(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳ素子における２つのチップ間の漂遊容量、及びコストを低減する。【解決手段】微小電気機械システムは、第１のウェーハ30と、可動部50を含んだ第２のウェーハ40と、第３のウェーハ20とを備える。前記可動部50は、前記第１のウェーハ30と前記第３のウェーハ20との間で動かすことができる。前記第１のウェーハ30と、前記第２のウェーハ40と、前記第３のウェーハ20とが互いに結合されている。【選択図】図１
2005052963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子であって、
第１のウェーハ（３０）と、
第２のウェーハ（４０）と、
第３のウェーハ（２０）と、
前記第１のウェーハ（３０）と前記第２のウェーハ（４０）と前記第３のウェーハ（２０）とを互いに結合する材料（６０）
とを備え、
前記第２のウェーハ（４０）の少なくとも一部分（５０）が、前記第１のウェーハ（３０）と前記第３のウェーハ（２０）との間で移動可能に接続されることからなる、ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第１のウェーハ（３０）と前記第３のウェーハ（２０）との間に形成される内部キャビティ（８０）を更に備え、
前記第２のウェーハ（４０）の前記少なくとも一部分（５０）は、該内部キャビティ（８０）内に配置されることからなる、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記第１のウェーハ（３０）と、前記第２のウェーハ（４０）と、前記第３のウェーハ（２０）とを互いに結合する前記材料（６０）から形成されるシールを更に備え、
該シールは、前記内部キャビティ（８０）を密閉することからなる、請求項２に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
前記内部キャビティ（８０）内が真空であり、前記シールによってキャビティ（８０）内が真空状態に密閉されることからなる、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記内部キャビティ（８０）内に誘電体を更に有し、
前記シールが前記内部キャビティ（８０）内に該誘電体を密閉することからなる、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
互いに結合された前記第１のウェーハ（３０）と、前記第２のウェーハ（４０）と、前記第３のウェーハ（２０）とを含むチップを更に備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
前記第１のウェーハ（３０）は、前記チップ内の前記第２のウェーハ（４０）と、前記第３のウェーハ（２０）とを保護するキャップである、請求項６に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項８】
前記第２のウェーハ（４０）内に少なくとも１つのバイア（７２）を更に有し、
該バイアは、前記第２のウェーハ（４０）を通って電気信号を伝えるための経路を提供することからなる、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項９】
前記第１のウェーハ（３０）と、前記第３のウェーハ（２０）とのうちの少なくとも一方の上に構成要素を含み、前記第２のウェーハ（４０）上にもまた構成要素を含む第１の回路を更に有し、
前記第１のウェーハ（３０）、又は前記第３のウェーハ（２０）上の前記構成要素のうちの少なくとも１つ、及び前記第２のウェーハ（４０）上の前記構成要素のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのバイア（７２）を使用して前記電気信号を伝達することにより互いに電気的に通信することからなる、請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１０】
