(57)【要約】【課題】可動部の破損を防止し、耐久性に優れたＭＥＭＳセンサを得る。【解決手段】機械的に動作可能な可動部とこの可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を形成したセンサチップ基板を、可動部との間に空隙を設けてベース基板に接合してなるＭＥＭＳセンサにおいて、基板接合面に、可動部の外周の一部に沿って凹部を設ける。【選択図】図３
2010210402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的に動作可能な可動部とこの可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を形成したセンサチップ基板を、前記可動部との間に空隙を設けてベース基板に接合してなるＭＥＭＳセンサにおいて、
前記センサチップ基板と前記ベース基板の接合面に、前記可動部の外周の一部に沿って、凹部を設けたことを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のＭＥＭＳセンサにおいて、前記可動部は平面視矩形状をなし、前記凹部は、この平面視矩形の各角部の外周に沿う平面視Ｌ字形状でそれぞれ形成されているＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のＭＥＭＳセンサにおいて、前記可動部は平面視矩形状をなし、前記凹部は、この平面視矩形の１８０°対向する一対の角部に、該角部の外周に沿う平面Ｌ字形状で形成されているＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
請求項１記載のＭＥＭＳセンサにおいて、前記可動部は平面視矩形状をなし、前記凹部は、この平面視矩形の１８０°対向する一対の辺の外周に、該各辺に沿う平面視直線状で形成されているＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサにおいて、前記凹部は、真空密閉されているＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳセンサに関し、特に衝撃破損の防止構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、加速度計、光通信、生物医学システムなど多くの技術分野で、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ；Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を利用したＭＥＭＳセンサが注目されている。ＭＥＭＳセンサは、一般に、機械的に動作可能な可動部と該可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を半導体微細加工技術により形成したセンサチップ基板と、可動部との間に空隙を設けた状態で該センサチップ基板に接合したベース基板（支持基板）とを備えている。このようなＭＥＭＳセンサは、具体的には加速度センサ、角速度センサ、圧力センサに適用可能である。例えば特許文献１には、中央部と中央部の外周縁から四方に延在して成る梁部とからなる撓み部と、中央部にネック部を介して懸架支持される重り部と、内周側面に梁部が連結されて成る枠状のフレームと、フレームの下面を支持し、重り部の外周縁を切り込み部を介して包囲する支持部材とを有して構成された半導体加速度センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３１１６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来構造のＭＥＭＳセンサでは、センサチップ基板の可動部とベース基板の間に空隙を有する中空構造であるため、落下などによりベース基板側から衝撃が加えられると、その衝撃エネルギーを受けた可動部が共振し、可動部が破損してしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、以上の問題意識に基づき、可動部の破損を防止し、耐久性に優れたＭＥＭＳセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