JP2010008128A

JP2010008128A - Ｍｅｍｓ

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Publication number: JP2010008128A
Application number: JP2008165473A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Hattori; 敦夫服部
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-01-14
Also published as: CN101613074A; CN101613074B; US20090320597A1; EP2138851A1

Abstract

【課題】３次元のベクトルを測定するためのＭＥＭＳを小型化し製造コストを低減する。
【解決手段】ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、ｙ方向長さがｘ方向長さより短い支持部と、ｙ方向に並び互いに平行に前記支持部に対してｘ方向に架設されｙ方向長さがｘ方向長さより短い膜状の２つの梁部と、２つの前記梁部のそれぞれの中央に架設されている一体の錘部と、２つの前記梁部のそれぞれに複数設けられ、前記梁部の変形に応じた歪みを検出することにより前記錘部に作用する力に対応するベクトルのｘｙｚ成分を測定するための歪み検出手段と、を備え、前記錘部は、２つの前記梁部に架設されている結合部と、２つの前記梁部の間において前記結合部から互いに逆向きに突出する２つの凸部とを有するとともにｙ方向長さがｘ方向長さより短い、ＭＥＭＳ。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に関し、特に加速度、角速度などの３次元のベクトルを測定するためのＭＥＭＳに関する。

従来、加速度、角速度、振動方向などを測定するためのモーションセンサとして機能するＭＥＭＳが知られている。特許文献１、２には正方形の枠の形態を有する支持部に２つの梁部が平行に架設されるとともに２つの梁部の中央部に錘部が架設された加速度センサが開示されている。加速度、角速度、振動方向といった３次元のベクトルを測定するためのモーションセンサでは３軸のそれぞれの感度が等しくなるように梁部と錘部の形状を設計することが望ましい。そして従来は正方形の枠の形態を有する支持部に対して錘部および梁部の形状が設計されていた。
特開平１１−４４７０５号公報特開２００７−３２１１号公報

しかし、ダイの外形を構成する支持部と錘部と梁部の形態は１枚のウエハに配置可能なＭＥＭＳの数を決めることになるため、製造コストにも影響する。

本発明は３次元のベクトルを測定するためのＭＥＭＳを小型化し製造コストを低減することを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、ｙ方向長さがｘ方向長さより短い支持部と、ｙ方向に並び互いに平行に前記支持部に対して平行に架設されｙ方向長さがｘ方向長さより短い膜状の２つの梁部と、２つの前記梁部のそれぞれの中央に架設されている一体の錘部と、２つの前記梁部のそれぞれに複数設けられ、前記梁部の変形に応じた歪みを検出することにより前記錘部に作用する力に対応するベクトルのｘｙｚ成分を測定するための歪み検出手段と、を備え、前記錘部は、２つの前記梁部に架設されている結合部と、２つの前記梁部の間において前記結合部から互いに逆向きに突出する２つの凸部とを有するとともにｙ方向長さがｘ方向長さより短い。

本発明によると、錘部の体積とともに質量を大きくして感度を高めるため、２つの梁部の中央に架設される錘部の結合部から錘部の２つの凸部を梁部の間において互いに逆向きに突出させ、２つの梁部の間の空間を錘部によって利用する。そしてｘ方向に長くｙ方向に短い２つの梁部の中央に錘部を架設する構成では、３軸の相対的な感度は、錘部のｙ方向長さをｘ方向長さよりも短く設定しても互いに等しくなるように調整することができる。したがって、２つの平行な梁部が並ぶ方向であるｙ方向における支持部の長さをｘ方向における支持部の長さよりも短く設定し、ＭＥＭＳを小型化することができる。その結果、製造工程において１枚の基板に配置可能なＭＥＭＳの数が増大し、ＭＥＭＳの製造コストを低減できる。なお、ｘｙｚ直交座標系は梁部の厚さ方向をｚ方向とし梁部が並ぶ方向をｙ方向として便宜的に定めたものに過ぎない。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
図１に本発明の第一実施形態としての加速度センサ１を示す。図１Ａにおいて破線は錘部３０の外形の隠れ線を示している。図１Ａにおいて配線層１０８の細線は省略されている。それぞれが図１Ａに示すＢＢ線、ＣＣ線、ＤＤ線の断面を示す図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄにおいて、太い実線は支持部１０、梁部２０、錘部３０およびピエゾ抵抗素子Ｒの境界を示し、破線は製造プロセスにおいて積層される各層の境界を示している。加速度センサ１は小型化による製造コストの低減を目的として以下のように構成されている。

