているただ１つのロータ電極板を備えてもよい。
「ステータ」という用語は、デバイスウェハの不動部分（すなわち、すべての実用的な目的のために、周囲のデバイスパッケージに対して固定されていると考えることができる部分）、または、デバイスウェハが封入されているエンクロージャもしくはパッケージの壁の一部などのデバイスウェハに隣接する他の固定構造のいずれかを指す場合がある。
ロータは、ばねによって固定構造から、例えば、ステータ上に配置された１つまたは複数のアンカー点から懸架することができる。したがって、この固定構造は、デバイスウェハ自体の一部であり得、ばねは、ロータが形成されるのと同じエッチングプロセスにおいてデバイスウェハ内に形成され得る。ばねは、ばねが柔軟な変形を受けることを可能にするために少なくとも１つの十分に薄い寸法を有する棒またはビームであり得る。この柔軟な変形により、ロータが動くことが可能になる。ロータの動きは振動であり得、この場合、懸架ばねのばね定数は振動振幅の１つの決定要因である。ばねはサスペンダと呼ばれる場合もある。
本開示において説明される各ロータ測定領域およびロータ分離領域は、三次元ボリュームである。これらの領域は、以下でより詳細に説明するように、ロータ内に１つまたは複数のトレンチをエッチングし、次にこれらのトレンチを電気絶縁材料で充填することによって形成することができる。したがって、ロータはその構造的完全性を保持するが、互いに電気的に絶縁された２つ以上のボリュームに分離される。
図１ａは、ロータ１１を有するＭＥＭＳデバイスを示している。ロータ１１は点線で囲まれている。ロータ１１は、ロータ測定領域１１１、ロータストッパ領域１１２、およびロータ測定領域１１１をロータストッパ領域１１２に機械的に接続し、これら２つの領域を互いから電気的に分離する第１のロータ分離領域１１９を備える。ロータは、両側で、ロータが形成されているデバイスウェハの一部を形成するステータ１２に隣接している。この場合、デバイスウェハは、支持ウェハ１４も含むシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの一部である。空洞１３が、ロータ１１の下にあるように支持ウェハ１４に形成されており、ロータに垂直運動のための空間を与える。この場合、各ロータ領域およびロータ分離領域はロータボリュームである。デバイスウェハの材料は、例えば、導電性を呈するのに十分にドープされた結晶シリコンまたは多結晶シリコンであってもよい。デバイスは、例えば、ｙ方向またはｚ方向における並進運動を受けるように構成することができる。
図１ｂは、同じロータがｘｙ平面内に形成され得る方法の一例を示している。図１ａに示されている断面は、図１ｂの線Ｐに沿った断面である。図１ｂは、ロータ１１をステータ１２に取り付ける２つの可撓性サスペンダ１８を示している。他の多くのデバイス形状もｘｙ平面内で可能である。
図２ａ〜図２ｅは、図１ａに示すＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す。参照符号２１、２１１、２１２、２１９および２２〜２４は、それぞれ図１ａの参照符号１１、１１１、１１２、１１９および１２〜１４に対応する。図２ａは、絶縁酸化物層２６によってともに接合された、デバイスウェハ２５および支持ウェハ２４を備えるＳＯＩウェハを示している。支持ウェハ２４内に空洞２３が形成されている。酸化物層２６は、空洞２３内にパターニングされているが、代替的に、パターニングされなくてもよい。この方法は、必ずしも空洞−ＳＯＩ基板上で実行する必要はない。代わりに、基板は、例えば、多結晶シリコンの層および絶縁層が結晶シリコン基板を取り囲むものなどのシリコン／絶縁体／シリコン構造を有する任意の基板、またはシリコン・オン・サファイア基板であってもよい。代替的に、デバイス層は、酸化シリコンウェハなどの絶縁支持ウェハの上に堆積されてもよい。空洞のない基板が使用される場合、ロータは、ロータが構築された後に実行されるリリースエッチングにおいて、下にあるウェハから解放され得る。
図２ｂでは、ロータ分離領域の位置を規定するために、分離トレンチ２７がデバイスウェハ２５内に形成されている。分離トレンチは、例えば、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）または任意のプラズマエッチング法によって形成することができる。酸化物層２６は、エッチング停止層として機能する。
