JP2011038872A - Mems sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第1部材と第2部材との間にセンサ部及びアンカ部を有する中間部材を有し、前記第1部材とアンカ部間が絶縁層を介して接合され、前記第2部材と前記アンカ部間が金属層を介して接合されて成るMEMSセンサに関する。 The present invention includes an intermediate member having a sensor portion and an anchor portion between a first member and a second member, and the first member and the anchor portion are joined via an insulating layer, and the second member and The present invention relates to a MEMS sensor in which the anchor portions are joined via a metal layer.
図16は従来におけるMEMSセンサの部分拡大縦断面図である。
図16に示すようにMEMSセンサAは、例えばシリコンで形成された第1部材1と、シリコンで形成された第2部材2と、第1部材1と第2部材2の間に位置するシリコンで形成された中間部材3とを有して構成される。
FIG. 16 is a partially enlarged longitudinal sectional view of a conventional MEMS sensor.
As shown in FIG. 16, the MEMS sensor A is made of, for example, a first member 1 made of silicon, a
図16に示すように中間部材3は、アンカ部4とアンカ部4に接続されるセンサ部5とを有して構成されている。アンカ部4は例えば平面形状が四角形状である。図16ではセンサ部5が前記アンカ部4に直接接続されているが、センサ部5とアンカ部4との間に厚さの薄いばね部等が介在する形態でもよい。また図16に示すセンサ部5は例えば静電容量式センサの一方の電極を構成している。
As shown in FIG. 16, the intermediate member 3 includes an anchor portion 4 and a
図16に示すように、第1部材とアンカ部4との間に絶縁層6が介在している。例えば図16に示す第1部材1、絶縁層6及び中間部材3の積層構造でSOI基板が構成される。
As shown in FIG. 16, the
また図16に示すように、第2部材2の内側表面2aには絶縁層7が設けられ、前記絶縁層7と前記アンカ部4との間に金属層8が介在している。
As shown in FIG. 16, an
図示しないが例えば金属層8から絶縁層7の内部にかけて導電層が配線されており、静電容量変化に基づく検出信号を出力できる構造となっている。
Although not shown, for example, a conductive layer is wired from the
図16に示すように金属層8の幅寸法T7は、アンカ部4の幅寸法T8に比べて十分に小さく形成されている。これは金属層8とシリコンで形成された各部材との熱膨張係数が大きく異なり、熱応力に基づく変形や剥離等を抑制するためである。
As shown in FIG. 16, the width dimension T <b> 7 of the
一方、図16に示すように、絶縁層7の幅寸法T9はアンカ部4の幅寸法T8と同等かあるいは、それよりもやや小さく形成される。
On the other hand, as shown in FIG. 16, the width dimension T9 of the
ところで従来では、絶縁層7の幅寸法T9を特に制御しておらず、絶縁層7の幅寸法T9は金属層8の幅寸法T7に比べて十分に大きいサイズであった。
Conventionally, the width dimension T9 of the
このため、第1部材1と第2部材2の間に応力が加わったときに、アンカ部4に伝わる応力の分布が第1部材1側からと第2部材2側からとで大きく異なるために前記アンカ部4が変形しやすかった。その結果、アンカ部4に接続されるセンサ部5が撓んで変位量が大きくなり検出精度が低下する問題があった。
For this reason, when stress is applied between the first member 1 and the
上記の特許文献1〜3に記載された発明には、第1部材1とアンカ部4間に介在する絶縁層6の幅寸法と、第2部材2とアンカ部4間に介在する金属層8の幅寸法との関係が開示されていない。
In the inventions described in Patent Documents 1 to 3, the width dimension of the
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、絶縁層の幅寸法T1と金属層の幅寸法T2を制御してアンカ部に応力が加わったときのセンサ部の変位量を小さくし、検出精度を向上させることが可能なMEMSセンサを提供することを目的としている。 Accordingly, the present invention is to solve the above-described conventional problems, and in particular, the displacement amount of the sensor portion when stress is applied to the anchor portion by controlling the width dimension T1 of the insulating layer and the width dimension T2 of the metal layer. It is an object of the present invention to provide a MEMS sensor capable of reducing the size and improving the detection accuracy.
