JPWO2010104064A1 - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 特に、基板厚さの関係を適正化して、安定且つ高精度な検出精度が得られるようにしたＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。【解決手段】 支持基板（第１基板）１と、センサ部４、及び前記センサ部４と一体に形成されたアンカ部５，１０を有する機能層２と、前記アンカ部５，１０と前記支持基板１間を接合する絶縁材料で形成された第１の接合層３と、を有し、前記センサ部４は前記支持基板１に間隔を空けて配置されている。前記支持基板１の厚さＨ１は、前記機能層２の厚さＨ２に対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成される。【選択図】図１
Description
本発明は、支持基板と、センサ部及びアンカ部を有する機能層との間を絶縁層で接合して成るＭＥＭＳセンサに関する。
下記の特許文献１には、支持基板と、半導体層（機能層）と、回路チップとを有する容量式力学量センサ装置が開示されている。
この特許文献は、半導体層を構成する可動電極と支持基板間のギャップ距離と、前記可動電極と回路チップ間のギャップ距離と、前記可動電極の厚さとの関係を規定したものである。
特許文献１によれば、ギャップ距離及び可動電極の厚さの関係を規定して、可動電極が固定電極に乗り上げるのを防止している。
しかしながら特許文献１に記載された発明には、支持基板と半導体層（機能層）との厚さの関係や、支持基板と回路チップとの厚さ関係について明記されていない。これらの厚さ関係は、反り量やアンカ部に作用する応力、アンカ部の平面方向への変形量に影響を及ぼすことが後述の実験によりわかった。そして、ＭＥＭＳセンサの反り量が大きくなり、あるいはアンカ部の平面方向への変形量が大きくなると、検出精度が低下する問題が生じた。
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、基板厚さの関係を適正化して、安定且つ高精度な検出精度が得られるようにしたＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。
本発明におけるＭＥＭＳセンサは、第１基板と、センサ部、及び前記センサ部と一体に形成されたアンカ部を有する機能層と、前記アンカ部と前記第１基板間を接合する絶縁材料で形成された第１の接合層と、を有し、前記センサ部は前記第１基板に間隔を空けて配置されており、
前記第１基板の厚さは、前記機能層の厚さに対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成されることを特徴とするものである。
前記第１基板の厚さは、前記機能層の厚さに対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成されることを特徴とするものである。
これにより、ＭＥＭＳセンサの反り量を小さくでき、安定且つ高精度な検出特性を得ることが出来る。
また本発明では、前記第１基板に前記機能層を介して対向する第２基板を有し、
前記センサ部は、前記第１基板及び前記第２基板と間隔を空けて配置され、前記アンカ部が、前記第２基板と第２の接合層を介して固定支持されている構成にできる。
前記センサ部は、前記第１基板及び前記第２基板と間隔を空けて配置され、前記アンカ部が、前記第２基板と第２の接合層を介して固定支持されている構成にできる。
上記発明では、アンカ部の上下が接合層により固定支持された構成になる。ＭＥＭＳセンサには、熱応力や加工ストレス、さらには実際の使用時に基づく力が印加されるが、上記のように第１基板の厚さを前記機能層の厚さに対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成することで、アンカ部に作用する応力を効果的に低減できる。これにより耐衝撃性が高く、検出特性に優れたＭＥＭＳセンサを実現できる。
上記の構成において、前記第１基板と前記第２基板は、同材料で形成されていることが好ましい。これにより、熱応力に起因するアンカ部の平面方向への変形量を小さくできる。
