WO2015186727A1 - Ｍｅｍｓ構造体 - Google Patents

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WO2015186727A1
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ceiling
substrate
fixed electrode
electrode
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威 岡見
辻　信昭
潤弥 松岡
夕輝 植屋
崇 溝田
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株式会社村田製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G01C19/5762—Structural details or topology the devices having a single sensing mass the sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5769—Manufacturing; Mounting; Housings

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS structure manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS structures manufactured using MEMS technology have been used for various sensors (for example, acceleration sensors or gyro sensors) for detecting physical quantities.
  • the MEMS structure used for such a sensor has a movable part that can be displaced by an external factor, and detects a physical quantity by converting the deformation or displacement of the movable part into an electrical signal and outputting it. Composed.
  • Patent Document 1 As an invention relating to such a MEMS structure, for example, an invention described in JP 2011-083844 A (Patent Document 1) is known.
  • the MEMS device described in Patent Document 1 includes a lower electrode fixed on a substrate surface, and a first drive arm and a second drive arm that function as the movable part.
  • the first drive arm and the second drive arm in Patent Document 1 are cantilever beams extending horizontally from the first anchor base and the second anchor base formed on the substrate surface with a space between the lower electrode and the lower electrode.
  • the tip of each drive arm moves in the direction approaching / separating from the lower electrode (Z direction in Patent Document 1). ing.
  • the first drive arm and the second drive arm formed in a cantilever shape are arranged above the lower electrode on the substrate surface.
  • the free end of the movable portion is an electrostatic attractive force generated by the lower fixed electrode. Therefore, it is positioned closer to the fixed electrode than the fixed end side (that is, one end side) of the movable part.
  • the electrostatic attraction generated by the fixed electrode increases with the square of the distance between the movable portion and the fixed electrode, a larger electrostatic attraction acts on the free end of the movable portion.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and relates to a MEMS structure manufactured using MEMS technology, and provides a MEMS structure that can suppress the occurrence of a pull-in phenomenon due to electrostatic attraction of a fixed electrode. .
  • a MEMS structure includes a substrate, a support portion disposed on the substrate, a fixed electrode fixed on the substrate, and a movable member disposed separately from the fixed electrode. And a space between the movable portion and the torsion bar that pivotally supports the movable portion at one end of the movable portion and connects the support portion and the movable portion. And a ceiling part covering the movable part, and a counter electrode disposed on the ceiling part and opposed to the fixed electrode via the movable part.
  • the MEMS structure includes a substrate, a support portion, a fixed electrode, a movable portion, a torsion bar, a ceiling portion, and a counter electrode, and the movable portion is configured with respect to the fixed electrode. It is free and is disposed so as to be swingable about a torsion bar connected to one end thereof.
  • the counter electrode is disposed on the ceiling so as to face the fixed electrode through the movable part. Therefore, according to the MEMS structure, since the electrostatic attraction generated by the fixed electrode can be countered by the electrostatic attraction generated by the counter electrode, the occurrence of the pull-in phenomenon of the movable portion can be suppressed.
  • the MEMS structure according to another aspect of the present invention is the MEMS structure according to claim 1, wherein the counter electrode is disposed on the movable portion on an inner surface facing the movable portion in the ceiling portion. It protrudes toward you.
  • the distance between the counter electrode and the movable part is reduced. Can do.
  • the electrostatic attraction increases with the square of the distance between the movable part and the electrode, according to the MEMS structure, the electrostatic attraction at the counter electrode can be increased, and the pull-in can be performed more efficiently. Occurrence of the phenomenon can be suppressed.
  • a MEMS structure according to another aspect of the present invention is the MEMS structure according to claim 1 or 2, wherein the voltage of the fixed electrode and the voltage of the counter electrode are equal to each other.
  • the distance between the electrode and the movable part is larger than the distance between the fixed electrode and the movable part, and the area of the counter electrode facing the movable part is the surface facing the movable part. It is larger than the area of the fixed electrode.
  • the distance between the counter electrode and the movable part is greater than the distance between the fixed electrode and the movable part.
  • the area of the counter electrode facing the movable part is larger than the area of the fixed electrode facing the movable part.
  • the electrostatic attractive force of the counter electrode can be applied to the movable part on which the electrostatic attractive force of the fixed electrode acts, thereby suppressing the pull-in phenomenon of the movable part. be able to.
  • FIG. 1 It is a top view showing a schematic structure of a MEMS structure concerning one embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the II cross section in FIG. It is explanatory drawing which shows the manufacturing process of the ceiling part which concerns on one Embodiment of this invention. It is explanatory drawing regarding adhesion
  • the MEMS structure 1 according to the present embodiment is manufactured using a known MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, and constitutes a capacitive angular velocity sensor.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the MEMS structure 1 joins a ceiling part 50 to a frame-like support part 3, a main body part 20, and a movable weight 30 formed on a substrate 2 so as to cover the upper part thereof. Is made up of.
  • the substrate 2 is chipped into a plate shape having a substantially rectangular shape.