本発明におけるMEMSセンサは、
第1部材と、第2部材と、前記第1部材と前記第2部材との間に位置する中間部材と、前記中間部材に形成されたアンカ部及び前記アンカ部に接続されたセンサ部と、前記第1部材及び前記アンカ部間に介在する絶縁層と、前記第2部材及び前記アンカ部間に介在する金属層と、を有し、
前記金属層の外周側面は前記アンカ部の外周側面よりも内側に後退しており、
前記絶縁層の幅寸法をT1、前記金属層の幅寸法をT2としたとき、T1/T2は、1.5以上で3.3以下の範囲内であることを特徴とするものである。
The MEMS sensor in the present invention is
A first member, a second member, an intermediate member positioned between the first member and the second member, an anchor portion formed on the intermediate member, and a sensor portion connected to the anchor portion; An insulating layer interposed between the first member and the anchor portion, and a metal layer interposed between the second member and the anchor portion,
The outer peripheral side surface of the metal layer is receding inward from the outer peripheral side surface of the anchor part,
When the width dimension of the insulating layer is T1 and the width dimension of the metal layer is T2, T1 / T2 is in the range of 1.5 or more and 3.3 or less.
本発明では、前記絶縁層における第1部材とアンカ部間の接合強度を十分に保つことが出来るとともに、第1部材側及び第2部材側からアンカ部に応力が加わったときに、センサ部の変位量を小さくでき、検出精度に優れたMEMSセンサに出来る。 In the present invention, the bonding strength between the first member and the anchor portion in the insulating layer can be sufficiently maintained, and when stress is applied to the anchor portion from the first member side and the second member side, The amount of displacement can be reduced, and a MEMS sensor with excellent detection accuracy can be obtained.
本発明では、前記絶縁層の外周側面は、前記絶縁層の幅寸法がT1から厚さ方向に向けて徐々に小さくなる傾斜面で形成されていることが好ましい。より効果的にアンカ部に加わる応力を分散でき、センサ部の変位量をより小さくできる。 In this invention, it is preferable that the outer peripheral side surface of the said insulating layer is formed in the inclined surface from which the width dimension of the said insulating layer becomes small gradually toward thickness direction from T1. The stress applied to the anchor portion can be more effectively dispersed, and the displacement amount of the sensor portion can be further reduced.
また本発明では、前記絶縁層の幅寸法T1は前記第1部材との接合側にて規定され、前記絶縁層の外周側面は、前記第1部材側から前記アンカ部側に向けて徐々に前記幅寸法が小さくなるように傾斜していることが好ましい。 Further, in the present invention, the width T1 of the insulating layer is defined on the bonding side with the first member, and the outer peripheral side surface of the insulating layer is gradually increased from the first member side toward the anchor portion side. It is preferable to incline so that a width dimension may become small.
