JP2024027877A - Ｍｅｍｓモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供する。【解決手段】基板３０の内部に形成されている中空部３６０を覆い、かつ、中空部３６０内の気圧と基板３０の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有する基板３０の可動部３４０と、可動部３４０の厚さ方向からみて、少なくとも一部が中空部３６０と重畳して基板３０上に配置された第１のゲージ抵抗３２０Ａと、可動部３４０の厚さ方向からみて、中空部３６０と重畳せず、第１のゲージ抵抗３２０Ａの周囲の領域で基板３０上に配置されている第２のゲージ抵抗３２０Ｂと、を備えるＭＥＭＳ素子３と、第１のゲージ抵抗３２０Ａにより検出された第１の電気信号と第２のゲージ抵抗３２０Ｂにより検出された第２の電気信号を用いてＭＥＭＳ素子３の検出情報を補正し、気圧の変化量を算出する電子部品２と、を備える、ＭＥＭＳモジュールＡ１。【選択図】図３

Description

本実施形態は、ＭＥＭＳモジュールに関する。
半導体集積回路の製造に用いられる微細加工技術を利用して、機械要素部品と電子回路とを集積化したデバイスであるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）素子が知られている。
ＭＥＭＳ素子は、例えば、中空部と当該中空部を塞ぐ可動部とを有している。特許文献１に開示された構成においては、凹部が形成されたＳｉ基板の裏側にガラス基板を接合することより、中空部が形成されている。この接合は、中空部が密閉される場合、微細な隙間が生じないようにすることが求められる。
また、ＭＥＭＳ素子は、圧力センサに組み込まれて使用されることもある。外気圧の変化がＭＥＭＳ素子の可動部の端に生じる応力を変化させ、可動部の変形に応じてゲージ抵抗が変化する。圧力センサは、そのゲージ抵抗の変化を出力電圧の変化として出力する。
国際公開第２０１１／０１０５７１号
しかしながら、外気圧の変化だけでなく、ＭＥＭＳ素子の可動部（メンブレンともいう）に伝わる外部からの応力や温度変化によってもゲージ抵抗の変化が生じてしまう。外気圧以外の要因によってもゲージ抵抗からの電気信号が変化するため、外気圧の変化を正確に検知することが困難になるおそれがある。本実施形態の一態様は、外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供する。
本実施形態の一態様は、内部に中空部が形成されている基板を備えるＭＥＭＳ素子であって、前記中空部を覆い、かつ、前記中空部内の気圧と前記基板の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有する前記基板の可動部と、前記可動部の厚さ方向からみて、少なくとも一部が前記中空部と重畳して前記基板上に配置された第１のゲージ抵抗と、前記可動部の厚さ方向からみて、前記中空部と重畳せず、前記第１のゲージ抵抗の周囲の領域で前記基板上に配置されている第２のゲージ抵抗と、を備えるＭＥＭＳ素子と、前記第１のゲージ抵抗により検出された第１の電気信号と前記第２のゲージ抵抗により検出された第２の電気信号を用いて前記ＭＥＭＳ素子の検出情報を補正し、気圧の変化量を算出する電子部品と、を備える、ＭＥＭＳモジュールである。
本実施形態によれば、外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供することができる。
図１は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す要部斜視図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図４は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例を示す断面図である。 図５は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例の製造方法を示す断面図である（その１）。 図６は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例の製造方法を示す断面図である（その２）。 図７は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例の製造方法を示す断面図である（その３）。 図８は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例の製造方法を示す断面図である（その４）。 図９は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例の製造方法を示す断面図である（その５）。 図１０は、本実施形態におけるＭＥＭＳ素子の一例の製造方法を示す断面図である（その６）。 図１１は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示すレイアウト図である。 図１２は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す上面模式図である。 図１３は、本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールを示す等価回路図である。