  • the direction along the short direction of the substrate 2 is the X direction
  • the direction perpendicular to the X direction and along the long direction of the substrate 2 is the Y direction
  • the direction perpendicular to both the X direction and the Y direction is defined as the Z direction.
  • the substrate 2 has an insulating layer formed so as to cover the upper surface of the flat core substrate, and an electrode 5 and a fixed electrode 10 are formed on the surface of the insulating layer of the substrate.
  • a frame-shaped support portion 3 On the upper surface of the substrate 2, for example, a frame-shaped support portion 3, a main body portion 20, a movable weight 30, and the like are formed by etching a low-resistance silicon material having conductivity.
  • the frame-like support portion 3 is formed in a frame shape along the outer peripheral edge of the substrate 2 and accommodates the main body portion 20, the movable weight 30 and the like in an airtight state by cooperating with a ceiling portion 50 described later. ing.
  • a through hole 4 is formed in the frame-shaped support portion 3, and the through hole 4 is electrically connected to the electrode 5.
  • the frame-like support portion 3 has a main body portion 20 and a flat movable weight 30.
  • the main body portion 20 and the movable weight 30 are located on the surface of the substrate 2. They are arranged at a predetermined interval (first distance Da in FIG. 2).
  • the main body 20 is connected to anchors 22 erected at the four corners of the substrate 2 via drive springs 21 and is separated from the surface of the substrate 2 by a predetermined distance (first distance Da). They are arranged in parallel.
  • the main body 20 has a movable electrode for vibration (not shown), and can vibrate in the X direction by cooperating with a fixed electrode for vibration (not shown) disposed on the surface of the substrate 2. Is formed.
  • the anchor 22 is erected in a rectangular parallelepiped shape at the four corners of the substrate 2, and a drive spring 21 formed at a corner of the main body 20 is connected thereto.
  • Each driving spring 21 has one end connected to the corner of the main body 20 and the other end connected to the anchor 22, and is configured to be expandable and contractable in the X direction. Therefore, the main body portion 20 is held in a state of being floated on the substrate 2 by being supported by the driving springs 21 on the respective anchors 22 fixed to the four corners of the substrate 2.
  • Each anchor 22 has a through hole 23 in which a conductive material is embedded. The through hole 23 is electrically connected to an electrode (not shown) different from the electrode 5, and an arbitrary voltage is applied thereto.
  • a movable weight 30 is formed in the central portion of the main body 20. As shown in FIGS. 1 and 2, the movable weight 30 is formed in a substantially rectangular plate shape in plan view, and is arranged so that the long side is along the X direction. The movable weight 30 is formed to be movable relative to the main body portion 20 via the torsion bar 31, and has a predetermined distance (first distance) with respect to the fixed electrode 10 disposed on the surface of the substrate 2. It arrange
  • a pair of torsion bars 31 are formed on one end side in the long side direction of the movable weight 30 (that is, the end portion on the ⁇ X direction side), and a gap between the movable weight 30 and the main body portion 20 is formed. Connected. Therefore, the movable weight 30 is supported so as to be swingable with respect to the main body 20 around the torsion bar 31 as an axis, and the other end side of the movable weight 30 can be displaced in the Z direction. Thereby, since the electrostatic capacitance between the movable weight 30 and the fixed electrode 10 can be changed, the change in angular velocity can be detected by the change in the electrostatic capacitance.
  • the movable weight 30 is normally formed so as to be positioned substantially on the same plane as the main body portion 20 (that is, when no external factor is acting), and the upper surface of the movable weight 30 is the upper surface of the main body portion 20. And the position in the Z direction are the same (see FIG. 2).
  • the torsion bar 31 is formed on one end side of the movable weight 30 in the long side direction (that is, the end portion on the ⁇ X direction side) and has a bar shape extending along the short side direction (Y direction) of the movable weight 30. ing. One end of the torsion bar 31 is connected to the main body 20, and the other end is connected to one end of the movable weight 30 in the X direction. Therefore, the torsion bar 31 supports one end side of the movable weight 30 in the X direction so as to be swingable with respect to the main body 20, and twists and deforms as the movable weight 30 swings.
  • the ceiling part 50 is disposed so as to cover the upper part of the main body part 20, the movable weight 30 and the like formed on the substrate 2, and has a ceiling support part 51 and a counter electrode part 52. is doing.
  • the ceiling support portion 51 is a portion that is bonded to the upper surface of the frame-shaped support portion 3 formed on the substrate 2 via the adhesive layer 55 so as to cover the upper portion of the main body portion 20 and the movable weight 30.
  • the ceiling part 50 is supported.
  • the counter electrode portion 52 faces the fixed electrode 10 fixed on the substrate 2 through the movable weight 30 when the ceiling portion 50 is disposed so as to cover the upper portion of the main body portion 20, the movable weight 30, and the like. And protrudes toward the movable weight 30 (see FIGS. 1 and 2).
  • the counter electrode portion 52 is formed in a wider range than the fixed electrode 10 disposed on the substrate 2 in both the X direction and the Y direction.
  • the protruding counter electrode part 52 is positioned at a predetermined distance (second distance Db) from the movable weight 30. Be placed. As shown in FIG. 2, the second distance Db is larger than the first distance Da that is the distance between the fixed electrode 10 and the movable weight 30.