また本発明では、前記アンカ部の幅寸法をT3とし、前記絶縁層の外周側面の前記アンカ部の外周側面からの後退量をT4としたとき、(T4/T3)×100(%)は、10%以上25%以下で規定されることが好ましい。これにより前記絶縁層における第1部材とアンカ部間の接合強度を十分に保つことが出来るとともに、第1部材側及び第2部材側からアンカ部に応力が加わったときに、センサ部の変位量をより効果的に小さくできる。特に上記のように、前記絶縁層の外周側面を、前記第1部材側から前記アンカ部側に向けて徐々に前記幅寸法が小さくなるように傾斜させた形態において、T1/T2を3.3以下にし且つ(T4/T3)×100(%)を10%以上に制御することで、センサ部の変位量をより効果的に小さく出来る。 Further, in the present invention, when the width dimension of the anchor portion is T3 and the amount of retreat of the outer peripheral side surface of the insulating layer from the outer peripheral side surface of the anchor portion is T4, (T4 / T3) × 100 (%) is It is preferably specified in the range of 10% to 25%. Accordingly, the bonding strength between the first member and the anchor portion in the insulating layer can be sufficiently maintained, and the amount of displacement of the sensor portion when stress is applied to the anchor portion from the first member side and the second member side. Can be reduced more effectively. In particular, as described above, in the form in which the outer peripheral side surface of the insulating layer is inclined so that the width dimension gradually decreases from the first member side toward the anchor portion side, T1 / T2 is set to 3.3. By controlling (T4 / T3) × 100 (%) to 10% or more, the displacement amount of the sensor unit can be reduced more effectively.
本発明によれば、絶縁層における第1部材とアンカ部間の接合強度を十分に保つことが出来るとともに、第1部材側及び第2部材側からアンカ部に応力が加わったときに、センサ部の変位量を小さくでき、検出精度に優れたMEMSセンサに出来る。 According to the present invention, the bonding strength between the first member and the anchor portion in the insulating layer can be sufficiently maintained, and when the stress is applied to the anchor portion from the first member side and the second member side, the sensor portion Can be reduced, and a MEMS sensor with excellent detection accuracy can be obtained.
図1ないし図3に示す各図は本実施形態におけるMEMSセンサを模式的に示した部分拡大断面図である。 1 to 3 are partially enlarged cross-sectional views schematically showing the MEMS sensor according to the present embodiment.
図1に示す第1実施形態のMEMSセンサ10は、第1部材(支持基材)11と、第2部材(キャップ基材)12と、前記第1部材11と前記第2部材12間に介在する中間部材(機能層)13との積層構造で構成される。
A
第1部材11、第2部材12及び中間部材13はいずれもシリコンで形成される。第1部材11及び第2部材12は例えば平板状で形成されている。
The
図1に示すように、中間部材13にはアンカ部14と、前記アンカ部14に接続されるセンサ部15とを有して構成される。図1に示すように前記センサ部15は前記アンカ部14に直接接続された構成でもよいし、あるいは前記センサ部15とアンカ部14との間に薄い厚さで形成されたばね部等が介在する形態であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すようにアンカ部14に接続されたセンサ部15は、例えば静電容量式における一方の電極を構成している。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、第1部材11とアンカ部14との間には絶縁層16が介在している。絶縁層16は例えば酸化シリコンである。第1部材11、絶縁層16及び中間部材13にてSOI基板を構成することが出来る。