次に、図２ｃに示されるように、絶縁材料２９の層がデバイスウェハ２５上に堆積される。この材料は、幅広い絶縁材料から選択することができるが、堆積後、ロータが動いてもロータの２つの領域を互いに近密に付着したままにするのに十分な構造的完全性を備えている必要がある。この構造的完全性を確保するために、絶縁材料２９は、分離トレンチ２７が空隙なしに完全に充填され得るように、高い適合性を有する材料であり得る。分離トレンチ２７が、例えば１０より大きい、深さ／幅の高いアスペクト比を有する場合、絶縁材料２９は、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）によって堆積され得る。他の堆積方法も使用することができる。分離トレンチ２７の最適な幅は、ロータ領域がどのように設計されているかに依存する。異なる設計オプションについて以下で説明する。分離トレンチ２７の側壁は、必ずしも垂直である必要はない。
絶縁材料２９は、例えば、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、または非ドープ多結晶シリコンであってもよい。代替的に、絶縁材料２９は、タングステン、タンタル、イットリウム、ネオジム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、インジウム、ニオブ、モリブデンもしくはハフニウムの窒化物−炭化物、酸化物−炭化物もしくは窒化物−酸化物複合体、または上にリストした材料の２つ以上を含む化合物材料であってもよい。
一般に、絶縁材料は、機械的に剛性があり、ロータ材料との良好な接着性があり、ロータ材料のものと適合性のある熱膨張特性を有する必要がある。絶縁材料を狭いトレンチに共形に堆積させ、少なくとも適度に迅速にエッチングすることが可能であることが好ましい。本開示において提示される任意の実施形態では、追加の接着剤層を、ロータ測定領域と分離領域との間の界面に挿入することができる。この追加の接着剤層は、必ずしも絶縁性である必要はなく、代替的に導電性であってもよい。
絶縁材料２９は、化学気相成長プロセス、原子層堆積プロセス、または二酸化ケイ素の場合には熱酸化によって堆積することができる。
図２ｄでは、例えば、最初に絶縁材料２９上にマスクをパターニングし、次にデバイスウェハを通してＤＲＩＥエッチングを実行することによって、リリーストレンチ２８がデバイスウェハ２５を通してエッチングされている。これにより、デバイスウェハは、デバイスの周囲部分に完全に固定されたままであるステータ２２と、固定構造から解放され、結果、可動になるが、依然として可撓性ばね（図示せず）によって固定構造に取り付けられているロータ２１とに分割される。
図２ｅでは、酸化物エッチングが実行されて、デバイスウェハの上部から、および場合によって空洞２３の壁からも過剰な絶縁材料が除去されている。得られるデバイスは、図１ａに提示されたものに対応し、ロータは、第１のロータ分離領域２１９によって互いに機械的に接続されたロータ測定領域２１１およびロータストッパ領域２１２を備える。プロセスが事前に構築された空洞のないＳＯＩウェハ上で実行される場合、最後のステップは、ロータの下方でリリースエッチングを実施して、下にある構造からロータを解放することを含む。
図３ａ〜図３ｅは、２つの電気的に分離された領域に分割されたロータを有するＭＥＭＳデバイスを製造するための代替的な方法を示している。図３ａでは、参照符号３４〜３６は、図２ａの参照符号２４〜２６に対応するが、この場合、支持ウェハ３４は、１つではなく２つの空洞３３１および３３２を有する。図３ｂでは、参照符号３７は図２ｂの参照符号２７に対応しており、２７と同じ方法で作成することができる。図３ｃ〜図３ｅでは、参照符号３９、３１〜３２、３１１〜３１２、３８、および３１９はやはり、図２ｃ〜図２ｅの参照符号２９、２１〜２２、２１１〜２１２、２８、および２１９に対応し、上述した方法および材料をそれらの製造に使用することができる。図３ｅでは、ロータは、ｚ方向に動く余地が限られており、酸化物層３６ができる限り除去されて、デバイスウェハと支持ウェハとの間に残るだけである。これは、垂直ストッパ構造が必要とされる用途で有用であり得、この場合、支持ウェハの領域３５が、ステータストッパ領域を形成することができる。
