(57)【要約】  ＭＥＭＳデバイスは、可動部と、フレームと、ビームと、電極基板とを備えている。フレームは可動部の周囲を囲んでいる。ビームは、フレームの少なくとも一部から延伸され、可動部に接続されている。電極基板は、固定電極と、拡張電極と、基板部とを有している。固定電極は、電極基板の、揺動部と対向する領域の少なくとも一部に形成されている。拡張電極は、固定電極と接続されており、かつ電極基板の、軸部と対向する領域の少なくとも一部に形成されている。
2014122910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と、
前記可動部と離れて、前記可動部の周囲を囲むフレームと、
前記フレームの少なくとも一部から延伸され、前記可動部に接続されたビームと、
固定電極と、
拡張電極と、
基板部と、
を有し、
前記可動部と対向し、周囲が前記フレームの周囲に接合されている
電極基板と、
を備え、
前記可動部において、前記ビームの延長箇所は軸部であり、前記可動部の前記軸部以外の箇所は揺動部であって、
前記固定電極は、前記電極基板の、前記揺動部と対向する領域の少なくとも一部に形成されており、
前記拡張電極は、前記固定電極と接続されており、かつ前記電極基板の、前記軸部と対向する領域の少なくとも一部に形成されている
ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記揺動部は、前記ビームを挟んで第１の揺動部と第２の揺動部を有しており、
前記固定電極は、第１の固定電極と第２の固定電極を有しており、
前記拡張電極は、第１の拡張電極と第２の拡張電極を有しており、
前記第１の揺動部と対向する領域の少なくとも一部に、前記第１の固定電極が形成され、
前記第２の揺動部と対向する領域の少なくとも一部に、前記第２の固定電極が形成され、
前記第１の拡張電極は、前記第１の固定電極と接続されており、かつ前記電極基板の、前記軸部と対向する領域の少なくとも一部に形成されており、
前記第２の拡張電極は、前記第２の固定電極と接続されており、かつ前記電極基板の、前記軸部と対向する領域の少なくとも一部に形成されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記第１の拡張電極と前記第２の拡張電極は、点対称に形成されている
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記第１の拡張電極と前記第２の拡張電極は長方形状である
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記可動部の、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極に挟まれた部分に対向する領域の少なくとも一部に凹部が形成されている
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記第１の揺動部は立方体であり、
前記第２の揺動部は前記第２の固定電極に対向する面の反対側に開口部を有する立方体である
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記可動部はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）で形成されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
前記ＳＯＩは、第１のＳｉ層と、第２のＳｉ層と、前記第１のＳｉ層と前記第２のＳｉ層との間の酸化膜と、
を有している
請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
前記ビームは前記第１のＳｉ層で形成されている
請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
前記フレームはＳｉで形成されており、前記基板部はガラスで形成されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
前記フレームと前記基板部とは陽極接合により接合されている
請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
前記固定電極は、金属薄膜で形成されており、前記電極基板の中のＳｉで形成された引き出し電極と接続されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術分野は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来のＭＥＭＳデバイスを内蔵したパッケージ１３００の内部構造を示す斜視図である。図７では、パッケージ１３００の蓋を開けた状態を示している。パッケージ１３００は、基板１５００の上に実装されている。パッケージ１３００には、センサチップ１１００と、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの集積回路１２００が実装されている。ＭＥＭＳデバイスは、センサチップ１１００内に収納されている。集積回路１２００は、センサチップ１１００からの出力に基づいて各種の演算を行う。パッケージ１３００から端子１４００が引き出され、基板１５００に接続されている。【０００３】
