JP2014025830A - Mems device, electronic module, electronic apparatus, and moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＭＥＭＳデバイス、電子モジュール、電子機器、及び移動体に関するものである。 The present invention relates to a MEMS device, an electronic module, an electronic apparatus, and a moving object.
従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ：微小電気機械システム）技術を用いて、ベース基板上にＭＥＭＳ素子を形成するとともに、ＭＥＭＳ素子に接続する配線及び構造体をベース基板上に形成した角速度等を検出するＭＥＭＳデバイスが知られている。 Conventionally, using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology, a MEMS element is formed on a base substrate, and wiring speeds and structures connected to the MEMS element are detected on the base substrate. MEMS devices are known.
このようなＭＥＭＳデバイスの製造方法としては、例えば、ガラス等で形成されたベース基板に半導体素子の材料となるシリコン基板を陽極接合で接合する。そして、シリコン基板のＭＥＭＳデバイスの構成要素であるＭＥＭＳ素子を形成する領域、及びそのＭＥＭＳ素子に接続する配線及び構造体を形成する領域を残してシリコン基板をエッチングしてＭＥＭＳ素子及び配線を型抜きすることによりＭＥＭＳデバイスが得られる。 As a method for manufacturing such a MEMS device, for example, a silicon substrate as a material for a semiconductor element is bonded to a base substrate formed of glass or the like by anodic bonding. Then, the MEMS substrate is etched to leave the region for forming the MEMS element, which is a component of the MEMS device on the silicon substrate, and the region for forming the wiring and the structure connected to the MEMS element, thereby removing the MEMS element and the wiring. By doing so, a MEMS device is obtained.
例えば、非特許文献１では、ベース基板としてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いている。そして、ＳＯＩ基板上にＭＥＭＳ素子を配置したＭＥＭＳデバイスにおいて、シリコンを材料としＭＥＭＳ素子と接続するための配線及び構造体をＳＯＩ基板に設け、その配線及び構造体を接続先のＭＥＭＳ素子と接続する構成が開示されている。 For example, in Non-Patent Document 1, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is used as the base substrate. In the MEMS device in which the MEMS element is arranged on the SOI substrate, wiring and a structure for connecting to the MEMS element are provided on the SOI substrate using silicon as a material, and the wiring and the structure are connected to the MEMS element to be connected. A configuration is disclosed.
可動するＭＥＭＳ素子を支持する構造体は、ＭＥＭＳ素子の可動によって生じる引っぱり力に耐えるため、構造体と、構造体が設けられるベース基板との接続領域を大きくすることが求められる。しかしながら、接続領域を大きくすると、ベース基板と構造体との熱膨張係数の違いから生じる応力が、そのベース基板と構造体とが接続される接続領域に集中し、ベース基板から構造体が剥離する虞があった。 Since a structure supporting a movable MEMS element can withstand a pulling force generated by the movement of the MEMS element, it is required to increase a connection region between the structure and a base substrate on which the structure is provided. However, when the connection region is enlarged, the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the base substrate and the structure is concentrated in the connection region where the base substrate and the structure are connected, and the structure is separated from the base substrate. There was a fear.
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
［適用例１］
本適用例に係るＭＥＭＳデバイスは、ベース基板と、ベース基板上に配置されたＭＥＭＳ素子と、ベース基板上に設けられ、ＭＥＭＳ素子を支持する支持構造体と、ベース基板と支持構造体の接続領域に設けられた応力緩和部と、を備えていることを特徴とする。
[Application Example 1]
A MEMS device according to this application example includes a base substrate, a MEMS element disposed on the base substrate, a support structure that is provided on the base substrate and supports the MEMS element, and a connection region between the base substrate and the support structure And a stress relieving portion provided on the surface.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、ベース基板上にＭＥＭＳ素子と、それを支持する支持構造体とが設けられ、支持構造体がベース基板に接続される接続領域に応力緩和部を備えている。
これによって、ベース基板と支持構造体との間に熱膨張による歪みが生じても応力緩和部で歪みを吸収し、ベース基板と支持構造体と間の歪みを許容することができる。
従って、支持構造体がベース基板から剥離することを抑制したＭＥＭＳデバイスを得ることができる。
According to such a MEMS device, the MEMS element and the support structure that supports the MEMS element are provided on the base substrate, and the stress relaxation portion is provided in a connection region where the support structure is connected to the base substrate.
As a result, even if a distortion due to thermal expansion occurs between the base substrate and the support structure, the stress relaxation portion can absorb the distortion and allow the distortion between the base substrate and the support structure.
Therefore, a MEMS device in which the support structure is prevented from peeling from the base substrate can be obtained.
［適用例２］
上記適用例に係るＭＥＭＳデバイスの応力緩和部は、ベース基板および支持構造体の少なくとも一方の接続領域に設けられた凹陥部を含むことが好ましい。
[Application Example 2]
It is preferable that the stress relaxation part of the MEMS device according to the application example includes a recessed part provided in at least one connection region of the base substrate and the support structure.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、ベース基板と支持構造体との接続領域に設けられた応力緩和部には、ベース基板および支持構造体の少なくとも一方に凹陥部が設けられている。
これによって、ベース基板と支持構造体と間に熱膨張による歪みが生じても凹陥部が変形することで歪みを緩和することができる。
従って、支持構造体がベース基板から剥離することを抑制したＭＥＭＳデバイスを得ることができる。
According to such a MEMS device, the stress relaxation portion provided in the connection region between the base substrate and the support structure is provided with a recess in at least one of the base substrate and the support structure.
As a result, even if a distortion due to thermal expansion occurs between the base substrate and the support structure, the distortion can be reduced by the deformation of the recessed portion.