積重された構成をなすように互いに接続された３つのウェーハを含むチップを有するＭＥＭＳ素子であって、該積重された構成は、
前記３つのウェーハのうちの第１のウェーハ（３０）と、
前記積重された構成内の前記第１のウェーハ（３０）の下に接続され、可動部（５０）を備える、前記３つのウェーハのうちの第２のウェーハ（４０）と、
前記積重された構成内の前記第２のウェーハ（４０）の下に接続された、前記３つのウェーハのうちの第３のウェーハ（２０）
とを備え
前記３つのウェーハは、結合材料（６０）を用いて接続され、
前記第２のウェーハ（４０）内の少なくとも１つのバイア（７２）が前記第２のウェーハ（４０）を通って電気信号を伝えるように機能することができることからなる、ＭＥＭＳ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、特に３−ウェーハ構造を有する微小電気機械システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ素子は、超小型機械システムと超小型電子回路システムとの組み合わせであり、これらのシステムを一体にすることにより、ほとんど全ての製品分野に大変革をもたらしている。ＭＥＭＳ素子は典型的には、可動微小機械構造と、シリコンベースの超小型電子回路とを備える。１つのタイプの既知のＭＥＭＳ素子は、ＭＥＭＳトランスデューサである。アナログ・デバイセズ（商標）は、衝突検出のためにエアバッグシステム内で用いられる容量性ＭＥＭＳトランスデューサを製造する。例えば、衝突は、ＭＥＭＳトランスデューサ内の関連した超小型電子回路を用いて、ＭＥＭＳトランスデューサ内の機械的構造の動きをモニタすることにより検出される。トランスデューサ内の機械的構造は容量性プレートを含み、この容量性プレートはトランスデューサ内の他の容量性プレートと関連する。機械的構造が動く時には、容量性プレートの変位によってキャパシタンスの変化が引き起こされる。キャパシタンスのこの変化が、超小型電子回路によって検出され、エアバッグを起動するために使用される。
【特許文献１】米国特許第６，４４０，８２０号
【特許文献２】米国特許第５，５５７，５９６号
【特許文献３】米国特許第６，５０４，３８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アナログ・デバイセズ（商標）のＭＥＭＳトランスデューサは、単一ウェーハから製造される。これらのトランスデューサの機械的構造は、シリコンウェーハ上にポリシリコン層を堆積させることによって形成され、その厚みは典型的にはわずか数ミクロンである。機械的構造の厚みが制限されるため、その機械的構造は性能に制限を受ける。例えば、機械的構造の最小厚に起因して、その機械的構造の動きを所望の平面に制限するのは難しい。このことが超小型電子回路内で、所望の平面内の動きと共に、所望の平面から外れた動きをも検出する結果となる（すなわちクロストーク）。単一ウェーハＭＥＭＳ構造から結果として生じるクロストークにより、これらのトランスデューサの用途は極めて限定される。
【０００４】
他の従来のＭＥＭＳ素子は典型的には、互いに結線された２つのチップを備える。これらのＭＥＭＳ素子では、一方のチップが微小機械構造を含み、他方のチップが超小型電子回路構造を含む。これらの２つのチップは個別に製造され、互いにワイヤボンディングされる。この結果として、性能が劣化し、コストが高くなる。例えば、２つのチップを互いにワイヤボンディングする必要性があることに起因して、漂遊容量が付加される。これらの２つのチップはまた、単一の素子として一緒にパッケージ化されなければならないので、コストが高くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子は、第１のウェーハと、第２のウェーハと、第３のウェーハとを備える。第２のウェーハのうちの少なくとも一部分は、第１のウェーハと第３のウェーハとの間で移動可能に接続される。第１のウェーハと、第２のウェーハと、第３のウェーハとを互いに結合する材料が含まれる。
【０００６】
