WO2018092458A1 - Memsデバイス - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices.
- the MEMS device is an optical scanning device described in Patent Document 1.
- the optical scanning device includes a mirror, a piezoelectric element as an actuator that swings the mirror around two axes perpendicular to each other, and a piezoelectric sensor that outputs a signal corresponding to the amount of strain of the substrate.
- the drive voltage of the actuator is controlled based on the output of.
- Such an optical scanning device has an asymmetric structure with respect to the center line in the thickness direction. Therefore, when the environmental temperature changes, distortion occurs in the outer peripheral frame that supports the internal element in which the actuator, the mirror, and the like are arranged. In addition, the outer peripheral frame is also distorted by a difference in thermal expansion coefficient between the insulating film and the protective film formed on the substrate, a difference in thermal expansion coefficient from the die bond material, and the mounting substrate. When distortion occurs in the outer peripheral frame, the distortion is transmitted to the piezoelectric sensor arranged in the internal element, and the sensitivity and accuracy of the piezoelectric sensor are reduced. Further, the resonance frequency of the internal element changes.
- This indication aims at providing the MEMS device which can control the change of the characteristic of an internal element by distortion of an outer periphery frame in view of the above-mentioned point.
- a MEMS device includes a fixed portion fixed to a pedestal, a movable portion that is disposed inside the fixed portion and is displaceable with respect to the fixed portion, and the fixed portion and the movable portion.
- a connecting portion that connects to each other, a piezoelectric element arranged in at least one of the fixed portion and the connecting portion, and a detecting portion that outputs a signal corresponding to the distortion of the movable portion, and an output signal of the detecting portion
- the distortion transmitted from the fixed part to the movable part is reduced by applying a voltage to the piezoelectric element.
- the fixed portion is deformed by applying a voltage to the piezoelectric element. Therefore, when the fixed part is the outer frame and the movable part is the inner element, the distortion transmitted from the outer frame to the inner element is reduced by adjusting the voltage applied to the piezoelectric element based on the output signal of the detector. can do. Thereby, the change of the characteristic of an internal element can be suppressed.
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. It is a flowchart of a distortion correction process. It is sectional drawing of the MEMS device concerning 2nd Embodiment, Comprising: It is a figure corresponded in FIG. 2 of 1st Embodiment. It is a top view of the MEMS device concerning a 3rd embodiment. It is a top view of the MEMS device concerning a 4th embodiment. It is VII-VII sectional drawing of FIG. It is a top view of the MEMS device concerning a 5th embodiment. It is a perspective view for demonstrating operation
- the MEMS device of this embodiment is an optical scanning device used for a head-up display, LIDAR (Light Detection and Ranging), and the like.
- the MEMS device is formed using a substrate 10, and includes a fixed unit 20, a movable unit 30, a connection unit 40, a piezoelectric element 50, a detection unit 60, and a pedestal. 70, a die bond material 80, and a control unit 90.
- FIG. 1 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing.
- the substrate 10 includes an SOI (Silicon on Insulator) wafer in which an active layer 13 is provided on a support layer 11 made of a semiconductor such as silicon via a sacrificial layer 12, and an insulating layer 14 formed on the surface of the active layer 13. It consists of and.
- SOI Silicon on Insulator
- the fixing part 20 is a part fixed to the pedestal 70 by the die bond material 80, and the outer peripheral frame of the MEMS device is constituted by the fixing part 20. Specifically, when two directions parallel to the surface of the substrate 10 and perpendicular to each other are defined as an x direction and a y direction, the fixing unit 20 includes two sides parallel to the x direction and two sides parallel to the y direction.
- the movable portion 30 is disposed inside the fixed portion 20.
- the movable part 30 is a part used as an internal element of the MEMS device, and can be displaced with respect to the fixed part 20.
- the movable unit 30 includes a mirror unit 31, a beam unit 32, a first drive unit 33, and a second drive unit 34.
- the mirror part 31 reflects the light irradiated to the MEMS device, and as shown in FIG. 1, in the mirror part 31, the upper surface shape of the substrate 10 is circular.
- the mirror part 31 has a light reflecting layer 35 formed on the surface of the insulating layer 14, and the mirror part 31 reflects light on the surface of the light reflecting layer 35.
- the light reflecting layer 35 is made of, for example, aluminum.
- a part of the substrate 10 is thinned. Specifically, in the region of the substrate 10 where the light reflecting layer 35 is formed, the support layer 11 and the sacrificial layer 12 are removed. And in the outer peripheral part of the mirror part 31, the support layer 11 and the sacrificial layer 12 are left without being removed, and thereby a cylindrical rib is formed.
- the mirror unit 31 is supported by a first drive unit 33 via beam portions 32 extending on both sides in the x direction around the mirror unit 31.
- the first drive unit 33 swings the mirror unit 31 about an axis parallel to the x direction by vibrating the beam unit 32, and includes a frame body 36 formed by patterning the substrate 10, and a frame body. And four piezoelectric elements 37 formed on the upper surface of 36.
- the frame body 36 is a rectangular frame body composed of two sides parallel to the x direction and two sides parallel to the y direction, and the mirror portion 31 and the beam portion 32 are arranged inside the frame body 36. ing.
- the beam portion 32 is connected to the center portion of each of two sides parallel to the y direction of the frame body 36, and the piezoelectric elements 37 are disposed on both sides of the beam portion 32 on these two sides.
- a slit extending in the y direction is formed in a portion located on the opposite side of the piezoelectric element 37 from the mirror portion 31.
- the support layer 11 and the sacrificial layer 12 are removed, and the substrate 10 is thinned.