  • the ceiling 50 described above is manufactured based on the ceiling substrate 60.
  • the surface of the ceiling substrate 60 is etched to form a part of the ceiling support portion 51 in the ceiling portion 50, and the ceiling.
  • a germanium layer 61 constituting the adhesive layer 55 is laminated on the end portion constituting the lower end of the support portion 51.
  • the oxide layer 63 is laminated on the germanium layer 61 laminated on the end constituting the lower end of the ceiling support portion 51, and the oxide layer 63 is formed on the formation range of the counter electrode portion 52.
  • Laminate see FIG. 3B).
  • a resist layer 64 is laminated on the surface of the ceiling substrate 60 on which the germanium layer 61 and the oxide layer 63 are laminated, and the other portions are etched, whereby the chip is obtained.
  • a chip connection layer 65 that connects the ceiling portions 50 formed in units is formed. After the chip connection layer 65 is formed, the resist layer 64 and the oxide layer 63 are removed, and the surface of the ceiling substrate 60 is etched to form the ceiling support portion 51 and the counter electrode portion 52 in the ceiling portion 50.
  • the ceiling substrate 60 on which the ceiling portion 50 is formed is bonded to the substrate 2 on which the frame-shaped support portion 3, the main body portion 20, the movable weight 30 and the like are formed by a known MEMS technique.
  • the end of the ceiling support part 51 on which the germanium layer 61 is laminated is aligned with the upper surface of the frame-like support part 3 on which the aluminum alloy layer 62 is laminated, and the Z direction is reached. Pressurize and warm them. By this heating, an adhesive layer 55 is formed by the germanium layer 61 and the aluminum alloy layer 62, so that the ceiling support portion 51 of the ceiling portion 50 is bonded to the upper surface of the frame-shaped support portion 3.
  • the entire surface of the ceiling substrate 60 is cut by an amount corresponding to the thickness in the Z direction corresponding to the chip connection layer 65, whereby the MEMS structure 1 to which the ceiling portion 50 is bonded is formed into chips as shown in FIG. To do.
  • the movable weight 30 is supported at the end portion on the ⁇ X direction side so as to be swingable about the torsion bar 31, and downward from the movable weight 30.
  • the fixed electrode 10 is disposed at a position separated by the first distance Da (see FIG. 2). Accordingly, the electrostatic attractive force generated by the fixed electrode 10 acts to pull the end of the movable weight 30 on the + X direction side toward the fixed electrode 10 ( ⁇ Z direction) side.
  • the ceiling portion 50 is electrically connected to the electrode 5 through the through hole 4 in the frame-like support portion 3, and has the same polarity as the fixed electrode 10 on the substrate 2.
  • the counter electrode portion 52 of the ceiling portion 50 is disposed at a position spaced apart from the movable weight 30 by the second distance Db. Therefore, the electrostatic attractive force generated by the counter electrode portion 52 acts to pull the end portion of the movable weight 30 on the + X direction side toward the fixed electrode 10 (+ Z direction) side. That is, in the MEMS structure 1 according to the present embodiment, the electrostatic attractive force due to the counter electrode portion 52 acts on the movable weight 30 in the opposite direction to the electrostatic attractive force due to the fixed electrode 10. It is possible to suppress the occurrence of the pull-in phenomenon.
  • the counter electrode portion 52 protrudes on the inner upper surface of the ceiling portion 50 and is disposed closer to the movable weight 30 side than the other portions constituting the inner upper surface of the ceiling portion 50.
  • the magnitude of the electrostatic attractive force between the counter electrode part 52 and the movable weight 30 increases with the square of the distance between the counter electrode part 52 and the movable weight 30. Therefore, according to the MEMS structure 1, it is possible to increase the electrostatic attractive force in the counter electrode part 52 by forming the counter electrode part 52 so as to protrude and reducing the second distance Db. The occurrence of the pull-in phenomenon can be suppressed efficiently.
  • the ceiling part 50 is in contact with the through hole 4 of the frame-like support part 3 via the ceiling support part 51 (see FIG. 2). Accordingly, the counter electrode portion 52 of the ceiling portion 50 has the same voltage as the fixed electrode 10 of the substrate 2.
  • the second distance Db indicating the distance between the counter electrode portion 52 and the movable weight 30 is the fixed electrode 10 and the movable electrode. It is larger than the first distance Da indicating the interval between the weights 30.
  • the area of the counter electrode portion 52 that faces the movable weight 30 is larger than the area of the fixed electrode 10 that faces the movable weight 30, as indicated by a broken line and an alternate long and short dash line.
  • the relationship between the fixed electrode 10, the movable weight 30, and the counter electrode portion 52 is set as described above, so that the fixed electrode 10 acting on the movable weight 30 is set.
  • the magnitude of the electrostatic attraction and the magnitude of the electrostatic attraction by the counter electrode 52 acting on the movable weight 30 can be made substantially equal, and the movable weight 30 is positioned at a desired initial position (ie, a horizontal state). be able to.
