JP5381235B2 - Mems構造体、memsデバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
MEMS技術により形成されたMEMS構造体の一つとして、片持ち梁状や両持ち梁状の振動体と、この振動体に対向する検出電極とを備え、振動体と検出電極との間の静電容量の変化を検出するMEMS構造体が、角速度センサ、加速度センサなどの力学量センサのためのセンサ素子として用いられており、その構成は例えば特許文献1に示されている。
[従来の構成例]
図12により、従来のMEMS構造体及びその製造方法の構成例を示す。図12(a)は、振動体部1と検出電極部2とを接合する前の状態を示す側方断面図であり、図12(b)および図12(c)は、振動体部1と検出電極部2とを接合した後の状態を示す側方断面図(図12(c)のA−A断面図)および平面図である。
図12(a)に示されるように、振動体部1は、支持構造部11(例えば3200μm□)と可動部12(例えば梁長800μm、梁幅200μm、重錘サイズ800μm□)とを備えた構成となっている。そして、振動体部1は、支持構造部11より水平方向(図12(a)の紙面における右方向)に突出した梁12aの先端に、梁12aよりも幅の広い重錘部である振動体12bが形成されているとともに、梁12aと振動体12bとからなる可動部12と支持構造部11との間に空隙13(例えば深さ350μm)が形成され、振動体12bが支持構造部11に対して変位可能に支持されてなる片持ち梁状の構造をなしている。振動体12bは、可動電極として機能するものであり、梁12aおよび支持構造部11とともに、Si(シリコン)などの材料で形成されている。
図12(a)に示されるように、検出電極部2は、例えば電気絶縁材料からなる基板21(例えば2600μm□)に、検出電極22a(例えばサイズ600μm×550μm)、後段の電子回路と接続するための検出電極用接続パッド22c、検出電極22aと検出電極用接続パッド22cとの間を導通接続する検出電極用配線22b(例えば幅100μm)、および、可動電極用パッド23aを形成した構成となっている。
(ハ)従来の構成例における振動体部と検出電極部との接合:
振動体部1と検出電極部2とを、例えば陽極接合などにより接合して、図12(b)〜(c)に示されるMEMS構造体100を構成する。なお、上記の接合の後、例えばメタライズ処理などにより、可動電極用パッド23aと支持構造部11とが電気的に導通する構造とする。なお、陽極接合は、シリコンとガラスとを重ね合わせ、加熱して数百Vの直流電圧を印加し、Si-Oの共有結合をさせることで接合する技術であり、シリコンとガラスとが接合層を介さずに直接接合されるため、接合強度が強いという特長をもっている。
[MEMS構造体のセンサ素子への適用]
図12に示されるようにして作製されたMEMS構造体100は、振動体12b(可動電極)と検出電極22aとが間隔を空けて対向する構造であって、振動体12b(可動電極)と検出電極22aとの間の静電容量C1の変化を検出するセンサ素子として機能するものであり、この静電容量変化に基づいて検出される振動体の変位を通じて、加速度、角速度などの力学量を測定することができる。
(a)振動体(可動電極)の検出電極面に対する垂直方向(図12(c)の紙面における奥行き方向)の変位に伴う電極間距離の変化による静電容量C1の変化を検出するMEMS構造体では、検出電極面に対する平行方向(図12(c)の紙面における上下方向または左右方向)に沿って振動体と検出電極との位置ずれが生じている場合、位置ずれの無い場合に比べて電極対向面積が小さい分だけ静電容量C1の大きさが小さくなっているので、例えば静電容量検出回路周辺の浮遊容量の影響をより大きく受けることなどにより、静電容量C1を正確に検出することができなくなり、これにより、振動体の変位を正確に検出することができなくなる。
図13は、図12のMEMS構造体における位置ずれを示す説明図であって、振動体部と検出電極部との接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差が生じた場合における接合後のMEMS構造体を示すものである。図13の(a)および(b)は、振動体部1と検出電極部2とを接合した後の状態を示す側方断面図(図13(b)のA−A断面図)および平面図であって、それぞれ、図12の(b)および(c)に対応している。図13(b)において、支持構造部11に対する基板21の相対位置、すなわち振動体部1に対する検出電極部2の相対位置が、2点鎖線で示される基準位置に対して紙面の左方向および下方向にそれぞれL1aおよびL1bだけずれている。検出電極部2の作製工程において基板21上に検出電極22aを形成する際の位置誤差がない場合には、振動体12b(可動電極)に対する検出電極22aの相対位置も、上記と同じずれ量L1aおよびL1bだけずれている。