次に、図面を参照して、本実施形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。本実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
具体的な本実施形態の一態様は、以下の通りである。
＜１＞ 内部に中空部が形成されている基板を備えるＭＥＭＳ素子であって、前記中空部を覆い、かつ、前記中空部内の気圧と前記基板の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有する前記基板の可動部と、前記可動部の厚さ方向からみて、少なくとも一部が前記中空部と重畳して前記基板上に配置された第１のゲージ抵抗と、前記可動部の厚さ方向からみて、前記中空部と重畳せず、前記第１のゲージ抵抗の周囲の領域で前記基板上に配置されている第２のゲージ抵抗と、を備えるＭＥＭＳ素子と、前記第１のゲージ抵抗により検出された第１の電気信号と前記第２のゲージ抵抗により検出された第２の電気信号を用いて前記ＭＥＭＳ素子の検出情報を補正し、気圧の変化量を算出する電子部品と、を備える、ＭＥＭＳモジュール。
＜２＞ 前記検出情報の補正は、前記第１のゲージ抵抗を含む回路で検知される電圧に関して前記第１のゲージ抵抗の抵抗値の変化により生じる電圧差から前記第２のゲージ抵抗を含む回路で検知される電圧に関して前記第２のゲージ抵抗の抵抗値の変化により生じる電圧差を減ずることにより行われる、＜１＞に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜３＞ 前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向からみて、前記基板の外縁部側に位置している領域を有する配線をさらに備え、前記配線を介して前記ＭＥＭＳ素子から前記電子部品に前記第１の電気信号および前記第２の電気信号が送信される、＜１＞又は＜２＞に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜１＞～＜３＞によれば、電子部品が、第１のゲージ抵抗により検出された第１の電気信号と第２のゲージ抵抗により検出された第２の電気信号を用いて、ＭＥＭＳ素子の検出情報を補正する。具体的には、電子部品は、第１のゲージ抵抗の抵抗値の変化により生じる電圧差から第２のゲージ抵抗の抵抗値の変化により生じる電圧差を減ずることにより、ＭＥＭＳ素子の検出情報を補正する。このため、外気圧の変化を精度よく導出することが可能なＭＥＭＳモジュールを提供することができる。
＜４＞ 前記電子部品は、前記基板に搭載されており、前記ＭＥＭＳ素子及び前記電子部品は互いに離隔している、＜１＞～＜３＞のいずれか一項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜４＞によれば、電子部品にかかる応力等の影響が直接的にＭＥＭＳ素子に及ぶことを抑制することができ、外気圧の変化をより精度よく導出することが可能となる。
＜５＞ 前記ＭＥＭＳ素子及び前記電子部品の間に配置している応力緩和材をさらに備える、＜１＞～＜４＞のいずれか一項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜５＞によれば、外部からの電子部品に加わる応力等の影響を応力緩和材により緩和でき、外部からの電子部品に加わる応力等によるＭＥＭＳ素子への影響を抑制することができる。これにより、外気圧の変化をより精度よく導出することが可能となる。
＜６＞ 前記第１のゲージ抵抗及び前記第２のゲージ抵抗は、互いに同一の構造である、＜１＞～＜５＞のいずれか一項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜６＞によれば、２つのゲージ抵抗（第１のゲージ抵抗及び第２のゲージ抵抗）自体の構造の差に起因する電気信号の差を補正する必要がなく、外気圧の変化をより精度よく導出することが可能となる。
＜７＞ 前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向からみて、前記第１のゲージ抵抗及び前記第２のゲージ抵抗は、互いに離隔している、＜１＞～＜６＞のいずれか一項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜７＞によれば、第１のゲージ抵抗は第２のゲージ抵抗と離隔しているため、互いのゲージ抵抗の影響が相互に及ぶことを抑制することができ、外気圧の変化をより精度よく導出することが可能となる。
＜８＞ 前記基板はシリコンからなる、＜１＞～＜７＞のいずれか一項に記載のＭＥＭＳモジュール。
＜８＞によれば、加工容易性に富んでいるシリコンを基板として用いることにより、ＭＥＭＳ素子を容易に形成することができる。
本実施形態に係るＭＥＭＳモジュールＡ１について説明する。