また上記において、前記第１基板と前記第２基板とが同厚で形成されていることがより好適である。
また本発明では、前記第１基板と前記第２基板とがシリコンで形成されていることが好ましい。
あるいは本発明では、前記第１基板及び前記第２基板の一方がシリコンで他方がガラスで形成され、前記第１基板と前記第２基板とが同厚で形成されている構成にも出来る。これにより、熱応力に起因するアンカ部の平面方向への変形量を小さくできる。
また本発明では、前記第２基板の前記第１基板との対向面に絶縁層が設けられ、前記第２の接合層が金属による接合層で形成されており、前記第２の接合層に接続されるリード層が前記絶縁層内に埋設されている構成に出来る。
あるいは本発明では、前記第２基板の前記第１基板との対向面の反対面に絶縁層が設けられ、前記第２の接合層が金属による接合層で形成されており、前記第２の接合層と前記第２基板を介して接続されるリード層が前記絶縁層内に埋設されている構成に出来る。
また本発明では、前記第１基板及び前記機能層が共にシリコンで形成されていることが好適である。
本発明のＭＥＭＳセンサによれば、基板厚さの関係を適正化することで、従来に比べて、安定且つ高精度な検出精度を得ることが可能になる。
図１（ａ）は第１実施形態におけるＭＥＭＳセンサ（加速度センサ）の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線から切断し矢印方向から見たＭＥＭＳセンサの縦断面図、である。
図１に示すＭＥＭＳセンサは、支持基板（第１基板）１と、機能層２と、第１の接合層３とを有する積層構造で形成される。ＭＥＭＳセンサは例えばＳＯＩ基板を微細加工して形成される。支持基板１及び機能層２はシリコンで形成されることが好ましく、また第１の接合層３は酸化シリコンで形成されることが好適である。また第１の接合層３の厚さは、０．５〜２．０μｍの範囲内であることが好適である。また支持基板１及び機能層２の幅寸法及び長さ寸法（Ｘ−Ｙ平面での縦横寸法）は、０．５〜２．５ｍｍ程度である。
図１（ａ）に示すように機能層２には、センサ部４、アンカ部５，１０、支持梁６等が微細加工にて形成されている。さらに、センサ部４は、錘部７、可動電極８及び固定電極９とを有して構成される。図１（ａ）に示すように櫛歯状の可動電極８と櫛歯状の固定電極９とが交互に配置されている。可動電極８、錘部７、支持梁６及びアンカ部５が一体に形成される。一方、固定電極９は、可動電極８や錘部７から分離した状態で、アンカ部１０と一体に形成されている。
図１に示すように、アンカ部５、１０は、第１の接合層３を介して支持基板１に固定支持される。センサ部４と支持基板１との間には空間が形成されている。
図１の実施形態では、錘部７は加速度に伴う力（慣性力）を受けて変位し、可動電極８と固定電極９間の静電容量変化に基づいて、加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。
図１（ｂ）に示すように、支持基板１の厚さはＨ１であり、機能層２の厚さはＨ２である。この実施形態では機能層２の厚さＨ２を一定としたが、機能層２の場所によって厚さが異なるような形態では、機能層２の厚さＨ２は、アンカ部５，１０の厚さとして定義される。図２に示す実施形態においても同様である。
そして本実施形態では、支持基板１の厚さＨ１は、機能層２の厚さＨ２に対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成される。支持基板１の厚さＨ１は、２００〜９００μｍの範囲内で形成され、機能層２の厚さＨ２は、２０〜３０μｍの範囲内で形成されることが好適である。一例を示すと、機能層２の厚さＨ２を２０μｍ程度とし、支持基板１の厚さＨ１を２００μｍ〜６００μｍの範囲内で調整する。
後述する実験によれば、上記のように支持基板１と機能層２との厚さ比を規定することでＭＥＭＳセンサの反り量を効果的に小さくできることがわかっている。