Therefore, a MEMS device in which the support structure is prevented from peeling from the base substrate can be obtained.
［適用例３］
上記適用例に係るＭＥＭＳデバイスの凹陥部は、貫通孔を含むことが好ましい。
[Application Example 3]
It is preferable that the recessed part of the MEMS device according to the application example includes a through hole.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、凹陥部として貫通孔が支持構造体に設けられている。これによって、支持構造体とベース基板とを接合した後に凹陥部を形成することができる。 According to such a MEMS device, the through hole is provided in the support structure as a recessed portion. Accordingly, the recessed portion can be formed after the support structure and the base substrate are joined.
［適用例４］
上記適用例に係るＭＥＭＳデバイスの凹陥部の内部には、ベース基板及び支持構造体と比してヤング率が低い充填材が設けられていることが好ましい。
[Application Example 4]
It is preferable that a filler having a lower Young's modulus than that of the base substrate and the support structure is provided inside the recessed portion of the MEMS device according to the application example.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、凹陥部の内部、換言すると空隙には、ベース基板及び支持構造体と比してヤング率が低い特性を有する充填材が充填され設けられている。
これによって、凹陥部が空隙の場合に比してベース基板と支持構造体とが接続される接続領域の剛性を高め、熱膨張による歪みによってベース基板及び支持構造体が破損することを抑制することができる。
According to such a MEMS device, the inside of the recessed portion, in other words, the air gap is filled with a filler having a characteristic that the Young's modulus is lower than that of the base substrate and the support structure.
This enhances the rigidity of the connection region where the base substrate and the support structure are connected as compared with the case where the recessed portion is a gap, and suppresses damage to the base substrate and the support structure due to distortion due to thermal expansion. Can do.
［適用例５］
上記適用例に係るＭＥＭＳデバイスの応力緩和部は、ベース基板と支持構造体との間に設けられた応力緩和層を含むことが好ましい。
[Application Example 5]
It is preferable that the stress relaxation part of the MEMS device according to the application example includes a stress relaxation layer provided between the base substrate and the support structure.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、ベース基板と支持構造体とが接続される接続領域に設けられた応力緩和部は、応力緩和層を含んで設けられている。
これによって、ベース基板と支持構造体との熱膨張による歪みを応力緩和層が変形することで緩和することができる。
According to such a MEMS device, the stress relaxation portion provided in the connection region where the base substrate and the support structure are connected includes the stress relaxation layer.
As a result, distortion due to thermal expansion between the base substrate and the support structure can be reduced by the deformation of the stress relaxation layer.
［適用例６］
上記適用例に係るＭＥＭＳデバイスの応力緩和層は、ベース基板及び支持構造体と比してヤング率が低い材料であることが好ましい。
[Application Example 6]
The stress relaxation layer of the MEMS device according to the application example is preferably a material having a lower Young's modulus than the base substrate and the support structure.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、ベース基板及び支持構造体を形成する材料と比してヤング率が低い材料で応力緩和層が形成されている。
これによって、ベース基板と支持構造体との間に熱膨張による歪みが生じても応力緩和層が変形することで許容することができる。
According to such a MEMS device, the stress relaxation layer is formed of a material having a lower Young's modulus than the material forming the base substrate and the support structure.
As a result, even if distortion due to thermal expansion occurs between the base substrate and the support structure, the stress relaxation layer can be allowed to deform.
［適用例７］
上記適用例に係るＭＥＭＳデバイスの支持構造体は、シリコンを含むことが好ましい。
[Application Example 7]
It is preferable that the support structure of the MEMS device according to the application example includes silicon.
このようなＭＥＭＳデバイスによれば、支持構造体がシリコンを含むことで応力緩和部としての凹陥部をドライエッチング法などによって容易に形成することができる。 According to such a MEMS device, since the support structure includes silicon, the recessed portion as the stress relaxation portion can be easily formed by a dry etching method or the like.
［適用例８］
本適用例に係る電子モジュールは、上述したＭＥＭＳデバイスを搭載したことを特徴とする。
[Application Example 8]
An electronic module according to this application example includes the above-described MEMS device.
このような電子モジュールによれば、上述したＭＥＭＳデバイスが搭載されることで温度変化によって支持構造体が剥離することを抑制した電子モジュールを得ることができる。 According to such an electronic module, it is possible to obtain an electronic module that suppresses the peeling of the support structure due to a temperature change by mounting the above-described MEMS device.
［適用例９］
本適用例に係る電子機器は、上述したＭＥＭＳデバイスを搭載したことを特徴とする。
[Application Example 9]
An electronic apparatus according to this application example includes the above-described MEMS device.
このような電子機器によれば、上述したＭＥＭＳデバイスが搭載されることで電子機器の振動、及び温度変化によって支持構造体が剥離することを抑制し、角速度等の検出精度を高めた電子機器を得ることができる。 According to such an electronic device, an electronic device in which the MEMS device described above is mounted, which suppresses separation of the support structure due to vibration of the electronic device and temperature change, and has improved detection accuracy such as angular velocity. Can be obtained.
［適用例１０］
本適用例に係る移動体は、上述したＭＥＭＳデバイスを搭載したことを特徴とする。
[Application Example 10]
The mobile body according to this application example is characterized by mounting the above-described MEMS device.