As shown in FIG. 1, an
また図1に示すように第2部材12の内側表面には絶縁層18が形成され、前記絶縁層18とアンカ部14との間に金属層17が形成されている。
As shown in FIG. 1, an
前記金属層17は、例えば、アンカ部14側に形成された第1金属層と、第2部材12側に形成された第2金属層とが共晶接合あるいは拡散接合されて成り、材料の組み合わせとしては、アルミニウム−ゲルマニウム、アルミニウム−亜鉛、金−シリコン、金−インジウム、金−ゲルマニウム、金−錫などがある。
The
また図示しない配線部が金属層17との接続位置から絶縁層18内部や表面に形成されており、MEMSセンサ10の外枠位置に、引き回された前記配線部と電気的に接続される電極パッドが露出して設けられている。この電極パッドから検出信号を取り出すことが出来る。
Further, a wiring portion (not shown) is formed in the
図1に示すように、絶縁層16及び金属層17はセンサ部15と対向する位置には形成されておらず、センサ部15と第1部材11間、及びセンサ部15と第2部材12間には空間が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
図1及び図4(アンカ部、絶縁層16及び金属層17の平面図であり、絶縁層16及び金属層17の形状を点線で示した)に示すように、絶縁層16の外周側面16a、及び、金属層17の外周側面17aは共にアンカ部14の外周側面14aよりも内側に後退している。
As shown in FIG. 1 and FIG. 4 (plan view of the anchor portion, the
図1,図4に示すように、絶縁層16の幅寸法はT1であり、金属層17の幅寸法はT2であり、アンカ部14の幅寸法はT3である。そして、アンカ部14の外周側面14aから見た前記絶縁層16の外周側面16aの後退量はT4である。ここで、図4では、各外周側面16aの後退量T4は、アンカ部14の各外周側面14aから略一定であるが、後退量T4が場所によって違うような場合、例えば、最大後退量と、最小後退量との平均値で後退量T4を示すことが出来る。
As shown in FIGS. 1 and 4, the width dimension of the insulating
図4に示すように、アンカ部14及び絶縁層16の平面形状は矩形状、特に図4では正方形で示されている。また金属層17の平面形状は円形状で形成されている。アンカ部14、絶縁層16及び金属層17の平面形状は図4に示すものに限定されない。
As shown in FIG. 4, the planar shape of the
また、幅寸法T1〜T3は例えば、次のようにして規定される。正方形で形成される場合、幅寸法は一辺の長さで規定される。また辺の長さが異なる長方形である場合、幅寸法は、短辺と長辺との平均で規定される。あるいは円形で形成される場合、幅寸法は直径で規定される。また楕円形で形成される場合、幅寸法は長軸と短軸との平均で規定される。これら以外の形状で形成される場合、例えば図4に示すX1−X2方向の長さ寸法と、X1−X2方向に直交するY1−Y2方向の長さ寸法との平均値で規定される。X1−X2方向及びY1−Y2方向はMEMSセンサ10の外形が矩形状であれば、各辺方向に倣う。または、図1のようにアンカ部14に接続されるセンサ部15の延出方向に向って切断したときに現れる断面形状にて、幅寸法T1〜T3を規定することも出来る。あるいは、長軸と短軸との平均で幅寸法T1〜T3を規定することが出来る。
Further, the width dimensions T1 to T3 are defined as follows, for example. When formed in a square, the width dimension is defined by the length of one side. In the case of rectangles having different side lengths, the width dimension is defined by the average of the short side and the long side. Alternatively, when formed in a circle, the width dimension is defined by the diameter. When formed in an elliptical shape, the width dimension is defined by the average of the major axis and the minor axis. When formed in a shape other than these, for example, it is defined by an average value of the length dimension in the X1-X2 direction shown in FIG. 4 and the length dimension in the Y1-Y2 direction orthogonal to the X1-X2 direction. The X1-X2 direction and the Y1-Y2 direction follow each side direction if the outer shape of the