また上記したように支持基板１と機能層２とはシリコンで形成されることが好ましいと説明したが、支持基板１と機能層２とが同材料であればシリコンに限定されない。ここで言う「同材料」とは、力学的特性（ここではポアソン比、ヤング率、熱膨張係数を指す）がほぼ同等であることを指す。各力学的特性が、支持基板１と機能層２とで１０％以内の差（力学的特性の差を値が大きいほうの力学的特性で割って得られた比率）であれば「同材料」と定義する。よって力学的特性がほぼ同等であれば、支持基板１と機能層２とで別の材料を用いることも可能である。
図２（ａ）は第２実施形態におけるＭＥＭＳセンサ（加速度センサ）の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線から切断し矢印方向から見たＭＥＭＳセンサの縦断面図、である。なお図２（ａ）の平面図は、支持基板１を透視して示した。
図２に示すＭＥＭＳセンサは、例えば、Ｘ方向が長辺でＹ方向が短辺の長方形状である。
図２（ｂ）に示すＭＥＭＳセンサは、支持基板１、第１の接合層３及び機能層２からなるセンサユニット２０と、前記センサユニット２０と対向し、センサユニット２０に形成されたセンサ部を密閉するためのキャップ部材１２が重ねられている。センサユニット２０及びキャップ部材１２の幅寸法及び長さ寸法（Ｘ−Ｙ平面での縦横寸法）は、０．５〜２．５ｍｍ程度である。
キャップ部材１２は、キャップ基板（第２基板）１３と、その表面に形成された絶縁層１４と、第２の接合層１５とで構成される。絶縁層１４は、酸化シリコンで形成されることが好ましい。また絶縁層１４は０．５〜２．０μｍ程度の厚さで形成されることが好ましい。また、第２の接合層１５は０．５〜１．５μｍ程度の厚さで形成されることが好ましい。第２の接合層１５の材質については後述する。
図３は、図２（ｂ）の一部分を拡大して示す部分拡大縦断面図である。ただし図３では図２（ｂ）と異なって、キャップ部材１２をセンサユニット２０からはみ出す大きさで形成している。
図３に示すように、絶縁層１４の内部には導電体のパターンが埋設されてリード層３５が形成されている。リード層３５は、機能層２に形成される検出部の可動電極と固定電極などに個別に導通され、且つＭＥＭＳセンサの外部に設けられた外部接続パッド５０に夫々、導通されている。
図２（ａ）に示すように、機能層２には周囲領域に枠体層１１が形成されており、前記枠体層１１の内部がセンサ部の形成領域となっている。図２（ａ）では枠体層１１を斜線で示している。
図２（ａ）に示すように、機能層２には前記枠体層１１の内側にセンサ部の外形を規定する第１の穴２６と第２の穴２７および第３の穴２８が形成されており、それぞれの穴２６，２７，２８は、枠体層１１を厚さ方向に貫通している。
支持基板１と枠体層１１との対面部では、枠状の第１の接合層３が形成されている。
支持基板１と枠体層１１との対面部では、枠状の第１の接合層３が形成されている。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、枠体層１１とキャップ部材１２の対向面に形成された絶縁層１４との間では第２の接合層１５により、センサ部の周囲を封止している。
図２（ａ）に示すように各穴２６，２７，２８の内部が、センサ部１６，１７，１８となっている。
図２に示すＭＥＭＳセンサは、第１のセンサ部１６に設けられた第１の可動体４１の動作により、支持基板１の基板面と直交する向きのＺ方向の加速度を検知できる。また、第２のセンサ部１７に設けられた第２の可動体２１の動作により、支持基板１の基板面と平行なＹ方向の加速度を検知でき、第３のセンサ部１８に設けられた第３の可動体２１Ａの動作によりＺ方向とＹ方向に直交するＸ方向の加速度を検知できる。
例えば、第２のセンサ部１７内には、第２の穴２７の内側に第２の可動体２１が設けられている。第２の可動体２１は、アンカ部２３，２５により主にＹ方向へ移動可能に支持されている。
図２（ｂ）に示すように、アンカ部２３，２５は、絶縁絶縁層１４と第２の接合層１５を介して接合されている。
図２（ｂ）に示すように、アンカ部２３，２５は、第１の接合層３と第２の接合層１５とで上下から挟まれて固定されているが、第２の可動体２１は、支持基板１と接合されておらず、また絶縁層１４とも接合されていない。
図２（ａ）に示す第２の可動体２１には、櫛歯状に複数の可動電極が設けられている。