このような移動体によれば、上述したＭＥＭＳデバイスが搭載されることで移動体の振動、及び温度変化によって支持構造体が剥離することを抑制し、角速度等の検出精度を高めた電子機器を得ることができる。 According to such a moving body, an electronic apparatus that suppresses separation of the support structure due to vibration and temperature change of the moving body by mounting the above-described MEMS device, and improves detection accuracy such as angular velocity. Can be obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際の構成要素とは適宜に異ならせて記載する場合がある。また、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照し、各部の位置関係について説明する。鉛直面内における所定方向をＸ軸方向、鉛直面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向をＺ軸方向とする。また、重力方向を基準として、重力方向を下方向，−方向、逆方向を上方向，＋方向とする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure shown below, the size and ratio of each component may be described differently from the actual component in order to make each component large enough to be recognized on the drawing. is there. Further, an XYZ rectangular coordinate system is set, and the positional relationship of each part will be described with reference to this XYZ rectangular coordinate system. A predetermined direction in the vertical plane is defined as an X-axis direction, a direction orthogonal to the X-axis direction in the vertical plane is defined as a Y-axis direction, and a direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction is defined as a Z-axis direction. Further, with the gravitational direction as a reference, the gravitational direction is defined as the downward direction, the negative direction, and the reverse direction as the upward direction and the positive direction.
（第１実施形態）
第１実施形態に係るＭＥＭＳデバイスを図１から図９に示す。
図１は、ＭＥＭＳデバイスをＺ軸方向から平面視した場合の概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示したＭＥＭＳデバイスの線分Ａ−Ａにおける断面を示す模式図である。図３，図４、及び図５は、図１及び図２に示したＭＥＭＳデバイスの支持構造体の周辺を拡大して示す拡大図である。図６から図９は、ＭＥＭＳデバイスの動作を説明する図である。
なお、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００は、その形態として角速度等を検出するジャイロセンサーとして構成されている形態を一例に説明する。
(First embodiment)
The MEMS device according to the first embodiment is shown in FIGS.
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration when the MEMS device is viewed in plan from the Z-axis direction. FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section taken along line AA of the MEMS device shown in FIG. 3, 4 and 5 are enlarged views showing the periphery of the support structure of the MEMS device shown in FIGS. 1 and 2 in an enlarged manner. 6 to 9 are diagrams for explaining the operation of the MEMS device.
The
（ＭＥＭＳデバイスの構造）
ＭＥＭＳデバイス１００は、図１及び図２に示すように、ベース基板１０と、第１配線３０と、第２配線４０と、ＭＥＭＳ素子１０２と、支持構造体１５０とを備えている。
(Structure of MEMS device)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ベース基板１０は、その材料として例えば、ガラスを用いている。ベース基板１０は、図２に示すように、第１面１１と、第１面１１と反対側の第２面１２と、を有している。
The