以下に、ＭＥＭＳデバイスである静電容量型の加速度センサについて説明する。図８Ａは、従来の加速度センサ２１０の垂直断面図である。図８Ｂは、従来の加速度センサ２１０の水平断面模式図である。図８Ｃは、従来の加速度センサ２１０の可動体１０１の上面図である。図８Ｄは、従来の加速度センサ２１０の可動体１０１の下面図である。【０００４】
静電容量型の加速度センサ２１０は、可動体１０１と電極基板１２２ａ、１２２ｂとを備えている。【０００５】
可動体１０１は、可動部１１１と、フレーム１３３と、ビーム１６ａ、１６ｂとを有する。フレーム１３３は、可動部１１１を囲む外枠である。可動部１１１は、ビーム１６ａ、１６ｂを回動軸としてフレーム１３３に支持されている。【０００６】
図８Ｃに示すように、可動部１１１において、ビーム１６ａ、１６ｂの延長箇所を軸部１４５とし、可動部１１１の軸部１４５以外の箇所を揺動部１４４ａ、揺動部１４４ｂとする。揺動部１４４ａは立方体であり、揺動部１４４ｂは固定電極１１２ｂに対向する面の反対側に開口部１１１ｄを有する立方体である。【０００７】
フレーム１３３はシリコン（Ｓｉ）で形成されている。可動部１１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）で形成されている。具体的には、ＳｉＯ２などの酸化膜１１１ｂが、Ｓｉ層１１１ａとＳｉ層１１１ｃの間に挟まれることにより可動部１１１が形成されている。【０００８】
可動体１０１の両面に電極基板１２２ａ、１２２ｂが設置されている。可動体１０１の周囲と電極基板１２２ａ、１２２ｂの周囲とは陽極接合により接合されている。電極基板１２２ａは、基板部１２０ａ、引き出し電極１１４ａ、１１４ｂ、固定電極１１２ａ、１１２ｂを有している。基板部１２０ａは、ガラスで形成されている。引き出し電極１１４ａ、１１４ｂは、Ｓｉで形成されている。電極基板１２２ｂは、ガラスで形成された基板部１２０ｂで構成されている。固定電極１１２ａ、１１２ｂは、スパッタなどにより形成された金属薄膜である。固定電極１１２ａは、電極基板１２２ａの揺動部１４４ａと対向する領域の少なくとも一部に形成されている。固定電極１１２ｂは、電極基板１２２ａの揺動部１４４ｂと対向する領域の少なくとも一部に形成されている。引き出し電極１１４ａ、１１４ｂは、基板部１２０ａに埋め込まれており、これにより、固定電極１１２ａ、１１２ｂの電位を電極基板１２２ａの上面へ引き出せる。【０００９】
加速度により可動部１１１が揺動すると、固定電極１１２ａと可動部１１１との間の静電容量および、固定電極１１２ｂと可動部１１１との間の静電容量が変化する。例えば、ある物質の誘電率をε、その物質を挟む電極の面積をＳ、電極間のギャップをｄとした場合、静電容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄにより算出できる。加速度により可動部１１１が揺動すると静電容量Ｃが変化するため、その差分容量を集積回路１２００により算出することで、加速度が検出できる。【００１０】
すなわち、加速度センサ２１０は、可動部１１１と、固定電極１１２ａ、１１２ｂとの間の静電容量の変化から可動部１１１の変位を検出し、この変位に基づいて加速度を検出する。【００１１】
可動部１１１の固定電極１１２ａ、１１２ｂに対向する面には突起状のストッパ１３４が複数形成されている。ストッパ１３４を形成することにより、可動部１１１に大きな加速度が加わった場合でも、可動部１１１が固定電極１１２ａ、１１２ｂに衝突して破損することを抑制できる。【００１２】
電極基板１２２ａ、１２２ｂのフレーム１３３との接合部分は基板部１２０ａ、１２０ｂであり、ガラスで形成されている。そして、可動体１０１の電極基板１２２ａ、１２２ｂとの接合部分は、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。電極基板１２２ａ、１２２ｂと可動体１０１との接合には陽極接合を用いている。しかし、陽極接合時に、印加する電圧によっては、ガラスとＳｉとの間に静電吸引力が発生する。この静電吸引力により、可動部１１１の一部が電極基板１２２ａ側に引き寄せられ、接合する場合がある。【００１３】
