(57)【要約】【課題】十分なノイズシールド効果が得られなかった。【解決手段】可撓部と、前記可撓部を支持する支持部と、前記可撓部の一方の面から突出する錘部と、前記可撓部の他方の面側の表面または前記表面近傍に形成され前記可撓部の変形または変位を検出する検出手段と、前記検出手段への配線部と、を有する固体素子と、前記固体素子の前記可撓部の他方の面側において前記支持部に接合され、導電性を有するスペーサと、前記固体素子の前記可撓部の他方の面側から見て、前記可撓部と前記支持部と前記錘部と前記検出手段と前記配線部とに重なる領域において、前記可撓部の他方の面と平行な方向に広がり、前記スペーサを介して接地されている導電層を有し前記スペーサに接合されている板状のストッパと、を備える。【選択図】図１
2010085295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓部と、
前記可撓部を支持する支持部と、
前記可撓部の一方の面から突出する錘部と、
前記可撓部の他方の面側の表面または前記表面近傍に形成され前記可撓部の変形または変位を検出する検出手段と、前記検出手段への配線部と、
を有する固体素子と、
前記固体素子の前記可撓部の他方の面側において前記支持部に接合され、導電性を有するスペーサと、
前記固体素子の前記可撓部の他方の面側から見て、前記可撓部と前記支持部と前記錘部と前記検出手段と前記配線部とに重なる領域において、前記可撓部の他方の面と平行な方向に広がり、前記スペーサを介して接地されている導電層を有し前記スペーサに接合されている板状のストッパと、
を備えるＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
前記ストッパは、前記導電層と、シリコンまたはシリコン酸化物との積層構造を有する、
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記ストッパには、前記固体素子の前記可撓部の他方の面側から見て前記可撓部と前記支持部と前記錘部との少なくともいずれかに重なる位置であって、前記検出手段および前記配線部とは重ならない位置に通孔が形成されている、
請求項１または請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、錘部に結合された可撓部の変形を電気信号に変換することにより加速度、角速度、振動などを検出するＭＥＭＳセンサが知られている。このようなＭＥＭＳセンサでは、強い衝撃が与えられたときに錘部が大きく変位して可撓部が破損しやすいため、錘部や可撓部といった可動部の可動域を制限するストッパを設ける構成が知られている。また、電子デバイスにおいては従来より、ノイズの影響を低減するための様々な構成が知られている。例えば特許文献１には、光通信用半導体デバイスにおいて固体素子の上方域にノイズ遮断用のワイヤーを設ける構成が開示されている。また、特許文献２には加速度センサ用素子をシールドキャップで覆う構成が、特許文献３には機械的に組み立てられる加速度センサユニットにおいてケース本体と回路基板との間にシールドプレートが配置される構成が、それぞれ開示されている。特許文献４には、振動型ジャイロセンサにおいて振動素子を支持する支持基板や、外部接続端子を有する中継基板にノイズ遮断用のシールド層が設けられることが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２９４９７９号公報
【特許文献２】特開平１０−６８７４１号公報
【特許文献３】特開平２０００−３０４７６３号公報
【特許文献４】特開２００８−１４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１では、ワイヤーを用いる構成であるので、面でノイズをシールドする構成と比較すると、シールド効果は弱い。また、ノイズの影響を低減するためのシールド層は、被シールド部に対してできるだけ近い位置に設けられることが望ましいが、特許文献２〜４の構成では、ノイズ遮断用のシールド部材を被シールド部材に十分近い位置に設けることができない。