他の実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子は、積重された構成で互いに接続された３つのウェーハを含むチップを備える。その積重された構成は、３つのウェーハのうちの第１のウェーハと、積重された構成内の第１のウェーハの下に接続され、可動部を含んだ、３つのウェーハのうちの第２のウェーハと、積重された構成内の第２のウェーハの下に接続された、３つのウェーハのうちの第３のウェーハとを備える。３つのウェーハは結合材料を使用して接続される。第２のウェーハ内に、第２のウェーハを通って電気信号を伝えるように機能することが可能な少なくとも１つのバイアが設けられる。
【０００７】
他の実施形態によれば、３−ウェーハＭＥＭＳチップが、外部からの力と、チップ内で生成される力とのうちの１つに応答して動くための機械的手段を備える。その機械的手段は、第１のウェーハと第２のウェーハとの間に配置された第２のウェーハの一部分である。そのチップは更に、第１のウェーハと第２のウェーハと第３のウェーハとを結合して単一のチップを形成するための結合手段と、第２のウェーハを通して電気信号を伝えるようにするためのバイア手段とを備える。
【０００８】
更に他の実施形態によれば、ＭＥＭＳデータ記憶素子が、第１のウェーハと、第２のウェーハと、第３のウェーハとを備え、第２のウェーハの少なくとも一部分が第１のウェーハと第３のウェーハとの間に移動可能に接続される。その素子は更に、第１のウェーハと第２のウェーハと第３のウェーハとを結合する材料と、データを格納する記憶媒体と、該記憶媒体を用いてデータ操作を実行することに関連した少なくとも１つの回路とを備える。
【０００９】
更に他の実施形態によれば、ＭＥＭＳトランスデューサ素子が、第１のウェーハと、第２のウェーハと、第３のウェーハとを備え、第２のウェーハの少なくとも一部分が第１のウェーハと第３のウェーハとの間に移動可能に接続される。そのトランスデューサは更に、第１のウェーハと第２のウェーハと第３のウェーハとを結合する材料と、第２のウェーハの少なくとも一部分の動きを検出するように動作することができる少なくとも１つの回路とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
従来のＭＥＭＳ素子における２つのチップ間の漂遊容量の低減、及びコストの削減が可能となる。
【実施例】
【００１１】
本発明は添付の図面に示されるが、その図面は例示であって、制限するものではない。その図面内において、同じ参照番号は、同じ構成要素を参照する。
【００１２】
一実施形態によれば、ＭＥＭＳは少なくとも３つのウェーハを備える。該３つのウェーハは、１チップのＭＥＭＳ素子を形成するように互いに密着（又はシール、又は密封、又は密閉、又は封着）される。他の実施形態によれば、３−ウェーハＭＥＭＳ素子はトランスデューサを備える。更に他の実施形態によれば、３−ウェーハＭＥＭＳ素子は記憶デバイスを備える。
【００１３】
図１は、一実施形態によるＭＥＭＳ素子１０の斜視図を示す。ＭＥＭＳ素子１０は、上側ウェーハ３０と下側ウェーハ２０との間に配置される中間ウェーハ４０を備える。材料６０が単一チップを形成するように、ウェーハ２０とウェーハ３０とウェーハ４０とを互いに結合する。材料６０はまた素子１０を密封する（又はシールする）。キャビティ８０が上側ウェーハ３０と下側ウェーハ２０との間に形成される。キャビティ８０は材料６０によって密閉される。材料６０はウェーハ結合材料、又は類似のものなどを含むことができる。
【００１４】
中間ウェーハ４０は、下側ウェーハ２０と上側ウェーハ３０とに対してキャビティ８０内を動くことができる可動部５０を含む。例えば、可動部５０を形成するために、中間ウェーハ４０に溝をつけることが可能である。可撓部（flexure）９０が可動部５０をウェーハ４０の残りの部分に接続する。可撓部９０によって、可動部５０は、下側ウェーハ２０と上側ウェーハ３０とに対して所望の方向に動かすことができるようになる。例えば、可撓部９０を、可動部５０がＸ、Ｙ、及びＺ方向のうちの任意の方向に、あるいはそれら任意の方向を組み合わせた方向に動くことができるように設計することができる。可撓部９０を中間ウェーハ４０から形成することもできる。