ベース基板１０の第１面１１には、凹部１４が設けられている。凹部１４の上方には、間隙を介して、ＭＥＭＳ素子１０２の振動体１１２が設けられている。振動体１１２は、第１バネ部１１４を介して第１面１１に接続（接合）された支持構造体１５０に接続することでベース基板１０に支持されている。凹部１４及び第１バネ部１１４によって、振動体１１２は、ベース基板１０に干渉することなく、所望の方向に振動（可動）することができる。また、ベース基板１０には、後述する第１構造体２１１及び第２構造体２２１が設けられる溝部１６を有する。なお、便宜上、図１では、凹部１４及び溝部１６の図示を省略している。
A
ＭＥＭＳ素子１０２は、ベース基板１０上に（ベース基板１０の第１面１１に）設けられている。以下では、ＭＥＭＳ素子１０２が、Ｚ軸回りの角速度を検出するジャイロセンサー素子（静電容量型ＭＥＭＳジャイロセンサー素子）である例について説明する。
The
ＭＥＭＳ素子１０２は、図１及び図２に示すように、第１ＭＥＭＳ素子１０６及び第２ＭＥＭＳ素子１０８を備えている。第１ＭＥＭＳ素子１０６及び第２ＭＥＭＳ素子１０８は、Ｘ軸に沿って互いに連結されている。第１ＭＥＭＳ素子１０６は、第２ＭＥＭＳ素子１０８よりも−Ｘ軸方向側に位置している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第１ＭＥＭＳ素子１０６及び第２ＭＥＭＳ素子１０８は、図１及び図２に示すように、振動体１１２と、第１バネ部１１４と、可動駆動電極１１６と、変位部１２２と、第２バネ部１２４と、可動検出電極１２６と、第１固定駆動電極１３０，１３２と、第２固定駆動電極１３４，１３６と、固定検出電極１４０，１４２と、支持構造体１５０とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図１に示す第１配線３０は、第１構造体２１１を有する。第１配線３０は、ＭＥＭＳ素子１０２を構成する第１固定駆動電極１３０と、固定検出電極１４２と、に接続されている。また、第１配線３０は、ＭＥＭＳ素子１０２と接続された他方の端が電極パッド５０と接続され、配線５１１（図１０参照）が電極パッド５０に接続されることで第１固定駆動電極１３０と、固定検出電極１４２とで得られる信号をＭＥＭＳデバイス１００の外部に出力することができる。
The
図１に示す第２配線４０は、第１構造体２１１と、第２構造体２２１とを有する。第２配線４０は、ＭＥＭＳ素子１０２を構成する第２固定駆動電極１３６と、第１固定駆動電極１３２と、支持構造体１５０を介して第１バネ部１１４と、に接続されている。また、第２配線４０は、ＭＥＭＳ素子１０２と接続された他方の端が電極パッド５０と接続され、配線５１１（図１０参照）が電極パッド５０に接続されることで第１バネ部１１４と、第１固定駆動電極１３２と、第２固定駆動電極１３６とにＭＥＭＳデバイス１００の外部から駆動信号等を印加することができる。
The
上述のＭＥＭＳ素子１０２の振動体１１２、第１バネ部１１４，第２バネ部１２４、可動駆動電極１１６、変位部１２２、可動検出電極１２６、及び支持構造体１５０は、ベース基板１０に接合されたシリコン基板（図示せず）を加工することによって一体に形成されている。これにより、シリコン半導体デバイスの製造に用いられる微細な加工技術を用いることが可能である。
The vibrating
図３及び図４は、図２で符号Ｂを付して破線で囲む支持構造体１５０の断面を拡大して示している。第１バネ部１１４を介して振動体１１２を支持する支持構造体１５０について、図３及び図４を用いて詳細に説明する。
3 and 4 are enlarged views of the cross section of the
図３及び図４に示す支持構造体１５０は、第１バネ部１１４を介して振動体１１２を支持する構造体としてベース基板１０の第１面１１に設けられている。
図２に示すＭＥＭＳデバイス１００における支持構造体１５０は、ベース基板１０と接続される第３面１５１と、その他方の面である第４面１５２とを有する。
The
The
図３は、支持構造体１５０（１５０ａ，１５０ｂ）の一例を示す拡大図である。
本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００には、ベース基板１０の第１面１１と、支持構造体１５０の第３面１５１とが接続される接続領域１６０を有する。また、接続領域１６０には、応力緩和部２０を有する。
応力緩和部２０は、接続領域１６０となるベース基板１０（１０ａ，１０ｂ）の第１面１１（１１ａ，１１ｂ）、もしくは支持構造体１５０（１５０ａ，１５０ｂ）の第３面１５１（１５１ａ，１５１ｂ）に凹陥部１５（１５ａ，１５ｂ）を備える。
FIG. 3 is an enlarged view showing an example of the support structure 150 (150a, 150b).
The
The
ＭＥＭＳデバイス１００における支持構造体１５０は、第１バネ部１１４を介して振動体１１２をベース基板１０に支持するために設けられている。振動体１１２は、検出する角速度等に応じて振動する。これにより支持構造体１５０は、振動体１１２の振動による力が加わり、第１面１１から剥がれる虞があった。また、接続領域１６０を大きくすることで支持構造体１５０が剥がれることを抑制することも検討される。
しかし、ベース基板１０と支持構造体１５０との熱膨張係数の違いから接続領域１６０となる第１面１１及び第３面１５１に熱膨張による応力が集中し、支持構造体１５０及びベース基板１０を破損させる虞があった。
そこで、ＭＥＭＳデバイス１００は、ベース基板１０と支持構造体１５０とが接続される接続領域１６０に応力緩和部２０を有し、その応力緩和部２０に凹陥部１５（１５ａ，１５ｂ）を備えることで、ベース基板１０と支持構造体１５０との熱膨張による歪みによる変形を凹陥部１５（１５ａ，１５ｂ）によって許容することができる。また、振動体１１２の可動に応じるため接続領域１６０の面積を大きくすることで、支持構造体１５０がベース基板１０から剥がれることを抑制することができる。
The
However, due to the difference in thermal expansion coefficient between the
Therefore, the
例えば、図３（ａ）に示すＭＥＭＳデバイス１００ａは、支持構造体１５０ａの第３面１５１ａに応力緩和部２０としての凹陥部１５ａを備える。支持構造体１５０（１５０ａ）は、シリコンを含む材料で形成されている。
本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００（１００ａ）における応力緩和部２０に有する凹陥部１５は、第３面１５１（１５１ａ）に有する場合、支持構造体１５０（１５０ａ）と一体に形成されている。