図１は、ＭＥＭＳモジュールＡ１を示す斜視図である。図２は、図１に示すＭＥＭＳモジュールＡ１の一部の構成（後述のカバー６及び接合材７等）の図示を省略した要部斜視図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、ＭＥＭＳモジュールＡ１におけるＭＥＭＳ素子３及びその周辺の一例を示す断面図である。ＭＥＭＳモジュールＡ１は、基板１、電子部品２、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂを含むＭＥＭＳ素子３、複数の配線４ａ～４ｃ、カバー６、及び接合材７、を備えている。本実施形態のＭＥＭＳモジュールＡ１は、気圧を検出するものであり、例えば、携帯端末などの各種電子機器の回路基板に表面実装される。例えば、携帯端末においては、ＭＥＭＳモジュールＡ１は大気圧を検出する。検出された大気圧は、例えば、高度を演算するための情報として用いられる。
また、本実施形態において、ＭＥＭＳモジュールＡ１の厚さ方向（平面視方向）をｚ方向（ｚ１－ｚ２方向）とし、ｚ方向に直交するＭＥＭＳモジュールＡ１の一方の辺に沿う方向をｘ方向（ｘ１－ｘ２方向）、ｚ方向及びｘ方向に直交する方向をｙ方向（ｙ１－ｙ２方向）とする。本実施形態において、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、例えば、ｘ方向寸法が２ｍｍ程度、ｙ方向寸法が２ｍｍ程度、ｚ方向寸法が０．８ｍｍ～１ｍｍ程度である。
基板１は、図２等に示すように、電子部品２を搭載し、ＭＥＭＳモジュールＡ１を各種電子機器の回路基板に実装するための部材である。図３に示すように、基板１は、基材１Ａ、配線部１Ｂ、及び絶縁層１Ｃを有する。なお、基板１の具体的な構成は、特に限定されず、電子部品２等を適切に支持できるものであればよく、例えば、プリント回路基板等が挙げられる。
基材１Ａは、絶縁体からなり、基板１の主要構成部材である。基材１Ａの材料としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、セラミックスなどが挙げられる。基材１Ａは、例えば、平面視において矩形状の板状であり、搭載面１ａ及び実装面１ｂを有する。搭載面１ａ及び実装面１ｂは、基板１の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。搭載面１ａは、ｚ１方向を向く面であり、電子部品２が搭載される面である。実装面１ｂは、ｚ２方向を向く面であり、ＭＥＭＳモジュールＡ１を各種電子機器の回路基板に実装する際に利用される面である。本実施形態において、基板１のｚ方向の寸法は１００～２００μｍ程度であり、ｘ方向寸法は２ｍｍ程度、ｙ方向寸法は２ｍｍ程度である。
配線部１Ｂは、電子部品２、及びＭＥＭＳ素子３とＭＥＭＳモジュールＡ１外の回路等とを導通させるための導通経路をなすものである。配線部１Ｂとしては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等の１種類または複数種類の金属からなり、例えば、メッキによって形成される。本実施形態においては、配線部１Ｂは、複数の電極パッド１１及び裏面パッド１９を有するが、これらは配線部１Ｂの具体的な構成の一例であり、その構成は特に限定されない。
複数の電極パッド１１は、基材１Ａの搭載面１ａに形成されており、互いに離隔した複数の独立領域である。電極パッド１１には、配線４ａの端部及び配線４ｂの端部がボンディングされる。
裏面パッド１９は、実装面１ｂに設けられており、電極パッド１１と基材１Ａの内部に形成された内部配線（図示略）を介して電気的に接続されている。裏面パッド１９は、ＭＥＭＳモジュールＡ１を回路基板等に実装する際に、回路基板の回路パターンと電極パッド１１とを電気的に接続するための電極として用いられるものである。
絶縁層１Ｃは、配線部１Ｂの適所を覆うことにより、当該部位を絶縁保護する。絶縁層１Ｃは、絶縁材料からなるものであり、例えば、レジスト樹脂によって形成される。絶縁層１Ｃは、例えば、平面視において矩形環状に形成されてもよい。
電子部品２は、センサが検出した電気信号を処理するものであり、いわゆるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）素子として構成されている。電子部品２は、例えば、温度センサを備えていてもよく、詳細は後述するが、当該温度センサが検出した電気信号、第１のゲージ抵抗３２０Ａが検出した電気信号、及び補正用の第２のゲージ抵抗３２０Ｂが検出した電気信号の処理を行う。
電子部品２は、基板上にＭＥＭＳ素子３などの各種素子を搭載してパッケージングしたものである。図３に示すように、電子部品２は、平面視において矩形板状であり、主面２ａ及び実装面２ｂを有する基板を備える。主面２ａ及び実装面２ｂは、電子部品２の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。本実施形態において、主面２ａはＭＥＭＳ素子３が搭載される搭載面であり、実装面２ｂは電子部品２を基板１に実装する際に利用される。電子部品２のｚ方向の寸法は、例えば、１００～３００μｍ程度であり、ｘ方向の寸法は、例えば、１～１．２ｍｍ程度であり、ｙ方向の寸法は、例えば、１～４．２ｍｍ程度である。