、可動部の破損原因が、ベース基板側から受けた衝撃エネルギーが可動部周縁から可動部中心に向かって均一に伝わり、可動部が共振しやすいことにあるとの結論に達して、完成されたものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、機械的に動作可能な可動部とこの可動部の変位を電気的に検出するセンサ素子を形成したセンサチップ基板を、前記可動部との間に空隙を設けてベース基板に接合してなるＭＥＭＳセンサにおいて、前記センサチップ基板と前記ベース基板の接合面に、前記可動部の外周の一部に沿って、凹部を設けたことを特徴としている。
【０００８】
凹部は、例えば可動部が平面視矩形状で形成されている場合、該平面視矩形の各角部の外周に沿う平面視Ｌ字形状でそれぞれ形成することができる。または、該平面視矩形の１８０°対向する一対の角部に、該角部の外周に沿う平面Ｌ字形状で形成してもよい。あるいは、該平面視矩形の１８０°対向する一対の辺の外周に、該各辺に沿う平面視直線状で形成することもできる。
【０００９】
凹部は、可動部との空隙を真空状態で保持するＭＥＭＳセンサの場合、センサチップ基板とベース基板との接合により真空密閉されていることが実際的である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ベース基板側から可動部に伝わる衝撃エネルギーは、凹部を介して可動部の周縁方向で位相が異なり、可動部中心で打ち消し合う作用をするので、この衝撃エネルギーによる可動部の共振を抑えられる。これにより、可動部の破損を防止でき、耐久性に優れたＭＥＭＳセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のＭＥＭＳセンサを半導体圧力センサに適用した第１実施形態を示す断面図（図３のＩ−Ｉ線に沿う断面図）である。
【図２】同半導体圧力センサを示す断面図（図３のII−II線に沿う断面図）である。
【図３】同半導体圧力センサを示す平面図であり、基板接合面に設けた凹部と、ダイヤフラム（及びキャビティ）との位置関係を模式的に示している。
【図４】基板接合面に設けた凹部で起きるエネルギーの干渉を説明する模式図である。
【図５】本発明のＭＥＭＳセンサを半導体圧力センサに適用した第２実施形態であって、基板接合面に設ける凹部の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明のＭＥＭＳセンサを半導体圧力センサに適用した第３実施形態であって、基板接合面に設ける凹部の変形例を示す平面図である。
【図７】図６のVII−VII線に沿う断面図である。
【図８】本発明のＭＥＭＳセンサを半導体加速度センサに適用した第４実施形態を示す断面図である。
【図９】同半導体加速度センサを示す平面図である。
【図１０】実施例１について、ＭＥＭＳセンサの落下時に可動部エッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。
【図１１】比較例１について、ＭＥＭＳセンサの落下時に可動部エッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。
【図１２】比較例２について、ＭＥＭＳセンサの落下時に可動部エッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。
【図１３】図１０のグラフを周波数分解して表したグラフである。
【図１４】図１１のグラフを周波数分解して表したグラフである。
【図１５】図１２のグラフを周波数分解して表したグラフである。
【図１６】図１０の測定に用いた、基板接合面にダイヤフラムの外周一部に位置する凹部を設けた実施例１を説明する断面図及び平面図である。
【図１７】図１１の測定に用いた、基板接合面に凹部を具備しない比較例１を説明する断面図及び平面図である。
【図１８】図１２の測定に用いた、基板接合面にダイヤフラムの外周全体に位置する凹部を設けた比較例２を説明する断面図及び平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図４は、本発明の第１実施形態を示している。図１、図２は、本発明のＭＥＭＳセンサを半導体圧力センサに適用した第１実施形態を示す断面図、図３は平面図である。