For example, the
In the MEMS device 100 (100a) of the present embodiment, when the concave portion 15 included in the
また、例えば図３（ｂ）に示すＭＥＭＳデバイス１００ｂは、ベース基板１０ｂの第１面１１ｂに応力緩和部２０としての凹陥部１５ｂを備える。
ベース基板１０（１０ｂ）は、前述の通り、その材料としてガラス基板を用いている。応力緩和部２０に備える凹陥部１５（１５ｂ）は、例えばベース基板１０（１０ｂ）の第１面１１ｂに、当該凹陥部１５ｂとなる部分を露出させたマスクパターン（不図示）を設けて、ウエットエッチング法等によってベース基板１０ｂをエッチングすることで形成する。また、振動体１１２が設けられる凹部１４、及び第１配線３０に含む第１構造体２１１が設けられる溝部１６も同様に、ウエットエッチング法によって同時に形成することができる。
Further, for example, the
As described above, the base substrate 10 (10b) uses a glass substrate as its material. The concave portion 15 (15b) provided in the
さらに、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００における応力緩和部２０は、支持構造体１５０と、ベース基板１０とが接続（接合）される接続領域１６０の大きさ等に応じて凹陥部１５の大きさや個数を変更することができる。
図４は、図３に示したＭＥＭＳデバイス１００ａ，１００ｂにおける凹陥部１５ａ，１５ｂの大きさ、及び個数を変更した実施形態を示す。
Furthermore, the
FIG. 4 shows an embodiment in which the size and number of the recessed
図４（ａ）に示すＭＥＭＳデバイス１００ｃは、支持構造体１５０ｃの第３面１５１ｃとベース基板１０ｃの第１面１１ｃとが接続される接続領域１６０に、応力緩和部２０が設けられている。応力緩和部２０は、複数の凹陥部１５ｃが支持構造体１５０ｃの第３面１５１ｃに設けられている。図４（ａ）に示すＭＥＭＳデバイス１００ｃは、前述の図３（ａ）に示したＭＥＭＳデバイス１００ａに対応するものである。
In the
図４（ｂ）に示すＭＥＭＳデバイス１００ｄは、支持構造体１５０ｄの第３面１５１ｄとベース基板１０ｄの第１面１１ｄとが接続される接続領域１６０に、応力緩和部２０が設けられている。応力緩和部２０は、複数の凹陥部１５ｄがベース基板１０ｄの第１面１１ｄに設けられている。図４（ｂ）に示すＭＥＭＳデバイス１００ｄは、前述の図３（ｂ）に示したＭＥＭＳデバイス１００ｂに対応するものである。
In the
図３及び図４で示した応力緩和部２０に有する凹陥部１５の大きさや個数は一例であり、図示した形態に限定されることなく、ベース基板１０と支持構造体１５０との膨張率、及び接続領域１６０の大きさによって適宜変更して良い。なお、図１及び図２では、応力緩和部２０及び凹陥部１５の図示を省略している。
The size and number of the recessed portions 15 included in the
また、凹陥部１５の内側、即ち空隙にベース基板１０及び支持構造体１５０と比してヤング率の低い特性を有する充填材（不図示）を設けても良い。これによって、凹陥部１５が空隙の場合に比してベース基板１０と支持構造体１５０とが接続される接続領域１６０の剛性を高めることができる。従って、熱膨張による歪みによってベース基板１０及び支持構造体１５０が破損することを抑制することができる。
また、支持構造体１５０に設けられる凹陥部１５として図４及び図５に示すＭＥＭＳデバイス１００のＺ軸方向に貫通孔（不図示）を設けても良い。これによって、ベース基板１０と支持構造体１５０とが接続された後でも凹陥部１５としての貫通孔を設けることができる。また、凹陥部１５を貫通孔として支持構造体１５０に設ける場合には、凹陥部１５が形成される深さをエッチング等で制御することを要しないため、簡便に凹陥部１５を設けることができる。
Further, a filler (not shown) having a characteristic with a lower Young's modulus than the
Moreover, you may provide a through-hole (not shown) in the Z-axis direction of the
図５に示すＭＥＭＳデバイス１００ｅは、図３及び図４で説明をしたＭＥＭＳデバイス１００ａから１００ｄに含む応力緩和部２０に替えて、応力緩和層２５を設けたものである。
図５に示すＭＥＭＳデバイス１００ｅは、支持構造体１５０ｅ（１５０）と、ベース基板１０ｅ（１０）の第１面１１ｅ（１１）との間に応力緩和層２５を設けて、当該応力緩和層２５を介して支持構造体１５０ｅの第３面１５１ｅ（１５１）とベース基板１０ｅの第１面１１ｅとが接続（接合）されている。なお、図１及び図２では、応力緩和層２５の図示を省略している。
A
The
応力緩和層２５は、ベース基板１０ｅの第１面１１ｅと、支持構造体１５０ｅの第３面１５１ｅとの間に生じる熱膨張による応力を緩和するために設けられている。応力緩和層２５は、ベース基板１０ｅ及び支持構造体１５０ｅを形成される材料が有するヤング率と比して、ヤング率が低い（小さい）材料で形成されると好適である。
The
例えば、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００ｅにおけるベース基板１０ｅを形成する材料がガラスである場合、そのヤング率は概ね９０［ＧＰａ］である。また、支持構造体１５０がシリコンである場合、そのヤング率は概ね１３０［ＧＰａ］である。
ここで応力緩和層２５を形成する材料は、そのヤング率が概ね９０［ＧＰａ］より小さい材料が好適である。なぜなら、応力緩和層２５を介して接続されるベース基板１０ｅと、支持構造体１５０ｅとの熱膨張によって生じる応力を応力緩和層２５に用いる材料が歪む（変形）こと緩和するためである。そこで本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００ｅにおける応力緩和層２５は、ヤング率が概ね７０［ＧＰａ］であるアルミニウム（ＡＬ）を用いてスパッタリング法等によって金属膜として形成されている。なお、応力緩和層２５は、その形成する材料をアルミニウムに限定されることなく、ベース基板１０ｅ及び支持構造体１５０と比してヤング率の低い材料であれば適宜変更して選択しても良い。