本発明はこれらの問題を解決しつつ、ＭＥＭＳセンサを破損しにくくするとともに、ノイズの影響を低減することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサは、可撓部と、前記可撓部を支持する支持部と、前記可撓部の一方の面から突出する錘部と、前記可撓部の他方の面側の表面または前記表面近傍に形成され前記可撓部の変形または変位を検出する検出手段と、前記検出手段への配線部と、を有する固体素子と、前記固体素子の前記可撓部の他方の面側において前記支持部に接合され、導電性を有するスペーサと、前記固体素子の前記可撓部の他方の面側から見て、前記可撓部と前記支持部と前記錘部と前記検出手段と前記配線部とに重なる領域において、前記可撓部の他方の面と平行な方向に広がり、前記スペーサを介して接地されている導電層を有し前記スペーサに接合されている板状のストッパと、を備える。
本発明によると、ストッパが、スペーサを介して固体素子の可撓部の他方の面側に、当該他方の面側から見て可撓部と錘部と支持部と検出手段と配線部とに重なる位置に設けられているため、固体素子の一方の面から他方の面に向かう方向における可撓部および錘部の可動域を、ストッパによって制限することができる。そのため、固体素子の一部または全体が当該可動域を超えて変位するような強い衝撃が与えられた際に、可撓部や錘部を破損しにくくすることができる。さらにこのストッパは、導電性を有するスペーサを介して接地された導電層を有しており、ストッパは、固体素子において可撓部の他方の面側の表面または表面近傍に設けられた検出手段および配線部と重なる位置に設けられている。すなわちこの導電層と固体素子の可撓部の他方の面側の表面とは、最短でスペーサの高さに相当する距離まで近い位置に構成することができる。そのため従来の構成と比較すると、検出手段や配線部が受けうるノイズの影響をこの導電層によってさらに低減できる。なお、ストッパは、導電層のみで構成されてもよい。
【０００５】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記ストッパは、前記導電層と、シリコンまたはシリコン酸化物との積層構造を有していてもよい。
固体素子の熱応力を緩和するため、ストッパの主材料には、固体素子の主材料に対して熱膨張係数が近い材料を用いることが望ましい。可撓部および錘部やこれらを支持する支持部を有する本発明の固体素子は、安価で加工しやすいシリコンやシリコン酸化物を主材料に用いて形成されることが一般的である。そのため、本発明ではシリコンまたはシリコン酸化物と前記導電層との積層構造を有するストッパを採用することにより、固体素子の熱応力を緩和することができる。
【０００６】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記ストッパには、前記固体素子の前記可撓部の他方の面側から見て前記可撓部と前記支持部と前記錘部との少なくともいずれかに重なる位置であって、前記検出手段および前記配線部とは重ならない位置に通孔が形成されていてもよい。
空気の粘性抵抗により、可撓部や錘部が、固体素子において可撓部の一方の面側から他方の面側に向かう方向またはその逆方向に動く際、ストッパは可撓部や錘部に対するエアダンパとなる。本発明のように、可撓部と前記支持部と前記錘部との少なくともいずれかに重なる位置においてストッパに通孔が形成されていると、可撓部や錘部が受ける空気抵抗を低減することができる。また、当該通孔は検出手段や配線部と重ならない位置に設けられているため、当該通孔によって検出手段や配線部が受けうるノイズの増大は軽微である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
１．第一実施形態
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態として加速度センサを図１および図２に示す。加速度センサ１は互いに直交する３軸の加速度成分を検出するためのＭＥＭＳである。図１Ａは図２ＡのＡ−Ａ線の断面図、図１Ｂは図２ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面図を示している。図１Ｃはストッパ５０を取り払った状態の加速度センサ１を示す平面図であり、ストッパ５０と重なる領域の外周を破線で示している。図２Ｂは、パッケージに収容された状態の加速度センサ１を側方から見た模式図である。加速度センサ１は図２Ｂに示すように中空のパッケージに収容された固体素子４５を備えている。加速度センサ１の固体素子４５は、平面視が十文字の形態を有する可撓部Ｆと、可撓部Ｆの４つの端部と結合している支持部Ｓと、可撓部Ｆの中央に結合している錘部Ｍと、可撓部Ｆの変形または変位を検出するためのピエゾ抵抗部１３１とを備える。なお、錘部Ｍと可撓部Ｆ（および可撓部Ｆの表面または表面近傍に形成された検出手段と配線部）とを合わせて呼ぶ場合、本明細書では「可動部」の名称を用いる。
