JP5965457B2 - Ｍｅｍｓデバイスのねじり懸垂のための取付けシステム - Google Patents

Description

特定の物理現象（たとえば加速度）に対して高度に敏感であるように意図された超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、別の物理現象（たとえば温度）に対しても高度に敏感である場合がある。一例として誘導ひずみは、ＭＥＭＳデバイスを備えたコンポーネント間の熱膨張率（ＣＴＥ）の差によって生じる熱ひずみの形態を取ることがある。追加または別法として、ひずみは、パッケージングプロセスまたはアセンブリプロセスの間に誘導される残留応力の形態を取ることもあれば、複数のコンポーネントのうちの１つまたは複数の環境駆動型ひずみ状態変化（たとえば湿度、振動、印加される負荷、等々の変化）の形態を取ることもある。これらのひずみは、その起源に無関係に、ＭＥＭＳデバイスの性能に影響を及ぼすバイアス誤差、換算係数誤差または軸整列誤差などの望ましくない誤差を誘導することがある。

ＭＥＭＳデバイスのための既存の構成の１つは、シーソースキームを使用して、プルーフマスをねじりヒンジを介して１つまたは複数の感知素子に取り付けることである。シーソースキームは、互いに有限の距離を隔てて配置された複数のアンカーポイントを利用している。図１を参照すると、ＭＥＭＳデバイスのための従来の取付けシステム１０は、間隔を隔てた複数の取付けアンカー１４を使用して感知素子（図示せず）に結合されたプルーフマス１２を備えており、取付けアンカー１４の各々は、プルーフマス１２の中心１８から距離「ｄ１」を隔てて配置された独自の中心１６を有している。一例として、図では距離「ｄ１」は、中心１８および左下の取付けアンカー１４に対する距離として示されている。プルーフマス１２は、ねじりヒンジとして動作し、場合によってはたわみヒンジとして動作するネックダウン領域２０を備えている。

上記の構成の場合、ひずみは、場合によっては、以下、個々の取付けアンカー１４の分離距離として参照される距離「ｄ１」に正比例している。アセンブリ中、動作中および場合によっては他の時間に、ＭＥＭＳデバイス中に誘導される熱タイプまたは他のタイプのひずみのために複数の取付けアンカー１４が非対称配置になることがある。たとえば、すべてではないが取付けアンカー１４のうちの１つがひずみによってわずかに変位することがある。この非対称変位は、場合によっては取付けアンカー１４をプルーフマス１２に取り付ける結合材料中のひずみによって生じる。また、この非対称変位によって生じるこのような非対称結合変化は、場合によってはねじりヒンジ２０部分に出現し、そのために、わずかとはいえプルーフマス１２の望ましくない回転変位の原因になり、かつ／または能動ＭＥＭＳ感知素子の誤った静的運動または動的運動の原因になることがある。

本発明は、一般に、ＭＥＭＳデバイスのための取付けシステムに関しており、詳細には、中央に配置された、ＭＥＭＳセンサをプルーフマスに結合するように構成された単一の（たとえば１個または一片の）取付け部材に関している。本発明の目的は、ＭＥＭＳデバイスの様々なコンポーネントのひずみ状態の変化、詳細にはプルーフマス、１つまたは複数の個々のアンカーポイント、およびプルーフマスと１つまたは複数のアンカー部材との間の界面として使用される結合材料のひずみ状態の変化に対する感度を最小にする方法で能動ＭＥＭＳ感知素子を支持することである。取付けシステムは、プルーフマス中に配置された分離切欠き部分を備えることができ、それにより、所望の量のひずみ分離、所望のシステム周波数、所望のシステム剛性または他のコンポーネント特性あるいはシステム特性を有利に達成することができる。

本発明の一態様では、ＭＥＭＳデバイスのねじりおよびたわみ懸垂を提供するための取付けシステムは、プルーフマスと、プルーフマス中に選択的に配置された複数の分離切欠き部分と、センサ基板に結合された第１の表面およびプルーフマスに結合された第２の表面を有するアンカー取付け部材とを備えており、アンカー取付け部材は、プルーフマスの中心線に対して中央に配置されている。

本発明の他の態様では、ＭＥＭＳデバイスのねじりおよびたわみ懸垂を提供するための取付けシステムは、プルーフマスと、プルーフマス中に選択的に配置された複数の分離切欠き部分と、センサ基板に結合された第１の部分およびプルーフマスに結合された第２の部分を有する一片のアンカー取付け部材とを備えている。