【００１３】
ＭＥＭＳセンサである半導体圧力センサ１０１は、絶対圧を検出するダイヤフラム型の半導体圧力センサであって、外圧を受けて変形する圧力検出用のダイヤフラム（可動部）２１とキャビティ（空隙）２０を表裏面に形成したセンサチップ基板１０と、このセンサチップ基板１０にキャビティ２０が真空密閉されるようにして接合したベース基板３０とを備えている。
【００１４】
センサチップ基板１０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）１３を介して第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１２を貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板である。第１シリコン基板１１は、半導体微細加工技術により、ダイヤフラム２１の変位を電気的に検出するセンサ素子として複数の圧力感応抵抗素子２２を埋設形成した回路形成面（図１、図２の上面）を有している。回路形成面は、複数の圧力感応抵抗素子２２の上方位置を除いて、シリコン酸化膜で覆われている。シリコン酸化膜上には各圧力感応抵抗素子２２に導通する配線２３（図３）及びパッド２４（図２、図３）が設けられ、さらに圧力感応抵抗素子２２、配線２３及びシリコン酸化膜は、図示されていないシリコンナイトライド（Ｓｉ3Ｎ4）からなるパッシベーション膜で絶縁保護されている。パッド２４は、パッシベーション膜から露出しており、外部の測定装置に接続可能となっている。本実施形態では圧力感応抵抗素子２２としてピエゾ抵抗を用いるが、これに限定されない。
【００１５】
センサチップ基板１０には、第２シリコン基板１２とシリコン酸化膜１３の一部を第２シリコン基板１２側からドライエッチングにより除去することによって上記キャビティ２０が形成され、このキャビティ２０の上面を構成するシリコン酸化膜１３及び第１シリコン基板１１によって上記ダイヤフラム２１が形成されている。キャビティ２０及びダイヤフラム２１の中心軸Ｘは、センサチップ基板１０及びベース基板３０の平面中心Ｏと一致している。図３に示されるように、ダイヤフラム２１は平面視矩形をなし、ダイヤフラム２１の矩形輪郭の各辺にかかるようにして複数の圧力感応抵抗素子２２が配置されている。ダイヤフラム２１の平面形状は、圧力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、圧力感応抵抗素子２２の数、配置も任意に設定可能である。
【００１６】
ベース基板３０は、センサチップ基板１０を支持するシリコン基板である。このベース基板３０は、基板中央でキャビティ２０に臨み、基板周縁部で第２シリコン基板１２に接合する表面３０ａとは反対側の裏面３０ｂで、外装パッケージ３５に樹脂接着剤３６により接合されている。
【００１７】
上記センサチップ基板１０とベース基板３１の接合面には、図２、３に示されるように、平面視矩形をなすダイヤフラム２１の外周に位置させて、該ダイヤフラム２１の４つの角部に沿う平面視Ｌ字形状の凹部４１がそれぞれ設けられている。凹部４１は、センサチップ基板１０を第２シリコン基板１２側からドライエッチング加工または機械的な研磨加工を施して形成されていて、センサチップ基板１０とベース基板３０の接合により真空状態で密閉されている。
【００１８】
半導体圧力センサ１０１は、ダイヤフラム２１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪み度合いに応じて複数の圧力感応抵抗素子２２の抵抗値が変化し、この複数の圧力感応抵抗素子２２で構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として測定装置に出力される。測定装置は、各パッド２４を介して、外装パッケージ３５に実装された半導体圧力センサ１０１に接続され、半導体圧力センサ１０１の出力（中点電位変化）に基づいて圧力を測定できるようになっている。
【００１９】