- the piezoelectric element 37 has a structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are laminated in order, and the lower electrode and the upper electrode are connected to the control unit 90 via a wiring (not shown).
- the second drive unit 34 swings the mirror unit 31 about an axis parallel to the y direction by swinging the frame body 36 about an axis parallel to the y direction.
- a formed base portion 38 and two piezoelectric elements 39 formed on the upper surface of the base portion 38 are provided.
- the base portion 38 is disposed on both sides of the mirror portion 31 in the y direction and extends on both sides in the x direction.
- portions disposed on one side and the other side in the y direction with respect to the mirror portion 31 are referred to as base portions 38a and 38b, respectively.
- the base portions 38 a and 38 b are extended in the y direction at one end in the x direction and connected to the frame body 36, and the other end in the x direction is connected to the fixed portion 20 via the connecting portion 40. It is connected.
- the piezoelectric element 39 is disposed on the upper surfaces of the bases 38a and 38b.
- the piezoelectric element 39 has a structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked, and the lower electrode and the upper electrode are connected to the control unit 90 via a wiring (not shown).
- connection unit 40 connects the fixed unit 20 and the movable unit 30.
- the connecting portions 40a, 40b are long in the y direction with the base portions 38a, 38b. Are made equal and extend in the x direction.
- connection part 40a, 40b connects the edge part on the opposite side to the side connected with the frame 36 among base part 38a, 38b, and the part extended in the y direction among the fixing
- the support layer 11 and the sacrificial layer 12 are removed, the substrate 10 is thinned, and the connection portion 40 is thinner than the fixed portion 20.
- the piezoelectric element 50 is for reducing the distortion transmitted from the fixed portion 20 to the movable portion 30 by deforming the fixed portion 20, and is disposed on at least one of the fixed portion 20 and the connecting portion 40. Yes.
- the piezoelectric element 50 is disposed only on the upper surface of the fixed portion 20, and is formed in a frame shape so as to surround the movable portion 30 and the connection portion 40.
- the piezoelectric element 50 has a structure in which a lower electrode 51, a piezoelectric film 52, and an upper electrode 53 are sequentially laminated.
- the lower electrode 51 and the upper electrode 53 are made of, for example, Al, Au, Pt, or the like.
- the piezoelectric film 52 is made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT).
- PZT lead zirconate titanate
- the detection unit 60 is for measuring the distortion transmitted from the fixed unit 20 to the movable unit 30, and outputs a signal corresponding to the distortion of the movable unit 30.
- the detection unit 60 is constituted by a strain gauge formed by injecting impurities into the substrate 10, and is formed on the surface layer portion of the connection unit 40.
- the pedestal 70 includes a plate-like bottom portion 71 and a standing portion 72 erected in a direction perpendicular to the upper surface of the bottom portion 71 from the outer peripheral portion of the bottom portion 71.
- the substrate 10 is fixed to the bottom portion 71 by a die bonding material 80 disposed between the substrate 10 and the bottom portion 71, and the piezoelectric elements 37, 39, and 50 are erected portions 72 via wiring and bonding wires (not shown). It is connected to the upper end.
- the pedestal 70 is made of, for example, a printed board such as a glass epoxy board or a ceramic package.
- a circuit pattern (not shown) is formed on the pedestal 70, and the piezoelectric elements 37, 39, and 50 are connected to the control unit 90 via the circuit pattern.
- the die bond material 80 is disposed between the outer peripheral portion on the back surface of the fixed portion 20 and the bottom portion 71.
- the piezoelectric element 50 is arrange
- the control unit 90 applies a voltage to the piezoelectric elements 37 and 39 in order to swing the mirror unit 31.
- the control unit 90 also applies a voltage to the piezoelectric element 50 and changes the voltage applied to the piezoelectric element 50 based on the output signal of the detection unit 60. Thereby, the distortion transmitted from the fixed part 20 to the movable part 30 is reduced.
- the control unit 90 is an electronic control device that includes a known microcomputer including a CPU, ROM, RAM, and the like and peripheral circuits thereof.
- the MEMS device of the present embodiment is configured.
- the surface of the active layer 13 of the SOI wafer is thermally oxidized to form the insulating layer 14, and the light reflecting layer 35, each piezoelectric element, and the like are formed by sputtering or the like.
- substrate 10 is fixed to the base 70 with the die-bonding material 80, and wire bonding is performed.
- the control unit 90 when the control unit 90 applies a drive voltage to the piezoelectric element 37, the first drive unit 33 and the beam unit 32 are periodically deformed, and the mirror unit 31 resonates in the x direction. Swing around parallel axes. Further, when the control unit 90 applies a driving voltage to the piezoelectric element 39, the second driving unit 34 is periodically deformed, and the mirror unit 31 and the first driving unit 33 swing around an axis parallel to the y direction. To do. Thereby, two-dimensional scanning is performed by the light reflected by the surface of the light reflecting layer 35.
- control unit 90 of the present embodiment periodically and repeatedly executes the distortion correction process shown in FIG. As shown in FIG. 3, the controller 90 first acquires the output value of the detector 60 in step S1, and proceeds to step S2. In step S2, the control unit 90 determines whether or not the output value of the detection unit 60 is equal to a predetermined standard value.
- This standard value is set based on the output value of the detection unit 60 measured when distortion due to environmental changes or the like does not occur in the fixed unit 20 or when the distortion of the fixed unit 20 is sufficiently small. Yes. Further, the standard value is a value having a range, and when the distortion due to environmental change or the like does not occur in the fixed part 20 or the distortion transmitted from the fixed part 20 to the movable part 30 is sufficient. When the value is small, the output value of the detection unit 60 is set to be equal to the standard value.