【０００９】
可撓部Ｆは、絶縁層２０と、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハの薄い方の単結晶シリコン層である半導体層１３とで主に構成されている。可撓部Ｆの中央部においては、半導体層１３と後述するバルク層とを接続する接続層１２を含んで構成される。半導体層１３の厚さは例えば１０μｍとする。絶縁層２０は半導体層１３に結合している。絶縁層２０の厚さは半導体層１３よりも十分薄く、例えば０．３μｍとする。絶縁層２０は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層２０にはピエゾ抵抗部１３１のコンタクトホールＨ１が複数形成されている。接続層１２はＳＯＩウエハの二酸化シリコンからなる絶縁層からなる。
【００１０】
半導体層１３の表層（錘部Ｍと結合していない面を表とする。）にはピエゾ抵抗部１３１とコンタクト抵抗低減部１３２とが形成されている。半導体層１３の残部は単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。ピエゾ抵抗部１３１にはホウ素（Ｂ）イオンがシリコンの不純物として注入されている。コンタクト抵抗低減部１３２はピエゾ抵抗部１３１の両端部に連続している。コンタクト抵抗低減部１３２にはピエゾ抵抗部１３１よりも高濃度でホウ素イオンがシリコンの不純物として注入されている。コンタクトホールＨ１においてコンタクト抵抗低減部１３２と配線３１ｂとが結合している。配線３１ｂとピエゾ抵抗部１３１とはコンタクト抵抗低減部１３２を介して電気的に接続されている。配線３１ｂはアルミ（Ａｌ）からなる。ピエゾ抵抗部１３１およびコンタクト抵抗低減部１３２に注入する不純物としてはホウ素の他にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。ピエゾ抵抗部１３１およびコンタクト抵抗低減部１３２は、請求項に記載の「可撓部の他方の面側の表面または前記表面近傍に形成され」た「検出手段」に相当し、配線３１ｂは、請求項に記載の「配線部」に相当する。なお、検出手段には、圧電素子が用いられてもよい。
【００１１】
錘部Ｍはバルク層１１からなる。錘部Ｍの厚さは例えば約６００μｍとする。バルク層１１はＳＯＩウエハの厚い方の層であって単結晶シリコンからなる。
支持部Ｓはバルク層１１、接続層１２、半導体層１３および絶縁層２０、配線３１ｂからなる。
【００１２】
図３は、可撓部Ｆにおいて錘部Ｍが突出する面と逆の面側から錘部Ｍを見た平面図を示している。図３では錘部Ｍを実線で示している。また、間隔の長い破線で囲まれた領域は、可撓部Ｆにおいて錘部Ｍが突出する面と逆の面側から錘部Ｍを見た場合の支持部Ｓの投影領域を示し、一点鎖線で囲まれた領域は可撓部Ｆの投影領域を示している。図示するように支持部Ｓは矩形枠の形態を有しており、可撓部Ｆが十文字の形態を有している。可撓部Ｆの中央部には錘部Ｍの中央部が結合している。錘部Ｍの平面視は中央の矩形の４つの角のそれぞれに矩形が接続された形態を有する。錘部Ｍの中央部以外は、可撓部Ｆにも支持部Ｓにも重なっていない。
【００１３】
可撓部Ｆの厚さは錘部Ｍおよび支持部Ｓの厚さに比べて十分薄いため、加速度センサ１に加速度が生ずると錘部Ｍが支持部Ｓに対して相対的に運動し可撓部Ｆが撓む。衝撃に伴う過大な加速度が加速度センサ１に生ずる場合、加速度の方向にかかわらず、支持部Ｓのストッパ５０側の表面を基準とした可動部の変位は、錘部Ｍの中央から最も遠い端部において最大となる。図４は、図中の矢印の方向に過大な加速度が生じたときに、錘部Ｍの運動に伴う可撓部Ｆの変形の様子を模式的に示している（図２ＡのＡ−Ａ線の断面に対応）。
【００１４】
加速度センサ１の固体素子４５は配線３１ｂに接続される外部配線７０（図２Ｂ参照）によってパッケージ外部に設けられる図示しない検出回路に接続される。検出回路は４つのピエゾ抵抗部１３１を１組とする複数組のブリッジ回路を構成している。ブリッジ回路によって検出される複数のピエゾ抵抗部１３１の抵抗値の大小関係は可撓部Ｆの３次元の変形状態を示す。可撓部Ｆの３次元の変形状態は加速度に伴って錘部Ｍに作用する慣性力に相関する。このため、複数のピエゾ抵抗部１３１の抵抗値の大小関係を検出することによって３次元の加速度成分を検出できる。
【００１５】
固体素子４５が接合されるパッケージ底部６０の表層には導電膜６１（例えばＡｇ）によるコーティングがなされており、固体素子４５はビーズ入り樹脂６２を介してパッケージ底部６０に接合されている。