本実施形態では、金属層17の幅寸法T2に対する絶縁層16の幅寸法T1の比(T1/T2)が、1.5以上で3.3以下の範囲内に規定されている。
In the present embodiment, the ratio (T1 / T2) of the width dimension T1 of the insulating
本実施形態では、図1に示すように、金属層17の外周側面17aをアンカ部14の外周側面14aから後退させ、金属層17の幅寸法T2を十分に小さいサイズで形成している。これにより、金属層17とアンカ部14及び金属層17と第2部材12との間で熱膨張差が大きくても熱応力に基づく歪みや変形を抑制できる。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the outer
さらに本実施形態では、上記のように比(T1/T2)を、3.3以下に設定した。これにより、製造工程や使用環境による部材間の熱歪みや曲げ応力等、第1部材11と第2部材12間に応力が加わったときに第1部材11側からアンカ部14に伝わる応力の分布と、第2部材12側からアンカ部14に伝わる応力の分布との差(応力の偏り)を小さくできる。したがってアンカ部14に応力が加わった場合でも、アンカ部14の変形を抑制できるためアンカ部14に接続されたセンサ部15の変位量を従来に比べて小さくすることができる。よって従来に比べて検出精度に優れたMEMSセンサ10にできる。なお変位量は、アンカ部14に加わる応力がゼロであると仮定した場合を基準状態とし、アンカ部14に応力が加わったときに、前記基準状態からのセンサ部15の最大撓み量にて規定できる。
Furthermore, in the present embodiment, the ratio (T1 / T2) is set to 3.3 or less as described above. Accordingly, the distribution of stress transmitted from the
また本実施形態では、比(T1/T2)を1.5以上に設定したことで、絶縁層16を介して接合される第1部材11とアンカ部14間の接合強度を十分に保つことが出来る。また、絶縁層16は例えばエッチングによりその周囲の不要な絶縁層を除去して成るものであるため、絶縁層16の形状や形成位置は、アンカ部14及びアンカ部14に接続されるセンサ部15の大きさや形状、形成場所、エッチング時間、エッチング環境等によりばらつきやすい。したがって絶縁層16の幅寸法T1をあまり小さく設定しすぎると、図4に示す平面視にて金属層17の全域が絶縁層16の領域内に包含されず、平面視にて、金属層17と絶縁層16とが互いにずれた位置に関係になりやすい。すると、第1部材11側及び第2部材12側からアンカ部14に加わる応力バランスが悪くなる。後述の実験に示すように比(T1/T2)を小さくすることでセンサ部15の変位量を小さくできるが、T1を小さくしすぎると逆にセンサ部15の変位量を効果的に小さくできなくなる。したがって平面視にて、金属層17の全域が絶縁層16の領域内に包含されるように製造マージンを考慮してT1/T2の下限値を1.5に設定した。
In the present embodiment, the ratio (T1 / T2) is set to 1.5 or more, so that the bonding strength between the
また、比(T1/T2)を1.5以上に設定したことで、共晶接合あるいは拡散接合を適切に行うことができる。すなわち、比(T1/T2)が大きくなると、それだけ絶縁層16の幅寸法T1と金属層17の幅寸法T2との幅寸法差が大きくなる。そして、金属層17を共晶接合あるいは拡散接合させる際に圧力を加えたとき、前記幅寸法差が大きければ、多少、各部材間のアライメントがずれても、前記圧力を金属層17に十分に加えることができ、安定した接合を行うことができる。よって良好な電気的接続を得ることができ、電気的に安定した接合構造を得ることが出来る。
Further, by setting the ratio (T1 / T2) to 1.5 or more, eutectic bonding or diffusion bonding can be appropriately performed. That is, as the ratio (T1 / T2) increases, the width dimension difference between the width dimension T1 of the insulating
また図2に示す第2実施形態及び図3に示す第3実施形態では、絶縁層16の外周側面16aが傾斜している。図2、図3においても図1と同様に、比(T1/T2)は1.5以上で3.3以下に規定されている。
In the second embodiment shown in FIG. 2 and the third embodiment shown in FIG. 3, the outer
図2に示す第2実施形態では、絶縁層16の幅寸法T1は、第1部材11との接合側にて規定される。そして前記絶縁層16の外周側面16aは、第1部材11側からアンカ部14に向うにしたがって徐々に絶縁層16の幅寸法が小さくなるように傾斜している。