このため、本発明は、上記の問題点を解決し、振動部と検出電極との位置ずれを抑えることで静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度をより高くすることのできるMEMS構造体、MEMSデバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記請求項1の発明によれば、検出電極部の作製工程において基板上に検出電極を形成する際の位置誤差、および、振動体部と検出電極部との接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差の両方への対策として、振動体部と検出電極部とが接合された状態での振動体と検出電極との位置ずれに対応させて、1つ以上の小電極を例えば後段に接続されるスイッチ回路などによって選択することにより、検出電極部の作製時や振動体部と検出電極部との接合時に生じる電極位置ずれに合わせて、静電容量変化の検出に適合した位置にある小電極を検出電極として用いることができ、これにより、静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度をより高くすることができるようになる。
上記請求項2の発明によれば、検出電極部の作製工程において基板上に検出電極を形成する際の位置誤差、および、振動体部と検出電極部との接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差の両方への更なる対策として、振動体部と検出電極部との接合時に、検出電極部における各小電極の位置を反振動体部側の外部から透明な基板を介して例えば光学顕微鏡などの光学的手段によって確認しながら位置合わせを行うことができるので、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれを小さく抑えることができる。これにより、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれが大きくなり過ぎて、検出電極を構成する全ての小電極の位置が静電容量変化の検出には適合しない位置となるような不具合を防止することができる。したがって、静電容量変化の検出に適合した位置にある1つ以上の小電極を選択して静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度を高くすることが確実にできるようになる。
上記請求項3の発明によれば、振動体部と検出電極部との接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差への更なる対策として、振動体部と検出電極部との接合時に、上記嵌合部が嵌合するようにして位置合わせすることにより、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれを小さく抑えることができる。これにより、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれが大きくなり過ぎて、検出電極を構成する全ての小電極の位置が静電容量変化の検出には適合しない位置となるような不具合を防止することができる。したがって、静電容量変化の検出に適合した位置にある1つ以上の小電極を選択して静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度を高くすることが確実にできるようになる。
また、上記請求項3に記載のMEMS構造体においては、前記嵌合部として、振動体部における検出電極部との対向面に振動体部側の凸部(または凹部)を形成するとともに、検出電極部における振動体部との対向面に前記振動体部側の凸部(または凹部)と嵌合する検出電極部側の凹部(または凸部)を形成した構成としてもよい(請求項5の発明)。
また、本発明によれば、請求項1ないし5のいずれか1項に記載のMEMS構造体を用いたMEMSデバイスを、前記各小電極が接続されたスイッチ回路を設けていることにより、振動体部と検出電極部とが接合された状態での振動体と検出電極との位置ずれに対応させて、1つ以上の小電極を前記スイッチ回路によって選択することができるようにされている構成とする(請求項6の発明)。
