JP6631652B2 - フレームを有する微小電気機械構造体 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス、および、特に独立請求項の前文に記載する微小電気機械構造体および微小電気機械デバイスに関する。

発明の背景
微小電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム；Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）、即ち、ＭＥＭＳは、小型化されたマイクロシステムであって、少なくともいくつかの要素が機械的機能性を有するもの、と定義できる。ＭＥＭＳ構造体は、物理特性におけるごく僅かな変化の迅速かつ正確な検出のために適用することができる。

ＭＥＭＳのミクロン規模の寸法が、シリコンウェハ上により多くのデバイスを組み込み、これにより、より安価な、広範な範囲の新しい応用の途が開かれた。しかしながら、サイズの極小化は、実装に対する新たな挑戦も生み出した。例えば、ＭＥＭＳ構造体における機械的機能の変位が、電気的構成部品によって、しばしば誘導され、制御され、および／または検出される。小型化された寸法において、電気的構成部品による内部の電磁または静電フィールドは、互いに、意図しない相互作用を起こして測定値に誤差を生じ得ることが理解される。機械的機能の誘導、制御、および検出はまた、外部の電磁または静電フィールドによるかく乱を受け得る。

発明の概要
本発明の目的は、最小化されたサイズにおける正確な測定を可能にする微小電気機械デバイスの構造体を提供することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従う微小電気機械構造体、および微小電気機械デバイスを用いて達成される。

特許請求の範囲は、内部または外部の電気的かく乱をより受けにくい堅牢な微小電気機械構造体を規定する。該構造体は、支持体に懸架されている回転子を有する可動（ｍｏｂｉｌｅ）要素と、支持体にアンカーされ（ａｎｃｈｏｒｅｄ）、かつ可動要素を囲む第１のフレームと、可動要素と第１のフレームとの間で、第１のフレームから電気的に絶縁されている、支持体にアンカーされ、かつ可動要素を囲む第２のフレームとを有する。回転子と、第２のフレームとは、同一の電位を有するように、直流的に連結されている。

また、特許請求の範囲は、微小電気機械構造体を含む微小機械デバイスも規定する。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に開示される。

本発明のさらなる利点を以下の実施態様とともに詳述する。

図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施態様に関連して、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、微小電気機械構造体の要素を示す。 図２Ａは、可動要素とシールドフレームの例示的な構成を示す。図２Ｂは、関連する要素フレームの区画とともに、図２Ａにおいて印をつけた区画Ｂの拡大図を示す。図２Ｃは、図２Ａにおいて印をつけた区画Ｃの拡大図を示す。 図３は、微小電気機械構造体を含む微小電気機械デバイスの要素を示す。

いくつかの実施態様の詳細な説明
下記の各実施態様は例示である。明細書中において「或る」、「１つの」または「いくつかの」実施態様ということがあるが、これは、必ずしもこれらの語による言及が同じ実施態様を意味したり、１つの実施態様にのみ適用される特徴を意味したりするものではない。異なる実施態様の特徴を１つずつ組み合わせて更なる実施態様を提供してもよい。

以下、本発明の様々な実施態様を実施しうるデバイス構成の単純な実施例を用いて本発明の特徴を説明するが、実施態様の描写に関係のある要素のみを詳細に説明する。一般的に当業者に知られている微小電気機械構造体の様々な実装は、本明細書中に具体的に記載しないことがある。

微小電気機械構造体の例として、図１は、慣性センシングに適用し得る微小電気機械構造体の区画を示す。信号に変換される機械的エネルギー（あるいはその逆）を生成するために、微小電気機械構造体は、少なくとも１つの可動要素１００を含むようにパターン形成されていてもよい。本明細書において、可動要素１００は、懸架スプリング構造１０２によって支持体に懸架され、かつ支持体に対する運動をなし得る、ゼロでない質量の回転子を有する構造実体を指す。支持体の構造は、微小電気機械デバイスの他の本体要素によって、例えば、層状のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板と別々にまたは組み合わせて提供される、下層のハンドルウェハ、または被覆するキャップウェハによって、提供されていてもよい。

