JP2024101367A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】バンプストップと可動電極との間の固着を防止し、測定精度の良好なＭＥＭＳセンサを提供する。【解決手段】基板と、基板の表面上に設けられ、固定端と自由端とを備え、固定端側から自由端側に向かって長手方向に延びる可動部を含むカンチレバー構造体と、内側に蓋部凹部が設けられた蓋部と、蓋部凹部に固定端で固定された可撓性のあるスプリング部と、スプリング部に固定された本体部とを含むバンプストップとを含み、基板の表面と蓋部凹部が対向するように基板の上に蓋部を配置することにより、可動部と交差してこれを跨ぐようにバンプストップが配置され、可動部が動くことで、可動部とバンプストップが当接部で当接するＭＥＭＳセンサは、可動部の長手方向において、スプリング部の固定端に対してバンプストップの当接部が、可動部の固定端側に向かってオフセットされる。【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭデバイスに関し、特に鉛直の可動部の動作に対するバンプストップを備えたＭＥＭＳデバイスに関する。

ＭＥＭＳ構造を用いた加速度センサでは、基板に設けた固定電極とプルーフマスに設けた可動電極とが対向配置された容量素子からなる検出部を形成する。加速度が加わった場合に、固定電極に対して可動電極が相対的に移動し、このときの容量素子の容量変化を測定することで加速度の大きさや方向を検出する。過大な加速度が加速度センサに加わり、可動電極が動きすぎると可動電極の破損等の原因となるため、バンプストップを設けて、可動電極の移動を制限し、破損等を防止している（例えば、特許文献１参照）。

特表２００９－５００６３５号公報

可動電極にバンプストップが接触した時の衝撃を緩和するために、可撓性のあるバンプストップが用いられるが、この場合、バンプストップと可動電極との接触時にバンプストップが変形し、バンプストップと可動電極とが例えば面接触することで接触面積が大きくなる。この結果、バンプストップと可動電極とがファンデワールス力によって固着し、測定ができなくなったり測定精度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、可撓性のあるバンプストップを使用した場合であっても、バンプストップと可動電極との間の固着を防止し、測定精度の良好なＭＥＭＳセンサの提供を目的とする。

本発明の一つの態様は、
基板と、
基板の表面上に設けられ、固定端と自由端とを備え、固定端側から自由端側に向かって長手方向に延びる可動部を含むカンチレバー構造体と、
内側に蓋部凹部が設けられた蓋部と、
蓋部凹部に固定端で固定された可撓性のあるスプリング部と、スプリング部に固定された本体部とを含むバンプストップと、を含み、
基板の表面と蓋部凹部が対向するように基板の上に蓋部を配置することにより、可動部と交差してこれを跨ぐようにバンプストップが配置され、可動部が動くことで、可動部とバンプストップが当接部で当接するＭＥＭＳセンサであって、
可動部の長手方向において、スプリング部の固定端に対してバンプストップの当接部が、可動部の固定端側に向かってオフセットされたＭＥＭＳセンサである。

本発明のＭＥＭＳセンサでは、バンプストップにより可動部の動作を制限し破損等を防止できる。また、バンプストップがスプリング部と、スプリング部からオフセットで配置された本体部を含むことにより、本体部と可動部との固着を防止できると共に、両者を効率よく離すことができる。

本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサのレイアウト図である。 図１のＭＥＭＳセンサのＺ軸センサの拡大平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ方向の断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶ方向の断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶ方向の断面におけるバンプストップと構造体の配置の概略図である。 図２のＩＶ－ＩＶ方向の断面におけるバンプストップと構造体の配置の概略図である。 比較例にかかるバンプストップと構造体の配置の概略図である。 比較例にかかるバンプストップと構造体の配置の概略図である。 本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサのレイアウト図である。 図９のＸ－Ｘ方向の断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサのレイアウト図であり、ここではＭＥＭＳセンサの一例としてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸加速度センサについて説明する。

ＭＥＭＳセンサ１００は、例えばシリコンからなる基板１０と、基板１０の内部に設けられた凹部２０を含む。凹部２０内には、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサがそれぞれ設けられている。各軸センサは、固定電極と可動電極とが対向配置された容量素子を備える。加速度が加わった場合に、固定電極に対して可動電極が相対的に移動し、このときの容量素子の容量変化を測定することで加速度の大きさや方向が検出できる。バンプストップ５０は、蓋部６０に設けられた凹部の側面に両端が固定されている。なお、図１では、内部が参照できるように、蓋部６０の上面は図示していない。