- the distortion of the movable part 30 includes those generated by applying a voltage to the piezoelectric elements 37 and 39, but here, the distortion transmitted from the fixed part 20 among the distortions of the movable part 30 is reduced.
- step S ⁇ b> 3 the control unit 90 holds the voltage applied to the piezoelectric element 50 without changing it, and ends the distortion correction process.
- step S4 the control unit 90 changes the voltage applied to the piezoelectric element 50, and ends the distortion correction process. For example, if the output value of the detection unit 60 indicates that the movable unit 30 is compressed due to the distortion of the fixed unit 20, the control unit 90 increases the voltage applied to the piezoelectric element 50, along with the piezoelectric film 52. The fixing portion 20 is compressed and deformed. Thereby, the compressive deformation of the movable part 30 is relieved and the output value of the detection part 60 approaches the standard value.
- the MEMS device is an optical scanning device as in the present embodiment, a change in the resonance frequency of the movable unit 30 can be suppressed. Further, when a strain sensor (not shown) or the like for controlling the drive voltage applied to the piezoelectric elements 37 and 39 is disposed, it is possible to suppress a decrease in accuracy of the strain sensor.
- a portion of the fixed portion 20 where the piezoelectric element 50 is disposed is thinner than a portion of the fixed portion 20 that is fixed to the pedestal 70.
- the support layer 11 and a part of the sacrificial layer 12 are removed in a part of the fixed portion 20 where the piezoelectric element 50 is formed, so that the recess 21 is formed. Is formed.
- the concave portion 21 is formed in a portion closer to the movable portion 30 than the die bond material 80, and the piezoelectric element 50 is in a region including the portion where the concave portion 21 is formed in the fixed portion 20 and the portion outside the concave portion 21. Is formed.
- the recessed portion 21 is formed in the fixed portion 20
- the spring constant of the fixed portion 20 is smaller than that in the first embodiment
- the deformation of the fixed portion 20 becomes large, and the strain transmitted to the movable portion 30 is piezoelectric. It becomes easy to absorb in the part in which the element 50 is disposed. Thereby, a distortion correction effect increases and the distortion transmitted to the movable part 30 can further be suppressed.
- the MEMS device can be reduced in size.
- the piezoelectric element 50 is disposed in the connection portion 40 in addition to the fixing portion 20.
- the MEMS device includes two piezoelectric elements 50, and each of the connection portions 40a and 40b has a beam shape extending in the y direction.
- One piezoelectric element 50 is arranged from the fixed portion 20 to one end portion of the connection portion 40a, and the other piezoelectric element 50 is arranged from the fixed portion 20 to one end portion of the connection portion 40b. Yes.
- connection part 40 the support layer 11 and the sacrificial layer 12 are removed. That is, the connection part 40 is made thinner than the fixed part 20, and the spring coefficient is reduced, so that the connection part 40 is easily deformed. Also in the present embodiment in which the piezoelectric element 50 is arranged in the connection portion 40 having such a shape, the distortion transmitted to the movable portion 30 can be further suppressed as in the second embodiment.
- piezoelectric elements 50 are arranged in the MEMS device. Two of the four piezoelectric elements 50 are piezoelectric elements 50a, and the other two are piezoelectric elements 50b. Similarly to the third embodiment, the piezoelectric element 50a is arranged from the fixed portion 20 to one end of the connecting portion 40, and the piezoelectric element 50b is connected in a state of being separated from the movable portion 30 and the piezoelectric element 50a. Arranged in the portion 40. The piezoelectric elements 50a and 50b correspond to a first piezoelectric element and a second piezoelectric element, respectively.
- the piezoelectric element 50 and the control unit 90 are connected so that different voltages can be applied to the piezoelectric elements 50. Then, the control unit 90 applies a voltage to the piezoelectric element 50a and the piezoelectric element 50b based on the output signal of the detection unit 60. Thereby, the distortion transmitted from the fixed part 20 to the movable part 30 is reduced.
- the piezoelectric element 50b when a voltage is applied only to the piezoelectric element 50b among the piezoelectric elements 50a and 50b, as shown in FIG. 7, the piezoelectric element 50b is compressively deformed and pulled so that the piezoelectric element 50a is convex toward the upper surface side.
- the movable part 30 is displaced downward with respect to the fixed part 20.
- a voltage is applied only to the piezoelectric element 50 a
- the piezoelectric element 50 a is compressed and deformed, the piezoelectric element 50 b is pulled so as to be convex toward the upper surface side, and the movable part 30 is displaced upward with respect to the fixed part 20.
- the piezoelectric elements 50a and 50b are both compressed and deformed, and the movable portion 30 is pulled outward.
- the movable part 30 can be displaced in the vertical direction with respect to the fixed part 20. Thereby, the distortion transmitted from the fixed part 20 to the movable part 30 can be further suppressed.
- the fifth embodiment is different from the fourth embodiment in that the configuration of the connecting portion 40 and the arrangement of the piezoelectric elements 50 are changed with respect to the fourth embodiment, and the others are the same as the fourth embodiment. Only the part will be described.
- each of the connection portions 40 a and 40 b includes a beam portion 41.
- the upper surface of the beam portion 41 has a U-shape composed of a central portion extending in the x direction and both end portions extending in the y direction.
- One end portion of the beam portion 41 is connected to the base portion 38, and the other end portion is further extended in the x direction and connected to the fixing portion 20.
- the upper surfaces of the connection portions 40a and 40b have a meander shape.
