JP2010025898A

JP2010025898A - Ｍｅｍｓセンサ

Info

Publication number: JP2010025898A
Application number: JP2008190930A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Hattori; 敦夫服部
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】３次元の角速度と３次元の加速度とを検出できる小型のＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳセンサは、枠形の支持部と、支持部の内側に架設された内可撓部と、内可撓部の中央部に結合している内錘部と、内可撓部に配置され内可撓部を励振する励振手段と、内可撓部に配置され内可撓部の変形に応じた３軸の角速度成分を検出するための角速度検出手段と、支持部から支持部の外側に突出している梁である３個以上の外可撓部と、それぞれの外可撓部の自由端にそれぞれ結合している３個以上の外錘部と、それぞれの外可撓部に配置されそれぞれの外可撓部の変形に応じた３軸の加速度成分を検出するための加速度検出手段と、を備え、支持部と内可撓部と内錘部と励振手段と角速度検出手段と外可撓部と外錘部と加速度検出手段とが一体のダイに形成され、外可撓部は支持部からダイの角部に向かって突出している。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）センサに関し、特に３次元の角速度と３次元の加速度とを検出するためのＭＥＭＳセンサに関する。

従来、ビームまたはダイヤフラムの変形を圧電体またはピエゾ抵抗によって検出することにより加速度センサまたは振動ジャイロスコープとして機能するＭＥＭＳセンサが知られている（例えば特許文献１−８参照）。また特許文献９には１個のダイに２個の振動ジャイロスコープと１個の加速度センサを配置したＭＥＭＳセンサが開示されている。
特開２００６−１７７８２３号公報特開２００６−３０８３２５号公報特開２００７−３２１１号公報特開平８−２８５８８３号公報特開２００４−２９４４５０号公報特開２００７−２４８６４号公報特開２００７−２５６０４６号公報特開２００７−３３３０９号公報特開平１０−１０１４８号公報

特許文献９に開示されているように、１個のダイに振動ジャイロスコープと加速度センサとを配置する構成では、複数のパッケージやダイにこれら２種類のセンサを配置する構成に比べるとスペース効率が高まる。しかし、励振による可撓部の変形に比べてコリオリ力による可撓部の変形は一般に小さくなるために振動ジャイロスコープは加速度センサに比べて大型化する。したがって、特許文献９に開示されているように１個のダイの周辺部に複数の振動ジャイロスコープを配置することにより２軸以上の角速度成分を検出する構成では、ダイが大型化するという問題がある。

本発明は、３次元の角速度と３次元の加速度とを検出できる小型のＭＥＭＳセンサを提供することを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサは、枠形の支持部と、支持部の内側に架設された内可撓部と、内可撓部の中央部に結合している内錘部と、内可撓部に配置され内可撓部を励振する励振手段と、内可撓部に配置され内可撓部の変形に応じた３軸の角速度成分を検出するための角速度検出手段と、支持部から支持部の外側に突出している梁である３個以上の外可撓部と、それぞれの外可撓部の自由端にそれぞれ結合している３個以上の外錘部と、それぞれの外可撓部に配置されそれぞれの外可撓部の変形に応じた３軸の加速度成分を検出するための加速度検出手段と、を備え、支持部と内可撓部と内錘部と励振手段と角速度検出手段と外可撓部と外錘部と加速度検出手段とが一体のダイに形成され、外可撓部は支持部からダイの角部に向かって突出している。

３次元の角速度を検出するための機械的要素をダイに配置した後に残る領域はダイの複数の角部に偏る。３次元の加速度を検出するための可撓部を３個以上の梁から構成し、ダイの角部に向かって延びる各梁の自由端に錘部を結合することにより、３次元の角速度を検出するための機械的要素を配置した後に残るダイの領域に３次元の加速度を検出するための機械要素を効率よく配置できる。したがって本発明によると３次元の角速度と３次元の加速度とを検出できるＭＥＭＳセンサを小型化することができる。