For example, when the material forming the
Here, the material forming the
（ＭＥＭＳデバイスの動作）
次に、ジャイロセンサーとしてのＭＥＭＳデバイス１００の動作について説明する。図６から図９は、ＭＥＭＳデバイス１００の動作を説明するための図である。なお、図６から図９では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。また、便宜上、図６〜図９では、ＭＥＭＳ素子１０２以外の構成部材の図示を省略している。また、可動駆動電極１１６、可動検出電極１２６、固定駆動電極１３０，１３２、第２固定駆動電極１３４，１３６、及び固定検出電極１４０，１４２の図示を省略し、ＭＥＭＳ素子１０２を簡略化して図示している。
(Operation of MEMS device)
Next, the operation of the
振動体１１２から＋Ｙ軸方向に延出している可動駆動電極（第１可動駆動電極）１１６（図６から図９において図示省略）と第１固定駆動電極１３０，１３２（図６から図９において図示省略）との間、及び振動体１１２から−Ｙ軸方向に延出している可動駆動電極（第２可動駆動電極）１１６（図６から図９において図示省略）と、固定駆動電極１３４，１３６（図６から図９において図示省略）との間に、図示しない電源によって、電圧を印加すると、可動駆動電極１１６と固定駆動電極１３０，１３２との間、及び可動駆動電極１１６と固定駆動電極１３４，１３６との間に、静電力を発生させることができる。これにより、図６及び図７に示すように、第１バネ部１１４をＸ軸に沿って伸縮させることができ、振動体１１２をＸ軸に沿って振動させることができる。
A movable drive electrode (first movable drive electrode) 116 (not shown in FIGS. 6 to 9) and first
より具体的には、固定電位配線となる第２配線４０を介して可動駆動電極１１６に、一定の電位（Ｖｒ）を与える。さらに、第１配線３０（第１構造体２１１）を介して固定駆動電極１３０，１３４に、一定の電位（Ｖｒ）を基準とする第１交流電圧を印加する。また、第２配線４０（第１構造体２１１）を介して固定駆動電極１３２，１３６に、一定の電位Ｖｒを基準とする第１交流電圧と位相が１８０度ずれた第２交流電圧とを印加する。
More specifically, a constant potential (Vr) is applied to the
ここで、可動駆動電極１１６を挟む固定駆動電極１３０，１３２において、第１ＭＥＭＳ素子１０６では、可動駆動電極１１６の−Ｘ軸方向側に固定駆動電極１３０が設けられ、可動駆動電極１１６の＋Ｘ軸方向側に固定駆動電極１３２が設けられている（図１参照）。第２ＭＥＭＳ素子１０８では、可動駆動電極１１６の＋Ｘ軸方向側に固定駆動電極１３０が設けられ、可動駆動電極１１６の−Ｘ軸方向側に固定駆動電極１３２が設けられている（図１）。また、可動駆動電極１１６を挟む固定駆動電極１３４，１３６において、第１ＭＥＭＳ素子１０６では、可動駆動電極１１６の−Ｘ軸方向側に固定駆動電極１３４が設けられ、第２可動駆動電極１１６の＋Ｘ軸方向側に第２固定駆動電極１３６が設けられている（図１参照）。第２ＭＥＭＳ素子１０８では、第２可動駆動電極１１６の＋Ｘ軸方向側に第２固定駆動電極１３４が設けられ、第２可動駆動電極１１６の−Ｘ方向側に第２固定駆動電極１３６が設けられている（図１参照）。そのため、第１交流電圧及び第２交流電圧によって、第１ＭＥＭＳ素子１０６の振動体１１２ａ、及び第２ＭＥＭＳ素子１０８の振動体１１２ｂを、互いに逆位相でかつ所定の周波数で、Ｘ軸に沿って振動させることができる。図６に示す例では、振動体１１２ａは、α１方向に変位し、振動体１１２ｂは、α１方向と反対のα２方向に変位している。図７に示す例では、振動体１１２ａは、α２方向に変位し、振動体１１２ｂは、α１方向に変位している。
Here, in the fixed
なお、変位部１２２は、振動体１１２の振動に伴い、Ｘ軸に沿って変位する。同様に、可動検出電極１２６（図１参照）は、振動体１１２の振動に伴い、Ｘ軸に沿って変位する。
The
図８及び図９に示すように、振動体１１２ａ，１１２ｂがＸ軸に沿って振動を行っている状態で、ＭＥＭＳ素子１０２にＺ軸回りの角速度ωが加わると、コリオリの力が働き、変位部１２２は、Ｙ軸に沿って変位する。すなわち、振動体１１２ａに接続された変位部１２２ａ、及び振動体１１２ｂに接続された変位部１２２ｂは、Ｙ軸に沿って、互いに反対方向に変位する。図７に示す例では、変位部１２２ａは、β１方向に変位し、変位部１２２ｂは、β１方向と反対のβ２方向に変位している。図８に示す例では、変位部１２２ａは、β２方向に変位し、変位部１２２ｂは、β１方向に変位している。
As shown in FIGS. 8 and 9, when an angular velocity ω around the Z axis is applied to the
変位部１２２ａ，１２２ｂがＹ軸に沿って変位することにより、可動検出電極１２６と固定検出電極１４０との間の距離は、変化する（図１参照）。同様に、可動検出電極１２６と固定検出電極１４２との間の距離は、変化する（図１参照）。そのため、可動検出電極１２６と固定検出電極１４０との間の静電容量は、変化する。同様に、可動検出電極１２６と固定検出電極１４２との間の静電容量は、変化する。
As the
ジャイロセンサーとしてのＭＥＭＳデバイス１００では、検出配線となる第１配線３０及び固定電位配線となる第２配線４０を介して、可動検出電極１２６と固定検出電極１４０との間に電圧を印加することにより、可動検出電極１２６と固定検出電極１４０との間の静電容量の変化量を検出することができる（図１参照）。さらに、検出配線となる第１配線３０及び固定電位配線となる第２配線４０を介して、可動検出電極１２６と固定検出電極１４２との間に電圧を印加することにより、可動検出電極１２６と固定検出電極１４２との間の静電容量の変化量を検出することができる（図１参照）。このようにして、ジャイロセンサーとしてのＭＥＭＳデバイス１００は、可動検出電極１２６と固定検出電極１４０，１４２との間の静電容量の変化量により、Ｚ軸回りの角速度ωを求めることができる。