電子部品２は、基板１の搭載面１ａのｘ１方向寄りに搭載されている。電子部品２の主面２ａには、複数の電極パッド２１が設けられている。電極パッド２１は、基板１の電極パッド１１に導通接合している。電極パッド２１には、一端が電極パッド１１にボンディングされた配線４ｂの他端がボンディングされている。また、電極パッド２１は、ＭＥＭＳ素子３の電極パッド３４に導通接合している。電極パッド２１には、一端が電極パッド３４にボンディングされた配線４ｃの他端がボンディングされている。電極パッド２１は、例えば、Ａｌ又はアルミニウム合金などの金属からなり、例えば、スパッタリング又はメッキによって形成される。本実施形態では、スパッタリングによって形成されたＡｌ層を電極パッド２１とする。電極パッド２１は、主面２ａの配線パターンに接続している。また、配線４ｂの代わりにバンプによって電子部品２の電極と基板１の電極とが電気的に接続されていてもよい。なお、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に限定されない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極、配線、スイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。なお、電子部品２と基板１との接合方法は、特に限定されず、例えば、電子部品２は、シリコーン樹脂及びダイアタッチフィルムなどの応力緩和材を介して基板１と導通接合してもよい。
ＭＥＭＳ素子３は、気圧を検出するための気圧センサとして構成されている。ＭＥＭＳ素子３は、気圧を検出し、その検出情報を電気信号として電子部品２に出力する。具体的には、配線４ｃを介してＭＥＭＳ素子３から電子部品２に第１のゲージ抵抗３２０Ａにより検出された第１の電気信号および第２のゲージ抵抗３２０Ｂにより検出された第２の電気信号が送信される。図３に示すように、ＭＥＭＳ素子３は、主面３ａ及び実装面３ｂを有する基板３０を備える。主面３ａ及び実装面３ｂは、基板３０の厚さ方向（ｚ方向）において互いに反対側を向いている。主面３ａは、ｚ１方向を向く面である。実装面３ｂは、ｚ２方向を向く面であり、ＭＥＭＳ素子３を電子部品２に実装する際に利用される面である。本実施形態において、ＭＥＭＳ素子３のｚ方向の寸法は、例えば、２００～３００μｍ程度であり、ｘ方向の寸法は、例えば、１～１．２ｍｍ程度であり、ｙ方向の寸法は、例えば、１～１．２ｍｍ程度である。
ＭＥＭＳ素子３は、電子部品２の主面２ａ側に搭載されている。ＭＥＭＳ素子３と電子部品２とは、例えば、シリコーン樹脂及びダイアタッチフィルムなどの応力緩和材９によって接合されているがこれに限定されない。なお、ｚ方向において、電子部品２及びＭＥＭＳ素子３は互いに離隔している。ＭＥＭＳ素子３は電子部品２と離隔しているため、電子部品２にかかる応力等の影響が直接的にＭＥＭＳ素子３に及ぶことを抑制することができ、外気圧の変化をより精度よく導出することが可能となる。
基板３０は、半導体層を含み、半導体層としては、例えば、シリコン層等が挙げられる。基板３０は、例えば、シリコンのみからなってもよいし、酸化シリコン層などの酸化膜とシリコン層の積層膜からなってもよい。加工容易性の観点から、基板３０は、シリコンからなることが好ましい。
図４に示すように、基板３０の内部にはＭＥＭＳ素子３の中空部３６０が設けられている。また、中空部３６０周囲の領域、基板３０の一部分は、ＭＥＭＳ素子３の可動部３４０である。さらに、基板３０にはＭＥＭＳ素子３の固定部３７０設けられている。
可動部３４０は、ｚ方向において中空部３６０と重畳し、気圧を検出すべくｚ方向に可動する。本実施形態において、可動部３４０は、ｚ方向から見て矩形状である。可動部３４０の膜厚Ｔは、中空部３６０内の気圧と可動部３４０を挟んだ基板３０の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さであればよく、例えば、５～１５μｍである。
中空部３６０は、基板３０内に設けられた空洞であり、本実施形態においては、密閉されている。中空部３６０は、真空であってもよい。また、本実施形態においては、中空部３６０は、ｚ方向視において矩形状であるが、これに限られない。中空部３６０の深さ（ｚ方向寸法）は、例えば、５～１５μｍである。
固定部３７０は、可動部３４０を支持する部位であり、可動部３４０が動作する際に、基板１に対して固定された部位である。本実施形態において、基板３０のうち可動部３４０及び中空部３６０以外の部分を固定部３７０とする。
本実施形態において、可動部３４０及び固定部３７０は、互いの境界に接合部を有さない、同一、かつ、単一の半導体からなり、例えば、シリコンからなる。可動部３４０は、領域３３０に凹部を有している。凹部は、可動部３４０のうちｚ方向視において中空部３６０と重畳する領域に位置し、ｚ方向になだらかに凹んでいる。