図２は、図１のＭＥＭＳセンサ１００のＺ軸センサのＡ部分の拡大平面図である。Ｚ軸センサでは、凹部２０に直接固定された固定電極４４と、スプリング（図示せず）を介して固定された可動電極４２が対向配置されて容量素子４０を形成している。

図１に示すように、Ｚ軸センサは、Ｙ軸方向の中心軸Ｃを挟んで左右に対称配置された２組のセンサからなる。容量素子４０では、固定電極４４と可動電極４２とがＺ軸方向にオフセットとなるように配置されている。中心軸Ｃを挟んで左右の容量素子４０は、Ｚ軸方向のオフセット方向が異なるように形成されている。これによりＺ軸方向に加速度を受けた場合、２組のセンサの内、一方のセンサでは容量が増加する方向に変化し、他方のセンサでは容量が減少する方向に変化する。これにより、加速度の大きさと加わった方向が検出できる。

Ｚ軸センサの可動電極４２は、中心軸Ｃより左側のＺ軸センサでは左端が凹部２０の底面に固定されたカンチレバー構造で、一方、中心軸Ｃより右側のＺ軸センサでは右端が凹部２０の底面に固定されたカンチレバー構造となっている。このためＺ軸方向に加速度が加わった場合、左右の端部を支点として中心軸Ｃ側がＺ軸方向に移動する。

Ｚ軸センサでは、特に鉛直方向（Ｚ軸の正方向）に可動電極４２が移動した場合に、蓋部６０と接触して破損しやすいため、可動電極４２の上方向の移動を制限するように、可動電極４２を跨いで交差するようにバンプストップ５０が設けられている。

なお、Ｘ軸センサおよびＹ軸センサには、基板に固定された固定電極と、プルーフマスに固定された可動電極が対向配置され、加速度が加わることによりプルーフマスと可動電極が移動し、固定電極と可動電極との距離が変化する。このときの電極間の容量変化を測定することにより加速度が検出される。Ｘ軸センサやＹ軸センサでは、過大な加速度が印加した場合の固定電極と可動電極との接触を防止するために、ＸＹ平面内にバンプストップが設けられ、可動電極の移動を制限している。

上述のように、ＭＥＭＳセンサ１００では、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサは、基板１０の凹部２０内に設けられ、その上を、同じく内部に凹部７０が設けられた蓋部６０で覆うことにより、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサがＭＥＭＳセンサ１００内に封止される。

図１、２に示すように、バンプストップ５０は、可撓性のあるスプリング部５１と、２つのスプリング部５１に挟まれた本体部５３からなる。２つのスプリング部５１は、蓋部６０に設けられた凹部７０の側面にそれぞれ固定され、その間で本体部５３を中空に保持する。

図１から分かるように、スプリング部５１は、凹部７０の側面からＹ軸方向に突出するように設けられ、２つのスプリング部５１は対向するように配置される（Ｘ座標、Ｚ座標が同じ）。

本体部５３は、基板１０の底面と平行で（ＸＹ平面内にある）、かつ中央部分が外方に向かって凸状に湾曲する構造となっている。図１において、２つのバンプストップ５０は、中心軸Ｃを含むＹＺ平面に対して対称な配置となり、外方、すなわち中心軸Ｃと反対方向（カンチレバー構造の固定端側）に湾曲している。

図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ方向の断面図、図４は、図２のＩＶ－ＩＶ方向の断面図である。図３、４中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図３に示すように、バンプストップ５０のスプリング部５１は、ＸＺ断面が矩形の板状体からなるが、この形状の限定されるものではない。なお、図３ではスプリング部５１の両側にも同様の形状の板状体が設けられているが、これらは本体部５３を形成するために設けられたもので、スプリング部５１としては機能しない。

図４に示すように、バンプストップ５０の本体部５３は、ＸＺ断面が矩形の、湾曲したロッドからなる。本体部５３の底面は水平面（ＸＹ平面）に平行になっている。バンプストップ５０は、例えばシリコンからなる蓋部６０の内側をエッチングして、凹部７０と共に形成される。

本体部５３には、複数の孔部５２が設けられている。これらの孔部５２は、蓋部６０の内側をエッチングして中空構造の本体部５３を作製するリリース工程で、エッチャントが通るための経路であり、バンプストップ５０の機能に影響するものではない。孔部５２は他の形状であっても構わないし、孔部５２が無い場合もありうる。