さらに、本発明によれば、MEMSデバイスの製造方法を、支持構造部と前記支持構造部に対して変位可能に支持された振動体とからなる振動体部と、基板と前記基板上に形成された検出電極とからなる検出電極部とを備えるとともに、振動体と検出電極とが間隔を空けて対向するようにして前記振動体部と前記検出電極部とが接合され、振動体と検出電極との間の静電容量の変化を検出するように構成されたMEMS構造体を用いたMEMSデバイスの製造方法において、前記検出電極を互いに分離された複数の小電極から構成するとともに、前記各小電極が接続されたスイッチ回路を設けておき、振動体部と検出電極部とが接合された状態での振動体と検出電極との位置ずれに対応させて、1つ以上の小電極を前記スイッチ回路によって選択するようにした構成とする(請求項7の発明)。
そして、請求項7に記載のMEMSデバイスの製造方法においては、前記基板を透明な板状部材で構成しておき、振動体部と検出電極部との接合時に、検出電極部における各小電極の位置を反振動体部側の外部から光学的に確認するようにする構成とするよい(請求項8の発明)。
上記請求項9の発明によれば、振動体部と検出電極部との接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差への更なる対策として、振動体部と検出電極部との接合時に、上記嵌合部が嵌合するようにして位置合わせすることにより、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれを小さく抑えることができる。これにより、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれが大きくなり過ぎて、検出電極を構成する全ての小電極の位置が静電容量変化の検出には適合しない位置となるような不具合を防止することができる。したがって、静電容量変化の検出に適合した位置にある1つ以上の小電極を選択して静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度を高くすることが確実にできるようになる。
また、請求項9に記載のMEMSデバイスの製造方法においては、前記嵌合部として、振動体部における検出電極部との対向面に振動体部側の凸部(または凹部)を形成するとともに、検出電極部における振動体部との対向面に前記振動体部側の凸部(または凹部)と嵌合する検出電極部側の凹部(または凸部)を形成しておき、振動体部と検出電極部との接合時に、振動体部側の凸部(または凹部)と、検出電極部側の凹部(または凸部)とが嵌合するようにして位置合わせする構成としてもよい(請求項11の発明)。
[本発明の実施形態]
図1〜図5により、本発明の実施例1によるMEMS構造体、MEMSデバイス及びその製造方法の構成を示す。図1は、本発明の実施例1によるMEMS構造体100Aの製造方法の概略工程図であり、図1(b)〜(c)には振動体部1Aと検出電極部2Aとが接合されてなるMEMS構造体100Aの構造が示されている。また、図2は振動体部1Aの構造図であり、図3は検出電極部2Aの構造図である。また、図4は図12のMEMS構造体100Aにおける位置ずれを示す説明図である。さらに、図5は図1のMEMS構造体100Aを用いたMEMSデバイスの回路構成例を示す回路図である。図1〜図5において、図12に示す従来の構成例と機能の同じ要素は、同一の符号を付して示し、従来の構成例(図12)と異なっている部分のみを説明する。
図2(a)および図2(b)は、それぞれ、振動体部1Aの側方断面図(図2(b)のA−A断面図)および平面図である。図2に示されるように、振動体部1Aは、図12で述べた振動体部1と同様に、支持構造部11(例えば3200μm□)と可動部12(例えば梁長800μm、梁幅200μm、重錘サイズ800μm□)とを備えた構成となっている。
そして、振動体部1Aは、支持構造部11より水平方向(図2(a)の紙面における右方向)に突出した梁12aの先端に、梁12aよりも幅の広い重錘部である振動体12bが形成されているとともに、梁12aと振動体12bとからなる可動部12と支持構造部11との間に空隙13(例えば深さ350μm)が形成され、振動体12bが支持構造部11に対して変位可能に支持されてなる片持ち梁状の構造をなしている。振動体12bは、可動電極として機能するものであり、梁12aおよび支持構造部11とともに、Si(シリコン)などの材料で形成されている。
なお、振動体部1Aの作製には、例えば、上部Si層と下部Si層とをSiO2からなる絶縁層で挟み込んだSOI(Silicon on Insulator)ウェハを用いることができる。SOIウェハとしては、下部Si層の厚さが200〜525μm、絶縁層の厚さが0.2〜1.0μm、上部Si層の厚さが2〜30μmのものが一例として挙げられる。このSOIウェハを用いて、フォトリソグラフィなどにより、振動体12と支持構造部11との間の空隙13、および凹部14などを形成して、振動体部1Aを作製する。