加速度センサ１は、基板層１００、エッチストッパ層１０２、半導体層１０４、絶縁層１０６および配線層１０８から構成されＭＥＭＳとして機能する１つの多層構造体である。基板層１００は、例えば、厚さを６２５μｍ、組成を単結晶シリコン（Ｓｉ）とする。エッチストッパ層１０２は、例えば、厚さを１μｍ、組成を二酸化シリコン（ＳｉＯ２）とする。半導体層１０４は、例えば、厚さを９．５μｍ、組成を単結晶シリコンとする。絶縁層１０６は、例えば、厚さを０．５μｍ、組成を二酸化シリコンとする。配線層１０８は、例えば、厚さを０．３μｍ、材質をアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、アルミシリコン（ＡｉＳｉ）などとする。

加速度センサ１を構成しているこれらの層は、枠の形態を有する支持部１０と、支持部１０に架設されている２つの梁部２０と、２つの梁部２０に架設されている錘部３０とを構成している。以下、ｘ軸を梁部２０が架設されている方向（梁部２０が長い方向）に平行とし、ｚ軸を梁部２０が薄い方向（半導体層１０４の厚さ方向）に平行としてｘｙｚ直交座標系を便宜的に定め、これらの構成要素について詳細に説明する。

支持部１０は、ｚ方向から見たときに外側輪郭も内側輪郭もｘ方向に長くｙ方向に短い長方形となる枠の形態を有する。すなわち支持部１０は、２つの梁部２０が並ぶ方向であるｙ方向に長くｘ方向に短い直方体状の２つの部分が、梁部２０の長さ方向であるｘ方向に長い直方体状の２つの部分によって連結されることによって、１体の剛体として機能する構造体である。すなわち支持部１０は加速度センサ１の使用を想定する範囲においては剛体と見なすことができる程度に厚い構造体である。

長方形枠の形態を有する支持部１０を前提として加速度センサ１の感度をｘｙｚ軸について維持するため、互いに平行な２つの梁部２０が支持部１０の内側に互いに平行にｘ方向に架設されている。それぞれの梁部２０は両端が支持部１０に固定された梁であって、ｚ方向に薄い膜である。それぞれの梁部２０は加速度センサ１の使用を想定する範囲において弾性体と見なすことができる薄い構造体である。支持部１０と梁部２０との間にあるスリットＳ１の幅（ｙ方向の長さ）は製造可能な範囲でなるべく短く設定される。ｚ方向から見た梁部２０の形態は、ｙ方向に短くｘ方向に長い。したがって錘部３０をｚ方向に変位させる慣性力によっても錘部３０をｙ軸周りに回転させる慣性力によってもそれぞれの梁部２０はｚ方向に撓みやすい。梁部２０と錘部３０との間のスリットＳ２の幅（ｙ方向の距離）は製造可能な範囲でなるべく短く設定される。また２つの梁部２０の間隔は梁部２０のｘ方向の長さよりも十分に短く錘部３０のｘ方向の長さよりも十分に短く、それぞれの梁部２０のｙ方向の長さ（幅）は梁部２０のｘ方向の長さ（長さ）よりも十分に短い。このため、錘部３０をｘ軸周りに回転させるｙ方向の慣性力によってそれぞれの梁部２０はｚ方向に撓みやすく、ｘ軸周りにねじれやすい。