落下などにより半導体圧力センサ１０１が外装パッケージ３５側から衝撃を受けると、その衝撃エネルギーＥは、ベース基板３０からセンサチップ基板１０に伝わり、ダイヤフラム２１の周縁から中心へ向かう。このエネルギー伝播経路中、センサチップ基板１０とベース基板３０の接合面では、図４に示されるように、真空密閉された凹部４０で衝撃エネルギーＥが干渉を起こす。よって、凹部４０が形成されている部分では干渉した衝撃エネルギーＥがセンサチップ基板１０へ伝わり、凹部４０が形成されていない部分ではベース基板３０からの衝撃エネルギーがそのままダイレクトにセンサチップ基板１０へ伝わる。すなわち、ダイヤフラム２１の周縁に伝わる衝撃エネルギーＥは、センサチップ基板１０とベース基板３０の接合面での凹部４０の有無により、周縁方向においてエネルギー量及び位相に差が生じる。位相の異なる衝撃エネルギーＥは、ダイヤフラム２１の周縁から中心に向かうとダイヤフラム２１の中心で相殺されるので、ダイヤフラム２１の中心で実際に受ける衝撃エネルギーＥは小さくなり、衝撃によるダイヤフラム２１の共振を抑えることができる。
【００２０】
図５は、本発明のＭＥＭＳセンサを半導体圧力センサに適用した第２実施形態を示す平面図である。第２実施形態による半導体圧力センサ２０１には、センサチップ基板１０とベース基板３０の接合面に、平面視矩形状をなすダイヤフラム２１の外周に位置させて、該ダイヤフラム２１の対角線方向の（１８０°対向する）一対の角部にのみ、該角部を囲む平面視Ｌ字形状の凹部４２を設けてある。このようにダイヤフラム２１の一対の角部に対応させて基板接合面に凹部４２を形成しても、該凹部４２があることでベース基板３０から受ける衝撃エネルギーＥの伝播経路が変化するので、ダイヤフラム２１の周縁に伝わる衝撃エネルギーは一様でなくなる。これにより、位相の異なる衝撃エネルギーがダイヤフラム２１の中心で相殺されて、衝撃によるダイヤフラム２１の共振を抑えることができる。凹部４２以外の構成は、第１実施形態と同一であり、凹部４２を通るように図５のII−II線で切断して示す半導体圧力センサ２０１の断面図は図２と同様になる。
【００２１】
図６及び図７は、本発明のＭＥＭＳセンサを半導体圧力センサに適用した第３実施形態を示す平面図及び断面図である。第３実施形態に示す半導体圧力センサ３０１には、センサチップ基板１０とベース基板３０の接合面に、平面視矩形状をなすダイヤフラム２１の外周に位置させて、該ダイヤフラム２１の平行な一対の辺（１８０°対向する一対の辺）に沿って平面視直線状の凹部４３をそれぞれ設けてある。このようにダイヤフラム２１の一対の辺に対応させて基板接合面に凹部４３を形成しても、該凹部４３があることでベース基板３０から受ける衝撃エネルギーＥの伝播経路が変化するので、ダイヤフラム２１の周縁に伝わる衝撃エネルギーは一様でなくなる。これにより、位相の異なる衝撃エネルギーがダイヤフラム２１の中心で相殺されて、衝撃によるダイヤフラム２１の共振を抑えることができる。凹部４３以外の構成は、第１実施形態と同一である。
【００２２】
第１実施形態の４つの凹部４１、第２実施形態の一対の凹部４２、及び第３実施形態の一対の凹部４３はそれぞれダイヤフラム２１の中心軸Ｘに対して回転対称となり、ダイヤフラム２１の外周全部ではなく外周の一部に凹部４１、４２、４３があることで、ダイヤフラム２１に伝わる衝撃エネルギーの位相及びエネルギー量を周縁方向で異ならせることができる。
【００２３】
第１〜第３実施形態において、凹部４１、４２、４３は、ベース基板３０側に形成されていても、センサチップ基板１０とベース基板３１の両方に形成されていてもよい。凹部４１、４２、４３は、センサチップ基板１０に形成すればキャビティ２０と同時に形成できるので、製造容易となって好ましい。
【００２４】
図８及び図９は、本発明のＭＥＭＳセンサを半導体加速度センサ４０１に適用した第４実施形態を示す断面図及び平面図である。半導体加速度センサ４０１は、ダイヤフラム型の半導体加速度センサであって、加速度が加えられたときに重り４２３の慣性力により撓む可動部４２１と、該可動部４２１の撓み量を電気的に検出するセンサ素子４２２とを形成したセンサチップ基板４１０を備えている。
【００２５】