In the
上述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このようなＭＥＭＳデバイス１００によれば、ベース基板１０と支持構造体１５０との熱膨張によって第１面１１と第３面１５１との間に生じる歪みが生じた場合には、その歪みを応力緩和部２０に有する凹陥部１５に逃がすことがで、その歪みによる変形を許容することができる。
また、応力緩和層２５が変形することによって、ベース基板１０と支持構造体１５０との熱膨張によって、第１面１１と第３面１５１との間に生じる歪みによる変形を緩和することができる。
このことで、振動体１１２の可動による力によって、ベース基板１０から支持構造体１５０が剥離しない接続領域１６０の大きさとした場合でも、ベース基板１０と支持構造体１５０との熱膨張によって、ベース基板１０から支持構造体１５０が剥離されることを抑制することができる。
また、熱膨張によってベース基板１０と支持構造体１５０とが歪み変形した場合には、応力緩和部２０と応力緩和層２５によってベース基板１０と支持構造体１５０との変形が許容され、ベース基板１０から支持構造体１５０が剥離されることを抑制することができる。
従って、振動や熱膨張によってベース基板１０から支持構造体１５０が剥離することを抑制した信頼性の高いＭＥＭＳデバイス１００を得ることができる。
According to the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
According to such a
In addition, deformation of the
As a result, even when the size of the
In addition, when the
Therefore, the highly
（第２実施形態）
第２実施形態に係る電子モジュールを図１０に示す。
図１０は、電子モジュール２００を断面視した場合の概略構成を示す断面図で、前述したＭＥＭＳデバイス１００（１００ａ〜１００ｅ）が搭載（収容）されている場合を示している。なお、搭載されるＭＥＭＳデバイス１００の構成は第１実施形態と同様であるため、同様の構成には同様の符号を付して説明を簡略、又は省略して本実施形態の電子モジュール２００について図１０を用いて説明する。
(Second Embodiment)
An electronic module according to the second embodiment is shown in FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration when the
電子モジュール２００は、ＭＥＭＳデバイス１００と、そのＭＥＭＳデバイス１００が搭載されているパッケージ５００とを備える。パッケージ５００には、ＭＥＭＳデバイス１００が搭載されている凹部５３０ａと、ＭＥＭＳデバイス１００を駆動させるための駆動回路モジュール５５０が搭載されている凹部５３０ｂを有する。本実施形態のパッケージ５００は、例えばセラミックス等の材料で形成されている。
The
電子モジュール２００は、搭載されているＭＥＭＳデバイス１００が凹部５３０ａの底面５３１ａに設けられている。ＭＥＭＳデバイス１００は、そのＭＥＭＳデバイス１００を構成するベース基板１０の第２面１２と、底面５３１ａとを接着剤５４０等を用いて接続（接合）されている。また、凹部５３０ｂには駆動回路モジュール５５０が設けられ、凹部５３０ｂの底面５３１ｂと接着剤５４１等を用いて接続（接合）されている。
In the
また、パッケージ５００には、ＭＥＭＳデバイス１００から出力される角速度等の信号をパッケージ５００の外部、若しくは駆動回路モジュール５５０へ伝達するため、配線電極５１０ａが設けられている。配線電極５１０ａは、ＭＥＭＳデバイス１００のベース基板１０に設けられている電極パッド５０と配線５１１によって電気的に接続されている。本実施形態の配線５１１は、例えばワイヤーボンディング法によって金（Ａｕ）線を用いて電極パッド５０と配線電極５１０とを電気的に接続する。なお、配線５１１は、線材として金（Ａｕ）に限定されることなく、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等を用いて他の配線方法で電気的に接続しても良い。また、電極パッド５０と配線電極５１０との接続は、ワイヤーボンディング法に限定されることなく、両電極間を配線５１１で接続することができれば他の接続方法でも良い。また、駆動回路モジュール５５０に設けられた電極５５１と、配線電極５１０ｂとの間は、配線５１２によって配線５１１と同様に、例えばワイヤーボンディング法等によって電気的に接続されている。
図１０では駆動回路モジュール５５０はＭＥＭＳデバイス１００の裏面にパッケージ５００を挟んで実装されているが、ＭＥＭＳデバイス１００の上に直接貼り付けた構造でも問題ない。
In addition, the
In FIG. 10, the
電子モジュール２００は、蓋５２０ａ，５２０ｂを備え、凹部５３０ａの頂面５３２ａと蓋５２０ａが接続され、凹部５３０ｂの頂面５３２ｂと蓋５２０ｂが接続されている。蓋５２０ａ，５２０ｂを形成する材料は、例えばステンレス等の金属や、ガラス等の材料を用いることができる。
The
これにより電子モジュール２００は、凹部５３０ａに搭載されたＭＥＭＳデバイス１００で角速度等を検出し、その角速度等に応じた信号としてパッケージ５００の外部に出力することができる。
As a result, the
上述した第２実施形態によれば、以下の効果が得られる。
このような電子モジュール２００によれば、ＭＥＭＳデバイス１００にベース基板１０と支持構造体１５０との熱膨張による変形を許容する応力緩和部２０又は応力緩和層２５を備えることで、電子モジュール２００の使用温度変化による故障を低減した電子モジュール２００を得ることができる。また、電子モジュール２００の振動によって、ベース基板１０から支持構造体１５０が剥離することを抑制した振動に強い電子モジュール２００を得ることができる。
According to the second embodiment described above, the following effects can be obtained.