可動要素１００の回転子は、少なくとも１つの方向において可動要素の振動質量体の変位に対して柔軟であり、かつ、他の方向において振動質量体の変位に対して非常に剛性である、懸架スプリング構造１０２を通して支持体に懸架されていてもよい。懸架スプリング構造１０２は、標準状態において、設計方向の構造的設計限界の規定範囲内における回転子の運動を許容し、かつ他の方向における可動要素の運動を拒絶するように構成されていてもよい。

可動要素の運動は、例えば容量的に、誘導されまたは検出されてもよい。このために、可動要素１００は、固定子を含んでいてもよい。本明細書において、用語「固定子（ｓｔａｔｏｒ）」は、支持体にアンカーされて、回転子の１以上の可動電極のための１以上の固定電極を形成する可動要素の一部を指す。固定電極および可動電極のペアは、コンデンサを形成し、容量的センシングは、コンデンサの静電容量を変化させる外部の物理パラメータに依存する。これは、コンデンサ電極間の分離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）または重なり合う領域を変化させることによって起こり得る。一定の電圧がコンデンサに加えられるとき、静電容量における変化、ひいては回転子の運動は、例えば、ブリッジ回路を用いて測定され得る。

微小電気機械構造体は、有利には、層から犠牲材料を除去することによって層に沿って面内に延びるようにパターン形成されている構成部品を含む層要素である。微小電気機械構造体は、本明細書において、要素フレーム１０４と呼ばれる第１のフレームを含んでいてもよい。本明細書において、用語「フレーム（ｆｒａｍｅ）」は、支持体にアンカーされていてもよい、可動要素１００を囲む外周の構造を指す。フレームは、必ずしも連続的な形状を有していなくてもよいことが理解される。従って、要素フレーム１０４は、単一の外縁の構造であってもよく、または、可動要素１００の周りの外縁境界線を共同して形
成するように配置される１以上のフレームの部分区画（ｓｕｂｓｅｃｔｉｏｎｓ）を含んでいてもよい。また、要素フレーム１０４は、他の要素も囲んでいてもよいことが理解される。例えば、層要素は、（垂直方向の）異なる軸における運動を検出するための１以上の可動要素と、それらの可動要素の全てを外縁から囲む要素フレーム１０４とを含んでいてもよい。要素フレーム１０４は、内部の可動要素に機械的保護を提供し、および／または機密密封を可能にする。同時に、可動要素を外部の電気的かく乱から隔離する導電性の筐体を提供する。要素フレーム１０４は、定電圧Ｖ１、好ましくは接地ＧＮＤに接続されていてもよい。

また、微小電気機械構造体は、本明細書において、シールドフレーム１０６と呼ばれる第２のフレームも含んでいてもよい。また、シールドフレーム１０６は、可動要素１００の周りを囲むが、フレーム要素１０４と可動要素１００の間に配置されている。また、シールドフレーム１０６は、単一の外縁の構造であってもよく、または、外縁境界線を共同で形成するように配置される１以上のフレームの部分区画を含んでいてもよい。層要素が１以上の可動要素を含む場合は、有利には、各可動要素は、専用のシールドフレームによって囲まれている。外周を囲む要素は、外周を囲まれた単数または複数の要素から、少なくとも１つの要素ギャップによって分離されている。ニュートラル状態においては、図１の第１のギャップ１０８は、要素フレーム１０４をシールドフレーム１０６から分離し、かつ第２のギャップ１１０は、シールドフレーム１０６を可動要素１００から分離する。シールドフレーム１０６と、可動要素１００の回転子とは、同一の定電圧Ｖ２にそれらを接続する直流的な接続を有する（即ち、導電性の材料によって電気的に接続されている）が、第１のギャップ１０８がシールドフレーム１０６を要素フレーム１０４から電気的に絶縁する。

作動時、電気的制御回路は、典型的には、要素フレームに供給される電圧Ｖ１と、回転子に供給されるＶ２とを同一に保つように構成されている。しかしながら、内部のコンデンサ電圧と外部のかく乱のために、これは十分には達成されず、いくらかの電位差が要素フレームと回転子との間に存在しがちである。シールドフレーム１０６は、Ｖ１とＶ２の間の無作為の電位誤差によって生ずる誤差を効果的に最小化する。