一般に、２つ以上の電気的に分離された領域を有するロータを製造するための方法は、１）デバイスウェハを通して１つまたは複数の垂直分離トレンチをエッチングするステップと、２）任意選択的に分離トレンチが共形に充填されるように、原子層堆積によって、分離トレンチを充填するようにデバイスウェハの上に絶縁材料の層を堆積するステップと、３）デバイスウェハを通して１つまたは複数の垂直リリーストレンチをエッチングすることによって、および任意選択的にまた、ロータの下方に解放空洞をエッチングして下にある支持ウェハからロータを解放することによって、デバイスウェハの固定部分からロータを解放するステップとを含むことができる。ステップは、必ずしもこの順序で実行する必要はない。ステップ３は、例えば、ステップ１および２の前に実行されてもよい。
複数の電気的に分離された領域を有するロータ
本開示で説明される任意の実施形態では、ロータは、互いに電気的に分離された３つ以上の領域を備えることができる。換言すれば、第１のロータ分離領域によって分離された第１のロータ測定領域およびロータストッパ領域に加えて、ロータは、シリコン製の第２のロータ測定領域および絶縁材料製の第２のロータ分離領域を備えることができる。第２のロータ測定領域は、第２のロータ分離領域によって、第１のロータ測定領域および／またはロータストッパ領域に機械的に接続することができる。このとき、第２のロータ分離領域は、第２のロータ測定領域を、ロータ測定領域およびロータストッパ領域から電気的に分離する。
本開示で説明される任意の実施形態では、ロータは、互いに電気的に分離された３つ以上の領域を備えることができる。換言すれば、第１のロータ分離領域によって分離された第１のロータ測定領域およびロータストッパ領域に加えて、ロータは、シリコン製の第２のロータ測定領域および絶縁材料製の第２のロータ分離領域を備えることができる。第２のロータ測定領域は、第２のロータ分離領域によって、第１のロータ測定領域および／またはロータストッパ領域に機械的に接続することができる。このとき、第２のロータ分離領域は、第２のロータ測定領域を、ロータ測定領域およびロータストッパ領域から電気的に分離する。
換言すれば、可動ロータは、第２のロータ測定領域および第２のロータ分離領域を備えることができる。第２のロータ測定領域は、第２のロータ分離領域によって、第１のロータ測定領域および／またはロータストッパ領域に機械的に接続することができる。第２のロータ分離領域は、第２のロータ測定領域を、第１のロータ測定領域およびロータストッパ領域から電気的に分離する。
図２ａ〜図２ｅおよび図３ａ〜図３ｅに示されている方法は、３つの電気的に分離された領域を有するロータの製造にも直接適用することができる。無論、電気的に分離された領域およびストッパ領域の数をさらに増やすこともできる。
ｘｙ平面内のロータ分離領域の形状
ロータ分離領域について、ｘｙ平面内で多くの形状が可能である。図４ａ〜図４ｅは、ロータ分離領域がｘｙ平面で有する可能性のあるさまざまな形状を示している。形状の選択は、ロータ分離領域の形状がロータの構造的完全性に直接影響を与えるため、上記の第１の実施形態において特に重要であり得る。したがって、第１の実施形態が主な例として使用されるが、提示された形状のいずれも、第２の実施形態でも選択することができる。
ロータ分離領域について、ｘｙ平面内で多くの形状が可能である。図４ａ〜図４ｅは、ロータ分離領域がｘｙ平面で有する可能性のあるさまざまな形状を示している。形状の選択は、ロータ分離領域の形状がロータの構造的完全性に直接影響を与えるため、上記の第１の実施形態において特に重要であり得る。したがって、第１の実施形態が主な例として使用されるが、提示された形状のいずれも、第２の実施形態でも選択することができる。
図４ａは最も単純な形状を示しており、参照符号４１、４１１、４１２はそれぞれ図１ａの参照符号１１、１１１、１１２に対応し、参照符号４１９１〜４１９５はすべて図１ａの参照符号１１９に対応している。
最も単純な形状は、図４ａのｘｙ平面に示されており、ロータ分離領域４１９１が単純にロータを横切る線を形成し、ロータを２つのロータ領域に分割している。この形状は、絶縁材料とデバイスウェハとの間の接着が、２つのロータ領域を互いに堅固に付着したままにするのに十分に強い場合は、十分であり得る。ただし、接着力が弱い場合、ロータが外部からの衝撃で破損しやすい場合がある。ロータ領域と分離領域との間の境界がより多くの表面積を得る代替的な形状は、ほとんどの場合、より強固である可能性が高い。