アンカ部２３，２５の少なくとも一方が、第２の接合層１５を介して、絶縁層１４の内部に設けられたリード層３５と導通し、リード層３５は、センサユニット２０の外部にはみ出すキャップ部材１２の露出表面に設けられた外部接続パッド５０に導通接続されている（図３参照）。
アンカ部２３，２５の少なくとも一方が、第２の接合層１５を介して、絶縁層１４の内部に設けられたリード層３５と導通し、リード層３５は、センサユニット２０の外部にはみ出すキャップ部材１２の露出表面に設けられた外部接続パッド５０に導通接続されている（図３参照）。
図２（ａ）に示す第２のセンサ部１７内では、固定部３１，３２が設けられている。固定部３１には、アンカ部３３が一体に形成されている。また、固定部３２には、アンカ部３４が一体に形成されている。
アンカ部３３は、第１の接合層３を介して支持基板１に接合されている。また、キャップ基板１３の表面に形成された絶縁層１４とアンカ部３３とが第２の接合層１５によって接合されている。
図２（ａ）に示すように、固定部３１には、複数の固定電極が櫛歯状に一体に形成されている。各固定電極は、第２の可動体２１に一体に形成された複数の可動電極の間に入り込んでいる。固定部３２も固定部３１と同様の構成である。
アンカ部３３，３４は、第２の接合層１５に接続され、前記第２の接合層１５は、絶縁層１４の内部に設けられたリード層に接続されている。そして、リード層は、センサユニット２０の外部にはみ出すキャップ部材１２の露出表面に設けられた外部接続パッド５０に導通接続されている。
図２に示すＭＥＭＳセンサの第２のセンサ部１７は、Ｙ１方向またはＹ２方向の加速度に反応する。例えば、ＭＥＭＳセンサにＹ１方向への加速度が作用すると、その反作用により第２の可動体２１がＹ２方向へ移動する。このとき、可動電極と固定電極との対向距離が変化することで、静電容量が変化する。そして、静電容量変化により、Ｙ１方向へ作用した加速度の変化や加速度の大きさを検知することができる。
図２（ａ）に示す第３のセンサ部１８の構造は、第２のセンサ部１７の構造を、９０度回転させたものと全く同じである。第３のセンサ部１８内は、Ｘ１−Ｘ２方向の加速度に反動して動作する。ＭＥＭＳセンサにＸ１方向またはＸ２方向の加速度が作用すると、慣性力により第３の可動体２１Ａが、加速度の作用方向と反対方向に移動し、そのときの移動量が、可動電極と固定電極とが対向した検知部での静電容量の変化として検出される。
次に、第１のセンサ部１６内では、第１の可動体４１が設けられている。前記第１の可動体４１は、アンカ部４２，４２に主としてＺ方向へ移動可能に支持されている。それぞれのアンカ部４２，４２は、第１の接合層３によって支持基板１に接合されている。また、アンカ部４２，４２は、第２の接合層１５によって、キャップ基板１３の表面に形成された絶縁層１４に接合されている。なお第１の可動体４１は、支持基板１及び絶縁層１４から離れており、Ｚ方向への移動を可能としている。
図２（ａ）に示すように第１の可動体４１には複数の可動電極が櫛歯状に一体に形成されている。そして、アンカ部４２，４２の少なくとも一方は、第２の接合層１５を介して、絶縁層１４内のリード層と導通し、リード層は、センサユニット２０の外部にはみ出すキャップ部材１２の露出表面に設けられた外部接続パッド５０に導通接続されている。
図２に示すように、第１の可動体４１の内部には、固定部５１，５３が第１の可動体４１から分離されて形成されている。固定部５１には、アンカ部５２が一体に形成されており、固定部５３には、アンカ部５４が一体に形成されている。
図２（ｂ）に示すように、アンカ部５２とアンカ部５４は、それぞれ第１の接合層３によって支持基板１に接合されている。アンカ部５２とアンカ部５４は、それぞれ第２の接合層１５によって、キャップ基板１３の表面に形成された絶縁層１４に接合されている。ただし、固定部５１，５３は、アンカ部５２，５４以外の部分が支持基板１と絶縁層１４から離れている。
固定部５１，５３には、夫々、複数の固定電極が櫛歯状に一体に形成されている。固定電極は、アンカ部５２，５４と第２の接合層１５を介して、絶縁層１４内のリード層に接合されている。リード層は、センサユニット２０の外部にはみ出すキャップ部材１２の露出表面に設けられた外部接続パッド５０に導通接続されている。