特別な状況においては、可動要素１００の回転子は、設計限界を超えて変位するかもしれない。このような状況のために、微小電気機械構造体は、動作制限器を有していてもよい。それらの役割は、回転子が変位し得る最大距離を機械的に制御すること、および／または設計限界を超過したときに制御された方法でエネルギーを消散させることである。従来の構造においては、動作制限器は、典型的に要素フレームと回転子の間にある。しかしながら、電位差に起因して、回転子と要素フレームとの間の接触が要素を短絡させて、その結果、くっついたり、および／または、回転子の静電容量におけるエラーを生じさせたりする。

本構造において、回転子と隣接する要素の間の電位差はゼロであり、それらの間で何らかの接触があっても上述の有害な影響を起こさない。具体的には、従来の多軸センサにおいては、共通の回転子電位が検出に適用されており、外部の衝撃によって生ずる接触は、全方向、即ち、すべての検出軸の信号の損失を意味する。本実施形態においては、接触は、１つの軸の方向において起こり得るが、回転子の電位には無影響である。シールドフレームは、このように検出軸を互いに分離し、これにより、１つの検出軸の方向における衝撃と信号の損失が、他の検出軸の方向における検出エラーを直接生じさせない。動作制限器構造体は、したがって、シールドフレーム１０６に安全に配置され得る。有利には、しかし、必ずしも必要でないが、動作制限器構造体は柔軟であり、衝撃時に接触する構造要素の損傷のリスクを減少させる。

有利には、シールドフレーム１０６は、可動要素１００の近くに配置される。２つの表面により形成される狭いギャップが、それら表面に垂直な気体の変位を制限することが知られている。これら表面の運動がギャップを絞るとき、気体の圧力は増加し、運動を減速させる。これらの表面が近くにあるほど、より効率的に運動を減速させる。従来の適用においては、可動要素の櫛型構造は、典型的に、少なくとも１つの方向において、該当する気体の減衰を可能にする距離を含んでいる。他の方向においては、気体の減衰は効果的ではない。

結果として、容量型の櫛型構造を適用するミクロスケールの加速度計において、第２のギャップ１１０の幅は、有利には、櫛型のギャップの幅のオーダーである。固定子に対する回転子の位置が懸架スプリング構造に依存するニュートラル状態において、櫛型のギャップは、平行かつ隣接する、固定子と回転子の櫛型のバーの間の距離に対応すると考え得る。第２のギャップ１１０の幅は、有利には、そのような櫛型のキャップの幅の０．５倍〜５倍である。シールド電極１０６は、非常に狭い第２のギャップを提供可能にし、したがって、全方向における可動要素１００の回転子について、非常に効率的な気体の減衰を可能にする。要素フレーム１０４、具体的には第２のギャップは、他方で、他の操作パラメータまたは製造要件に従って自由に寸法決定してもよい。

図２Ａは、可動要素とシールドフレームの例示的な構成を示す。図２Ｂは、関連する要素フレームの区画とともに、図２Ａにおいて印をつけた区画Ｂの拡大図を示す。図２Ｃは、図２Ａにおいて印をつけた区画Ｃの拡大図を示す。図２Ａ〜図２Ｃから分かるように、微小電気機械構造体は、可動回転子櫛型２００と固定子櫛型２０２とを有する櫛型構造として実装される可動要素を含んでいてもよい。可動回転子櫛型２００は、回転子フレーム２０４から内側に延びていてもよい。回転子フレーム２０４は、アンカーされたシールドフレーム２０６に囲まれていてもよく、また、シールドフレーム２０６はアンカーされた要素フレーム２２０によって囲まれていてもよい。このように、第１のギャップ２２４は、要素フレーム２２０とシールドフレームとの間の要素ギャップであり、また、第２のギャップ２１８は、シールドフレーム２０６と回転子フレーム２０４との間の要素ギャップである。回転子フレーム２０４は、第１の方向Ｄにおいて自由度を有していてもよい。

図２Ａ〜図２Ｃの例示的な可動要素は、可動要素内に、第１の動作制限器の段階のためのインパクト（衝撃）要素２２６を含んでいる。第１の動作制限器の段階は、ビームの組み合わせを用いて実現されていてもよく、それらの一方はアンカーに連結されており、他方は回転子フレーム２０４に連結されている。ビームの外側端（ｌａｔｅｒａｌ ｅｎｄ）は、可動要素と回転子フレーム２０４の間の第２のギャップ２１８よりも狭い第１の制限器のギャップ２２２によって、方向Ｄにおいて分離されている。どこかの時点で、方向Ｄにおける回転子フレーム２０４の運動が増加するとき、第１の制限器のギャップ２２２が閉じ、ビームの端部が接触し、運動を制限する。