図3(a)および図3(b)は、それぞれ、検出電極部2Aの側方断面図(図3(b)のA−A断面図)および平面図である。図3に示されるように、検出電極部2Aは、例えば電気絶縁材料からなる基板21(例えば2600μm□)に、検出電極、後段の電子回路と接続するための検出電極用接続パッド、検出電極と検出電極用接続パッドとの間を導通接続する検出電極用配線、および、可動電極用パッドを形成した構成であって、図12に示される従来の検出電極部2と基本的な構成は同様であるが、次の点で異なっている。
すなわち、この実施例1による検出電極部2Aでは、図3(b)のように、検出電極を複数の小電極22a1〜22an(例えばサイズ250μm×225μm)(nは2以上の整数であって、図3(b)ではn=5)で構成するとともに、検出電極用配線として、各小電極22a1〜22anにそれぞれ接続された複数の小電極用配線22b1〜22bn(例えば幅100μm)を形成しておく。また、検出電極用接続パッドとして、小電極用配線22b1〜22bnの各端部にはそれぞれ小電極用接続パッド22c1〜22cnを設け、図示されない後段のスイッチ回路に接続可能としておく。
なお、検出電極部2Aにおける小電極22a1〜22an、小電極用配線22b1〜22bn、小電極用接続パッド22c1〜22cnおよび可動電極用パッド23aは、例えば、ガラス板からなる基板21上に銅などの金属膜を蒸着,スパッタなどの方法で薄膜状に成膜し、この金属膜表面に、所望の小電極、小電極用配線、小電極用接続パッドおよび可動電極用パッドの形状となるようにレジストパターニングを行った後、ドライエッチングやウェットエッチングにより金属膜のうちの不要な部分を除去して、小電極22a1〜22an、小電極用配線22b1〜22bn、小電極用接続パッド22c1〜22cnおよび可動電極用パッド23aの金属膜部分だけを残すことにより形成することができる。
また、検出電極部2Aにおける基板21として、ガラス板の代わりにSi基板を用いてもよい。基板21としてSi基板を用いる場合には、基板21上に例えばSiO2などの絶縁層を形成した上で、この絶縁層上に小電極22a1〜22an、小電極用配線22b1〜22bnおよび小電極用接続パッド22c1〜22cnを形成することにより検出電極部2Aを作製することができる。
なお、本発明における小電極の個数nは、図3(b)に示される5個に限定されるものでない。
図1(a)は、振動体部1Aと検出電極部2Aとを接合する前の状態を示す側方断面図であり、図1(b)および図1(c)は、振動体部1Aと検出電極部2Aとを接合した後の状態を示す側方断面図(図1(c)のA−A断面図)および平面図である。図1に示されるように、振動体部1Aと検出電極部2Aとを、例えば陽極接合などにより接合して、図1(b)〜(c)に示されるMEMS構造体を構成する。
なお、上記の接合の後、検出電極部2Aにおける貫通孔23bの内周面および支持構造部11の上面部領域23dをメタライズ処理して、可動電極用パッド23aと支持構造部11とが電気的に導通する構造とする。なお、図1(a)には、上述のように、接合前の検出電極部2Aにおける貫通孔23bの内周面に、可動電極用パッド23aに接続された金属層23cが既に形成されている構成を示しているが、貫通孔23bの内周面の金属層23cは、接合の後におけるメタライズ処理によって初めて形成される構成としてもよい。
振動体部1Aと検出電極部2Aとの接合時に生じる振動体12bと検出電極(複数の小電極22a1〜22an)との位置ずれの量に合わせて上記複数の小電極22a1〜22anの内の1つ以上の小電極を検出電極として選択して利用する。小電極の選択にはスイッチ回路を用いる。すなわち、各小電極22a1〜22anを後段の電子回路部におけるスイッチ回路に接続し、スイッチ回路のON・OFFによって利用する小電極を1つ以上選択する。
複数の小電極22a1〜22anを用意しておくことで、振動体部1Aと検出電極部2Aとが接合された状態での振動体12bと検出電極(複数の小電極22a1〜22an)との位置ずれの態様によって、静電容量変化の検出に適合した位置にある1つ以上の小電極を検出電極として選択することができ、これにより、静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度をより高くすることができるようになる。
(a)検出電極部2Aの作製工程において基板21上に形成される検出電極の位置ずれに対応した位置補正を行なうことができる。
(b)振動体部1Aと検出電極部2Aとの接合工程において位置合わせ(アライメント)する際に生じる位置ずれに対応した位置補正を行なうことができる。
なお、小電極の選択方式としては、例えば、静電容量変化の検出に適合した位置にある1つ以上の小電極として、振動体12bの中心位置に最も近い1つの小電極を選択するようにしてもよく、振動体12bの中心位置に近い2つ以上の小電極を選択するようにしてもよい。