図９Ａは、他の従来の加速度センサ２１２の垂直断面図である。図９Ｂは、他の従来の加速度センサ２１２の水平断面模式図である。可動部１１１の、固定電極１１２ａと固定電極１１２ｂに挟まれた部分に対向する領域（以下、「対向領域」という）に凹部１３０が設けられている。凹部１３０は、可動部１１１の対向領域の少なくとも一部を薄くすることで形成される。凹部１３０を設けることにより、静電吸引力を低減できる。弾性力よりも静電吸引力を小さくすることにより、可動部１１１が基板部１２０ａに接合するのを抑制できる。【００１４】
しかし、小型のチップにおいては、ビーム１６ａ、１６ｂを非常に薄くする必要がある。その結果、陽極接合時に発生する静電吸引力によりビーム１６ａ、１６ｂが変形し、ビーム１６ａ、１６ｂがガラスに接合する場合がある。【００１５】
ビーム１６ａ、１６ｂを非常に薄くした場合、可動体１０１と電極基板１２２ａを４００Ｖ程度の電圧で陽極接合すると、陽極接合時に発生する静電吸引力によりビーム１６ａ、１６ｂが基板部１２０ａに引き寄せられる。そのため、ビーム１６ａ、１６ｂが変形し、ビーム１６ａ、１６ｂが基板部１２０ａに接合する場合がある。【００１６】
すなわち、可動体１０１と電極基板１２２ａとを陽極接合する場合、印加する電圧によりガラスとＳｉとの間に静電吸引力が発生する。この静電吸引力により、Ｓｉで形成された可動部１１１の一部がガラスに引き寄せられ、ガラスと接合する場合がある。特に、小型チップにおいては、ビーム１６ａ、１６ｂの薄型化が進んでいる。その結果、陽極接合時に発生する静電吸引力によりビーム１６ａ、１６ｂが変形し、ビーム１６ａ、１６ｂがガラスに接合する場合がある。上記の先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１２−２２０３７６号公報
【発明の概要】
【００１８】
ＭＥＭＳデバイスは、可動部と、フレームと、ビームと、電極基板とを備えている。フレームは、可動部と離れて、可動部の周囲を囲んでいる。ビームは、フレームの少なくとも一部から延伸され、可動部に接続されている。電極基板は、固定電極と、拡張電極と、基板部とを有している。電極基板は、可動部と対向し、周囲がフレームの周囲に接合されている。可動部において、ビームの延長箇所は軸部であり、可動部の軸部以外の箇所は揺動部である。固定電極は、電極基板の、揺動部と対向する領域の少なくとも一部に形成されている。拡張電極は、固定電極と接続されており、かつ電極基板の、軸部と対向する領域の少なくとも一部に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本実施の形態におけるＭＥＭＳデバイスを内蔵したパッケージの内部構造を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本実施の形態における加速度センサの垂直断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本実施の形態における加速度センサの水平断面模式図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本実施の形態における加速度センサの可動体の上面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本実施の形態における加速度センサの可動体の下面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本実施の形態における加速度センサの凹部を説明する模式図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、本実施の形態における他の加速度センサのダミー電極を説明する模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの垂直断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの水平断面模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの垂直断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの水平断面模式図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの固定電極と拡張電極の下面模式図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの水平断面模式図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの固定電極と拡張電極の下面模式図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、本実施の形態におけるさらに他の加速度センサの固定電極と拡張電極の下面模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、従来の加速度センサの可動部と固定電極との構成を説明する模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本実施の形態における加速度センサの可動部と固定電極とダミー電極との構成を説明する模式図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本実施の形態における他の加速度センサの可動部と固定電極と拡張電極との構成を説明する模式図である。