凹部は、後述の製造方法で説明するように、熱処理によって溶融した基板の一部が溝部を塞ぐことによって形成される。溝部を塞いだだけでは、可動部３４０の膜厚Ｔが薄いため、当該膜厚Ｔを大きくするために基板３０上に層間膜３５０を設けてもよい。本実施形態では、層間膜３５０を設ける場合、層間膜３５０は可動部３４０の一部として機能する領域３３５を有する。よって、可動部３４０は、基板３０の領域３３０及び層間膜３５０の領域３３５を有する。また、ＭＥＭＳ素子３の主面３ａは、層間膜３５０のｚ１方向の面である。層間膜３５０は、例えば、基板３０と同様の材料を用いることができ、シリコンからなってもよい。層間膜３５０を設けると、層間膜３５０上に設けられる保護膜（図示せず）等が形成される面は平坦面であり、保護膜の被覆性が向上するため好ましい。本明細書等において、「平坦面」とは、平均面粗さが０．５μｍ以下の表面を含む。なお、平均面粗さは、例えば、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３やＩＳＯ ２５１７８に準拠して求めることができる。
ＭＥＭＳ素子３は、中空部３６０内の気圧と可動部３４０を挟んだ基板３０の外部の気圧との差で変形する可動部３４０の形状（歪み具合）に応じた電気信号を生成して、電子部品２に出力する。ＭＥＭＳ素子３は、図３に示すように、可動部３４０の変形に応じて抵抗値が変化する第１のゲージ抵抗３２０Ａが設けられている。
ＭＥＭＳ素子３の主面３ａには、複数の電極パッド３４が設けられている。電極パッド３４は、配線４ａを介して基板１の電極パッド１１に導通接合している（電気的に接続している）。電極パッド３４には、一端が電極パッド１１に接続する配線４ａの他端がボンディングされている。配線４ａを介して基板１からＭＥＭＳ素子３に電力が供給される。電極パッド３４は、例えば、Ａｌ又はアルミニウム合金などの金属からなり、例えば、スパッタリング又はメッキによって形成される。電極パッド３４は、電極パッド２１と同じの材料であっても異なる材料であってもよい。本実施形態では、スパッタリングによって形成されたＡｌ層を電極パッド３４とする。
応力緩和材９は、外部からの電子部品２に加わる応力等が可動部３４０に及ぼす影響を抑制する作用を有する。例えば、応力緩和材９の厚さ（ｚ方向の寸法）が３５μｍ以上であると、外部からの応力が可動部３４０に及ぼす影響を抑制することができる。また、応力緩和材９の厚さが大きくなるにつれて外部からの応力が小さくなり、８０μｍを超えると外部からの応力は限りなく小さくなる。よって、応力緩和材９の厚さ（ｚ方向の寸法）は、例えば、３５～８０μｍであると好ましく、４５～８０μｍであるとより好ましい。
第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、ｚ方向視において、中空部３６０と重畳せず、第１のゲージ抵抗３２０Ａの周囲の領域で基板３０上に配置されており、第１のゲージ抵抗３２０Ａの検出情報を補正するために設けられている。
第１のゲージ抵抗３２０Ａは、ｚ方向視において少なくとも一部が中空部３６０と重畳しており、外気圧を含む外部の検出情報を取得することができる。一方、第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、ｚ方向視において中空部３６０と重畳せず、第１のゲージ抵抗３２０Ａの周囲の領域で基板３０の一部分と重畳しているため、第１のゲージ抵抗３２０Ａから外気圧を除外した外部の検出情報を取得することができる。つまり、第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、第１のゲージ抵抗３２０Ａが検知した変化と比較して外気圧の変化のみが異なるように配置されており、例えば、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、互いに同一の構造であると中空部３６０と重畳しているか否かの違いのみであり、２つのゲージ抵抗自体の構造の差に起因する電気信号の差を補正する必要がないため好ましい。
また、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、ｙ方向において互いに離隔している。第１のゲージ抵抗３２０Ａは第２のゲージ抵抗３２０Ｂと離隔しているため、互いのゲージ抵抗の影響が相互に及ぶことを抑制することができ、外気圧の変化をより精度よく導出することが可能となる。なお、中空部３６０と重畳しているか否かの点を除いて第１のゲージ抵抗３２０Ａと第２のゲージ抵抗３２０Ｂとの検出環境を近づけることが好ましく、例えば、第１のゲージ抵抗３２０Ａと第２のゲージ抵抗３２０Ｂとの配置を互いのゲージ抵抗の影響が相互に及ばない範囲で近づけることが好ましい。
第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、それぞれの検出情報を電気信号として電子部品２に出力する。電子部品２は、温度センサが検出した電気信号、第１のゲージ抵抗３２０Ａが検出した電気信号、及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂが検出した電気信号をマルチプレクサで多重化して、アナログ／デジタル変換回路でデジタル信号に変換する。そして、信号処理部が、変換したデジタル信号に基づいて、記憶部の記憶領域を利用しながら、増幅、フィルタリング、論理演算などの処理を行う。信号処理後の信号は、電子部品２から、配線４ｂおよび基板１を介して、ＭＥＭＳモジュールＡ１の外部に出力される。このとき、電子部品２は、ＭＥＭＳ素子３の第１のゲージ抵抗３２０Ａが検知した検出情報と補正用の第２のゲージ抵抗３２０Ｂが検知した検出情報の差を基にＭＥＭＳ素子３が検出した検出情報を補正する。具体的には、第１のゲージ抵抗３２０Ａを含む回路で検知される電圧に関して第１のゲージ抵抗３２０Ａの抵抗値の変化により生じる第１の電圧差から第２のゲージ抵抗３２０Ｂを含む回路で検知される電圧に関して第２のゲージ抵抗３２０Ｂの抵抗値の変化により生じる第２の電圧差を減ずることによりＭＥＭＳ素子３が検出した検出情報を補正する。これにより、気圧を検出した信号を電子部品２によって適切な信号処理を行って補正し、算出した気圧の変化量の信号をＭＥＭＳ素子３に送信するＭＥＭＳモジュールＡ１を得ることができ、外気圧の変化を精度よく導出することができる。