【００１５】
可動部５０は、ＭＥＭＳ素子１０のキャビティ８０内を動く。キャビティ８０は、材料６０によって密閉される。例えばキャビティ８０は、真空にすることができるか、又は誘電体を含むことができる。材料６０からか、及び／又は、他の材料及びシールを用いて、湿気がＭＥＭＳ素子１０に浸入するのを実質的に防ぐように機能することが可能な気密シールを形成することもまた可能である。
【００１６】
ＭＥＭＳ素子１０の全ての特徴を示す目的のために、ウェーハ２０〜４０よりも著しく厚い材料６０と共にＭＥＭＳ素子１０が示される。材料６０及びウェーハ２０〜４０の厚みは図１に示されるのとは異なる比率を有することができることは当業者には明らかであろう。一実施形態では、中間ウェーハ４０と底ウェーハ２０との間の材料６０の厚み（その厚みはウェーハ間の隙間にほぼ等しい）は、例えば約０．１〜１０ミクロンとすることができる。同様に、中間ウェーハ４０と最上ウェーハ１０との間の材料６０の厚みも、例えば約０．１〜１０ミクロンとすることができる。更に、ウェーハの厚みは典型的には、５００〜６００ミクロンである。中間ウェーハ４０は、バイア７２を形成するために、約３００ミクロン又はそれ未満の厚みを有することができる。中間ウェーハ４０の厚みを減らすことにより、バイア７２を形成するための製造工程がはるかに容易になる。
【００１７】
中間ウェーハ４０は、中間ウェーハ４０を通して電気信号を伝えるバイア７２を含む。例えば、電気信号は上側ウェーハ３０上の回路３２から下側ウェーハ２０上の回路２２まで、あるいはその逆に、バイア７２を通して伝送されることができる。バイア７２はまた、他のウェーハ２０と３０とのうちの一方から、中間ウェーハ４０の表面上の回路に信号を伝送するために使用されることもできる。例えば、回路２２は、中間ウェーハ４０の上側表面上の電極７０に信号を伝送することができ、回路３２は、中間ウェーハ４０の下側表面上の（図２に示される）電極５２に信号を伝送することができる。回路２２と回路３２と電極５２とは、バイア７２が、中間ウェーハ４０を通って可動部５０の表面上の構成要素に、あるいは上側ウェーハ３０又は下側ウェーハ２０上の構成要素に、信号を伝送するために使用されることができることを説明するために示される。更に、例えば、可撓部９０に沿って延びる導体（図示せず）は、中間ウェーハ４０の可動部５０上の回路をバイア７２に接続するために使用されることができる。様々な実施形態において、任意の特定の用途のためのＭＥＭＳ素子１０の設計に依存して、回路２２と回路３２と電極７０と電極５２とのうちの１つ又は複数が、オプションで用いられることは当業者には明らかであろう。更に、本明細書に記載されるような回路は、受動構成要素（例えば、コンデンサ、インダクタ、抵抗、電極など）又は能動構成要素（例えばトランジスタなど）、あるいはそれらの組み合わせを含む。電極７０と電極５２とは、中間ウェーハ４０の表面上に設けられているものとして示されているが、能動構成要素、及び／又は、受動構成要素を含む回路は、中間ウェーハ４０の表面上の任意の場所に設けられることができる。更に、回路は、２つ以上のウェーハ上に構成要素を含むこともできる。例えば、回路２２の構成要素は上側ウェーハ３０上に設けられることもでき、これらの構成要素はバイア７２を介して通信することができる。
【００１８】
図２は、線２−２’に沿って切り取った、図１に示されるＭＥＭＳ素子１０の断面を示す。バイア７２と、ＭＥＭＳ素子１０の他の構成要素とが図２に示されている。一実施形態では、バイア７２はそれぞれ、絶縁体によって囲まれた（例えば、シリコンあるいはポリシリコンの）ウェーハ基板を含むことができる。ウェーハ基板は導電性とすることができるので、それをバイア７２のための導体として用いて、信号がウェーハ４０を通って流れるようにすることができる。バイア７２を形成する導体を分離することによってウェーハ４０内に２つ以上のバイアを作るために、バイア７２毎に絶縁体が用いられる。他の実施形態では、ウェーハ４０内にバイアを形成するために絶縁体を金属で満たすこともできる。