- the piezoelectric element 50a is disposed on the end portion side connected to the fixed portion 20 in the beam portion 41, and the piezoelectric element 50b is separated from the movable portion 30 and the piezoelectric element 50a in the other side of the beam portion 41. It is arrange
- the connecting portion 40 has a fixed portion 20, a connecting portion with the movable portion 30, and a central portion of the beam portion 41 having the same thickness as the fixed portion 20. And in the part in which the piezoelectric element 50 is arrange
- the longitudinal direction of the piezoelectric elements 50 a and 50 b coincides with the longitudinal direction of the fixed portion 20. Further, the connecting portion 40 is connected to a portion of the fixed portion 20 that is parallel to the longitudinal direction of the fixed portion 20.
- the portion of the substrate 10 where the piezoelectric element 50 is disposed is deformed so as to protrude toward the support layer 11 due to the film stress when the piezoelectric element 50 is formed.
- the piezoelectric elements 50a and 50b are arranged as described above, as shown in FIG. 9, the displacement in the thickness direction of the connecting portion 40 due to the deformation of the piezoelectric element 50a is caused by the piezoelectric element 50b. Canceled by deformation.
- substrate 10 arises between the edge part by the side of the fixed part 20 of the connection part 40, and the edge part by the side of the movable part 30. Therefore, it is possible to suppress a change in the position in the thickness direction of the movable portion 30 relative to the fixed portion 20 due to the influence of the stress of the piezoelectric element 50.
- connection part 40 is provided on the part of the fixed part 20 extending in the longitudinal direction as in the present embodiment. It is preferable to connect.
- the piezoelectric element is more deformed in the longitudinal direction than in the short direction. Therefore, in order to absorb the strain transmitted from the fixed portion 20 more greatly, it is preferable to match the longitudinal direction of the piezoelectric elements 50 a and 50 b with the longitudinal direction of the fixed portion 20 as in the present embodiment.
- FIG. 10 A sixth embodiment will be described.
- the sixth embodiment is different from the fifth embodiment in that the configuration of the connecting portion 40 and the number of piezoelectric elements 50 are changed with respect to the fifth embodiment, and the others are the same as the fifth embodiment. Only the part will be described.
- each of the connection portions 40 a and 40 b includes two beam portions 41.
- the two beam portions 41 included in the connection portion 40a are disposed so as to face each other and are connected at both ends.
- the end of the beam portion 41 on the movable portion 30 side extends in the y direction and further extends in the x direction and is connected to the base portion 38.
- the piezoelectric elements 50a and 50b are respectively disposed on the two beam portions 41 as in the fifth embodiment. That is, the four piezoelectric elements 5 are arranged in the connection portion 40a. Similarly, four piezoelectric elements 50 are also arranged in the connection portion 40b.
- the connecting portion 40 has such a shape, the displacement in the thickness direction of the movable portion 30 due to the influence of stress on the piezoelectric element 50 can be suppressed as in the fifth embodiment.