配線４ａは、基板１の電極パッド１１を、ＭＥＭＳ素子３の電極パッド３４と導通させ、配線４ｂは、基板１の電極パッド１１を、電子部品２の電極パッド２１と導通させ、配線４ｃは、ＭＥＭＳ素子３の電極パッド３４を、電子部品２の電極パッド２１と導通させており、例えば、Ａｕ等の金属からなる。なお、配線４ａ～４ｃの素材は限定されず、例えばＡｌ、Ｃｕなどであってもよい。配線４ａ～４ｃは、適宜、電極パッド１１、電極パッド２１、及び電極パッド３４にボンディングされている。
カバー６は、金属製の箱形状の部材であり、電子部品２、ＭＥＭＳ素子３、及び配線４ａ～４ｃを囲うようにして、基板１の搭載面１ａに接合材７によって接合されている。図示された例においては、カバー６は、平面視において矩形状である。なお、カバー６は金属以外の素材であってもよい。また、カバー６の製造方法は特に限定されない。カバー６と基板１との間の空間は、中空又はシリコーン樹脂などの柔らかい樹脂で充填された状態になっている。
カバー６は、図１及び図３に示すように、開口部６１及び延出部６２を有する。開口部６１は、カバー６の内部に外気を取り入れるためのものである。開口部６１が設けられ、中空又は柔らかい樹脂で充填された状態になっていることで、第１のゲージ抵抗３２０Ａ、及び補正用の第２のゲージ抵抗３２０ＢはＭＥＭＳモジュールＡ１の周囲の気圧（例えば、大気圧）を検出することができる。また、開口部６１が設けられることにより、電子部品２の温度センサはＭＥＭＳモジュールＡ１の周囲の気温を検出することができる。本実施形態では、開口部６１は、ＭＥＭＳ素子３のｚ１方向側の位置に１つだけ配置されている。なお、開口部６１の数は、特に限定されない。延出部６２は、開口部６１の端縁から延出しており、平面視において開口部６１の少なくとも一部と重なる。延出部６２は、開口部６１の端縁から離れるほどｚ２方向に位置し、基板１に近づくように傾斜している。また、図示された構成においては、延出部６２の先端は、平面視において電子部品２及びＭＥＭＳ素子３を避けた位置に設けられている。また、延出部６２の根元は、ＭＥＭＳ素子３と重畳する位置に設けられている。なお、延出部６２は設けなくてもよい。
接合材７は、基板１とカバー６を接合するものであり、例えば、Ａｇ等の金属を含むペースト接合材からなる。本実施形態においては、接合材７は、平面視において矩形環状に設けられており、接合材７の一部は搭載面１ａに配置された絶縁層１Ｃと重なる領域に形成されている。
次に、ＭＥＭＳモジュールＡ１の製造方法について説明する。
まず、ＭＥＭＳモジュールＡ１におけるＭＥＭＳ素子３の製造方法について説明する。
図５に示すように、半導体層を備える基板３０を準備する。当該半導体層としては、例えば、シリコン層が挙げられる。基板３０の厚さは、例えば、７００～８００μｍ程度である。
次に、図６に示すように、基板３０に複数の溝部３１を形成する。溝部３１は、例えば、ボッシュ法等の深掘りエッチングにより形成することができる。なお、複数の溝部３１の寸法等の一例を挙げると、ｚ方向視において円形状である溝部３１の直径が０．２～０．８μｍ、隣り合う溝部３１のピッチ（中心間距離）が０．４～１．４μｍである。また、本実施形態において、複数の溝部３１のｚ方向視における寸法は、略同一である。
次に、図７に示すように、溝部３１の底面から溝部３１の深さ方向に垂直な方向に基板３０をエッチングして、複数の溝部３１をつなぐ中空部３６０を形成する（中空部形成工程）。中空部形成工程において、ｚ方向と直角である断面積が徐々に大きくなるように等方性エッチングを行う。これにより、溝部３１を形成する工程と中空部形成工程とを同一の処理によって連続して行うことが可能であり、効率よく中空部３６０を形成することができる。
次に、図８に示すように、基板３０に対して水素を含む雰囲気下で熱処理（例えば、１１００～１２００℃）を行い、熱処理によって溶融した基板３０の一部が溝部３１を塞ぐ。これにより、中空部３６０が密閉される。また、同時に基板３０の領域３３０が可動部３４０の一部となる（可動部形成工程）。本製造方法では、可動部３４０及び中空部３６０を形成するために、異なる複数の部材を接合する工程が不要である。これにより、接合箇所において密閉性が低下するおそれがないという利点がある。また、中空部３６０を形成するために、例えば、基板３０を貫通するような過大な溝部を設ける必要がないという利点がある。