【００１９】
図３は、図１と図２とに示されるＭＥＭＳ素子１０の特徴の多くを組み込む本発明の一実施形態によるＭＥＭＳデータ記憶素子３００の断面を示す。そのＭＥＭＳデータ記憶素子３００は３つの結合されたウェーハ、すなわち、上側ウェーハとも呼ばれるチップウェーハ（tip wafer）３３０と、中間ウェーハとも呼ばれるロータウェーハ(rotor wafer)３４０と、下側ウェーハとも呼ばれるステータウェーハ(stator wafer)３２０とを含む。ウェーハ３２０〜３４０は、例えば、結合材料３６０を用いて結合され、密閉される。ロータウェーハ３４０は、例えば約１００ミクロンの厚みであり、バイア３７２を形成するために、例えば約５００〜６００ミクロンの厚みのチップウェーハ３３０及びステータウェーハ３２０よりも極めて薄くすることができる。
【００２０】
ウェーハ間の結合により、高い真空度で真空に密閉された内部キャビティ３８０が形成される。結合材料３６０が、キャビティ３８０内の真空状態を維持するために、キャビティ３８０を密閉する。結合材料３６０は、超高真空（ＵＨＶ）シール、及び／又は、ＭＥＭＳデータ記憶素子３００の内部環境を維持するための他の既知の材料を含むことができる。
【００２１】
ＭＥＭＳ記憶素子３００は更に、チップエミッタ電子回路(tip emitter electronics)３１２と、フィールドエミッタチップ(field emitter tips)３１４と、記憶媒体３２２と、読み出し／書き込み（Ｒ／Ｗ）電子回路３３２とを備える。チップエミッタ電子回路３１２は、チップウェーハ３３０上に形成される１つ又は複数の回路を含むことができる。チップエミッタ電子回路３１２は、フィールドエミッタチップ３１４に接続される。チップエミッタ電子回路３１２の制御下のフィールドエミッタチップ３１４は、高電磁界で金属からフィールドエミッタチップ３１４内に電子を引き込むことにより、電子ビームを放出するように動作することができる。各ビームは、フィールドエミッタチップ３１４の向かい側にあるロータウェーハ３４０の上側表面上に配置される記憶媒体３２２のある特定の位置に集束されることができる。ビームは集束され、それが小さなデータスポットを加熱し、データスポットの物理的状態又は位相を変化させることにより、記憶媒体３２２上にデータビットを書き込むために使用される。ビームはまた、記憶媒体３２２内のデータビット状態（値）を判定するために使用されることもできる。記憶媒体３２２は、ＭＥＭＳデータ記憶素子３００内にデータビットを格納するための媒体記録セル（図示せず）を備えることができる。Lee他著「Process Flow for ARS Mover Using Selenidation Wafer Bonding After Processing a Media Side of a Rotor Wafer」と題する米国特許第６，４４０，８２０号と、Gibson他著「Ultra-High Density Storage Device」と題する米国特許第５，５５７，５９６号とが、エミッタを備える記憶デバイスを開示し、それらの全てが参照により本明細書に組み込まれる。
【００２２】
フィールドエミッタチップ３１４の代わりに、他のＲ／Ｗ機構を用いることもできる。一実施形態では、光エミッタ（例えば、レーザエミッタ、ＬＥＤなど）が用いられる。３１４によっても表すことができる（しかしながら、フィールドエミッタチップの代わりに用いられる）光エミッタは、光ビーム（すなわち光子）を放出する。フィールドエミッタチップの電子ビームと同様に、レーザエミッタによって放出される光ビームは集束されることができ、小さなデータスポットを加熱してデータスポットの物理的状態又は位相を変更することにより、記憶媒体３２２上にデータビットを書き込むために使用されることができる。ビームはまた、記憶媒体３２２内のデータビット状態（値）を判定するために使用されることもできる。Ｒ／Ｗ機構の更に他の実施形態では、３１４によっても表すことができるマイクロカンチレバ（micro-cantilever）が、フィールドエミッタチップの代わりに用いられる。マイクロカンチレバは、記憶媒体３２２と相互に作用して、記憶媒体３２２からデータを読み出すか、あるいは記憶媒体３２２にデータを書き込むための加熱されたカンチレバ、又は圧電式カンチレバを含むことができる。各実施形態について、チップエミッタ電子回路３１２の代わりに、Ｒ／Ｗ機構のそれぞれの実行を制御するために用いられることができる他の電子回路を用いることができる。