第１のセンサ部１６はＺ方向への加速度に反応することができる。例えば、ＭＥＮＳセンサにＺ２方向の加速度が作用すると、その反作用で、第１の可動体４１がＺ１方向へ移動する。このとき、可動電極と固定電極との対向面積の変化により静電容量が変化し、静電容量変化に基づいて、加速度の大きさや変化を検出できる。
図３に示すように第２の接合層１５は、センサユニット２０側に設けられた第１の金属層５６と、キャップ部材１２側に設けられた第２の金属層５７とが共晶接合あるいは拡散接合されて形成されている。第１の金属層５６と第２の金属層５７の材料の組み合わせとしては、アルミニウム−ゲルマニウム、アルミニウム−亜鉛、金−シリコン、金−インジウム、金−ゲルマニウム、金−錫などがある。これら金属の組み合わせにより、それぞれの金属の融点以下の温度である４５０℃以下の比較的低い温度で接合を行うことが可能になる。
図２に示すＭＥＭＳセンサは３軸の加速度センサを構成する。この実施形態では、各アンカ部２３，２５，３３，３４，４２，５２，５４の上下が接合層３，１５により支持基板１とキャップ基板１３側に固定支持されている。そして図１の実施形態と同様に、支持基板１の厚さＨ１は、機能層２の厚さＨ２の１０倍〜３０倍の範囲内で形成されている。
ＭＥＭＳセンサには、熱応力や加工ストレス、さらには実際の使用時に基づく力が印加されるが、上記のように支持基板（第１基板）１の厚さＨ１を機能層２の厚さＨ２に対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成することで、各アンカ部２３，２５，３３，３４，４２，５２，５４に作用する応力を効果的に低減できる。これにより耐衝撃性が高く、検出特性に優れたＭＥＭＳセンサを実現できる。
ところで、図２に示すＭＥＭＳセンサには、支持基板１、機能層２のほかにキャップ基板１３が設けられている。キャップ基板１３の厚さはＨ３である。
支持基板１とキャップ基板１３は同材料で形成されることが好適である。「同材料」とは上記したように、力学的特性（ここではポアソン比、ヤング率、熱膨張係数を指す）がほぼ同等であることを指す。このとき、支持基板１及びキャップ基板１３はシリコンで形成されることが好適である。
また支持基板１とキャップ基板１３を同材料で形成したとき、キャップ基板１３の厚さＨ３を上記した支持基板１の厚さＨ１の範囲内に規定することが出来るが、支持基板１の厚さＨ１とキャップ基板１３の厚さＨ３を同厚にすることが好適である。なお製造誤差は同厚の範囲内である。
あるいは、支持基板１及びキャップ基板１３の一方をシリコンで他方をガラスで形成し、支持基板１の厚さＨ１とキャップ基板１３の厚さＨ３を同厚とする構成にも出来る。なお、支持基板１をシリコンで形成し、キャップ基板１３をガラスで形成することが好適である。
上記のようにキャップ基板１３を設けた構成でも、支持基板１と材質、厚さを合わせることで、熱応力に起因する各アンカ部２３，２５，３３，３４，４２，５２，５４の平面方向（Ｘ−Ｙ平面方向）への変形量を小さくすることができる。したがって、より効果的に、安定且つ高精度な検出特性を得ることが出来る。
図２、図３に示す実施形態において、キャップ基板１３は、ＩＣ基板であってもよい。
また図３と異なって図４に示す断面構造とすることも可能である。
また図３と異なって図４に示す断面構造とすることも可能である。
図４に示す実施形態では、キャップ基板１３に貫通する貫通配線層３０が設けられている。貫通配線層３０はキャップ基板１３から分離加工して形成できる。貫通配線層３０とキャップ基板１３の間は絶縁層２９にて絶縁されている。図４に示すように貫通配線層３０とアンカ部との間は、図３で説明した第１の金属層５６と第２の金属層５７から成る第２の接合層１５を介して接合されている。また絶縁層２９は、キャップ基板１３の機能層２との対向面と反対面１３ａ側を覆い、図４に示すように、絶縁層２９の内部には、貫通配線層３０に接するリード層３７が形成されている。リード層３７の一部は絶縁層２９の表面から露出して外部接続パッドを構成している。
なお本実施形態は加速度センサに限定するものでない。また上記の実施形態では静電容量式のＭＥＭＳセンサ１であるが静電容量式に限定しない。