【図６】図６は、加速度センサのビーム部分の最大たわみ量を示すグラフである。
【図７】図７は、従来のＭＥＭＳデバイスを内蔵したパッケージの内部構造を示す斜視図である。
【図８Ａ】図８Ａは、従来の加速度センサの垂直断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、従来の加速度センサの水平断面模式図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、従来の加速度センサの可動体の上面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、従来の加速度センサの可動体の下面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、他の従来の加速度センサの垂直断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、他の従来の加速度センサの水平断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本実施の形態におけるＭＥＭＳデバイスを内蔵したパッケージの内部構造を示す斜視図である。図１では、パッケージ３００の蓋を開けた状態を示している。パッケージ３００は、基板５００の上に実装されている。パッケージ３００には、センサチップ１００と、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの集積回路２００が実装されている。ＭＥＭＳデバイスは、センサチップ１００内に収納されている。集積回路２００は、センサチップ１００からの出力に基づいて各種の演算を行う。パッケージ３００から端子４００が引き出され、基板５００に接続されている。以下に、ＭＥＭＳデバイスである静電容量型の加速度センサについて説明する。
【００２１】
図２Ａは、本実施の形態における加速度センサ２１４の垂直断面図である。図２Ｂは、本実施の形態における加速度センサ２１４の水平断面模式図である。図２Ｃは、本実施の形態における加速度センサ２１４の可動体１の上面図である。図２Ｄは、本実施の形態における加速度センサ２１４の可動体１の下面図である。図２Ｅは、本実施の形態における加速度センサ２１４の凹部３０を説明する模式図である。なお、模式図においては、説明のために、隠れている箇所を実線で示している。
【００２２】
ＭＥＭＳデバイスは、可動体１と、電極基板２ａ、２ｂとを備えている。可動体１は、可動部１１と、フレーム３３と、ビーム６ａ、６ｂとを有する。フレーム３３は、可動部１１と離れて、可動部１１の周囲を囲んでいる。ビーム６ａ、６ｂは、フレーム３３の２箇所から延伸され、可動部１１に接続されている。
【００２３】
フレーム３３およびビーム６ａ、６ｂは、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。可動部１１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）で形成されている。具体的には、Ｓｉ層１１ａ（第１のＳｉ層）と、Ｓｉ層１１ｃ（第２のＳｉ層）との間に、酸化膜１１ｂが挟まれることにより可動部１１が形成されている。ここで酸化膜１１ｂは、ＳｉＯ２あるいはＳｉＯなどである。また、ビーム６ａ、６ｂはＳｉ層１１ａ（第１のＳｉ層）で形成されている。
【００２４】
フレーム３３は、可動部１１を囲む外枠である。可動部１１は、ビーム６ａ、６ｂを回動軸としてフレーム３３に支持されている。
【００２５】
図２Ｃに示すように、可動部１１において、ビーム６ａ、６ｂの延長箇所を軸部４５とし、可動部１１の軸部４５以外の箇所を揺動部４４ａ（第１の揺動部）、揺動部４４ｂ（第２の揺動部）とする。揺動部４４ａは立方体であり、揺動部４４ｂは固定電極１２ｂに対向する面の反対側に開口部１１ｄを有する立方体である。
【００２６】