また、検出電極として用いる小電極を選択する前に,いずれの小電極が振動体12bの中心位置に近いかを判定する方法としては、例えば、後段の電子回路部におけるスイッチ回路による切り替え操作によって各小電極22a1〜22anと振動体12bとの間の各静電容量Ca1〜Canをそれぞれ個別に測定し、より大きな静電容量値が測定された小電極を、振動体12bの中心位置により近い小電極であると判定する方法を適用することもできる。なお、上記の静電容量測定は、例えば後述の図5に示されるような、後段の電子回路部におけるスイッチ回路に接続された静電容量測定回路で行うことができる。
図4は、図1のMEMS構造体100Aにおける位置ずれの例を示す説明図であって、振動体部と検出電極部との接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差が生じた場合における接合後のMEMS構造体を示すものである。
図4の(a)および(b)は、振動体部1と検出電極部2とを接合した後の状態を示す側方断面図(図4(b)のA−A断面図)および平面図であって、それぞれ、図1の(b)および(c)に対応している。図4(b)において、支持構造部11に対する基板21の相対位置、すなわち振動体部1Aに対する検出電極部2Aの相対位置が、2点鎖線で示される基準位置に対して紙面の左方向および下方向にそれぞれL1aおよびL1bだけずれている。検出電極部2Aの作製工程において基板21上に検出電極(複数の小電極22a1〜22an)を形成する際の位置誤差がない場合には、振動体12b(可動電極)に対する検出電極(複数の小電極22a1〜22an)の相対位置も、上記と同じずれ量L1aおよびL1bだけずれている。
(ヘ)スイッチ回路の構成例:
上述のMEMS構造体100Aを用いてMEMSデバイスを構成する場合、例えば図5に示されるようなスイッチ回路を含む電子回路部200を後段に設ける。
また、演算増幅器233の非反転入力端子には交流信号発生器234が接続されているとともに、演算増幅器233の反転入力端子と出力端子との間には帰還抵抗235(Rf)が接続されている。
このような接続状態において、演算増幅器233には帰還抵抗235を介した負帰還がかかっているとともに演算増幅器233の開ループ利得が極めて大きいことから、演算増幅器233の入力側はイマジナリー・ショートの状態であって、反転入力端子・非反転入力端子間の電位差がほぼ零となっている。
従って、演算増幅器233の出力電圧Voを測定することにより、振動体12bと(検出電極として選択されている)小電極22a4との間の静電容量を検出することができる。
ここで、図5の構成において、検出電極として選択されている小電極22a4から演算増幅器233の入力側までの小電極用配線22b4などの導体ラインと、検出電極として選択されていない小電極22a1〜22a3,22a5から演算増幅器233の入力側までの小電極用配線22b1〜22b3,22b5などの導体ラインとの間には浮遊容量が形成されており、導体ラインのレイアウトによっては、上記の導体ライン間の浮遊容量が、振動体12bと(検出電極として選択されている)小電極22a4との間の静電容量に対して無視できない大きさとなる可能性が有る。
なお、図5では、5個の小電極(22a1〜22a5)及び対応する5個のスイッチ(SW1〜SW5)を備えた回路構成例が示されているが、小電極の個数及び対応するスイッチの個数は5個に限定されるものでない。
また、本発明によるMEMSデバイスにおける電子回路部の構成は、図5の回路構成に限定されるものではなく、複数の小電極22a1〜22anから1つ以上の小電極を検出電極として選択することができるとともに上記のような導体ライン間などの浮遊容量の影響を抑える対策が図られた構成であればよい。
(イ)実施例2における振動体部の構成:
実施例2における振動体部1Bは、実施例1における振動体部1A(図2)と同様な構成のものを用いることができる。
(ロ)実施例2における検出電極部の構成:
実施例2における検出電極部2Bは、実施例1における検出電極部2A(図3)と同様な構造のものを用いることができるが、特に、基板21として透明なガラス板を用いている点に特徴がある。これにより、実施例2では、振動体部1Bと検出電極部2Bとを接合する際に、検出電極部2Bにおける小電極22a1〜22anの位置を透明な基板21を介して光学的手段によって確認することができる。
(ハ)実施例2における振動体部と検出電極部との接合:
図6(a)は、振動体部1Bと検出電極部2Bとを接合する前の状態を示す側方断面図であり、図6(b)および図6(c)は、振動体部1Bと検出電極部2Bとを接合した後の状態を示す側方断面図(図6(c)のA−A断面図)および平面図である。図6に示されるように、振動体部1Bと検出電極部2Bとを、例えば陽極接合などにより接合して、図6(b)〜(c)に示されるMEMS構造体100Bを構成する。
そして、実施例2では、上記のように、検出電極部4Bにおける基板21として透明なガラス板を用いているので、振動体部1Bと検出電極部2Bとを接合する際に、検出電極部2Bにおける小電極22a1〜22anの振動体部1Bに対する相対的な位置を透明な基板21を介して例えば光学顕微鏡などの光学的手段により確認しながら、例えば次のような基準に基づいて位置合わせを行なうことができる。
(b)小電極22a1〜22anのうち、極力多数の小電極の位置が、振動体12bに対向する領域内に入るように位置合わせする。
なお、図6は、検出電極部2Bの作製工程において基板上11に検出電極(小電極22a1〜22an)を形成する際の位置誤差に対応するため、透明な基板21を介して光学的手段により確認しながら、小電極22a1〜22anのうち中央部の小電極である小電極22a3の位置が振動体12bの中心位置に最も近くなるように位置合わせした場合の接合状態を示している。このような基板上における検出電極形成位置の誤差に対応するための位置合わせを行う場合、支持構造部11に対する基板21の相対位置は基準位置(図6(c)の2点鎖線)に対して(例えば図6(c)では紙面の左方向および下方向にそれぞれL2aおよびL2bだけ)ずれることになるが、振動体12bと検出電極との位置関係はより適正なものとなる。
したがって、位置合わせ(アライメント)する際の電極位置ずれ対策として、この実施例2の構成を用いることで、実施例1よりも更に正確に静電容量変化を検出することが可能となる。
(イ)実施例3における振動体部の構成:
図8(a)および図8(b)は、それぞれ、振動体部1Cの側方断面図(図8(b)のA−A断面図)および平面図である。
実施例3における振動体部1C(図8)は、実施例1における振動体部1A(図2)に対して、振動体部1Cにおける検出電極部2Cとの対向面に、検出電極部2Cの外周形状に嵌合する内周形状を持つ凹部15を形成しておく点に特徴があり、それ以外の点では、振動体部1A(図2)と同様である。
(ロ)実施例3における検出電極部の構成:
実施例3における検出電極部2Cとしては、図3に示される実施例1の検出電極部2Aと同様な構成のものを用いることができる。
(ハ)実施例3における振動体部と検出電極部との接合
図7(a)は、振動体部1Cと検出電極部2Cとを接合する前の状態を示す側方断面図であり、図7(b)および図7(c)は、振動体部1Cと検出電極部2Cとを接合した後の状態を示す側方断面図(図7(c)のA−A断面図)および平面図である。図7に示されるように、振動体部1Cと検出電極部2Cとを、例えば陽極接合などにより接合して、図7(b)〜(c)に示されるMEMS構造体100Cを構成する。
(イ)実施例4における振動体部の構成:
図10(a)および図10(b)は、それぞれ、振動体部1Dの側方断面図(図10(b)のA−A断面図)および平面図である。
(ロ)実施例4における検出電極部の構成:
図11(a)および図11(b)は、それぞれ、検出電極部2Dの側方断面図(図11(b)のA−A断面図)および平面図である。
実施例4における検出電極部2D(図11)は、実施例1における検出電極部2A(図3)に対して、振動体部1Dの凹部16と対応する位置に、凹部16の内周形状に嵌合する外周形状を持つ凸部26を成膜等により形成しておく点に特徴があり、それ以外の点では、検出電極部2A(図3)と同様である。
図9(a)は、振動体部1Dと検出電極部2Dとを接合する前の状態を示す側方断面図であり、図9(b)および図9(c)は、振動体部1Dと検出電極部2Dとを接合した後の状態を示す側方断面図(図9(c)のA−A断面図)および平面図である。図9に示されるように、振動体部1Dと検出電極部2Dとを、例えば陽極接合などにより接合して、図9(b)〜(c)に示されるMEMS構造体100Dを構成する。
そして、実施例4では、振動体部1Dと検出電極部2Dとの接合工程において両者を位置合わせ(アライメント)する際の位置誤差への対策として、ボンダーにて振動体部1Dと検出電極部2Dとを陽極接合などにより接合する前に、図9に示されるように、振動体部1D側の凹部16と検出電極部2D側の凸部26とが嵌合するようにして位置合わせすることにより、接合工程における位置合わせ(アライメント)の際に生じる振動体12bと検出電極(複数の小電極22a1〜22an)との位置ずれを抑えることができる。
実施例4における位置合わせ用の凸部26及び凹部16のそれぞれの平面形状は、図9〜図11に示されるように矩形であってもよく、その他の形状であってもよい。