（支持基板（第１基板）と機能層の厚さ比−反り量の実験）
直径が１５２ｍｍの円形状のシリコンから成る支持基板上にシリコンから成る機能層を重ねた積層基板によるシミュレーション実験を行った。支持基板のポアソン比は０．１７であった。ヤング率は、１５０ＧＰａであった。
直径が１５２ｍｍの円形状のシリコンから成る支持基板上にシリコンから成る機能層を重ねた積層基板によるシミュレーション実験を行った。支持基板のポアソン比は０．１７であった。ヤング率は、１５０ＧＰａであった。
機能層の厚さＨ２を２０μｍで統一した。また実際には支持基板と機能層の間には絶縁材料から成る第１の接合層が存在するので、第１の接合層が介在したことによる膜応力を１０ＭＰａとして実験を行った。１０ＭＰａの膜応力は第１の接合層を１〜２μｍ程度の酸化シリコンとした場合に相当する。
ＭＥＭＳセンサの反り量λは、λ＝３σ（１−ν）（Ｈ２）2Ｌ2／（４Ｅ（Ｈ１）2）で求めることが出来る。ここでσは膜応力、νは支持基板のポアソン比、Ｈ２は機能層の厚さ、Ｌは支持基板の長さ（直径）、Ｅは支持基板のヤング率、Ｈ１は支持基板の厚さである。
実験では、支持基板の厚さＨ１を、１００μｍ〜６５０μｍまで５０μｍ間隔で変化させたときに図５に示す反り量λを求めた。その実験結果を図６に示す。
図６に示すように、支持基板の厚さＨ１を機能層の厚さＨ２に対して１０倍〜３０倍の範囲内に設定すると反り量を適切に小さくできることがわかった。ここで図６に示すように、支持基板の機能層に対する厚さ比を大きくすればするほど反り量を小さくすることができるが、あまり厚さ比を大きくしすぎるとＭＥＭＳセンサの低背化（小型化）を阻害することから上限を３０倍とした。また、支持基板の厚さＨ１を機能層の厚さＨ２に対して２０倍〜３０倍の範囲内に設定するとより好ましいと設定した。
（支持基板（第１基板）と機能層の厚さ比−アンカ部に対する応力の実験）
図７に示すシリコンからなる支持基板（第１基板）、シリコンからなる機能層、シリコンからなるキャップ基板（第２基板）を重ねた積層基板によるシミュレーション実験を行った。
図７に示すシリコンからなる支持基板（第１基板）、シリコンからなる機能層、シリコンからなるキャップ基板（第２基板）を重ねた積層基板によるシミュレーション実験を行った。
シリコンのヤング率は１５０ＧＰａ、ポアソン比は０．１７であった。図８は図７に示す機能層の平面図である。この実験による積層基板は図３のＭＥＭＳセンサの１／２モデルである。図８に示すように、機能層は支持基板側とキャップ基板側との双方に固定支持されるアンカ部と枠体層とで構成されている。
実験では、キャップ基板の厚さＨ３を２００μｍ、機能層の厚さＨ２を２０μｍに固定した。また、支持基板及びキャップ基板の幅寸法を２．５ｍｍ、幅寸法に直交する長さ寸法を０．７６ｍｍとした。
ところで、ＭＥＭＳセンサには、熱応力や加工ストレス、さらには実際の使用時に力が最大で２Ｎ程度加わる。そこで、積層基板の両側を固定し、図７に示す支持基板の下面中央位置から上方に向けて（キャップ基板方向に向けて）１Ｎの力（実験サンプルは１／２モデルであるため半分とした）を印加した状態で、支持基板の厚さＨ１を、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍ、６００μｍ、１０００μｍと変化させたときのアンカ部に作用する応力を求めた。その実験結果が図１０に示されている。
図１０に示す「位置」とは、図９に示すアンカ部の側面の支持基板（力が直接印加される側の基板）との接合位置を基準位置０とし、この基準位置０から上方に向けてのアンカ部の側面位置を指す。
図１０に示すように、アンカ部に作用する最大応力は、支持基板の厚さＨ１が厚くなるほど小さくなっていくことがわかった。また、支持基板の各厚さＨ１とも、基準位置０から上方へ離れキャップ基板に近づくほど、アンカ部に作用する応力が大きくなることがわかった。