【００２３】
Ｒ／Ｗ電子回路３３２は１つ又は複数の回路を備え、その回路が記憶媒体３３２内のデータビットの読み出し又は書き込みを制御し、記憶媒体３２２内のデータビットにアクセスして、データビット値を判定する。Ｒ／Ｗ電子回路３３２は、ナノメートルの精度で、ロータウェーハ３４０の可動部３５０の動きを制御する。可動部３５０は記憶媒体３２２を含む。可動部３５０は、フィールドエミッタチップ３１４が記憶媒体３２２上にビームを集束し、特定のビットのセットにアクセスすることができるように動かされる。電極３３４が可動部３５０の下側表面上に設けられ、電極３３６が、ステータウェーハ３２０の上側表面上の、電極３３４の向かい側に設けられる。
【００２４】
電極３３４と電極３３６とが、Ｒ／Ｗ電子回路３２２の制御下で可動部３５０を動かすために結合される。電極３３４と３３６とは、複数の個別の電極を備える。個別の電極は、可動部３５０の表面の大部分を覆っている電極の繰返しパターンを形成するように互いにグループ化されることができる。Ｒ／Ｗ電子回路３２２は、電極３３４と電極３３６とに、あるパターンで２つの電圧状態のうちの１つを印加する。個々の電極は可動部３５０にわたってこのパターンを繰り返す。可動部３５０の位置を、ある特定の順序で電極３３４及び３３６上の電圧パターンを変化させることにより変更することができる。
【００２５】
記憶媒体３２２もまた、電極（図示せず）を通してバイア３７２に接続されるので、ビット値はＲ／Ｗ電子回路３３２に伝送されることができる。Ｒ／Ｗ電子回路３３２もまた、バイア３７２を通してチップエミッタ電子回路３１２に接続され、これにより、Ｒ／Ｗ電子回路３３２がチップエミッタ電子回路３１２に信号を伝送し、記憶媒体３２２上のビットの読出し、書込み、及びアクセスを制御することができる。
【００２６】
図３に示される可撓部３９０が、ロータウェーハ３４０の可動部３５０をフィールドエミッタチップ３１４とステータウェーハ３２０との間に保持し、それによって記憶媒体３２２内のデータビットがフィールドエミッタチップ３１４に対して動かされることが可能になるようにし、それにより各フィールドエミッタチップ３１４が、記憶媒体３２２がそれぞれ動いた後に、複数のデータビットにアクセスできるようにする。
【００２７】
Ｒ／Ｗ電子回路３３２は、図３に、ステータウェーハ３２０上に設置されたものとして示される。しかしながら、Ｒ／Ｗ電子回路３３２の１つ又は複数の回路は、チップウェーハ３３０上に、又はロータウェーハ３４０上に設置されることもできる。同様に、チップエミッタ電子回路３１２の１つ又は複数の回路は、ステータウェーハ３２０、又はロータウェーハ３４０上に設置されることもできる。バイア３７２を用いることにより、回路はＭＥＭＳデータ記憶素子３００内の複数のウェーハ上に分散された場合であっても、電気的に通信することができる。更に、ＭＥＭＳデータ記憶素子３００は、複数のチップから構成された記憶デバイスをパッケージ化するよりも一般的に安価な単一のチップとして提供される。更に、単一のウェーハ構造ではなく、３−ウェーハ構造が用いられるので、ウェーハの完全性に大きな影響を及ぼすことなく、（例えば、ロータウェーハ３４０を約１００ミクロンまで薄くするなどの）ウェーハの機械加工を実行することができる。３−ウェーハ構造の利点はまた、図１及び図２に示されるＭＥＭＳ素子１０、並びに図４に示されるＭＥＭＳトランスデューサ素子４００にも適用することができる。
【００２８】