（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、励振手段と角速度検出手段とは複数の圧電素子を備え、加速度検出手段は複数のピエゾ抵抗素子を備えることが望ましい。

この構成では、ピエゾ抵抗素子によって角速度を検出する場合に比べ、微弱なコリオリ力に応じた角速度を感度良く検出でき、また圧電素子によって加速度を検出する場合に比べ、周波数の低い加速度を検出できる。

（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、内可撓部はダイヤフラムであることが望ましい。

この構成では、内可撓部が梁である場合に比べると面積の広い圧電素子をダイヤフラムに配置できるため、微弱なコリオリ力に応じた角速度を感度良く検出できる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。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。

本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態としてのモーションセンサ１を図２に、そのダイ１０を図１に示す。モーションセンサ１はパッケージ２０に収容された固体素子であるダイ１０を備えている。ダイ１０には、３軸の角速度成分を検出するためのダイヤフラム１１と内錘部１２と複数の検出用圧電素子１３と励振用圧電素子１４とが形成されている。またダイ１０には、３軸の加速度成分を検出するための４個の梁１５と４個の外錘部１６と複数のピエゾ抵抗素子Ｒとが形成されている。ダイ１０は支持部１７のみがパッケージ２０に固定される。図１Ｂ、図１Ｃ、図２では、これらの機能要素の境界を実線で示し、層構造の界面を破線で示している。

ダイ１０は、平面視が略正方形であり、ガラス層１７０、厚いシリコン層１００、ストッパ絶縁層１１０、薄いシリコン層１２０、絶縁層１３０、電極層１４０、圧電層１５０および電極層１６０からなる積層構造体である。ダイ１０の外形寸法は、略正方形の一辺が約３ｍｍ、高さが約１ｍｍである。

枠形の支持部１７はガラス層１７０、厚いシリコン層１００、ストッパ絶縁層１１０、薄いシリコン層１２０および絶縁層１３０からなる。ダイヤフラム１１に対して垂直な方向から見て（以下、この方向から見ることを平面視という。）支持部１７の外側の輪郭は八角形であり、内側の輪郭は円形である。支持部１７の内側にはダイヤフラム１１が架設されている。支持部１７から外側に４個の梁１５が突出している。ダイヤフラム１１の中央部に結合している内錘部１２および梁１５の自由端に結合している外錘部１６はいずれも支持部１７によってパッケージ２０から浮いた状態に支持される。

内可撓部としてのダイヤフラム１１は支持部１７に架設された平面視が円形の薄い膜である。ダイヤフラム１１は薄いシリコン層１２０と絶縁層１３０とから構成されている。

ダイヤフラム１１の応力が集中する中央近傍にはほぼ円環状に４個の検出用圧電素子１３が配置されている。ダイヤフラム１１の変形に応じた３軸の角速度成分を検出するための角速度検出手段が４個の検出用圧電素子１３から構成される。ダイヤフラム１１の周縁部にはほぼ円環状に４個の励振用圧電素子１４が配置されている。ダイヤフラム１１が３次元振動するように励振するための励振手段が４個の励振用圧電素子１４から構成される。検出用圧電素子１３、励振用圧電素子１４はいずれも、電極を構成する電極層１４０、１６０および圧電層１５０からなる。電極層１４０、１６０の材質は例えば白金（Ｐｔ）である。圧電層１５０の材質は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。

ダイヤフラム１１の中央部に結合している内錘部１２の平面視は円形である。内錘部１２は、ガラス層１７０と、厚いシリコン層１００と、ストッパ絶縁層１１０とで構成されている。内錘部１２の重心をダイヤフラム１１から遠くに設定することによりダイヤフラム１１に作用するモーメントが大きくなるため、内錘部１２の平面視はダイヤフラム１１に近づくにつれて小さくなっている。支持部１７と内錘部１２との間には、内錘部１２が支持部１７に対して相対的に運動するための空隙が形成されている。