In the second embodiment shown in FIG. 2, the width dimension T <b> 1 of the insulating
また図3に示す第3実施形態では、絶縁層16の幅寸法T1は、アンカ部14との接合側にて規定される。そして前記絶縁層16の外周側面16aは、アンカ部14側から第1部材11に向うにしたがって徐々に絶縁層16の幅寸法が小さくなるように傾斜している。
In the third embodiment shown in FIG. 3, the width dimension T <b> 1 of the insulating
図2,図3に示すように、絶縁層16の外周側面16aを傾斜面で形成することで、第1部材11側から絶縁層16を介してアンカ部14に加えられる応力を効果的に分散でき、より効果的にセンサ部15の変位量を小さくできることが後述する実験によりわかっている。
As shown in FIGS. 2 and 3, by forming the outer
また、アンカ部14の幅寸法T3に対する絶縁層16の後退量T4の比((T4/T3)×100(%))が、10%以上25%以下であることが好適である。特に、図2に示す実施形態において、比(T1/T2)を3.3以下にし且つ比((T4/T3)×100(%))を10%以上とすることで、図1、図3の実施形態に比べて、より効果的にセンサ部15の変位量を小さくできることが後述する実験よりわかっている。なお、第1部材11とアンカ部14間の接合強度を考慮して、比((T4/T3)×100(%))の上限値を25%に設定した。
Moreover, it is preferable that the ratio ((T4 / T3) × 100 (%)) of the retraction amount T4 of the insulating
具体的数値を例示する。絶縁層16の幅寸法T1は、15〜75μm程度である。金属層17の幅寸法T2は、10〜40μm程度である。またアンカ部14の幅寸法T3は、30〜80μm程度である。また、後退量T4は、1〜10μm程度である。
Specific numerical values will be exemplified. The width dimension T1 of the insulating
図1ないし図3に示す本実施形態の構造は、図5や図6に示すMEMSセンサに適用される。 The structure of this embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is applied to the MEMS sensor shown in FIGS.
図5(a)はMEMSセンサ(加速度センサ)の平面図、図5(b)は、図5(a)のB−B線から切断し矢印方向から見たMEMSセンサの縦断面図、である。なお図5(a)の平面図は、第1部材11を透視して示した。
FIG. 5A is a plan view of the MEMS sensor (acceleration sensor), and FIG. 5B is a longitudinal sectional view of the MEMS sensor taken along the line BB in FIG. 5A and viewed from the arrow direction. . The plan view of FIG. 5A shows the
図5に示すMEMSセンサは、例えば、X方向が長辺でY方向が短辺の長方形状である。 The MEMS sensor shown in FIG. 5 has, for example, a rectangular shape with long sides in the X direction and short sides in the Y direction.
図5(a)に示すように、中間部材13には、周囲領域に枠体層21が形成されており、前記枠体層21の内部がセンサ部の形成領域となっている。図5(a)では枠体層21を斜線で示している。
As shown in FIG. 5A, the
図5(a)に示すように、中間部材13には前記枠体層21の内側にセンサ部の外形を規定する第1の穴26と第2の穴27および第3の穴28が形成されており、それぞれの穴26,27,28は、枠体層21を厚さ方向に貫通している。
As shown in FIG. 5A, the
第1部材11と枠体層21との対面部では、枠状の絶縁層16が形成されている。
図5(a)(b)に示すように、枠体層21と第2部材12の対向面に形成された絶縁層18との間では金属層17により、センサ部の周囲を封止している。
A frame-shaped insulating
As shown in FIGS. 5A and 5B, the periphery of the sensor unit is sealed by the
図5(a)に示すように各穴26,27,28の内部が、センサ部36,37,38となっている。
As shown in FIG. 5A, the insides of the
そして、図5(a)(b)に示すように、各穴26,27,28内には複数のアンカ部14が形成されており、アンカ部14に接続されて各センサ部36,37,38が形成されている。
5 (a) and 5 (b), a plurality of