- the piezoelectric element 50 may be disposed only in a portion of the fixed portion 20 that extends in the longitudinal direction. Since the deformation due to thermal stress or the like increases in the longitudinal direction of the fixed portion 20, even with such a configuration, the distortion transmitted from the fixed portion 20 to the movable portion 30 can be reduced to some extent.
- the detection unit 60 may be configured by a sensor other than a strain gauge.
- the detection unit 60 may be configured by a piezoelectric sensor that measures the amount of strain by detecting charge movement of the piezoelectric film. In such a configuration, since the detection unit 60 can be formed in the same process as the piezoelectric element 50, the manufacturing cost of the MEMS device can be reduced.
- the present disclosure may be applied to MEMS devices other than the optical scanning device.
- MEMS devices other than the optical scanning device.
- the present disclosure may be applied to a piezoelectric gyro sensor, an acceleration sensor, or the like, the accuracy of these sensors can be improved.
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Abstract
MEMSデバイスは、台座に固定された固定部(20)と、固定部(20)の内側に配置され、固定部(20)に対して変位可能とされた可動部(30)と、固定部(20)と可動部(30)とを接続する接続部(40)と、固定部(20)、接続部(40)の少なくともいずれか一方に配置された圧電素子(50)と、可動部(30)の歪みに応じた信号を出力する検出部(60)と、を備え、検出部(60)の出力信号に基づいて圧電素子(50)に電圧を印加することにより、固定部(20)から可動部(30)に伝達される歪みを低減する。
Description
本出願は、2016年11月15日に出願された日本特許出願番号2016-222541号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。
本開示は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスに関するものである。
MEMSデバイスとして、例えば特許文献1に記載のような光走査装置が挙げられる。この光走査装置は、ミラーと、ミラーを互いに垂直な2つの軸まわりに揺動するアクチュエータとしての圧電素子と、基板の歪み量に応じた信号を出力する圧電センサとを備えており、圧電センサの出力に基づいてアクチュエータの駆動電圧を制御する。
このような光走査装置は、厚さ方向の中心線に対して非対称な構造となっている。そのため、環境温度が変化すると、アクチュエータ、ミラー等が配置された内部エレメントを支持する外周フレームに歪みが発生する。また、基板上に形成された絶縁膜、保護膜等の熱膨張係数差、ダイボンド材、実装基板との熱膨張係数差によっても、外周フレームに歪みが発生する。そして、外周フレームに歪みが発生すると、その歪みが内部エレメントに配置された圧電センサに伝達され、圧電センサの感度、精度が低下する。また、内部エレメントの共振周波数が変化する。
光走査装置以外のMEMSデバイスにおいても、外周フレームの歪みによる内部エレメントの特性の変化は好ましくない。
本開示は上記点に鑑みて、外周フレームの歪みによる内部エレメントの特性の変化を抑制できるMEMSデバイスを提供することを目的とする。
本開示の1つの観点によれば、MEMSデバイスは、台座に固定された固定部と、固定部の内側に配置され、固定部に対して変位可能とされた可動部と、固定部と可動部とを接続する接続部と、固定部、接続部の少なくともいずれか一方に配置された圧電素子と、可動部の歪みに応じた信号を出力する検出部と、を備え、検出部の出力信号に基づいて圧電素子に電圧を印加することにより、固定部から可動部に伝達される歪みを低減する。
このような構成では、圧電素子に電圧を印加することにより固定部が変形する。したがって、固定部を外周フレームとし、可動部を内部エレメントとした場合に、検出部の出力信号に基づいて圧電素子に印加する電圧を調整することで、外周フレームから内部エレメントに伝達する歪みを低減することができる。これにより、内部エレメントの特性の変化を抑制することができる。
以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態のMEMSデバイスは、ヘッドアップディスプレイ、LIDAR(Light Detection and Ranging)等に用いられる光走査装置である。
第1実施形態について説明する。本実施形態のMEMSデバイスは、ヘッドアップディスプレイ、LIDAR(Light Detection and Ranging)等に用いられる光走査装置である。
図1、図2に示すように、MEMSデバイスは、基板10を用いて形成されており、固定部20と、可動部30と、接続部40と、圧電素子50と、検出部60と、台座70と、ダイボンド材80と、制御部90とを備える。なお、図1は断面図ではないが、図を見やすくするために部分的にハッチングを示してある。
基板10は、シリコン等の半導体からなる支持層11の上に犠牲層12を介して活性層13が備えられたSOI(Silicon on Insulator)ウェハと、活性層13の表面に形成された絶縁層14とで構成されている。このような基板10を加工することにより、固定部20、可動部30、接続部40が形成される。
固定部20は、ダイボンド材80によって台座70に固定される部分であり、固定部20によってMEMSデバイスの外周フレームが構成されている。具体的には、基板10の表面に平行でかつ互いに垂直な2つの方向をx方向、y方向とすると、固定部20は、x方向に平行な2つの辺とy方向に平行な2つの辺で構成される長方形の枠体形状とされており、固定部20の内側に可動部30が配置されている。
可動部30は、MEMSデバイスの内部エレメントとして用いられる部分であり、固定部20に対して変位可能とされている。可動部30は、ミラー部31と、梁部32と、第1駆動部33と、第2駆動部34とを備えている。