【００１６】
ストッパ５０は、スペーサ５５を介して固体素子４５側に可動部（可撓部Ｆ、錘部Ｍ、ピエゾ抵抗部１３１、コンタクト抵抗部１３２、配線３１ｂ）と重なる位置に接合されている。ストッパ５０は、例えば厚さ３００μｍのシリコン（Ｓｉ）ウエハからなるプレート５２と、プレート５２の固体素子４５に対向する面全体を覆う導電層５１との積層構造で構成される。ストッパ５０の熱膨張係数がプレート５２を構成するシリコンの熱膨張係数によってほぼ支配されるように、導電層５１の厚さはプレート５２に対して十分薄く、例えば０．３μｍとする。
【００１７】
このように、本実施形態ではストッパ５０の熱膨張係数をほぼ支配するプレート５２の材料として、固体素子４５の主材料であるシリコンと同じシリコンが用いられている。したがってストッパ５０と固体素子４５の熱膨張係数の差によって固体素子４５に生ずる熱応力が小さい。固体素子４５の主材料としてシリコンやシリコン酸化物を用いることにより安価で加工しやすくなるため、プレート５２の材料にもシリコンやシリコン酸化物を用いることにより、加速度センサ１の製造コストを低減できる。
【００１８】
ストッパ５０の導電層５１には、シリコンよりも電気抵抗の小さな材料、例えばＡｌ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属膜やカーボン膜が用いられる。導電層５１は、スペーサ５５および配線３１ｂを介して接地電位の外部配線７０（ＧＮＤ）に接続される。すなわち、ストッパ５０の固体素子４５に対向する面は導電性を有するスペーサ５５を介して接地された導電層５１からなり、ストッパ５０は固体素子４５のストッパ５０側の表面および表面近傍に設けられた回路要素（配線３１ｂ、ピエゾ抵抗部１３１、コンタクト抵抗低減部１３２）のうち、外部配線７０用のパッド７１を除いた配線３１ｂの全てと、ピエゾ抵抗部１３１の全てと、コンタクト抵抗低減部１３２の全てと重なる位置に設けられている。また、この導電層５１は、本実施形態においてはスペーサ５５の高さに相当する距離まで固体素子４５に近い位置に設けられている。そのため、固体素子４５のストッパ５０側の表面および表面近傍に形成された回路要素が受けうるノイズの影響をこの導電層５１によって大幅に低減することができる。
【００１９】
スペーサ５５は、固体素子４５をストッパ５０側から見た場合に固体素子４５の四隅近傍の４カ所において支持部Ｓと接合されている。スペーサ５５は、導電性を有する材料（例えば、金属フィラー入りの樹脂）で形成されている。固体素子４５とストッパ５０とを隔てるスペーサ５５の高さは、設計上許容する可動部の可動域を確保する高さに形成される。すなわち、固体素子４５のストッパ５０側の面からストッパ５０の固体素子４５側の面までの距離を例えば約２０μｍとするために、スペーサ５５は高さ２０μｍとなるように形成される。このように、ストッパ５０がスペーサ５５を介して固体素子４５側に可動部と重なる位置に設けられているため、固体素子４５の、パッケージ底面側からストッパ５０側に向かう方向における前記可動域を超える可動部の動きを、ストッパ５０によって制限することができる。図４を用いて前述したように本実施形態では、加速度センサ１に衝撃が加えられたとき最も大きく変位しうるのは錘部Ｍの中央部から最も遠い４つの端部である。すなわち固体素子４５の一部または全体が設計上許容する可動域を超えて変位するような強い衝撃が与えられたとき、この端部のうちのいずれかがストッパ５０に接触し、可動域を超える運動を制限する。そのため、可撓部Ｆが設計上許容される以上に歪むことを防止し、可撓部Ｆの破損を防止できる。なお、錘部Ｍの中央部を除く外側の４つの矩形部分の表層には回路要素は形成されていない。したがってストッパ５０の導電層５１と、錘部Ｍの中央部を除く外側の矩形部分とが接触しても、短絡による誤動作は発生しない。
【００２０】
２．第二実施形態
本発明のＭＥＭＳセンサの第二実施形態にかかる加速度センサ２の平面視を図５Ａに示す。加速度センサ２においてストッパ５０に設けられた通孔Ｈ以外の構成は第一実施形態と同様である。図５Ａに示すように本実施形態では、ストッパ５０には、固体素子４５のストッパ５０側から見て可動部と重なる位置であって、検出手段および配線部とは重ならない位置に通孔Ｈが形成されている。具体的には、錘部Ｍの中央部以外の外側の４つの矩形部分に重なる位置に通孔Ｈが設けられている。
【００２１】