According to such an
（実施例）
次いで、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００を搭載した電子モジュール２００を適用した実施例について、図１１から図１４に基づき説明する。
(Example)
Next, an example in which the
［電子機器］
先ず、本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００を搭載した第２実施形態に係る電子モジュール２００を適用した電子機器について、図１１から図１３に基づき、詳細に説明する。
[Electronics]
First, an electronic apparatus to which the
図１１は、本発明の第２実施形態に係る電子モジュールを備える電子機器としてのモバイル型（又はノート型）のパーソナルコンピューターの構成の概略を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部１００８を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して屈折可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター１１００には、その傾きなどを検知するためのジャイロセンサー等として機能する電子モジュール２００が内蔵されている。パーソナルコンピューター１１００の発熱による温度変化が大きい場合でも、上述した電子モジュール２００を適用することができる。
FIG. 11 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a mobile (or notebook) personal computer as an electronic apparatus including the electronic module according to the second embodiment of the present invention. In this figure, a
図１２は、本発明の第２実施形態に係る電子モジュールを備える電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成の概略を示す斜視図である。この図において、携帯電話機１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４及び送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１２０８が配置されている。このような携帯電話機１２００には、携帯電話機１２００の傾きや、移動方向を検知するジャイロセンサー等として機能する電子モジュール２００が内蔵されている。移動に伴う振動が加えられる携帯電話機１２００にも上述した電子モジュール２００を適用することができる。
FIG. 12 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a mobile phone (including PHS) as an electronic apparatus including the electronic module according to the second embodiment of the present invention. In this figure, a
図１３は、本発明の第２実施形態に係る電子モジュールを備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルスチールカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。
デジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部１３０８が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３０８は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤ等を含む受光ユニット１３０４が設けられている。
撮影者が表示部１３０８に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３１０に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子１３１２にはテレビモニター１４３０が、データ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピューター１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３１０に格納された撮像信号が、テレビモニター１４３０や、パーソナルコンピューター１４４０に出力される構成になっている。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、その傾きを検知するジャイロセンサー等として機能する電子モジュール２００が内蔵されている。移動に伴う振動が加えられ、高性能化によって発熱が多いデジタルスチールカメラ１３００にも上述した電子モジュール２００を適用することができる。
FIG. 13: is a perspective view which shows the outline of a structure of the digital still camera as an electronic device provided with the electronic module which concerns on 2nd Embodiment of this invention. In this figure, connection with an external device is also simply shown. Here, an ordinary camera sensitizes a silver halide photographic film with a light image of a subject, whereas a
A
When the photographer confirms the subject image displayed on the
なお、本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００を搭載した電子モジュール２００は、図１１のパーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター）、図１２の携帯電話機、図１３のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。
The
［移動体］
図１４は移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車１５００には本発明に係るＭＥＭＳデバイス１００を搭載した電子モジュール２００が適用されている。例えば、同図に示すように、移動体としての自動車１５００には、電子モジュール２００を内蔵して自動車１５００の傾き等を制御する電子制御ユニット１５０８が車体１５０７に搭載されている。多数の電子制御ユニット１５０８が搭載される自動車１５００等の移動体に振動と温度変化に強い当該電子モジュール２００を用いることで、その電子制御ユニット１５０８の搭載位置の自由度を高めることができる。また、電子モジュール２００は、他にも、カーナビゲーションシステム、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、エンジンコントロール等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。
[Moving object]
FIG. 14 is a perspective view schematically showing an automobile as an example of a moving body. An
１０…ベース基板、１１…第１面、１２…第２面、１５…凹陥部、２０…応力緩和部、２５…応力緩和層、１００…ＭＥＭＳデバイス、１０２…ＭＥＭＳ素子、１１２…振動体、１１４…第１バネ部、１５０…支持構造体、１５１…第３面、１５２…第４面、１６０…接続領域、２００…電子モジュール、５００…パッケージ、５１０…配線電極、５２０…蓋、５５０…駆動回路モジュール、１１００…パーソナルコンピューター、１２００…携帯電話機、１３００…デジタルスチールカメラ、１５００…自動車。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
ベース基板上に配置されたＭＥＭＳ素子と、
前記ベース基板上に設けられ、前記ＭＥＭＳ素子を支持する支持構造体と、
前記ベース基板と前記支持構造体の接続領域に設けられた応力緩和部と、を備えていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 A base substrate;
A MEMS element disposed on a base substrate;
A support structure provided on the base substrate and supporting the MEMS element;
A MEMS device, comprising: a stress relaxation portion provided in a connection region between the base substrate and the support structure.
前記応力緩和部は、前記ベース基板および前記支持構造体の少なくとも一方の前記接続領域に設けられた凹陥部を含むことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 The MEMS device according to claim 1, wherein
The MEMS device according to claim 1, wherein the stress relaxation part includes a recessed part provided in the connection region of at least one of the base substrate and the support structure.
前記凹陥部は、貫通孔を含むことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 The MEMS device according to claim 2, wherein
The MEMS device according to claim 1, wherein the recess includes a through hole.
前記凹陥部の内部には、前記ベース基板及び前記支持構造体と比してヤング率が低い充填材が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 The MEMS device according to claim 2 or claim 3,
A MEMS device, wherein a filler having a lower Young's modulus than the base substrate and the support structure is provided inside the recessed portion.
前記応力緩和部は、前記ベース基板と前記支持構造体との間に設けられた応力緩和層を含むことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 The MEMS device according to any one of claims 1 to 4,
The stress relaxation portion includes a stress relaxation layer provided between the base substrate and the support structure.
前記応力緩和層は、前記ベース基板及び前記支持構造体と比してヤング率が低い材料であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 The MEMS device according to claim 5, wherein
The MEMS device according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is a material having a Young's modulus lower than that of the base substrate and the support structure.
前記支持構造体は、シリコンを含むことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 The MEMS device according to any one of claims 1 to 6,
The MEMS device according to claim 1, wherein the support structure includes silicon.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2016017814A (en) * | 2014-07-07 | 2016-02-01 | セイコーエプソン株式会社 | Physical quantity sensor, physical quantity sensor device, electronic apparatus, and movable body |
| JP2017092115A (en) * | 2015-11-04 | 2017-05-25 | セイコーエプソン株式会社 | Method of manufacturing electronic device, electronic device, electronic apparatus and moving body |
-
2012
- 2012-07-27 JP JP2012166730A patent/JP2014025830A/en active Pending
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