本発明のさらに他の態様では、ＭＥＭＳデバイスは、センサ素子と、プルーフマスと、プルーフマス中に選択的に配置された複数の分離切欠き部分と、センサ素子に結合された第１の表面およびプルーフマスに結合された第２の表面を有するアンカー取付け部材とを備えており、アンカー取付け部材は、プルーフマスの中心線に対して中央に配置されている。

以下、本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。

従来技術による、プルーフマスを能動ＭＥＭＳ感知素子に取り付けるためのＭＥＭＳデバイスに利用される取付けシステムの平面図である。 本発明の一実施形態による、プルーフマスを能動ＭＥＭＳ感知素子に取り付けるためのＭＥＭＳデバイスに利用される取付けシステムの平面図である。 図２の取付けシステムの等角図である。

図２および３は、例示の実施形態による単一の（たとえば１個または一片の）取付けアンカー１０４を使用して固定された基板（図示せず）に結合されたプルーフマス（すなわち感知素子）１０２を有するＭＥＭＳデバイスのための取付けシステム１００を示したものである。多数の第１の分離切欠き部分１０６をその上に対称に配置することができ、それによりプルーフマス１０２に対する所望の量の剛性を達成することができ、詳細には、ねじりヒンジとたわみヒンジの両方の動作をさせることができる、取付けアンカー１０４から互いに逆方向に展開している一対のヒンジ１０８に対する所望の量の剛性を達成することができる。一実施形態では、一対の第２の分離切欠き部分１１０を取付けアンカー１０４に隣接して配置することができる。

例示の実施形態では、単一の取付けアンカー１０４は、中心１１４を取り囲んでいる連続する周囲または周辺１１２を備えている。距離「ｄ２」は、中心１１４から周辺１１２の最も遠い部分までの距離として定義されている。単一の取付けアンカー１０４は、正方形、長方形、円形、楕円形またはいくつかの他のタイプのプロファイルなどの様々な領域プロファイルを有することができる。したがって、たとえば周辺１１２が円形である場合、距離「ｄ２」は同じ距離になる。いずれの場合においても、距離「ｄ２」すなわち分離距離は、図１に示されている、背景技術の節で既に説明した従来の取付けと比較すると著しく短くなっている。さらに、単一の取付けアンカー１０４は、プルーフマス１０２の上に中心線に対して中央に配置されており、したがって有利にはアンカーマウント変化を明確に示すことができ、あるいはこのアンカーマウント変化をこれらのヒンジ１０８対の間ではるかに均一に分散させることができる。

一例として、この取付けアンカー１０４の位置および構造によれば、アンカー結合部分または周辺１１２部分における非対称のひずみまたは位置ずれによってヒンジ１０８が不均一にたわむ可能性、あるいはヒンジ１０８の剛性が不均一になる可能性を小さくすることができる。たとえば、個々のヒンジ１０８の剛性が互いにもう一方のヒンジ１０８に対して変化するため、ヒンジ１０８を介して伝達される負荷の量も場合によっては同じく変化し、したがってプルーフマスの運動特性が非理想的な運動特性になる。これは、同じくこの取付けアンカー１０４の位置および構造に基づいて小さくすることができ、あるいは防止することができる非対称負荷経路と呼ぶことができる。

分離切欠き部分１０６、１１０は、アンカー１０４部分またはその近傍におけるひずみの能力、つまりたわみ１０８延いてはプルーフマス１０２に回転またはたわみを付与する能力を制限するためにヒンジ１０８の近傍に対称に配置することができる。分離切欠き部分１０６、１１０は、基板とプルーフマス１０２の間の所望の量のひずみ分離を提供するべく、様々なパターンを使用してスケール化し、かつ、最適化することができる。分離切欠き部分１０６、１１０は、プルーフマスの厚さを完全に貫いて展開させることができ、あるいはプルーフマスの厚さの一部分のみを貫いて展開させることができる。

一実施形態では、取付けアンカー１０４は、反応性イオン・エッチング・プロセスを使用して、エピタキシャルケイ素元素（たとえばプルーフマス１０２）中に超微小機械加工し、次に、単一の取付けアンカー１０４に適用される陽極接合技法を使用してガラス基板（図示せず）に取り付けることができる。ケイ素元素への電気信号は、ガラス基板上に配置されている金属化トレースを介して、単一の取付けアンカー１０４を通してプルーフマス１０２に接続されている。ガラス基板上に配置されている他の金属化トレースを介してコンデンサ板（図示せず）に追加電気信号を分配することも可能であり、これらのコンデンサ板は、ケイ素元素の下方に配置することができ、あるいはＭＥＭＳデバイスが適切に動作するように配置することができる。