励振用圧電素子１４に励振用電気信号を印加することにより、ダイヤフラム１１とともに内錘部１２が２次元振動する。角速度が生ずると、角速度と内錘部１２の速度とに応じたコリオリ力が内錘部１２に生じる。このコリオリ力によって生ずるダイヤフラム１１の変形を複数の検出用圧電素子１３により検出すると３軸の角速度成分を検出できる。コリオリ力の検出手段として圧電素子を用いることにより、ピエゾ抵抗によってコリオリ力を検出する場合に比べ、微弱なコリオリ力に応じた角速度を感度良く検出できる。

外可撓部としての４個の梁１５は支持部１７からダイ１０の角部に向かって突出し自由端が外錘部１６に結合された薄い膜である。４個の梁１５は、９０度間隔の４方向に、すなわち十文字の中心から端部に向かう４方向に、支持部１７から突出している。梁１５は薄いシリコン層１２０と絶縁層１３０から構成されている。

４個の外錘部１６は、それぞれ梁１５の自由端に結合している。４個の外錘部１６は内錘部１２の重心に重心が重なる十文字の４個の端部に相当する位置でもあるダイ１０の角部に配置されている。より具体的には、それぞれの外錘部１６の重心から内錘部１２の重心までの距離は等しく、外錘部１６の重心と内錘部１２の重心を結ぶ直線のダイヤフラム１１への投影は９０度間隔で交差する。それぞれの外錘部１６はガラス層１７０と厚いシリコン層１００とストッパ絶縁層１１０と薄いシリコン層１２０と絶縁層１３０とから構成されている。

それぞれの梁１５の薄いシリコン層１２０の絶縁層１３０との界面近傍にはピエゾ抵抗素子Ｒが形成されている。加速度検出手段としてピエゾ抵抗素子Ｒを用いることにより、加速度検出手段として圧電体を用いる場合に比べ、周波数の低い加速度を検出できる。一直線に並ぶ２つの梁１５の撓みをピエゾ抵抗素子Ｒによって検出することにより、その直線と平行な軸（ｘ軸またはｙ軸）の加速度成分とｚ軸（梁の厚さ方向と平行な軸）の加速度成分とを検出できる。各軸の加速度成分を個別に検出するため、軸毎に４個のピエゾ抵抗素子Ｒが結線された３個または４個のブリッジ回路が構成される。ピエゾ抵抗素子Ｒを梁１５が突出している方向に長いＵ字に形成することにより、感度を高めることができる。

（作用・効果）
静止している梁１５が支持部１７から突出している方向に図３Ａに示すように加速度ａ_ｘが生ずると、加速度ａ_ｘの方向に並ぶ梁１５ａ、梁１５ｂの一方の表層に形成されているピエゾ抵抗素子Ｒ_ａが伸張し、他方の表層に形成されているピエゾ抵抗素子Ｒ_ｂが縮む。したがって支持部１７から互いに反対方向に突出している２つの梁１５に配置されているピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗値の差をブリッジ回路によって検出すると、その２つの梁１５が並んでいる方向の加速度成分を検出できる。４つの梁１５は支持部１７から見て４５度間隔に配列されているため、４つの梁１５のそれぞれに配置されたピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗値から２軸の加速度成分を検出できる。４つの外錘部１６が並ぶ平面に対して垂直な方向に図３Ｂに示すように加速度ａ_ｚが生ずると、４つの梁１５の表層に設けられたピエゾ抵抗素子Ｒはすべて縮む。すなわちピエゾ抵抗素子Ｒの抵抗値の和をブリッジ回路によって検出すると４つの外錘部１６が並ぶ平面に対して垂直な方向の加速度成分を検出できる。