可動部４２１は、センサチップ基板４１０の外枠フレーム４１０Ａで囲まれた全体として平面視矩形状をなしていて、その中央に位置する平面視矩形状の中央部４２１ａと、この中央部４２１ａの外周縁からセンサチップ基板４１０の外枠レーム部４１０Ａに延出させた梁部４２１ｂとで構成され、中央部４２１ａに重り４２３を懸架支持している。図９に示されるように、中央部４２１ａの矩形の輪郭の各辺にかかるようにして、上記複数のセンサ素子４２２が配置されている。本実施形態ではセンサ素子４２２としてピエゾ抵抗を用いるが、これに限定されない。中央部４２１ａの平面形状は、重り４２３の慣性力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、センサ素子４２２の数、配置も任意に設定可能である。
【００２６】
重り４２３の周囲には、センサチップ基板４１０をその裏面（センサ素子４２２が形成された面とは反対側の面）からドライエッチングにより除去することによって空隙４２５が形成されている。この空隙４２５を生じさせた状態で、センサチップ基板４１０とベース基板４３０は接合されている。ベース基板４３０は、センサチップ基板４１０の支持基板となるシリコン基板である。ベース基板４３０は、センサチップ基板４１０との接合面とは反対側の面が、樹脂接着剤４３６により外装パッケージ４３５に接着固定されている。可動部４２１（中央部４２１ａ）の中心軸Ｘとセンサチップ基板１０及びベース基板３０の平面中心Ｏは、一致している。
【００２７】
上記センサチップ基板４１０とベース基板４３０の接合面には、図８、図９に示されるように、全体として平面視矩形をなす可動部４２１の外周、すなわち、外枠フレーム部４１０Ａに位置させて、該可動部４２１の４つ角部をそれぞれ囲む平面視Ｌ字形状の凹部４４１が設けられている。凹部４４１は、センサチップ基板４１０をその裏面側からドライエッチング加工または機械的な研磨加工を施して形成されていて、センサチップ基板４１０とベース基板４３０の接合により閉じられている。
【００２８】
半導体加速度センサ４０１は、重り４２３に加速度が加わると、重り４２３と連動する可動部４２１が撓み、この撓み量に応じて複数のセンサ素子４２２の出力（センサ素子４２２がピエゾ抵抗であれば抵抗値）が変化し、これら複数のセンサ素子４２２で構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として測定装置に出力される。測定装置は、半導体加速度センサ４０１の出力（中点電位変化）に基づいて加速度を測定できるようになっている。
【００２９】
落下などにより半導体加速度センサ４０１が外装パッケージ４３５側から衝撃を受けると、その衝撃エネルギーＥは、ベース基板４３０からセンサチップ基板４１０に伝わり、梁部４２１ｂを介して中央部４２１ａの周縁から中心へ向かう。このエネルギー伝播経路中、センサチップ基板４１０とベース基板４３０の接合面では、上述の第１実施形態と同様に、密閉された凹部４４１で衝撃エネルギーＥが干渉を起こす。よって、凹部４４１が形成されている部分では干渉した衝撃エネルギーＥがセンサチップ基板４１０へ伝わり、凹部４４１が形成されていない部分ではベース基板４３０からの衝撃エネルギーＥがそのままダイレクトにセンサチップ基板４１０へ伝わる。すなわち、可動部４２１（中央部４２１ａ、梁部４２１ｂ）の周縁に伝わる衝撃エネルギーＥは、センサチップ基板４１０とベース基板４３０の接合面での凹部４４１の有無により、周縁方向においてエネルギー量及び位相に差が生じる。位相の異なる衝撃エネルギーＥは、可動部４２１の周縁から中心に向かうと可動部４２１の中心で相殺されるので、可動部４２１の中央部４２１ａが実際に受ける衝撃エネルギーＥは小さくなり、衝撃による可動部４２１の共振を抑えることができる。
【００３０】
図１０〜図１２は、ＭＥＭＳセンサの落下時に、可動部のエッジにかかる最大主応力を経過時間に沿って測定した結果を示すグラフである。この測定は、図１６に示される基板接合面にダイヤフラム２１の一対の辺に沿う直線状の凹部４３を設けた実施例１（第３実施形態）、図１７に示される基板接合面に凹部を設けていない比較例１、図１８に示される基板接合面にダイヤフラム２１の外周全体に各辺に沿う凹部４５を設けた比較例２についてそれぞれ実施した。図１０〜１２の縦軸はダイヤフラム２１の輪郭各辺の中心位置にかかる最大主応力を示し、横軸は落下時からの経過時間を示している。
【００３１】
図１０〜図１２から明らかなように、落下時にダイヤフラム２１が受ける衝撃は、実施例１で比較例１、２よりも小さくなっている。