以上、本発明の一実施形態について図に示し、かつ、説明したが、上で指摘したように、本発明の精神および範囲を逸脱することなく多くの変更を加えることができる。したがって本発明の範囲は、一実施形態の開示によっては制限されない。本発明は、一実施形態の開示によってではなく、以下の特許請求の範囲の参照によってのみ決定されるものとする。

その排他的な特性または特権が特許請求される本発明の実施形態は、特許請求の範囲に定義されている。

１０、１００ 取付けシステム
１２、１０２ プルーフマス（感知素子）
１４、１０４ 取付けアンカー
１６、１１４ 取付けアンカーの中心
１８ プルーフマスの中心
２０ ネックダウン領域（ねじりヒンジ）
１０６、１１０ 分離切欠き部分
１０８ ヒンジ（たわみ）
１１２ 周囲または周辺

Claims (3)

1. ＭＥＭＳデバイスのねじりおよびたわみ懸垂を提供するための取付けシステムであって、
   プルーフマスと、
   ４つの第１の分離切欠き部分のグループおよび前記プルーフマス中に画定される一対の第２の分離切欠き部分と、
   プルーフマスに結合された第１の表面および基板に結合された第２の表面を有するアンカー取付け部材であって、前記プルーフマスの中心線に対して中央に配置され、前記プルーフマスの周辺を越えて延びていないアンカー取付け部材と、
   一対のヒンジであって、前記４つの第１の分離切欠き部分のグループは、前記アンカー取付け部材の近傍に前記一対のヒンジが形成されるように前記プルーフマス内に形成され、前記４つの第１の分離切欠き部分のグループは前記プルーフマスに対する所望の量の剛性を達成し、および前記一対のヒンジに対する所望の量の剛性を達成するために、対称的に配置され、
   前記一対の第２の分離切欠き部分は、ヒンジに近接して対称的に且つ前記基板とプルーフマスとの間のひずみ分離を達成するために前記アンカー取付け部材に隣接して位置決めされる、
   取付けシステム。
2. ＭＥＭＳデバイスのねじりおよびたわみ懸垂を提供するための取付けシステムであって、
   プルーフマスと、
   ４つの第１の分離切欠き部分のグループおよび前記プルーフマス中に画定される一対の第２の分離切欠き部分と、
   基板に結合された第１の部分および前記プルーフマスに結合された第２の部分を有する一片のアンカー取付け部材であって、前記プルーフマスの周辺を越えて延びていないアンカー取付け部材と、
   一対のヒンジであって、前記４つの第１の分離切欠き部分のグループは、前記プルーフマス内に配置され、前記アンカー取付け部材の近傍に前記一対のヒンジが形成されるように形成され、前記４つの第１の分離切欠き部分のグループは、前記プルーフマスに対する所望の量の剛性を達成し、および前記一対のヒンジに対する所望の量の剛性を達成するために、対称的に配置され、
   前記一対の第２の分離切欠き部分は、ヒンジに近接して対称的に且つ前記基板とプルーフマスとの間のひずみ分離を達成するために前記アンカー取付け部材に隣接して位置決めされる、取付けシステム。
3. センサ素子と、
   プルーフマスと、
   ４つの第１の分離切欠き部分のグループおよび前記プルーフマス中に画定される一対の第２の分離切欠き部分と、
   基板に結合された第１の表面および前記プルーフマスに結合された第２の表面を有するアンカー取付け部材であって、前記プルーフマスの中心線に対して中央に配置されたアンカー取付け部材であって、前記プルーフマスの周辺を越えて延びていないアンカー取付け部材と、
   一対のヒンジであって、前記４つの第１の分離切欠き部分のグループは、前記プルーフマス内に配置され、前記アンカー取付け部材の近傍に前記一対のヒンジが形成されるように形成され、前記４つの第１の分離切欠き部分のグループは、前記プルーフマスに対する所望の量の剛性を達成し、および前記一対のヒンジに対する所望の量の剛性を達成するために、対称的に配置され、
   前記一対の第２の分離切欠き部分は、ヒンジに近接して対称的に且つ前記基板とプルーフマスとの間のひずみ分離を達成するために前記アンカー取付け部材に隣接して位置決めされる、ＭＥＭＳデバイス。

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