  • the MEMS structure 1 includes the substrate 2, the main body 20, the fixed electrode 10, the movable weight 30, the torsion bar 31, the ceiling 50, and the counter electrode 52.
  • the movable weight 30 is separated from the fixed electrode 10 and is disposed so as to be swingable around a torsion bar 31 connected to one end thereof.
  • the counter electrode part 52 is disposed on the ceiling part 50 so as to face the fixed electrode 10 with the movable weight 30 interposed therebetween. Therefore, according to the MEMS structure 1, it is possible to counter the electrostatic attraction generated by the fixed electrode 10 with the electrostatic attraction generated by the counter electrode having the same polarity, so that the pull-in phenomenon occurs in the movable weight 30. Can be suppressed.
  • the counter electrode portion 52 protrudes toward the movable weight 30 on the inner side surface facing the movable weight 30 in the ceiling portion 50, the other portion on the inner side surface, The distance to the movable weight 30 (second distance Db) can be reduced (see FIG. 2).
  • the electrostatic attraction increases with the square of the distance to the movable weight 30, according to the MEMS structure 1, the electrostatic attraction in the counter electrode portion 52 can be increased and more efficiently. The occurrence of the pull-in phenomenon can be suppressed.
  • the ceiling 50 is in contact with the through hole 4 of the frame-shaped support 3 via the ceiling support 51, and thus the counter electrode portion of the ceiling 50.
  • 52 is the same voltage as the fixed electrode 10 of the substrate 2.
  • the second distance Db between the counter electrode portion 52 and the movable weight 30 is larger than the first distance Da between the fixed electrode 10 and the movable weight 30, and the counter electrode facing the movable weight 30.
  • the area of the part 52 is larger than the area of the fixed electrode 10 facing the movable weight 30.
  • the relationship between the fixed electrode 10, the movable weight 30, and the counter electrode portion 52 is set as described above, so that the fixed electrode 10 acting on the movable weight 30 is set.
  • the magnitude of the electrostatic attraction and the magnitude of the electrostatic attraction by the counter electrode 52 acting on the movable weight 30 can be made substantially equal, and the movable weight 30 is positioned at a desired initial position (ie, a horizontal state). be able to.
  • the present invention has been described above based on the embodiments.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the physical quantity detected by the sensor using the MEMS structure is not limited to the angular velocity described above, and the direction in which the physical quantity can be detected (such as the Z direction) can be changed as appropriate.
  • the shape and configuration of each part constituting the MEMS structure 1 is an example, and may be changed as appropriate.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment as long as the electrostatic attractive force generated in the fixed electrode and the electrostatic attractive force generated in the counter electrode can be applied to the movable part in the opposite direction with the same magnitude. It is not limited to.
  • the voltage of the fixed electrode 10 and the counter electrode unit 52 is the same.
  • the electrostatic attractive force generated in the fixed electrode can be reduced. It is also possible to adopt a configuration in which the electrostatic attractive force generated in the counter electrode acts equally on the movable part.
  • the MEMS structure 1 is an example of the MEMS structure of the present invention.
  • the main body portion 20 is an example of a support portion.
  • the fixed electrode 10 is an example of a fixed electrode.
  • the movable weight 30 is an example of a movable part.
  • the torsion bar 31 is an example of a torsion bar.
  • the ceiling part 50 is an example of a ceiling part.
  • the counter electrode unit 52 is an example of a counter electrode.
  • the X direction and the Y direction are examples of a plane direction parallel to the plane of the substrate.
  • the Z direction is an example of a direction perpendicular to the plane of the substrate.
  • 1 MEMS structure 2 substrate, 3 frame support, 4, 23 through hole, 5 electrode, 10 fixed electrode, 20 body, 21 drive spring, 22 anchor, 30 movable weight, 31 torsion bar, 50 ceiling , 51 ceiling support part, 52 counter electrode part, 55 adhesive layer, 60 ceiling substrate, 61 germanium layer, 62 aluminum alloy layer, 63 oxide layer, 64 resist layer, 65 chip connection layer.