【００３２】
図１３〜図１５は、図１０〜図１２のグラフをそれぞれ周波数分解して表したグラフである。図１３〜図１５の縦軸はダイヤフラム２１にかかる最大主応力に対応する信号値を示し、横軸は周波数を示している。
【００３３】
図１３〜図１５を見ると、実施例１及び比較例１、２のいずれにおいても、衝撃によるダイヤフラム２１の共振周波数は３００Ｈｚ、１４００Ｈｚ付近にあることがわかる。凹部を具備しない比較例１では、共振周波数３００Ｈｚのとき信号値７０００、共振周波数１４００Ｈｚのとき信号値４０００となっている。これに対し、基板接合面にダイヤフラム２１の外周一部に位置する凹部４３を設けた実施例１では、共振周波数３００Ｈｚのとき信号値４０００、共振周波数１４００Ｈｚのとき信号値３２００程度と明らかに比較例１より小さくなっており、凹部４３を設けたことでダイヤフラム２１が受ける応力が低減していることが明らかである。基板接合面にダイヤフラム２１の外周全体に位置する凹部４５を設けた比較例２では、共振周波数３００Ｈｚのとき信号値６５００、共振周波数１４００Ｈｚのとき信号値５２００であり、凹部を具備しない比較例１とそれほど変わらない。
【００３４】
以上から明らかなように、センサチップ基板１０（４１０）とベース基板３０（４３０）の接合面において、可動部（ダイヤフラム２１、可動部４２１）の外周の一部に凹部（４１、４２、４３、４４１）を設けることで、可動部に伝わる衝撃エネルギーを低減でき、衝撃による可動部の共振を抑えることができる。これによって、可動部の破損を防止し、耐久性に優れたＭＥＭＳセンサが得られる。
【００３５】
以上では、半導体圧力センサまたは半導体加速度センサに本発明を適用した実施形態について説明したが、半導体型に限らず、静電容量型の圧力センサや加速度センサのほか、接合したセンサチップ基板とベース基板の間に空隙を生じるＭＥＭＳセンサ一般に本発明は適用可能である。また第１〜第３実施形態では、キャビティが真空状態で保持されて絶対圧力を検出する絶対圧センサに本発明を適用しているが、本発明は、キャビティが外方に通じていて所定の基準圧力との差分を検出する差圧センサにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  ２０１  ３０１  半導体圧力センサ（ＭＥＭＳセンサ）
１０    センサチップ基板
１１    第１シリコン基板
１２    第２シリコン基板
１３    シリコン酸化膜
２０    キャビティ（空隙）
２１    ダイヤフラム（可動部）
２２    圧力感応抵抗素子（センサ素子）
３０    ベース基板
３０ａ  表面（接合面）
３０ｂ  裏面（実装面）
３５  外装パッケージ
３６  樹脂接着剤
４１、４２、４３  凹部
４０１  半導体加速度センサ（ＭＥＭＳセンサ）
４１０  センサチップ基板
４１０Ａ  外枠フレーム
４２１  可動部
４２１ａ  中央部
４２１ｂ  梁部
４２２  センサ素子
４２３  重り
４３０  ベース基板
４３５  外装パッケージ
４３６  樹脂接着剤
４４１  凹部
Ｅ      衝撃エネルギー
Ｏ      平面中心（基板中心）
Ｘ      中心軸
【図１】
2010210402.tif 000003
【図２】
2010210402.tif 000004
【図３】
2010210402.tif 000005
【図４】
2010210402.tif 000006
【図５】
2010210402.tif 000007
【図６】
2010210402.tif 000008
【図７】
2010210402.tif 000009
【図８】
2010210402.tif 000010
【図９】
2010210402.tif 000011
【図１０】
2010210402.tif 000012
【図１１】
2010210402.tif 000013
【図１２】
2010210402.tif 000014
【図１３】
2010210402.tif 000015
【図１４】
2010210402.tif 000016
【図１５】
2010210402.tif 000017
【図１６】
2010210402.tif 000018
【図１７】
2010210402.tif 000019
【図１８】
2010210402.tif 000020