図２に詳細に示すように、Ｚ軸センサでは、周囲に設けられた構造体４５に、複数の可動電極４２が固定され、加速度が加わった場合に、構造体４５と可動電極４２が一体としてＺ軸方向に動く。この場合、構造体４５は外方（図２では左側）で凹部２０の底面に固定されているため、左側を支点として右側がＺ軸方向に移動する。

図５、６は、図２のＩＶ－ＩＶ方向の断面におけるバンプストップ５０と構造体４５の配置の概略図である。Ｏは、断面が矩形のスプリング部５１の回転中心を表し、ｌは、ＩＶ－ＩＶ方向の断面における、回転中心Ｏから本体部５３（後述の当接部）までのオフセット距離である。

図５は、加速度が加わっていない場合で、バンプストップ５０の本体部５３の底面と構造体４５の上面とはほぼ平行に配置されている。

図６は下向き（Ｚ軸の負方向）に加速度が加わった場合で、可動電極が設けられた構造体４５は、左側を支点（固定端）として右側（自由端）が上方向に移動して傾斜する。加速度が大きい場合は、構造体４５の傾斜が大きくなり構造体４５とバンプストップ５０の本体部５３とが接触し、構造体４５の過剰な変位による破損等を防止できる。

バンプストップ５０の本体部５３と構造体４５とが当接した場合、バンプストップ５０のスプリング部５１は回転中心Ｏを中心にねじれて、構造体４５が本体部５３を上方（Ｚ軸正方向）に押し上げる。この場合、構造体４５と本体部５３との当接部は、図６に示すように線または点となり、構造体４５の上面と本体部５３の底面が面接触することを防止できる。この結果、構造体４５と本体部５３とがファンデワールス力によって固着し、正確な測定ができなくなるという不具合を防止できる。

また、構造体４５が本体部５３を押し上げるほど、可撓性のあるスプリング部５１にねじれエネルギーが蓄積され、Ｚ軸センサに加わる加速度が小さくなった場合に、本体部５３から離れる方向に構造体４５を押し戻し、構造体４５と本体部５３とを効率良く離すことができる。

図７、８は、比較例にかかるバンプストップ５０と構造体４５の配置の概略図であり、図２のＩＶ－ＩＶ方向の断面に相当する。比較例の配置では、回転中心Ｏに対して本体部５３が右側にあり、回転中心Ｏに対する本体部５３のオフセットの位置関係が、図５、６とは逆になっている。

図７は、加速度が加わっていない場合で、図８は下向き（Ｚ軸の負方向）に加速度が加わった場合を示す。加速度が加わることにより、図６と同様に、構造体４５は右方向が上方向に移動して傾斜する。加速度が大きい場合は、構造体４５がバンプストップ５０の本体部５３を押し上げるが、回転中心Ｏで可撓性のあるスプリング部５１がねじれた結果、構造体４５の上面と本体部５３の底面とが面接触した状態となる。

このため、構造体４５と本体部５３とがファンデワールス力によって固着してしまい、正確な測定ができなくなるという不具合が発生しうる。

このように、本発明の実施の形態１にかかるＭＥＭＳセンサ１００では、Ｚ軸方向のバンプストップ５０が、可撓性のあるスプリング部５１と本体部５３とを有し、本体部５３を湾曲形状とすることで、本体部５３と構造体４５との当接部Ｐと回転中心Ｏとの間にオフセット距離ｌを設けている。これにより、構造体４５と本体部５３とが面接触することによる固着を防止することができる。また、スプリング部５１にねじれエネルギーを蓄積することにより、本体部５３から離れる方向に構造体４５を押し戻し、構造体４５と本体部５３との固着を防止できる。

ここでは、本体部５３が湾曲したバンプストップ５０について説明したが、Ｚ軸センサの可動部と本体部５３との当接部Ｐが、回転中心Ｏに対して上述のようなオフセットを有する構造であれば、他の形状であっても良く、例えば、実施の形態２のような形状であっても良い。

また、ここでは構造体４５が本体部５３と当接する場合について説明したが、可動電極４２と本体部５３と当接する場合についても同様の作用効果を有する。

＜実施の形態２＞
図９は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかるＭＥＭＳセンサのレイアウト図であり、内部が参照できるように、蓋部１６０の上面は図示していない。また、図１０は、図９のＸ－Ｘ方向の断面図である。ここでは、ＭＥＭＳセンサ２００の一例としてＺ軸方向の加速度センサについて説明する。