図５Ｂは本実施形態による加速度センサ２のＢ−Ｂ線の模式的な断面図である。ストッパ５０には通孔Ｈが形成されている。図５Ｃは、ストッパ５０に通孔Ｈが形成されていない場合の加速度センサ２の模式的な断面図である。前述のように錘部Ｍとストッパ５０との間の距離は例えば約２０μｍであり、ストッパ５０と錘部Ｍとの間の空隙は狭い。錘部Ｍがパッケージ底面側からストッパ５０側に向かう方向またはその逆の方向に動く際、錘部Ｍとストッパ５０との間の空間が収縮あるいは拡張するため、空気の移動が起こる。その際、ストッパ５０に通孔Ｈが形成されていない場合は図５Ｃに示すように、空気はこの空隙を通って移動するが、空気の粘性抵抗によって錘部Ｍの運動が妨げられる。本実施形態のように、錘部Ｍの中央部を除く外側の４つの矩形部分と重なる位置においてストッパ５０に通孔Ｈが形成されていると、図５Ｂに示すように錘部Ｍが動く際に空気が移動する通路断面積が増えるため、前述の粘性抵抗によって錘部Ｍの運動が妨げられる現象を緩和することができる。その結果、加速度センサ２の加速度検出精度を高めることができる。なお、通孔Ｈは検出手段や配線部とは重ならない位置に設けられているため、この通孔Ｈによって当該回路要素が受けうるノイズの増大は軽微である。通孔Ｈが形成される位置や大きさ、個数などは、適宜設計し調節される。例えば、通孔Ｈは可動部において変位量が最大になる位置に形成されてもよい。また、通孔Ｈは支持部Ｓと重なる位置に形成されてもよい。
【００２２】
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、上記実施形態で示した材質や寸法はあくまで例示であるし、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて構成の追加や削除、置換変更がなされてもよい。例えばストッパ５０は、回路要素が形成された他の固体素子であってもよい。具体的には例えば、加速度成分を検出する検出回路が形成された固体素子がストッパ５０として設けられてもよい。
【００２３】
また例えば、固体素子４５のストッパ５０側の表面においてパッド７１以外の領域にはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によりパッシベーション膜（例えばＳｉＮ）が形成され、このパッシベーション膜によってパッド７１以外の配線３１ｂが覆われていてもよい。配線３１ｂ上にパッシベーション膜が形成されていることにより、可撓部Ｆの配線３１ｂがストッパ５０の導電層５１に接触し通電することを防止することができる。さらに、配線部３１ｂの自然酸化を抑制することができる。
【００２４】
また例えば、ストッパ５０の導電層５１の固体素子４５と対向する面に上記と同様にパッシベーション膜が形成されていてもよい。このような構成により、可撓部Ｆの配線部３１ｂが導電層５１に接触し通電することを防止できるとともに、導電層５１の自然酸化を抑制することができる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、ＭＥＭＳセンサとして加速度センサを例に用いて説明したが、振動ジャイロスコープ、圧力センサ、振動センサ、マイクロホン、力覚センサなどに本発明が適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（１Ａ）および（１Ｂ）は第一実施形態にかかる加速度センサの断面図、（１Ｃ）は加速度センサの平面図。
【図２】（２Ａ）は第一実施形態にかかる平面図、（２Ｂ）は第一実施形態にかかる模式図。
【図３】第一実施形態にかかる平面図。
【図４】第一実施形態にかかる変形状態を示す模式的な断面図。
【図５】（５Ａ）は第二実施形態にかかる平面図、（５Ｂ）および（５Ｃ）は第二実施形態にかかる模式的な断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１：加速度センサ、２：加速度センサ、１１：バルク層、１２：接続層、１３：半導体層、２０：絶縁層、３１ｂ：配線、４５：固体素子、５０：ストッパ、５１：導電層、５２：プレート、５５：スペーサ、６０：パッケージ底面、６１：導電膜、６２：樹脂、１３１：ピエゾ抵抗部、１３２：コンタクト抵抗低減部、Ｆ：可撓部、Ｈ：通孔、Ｈ１：コンタクトホール、Ｍ：錘部、Ｓ：支持部。
【図１】
2010085295.tif 000003
【図２】
2010085295.tif 000004
【図３】
2010085295.tif 000005
【図４】
2010085295.tif 000006
【図５】
2010085295.tif 000007