可動体１の両面に電極基板２ａ、２ｂが設置されている。可動体１の周囲（すなわちフレーム３３）と電極基板２ａ、２ｂの周囲とは陽極接合により接合されている。電極基板２ａは、基板部２０ａ、引き出し電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、固定電極１２ａ、１２ｂ、ダミー電極１２ｃを有している。基板部２０ａは、ガラスで形成されている。引き出し電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、Ｓｉで形成されている。電極基板２ｂは、ガラスで形成された基板２０ｂで構成されている。固定電極１２ａ、１２ｂは、Ａｌ−Ｓｉ膜、あるいはＡｌ−Ｔｉ膜などの金属薄膜であり、スパッタなどにより形成されている。固定電極１２ａ（第１の固定電極）は、電極基板２ａの、揺動部４４ａと対向する領域の少なくとも一部に形成されている。固定電極１２ｂ（第２の固定電極）は、電極基板２ａの、揺動部４４ｂと対向する領域の少なくとも一部に形成されている。引き出し電極１４ａ、１４ｂは、基板部２０ａに埋め込まれており、これにより、固定電極１２ａ、１２ｂの電位を電極基板２ａの上面へ引き出せる。
【００２７】
また、ダミー電極１２ｃは、電極基板２ａの、軸部４５と対向する領域の少なくとも一部に形成されている。引き出し電極１４ｃは、基板部２０ａに埋め込まれており、これにより、ダミー電極１２ｃの電位を電極基板２ａの上面へ引き出せる。
【００２８】
加速度により可動部１１が揺動すると、固定電極１２ａと揺動部４４ａとの間の静電容量および、固定電極１２ｂと揺動部４４ｂとの間の静電容量が変化する。例えば、ある物質の誘電率をε、その物質を挟む電極の面積をＳ、電極間のギャップをｄとした場合、静電容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄにより算出できる。加速度により可動部１１が揺動すると静電容量Ｃが変化するため、その差分容量を集積回路２００により算出することで、加速度が検出できる。
【００２９】
すなわち、加速度センサ２１４は、可動部１１と、固定電極１２ａ、１２ｂとの間の静電容量の変化から可動部１１の変位を検出し、この変位に基づいて加速度を検出する。
【００３０】
可動部１１の固定電極１２ａ、１２ｂと対向する面には突起状のストッパ３４が複数形成されている。ストッパ３４を形成することにより、可動部１１に大きな加速度が加わった場合でも、可動部１１が固定電極１２ａ、１２ｂに衝突して破損することを抑制できる。
【００３１】
電極基板２ａ、２ｂのフレーム３３との接合部分は、基板部２０ａ、２０ｂであり、ガラスで形成されている。そして、フレーム３３の電極基板２ａ、２ｂとの接合部分は、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。電極基板２ａ、２ｂと可動体１との接合には陽極接合を用いている。
【００３２】
また、可動部１１の、固定電極１２ａと固定電極１２ｂに挟まれた部分に対向する領域（以下、「対向領域」という）に凹部３０が設けられている。凹部３０は、可動部１１の対向領域の少なくとも一部を薄くすることで形成される。凹部３０を設けることにより、可動部１１が基板部２０ａに接合するのを抑制できる。
【００３３】
図２Ａ、図２Ｅに示すように、凹部３０の横方向の距離Ｌ１２を４０μｍ、凹部３０の縦方向の距離Ｌ１３を８００μｍ、凹部３０の深さＬ１１を１１μｍとしている。ここで、対向領域の縦方向の距離は１０００μｍ、横方向の距離Ｌ７は４０μｍである。すなわち、面積１０００×４０μｍ２の対向領域のうち、８００×４０μｍ２の領域を１１μｍの深さだけエッチングにより除去することにより凹部３０を形成している。凹部３０を設けることにより、可動部１１が基板部２０ａに接合するのを抑制できる。
【００３４】
また、例えば、固定電極１２ａ、１２ｂ間の距離Ｌ７が４０μｍ、可動部１１の幅Ｌ８が１０００μｍ、基板部２０ａと可動部１１との間の距離Ｌ３が２．２μｍ、固定電極１２ａ、１２ｂの厚さＬ４が０．２μｍであるとする。この場合、可動体１と電極基板２ａを６００Ｖの電圧で陽極接合すると、可動部１１には約１６ｍＮの静電吸引力が発生する。
【００３５】
また、ビーム６ａ、６ｂの幅Ｌ６が１２μｍ、厚さＬ２が１１μｍ、長さＬ５が１５０μｍで、可動部１１に形成されたストッパ３４の高さＬ１が１．１μｍであるとする。この場合、可動部１１が０．９μｍ吸引されたときの弾性力は３．６ｍＮとなる。この場合、静電吸引力が弾性力を上回るため、可動部１１が基板部２０ａに接合してしまう可能性がある。しかし、凹部３０を設けることにより、静電吸引力を３．５ｍＮに低減できる。すなわち弾性力よりも静電吸引力を小さくすることにより、可動部１１が基板部２０ａに接合するのを抑制できる。
【００３６】
加速度センサ２１４において、電極基板２ａは、軸部４５と対向する領域にダミー電極１２ｃを有している。ダミー電極１２ｃは、電気的に浮遊している。ダミー電極１２ｃは、Ａｌ−Ｓｉ膜、あるいはＡｌ−Ｔｉ膜などの金属薄膜であり、固定電極１２ａ、１２ｂと同様のプロセスで形成できる。ダミー電極１２ｃは、引き出し電極１４ｃの一端に接続されている。
【００３７】