Abstract

　ＭＥＭＳ構造体(１)は、基板(２)と、基板(２)に配設された支持部(３)と、基板(２)上に固定された固定電極(１０)と、固定電極(１０)に対して遊離して配置された可動部(３０)と、支持部(３)と可動部(３０)との間を接続し、可動部(３０)を可動部(３０)の一端部において揺動可能に軸支するトーションバー(３１)と、可動部(３０)との間に間隔を隔てると共に、可動部(３０)を覆う天井部(５０)と、天井部(５０)に配設され、可動部(３０)を介して、固定電極(１０)と対向する対向電極(５２)とを有する。

Description

ＭＥＭＳ構造体
　本発明は、ＭＥＭＳ(Micro　Electro　Mechanical　Systems)技術を用いて製造されたＭＥＭＳ構造体に関する。
　近年、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたＭＥＭＳ構造体は、物理量を検出する為の種々のセンサ(例えば、加速度センサまたはジャイロセンサ等)に用いられている。このようなセンサに用いられるＭＥＭＳ構造体は、外因によって変位可能な可動部を有しており、当該可動部の変形または変位を電気信号に変換して出力することで、物理量を検出するように構成される。
　このようなＭＥＭＳ構造体に関する発明として、例えば、特開２０１１－０８３８４４号公報(特許文献１)に記載の発明が知られている。特許文献１に記載のＭＥＭＳデバイスは、基板表面に固設された下部電極と、上記可動部として機能する第１駆動腕、第２駆動腕とを有して構成されている。特許文献１における第１駆動腕及び第２駆動腕は、基板表面に形成された第１アンカーベース、第２アンカーベースから、下部電極との間に空間を隔てて、水平に伸びる片持ち梁状に形成されており、下部電極との間に電位差を生じさせると、各駆動腕の先端部が下部電極に対して近接・離間する方向(特許文献１におけるＺ方向)へ移動するように構成されている。
特開２０１１－０８３８４４号公報
　上述したように、特許文献１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいては、片持ち梁状に形成された第１駆動腕、第２駆動腕が、基板表面の下部電極の上方に配置されている。特許文献１に記載の各駆動腕のように、可動部の一端部側を支持し、他端側を自由端として構成した場合、可動部の自由端は、下部の固定電極により生じる静電引力によって、当該可動部の固定端側(即ち、一端部側)よりも固定電極側に位置する。ここで、固定電極によって生じる静電引力は、可動部と固定電極との間の距離の二乗で増加する為、可動部の自由端には、より大きな静電引力が作用することになる。この結果、このような構成の場合、可動部の自由端が固定電極側に引き込まれた状態で安定し、元の状態(例えば、水平な状態)に復元し得ない現象(即ち、プルイン現象)が生じる虞がある。
　本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたＭＥＭＳ構造体に関し、固定電極の静電引力によるプルイン現象の発生を抑制可能なＭＥＭＳ構造体を提供する。
　本発明の一側面に係るＭＥＭＳ構造体は、基板と、前記基板に配設された支持部と、前記基板上に固定された固定電極と、前記固定電極に対して遊離して配置された可動部と、前記支持部と前記可動部との間を接続し、前記可動部を前記可動部の一端部において揺動可能に軸支するトーションバーと、前記可動部との間に間隔を隔てると共に、当該可動部を覆う天井部と、前記天井部に配設され、前記可動部を介して、前記固定電極と対向する対向電極とを有する。
　当該ＭＥＭＳ構造体は、基板と、支持部と、固定電極と、可動部と、トーションバーと、天井部と、対向電極とを有して構成されており、可動部は、固定電極に対して遊離しており、その一端部に接続されたトーションバーを軸として揺動可能に配置されている。対向電極は、可動部を介して固定電極と対向するように天井部に配設されている。従って、当該ＭＥＭＳ構造体によれば、固定電極によって生じる静電引力に対して、対向電極によって生じる静電引力をもって対抗することができるので、可動部のプルイン現象の発生を抑制することができる。
　本発明の他の側面に係るＭＥＭＳ構造体は、請求項１に記載のＭＥＭＳ構造体であって、前記対向電極は、前記天井部において前記可動部に面する内側面にて、前記可動部に向かって近づくように突出している。
　当該ＭＥＭＳ構造体において、対向電極は、前記天井部において前記可動部に面する内側面にて、前記可動部に向かって近づくように突出しているので、対向電極と可動部の距離を小さくすることができる。ここで、静電引力は、可動部と電極との間の距離の二乗で増加するので、当該ＭＥＭＳ構造体によれば、対向電極における静電引力を大きくすることができ、より効率よく、プルイン現象の発生を抑制することができる。
　又、本発明の他の側面に係るＭＥＭＳ構造体は、請求項１又は請求項２に記載のＭＥＭＳ構造体であって、前記固定電極の電圧と前記対向電極の電圧とが等しいとき、前記対向電極と前記可動部との間の距離は、前記固定電極と前記可動部との間の距離よりも大きく、かつ、前記可動部に面する前記対向電極の面積は、前記可動部に面する前記固定電極の面積よりも大きい。
　当該ＭＥＭＳ構造体においては、前記固定電極の電圧と前記対向電極の電圧とが等しいとき、前記対向電極と前記可動部との間の距離は、前記固定電極と前記可動部との間の距離よりも大きく、かつ、前記可動部に面する前記対向電極の面積は、前記可動部に面する前記固定電極の面積よりも大きい。当該ＭＥＭＳ構造体によれば、可動部に作用する固定電極による静電引力の大きさと、可動部に作用する対向電極による静電引力の大きさとをほぼ等しくすることができ、可動部を所望の初期位置に位置させることができる。