図１１は、基準位置０から上方へ２０μｍ離れた位置（キャップ基板との接合位置に相当する）でのアンカ部の最大応力を、各支持基板の厚さＨ１ごとにプロットしたグラフである。図１１の実験結果から機能層の厚さＨ２（２０μｍ）に対する支持基板の厚さＨ１の比を、図６の反り量の実験と同様に、１０倍〜３０倍とすることで、アンカ部に作用する最大応力を低減できることがわかった。これにより、アンカ部の上下が基板で固定支持されたＭＥＭＳセンサの基板厚さを規制することで、外的要因等による力が加わっても、アンカ部の部分から破損する等の不具合を抑制でき、安定且つ高精度な検出特性を得ることが出来るとわかった。
（支持基板及びキャップ基板の材質と厚さの実験）
図１２に示すシリコンからなる支持基板（第１基板）、シリコンからなる機能層、シリコンからなるキャップ基板（第２基板）を重ねた積層基板によるシミュレーション実験を行った。機能層は、図１２に示すようにアンカ部の構造であり、支持基板側とキャップ基板側の双方に固定支持されているとする。
図１２に示すシリコンからなる支持基板（第１基板）、シリコンからなる機能層、シリコンからなるキャップ基板（第２基板）を重ねた積層基板によるシミュレーション実験を行った。機能層は、図１２に示すようにアンカ部の構造であり、支持基板側とキャップ基板側の双方に固定支持されているとする。
また支持基板、機能層及びキャップ基板を全てシリコンで形成した実験と、支持基板と機能層をシリコンでキャップ基板をガラスで形成した実験の双方を行った。
また、支持基板と機能層との間には酸化シリコンによる第１の接合層（厚さ１μｍ）が介在し、機能層とキャップ基板の間には酸化シリコンによる酸化絶縁層、アルミニウム−ゲルマニウムの第２の接合層（酸化絶縁層と第２の接合層の厚さを合わせて１μｍ）が介在するものとして実験を行った（構造は図２、図３参照）。
ここでシリコンの線膨張係数（２２℃）を２．６０×１０-6、ヤング率を１５０ＧＰａ、ポアソン比を０．１７、ガラスの線膨張係数（２２℃）を３．２５×１０-6、ヤング率を６３ＧＰａ、ポアソン比を０．２５、酸化シリコンの線膨張係数（２２℃）を０．５６×１０-6、ヤング率を７２ＧＰａ、ポアソン比を０．２５とした。
実験では、支持基板の厚さＨ１を２００μｍに固定し、機能層の厚さＨ２を２０μｍに固定した。また、支持基板及びキャップ基板の幅寸法を０．５ｍｍ、幅寸法に直交する長さ寸法を０．５ｍｍとした。そして、初期状態（２５℃）の歪みを０とし、±２５℃の温度変化を与えながらシリコンあるいはガラスからなるキャップ基板の厚さＨ３を１００μｍ、２００μｍ、３００μｍと変化させたときのアンカ部のＸ方向（平面方向）への位置を求めた。
ここで「Ｘ方向への位置」とは、図１３に示すようにアンカ部の側面の支持基板との接合位置（実際には第１の接合層との接合位置）を基準位置０とし、前記基準位置０から上方方向（キャップ基板方向への方向）に向けての各高さ位置におけるアンカ部のＸ方向への側面位置で示される。
アンカ部のＸ方向への位置と高さ位置との関係を示したのが図１４である。図１４に示すようにキャップ基板をガラスにするとアンカ部のＸ方向への位置が基準位置０から離れるほど徐々に大きくなることがわかった。また、キャップ基板をシリコンにすると多少、アンカ部のＸ方向への位置に変動が生じるが、キャップ基板をガラスとした場合ほどでないことがわかった。
続いて上記の実験結果からキャップ基板の各厚みにおける基準位置０から２０μｍ離れた高さ位置（キャップ基板側との接合位置）でのアンカ部のＸ方向への位置−基準位置０でのアンカ部のＸ方向への位置、すなわちアンカ部のＸ方向への最大変形量を求めた。その実験結果が図１５に示されている。
また、図１６は、キャップ基板をガラスとした場合の各キャップ基板の厚さＨ３に対して、基準位置０、基準位置０から１０μｍ離れた高さ位置、基準位置０から２０μｍ離れた高さ位置でのＸ方向への位置をプロットしたグラフである。
また、図１７は、キャップ基板をシリコンとした場合の各キャップ基板の厚さＨ３に対して、基準位置０、基準位置０から１０μｍ離れた高さ位置、基準位置０から２０μｍ離れた高さ位置でのＸ方向への位置をプロットしたグラフである。
上記実験結果から、キャップ基板を支持基板と同じシリコンで形成した場合、アンカ部のＸ方向への変形量が非常に小さくなることがわかった。一方、キャップ基板をガラスとした場合、アンカ部のＸ方向への変形量は、キャップ基板をシリコンとした場合に比べて大きくなるものの、キャップ基板を支持基板と同じ２００μｍとした場合、最もアンカ部の変形量を小さくできることがわかった。