錘部３０は支持部１０の内側に位置している。互いに平行な２つの梁部２０の変形に応じて測定される加速度のｘｙｚ軸についての感度を維持するため、錘部３０はｚ方向から見てｘ方向に長くｙ方向に短い十文字である柱体状の形態を有し、２つの梁部２０の中央に架設されている。支持部１０と錘部３０とのｘ方向の最短距離Ｓ３およびｙ方向の最短距離Ｓ４は加速度センサ１の使用を想定する範囲において錘部３０が支持部１０に接触しない範囲に設定される。錘部３０は、結合部３１と２つの凸部とを有する１体の構造体であって、実質的に変形しない。すなわち錘部３０は加速度センサ１の使用を想定する範囲においては剛体と見なすことができる程度に厚い構造体である。結合部３１は、２つの梁部２０の間隔よりもｙ方向に長く２つの梁部２０に架設される部分であり、平面視がｙ方向に長い長方形である柱体状の部分である。結合部３１のエッチストッパ層１０２が２つの梁部２０の半導体層１０４に直接結合している。錘部３０の結合部３１を除いた残部が凸部３２である。すなわち凸部３２は、ｚ方向から見て２つの梁部２０の間に位置するとともに２つの梁部２０の間隔よりｙ方向に短い部分であり、ｘ軸と平行で互いに逆向きの２方向に結合部３１のｙ方向の中央から突出している部分である。錘部３０の質量が大きいほど加速度に応じて錘部３０に作用する慣性力は大きくなるため、梁部２０の間の空間に凸部３２を追加することによって加速度に応じた梁部２０の変形も大きくなる。凸部３２がｘ方向に長いほど錘部３０はｙ軸周りに回転しやすくなる。錘部３０の重心は、ｘ方向において錘部３０の中央にあり、ｙ方向において錘部３０の中央にあり、ｚ方向において錘部３０のほぼ中央にある。すなわちｚ方向において錘部３０の重心は梁部２０から離れている。錘部３０の重心が梁部２０から離れているほど、錘部３０はｘ軸周りにもｙ軸周りにも回転しやすくなる。

互いに平行な２つの梁部２０の変形に応じて加速度のｘｙｚ成分を測定するため、それぞれの梁部２０には歪み検出手段としてのピエゾ抵抗素子４０が複数設けられている。それぞれの梁部２０が錘部３０に作用する慣性力に応じて変形するとき梁部２０の歪みは剛体である支持部１０と錘部３０の近傍に集中するため、それぞれのピエゾ抵抗素子４０は支持部１０と錘部３０の近傍に配置される。ピエゾ抵抗素子４０はピエゾ抵抗部４２の両端に低抵抗接続部４１が結合した素子である。ピエゾ抵抗部４２および低抵抗接続部４１は半導体層１０４に注入されたボロン（Ｂ）等の不純物イオンによって所定の抵抗値を持つように構成されている。ピエゾ抵抗部４２と配線層１０８との接触を良好にするため、低抵抗接続部４１にはピエゾ抵抗部４２よりも高濃度の不純物イオンが注入されている。

図２は加速度のｘｙｚ成分を測定するためのピエゾ抵抗素子４０の配置例を破線で示した加速度センサ１の平面図である。３次元の加速度を測定するためには、すなわち加速度のｘｙｚ成分を測定するためには、１成分について４個１組、合計１２個のピエゾ抵抗素子Ｒを梁部２０に配置する。そして各組について独立したブリッジ回路を構成するようにピエゾ抵抗素子Ｒを配線する。加速度のｘ成分を検出するための４個のピエゾ抵抗素子Ｒｘは、錘部３０の結合部３１を間に挟んで両側に位置する梁部２０の可撓領域がｚ方向において互いに逆向きに凸に曲がるときに、その変形に応じた出力がブリッジ回路から得られるように配置されるとともに配線される。加速度のｙ成分を検出するための４個のピエゾ抵抗素子Ｒｙは、２つの梁部２０が全体としてｚ方向において互いに逆向きに凸に曲がるときに、その変形に応じた出力がブリッジ回路から得られるように配置されるとともに配線される。２つの梁部２０が全体としてｚ方向において互いに逆向きに凸に曲がるとき、それぞれの梁部２０はｘ軸周りにねじれるため、加速度のｙ成分を検出するための４個のピエゾ抵抗素子Ｒｙは、ｘ軸周りに梁部２０がねじれるときに歪みが集中する部分に配置することが望ましい。加速度のｚ成分を検出するための４個のピエゾ抵抗素子Ｒｚは、２つの梁部２０が全体としてｚ方向において同じ向きに凸に曲がるときに、その変形に応じた出力がブリッジ回路から得られるように配置されるとともに配線される。