ミラー部31は、MEMSデバイスに照射された光を反射するものであり、図1に示すように、ミラー部31では、基板10の上面形状が円形状とされている。ミラー部31は、絶縁層14の表面に形成された光反射層35を有しており、ミラー部31は、光反射層35の表面において光を反射する。光反射層35は、例えばアルミニウム等で構成される。
また、ミラー部31では、基板10の一部が薄膜化されている。具体的には、基板10のうち、光反射層35が形成された領域においては、支持層11および犠牲層12が除去されている。そして、ミラー部31の外周部では支持層11および犠牲層12が除去されずに残されており、これにより円筒状のリブが形成されている。
図1に示すように、ミラー部31は、ミラー部31を中心としてx方向の両側に延設された梁部32を介して第1駆動部33により支持されている。
第1駆動部33は、梁部32を振動させることによりミラー部31をx方向に平行な軸周りに揺動するものであり、基板10をパターニングして形成された枠体36と、枠体36の上面に形成された4つの圧電素子37とを備えている。
枠体36は、x方向に平行な2つの辺とy方向に平行な2つの辺で構成される長方形状の枠体であり、枠体36の内側にミラー部31および梁部32が配置されている。梁部32は、枠体36のy方向に平行な2つの辺それぞれの中央部に接続されており、圧電素子37は、これら2つの辺において、梁部32の両側に配置されている。
枠体36のy方向に平行な2つの辺のうち、圧電素子37に対してミラー部31とは反対側に位置する部分には、y方向に伸びるスリットが形成されている。また、圧電素子37が形成された領域においては、支持層11および犠牲層12が除去され、基板10が薄膜化されている。
圧電素子37は、下部電極と、圧電膜と、上部電極とが順に積層された構造とされており、下部電極および上部電極は図示しない配線を介して制御部90に接続されている。
第2駆動部34は、枠体36をy方向に平行な軸周りに揺動することにより、ミラー部31をy方向に平行な軸周りに揺動するものであり、基板10をパターニングして形成された基部38と、基部38の上面に形成された2つの圧電素子39とを備えている。
図1に示すように、基部38は、y方向においてミラー部31の両側に配置され、x方向の両側に延設されている。基部38のうち、ミラー部31に対してy方向の一方側、他方側に配置された部分をそれぞれ基部38a、38bとする。基部38a、38bは、x方向の一方側の端部がy方向に延設され、枠体36に接続されるとともに、x方向の他方側の端部が接続部40を介して固定部20に接続されている。
圧電素子39は、基部38a、38bの上面に配置されている。圧電素子39は、下部電極と、圧電膜と、上部電極とが順に積層された構造とされており、下部電極および上部電極は図示しない配線を介して制御部90に接続されている。
接続部40は、固定部20と可動部30とを接続するものである。接続部40のうち、基部38a、38bと固定部20とを接続する部分をそれぞれ接続部40a、40bとすると、本実施形態では、接続部40a、40bは、基部38a、38bとy方向の長さが等しくされており、x方向に延設されている。そして、接続部40a、40bは、それぞれ、基部38a、38bのうち枠体36と接続された側とは反対側の端部と、固定部20のうちy方向に延設された部分とを接続している。基部38および接続部40においては、支持層11および犠牲層12が除去され、基板10が薄膜化されており、接続部40は固定部20よりも薄くされている。
圧電素子50は、固定部20を変形させることにより固定部20から可動部30に伝達される歪みを低減するためのものであり、固定部20、接続部40の少なくともいずれか一方に配置されている。本実施形態では、圧電素子50は、固定部20の上面にのみ配置されており、可動部30および接続部40を囲むように枠状に形成されている。
図2に示すように、圧電素子50は、下部電極51と、圧電膜52と、上部電極53とが順に積層された構造とされている。下部電極51および上部電極53は、例えばAl、Au、Pt等により構成されている。また、圧電膜52は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料により構成されている。下部電極51および上部電極53は、図示しない配線を介して制御部90に接続されている。
検出部60は、固定部20から可動部30に伝達される歪みを測定するためのものであり、可動部30の歪みに応じた信号を出力する。本実施形態では、検出部60は、基板10に不純物を注入することによって形成される歪みゲージで構成されており、接続部40の表層部に形成されている。
図2に示すように、台座70は、板状の底部71と、底部71の外周部から底部71の上面に垂直な方向に立設された立設部72とを備えている。基板10は、基板10と底部71との間に配置されたダイボンド材80によって底部71に固定されており、圧電素子37、39、50は、図示しない配線およびボンディングワイヤを介して立設部72の上端部に接続されている。台座70は、例えば、ガラスエポキシ基板等のプリント基板や、セラミックパッケージで構成される。台座70には図示しない回路パターンが形成されており、圧電素子37、39、50は、この回路パターンを介して制御部90に接続されている。
本実施形態では、ダイボンド材80は固定部20の裏面の外周部と底部71との間に配置されている。そして、圧電素子50は、固定部20のうち、ダイボンド材80によって台座70に固定された部分と、この部分よりも内側の部分とを含む領域に配置されている。
制御部90は、ミラー部31を揺動するために圧電素子37、39に電圧を印加するものである。また、制御部90は、圧電素子50にも電圧を印加し、検出部60の出力信号に基づいて圧電素子50に印加する電圧を変化させる。これにより、固定部20から可動部30に伝達される歪みが低減される。制御部90は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路とから構成された電子制御装置である。
以上のようにして、本実施形態のMEMSデバイスが構成されている。このようなMEMSデバイスを製造するには、まず、SOIウェハの活性層13の表面を熱酸化して絶縁層14を形成し、スパッタリング等により光反射層35、各圧電素子等を形成する。そして、基板10をエッチングにより所望の形状に加工した後、基板10をダイボンド材80で台座70に固定し、ワイヤボンディングを行う。
本実施形態のMEMSデバイスでは、制御部90が圧電素子37に駆動電圧を印加することにより、第1駆動部33および梁部32が周期的に変形し、ミラー部31が共振してx方向に平行な軸周りに揺動する。また、制御部90が圧電素子39に駆動電圧を印加することにより、第2駆動部34が周期的に変形し、ミラー部31および第1駆動部33がy方向に平行な軸周りに揺動する。これにより、光反射層35の表面で反射した光による2次元での走査が行われる。
このとき、熱応力、実装応力、図示しない保護膜の特性変化等によって固定部20に歪みが発生していると、この歪みが可動部30に伝達されて、可動部30の共振周波数が変化する。また、圧電素子37、39に印加する駆動電圧を制御するための図示しない歪みセンサ等が配置されている場合には、固定部20から伝達される歪みによって、この歪みセンサの精度が低下する。
そこで、本実施形態の制御部90は、図3に示す歪み補正処理を周期的に繰り返し実行する。図3に示すように、制御部90は、まず、ステップS1にて、検出部60の出力値を取得し、ステップS2へ進む。ステップS2では、制御部90は、検出部60の出力値が所定の規格値と等しいか否かを判定する。