ダミー電極１２ｃの幅Ｌ２１は、ビーム６ａ、６ｂの幅Ｌ６より若干広い方が望ましい。例えば、ビーム６ａ、６ｂの幅Ｌ６が１２μｍの場合、ダミー電極１２ｃの幅Ｌ２１は２０μｍ以上が好ましい。このような構成にすることにより、陽極接合時に発生する静電吸引力をさらに減少できる。
【００３８】
なお、図２Ｅでは、凹部３０と対向する領域に沿ってダミー電極１２ｃが形成されているが、本実施の形態はこれに限定されない。図２Ｆに示すように、ダミー電極１２ｃは、電極基板２ａの、軸部４５と対向する領域の少なくとも一部に形成されていればよい。
【００３９】
ただし、凹部３０が形成されていても、陽極接合を行うと可動部１１に３．５ｍＮの静電吸引力が発生する。そのため、軸部４５と対向する領域だけではなく、凹部３０と対向する領域にもダミー電極１２ｃを形成する方が望ましい。
【００４０】
図３Ａは、本実施の形態における加速度センサ２１６の垂直断面図である。図３Ｂは、本実施の形態における加速度センサ２１６の水平断面模式図である。加速度センサ２１６が加速度センサ２１４と異なる点は、引き出し電極１４ｃが形成されておらず、ダミー電極１２ｃがコモン電位に接続されている点である。なお、模式図においては、説明のために、隠れている箇所を実線で示している。
【００４１】
具体的には、ダミー電極１２ｃは、Ｓｉで形成されたフレーム３３に接続されている。すなわち、ダミー電極１２ｃと、可動部１１が同じ電位になっている。この構成により、外部から不要な信号が印加された場合でも、ビーム６ａ、６ｂの上部がコモン電位以外の電位に帯電しない。そのため、ビーム６ａ、６ｂが電極基板２ａと接触しにくい。すなわちダミー電極１２ｃをコモン電位に接続することにより、陽極接合時に発生する静電吸引力をさらに低減できるので、外乱に強い加速度センサ２１６が得られる。
【００４２】
図４Ａは、本実施の形態における加速度センサ２１８の垂直断面図である。図４Ｂは、本実施の形態における加速度センサ２１８の水平断面模式図である。図４Ｃは、本実施の形態における加速度センサ２１８の固定電極１２ａ、１２ｂと拡張電極１２ｅ、１２ｆの下面模式図である。加速度センサ２１８が加速度センサ２１４と異なる点は、ダミー電極１２ｃと引き出し電極１４ｃが形成されておらず、固定電極１２ａと固定電極１２ｂのうち少なくとも一方が、軸部４５に対向する領域まで延出している点である。なお、模式図においては、説明のために、隠れている箇所を実線で示している。
【００４３】
具体的には、固定電極１２ａ（第１の固定電極）の一部を固定電極１２ｂの方に延出することにより、電極基板２ａの軸部４５と対向する領域にも電極を形成する。この延出された長方形状の電極を拡張電極１２ｅ（第１の拡張電極）とする。また、固定電極１２ｂ（第２の固定電極）の一部を固定電極１２ａの方に延出することにより、電極基板２ａの軸部４５と対向する領域にも電極を形成する。この延出された長方形状の電極を拡張電極１２ｆ（第２の拡張電極）とする。拡張電極１２ｅ、１２ｆは、固定電極１２ａ、１２ｂと一体に形成できる。拡張電極１２ｅ、１２ｆの材質は、固定電極１２ａ、１２ｂと同様、Ａｌ−Ｓｉ膜、あるいはＡｌ−Ｔｉ膜などの金属薄膜である。例えば、ビーム６ａ、６ｂの幅Ｌ６が１２μｍである場合、拡張電極１２ｅの幅Ｌ４１、拡張電極１２ｆの幅Ｌ４２は４０μｍ以上が好ましい。この構成により、ビーム６ａ、６ｂの上部が帯電しにくくなる。
【００４４】
なお、図４Ｂでは、電極基板２ａの凹部３０と対向する領域の大部分に拡張電極１２ｅが形成されているが、本実施の形態はこれに限定されない。図４Ｄは、本実施の形態における加速度センサ２１９の水平断面模式図である。図４Ｄでは、説明のために、隠れている箇所を実線で示している。図４Ｄに示すように、拡張電極１２ｅは、軸部４５と対向する領域の少なくとも一部に形成されていればよい。また、凹部３０を設けなくてもよい。ただし、凹部３０を設けた方が、静電吸引力を低減できる。さらに、凹部３０を設けた場合でも、陽極接合を行うと可動部１１に３．５ｍＮの静電吸引力が発生するため、軸部４５と対向する領域の一部だけでなく、凹部３０と対向する領域の大部分に拡張電極１２ｅ、１２ｆを形成するのが好ましい。
【００４５】
また、本実施の形態では、図４Ｃに示すように、拡張電極１２ｅと拡張電極１２ｆは、点対称に形成されている。しかし、拡張電極１２ｅ、１２ｆの態様はこれに限定されない。例えば、図４Ｅ、図４Ｆに示すように、拡張電極１２ｅだけでもよく、また、拡張電極１２ｆだけでもよい。また、拡張電極１２ｅと拡張電極１２ｆの形状が異なっていてもよい。なお、本実施の形態では、拡張電極１２ｅ、１２ｆの形状は、長方形状としたが、円形や多角形状など他の形状でも構わない。
【００４６】
本実施の形態によれば、陽極接合時に発生する静電吸引力が減少し、また、ビーム６ａ、６ｂの上部が帯電しにくいため、外部から不要な信号が印加された場合でも、ビーム６ａ、６ｂが電極基板２ａと接触しにくい。そのため、外乱に強い加速度センサ２１８、２１９が得られる。
【００４７】