図４Ａと図４Ｂとは、図１と図２とに示されるＭＥＭＳ素子１０の特徴の多くを組み込む、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳトランスデューサ素子４００の断面を示す。図４Ａを参照すると、ＭＥＭＳトランスデューサ素子４００は、キャパシタプレート、又は電極を用いてＭＥＭＳトランスデューサ素子４００の動きを検出し、中間ウェーハ４４０の可動部４５０の動きを検出する。可撓部４９０によって、可動部４５０は、システムの設計に依存して、外部の力に応答してｘ、ｙ、又はｚ方向のうちの１つ又は複数の方向に動くことができるようになる。
【００２９】
中間ウェーハ４４０が、上側ウェーハ４３０と下側ウェーハ４２０との間に配置され、材料４６０で互いに接続される。材料４６０は、キャビティ４８０内に誘電体を密閉するためのシールとしての機能を果たす。該シールはまた、キャビティ４８０に湿気を入れないよう密閉状態にすることもできる。材料４６０は、当該技術分野において周知のウェーハ結合材料を含むことができる。ウェーハ４２０〜４４０は、単一チップを形成するように、結合され、密封される。
【００３０】
ＭＥＭＳトランスデューサ素子４００は、中間ウェーハ４４０の可動部４５０の下側表面上に電極４７１を含む。電極４７３と電極４７５とが、電極が向かい合わせの状態で、下側ウェーハ４２０の上側表面上に配置される。可動部４５０が動く時に、電極４７１と、電極４７５及び４７３との間の重なりが変化し、その変化が電極４７１と、電極４７３及び４７５との間のキャパシタンスに変化を生じさせる。ｘ、及び／又は、ｙ方向のＭＥＭＳトランスデューサ素子４００の動きは、キャパシタンスの変化を検出することにより検出される。
【００３１】
式１を用いて、電極間のキャパシタンスの変化を計算することができる。ここで、εは誘電率である。
【００３２】
式（１）  Ｃ＝（ε＊Ａ）／ｄ
【００３３】
Ａはｘ及びｙ方向における電極間の重なりであり、ｄはｚ方向における電極間の距離である。この式はまた、Hartwell他著「Three-Axis Motion Detector」と題する米国特許第６，５０４，３８５号にも記載され、該特許はその全てが参照により本明細書に組み込まれる。
【００３４】
ｚ方向の動きもまた、図４Ｂに示される他の電極のセットを用いて判定されることができる。図４Ｂは、図４Ａに示された同じ断面図におけるＭＥＭＳトランスデューサ素子４００の背面図である。可動部４５０上に配置された電極４７２と、下側ウェーハ４２０上に配置された電極４７４とが、ｚ方向の動きを判定するために設けられる。電極４７２の長さは短くすることができ、電極４７４は可動部４５０の長さにわたって延在し、これにより電極４７２と４７４との間の重なりが変化しないようにすることができる。したがって、電極４７２と４７４との間で検出されるキャパシタンスのどのような変化も、実質的にｚ方向の動きの結果である。図４Ａに示される電極４７３及び４７５はまた、下側ウェーハ４２０上にも存在する。しかしながら、電極４７３及び４７５は、図４Ｂに示される電極４７４によって見えないように隠されている。可動部４５０上の図４Ａに示される電極４７１は、図４Ｂに示される背面図では、電極４７２によって一部のみが隠されている。図４Ｂにおいて部分的に隠された電極４７１は陰付で示されている。図４Ａでは、電極４７４の一部分を、電極４７３と４７５との間で見ることができるであろう。しかしながら、電極４７４のこの部分は、電極４７３と電極４７５とを明瞭に示すために、図４Ａには示されていない。電極４７２もまた、図４Ａに示される図では電極４７１の背後に隠されている。
【００３５】
３−ウェーハ構造によって、可動部４５０は、従来の単一ウェーハの容量性ＭＥＭＳトランスデューサよりも大幅に長い距離をｘ、ｙ又はｚ方向に動くことができるようになる。更に、距離が長くなることにより、ＭＥＭＳトランスデューサ素子４００は、異なる用途のために用いられることができるようになり、既知の用途で更に高い精度を達成できるようになる。
【００３６】