本実施形態ではダイ１０の中央部に３次元の角速度を検出するために用いるダイヤフラム１１と内錘部１２とを配置し、ダイ１０の角部に各４個の梁１５と外錘部１６とを配置し、各４個の梁１５と外錘部１６とを用いて３次元の加速度を検出する構成である。したがって３次元角速度センサとしてのみ機能するダイと同等の面積を有するダイ１０に、同等の感度を有する３次元角速度センサとしての機能と、３次元加速度センサとしての機能とを付与できる。その結果、３次元の加速度と３次元の角速度とを検出するモーションセンサを小型化できる。また、検出した加速度を用いて角速度を補正することにより、角速度の検出精度を高めることができる。さらに加速度を検出するための４個の外錘部１６の重心が角速度を検出するための内錘部１２の重心に対してｚ方向に重なっているため、角速度を補正するために用いる加速度として正確な加速度を検出できる。

（製造方法）
始めに図４に示すようにＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１０００の薄い方のシリコン層１２０にピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。具体的には、まず、薄いシリコン層１２０の表面にピエゾ抵抗素子Ｒに対応するパターンを有しフォトレジストからなる図示しないマスクが形成される。次に、マスクから露出している薄いシリコン層１２０の表層に不純物を注入することによりピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。不純物として、例えばボロン（Ｂ）イオンを２×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でイオン注入する。その後、アニールによって活性化する。ＳＯＩウエハ１０００として、例えば厚い方のシリコン層１００の厚さが６２５μｍ、ストッパ絶縁層１１０となる二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層の厚さが１μｍ、薄いシリコン層１２０の厚さが１０μｍであるものを用いる。

次に図５に示すように薄いシリコン層１２０にコンタクト抵抗低減部１２１を形成し、薄いシリコン層１２０の表面に絶縁層１３０を形成する。具体的には、まず、薄いシリコン層１２０の表面にコンタクト抵抗低減部１２１に対応するパターンを有するフォトレジストからなる図示しないマスクを形成する。続いて、マスクから露出している薄いシリコン層１２０の表層に不純物を注入することによりコンタクト抵抗低減部１２１を形成する。不純物として、例えばボロン（Ｂ）イオンを２×１０^２０／ｃｍ^３の濃度でイオン注入する。その後、アニールによって活性化するとともに薄いシリコン層１２０の表面に二酸化シリコンからなる絶縁層１３０を形成する。

次に図６に示すように絶縁層１３０にコンタクトホールＨを形成する。

次に図７に示すように絶縁層１３０の表面に電極層１４０、圧電層１５０、電極層１６０をこの順で積層する。例えば電極層１４０、１６０として厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）の膜をスパッタリングにより形成し、例えばマグネトロンスパッタ法により圧電層１５０として厚さ３μｍのＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)の膜を形成する。

次に図８に示すように電極層１４０、電極層１６０および圧電層１５０を例えばアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたミリング法によってエッチングすることにより、検出用圧電素子１３および励振用圧電素子１４を形成する。このとき電極層１４０からなるピエゾ抵抗素子Ｒの配線も同時に形成される。

次に薄いシリコン層１２０および絶縁層１３０をエッチングすることにより図１に示す梁１５の輪郭を形成する。具体的には、まず、梁１５に対応するパターンを有するフォトレジストからなるマスクを絶縁層１３０の表面に形成する。続いて、ＣＨＦ_３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより絶縁層１３０をパターニングし、ＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄いシリコン層１２０をパターニングすると、梁１５の輪郭が形成される。

次に図９に示すように厚いシリコン層１００を上にしてワークの下面を犠牲基板９９に仮固定する。固定手段Ｂとしては例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。

次に図１０に示すように厚いシリコン層１００をエッチングすることにより、内錘部１２、外錘部１６および支持部１７の厚いシリコン層１００からなる部分を形成する。具体的には例えば次の通りである。厚いシリコン層１００の表面に、内錘部１２、外錘部１６および支持部１７に対応するパターンのフォトレジストマスクＰを形成する。続いて、ＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチングとＣ_４Ｆ_８ガスを用いたパッシベーションとを交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、内錘部１２、外錘部１６および支持部１７の厚いシリコン層１００からなる部分を形成する。