ＭＥＭＳセンサ２００は、センサ１９０が設けられた素子部１８０と、バンプストップ１５０が設けられた蓋部１６０からなる。素子部１８０は、例えばシリコンからなる基板１１０と、基板１１０の表面に形成された、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜１２０を含む。絶縁膜１２０の上には支柱部１７０が設けられ、支柱部１７０により可動電極１４０が中空に保持されている。可動電極１４０は、支柱部１７０を挟んで左右の面積が異なっている。可動電極１４０は、支柱部１７０を支点（固定端）として、左右の端部（自由端）が上方または下方に移動することにより傾斜する。

図９、１０に示すように、可動電極１４０の上を横切るように、２つのバンプストップ１５０が設けられる。それぞれのバンプストップ１５０は、可撓性のあるスプリング部１５１と、可動電極１４０の上にＹ軸方向に延在する直線状の本体部１５３と、スプリング部１５１と本体部１５３とを接続する接続部１５５とを含む。スプリング部１５１は、蓋部１６０に設けられた凹部の側面にそれぞれ固定され、その間で本体部１５３と接続部１５５を中空に保持する。蓋部１６０と素子部１８０とを接着する（図示せず）ことで、バンプストップ１５０が可動電極１４０の上を横切るように配置される。

図９から分かるように、スプリング部１５１は、蓋部１６０の側面からＹ軸方向に突出するように設けられ、２つのスプリング部１５１は対向するように配置される（Ｘ座標、Ｚ座標が同じ）。

本体部１５３は、好ましくはＸＺ断面が矩形のロッド状であるが、これに限定されるものではない。本体部１５３の底面は、可動電極１４０の表面とほぼ平行となる。接続部１５５は、例えば本体部１５３およびスプリング部１５１に対して直交するように接続され、スプリング部１５１に本体部１５３を固定する。

図１０に示すように、支柱部１７０の両側の基板１１０上には固定電極１３０がそれぞれ設けられており、可動電極１４０と固定電極１３０とで容量素子を形成している。上述のように、支柱部１７０の両側で、可動電極１４０の面積が異なるため、Ｚ軸方向の加速度が加わった場合の、２つの容量素子の容量変化をそれぞれ検出することにより、加速度の大きさおよび方向の検出が可能となる。

例えばＭＥＭＳセンサ２００に下向き（Ｚ軸の負方向）の加速度が加わると、支柱部１７０を支点として面積が大きい（従って重量が大きな）右側の可動電極１４０が上方（Ｚ軸の正方向）に移動し、相対的に面積が小さい（従って重量が小さな）左側の可動電極１４０が下方（Ｚ軸の負方向）に移動する。加速度が大きくて可動電極１４０の変位が大きい場合は、可動電極１４０はバンプストップ１５０の本体部１５３に当接し、可動電極１４０の過剰な変位による損傷等を防止できる。

バンプストップ１５０の本体部１５３と可動電極１４０とが当接した場合、バンプストップ１５０のスプリング部１５１がねじれて、可動電極１４０が本体部１５３を上方に押し上げる。この場合、可動電極１４０と本体部１５３との当接部は、図９に示すようなＹ軸方向に延びる線Ｑとなり、可動電極１４０の上面と本体部１５３の底面が面接触することを防止できる。この結果、可動電極１４０と本体部１５３とがファンデワールス力によって固着し、正確な測定ができなくなるという不具合を防止できる。

また、可動電極１４０が本体部１５３を押し上げるほど、可撓性のあるスプリング部１５１にねじれエネルギーが蓄積され、加速度が小さくなった場合に、スプリング部１５１から離れる方向に本体部１５３を押し戻し、可動電極１４０と本体部１５３とを効率よく離すことができる。

＜付記＞
本開示は、
基板と、
基板の表面上に設けられ、固定端と自由端とを備え、固定端側から自由端側に向かって長手方向に延びる可動部を含むカンチレバー構造体と、
内側に蓋部凹部が設けられた蓋部と、
蓋部凹部に固定端で固定された可撓性のあるスプリング部と、スプリング部に固定された本体部とを含むバンプストップと、を含み、
基板の表面と蓋部凹部が対向するように基板の上に蓋部を配置することにより、可動部と交差してこれを跨ぐようにバンプストップが配置され、可動部が動くことで、可動部とバンプストップが当接部で当接するＭＥＭＳセンサであって、
可動部の長手方向において、スプリング部の固定端に対してバンプストップの当接部が、可動部の固定端側に向かってオフセットされたＭＥＭＳセンサである。
バンプストップにより可動部の動作を制限し破損等を防止すると共に、バンプストップと可動部との固着を防止し、正確な測定を可能とする。