図４Ａと図４Ｂとに示されるトランスデューサ電子回路４２２は、電極４７１と、電極４７３及び４７５との間のキャパシタンスの変化、並びに、電極４７２と４７４との間のキャパシタンスの変化を検出する１つ又は複数の回路を備える。可動部４５０上の電極４７１と電極４７２とは、バイア４９２を使用して、トランスデューサ電子回路４２２に接続される。例えば、導体（図示せず）が電極４７１と４７２とをバイア４９２に接続する。電極からの信号は、バイア４９２を通ってトランスデューサ電子回路４２２まで伝送される。トランスデューサ電子回路４２２もまた、下側ウェーハ４２０上の電極４７３〜４７５に接続される。従って、トランスデューサ電子回路４２２は、電極間のキャパシタンスの変化を検出するように機能することができる。トランスデューサ電子回路は、電極間の重なりＡ及び／又は距離ｄの変化を計算するための１つ又は複数の回路を備えることができる。代替として、トランスデューサ電子回路４２２は、キャパシタンスの変化を、重なりＡ及び／又は距離ｄの変化を計算するための外部回路に出力することができる。式１を用いて、電極４７２と４７４との間のキャパシタンスの変化から距離ｄを計算することができる。ｄが既知の場合もまた、図４Ａに示される電極４７１と、電極４７３及び４７５との間で検出されるキャパシタンスの変化から重なりＡを計算することができる。
【００３７】
この実施形態では、上側ウェーハ４３０は、ＭＥＭＳトランスデューサ素子４００を保護するキャップウェーハ(cap wafer)を含むことができる。図５に示されるような他の実施形態では、１つ又は複数の電極を上側ウェーハ４３０上に配置することができる。トランスデューサ電子回路のための１つ又は複数の回路を上側ウェーハ４３０上に設けることもまた可能である。
【００３８】
図５は、ＭＥＭＳトランスデューサ素子の他の実施形態の断面を示す。図４Ａ及び図４ＢのＭＥＭＳトランスデューサ素子４００と類似のＭＥＭＳトランスデューサ素子５００が示される。この実施形態では、電極４７２が、可動部４５０の上側表面上に、上側ウェーハ４３０上に配置された電極４７４と向かい合った状態で配置される。トランスデューサ電子回路４２２が、キャパシタンスの変化を検出するために、上側ウェーハ４３０と、下側ウェーハ４２０との両方に設けられる。
【００３９】
ｘ、ｙ、及びｚ方向のうちの１つ又は複数の方向のキャパシタンスの変化を検出するために、更に多くの電極を用いることができること、あるいは電極のサイズ及び形状を変更することができることは、当業者には明らかであろう。例えば、米国特許第６，５０４，３８５号では、ｘ、ｙ、及びｚ方向の動きを検出するために、５つの電極と５つの対向電極とが用いられる。１つ又は２つの方向の動きが検出されることになる場合には、更に少ない数の電極を用いることもまた可能である。
【００４０】
本明細書において、いくつかの変形形態と共に本発明の実施形態が、記載及び図示されてきた。本明細書において用いられる用語、説明、及び図面は、一例として述べられているにすぎず、限定することを意図するものではない。添付の特許請求の範囲及びその等価物によって規定されるように意図されている、本発明の思想及び範囲内で多くの変更が可能であることは当業者には理解されよう。本発明内における全ての用語は、特に指示されない限り、その最も広範な妥当な意味を有することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】一実施形態による、ＭＥＭＳ素子の斜視図である。
【図２】図１のＭＥＭＳ素子の断面図である。
【図３】一実施形態による、ＭＥＭＳデータ記憶素子の断面図である。
【図４Ａ】一実施形態による、ＭＥＭＳトランスデューサ素子の断面図である。
【図４Ｂ】一実施形態による、ＭＥＭＳトランスデューサ素子の断面図である。
【図５】他の実施形態による、ＭＥＭＳトランスデューサ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
２０  第３のウェーハ
３０  第１のウェーハ
４０  第２のウェーハ
６０  材料
７２  バイア  
８０  内部キャビティ
【図１】
2005052963.tif 000003
【図２】
2005052963.tif 000004
【図３】
2005052963.tif 000005
【図４Ａ】
2005052963.tif 000006
【図４Ｂ】
2005052963.tif 000007
【図５】
2005052963.tif 000008