例えば図5に示すMEMSセンサは、第1のセンサ部36に設けられた第1の可動部41の動作により、第1部材11の基板面と直交する向きのZ方向の加速度を検知できる。可動部41は、ばね部や梁部を介してY1−Y2方向に対向する各アンカ部14,14に接続されている。またX1−X2方向に対向する各アンカ部14,14からは固定部51,53が延出形成されている。可動部41と固定部51,53とが対向する部分は櫛歯状電極構造となっており、可動部41がZ方向に移動したときに静電容量が変化することで、可動部41の移動量や加速度を検知することが出来る。また、第2のセンサ部37に設けられた第2の可動部42の動作により、第1部材11の基板面と平行なY方向の加速度を検知でき、第3のセンサ部38に設けられた第3の可動部43の動作によりZ方向とY方向に直交するX方向の加速度を検知できる。
For example, the MEMS sensor shown in FIG. 5 can detect the acceleration in the Z direction in the direction orthogonal to the substrate surface of the
図6、図7に示すMEMSセンサは、第1の可動部60と第2の可動部61とが高さ方向であって互いに逆方向に移動するようにアンカ部14を介して支持された構造である。
The MEMS sensor shown in FIGS. 6 and 7 has a structure in which the first
なお図6、図7では、中間部材13のみを図示し、その上下に位置する第1部材11、第2部材12、絶縁層16及び金属層17を省略したが、図1ないし図3で説明した条件により、図6,図7に示す中間部材13と第1部材11及び第2部材12とが絶縁層16及び金属層17を介して接合されている。
6 and 7, only the
図8には、図2、図3に示すように、絶縁層16の外周側面16aを傾斜面で形成するときの製造方法を示す。
FIG. 8 shows a manufacturing method when the outer
図8(a)に示す工程では、シリコンで形成された第1部材11の表面11aを熱酸化して第1部材11の表面11aに第1絶縁層(SiO2)71を形成する。一方、シリコンで形成された中間部材13の表面13aを自然酸化させて中間部材13の表面13aに第2絶縁層(SiOx)72を形成する。これにより第1部材11には密な膜である第1絶縁層71が形成され、中間部材13には疎な膜である第2絶縁層72が形成される。
8A, the surface 11a of the
次に図8(b)の工程では、第1部材11と中間部材13とを接合する。例えば第1部材11と中間部材13間を、フュージョン接合、常温接合できる。
Next, in the step of FIG. 8B, the
次に図8(c)の工程では、第1部材11及び中間部材13の外形をエッチングや研磨工程で整える。図8(c)に示すように、中間部材13にはアンカ部14及びセンサ部15等を形成する。
Next, in the process of FIG. 8C, the outer shapes of the
次に図8(d)の工程では、第1部材11と中間部材13間のうち、アンカ部14と第1部材11との間に絶縁層16が介在し、それ以外の領域が空間となるように、第1絶縁層71及び第2絶縁層72をウエットエッチングやドライエッチングによる等方性エッチングにて除去する。このとき、センサ部15と第1部材11間に介在する第1絶縁層71及び第2絶縁層72がエッチングされやすいようにセンサ部15には微細孔が多数設けられ、微細孔を通してエッチング液やガスがセンサ部15と第1部材11間の第1絶縁層71及び第2絶縁層72にまで到達できるようになっている。
Next, in the step of FIG. 8D, the insulating
例えばHFガスを用いて選択的に第1絶縁層71及び第2絶縁層72をエッチングする。このとき、密な膜である第1絶縁層71のエッチングレートは疎な膜である第2絶縁層72のエッチングレートに比べて遅いため、第1絶縁層71と第2絶縁層72とが一様にエッチングされず図8(d)に示すように、絶縁層16の外周側面16aが傾斜面に形成される。図8(d)では、密な膜である第1絶縁層71が第1部材11側に、疎な膜である第2絶縁層72がアンカ部14側に設けられているので、図8(d)に示すように外周側面16aは、絶縁層16の幅寸法T1が、第1部材11側からアンカ部14にかけて徐々に小さくなる傾斜面となっている。したがって第1絶縁層71を疎な膜で、第2絶縁層72を密な膜で形成すれば図8(d)とは外周側面16aの傾斜方向を逆向きに形成出来る。
For example, the first insulating
なお本実施形態におけるMEMSセンサは加速度センサ、ジャイロセンサ、衝撃センサ等の物理量センサに好ましく適用される。またセンサ部検出原理も静電容量式に限定されるものではない。 Note that the MEMS sensor in this embodiment is preferably applied to a physical quantity sensor such as an acceleration sensor, a gyro sensor, or an impact sensor. Also, the sensor unit detection principle is not limited to the capacitance type.
