WO2018092458A1 - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

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WO2018092458A1
WO2018092458A1 PCT/JP2017/036352 JP2017036352W WO2018092458A1 WO 2018092458 A1 WO2018092458 A1 WO 2018092458A1 JP 2017036352 W JP2017036352 W JP 2017036352W WO 2018092458 A1 WO2018092458 A1 WO 2018092458A1
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WO
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piezoelectric element
fixed
mems device
movable
disposed
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PCT/JP2017/036352
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榎本　哲也
勝間田　卓
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株式会社デンソー
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Publication date
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    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches

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

ＭＥＭＳデバイス 関連出願への相互参照
　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。
特開２０１６－１４８７６３号公報
　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。
第１実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの平面図である。 図１のII－II断面図である。 歪み補正処理のフローチャートである。 第２実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの断面図であって、第１実施形態の図２に相当する図である。 第３実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの平面図である。 第４実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの平面図である。 図６のVII－VII断面図である。 第５実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの平面図である。 第５実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの動作を説明するための斜視図である。 第６実施形態にかかるＭＥＭＳデバイスの平面図である。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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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