　本発明に係るＭＥＭＳ構造体によれば、固定電極の静電引力が作用する可動部に対し、対向電極の静電引力を作用させることができ、もって、可動部のプルイン現象の発生を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ構造体の概略構成を示す平面図である。 図１におけるＩ－Ｉ断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る天井部の製造プロセスを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ構造体における天井部の接着に関する説明図である。
　以下、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ構造体として、静電容量型の角速度センサの一部を構成するＭＥＭＳ構造体について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。尚、下記の説明に用いる図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
　先ず、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１の概略構成について、図面を参照しつつ詳細に説明する。上述したように、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１は、公知のＭＥＭＳ(Micro　Electro　Mechanical　Systems)技術を用いて製造されており、静電容量型の角速度センサを構成している。
　(ＭＥＭＳ構造体の構成)
　図１に示すように、ＭＥＭＳ構造体１は、基板２上に形成された枠状支持部３、本体部２０、可動錘３０に対して、その上方を覆うように、天井部５０を接合することによって構成されている。図１に示すように、基板２は、略長方形状を為す板状にチップ化されている。
　尚、以下の説明においては、図１に矢印で示すように、基板２の短手方向に沿った方向をＸ方向、Ｘ方向に対して直角で基板２の長手方向に沿った方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向との両方に直角となる方向をＺ方向と定義して説明する。
　基板２は、平板状のコア基板の上面を覆うように形成された絶縁層を有しており、当該基板の絶縁層の表面には、電極５及び固定電極１０が形成されている。基板２上面には、例えば導電性を有する低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工を施すことによって、枠状支持部３、本体部２０、可動錘３０等が形成されている。
　枠状支持部３は、基板２の外周縁に沿って枠状に形成され、後述する天井部５０と協働することによって、その内部に本体部２０、可動錘３０等を気密状態で収容している。又、枠状支持部３には、スルーホール４が形成されており、当該スルーホール４は、電極５と電気的に接続されている。
　図１に示すように、枠状支持部３の内部には、本体部２０と、平板状の可動錘３０とを有しており、本体部２０及び可動錘３０は、基板２表面に対して所定の間隔(図２中、第１距離Ｄａ)を隔てて配置されている。
　本体部２０は、基板２の四隅に立設されたアンカー２２に対して、駆動用バネ２１を介して接続されており、基板２表面に対して所定の間隔(第１距離Ｄａ)を隔てて平行に配置されている。当該本体部２０は、振動用可動電極(図示せず)を有しており、基板２表面に配設された振動用固定電極(図示せず)と協働させることによって、Ｘ方向に振動可能に形成されている。
　アンカー２２は、基板２の四隅において、直方体形状に立設されており、本体部２０の角部に形成された駆動用バネ２１が接続されている。各駆動用バネ２１は、一端部が本体部２０の角部に接続され、他端部がアンカー２２に接続されており、Ｘ方向に伸縮可能に構成されている。従って、本体部２０は、基板２の四隅に固定された各アンカー２２に駆動用バネ２１により支持されることによって、基板２上に浮いた状態で保持されている。又、各アンカー２２は、それぞれ、導電材料が埋め込まれたスルーホール２３を有している。当該スルーホール２３は、電極５とは異なる電極(図示せず)と電気的に接続されており、任意の電圧が印加されている。
　本体部２０の中央部分には、可動錘３０が形成されている。図１、図２に示すように、可動錘３０は、平面視が略長方形の板状に形成されており、長辺がＸ方向に沿うように配置されている。可動錘３０は、トーションバー３１を介して、本体部２０に対して相対的に運動可能に形成されており、基板２表面に配置された固定電極１０に対して、所定の間隔(第１距離Ｄａ)を隔てて対向するように配置されている。
　具体的には、可動錘３０の長辺方向における一端側(即ち、－Ｘ方向側の端部)には、一対のトーションバー３１が形成されており、可動錘３０と本体部２０の間を接続している。従って、可動錘３０は、本体部２０に対して、トーションバー３１を軸として揺動可能に支持されており、可動錘３０の他端側をＺ方向へ変位させることができる。これにより、可動錘３０と固定電極１０の間の静電容量を変化させることができるので、当該静電容量の変化によって、角速度の変化を検出することができる。
　尚、可動錘３０は、通常(即ち、何等の外因も作用していない場合)、本体部２０と略同一平面上に位置するように形成されており、可動錘３０上面は、本体部２０上面とＺ方向における位置が同一となる(図２参照)。
　トーションバー３１は、長辺方向における可動錘３０の一端側(即ち、－Ｘ方向側の端部)に形成されており、可動錘３０の短辺方向(Ｙ方向)に沿って伸びる棒状をなしている。トーションバー３１の一端部は、本体部２０に対して接続されており、他端部は、Ｘ方向における可動錘３０の一端側に接続されている。従って、当該トーションバー３１は、Ｘ方向における可動錘３０の一端側を、本体部２０に対して揺動可能に支持しており、可動錘３０の揺動に伴って捩れ変形する。