可動部形成工程において、熱マイグレーションを用いて半導体層を部分的に移動させることにより複数の溝部３１を塞ぐ。このため、可動部３４０は、半導体層の材料のみからなる部位であり、同じく半導体層の材料からなる固定部３７０と、接合部を介することなく一体的に繋がった構成となる。これにより、中空部３６０の密閉性を高めることができる。
次に、図９に示すように、第１のゲージ抵抗３２０Ａを形成する。また、第１のゲージ抵抗３２０Ａと同一工程にて第２のゲージ抵抗３２０Ｂを形成する。第１のゲージ抵抗３２０Ａは、ｚ方向視において少なくとも一部が中空部３６０と重畳している。第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、ｚ方向視において中空部３６０と重畳せず、第１のゲージ抵抗３２０Ａの周囲の領域で基板３０の一部分と重畳している。
上述のように、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂ同一工程にて形成することにより、ＭＥＭＳモジュールＡ１の製造コストを削減することができる
また、可動部３４０は、領域３３０に凹部を有している。可動部３４０の膜厚Ｔを大きくするため、図１０に示すように、ｚ１方向を向く基板３０の主面（凹部）に層間膜３５０を形成する。層間膜３５０は可動部３４０の一部として機能する領域３３５を有する。よって、可動部３４０は、基板３０の領域３３０及び層間膜３５０の領域３３５を有する。層間膜３５０は、例えば、ＣＶＤ法により堆積したシリコン層を用いることができる。層間膜３５０により、層間膜３５０上に設けられる保護膜等が形成される面は平坦面となり、保護膜等の被覆性が向上する。
以上の工程により、ＭＥＭＳ素子３を製造することができる。
本実施形態では、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０ＢをＭＥＭＳ素子３に含めるように解釈して説明しているがこれに限られず、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０ＢがＭＥＭＳ素子３に含まれないと解釈されてもよい。
次に、図３に示すように、基板１に電子部品２を搭載し、電子部品２に基板３０を搭載する。基板３０には、第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び第２のゲージ抵抗３２０Ｂを含むＭＥＭＳ素子３が含まれている。さらに、基板１の電極パッド１１と、電子部品２の電極パッド２１又はＭＥＭＳ素子３の電極パッド３４と、を導通させる配線４ａ及び配線４ｂ、及び電子部品２の電極パッド２１とＭＥＭＳ素子３の電極パッド３４とを導通させる配線４ｃを形成し、最後にカバー６と基板１とを接合材７によって接合する。
以上の工程により、ＭＥＭＳモジュールＡ１を製造することができる。ＭＥＭＳモジュールＡ１は、第１のゲージ抵抗３２０Ａと、第１のゲージ抵抗３２０Ａが検知した変化と比較して外気圧の変化のみが異なるように配置されている第２のゲージ抵抗３２０Ｂと、を備える。ＭＥＭＳモジュールＡ１によれば、電子部品２に入力された、第１のゲージ抵抗３２０Ａが検知した変化量と第２のゲージ抵抗３２０Ｂが検知した変化量の差を基にＭＥＭＳ素子３が検出した気圧の変化を補正することができる。
＜ＭＥＭＳモジュールＡ１の動作例＞
以下に、ＭＥＭＳモジュールＡ１の動作の一例について説明する。なお、以下の動作例に限定されるものではない。
図１１は、上述のＭＥＭＳモジュールＡ１を示すレイアウト図である。図１２は、上述のＭＥＭＳモジュールＡ１の上面模式図である。図１３は、上述のＭＥＭＳモジュールＡ１の等価回路図である。以下の説明において、具体的に、ＭＥＭＳモジュールＡ１を用いて説明する。
ＭＥＭＳモジュールＡ１のＭＥＭＳ素子３は、例えば、基板３０に４つの第１のゲージ抵抗３２０Ａを備える。それぞれの第１のゲージ抵抗３２０Ａは、４つの抵抗素子３２０ａを直列接続して構成されている。第１のゲージ抵抗３２０Ａは、隣り合う第１のゲージ抵抗３２０Ａと電気的に接続しており、各第１のゲージ抵抗３２０Ａのそれぞれの抵抗素子３２０ａは、図１１に示すように同じ方向（例えば、ｘ方向）に延在するように配置されている。抵抗素子３２０ａは、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクとするイオン注入法により基板３０に不純物を注入して、形成される。また、第１のゲージ抵抗３２０Ａ同士が接続している４つの接続点があり、１つ目は、電源端子ＶＤＤに接続し、２つ目は、接地端子ＧＮＤに接続し、３つ目は、電子部品２の入力端子ＩＮＰ１に接続し、４つ目は、電子部品２の入力端子ＩＮＮ１に接続している。
第１のゲージ抵抗３２０Ａと同様に、ＭＥＭＳモジュールＡ１のＭＥＭＳ素子３は、例えば、基板３０に４つの第２のゲージ抵抗３２０Ｂを備える。それぞれの第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、４つの抵抗素子３２０ｂを直列接続して構成されている。第２のゲージ抵抗３２０Ｂは、隣り合う第２のゲージ抵抗３２０Ｂと電気的に接続しており、各第２のゲージ抵抗３２０Ｂのそれぞれの抵抗素子３２０ｂは、図１１に示すように同じ方向（例えば、ｘ方向）に延在するように配置されている。また、第２のゲージ抵抗３２０Ｂ同士が接続している４つの接続点があり、１つ目は、電源端子ＶＤＤに接続し、２つ目は、接地端子ＧＮＤに接続し、３つ目は、電子部品２の入力端子ＩＮＰ２に接続し、４つ目は、電子部品２の入力端子ＩＮＮ２に接続している。