上記実験からキャップ基板と支持基板とを同材料で形成することが好ましいとわかった。このとき、キャップ基板と支持基板との膜厚差を１００μｍ以内に収めることが好適であり、キャップ基板の厚さと支持基板の厚さを同じに設定することが好ましい。またキャップ基板と支持基板をシリコンで形成することが好ましい。
また、キャップ基板をガラスで形成し、支持基板をシリコンで形成し、且つ、キャップ基板と支持基板とを同厚に設定してもよいことがわかった。
以上により、熱応力に起因するアンカ部の変形量を小さくでき、安定且つ高精度な検出精度を得ることが可能になる。
Ｈ１ 支持基板（第１基板）の厚さ
Ｈ２ 機能層の厚さ
Ｈ３ キャップ基板（第２基板）の厚さ
１ 支持基板
２ 機能層
３ 第１の接合層
４、１６、１７、１８ センサ部
５，１０，２３，２５，３３，３４，４２，５２，５４ アンカ部
１１ 枠体層
１２ キャップ部材
１３ キャップ基板
１４ 絶縁層
１５ 第２の接合層
２０ センサユニット
３５ リード層
５０ 外部接続パッド
５６ 第１の金属層
５７ 第２の金属層
Ｈ２ 機能層の厚さ
Ｈ３ キャップ基板（第２基板）の厚さ
１ 支持基板
２ 機能層
３ 第１の接合層
４、１６、１７、１８ センサ部
５，１０，２３，２５，３３，３４，４２，５２，５４ アンカ部
１１ 枠体層
１２ キャップ部材
１３ キャップ基板
１４ 絶縁層
１５ 第２の接合層
２０ センサユニット
３５ リード層
５０ 外部接続パッド
５６ 第１の金属層
５７ 第２の金属層
Claims (9)
- 第１基板と、センサ部、及び前記センサ部と一体に形成されたアンカ部を有する機能層と、前記アンカ部と前記第１基板間を接合する絶縁材料で形成された第１の接合層と、を有し、前記センサ部は前記第１基板に間隔を空けて配置されており、
前記第１基板の厚さは、前記機能層の厚さに対して１０倍〜３０倍の範囲内で形成されることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。 - 前記第１基板に前記機能層を介して対向する第２基板を有し、
前記センサ部は、前記第１基板及び前記第２基板と間隔を空けて配置され、前記アンカ部が、前記第２基板と第２の接合層を介して固定支持されている請求項１記載のＭＥＭＳセンサ。 - 前記第１基板と前記第２基板は、同材料で形成されている請求項２記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第１基板と前記第２基板とが同厚で形成されている請求項３記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第１基板と前記第２基板とがシリコンで形成されている請求項３又は４に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第１基板及び前記第２基板の一方がシリコンで他方がガラスで形成され、前記第１基板と前記第２基板とが同厚で形成されている請求項２記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第２基板の前記第１基板との対向面に絶縁層が設けられ、前記第２の接合層が金属による接合層で形成されており、前記第２の接合層に接続されるリード層が前記絶縁層内に埋設されている請求項２ないし６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第２基板の前記第１基板との対向面の反対面に絶縁層が設けられ、前記第２の接合層が金属による接合層で形成されており、前記第２の接合層と前記第２基板から分離して形成された貫通配線層を介して接続されるリード層が前記絶縁層内に埋設されている請求項２ないし６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第１基板及び前記機能層が共にシリコンで形成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳセンサ。
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