　図２に示すように、天井部５０は、基板２上に形成された本体部２０、可動錘３０等の上方を覆うように配設され、天井支持部５１と、対向電極部５２とを有している。天井支持部５１は、基板２上に形成された枠状支持部３の上面に対して、接着層５５を介して接着される部分であり、本体部２０及び可動錘３０の上方を覆うように、天井部５０を支持する。
　対向電極部５２は、本体部２０、可動錘３０等の上方を覆うように天井部５０を配設した場合に、可動錘３０を介して、基板２上に固設された固定電極１０と対向する位置に形成されており、可動錘３０側に向かって突出している(図１、図２参照)。対向電極部５２は、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれにおいても、基板２上に配置された固定電極１０よりも広い範囲に形成される。可動錘３０等の上方を覆うように天井部５０を配設した場合に、突出している対向電極部５２は、可動錘３０との間に所定の間隔(第２距離Ｄｂ)を隔てた位置に配置される。図２に示すように、第２距離Ｄｂは、固定電極１０と可動錘３０との間の距離である第１距離Ｄａよりも大きな値を示す。
　(天井部の製造プロセス)
　続いて、当該天井部５０の製造プロセスについて、図３を参照しつつ説明する。上述した天井部５０は、天井用基板６０を基にして製造される。天井部５０を製造する際には、図３(Ａ)に示すように、先ず、天井用基板６０表面をエッチングすることによって、天井部５０における天井支持部５１の一部を形成すると共に、天井支持部５１の下端を構成する端部に、接着層５５を構成するゲルマニウム層６１を積層する。続いて、天井支持部５１の下端を構成する端部に積層されたゲルマニウム層６１に対して、酸化物層６３を積層すると共に、対向電極部５２の形成範囲に対して、酸化物層６３を積層する(図３(Ｂ)参照)。
　その後、図３(Ｃ)に示すように、ゲルマニウム層６１及び酸化物層６３が積層された天井用基板６０表面に対して、レジスト層６４を積層し、他の部分をエッチングすることによって、チップ単位で形成される天井部５０を連結するチップ連結層６５を形成する。チップ連結層６５を形成した後、レジスト層６４及び酸化物層６３を除去し、天井用基板６０表面をエッチングすることによって、天井部５０における天井支持部５１及び対向電極部５２を形成する。
　こうして、天井部５０が形成された天井用基板６０を、公知のＭＥＭＳ技術によって、枠状支持部３、本体部２０、可動錘３０等が形成された基板２に対して接着する。具体的には、図４に示すように、アルミ合金層６２が積層された枠状支持部３上面に対して、ゲルマニウム層６１が積層された天井支持部５１の端部を合わせ、Ｚ方向へ加圧し、これらを加温する。この加温によって、ゲルマニウム層６１とアルミ合金層６２による接着層５５が形成される為、枠状支持部３上面に対して、天井部５０の天井支持部５１が接着される。その後、チップ連結層６５に相当するＺ方向の厚みの分だけ、天井用基板６０の全面を削ることにより、天井部５０が接着されたＭＥＭＳ構造体１を、図２に示すように、チップ化する。
　このようにして製造されたＭＥＭＳ構造体１においては、可動錘３０は、－Ｘ方向側の端部において、トーションバー３１を軸に揺動可能に支持されており、当該可動錘３０から下方へ第１距離Ｄａ離間した位置に、固定電極１０が配置されている(図２参照)。従って、固定電極１０により生じる静電引力は、＋Ｘ方向側における可動錘３０の端部を、固定電極１０(－Ｚ方向)側に引き込むように作用する。
　ここで、図２に示すように、天井部５０は、枠状支持部３におけるスルーホール４を介して、電極５と電気的に接続されており、基板２上の固定電極１０と同極を示す。天井部５０の対向電極部５２は、可動錘３０の上方へ第２距離Ｄｂ離間した位置に配置されている。従って、対向電極部５２により生じる静電引力は、＋Ｘ方向側における可動錘３０の端部を、固定電極１０(＋Ｚ方向)側に引き込むように作用する。即ち、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１においては、対向電極部５２による静電引力は、可動錘３０に対して、固定電極１０による静電引力と逆の向きに作用するので、可動錘３０におけるプルイン現象の発生を抑制することができる。
　対向電極部５２は、天井部５０の内側上面において突出しており、天井部５０の内側上面を構成する他の部分よりも、可動錘３０側に接近して配置される。ここで、対向電極部５２と可動錘３０の間における静電引力の大きさは、対向電極部５２と可動錘３０との距離の二乗で増加する。従って、当該ＭＥＭＳ構造体１によれば、対向電極部５２を突出するように形成して、第２距離Ｄｂを小さくすることで、対向電極部５２における静電引力を大きくすることができ、より効率よく、プルイン現象の発生を抑制することができる。
　本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１においては、天井部５０は、天井支持部５１を介して、枠状支持部３のスルーホール４に接触している(図２参照)。従って、天井部５０の対向電極部５２は、基板２の固定電極１０と同じ電圧となる。又、図２に示すように、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１においては、前記対向電極部５２と前記可動錘３０の間の間隔を示す第２距離Ｄｂは、前記固定電極１０と前記可動錘３０の間の間隔を示す第１距離Ｄａよりも大きい。図１において、破線及び一点鎖線で示すように、可動錘３０に面する前記対向電極部５２の面積は、前記可動錘３０に面する前記固定電極１０の面積よりも大きい。