電子部品２は、電源端子ＶＤＤ及び接地端子ＧＮＤと接続している。電子部品２には、ＭＥＭＳ素子３の第１のゲージ抵抗３２０Ａ及び補正用の第２のゲージ抵抗３２０Ｂの検出結果が入力端子（ＩＮＰ１、ＩＮＮ１、ＩＮＰ２、ＩＮＮ２）に入力される。入力端子ＩＮＰ１に入力される電圧をＶＩＮＰ１、入力端子ＩＮＮ１に入力される電圧をＶＩＮＮ１、入力端子ＩＮＰ２に入力される電圧をＶＩＮＰ２、及び入力端子ＩＮＮ２に入力される電圧をＶＩＮＮ２とする。
電子部品２は、ＭＥＭＳ素子３の第１のゲージ抵抗３２０Ａが検知した変化（ＶＩＮＰ１とＶＩＮＮ１との差）とＭＥＭＳ素子３の第２のゲージ抵抗３２０Ｂが検知した変化（ＶＩＮＰ２とＶＩＮＮ２との差）の差［（ＶＩＮＰ１－ＶＩＮＮ１）－（ＶＩＮＰ２－ＶＩＮＮ２）］を基にＭＥＭＳ素子３が検出した気圧の変化を補正することができる。したがって、ＭＥＭＳモジュールＡ１は、外気圧の変化を精度よく導出することができる。
本実施形態によれば、第１のゲージ抵抗３２０Ａと、第１のゲージ抵抗３２０Ａが検知した変化と比較して外気圧の変化のみが異なるように配置されている第２のゲージ抵抗３２０Ｂと、を備えるＭＥＭＳモジュールＡ１は、外気圧の変化を精度よく導出することができる。
（その他の実施形態）
上述のように、一実施形態について記載したが、開示の一部をなす論述及び図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。このように、本実施形態は、ここでは記載しない様々な実施形態等を含む。
１、３０ 基板
１ａ 搭載面
１ｂ、２ｂ、３ｂ 実装面
１Ａ 基材
１Ｂ 配線部
１Ｃ 絶縁層
２ 電子部品
２ａ、３ａ 主面
３ ＭＥＭＳ素子
４ａ、４ｂ、４ｃ 配線
６ カバー
７ 接合材
９ 応力緩和材
１１、２１、３４ 電極パッド
３１ 溝部
１９ 裏面パッド
６１ 開口部
６２ 延出部
３２０ａ、３２０ｂ 抵抗素子
３２０Ａ 第１のゲージ抵抗
３２０Ｂ 第２のゲージ抵抗
３３０、３３５ 領域
３４０ 可動部
３５０ 層間膜
３６０ 中空部
３７０ 固定部
Ａ１ ＭＥＭＳモジュール

Claims (8)

  1. 内部に中空部が形成されている基板を備えるＭＥＭＳ素子であって、前記中空部を覆い、かつ、前記中空部内の気圧と前記基板の外部の気圧との気圧差によって形状が変形可能な厚さを有する前記基板の可動部と、前記可動部の厚さ方向からみて、少なくとも一部が前記中空部と重畳して前記基板上に配置された第１のゲージ抵抗と、
    前記可動部の厚さ方向からみて、前記中空部と重畳せず、前記第１のゲージ抵抗の周囲の領域で前記基板上に配置されている第２のゲージ抵抗と、を備えるＭＥＭＳ素子と、
    前記第１のゲージ抵抗により検出された第１の電気信号と前記第２のゲージ抵抗により検出された第２の電気信号を用いて前記ＭＥＭＳ素子の検出情報を補正し、気圧の変化量を算出する電子部品と、を備える、ＭＥＭＳモジュール。
  2. 前記検出情報の補正は、前記第１のゲージ抵抗を含む回路で検知される電圧に関して前記第１のゲージ抵抗の抵抗値の変化により生じる電圧差から前記第２のゲージ抵抗を含む回路で検知される電圧に関して前記第２のゲージ抵抗の抵抗値の変化により生じる電圧差を減ずることにより行われる、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  3. 前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向からみて、前記基板の外縁部側に位置している領域を有する配線をさらに備え、
    前記配線を介して前記ＭＥＭＳ素子から前記電子部品に前記第１の電気信号および前記第２の電気信号が送信される、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  4. 前記電子部品は、前記基板に搭載されており、
    前記ＭＥＭＳ素子及び前記電子部品は互いに離隔している、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  5. 前記ＭＥＭＳ素子及び前記電子部品の間に配置している応力緩和材をさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  6. 前記第１のゲージ抵抗及び前記第２のゲージ抵抗は、互いに同一の構造である、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  7. 前記可動部の厚さ方向に対して垂直な方向からみて、前記第１のゲージ抵抗及び前記第２のゲージ抵抗は、互いに離隔している、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
  8. 前記基板はシリコンからなる、請求項１～７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳモジュール。
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