この規格値は、固定部20に環境の変化等による歪みが発生していないとき、あるいは、固定部20の歪みが十分に小さいときに測定された検出部60の出力値に基づいて設定されている。また、この規格値は、範囲を持った値とされており、固定部20に環境の変化等による歪みが発生していない場合、あるいは、固定部20から可動部30に伝達される歪みが十分に小さい場合に、検出部60の出力値が規格値と等しくなるように設定されている。
なお、可動部30の歪みには、圧電素子37、39への電圧の印加により生じるものも含まれるが、ここでは、可動部30の歪みのうち、固定部20から伝達される歪みが低減されるように規格値を設定する。
検出部60の出力値が規格値と等しいと判定された場合には、制御部90は、ステップS3へ進む。ステップS3では、制御部90は、圧電素子50に印加する電圧を変化させずに保持して、歪み補正処理を終了する。
検出部60の出力値が規格値と等しくないと判定された場合には、制御部90は、ステップS4へ進む。ステップS4では、制御部90は、圧電素子50に印加する電圧を変化させて、歪み補正処理を終了する。例えば、検出部60の出力値が固定部20の歪みにより可動部30が圧縮されていることを示していれば、制御部90は、圧電素子50に印加する電圧を増加させ、圧電膜52と共に固定部20を圧縮変形させる。これにより、可動部30の圧縮変形が緩和され、検出部60の出力値が規格値に近づく。
このように、検出部60の出力値が所定の規格値に近づくように圧電素子50に電圧を印加することにより、可動部30の歪みを補正するための駆動力が印加され、固定部20から可動部30に伝達される歪みが低減される。したがって、固定部20の歪みによる可動部30の特性の変化を抑制することができる。また、これにより、MEMSデバイスの温度依存性を小さくすることができる。
また、本実施形態のようにMEMSデバイスが光走査装置であれば、可動部30の共振周波数の変化等を抑制することができる。また、圧電素子37、39に印加する駆動電圧を制御するための図示しない歪みセンサ等が配置されている場合には、歪みセンサの精度の低下を抑制することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態に対して固定部20の形状を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態に対して固定部20の形状を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態では、固定部20のうち圧電素子50が配置された部分の一部が、固定部20のうち台座70に固定された部分よりも薄くされている。
具体的には、図4に示すように、固定部20のうち圧電素子50が形成された部分の一部において、支持層11、および、犠牲層12の一部が除去されて、凹部21が形成されている。凹部21は、ダイボンド材80よりも可動部30に近い部分に形成されており、圧電素子50は、固定部20のうち凹部21が形成された部分と凹部21の外側の部分とを含む領域に形成されている。
固定部20に凹部21が形成された本実施形態では、固定部20のバネ定数が第1実施形態よりも小さいため、固定部20の変形が大きくなり、可動部30に伝達される歪みを圧電素子50が配置された部分で吸収しやすくなる。これにより、歪み補正効果が増大し、可動部30に伝達される歪みをさらに抑制することができる。また、歪み補正に必要な圧電素子50の幅が小さくなるので、MEMSデバイスを小型化することができる。
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。第3実施形態は、第1実施形態に対して接続部40および圧電素子50の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第3実施形態について説明する。第3実施形態は、第1実施形態に対して接続部40および圧電素子50の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図5に示すように、本実施形態では、圧電素子50は、固定部20に加えて接続部40にも配置されている。具体的には、MEMSデバイスは圧電素子50を2つ備えており、接続部40a、40bはそれぞれy方向に延設された梁形状とされている。そして、一方の圧電素子50は、固定部20から接続部40aの一方の端部にかけて配置されており、他方の圧電素子50は、固定部20から接続部40bの一方の端部にかけて配置されている。
接続部40においては支持層11および犠牲層12が除去されている。すなわち、接続部40は固定部20よりも薄くされており、バネ係数が低下して変形しやすくなっている。このような形状の接続部40に圧電素子50を配置した本実施形態においても、第2実施形態と同様に、可動部30に伝達される歪みをさらに抑制することができる。
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。第4実施形態は、第3実施形態に対して圧電素子50の数を変更したものであり、その他については第3実施形態と同様であるため、第3実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第4実施形態について説明する。第4実施形態は、第3実施形態に対して圧電素子50の数を変更したものであり、その他については第3実施形態と同様であるため、第3実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図6に示すように、本実施形態ではMEMSデバイスに圧電素子50が4つ配置されている。4つの圧電素子50のうち2つを圧電素子50aとし、他の2つを圧電素子50bとする。圧電素子50aは、第3実施形態と同様に、固定部20から接続部40の一方の端部にかけて配置されており、圧電素子50bは、可動部30および圧電素子50aと離された状態で接続部40に配置されている。圧電素子50a、50bはそれぞれ第1圧電素子、第2圧電素子に相当する。
また、本実施形態では、各圧電素子50に異なる電圧を印加することができるように圧電素子50と制御部90とが接続されている。そして、制御部90は、検出部60の出力信号に基づいて圧電素子50aおよび圧電素子50bに電圧を印加する。これにより、固定部20から可動部30に伝達される歪みが低減される。
例えば、圧電素子50a、50bのうち、圧電素子50bのみに電圧を印加すると、図7に示すように、圧電素子50bが圧縮変形し、圧電素子50aが上面側に向かって凸となるように引っ張られ、可動部30は固定部20に対して下方に変位する。また、圧電素子50aのみに電圧を印加すると、圧電素子50aが圧縮変形し、圧電素子50bが上面側に向かって凸となるように引っ張られ、可動部30は固定部20に対して上方に変位する。また、圧電素子50a、50bの両方に電圧を印加すると、圧電素子50a、50bが共に圧縮変形し、可動部30は外側へ引っ張られる。
このように、本実施形態では、可動部30を固定部20に対する上下方向に変位させることができる。これにより、固定部20から可動部30に伝達される歪みをさらに抑制することができる。
(第5実施形態)
第5実施形態について説明する。第5実施形態は、第4実施形態に対して接続部40の構成および圧電素子50の配置を変更したものであり、その他については第4実施形態と同様であるため、第4実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第5実施形態について説明する。第5実施形態は、第4実施形態に対して接続部40の構成および圧電素子50の配置を変更したものであり、その他については第4実施形態と同様であるため、第4実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図8に示すように、本実施形態では、接続部40a、40bは、それぞれ、梁部41を備えている。梁部41の上面は、x方向に延設された中央部とy方向に延設された両端部とで構成されたU字形状とされている。梁部41の一方の端部は基部38に接続されており、他方の端部はさらにx方向に延設されて固定部20に連結されている。これにより、接続部40a、40bの上面はミアンダ形状とされている。