本開示では、スプリング部は、蓋部凹部の側面の対向する位置からそれぞれ突出した１組のスプリング部であり、本体部は、スプリング部に両端部が接続され、両端部の間で可動部の固定端側に向かって湾曲した本体部である。
バンプストップと可動部との付着を防止し、両者を効率よく離すことができる。

本開示では、スプリング部は、蓋部凹部の側面の対向する位置からそれぞれ突出した１組のスプリング部であり、本体部は、スプリング部と平行な第１本体部と、第１本体部とスプリング部とをそれぞれ接続する第２本体部である。
同様に、バンプストップと可動部との付着を防止し、両者を効率よく離すことができる。

本開示では、可動部とバンプストップが当接した場合に、バンプストップのスプリング部が拗れて、バンプストップの本体部が押し上げられる。
バンプストップと可動部とが面接触せず付着が防止できると共に、スプリングの拗れを用いてバンプストップと可動部とを効率よく離すことができる。

本開示では、当接部は、点または線である。
バンプストップと可動部とが面接触することによる、ファンデワールス力による両者の固着を防止できる。

本開示では、可動部の長手方向において、スプリング部の固定端に対するバンプストップの当接部の位置と、カンチレバー構造体の固定端に対する自由端の位置とは、逆方向である。
かかる構成により、バンプストップと可動部とが面接触することを防止できる。

本構成では、可動部は、基板の表面に対して法線方向（Ｚ軸方向）の加速度を測定する加速度センサの可動電極である。
加速度センサのＺ軸方向の加速度の検出に適用可能である。

本発明は、加速度センサや圧力センサ等のＭＥＭＳセンサ、プリンタヘッド、デジタルミラーデバイス等のＭＥＭＳデバイスに適用できる。

１０ 基板
２０ 凹部
４０ 容量素子
４２ 可動電極
４４ 固定電極
４５ 構造体
５０ バンプストップ
５１ スプリング部
５２ 孔部
５３ 本体部
６０ 蓋部
７０ 凹部
１００ ＭＥＭＳセンサ

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板の表面上に設けられ、固定端と自由端とを備え、固定端側から自由端側に向かって長手方向に延びる可動部を含むカンチレバー構造体と、
   内側に蓋部凹部が設けられた蓋部と、
   前記蓋部凹部に固定端で固定された可撓性のあるスプリング部と、前記スプリング部に固定された本体部とを含むバンプストップと、を含み、
   前記基板の表面と前記蓋部凹部が対向するように前記基板の上に前記蓋部を配置することにより、前記可動部と交差してこれを跨ぐように前記バンプストップが配置され、前記可動部が動くことで、前記可動部と前記バンプストップが当接部で当接するＭＥＭＳセンサであって、
   前記可動部の長手方向において、前記スプリング部の固定端に対して前記バンプストップの当接部が、前記可動部の固定端側に向かってオフセットされたＭＥＭＳセンサ。
2. 前記スプリング部は、前記蓋部凹部の側面の対向する位置からそれぞれ突出した１組のスプリング部であり、前記本体部は、前記スプリング部に両端部が接続され、両端部の間で前記可動部の固定端側に向かって湾曲した本体部である請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記スプリング部は、前記蓋部凹部の側面の対向する位置からそれぞれ突出した１組のスプリング部であり、前記本体部は、前記スプリング部と平行な第１本体部と、前記第１本体部と前記スプリング部とをそれぞれ接続する第２本体部である請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記可動部と前記バンプストップが当接した場合に、前記バンプストップのスプリング部が拗れて、前記バンプストップの本体部が押し上げられる請求項１～３のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 前記当接部は、点または線である請求項１～３のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。
6. 前記可動部の長手方向において、前記スプリング部の固定端に対する前記バンプストップの当接部の位置と、前記カンチレバー構造体の固定端に対する自由端の位置とは、逆方向である請求項１～３のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。
7. 前記可動部は、前記基板の表面に対して法線方向の加速度を測定する加速度センサの可動電極である請求項１～３のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサ。

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