以上説明した加速度センサ１は、以下のように製造される。
最も厚い層である基板層１００となるウエハを膜を堆積させるための基板とし、基板の広い２つの面の一方に、順次、膜を堆積するとともにフォトリソグラフィ技術を用いて膜と基板をパターニングしたり、不純物イオンを半導体層１０４に注入することにより、それぞれ複数の加速度センサ１に対応する数の支持部１０、錘部３０、梁部２０、ピエゾ抵抗素子４０および配線層１０８を形成する。これらの工程は特開平１１−４４７０５号公報、特開２００７−３２１１号公報等に記載されているように周知であるため詳細な説明は省略するが、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を基板層１００、エッチストッパ層１０２および半導体層１０４の材料とし、ＳＯＩ基板の薄い方のシリコン層を半導体層１０４とし、そのシリコン層にピエゾ抵抗素子Ｒを形成するための不純物イオンを注入した後にそのシリコン層の表面を熱酸化することにより絶縁層１０６を形成する。梁部２０はエッチストッパ層１０２に対して選択的に半導体層１０４および絶縁層１０６をエッチングすることにより形成される。基板層１００はエッチストッパ層１０２に対して選択的なエッチングと側壁保護を短く繰り返す（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ、所謂ボッシュプロセスなど）ことによりパターニングされる。エッチストッパ層１０２の不要部は、エッチストッパ層１０２の両側をパターニングした後に、残存している基板層１００をマスクとしてエッチングすればよい。

これらのウエハプロセスの後、ダイサーの回転刃を用いて基板と堆積膜とを切断し、支持部１０の外側の輪郭を形成すると、１枚の基板から複数の加速度センサ１が得られる。このとき、支持部１０のｚ方向から見た外形、すなわち膜を積層するための基板であるウエハの厚さ方向から見たそれぞれの支持部１０の外形が小さいほど多くの加速度センサ１を１枚の基板から得られる。

積層構造体である加速度センサ１を製造する工程において膜を積層するための基板１枚あたりの支持部１０の割り付け数を増大させるためには、基板の厚さ方向から見た加速度センサ１の外形の一方向（ｙ方向）の長さを短くすればよい。そこで本実施形態では、上述したように、支持部１０のｙ方向の長さが短く設定される。そして２本の梁部の間の空間に錘部３０の凸部３２を配置することによりｘｙｚ軸の感度をそれぞれ高めている。そしてｘｙｚ軸の感度を等しく確保するため、２本の梁部２０の配置を互いに平行になるように設定するとともに互いの間隔を狭め、それぞれの梁部２０をｘ方向に長くｙ方向に短く設定し、さらに錘部３０もｘ方向に長くｙ方向に短く設定している。

また本実施形態において、基板の厚さ方向から見た梁部２０、支持部１０および錘部３０の間においてｘ方向に延びるスリットＳ１、Ｓ２の数は合計４つであるが、この数は支持部１０のｙ方向の長さを最小化するために設定されている。すなわち、基板の厚さ方向であるｚ方向はフォトリソグラフィ工程においてマスクを露光するための光を照射する方向に一致するため、ｚ方向に垂直な支持部１０のｙ方向の外形寸法を設計する際には、解像度や位置決め精度に応じたマージンがスリットの数だけ積算して外形寸法に加算されるからである。そして本実施形態によると、２つの梁部２０の間には錘部３０の凸部３２を設けて感度を高めつつ、梁部２０と支持部１０の間には錘部３０を配置していないため、基板の厚さ方向から見てｙ方向に並びそれぞれｘ方向に延びるスリットの数が最小化されているのである。仮に梁部２０と支持部１０の間に錘部３０の凸部３２を追加するとすれば、特開２００７−３２１１号公報の図１Ａ等に開示されているように基板の厚さ方向から見てｙ方向に並びそれぞれｘ方向に延びるスリットは合計６つになる。

また加速度センサ１をパッケージする工程では、加速度センサ１の寸法に応じてパッケージ寸法を小さくできるし、また、パッケージの正方形の底面に加速度センサ１と同様に長方形の底面輪郭を有する別のダイ（例えば別種のセンサや信号処理回路として機能するダイ）を取り付けることもできる。

２．第二実施形態
図３に本発明の第二実施形態としての角速度センサ２を示す。図３Ａにおいて配線層１１０、１１４の細線は省略されている。図３Ａに示すＢＢ線の断面を示す図３Ｂにおいて、太い実線は支持部１０、梁部２０、錘部３０および圧電素子Ｐの境界を示し、破線は製造プロセスにおいて積層される各層の境界を示している。