圧電素子50aは、梁部41のうち、固定部20に連結された端部側に配置されており、圧電素子50bは、可動部30および圧電素子50aと離された状態で梁部41の他方の端部側に配置されている。
接続部40のうち固定部20、可動部30との連結部、梁部41の中央部は、固定部20と同じ厚さとされている。そして、梁部41のうち圧電素子50が配置された部分においては、支持層11および犠牲層12が除去され、基板10が薄膜化されている。
圧電素子50a、50bの長手方向は、固定部20の長手方向と一致している。また、接続部40は、固定部20のうち固定部20の長手方向に平行な部分に連結されている。
基板10のうち圧電素子50が配置された部分は、圧電素子50の成膜時の膜応力によって支持層11の側に向かって凸となるように変形する。これに対して、圧電素子50a、50bが上記のように配置された本実施形態では、図9に示すように、圧電素子50aの変形による接続部40の厚さ方向の変位が圧電素子50bの変形によってキャンセルされる。これにより、接続部40の固定部20側の端部と可動部30側の端部との間で、基板10の厚さ方向の位置に差が生じることが抑制される。したがって、固定部20に対する可動部30の厚さ方向の位置が圧電素子50の応力の影響によって変化することを抑制することができる。
なお、固定部20は、長方形の枠体形状とされているので、熱応力等による変形が長手方向で大きくなる。したがって、固定部20の長手方向の歪みが可動部30に大きく伝達されることを抑制するために、本実施形態のように固定部20のうち長手方向に延設された部分に接続部40を連結することが好ましい。
また、圧電素子は短手方向よりも長手方向での変形が大きい。したがって、固定部20から伝達される歪みをより大きく吸収するために、本実施形態のように圧電素子50a、50bの長手方向を固定部20の長手方向と一致させることが好ましい。
(第6実施形態)
第6実施形態について説明する。第6実施形態は、第5実施形態に対して接続部40の構成および圧電素子50の数を変更したものであり、その他については第5実施形態と同様であるため、第5実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第6実施形態について説明する。第6実施形態は、第5実施形態に対して接続部40の構成および圧電素子50の数を変更したものであり、その他については第5実施形態と同様であるため、第5実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図10に示すように、本実施形態では、接続部40a、40bがそれぞれ2つの梁部41を備えている。接続部40aが備える2つの梁部41は、互いに対向するように配置され、両端部において連結されている。また、本実施形態では、梁部41のうち可動部30側の端部が、y方向に延設されるとともに、さらにx方向に延設されて、基部38に連結されている。2つの梁部41には、それぞれ、第5実施形態と同様に圧電素子50a、50bが配置されている。すなわち、接続部40aには、4つの圧電素子5が配置されている。同様に、接続部40bにも、4つの圧電素子50が配置されている。
接続部40をこのような形状とした本実施形態においても、第5実施形態と同様に、圧電素子50での応力の影響による可動部30の厚さ方向の変位を抑制することができる。
(他の実施形態)
なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
例えば、上記第1、第2実施形態において、固定部20のうち長手方向に延設された部分にのみ圧電素子50を配置してもよい。固定部20は熱応力等による変形が長手方向で大きくなるので、このような構成としても、固定部20から可動部30に伝達される歪みをある程度低減することができる。
また、歪みゲージ以外のセンサで検出部60を構成してもよい。例えば、圧電膜の電荷移動を検出することで歪み量を測定する圧電センサで検出部60を構成してもよい。このような構成では、圧電素子50と同じ工程で検出部60を形成することができるので、MEMSデバイスの製造コストを低減することができる。
また、光走査装置以外のMEMSデバイスに本開示を適用してもよい。例えば、圧電ジャイロセンサや加速度センサ等に本開示を適用することにより、これらのセンサの精度を向上させることができる。
Claims (12)
- MEMSデバイスであって、
台座(70)に固定された固定部(20)と、
前記固定部の内側に配置され、前記固定部に対して変位可能とされた可動部(30)と、
前記固定部と前記可動部とを接続する接続部(40)と、
前記固定部、前記接続部の少なくともいずれか一方に配置された圧電素子(50、50a、50b)と、
前記可動部の歪みに応じた信号を出力する検出部(60)と、を備え、
前記検出部の出力信号に基づいて前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記固定部から前記可動部に伝達される歪みを低減するMEMSデバイス。 - 前記圧電素子は、前記固定部および前記接続部に配置されている請求項1に記載のMEMSデバイス。
- 前記接続部は、梁形状とされており、
前記圧電素子は、前記固定部から前記接続部の一方の端部にかけて配置されている請求項2に記載のMEMSデバイス。 - 前記圧電素子は、第1圧電素子および第2圧電素子を含み、
前記第1圧電素子は、前記固定部から前記接続部の一方の端部にかけて配置されており、
前記第2圧電素子は、前記可動部および前記第1圧電素子と離された状態で前記接続部に配置されている請求項3に記載のMEMSデバイス。 - 前記接続部は、U字形状の梁部(41)を含み、
前記圧電素子は、前記梁部の一方の端部側に配置されている請求項2に記載のMEMSデバイス。 - 前記圧電素子は、第1圧電素子および第2圧電素子を含み、
前記第1圧電素子は、前記梁部の一方の端部側に配置されており、
前記第2圧電素子は、前記可動部および前記第1圧電素子と離された状態で前記梁部の他方の端部側に配置されている請求項5に記載のMEMSデバイス。 - 前記検出部の出力信号に基づいて前記第1圧電素子および前記第2圧電素子に電圧を印加することにより、前記固定部から前記可動部に伝達される歪みを低減する請求項4または6に記載のMEMSデバイス。
- 前記圧電素子の長手方向は、前記固定部の長手方向と一致している請求項1ないし7のいずれか1つに記載のMEMSデバイス。
- 前記接続部は、前記固定部のうち前記固定部の長手方向に平行な部分に連結されている請求項1ないし8のいずれか1つに記載のMEMSデバイス。
- 前記検出部は、圧電膜の電荷移動を検出することで歪み量を測定する圧電センサで構成されている請求項1ないし9のいずれか1つに記載のMEMSデバイス。
- 前記固定部および前記接続部のうち前記圧電素子が配置された部分の少なくとも一部は、前記固定部のうち前記台座に固定された部分よりも薄くされている請求項1ないし10のいずれか1つに記載のMEMSデバイス。
- 前記可動部は、光を反射するミラー部(31)と、前記ミラー部を揺動する駆動部(33、34)とを備える請求項1ないし11のいずれか1つに記載のMEMSデバイス。
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