　従って、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１によれば、固定電極１０、可動錘３０、対向電極部５２の関係を、上述したように設定することで、可動錘３０に作用する固定電極１０による静電引力の大きさと、可動錘３０に作用する対向電極部５２による静電引力の大きさをほぼ等しくすることができ、可動錘３０を所望の初期位置(即ち、水平な状態)に位置させることができる。
　以上説明したように、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１は、基板２と、本体部２０と、固定電極１０と、可動錘３０と、トーションバー３１と、天井部５０と、対向電極部５２とを有して構成されており、可動錘３０は、固定電極１０に対して遊離しており、その一端部に接続されたトーションバー３１を軸として揺動可能に配置されている。対向電極部５２は、可動錘３０を介して固定電極１０と対向するように天井部５０に配設されている。従って、当該ＭＥＭＳ構造体１によれば、固定電極１０によって生じる静電引力に対して、同極を示す対向電極によって生じる静電引力をもって対抗することができるので、可動錘３０におけるプルイン現象の発生を抑制することができる。
　又、対向電極部５２は、前記天井部５０において前記可動錘３０に面する内側面にて、前記可動錘３０に向かって近づくように突出しているため、前記内側面における他の部分よりも、可動錘３０までの距離(第２距離Ｄｂ)を小さくすることができる(図２参照)。ここで、静電引力は、可動錘３０までの間の距離の二乗で増加するので、当該ＭＥＭＳ構造体１によれば、対向電極部５２における静電引力を大きくすることができ、より効率よく、プルイン現象の発生を抑制することができる。
　又、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１においては、天井部５０は、天井支持部５１を介して、枠状支持部３のスルーホール４に接触している為、天井部５０の対向電極部５２は、基板２の固定電極１０と同じ電圧となる。そして、前記対向電極部５２と前記可動錘３０の間の第２距離Ｄｂは、前記固定電極１０と前記可動錘３０の間の第１距離Ｄａよりも大きく、可動錘３０に面する前記対向電極部５２の面積は、前記可動錘３０に面する前記固定電極１０の面積よりも大きい。
　従って、本実施形態に係るＭＥＭＳ構造体１によれば、固定電極１０、可動錘３０、対向電極部５２の関係を、上述したように設定することで、可動錘３０に作用する固定電極１０による静電引力の大きさと、可動錘３０に作用する対向電極部５２による静電引力の大きさをほぼ等しくすることができ、可動錘３０を所望の初期位置(即ち、水平な状態)に位置させることができる。
　以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。例えば、当該ＭＥＭＳ構造体が用いられるセンサによって検出される物理量は、上述した角速度に限定されるものでなく、更に、物理量を検出可能な方向(Ｚ方向等)も適宜変更することができる。又、ＭＥＭＳ構造体１を構成する各部の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。
　又、本発明は、固定電極に発生する静電引力と、対向電極に発生する静電引力とを、可動部に対して、等しい大きさで逆向きに作用させることができれば、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、固定電極１０と対向電極部５２の電圧を同じにした構成であったが、対向電極部５２の電圧を調整することによって、固定電極に発生する静電引力と、対向電極に発生する静電引力とを、可動部に等しく作用させる構成を採用することも可能である。
　尚、上述した各実施形態において、ＭＥＭＳ構造体１は、本発明のＭＥＭＳ構造体の一例である。本体部２０は、支持部の一例である。固定電極１０は、固定電極の一例である。可動錘３０は、可動部の一例である。トーションバー３１は、トーションバーの一例である。天井部５０は、天井部の一例である。対向電極部５２は、対向電極の一例である。そして、Ｘ方向及びＹ方向は、基板の平面に平行な平面方向の一例である。Ｚ方向は、基板の平面に対して垂直な方向の一例である。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　ＭＥＭＳ構造体、２　基板、３　枠状支持部、４，２３　スルーホール、５　電極、１０　固定電極、２０　本体部、２１　駆動用バネ、２２　アンカー、３０　可動錘、３１　トーションバー、５０　天井部、５１　天井支持部、５２　対向電極部、５５　接着層、６０　天井用基板、６１　ゲルマニウム層、６２　アルミ合金層、６３　酸化物層、６４　レジスト層、６５　チップ連結層。

Claims (3)

  1. 　基板と、
    　前記基板に配設された支持部と、
    　前記基板上に固定された固定電極と、
    　前記固定電極に対して遊離して配置された可動部と、
    　前記支持部と前記可動部との間を接続し、前記可動部を前記可動部の一端部において揺動可能に軸支するトーションバーと、
    　前記可動部との間に間隔を隔てると共に、当該可動部を覆う天井部と、
    　前記天井部に配設され、前記可動部を介して、前記固定電極と対向する対向電極とを有する、ＭＥＭＳ構造体。
  2. 　前記対向電極は、前記天井部において前記可動部に面する内側面にて、前記可動部に向かって近づくように突出している、請求項１に記載のＭＥＭＳ構造体。
  3. 　前記固定電極の電圧と前記対向電極の電圧とが等しいとき、前記対向電極と前記可動部との間の距離は、前記固定電極と前記可動部との間の距離よりも大きく、かつ、前記可動部に面する前記対向電極の面積は、前記可動部に面する前記固定電極の面積よりも大きい、請求項１又は請求項２に記載のＭＥＭＳ構造体。
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