更に、加速度センサ２１４、２１６では、ダミー電極１２ｃを固定電極とは別に設けているために、ダミー電極１２ｃの面積分だけ固定電極１２ａ、１２ｂの面積が減少する。ダミー電極１２ｃは加速度の検出に寄与しないので、固定電極１２ａ、１２ｂの面積の減少は検出感度の低下を招く場合がある。しかし、加速度センサ２１８、２１９では、ダミー電極１２ｃを有していない。そのため、検出感度を低下させずに、陽極接合時に発生する静電吸引力を減少できる。
【００４８】
なお、本実施の形態において、凹部３０を形成したが、凹部３０は形成しなくてもよい。ただし、凹部３０を形成することにより、静電吸引力を低減できるため、凹部３０を形成するのが好ましい。
【００４９】
また、本実施の形態において、ビーム６ａ、６ｂは２箇所設けたが、２箇所に限らず、１箇所でもよい。
【００５０】
次に、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、及び図６を用いて、陽極接合時に発生する静電吸引力によるビーム６ａ、６ｂの最大たわみ量について説明する。
【００５１】
図５Ａは、従来の加速度センサ２１０の可動部１１１と固定電極１１２ａ、１１２ｂとの構成を説明する模式図である。図５Ｂは、本実施の形態における加速度センサ２１４の可動部１１と固定電極１２ａ、１２ｂとダミー電極１２ｃとの構成を説明する模式図である。図５Ｃは、本実施の形態における加速度センサ２１８の可動部１１と固定電極１２ａ、１２ｂと拡張電極１２ｅ、１２ｆとの構成を説明する模式図である。図５Ａは、加速度センサ２１０の水平断面方向の模式図を示している。図５Ｂは、加速度センサ２１４の水平断面方向の模式図を示している。図５Ｃは、加速度センサ２１８の水平断面方向の模式図を示している。図５Ａに示す加速度センサ２１０をサンプルＡ、図５Ｂに示す加速度センサ２１４をサンプルＢ、図５Ｃに示す加速度センサ２１８をサンプルＣとする。なお、模式図においては、説明のために、隠れている箇所を実線で示している。
【００５２】
サンプルＡでは、図５Ａに示すように、固定電極１１２ａ、１１２ｂ間の距離Ｌ７を４０μｍにしている。また、サンプルＢでは、図５Ｂに示すように、ダミー電極１２ｃの幅Ｌ２１を２０μｍにしている。そして、固定電極１２ａからダミー電極１２ｃまでの距離Ｌ６３を２０μｍ、固定電極１２ｂからダミー電極１２ｃまでの距離Ｌ６４を２０μｍとしている。また、サンプルＣでは、図５Ｃに示すように、固定電極１２ａ、１２ｂ間の最も広い距離Ｌ７３を６０μｍにしている。また、拡張電極１２ｅの幅Ｌ４１および、拡張電極１２ｆの幅Ｌ４２は４０μｍにしている。すなわち、固定電極１２ａ、１２ｂ間の最も狭い距離Ｌ７５は２０μｍである。本実施の形態において、距離は水平断面図上の距離を示している。
【００５３】
図６は、陽極接合時に発生する静電吸引力による、加速度センサのビーム部分の最大たわみ量を示すグラフである。サンプルＡのビーム１６ａ、１６ｂ部分における最大たわみ量を“１”としている。
【００５４】
図６に示すように、サンプルＡの最大たわみ量を“１”とした場合、サンプルＢの最大たわみ量は約０．２０、サンプルＣの最大たわみ量は約０．１０となる。このように、ダミー電極１２ｃを形成することにより、ビーム６ａ、６ｂのたわみを抑制できる。さらに、拡張電極１２ｅ、１２ｆを形成することにより、ビーム６ａ、６ｂのたわみをさらに抑制できる。
【００５５】
なお、図３Ａ、３Ｂに示す加速度センサ２１６において、ダミー電極１２ｃの幅Ｌ２１を２０μｍ、固定電極１２ａからダミー電極１２ｃまでの幅を２０μｍ、固定電極１２ｂからダミー電極１２ｃまでの幅を２０μｍとした場合は、サンプルＢの構成とほぼ同じである。そのためその場合の最大たわみ量は約０．２になる。
【００５６】
なお、図４Ａにおいて、電極基板１２ｂ上に固定電極（図示せず）を更に設け、可動部１１と固定電極１２ｂ間に交流電圧を印加することにより可動部１１と固定電極１２ｂとの間に静電引力を作用させ、可動部１１を上下方向に振動させても良い。
【００５７】
なお、本実施の形態は上記の例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、電極基板２ａに２つの固定電極１２ａ、１２ｂが形成されているが、固定電極の数は２つに限定されない。また、ダミー電極１２ｃの形状や、大きさや、レイアウトなども適宜変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本実施の形態によるＭＥＭＳデバイスは、可動体と電極基板とを陽極接合する場合に、ビームがガラスに接合しにくいので、静電容量型の加速度センサとして有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１  可動体
２ａ，２ｂ，２２ａ，２２ｂ  電極基板
６ａ，６ｂ  ビーム
１１  可動部
１１ａ，１１ｃ  Ｓｉ層
１１ｂ  酸化膜
１１ｄ  開口部