図４ｂは、直列のいくつかの線形セグメントを含む鋸歯状の形状を有するロータ分離領域４１９２を示しており、各セグメントは、前のセグメントに対してｘｙ平面内で傾斜している。図４ｃは、狭いセグメントと広いセグメントとが交互に直列に含まれるステップパターンを有するロータ分離領域４１９３を示し、その結果、分離領域は、左右両方に周期的に配置された突起を有する中央線を形成する。図４ｄは、互いに左右に配置され、直列に順序付けられた等しい幅の交互のセグメントを含むステップパターンを有するロータ分離領域４１９４を示し、その結果、分離領域は、中央線および左右への交互の突起を含む。最後に、図４ｅは、蛇行パターンを有するロータ分離領域４１９５を示しており、分離領域は、蛇行線を含む。
ロータストッパ領域
ストッパ構造は、ロータと周囲の固定構造との間の望ましくない、短絡または他の様態で憂慮すべき物理的接触を防ぐために使用される。このような接触は特に、ＭＥＭＳデバイスが強い加速を発生させる突然の外部衝撃を受けた場合に発生する可能性がある。容量性変換を容易にするためにロータ全体が特定の電位に設定される従来技術の解決策では、ストッパ構造は、絶縁材料の層から作成されなければならない。しかし、そのような層は短絡を防ぐが、隣接するステータと接触すると帯電しやすいことが多い。これはまた、ロータ内に形成された容量性トランスデューサに外乱を引き起こす可能性がある。
ストッパ構造は、ロータと周囲の固定構造との間の望ましくない、短絡または他の様態で憂慮すべき物理的接触を防ぐために使用される。このような接触は特に、ＭＥＭＳデバイスが強い加速を発生させる突然の外部衝撃を受けた場合に発生する可能性がある。容量性変換を容易にするためにロータ全体が特定の電位に設定される従来技術の解決策では、ストッパ構造は、絶縁材料の層から作成されなければならない。しかし、そのような層は短絡を防ぐが、隣接するステータと接触すると帯電しやすいことが多い。これはまた、ロータ内に形成された容量性トランスデューサに外乱を引き起こす可能性がある。
ロータが、異なる電位に設定することができる電気的に分離された領域に分割されている場合、ロータの１つの領域を停止専用にすることができる。この指定されたストッパ領域は、例えば、隣接するステータ構造と同じ電位に設定することができ、その結果、ステータとロータのストッパ領域との間の物理的接触が、ロータの他の領域を短絡させない。停止間隙を測定間隙よりも狭くするために別個の停止層が必要な場合、その停止層を導電性材料にして、電荷の蓄積が発生しないことを保証することができる。
ステータ測定領域がロータ測定領域と位置合わせされている場合、ステータ測定領域は測定間隙によってロータ測定領域から分離することができる。ステータストッパ領域は、ストッパ間隙にわたってロータストッパ領域と少なくとも部分的に位置合わせされている。ステータストッパ領域は、測定間隙よりも小さいストッパ間隙によってロータストッパ領域から分離することができる。ステータストッパ領域とロータストッパ領域とは同じ電位に設定することができる。
図５は、測定コンデンサおよびストッパ構造を有するＭＥＭＳデバイスを示している。固定ステータ５５は、絶縁性ステータ分離領域５５９を間に挟んでデバイスウェハ内に作成されたステータ測定領域５５１およびステータストッパ領域５５２を備える。ステータ５５は、例示の目的で、ロータ５１と同じ幅を有するが、実際には、ロータの寸法を超えて延在することができる。
図５に示されるステータは、少なくとも適度に導電性であると想定され、結果、領域５５１および５５２は、ステータを通って延在する分離領域によって電気的に分離されなければならない。これは、例えば、ステータがシリコン本体内、例えば、ロータを取り囲むデバイスウェハの固定部分内に形成されている場合に当てはまる。ステータが絶縁体である場合、図５のように、ステータに統合されたステータ分離領域を必ずしも備える必要はない。その場合、ステータ測定領域５５１およびステータストッパ領域５５２は、単純にステータ表面上の導電性電極によって形成することができる。当該オプションは別個には示されていない。