図２Ａ〜図２Ｃの例示的な可動要素は、また、可動要素とシールドフレームとの間に第２の動作制限器の段階も含んでいる。図に示すように、第２のインパクト要素として、アンカーされたシールドフレーム２０６は、回転子フレーム２０４から第２のギャップ２１８によって分離されている１以上のフレーム突起部２１６を含んでいてもよい。正しい順序の接触を可能にするために、方向Ｄにおける第２のギャップ２１８の範囲は、第１の制限器のギャップ２２２の範囲（即ち、方向Ｄにおける第１の動作制限器の段階のビームの外側端の間の距離）よりも大きい。

したがって、設計限界からのわずかな逸脱の場合、回転子フレーム２０４は、方向Ｄに運動してもよく、すると直ちに第１のビームが互いに接触して、過度の運動に弾性的に対抗する。ビームの接触面の最適化された形状により、それらの面間の接着力は、最小限で
あり、これにより、懸架スプリング構造による復元力が、接触後の要素間を引き離すのに十分となるように、容易に構成し得る。ビームの復元力は、それゆえ、通常のオーバーロード状態において、実質的に堅固に現れるように配置され得る。

回転子フレーム２０４の運動がより大きい場合、ビームが曲がり、フレーム突起部２１６が、いずれ回転子フレーム２０４と接触するに至る。有利には、第１の動作制限器の段階におけるビームのバネ定数は、第２のインパクト要素における接触面間の接着力を克服し、かつ接触後の運動に回転子フレームを引き戻すのに十分な復元力を提供するように構成される。この２段階の動作制限器の機構は、回転子の運動が意図されている（自由度を有するように懸架されている）方向であって、支持するスプリング構造が提供する復元力が非常に低い方向において、特に重要である。異なって最適化されている動作制限器の段階の組み合わせは、最小限の表面積において実装され得、かつ、組み合わせられて、作動時の様々なかく乱から効率的に復旧できるようにする。

シールドフレーム２０６と回転子フレーム２０４との間の第２のギャップ２１８は、ごく小さく保つことができ、構造における効率的な気体の減衰を可能にする。図２Ａ〜図２Ｃの実施形態において、第２のギャップ２１８の幅は、回転子櫛型２００と固定子櫛型２０２との間の櫛型のギャップの幅に等しい。回転子フレーム２０４とシールドフレーム２０６とは同一の電位であるが、第２の動作制限器の段階の動作制限器構造体を経由して起こり得る接触は、要素を短絡しない。シールドフレーム２０６は、回転子フレーム２０４の運動に対する内部の電磁または静電フィールドの影響を除去し、かつ、それと同時に、効率的な運動制限手段を可能にする。要素フレーム２２０は、内部要素を囲んで、外部の電気的かく乱から電気的に遮蔽する。

概略的な図３は、図１および図２を用いて上述した微小電気機械構造体を含む例示的な微小電気機械デバイスの原理を示す。微小電気機械デバイスは、第１の部分３００と、第２の部分３０２とを含んでいてもよい。第１の部分３００は、微小電気機械構造体を含む、機械的要素を含んでいてもよい。第２の部分３０２は、電気的信号を微小電気機械構造体から入力するように接続されている電気的回路を含んでいてもよい。図３に示すように、第１の部分内において生成される１以上の信号は、第２の部分３０２の電気的回路に入力されてもよい。電気的回路に入力される該１以上の信号は、慣性センサの測定結果を表す信号Ｓを発生させるために使用されてもよい。

微小電気機械デバイスは、様々なセンサ要素を含む複合的なセンサ要素に含まれていてもよく、その例を挙げれば、有線または移動コンピューティング、ゲーム用または通信用デバイス、測定デバイス、レンダリングデバイス、または車両用機能制御ユニット等がある。

技術の進歩に従い、本発明の基本概念が様々な方法で実施し得ることは、当業者に自明である。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の適用範囲内で変化しうるものである。

Claims (10)