１２ａ，１２ｂ  固定電極
１２ｃ  ダミー電極
１２ｅ，１２ｆ  拡張電極
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  引き出し電極
２０ａ  基板部
３０  凹部
３３  フレーム
３４  ストッパ
４４ａ，４４ｂ  揺動部
４５  軸部
２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２１９  加速度センサ
Ｌ１  高さ
Ｌ２，Ｌ４  厚さ
Ｌ３，Ｌ７，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ６３，Ｌ６４，Ｌ７３，Ｌ７５  距離
Ｌ５  長さ
Ｌ６，Ｌ８，Ｌ２１，Ｌ４１，Ｌ４２  幅
Ｌ１１  深さ
【図１】
2014122910.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月13日(2014.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と、
前記可動部に接続するビームと、
前記ビームに接続するフレームと、
固定電極と拡張電極とを有し、前記フレームに接続する基板と、
を備え、
前記固定電極は、前記基板の、前記可動部と対向する領域の少なくとも一部に形成されており、
前記拡張電極は、前記固定電極と接続されており、かつ前記基板の、前記ビームと対向する領域の少なくとも一部に形成されている
ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記可動部は、前記ビームを挟んで第１の部分と第２の部分を有しており、
前記固定電極は、第１の固定電極と第２の固定電極を有しており、
前記拡張電極は、第１の拡張電極と第２の拡張電極を有しており、
前記第１の部分と対向する領域の少なくとも一部に、前記第１の固定電極が形成され、
前記第２の部分と対向する領域の少なくとも一部に、前記第２の固定電極が形成され、
前記第１の拡張電極は、前記第１の固定電極と接続されており、かつ前記基板の、前記ビームと対向する領域の少なくとも一部に形成されており、
前記第２の拡張電極は、前記第２の固定電極と接続されており、かつ前記基板の、前記ビームと対向する領域の少なくとも一部に形成されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記第１の拡張電極と前記第２の拡張電極は、点対称に形成されている
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記第１の拡張電極と前記第２の拡張電極は長方形状である
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記可動部の、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極に挟まれた部分に対向する領域の少なくとも一部に凹部が形成されている
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記第２の部分は前記第２の固定電極に対向する面の反対側に開口部を有する
請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記可動部はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）で形成されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
前記ＳＯＩは、第１のＳｉ層と、第２のＳｉ層と、前記第１のＳｉ層と前記第２のＳｉ層との間の酸化膜と、
を有している
請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
前記ビームは前記第１のＳｉ層で形成されている
請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
前記フレームはＳｉで形成されており、前記基板はガラスで形成されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
前記フレームと前記基板とは陽極接合により接合されている
請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
前記固定電極は、金属薄膜で形成されており、前記基板の中のＳｉで形成された引き出し電極と接続されている
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【国際調査報告】
2014122910.tif 000029
2014122910.tif 000030
2014122910.tif 000031
2014122910.tif 000032