ロータは、絶縁性ロータ分離領域５１９によって機械的に接続された、ロータ測定領域５１１およびロータストッパ領域５１２を備える。図示された平面は、ｘｙ平面またはｘｚ平面のいずれかであり得る。
ステータ測定領域５５１およびロータ測定領域５１１はともに容量性トランスデューサを形成する。測定間隙５８１が、ロータ測定領域５１１とステータ測定領域５５１との間に形成される。ロータ測定領域５１１は電位Ｖ３に設定され、ステータ測定領域５５１は、Ｖ３とは異なる電位Ｖ２に設定される。
ステータストッパ領域５５２およびロータストッパ領域５１２はともにストッパ領域を形成する。ストッパ間隙５８２が、ロータストッパ領域５１２とステータストッパ領域５５２との間に形成される。ロータストッパ領域５１２およびステータストッパ領域５５２は、同じ電位Ｖ１に設定される。この電位は、Ｖ２またはＶ３のいずれかに等しくてもよく、または等しくなくてもよい。ステータストッパ領域５５２がロータストッパ領域５１２と接触するとき、ロータは短絡もせず、帯電もしない。ロータストッパ領域５１２およびステータストッパ領域５５２はまた、いくつかのストッパ用途において、異なる電位に設定されてもよい。
ロータストッパ領域５１２は、ロータ測定領域５１１が突出するよりも間隙内にさらに突出しており、結果、ストッパ間隙５８２は、測定間隙５８１よりも小さくなる。ロータがステータに向かって動くと、測定間隙にわたって何らかの接触が行われる前に、ロータストッパ領域５１２がステータストッパ領域５５２と接触する。ストッパ間隙にわたる接触によって測定が中断されることはない。ストッパ設計は、実際には図５に示されているものよりもはるかに複雑な場合があるが、同じ原理を利用することができる。
図４ａ〜図４ｅのように、ロータ分離領域は必ずしもロータと交差する必要はない。図６は、ｘｙ平面内での代替的なロータ設計を示している。参照符号６１、６１１‐６１２、６８および６１９は、図１ａおよび図１ｂの参照符号１１、１１１‐１１２、１８および１１９に対応している。この場合、ロータは、ロータ６１内の中央開口部６３へとｚ方向に突出する中央ステータ６２１を有する固定構造に固定されている。第１のロータ分離領域６１９は、ロータ測定領域６１１と中央ステータ６２１の両方を取り囲んでいる。ロータ測定領域６１１は、中央ステータ６２１および中央ステータ６２１に接続された中央サスペンダ６８１を介して所与の電位に設定することができる。次に、ロータストッパ領域６１２が、第１のロータ分離領域６１９を取り囲む。ロータストッパ領域６１２は、外側サスペンダ６８２によって外側ステータ６２２に取り付けることができ、この外側サスペンダおよび外側ステータを介して所与の電位に設定することができる。
それにより、ロータストッパ領域６１２は、ロータの縁部の周りに電気的に遮蔽された領域を形成することができる。ロータ測定領域６１１は、測定が行われる領域であり得る。遮蔽領域６１２が周囲の構造物と不注意に接触した場合、測定値は影響を受けない。
図５に示されるストッパ構造は、ロータが並進運動を受けるように構成されるときに実施され得、図６のストッパ構造は、ロータが回転運動を受けるように構成されるときに実施され得る。
Claims (2)
- 微小電気機械デバイスであって、
シリコン製の第１のロータ測定領域およびシリコン製のロータストッパ領域を備える可動ロータと、
前記ロータに隣接し、第１のステータ測定領域およびステータストッパ領域を備える固定ステータと
を備え
前記ロータストッパ領域は、ストッパ間隙によってステータストッパ領域から分離されており、
前記ロータが、前記第１のロータ測定領域を前記ロータストッパ領域に機械的に接続し、前記第１のロータ測定領域を前記ロータストッパ領域から電気的に分離する、絶縁材料製の第１のロータ分離領域をさらに備えることを特徴とする、微小電気機械デバイス。 - 前記可動ロータが、シリコン製の第２のロータ測定領域および絶縁材料製の第２のロータ分離領域をさらに備え、前記第２のロータ測定領域が前記第２のロータ分離領域によって前記第１のロータ測定領域および／または前記ロータストッパ領域に機械的に接続されており、前記第２のロータ分離領域は、前記第２のロータ測定領域を前記第１のロータ測定領域および前記ロータストッパ領域から電気的に分離する、請求項１に記載の微小電気機械デバイス。
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