次に図１１に示すように、エッチングされた厚いシリコン層１００をマスクとしてストッパ絶縁層１１０を緩衝フッ酸でウエットエッチングする。その後、犠牲基板９９をワークから取り除く。

次に図１２に示すようにガラス層１７０となるガラスウエハを厚いシリコン層１００に陽極接合する。ガラス層１７０の材料として例えば厚さ５００μｍのパイレックスガラス（登録商標）のウエハを用いる。ガラスウエハには、内錘部１２、支持部１７、外錘部１６の間の空隙となる溝Ｎをダイサーによる切削、エッチング、サンドブラスト加工などによって形成しておく。

次に、ガラス層１７０を内錘部１２、支持部１７、外錘部１６に切り分け、続いて、ダイサーによってダイ毎にワークを切り分けると、図１に示すモーションセンサ１のダイ１０が完成する。この工程ではダイサーによる切削、エッチング、サンドブラスト加工によって任意の形状にワークを切り分けることができる。

その後にパッケージングなどの後工程を実施すると、図２に示すモーションセンサ１が完成する。

（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、図１３に示すように、支持部１７の外周面と外錘部１６の内周面とは円弧状に曲がった曲面であっても良い。また図１４に示すようにそれぞれの外錘部１６が互いに平行な２つの梁１５_α、１５_βによって支持されていても良い。この場合、それぞれの梁１５_α、１５_βにピエゾ抵抗素子Ｒが配置される。また１つの外錘部１６を支持する２つの梁１５_α、１５_βは、図１５に示すように互いに平行でなくてもよい。
また例えば、内可撓部は十字梁の形態でもよい。
また上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やマスクパターン形成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。

図１Ａは本発明の実施形態にかかる平面図、図１Ｂは図１ＡのＢＢ線断面図、図１Ｃは図１ＡのＣＣ線断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる平面図。本発明の実施形態にかかる平面図。本発明の実施形態にかかる平面図。

符号の説明

１：モーションセンサ、１０：ダイ、１１：ダイヤフラム、１２：内錘部、１３：検出用圧電素子、１４：励振用圧電素子、１５：梁、１６：外錘部、１７：支持部、２０：パッケージ、９９：犠牲基板、１００：厚いシリコン層、１１０：ストッパ絶縁層、１２０：薄いシリコン層、１２１：コンタクト抵抗低減部、１３０：絶縁層、１４０：電極層、１５０：圧電層、１６０：電極層、１７０：ガラス層、１０００：ウエハ、Ｂ：固定手段、Ｈ：コンタクトホール、Ｎ：溝、Ｐ：フォトレジストマスク、Ｒ：ピエゾ抵抗素子

Claims

枠形の支持部と、
前記支持部の内側に架設された内可撓部と、
前記内可撓部の中央部に結合している内錘部と、
前記内可撓部に配置され前記内可撓部を励振する励振手段と、
前記内可撓部に配置され前記内可撓部の変形に応じた３軸の角速度成分を検出するための角速度検出手段と、
前記支持部から前記支持部の外側に突出している梁である３個以上の外可撓部と、
それぞれの前記外可撓部の自由端にそれぞれ結合している３個以上の外錘部と、
それぞれの前記外可撓部に配置されそれぞれの前記外可撓部の変形に応じた３軸の加速度成分を検出するための加速度検出手段と、
を備え、
前記支持部と前記内可撓部と前記内錘部と前記励振手段と前記角速度検出手段と前記外可撓部と前記外錘部と前記加速度検出手段とが一体のダイに形成され、
前記外可撓部は前記支持部から前記ダイの角部に向かって突出している、
ＭＥＭＳセンサ。
前記励振手段と前記角速度検出手段とは複数の圧電素子を備え、
前記加速度検出手段は複数のピエゾ抵抗素子を備える、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記内可撓部はダイヤフラムである、
請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。