凸部26及び凹部16のそれぞれの個数は、図9〜図11に示される2個に限定されるものではなく、それ以上の個数であってもよく、凸部26と凹部16とが嵌合した状態で振動体部1Dと検出電極部2Dとの接合面上での相対的位置関係が確実に規定されるものであればよい。そして、凸部26及び凹部16のそれぞれの平面形状が、円形以外の形状、例えば図9〜図11に示される矩形である場合には、凸部26及び凹部16のそれぞれの個数が1個であっても、凸部26と凹部16とが嵌合した状態で振動体部1Dと検出電極部2Dとの接合面上での相対的位置関係が規定されるので、適用可能である。
実施例4では、上述のように、振動体部1Dにおける検出電極部2Dとの対向面に振動体部側の凹部16を形成するとともに、検出電極部2Dにおける振動体部1Dとの対向面に振動体部側の凹部16と嵌合する検出電極部側の凸部26を形成しておき、振動体部1Dと検出電極部2Dとの接合時に、振動体部側の凹部16と検出電極部側の凸部26とが嵌合するようにして位置合わせする構成としている。本発明においては、上記構成に代えて、振動体部側と検出電極部側とで凹部と凸部とを逆にした構成、すなわち、振動体部における検出電極部との対向面に振動体部側の凸部を形成するとともに、検出電極部における振動体部との対向面に前記振動体部側の凸部と嵌合する検出電極部側の凹部を形成しておき、振動体部と検出電極部との接合時に、振動体部側の凹部と検出電極部側の凸部とが嵌合するようにして位置合わせする構成としてもよい。
[MEMS構造体の適用例]
本発明によるMEMS構造体は、振動体(可動電極)と検出電極とが間隔を空けて対向する構造であって、振動体(可動電極)と検出電極との間の静電容量C1の変化を検出するセンサ素子として機能するものであり、この静電容量変化に基づいて検出される振動体の変位を通じて、加速度、角速度などの力学量を測定することができる。
例えば図1(b)〜(c)に示される構成のMEMS構造体100Aをセンサ素子として用いるとともに、振動体12b(可動電極)と検出電極(複数の小電極22a1〜22anから選択された小電極)との間の静電容量C1を検出する容量検出回路を後段の電子回路として設けることにより、MEMSデバイスである加速度センサを構成することができる。
この加速度センサでは、垂直方向(図1(b)の紙面における上下方向)の加速度を受けて、振動体12b(可動電極)が垂直方向(図1(b)の紙面における上下方向)に変位し、この変位に伴う振動体12b(可動電極)と検出電極との電極間距離の変化による静電容量C1の変化を容量検出回路で検出して、この静電容量変化に基づいて検出される振動体12bの変位を通じて、垂直方向の加速度を測定するようにすることができる。
(ロ)角速度センサへの適用
また、例えば図1(b)〜(c)に示される構成のMEMS構造体100Aをセンサ素子として用い、振動体12b(可動電極)と検出電極(複数の小電極22a1〜22anから選択された小電極)との間の静電容量C1を検出する容量検出回路を後段の電子回路として設けるとともに、振動体12bあるいは梁12aの側面と間隔を空けて対向する電極面を備えた、図示されない一対の駆動電極を振動体12bあるいは梁12aの両側(図1(c)の紙面における上側及び下側)に配置することにより、MEMSデバイスである角速度センサを構成することができる。
(ハ)そして、本発明のMEMS構造体は、上述のように、振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれを小さく抑えることができ、これにより、静電容量変化に基づく振動体の変位の検出精度をより高くすることができるので、このような本発明のMEMS構造体を例えば加速度センサ、角速度センサなどの力学量センサのセンサ素子として用いることにより、力学量センサの測定精度をより向上させることができるようになる。
11・・・支持構造部、12・・・可動部、12a・・・梁、12b・・・振動体、13・・・空隙、14・・・凹部、15・・・凹部、16・・・凹部
2,2A,2B,2C,2D・・・検出電極部
21・・・基板、22a・・・検出電極、22a1〜22a5・・・小電極、22b・・・検出電極用配線、22b1〜22b5・・・小電極用配線、22c・・・検出電極用接続パッド、22c1〜22c5・・・小電極用接続パッド、23a・・・可動電極用接続パッド、26・・・凸部
L1a,L1b,L2a,L2b・・・位置ずれ量
100,100A,100B,100C,100D・・・MEMS構造体
200・・・電子回路部
231・・・スイッチ回路、232・・・スイッチ制御回路、233・・・演算増幅器、234・・・交流信号発生器、235・・・帰還抵抗、SW1〜SW5・・・スイッチ