角速度センサ２は角速度のｘｙｚ軸成分を測定するための振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳである。したがってそれぞれの梁部２０には錘部３０を周回運動させるための駆動手段として圧電素子Ｐｄが複数設けられている。また錘部３０に作用する微弱なコリオリ力に応じた梁部２０の歪みを検出するため、圧電素子Ｐｓがそれぞれの梁部２０に検出手段として複数設けられている。駆動手段としての圧電素子Ｐｄおよび検出手段としての圧電素子Ｐｓはいずれも下層電極５３、圧電体５２および上層電極５１から構成されている。絶縁層１０６の表面に積層される下層配線層１１０が下層電極５３と接続パッドと図示しない配線とを構成する。下層配線層１１０は、例えば厚さが０．１μｍであり、組成が白金（Ｐｔ）である。下層配線層１１０の表面に積層される圧電層１１２が圧電体５２を構成する。圧電層１１２は、例えば厚さが３μｍ、組成がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。圧電層１１２の表面に積層される上層配線層１１４が上層電極５１と接続パッドと図示しない配線とを構成する。上層配線層１１４は、例えば厚さが０．１μｍであり、組成が白金（Ｐｔ）である。

駆動手段としての複数の圧電素子Ｐｄに互いに独立した交流電圧を印加することにより錘部３０を励振して周回運動させながら、検出手段としての圧電素子Ｐｓのそれぞれから出力信号を取り出し、圧電素子Ｐｓのそれぞれから取り出した出力信号から励振成分を除去すると角速度のｘｙｚ成分に相当する信号を取得することができる。検出手段として機能する圧電素子Ｐｓは、梁部２０のｘ軸周りのねじれを効率よく検出し、また２つの圧電素子Ｐｓの出力を加算してねじれ成分を相殺するため、梁部２０のｙ方向の中心からずれた位置に配置することが望ましい。なお圧電素子Ｐｄと圧電素子Ｐｓとを入れ替えて配列しても良い。

３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明は、加速度および角速度を測定するためのモーションセンサとして機能するＭＥＭＳにも、振動方向を測定するためのモーションセンサとして機能するＭＥＭＳにも、振動型加速度センサとして機能するＭＥＭＳにも、振動型マイクとして機能するＭＥＭＳにも、力覚センサとして機能するＭＥＭＳにも適用できる。

また例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。具体的には、錘部３０の質量を増大させるために基板層１００の一部または全部の材質を金属にしても良いし、バルク材料に代わる堆積膜で錘部３０を構成しても良い。また例えば錘部３０となるガラスウエハと梁部２０となるシリコンウエハの直接接合を用いて加速度センサ１や角速度センサ２を製造しても良い。

また例えば梁部２０を２つの独立した構造体から構成される支持部に架設することもできる。この場合、２つの支持部を含む矩形のｘｙ領域のｙ方向長さがｘ方向長さよりも短くなるように２つの支持部を配置すればよい。またこの場合、梁部２０に作用する張力によって梁部２０の固定端が動かないように２つの支持部１０を固定する構造を採用すればよい。

図１Ａは本発明の実施形態にかかる平面図。図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは本発明の実施形態にかかる断面図。図２は本発明の実施形態にかかる平面図。図３Ａは本発明の実施形態にかかる平面図。図３Ｂは本発明の実施形態にかかる断面図。

符号の説明

１：加速度センサ、２：角速度センサ、１０：支持部、２０：梁部、３０：錘部、３１：結合部、３２：凸部、４０：ピエゾ抵抗素子、４１：低抵抗接続部、４２：ピエゾ抵抗部、５１：上層電極、５２：圧電体、５３：下層電極、１００：基板層、１０２：エッチストッパ層、１０４：半導体層、１０６：絶縁層、１０８：配線層、１１０：下層配線層、１１２：圧電層、１１４：上層配線層、Ｐ：圧電素子、Ｒ：ピエゾ抵抗素子、Ｓ１：スリット、Ｓ２：スリット

Claims

ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を直交座標系の３軸とするとき、
ｙ方向長さがｘ方向長さより短い支持部と、
ｙ方向に並び互いに平行に前記支持部に対してｘ方向に架設されｙ方向長さがｘ方向長さより短い膜状の２つの梁部と、
２つの前記梁部のそれぞれの中央に架設されている一体の錘部と、
２つの前記梁部のそれぞれに複数設けられ、前記梁部の変形に応じた歪みを検出することにより前記錘部に作用する力に対応するベクトルのｘｙｚ成分を測定するための歪み検出手段と、
を備え、
前記錘部は、２つの前記梁部に架設されている結合部と、２つの前記梁部の間において前記結合部から互いに逆向きに突出する２つの凸部とを有するとともにｙ方向長さがｘ方向長さより短い、
ＭＥＭＳ。