1. 微小電気機械構造体であって、当該微小電気機械構造体は、
   第１の静電容量型の要素（１００）と、第１のフレーム（１０４）と、第２のフレーム（１０６）とを有し、これらは、当該微小電気機械構造体の材料層にパターン形成されたものであり、
   前記第１の静電容量型の要素（１００）は、固定子と回転子を含んでおり、前記固定子は、固定電極を構成するように支持体にアンカーされ、かつ、前記回転子は、可動要素を構成するように前記支持体に懸架され、
   前記回転子は、回転子フレームを有し、かつ、該回転子フレームから内側に延びている回転子櫛型部を有し、
   前記回転子は、第１の方向への並進運動のための自由度を有し、該第１の方向は、当該微小電気機械構造体の前記材料層に平行な方向であり、
   前記第１の静電容量型の要素（１００）は、互いに平行にかつ隣合って配置された複数の櫛型のバーを有する櫛型構造であり、
   前記固定電極の櫛型部と前記可動電極の櫛型部は、コンデンサを形成し、該コンデンサの静電容量は、第１の方向への前記回転子の運動によって変化するものであり、
   前記第１のフレーム（１０４）は、前記支持体にアンカーされ、かつ、当該微小電気機械構造体の前記材料層内において、前記第１の静電容量型の要素の固定子と回転子を囲んでおり、
   前記第２のフレーム（１０６）は、前記支持体にアンカーされ、かつ、当該微小電気機械構造体の前記材料層内において、前記第１の静電容量型の要素（１００）と前記第１のフレーム（１０４）との間で、前記第１の静電容量型の要素の固定子と回転子を囲み、かつ、前記第２のフレームは、前記第１のフレーム（１０４）から電気的に絶縁されており、
   前記回転子と前記第２のフレーム（１０６）とは、同一の電位を有するように、直流的に連結されており、
   当該微小電気機械構造体は、互いに同一の電位になっている前記回転子と前記第２のフレームとの間の要素ギャップ（２１８）が閉じることによって作動される動作制限器構造体を含んでおり、該要素ギャップは、当該微小電気機械構造体の前記材料層内にある、
   前記微小電気機械構造体。
2. 前記微小電気機械構造体が、１以上の更なる静電容量型の要素を含み、該静電容量型の要素の各々が専用の第２のフレームによって囲まれており、かつ前記第１のフレームが、当該微小電気機械構造体における全ての静電容量型の要素を囲んでいることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械構造体。
3. 前記第１の静電容量型の要素の前記回転子が、第１の方向（Ｄ）において自由度を有するように懸架されており、
   当該微小電気機械構造体が、少なくとも１つの他の静電容量型の要素を含んでおり、
   前記他の静電容量型の要素の前記回転子が、前記第１の方向に垂直な方向において自由度を有するように懸架されている
   ことを特徴とする、請求項２に記載の微小電気機械構造体。
4. 前記第２のフレームが、前記動作制限器構造体の少なくとも１つのインパクト要素を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械構造体。
5. 当該微小電気機械構造体が、前記要素ギャップ内に動作制限器構造体を提供する少なくとも２つのインパクト要素を含み、それら動作制限器構造体が、連続する順番にて作動されることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械構造体。
6. 前記２つのインパクト要素が、第１のインパクト要素（２２６）と第２のインパクト要素（２１６）を含んでおり、
   第１のインパクト要素（２２６）は、特定の方向における前記回転子の変位に応答して第１の制限器のギャップ（２２２）を閉じることによって接触を誘発されるものであり、前記第１の制限器のギャップ（２２２）が前記特定の方向において前記要素ギャップ（２１８）よりも小さいものであり、
   第２のインパクト要素（２１６）は、前記特定の方向における前記第１の静電容量型の要素の変位に応答して前記要素ギャップ（２１８）を閉じることによって接触を誘発されるものである、請求項５に記載の微小電気機械構造体。
7. 前記第１のインパクト要素が、弾性要素を含んでいることを特徴とする、請求項６に記載の微小電気機械構造体。
8. 前記弾性要素が、前記特定の方向におけるバネ定数を提供し、前記バネ定数が、前記第２のインパクト要素における前記接触の接着力よりも大きい復元力を提供するように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の微小電気機械構造体。
9. 前記回転子と前記第２のフレームとの間の前記要素ギャップの幅が、前記櫛型のギャップの幅に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械構造体。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の微小電気機械構造体を有することを特徴とする、微小電気機械デバイス。