Claims (11)
- 支持構造部と前記支持構造部に対して変位可能に支持された振動体とからなる振動体部と、
基板と前記基板上に形成された検出電極部を備えるとともに、
振動体と検出電極とが間隔を空けて対向するようにして前記振動体部と前記検出電極部とが接合され、振動体と検出電極との間の静電容量の変化を検出するように構成されたMEMS構造体において、
前記検出電極が互いに分離された複数の小電極から構成され、
振動体部と検出電極部とが接合された状態での、各小電極と振動体との間の各静電容量を個別に測定する手段と、
より大きな静電容量が測定された1つ以上の小電極を振動体の中心位置により近い小電極として判定する手段と、
この1つ以上の小電極を前記検出を行う検出電極として選択する手段と、を備えた
ことを特徴とするMEMS構造体。 - 前記基板が透明な板状部材で構成されていることにより、
振動体部と検出電極部との接合時に、各小電極の振動体に対する相対的位置を反振動体部側の外部から光学的に確認することができるようにされている
ことを特徴とする請求項1に記載のMEMS構造体。 - 振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれを抑えるための嵌合部を設けた
ことを特徴とする請求項1に記載のMEMS構造体。 - 前記嵌合部として、振動体部における検出電極部との対向面に、検出電極部の外周形状に嵌合する内周形状を持つ振動体部側の凹部を形成した
ことを特徴とする請求項3に記載のMEMS構造体。 - 前記嵌合部として、振動体部における検出電極部との対向面に振動体部側の凸部(または凹部)を形成するとともに、検出電極部における振動体部との対向面に前記振動体部側の凸部(または凹部)と嵌合する検出電極部側の凹部(または凸部)を形成した
ことを特徴とする請求項3に記載のMEMS構造体。 - 請求項1ないし5のいずれか1項に記載のMEMS構造体を用いたMEMSデバイスであって、
前記各小電極が接続されたスイッチ回路を設けていることにより、
振動体部と検出電極部とが接合された状態での振動体と検出電極との位置ずれに対応させて、1つ以上の小電極を前記スイッチ回路によって選択することができるようにされている
ことを特徴とするMEMSデバイス。 - 支持構造部と前記支持構造部に対し変位可能に支持された振動体とからなる振動体部と、
基板と前記基板上に形成された検出電極とからなる検出電極部を備えるとともに、
振動体と検出電極とが間隔を空けて対向するようにして前記振動体部と前記検出電極部とが接合され、振動体と検出電極との間の静電容量の変化を検出するように構成されたMEMSデバイスの製造方法において、
前記検出電極を互いに分離された複数の小電極から構成するとともに、前記各小電極が接続されたスイッチ回路を設けておき、
振動体部と検出電極部とが接合された状態での、振動体と各小電極との静電容量を個別に測定し、
より大きな静電容量が測定された1つ以上の小電極を、振動体の中心位置により近い小電極と判定し、
この1つ以上の小電極を前記スイッチ回路によって選択し、前記検出を行う
ことを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。
- 前記基板を透明な板状部材で構成しておき、
振動体部と検出電極部との接合時に、各小電極の振動体に対する相対的位置を反振動体部側の外部から光学的に確認するようにした
ことを特徴とする請求項7に記載のMEMSデバイスの製造方法。 - 振動体部と検出電極部との接合時に生じる振動体と検出電極との位置ずれを抑えるための嵌合部を設けておき、
振動体部と検出電極部との接合時に、前記嵌合部が嵌合するようにして位置合わせする
ことを特徴とする請求項7に記載のMEMSデバイスの製造方法。 - 前記嵌合部として、振動体部における検出電極部との対向面に、検出電極部の外周形状に嵌合する内周形状を持つ振動体部側の凹部を形成しておき、
振動体部と検出電極部との接合時に、検出電極部と、振動体部側の凹部とが嵌合するようにして位置合わせする
ことを特徴とする請求項9に記載のMEMSデバイスの製造方法。 - 前記嵌合部として、振動体部における検出電極部との対向面に振動体部側の凸部(または凹部)を形成するとともに、検出電極部における振動体部との対向面に前記振動体部側の凸部(または凹部)と嵌合する検出電極部側の凹部(または凸部)を形成しておき、
振動体部と検出電極部との接合時に、振動体部側の凸部(または凹部)と、検出電極部側の凹部(または凸部)とが嵌合するようにして位置合わせする
ことを特徴とする請求項9に記載のMEMSデバイスの製造方法。
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