図9(a)はシミュレーション実験におけるMEMSセンサの実験用サンプルの縦断面図である。 FIG. 9A is a longitudinal sectional view of an experimental sample of the MEMS sensor in the simulation experiment.
図9(a)に示すように、第1部材81と第2部材82との間に中間部材83を介在させ、第1部材81、第2部材82及び中間部材83をいずれもシリコンで形成した。図9(a)に示すように、中間部材83を、アンカ部83aと、アンカ部83aから一体となって一方向に延出する変位検出部83bとで構成した。
As shown in FIG. 9A, an
また図9(a)に示すようにアンカ部83aと第1部材81との間にSiO2からなる絶縁層84を介在させて、アンカ部83aと第1部材81間を接合した。
Further, as shown in FIG. 9A, the
また図9(a)に示すように、第2部材82の内側表面にはSiO2から成る絶縁層86が設けられ、絶縁層86とアンカ部83aとの間にAlから成る金属層85を介在させ、アンカ部83aと第2部材82間を接合した。
Further, as shown in FIG. 9A, an insulating
ここで、シリコンのヤング率は178.00GPa、ポアソン比は0.170、Alのヤング率は70.30GPa、ポアソン比は0.350、SiO2のヤング率は71.00GPa、ポアソン比は0.300であった。 Here, the Young's modulus of silicon is 178.00 GPa, the Poisson's ratio is 0.170, the Young's modulus of Al is 70.30 GPa, the Poisson's ratio is 0.350, the Young's modulus of SiO 2 is 71.00 GPa, and the Poisson's ratio is 0.00. 300.
また第1部材81の厚さ寸法H1は100μmで、第2部材82の厚さ寸法H2は100μmで、中間部材83の厚さ寸法H3は20μmであった。また、絶縁層84の厚さ寸法H4は1.5μmで、金属層85の厚さ寸法H5は0.5μmであった。
The thickness dimension H1 of the
実験では、金属層85の幅寸法T2(直径)を20μmに固定し、前記絶縁層84の幅寸法T1(一辺の長さ)を55〜70μmの範囲内で変化させてなる複数の実験用サンプルを用意した。なお各実験用サンプルでは、金属層85の中心と絶縁層84の中心とを厚み方向に一致させている。そして、各実験用サンプルに対して、第1部材81側からアンカ部83a方向に向けて、第2部材82側からアンカ部83a方向に向けて夫々10MPaの圧力を加えた。
In the experiment, a plurality of experimental samples obtained by fixing the width dimension T2 (diameter) of the
そして上記のように圧力を加えることで図9(b)に示すように変位検出部83bが変位したときの変位量Lを測定した。なお図9(b)では、視覚的にわかりやすくするため変位検出部83bの変位量を実験より得られた寸法比に比べて大きく図示した。一方向に延びる変位検出部83bの長さ寸法を280μmに設定した。また変位量Lは図9(a)に示すように応力が加わっていない基準状態から、図9(b)のように応力が加わったときの変位検出部83bの最大撓み量で規定した。
And the displacement amount L when the
図10は、T1/T2と変位量Lとの関係を示すグラフである。図10に示すようにT1/T2が大きくなると徐々に変位量Lが大きくなっていくが、T1/T2が3.3付近になると変位量Lの傾きが緩やかになり始めることがわかった。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between T1 / T2 and the displacement L. As shown in FIG. 10, the displacement amount L gradually increases as T1 / T2 increases, but it has been found that the gradient of the displacement amount L begins to become gentle when T1 / T2 approaches 3.3.
そこで本実施例ではT1/T2を3.3以下に設定した。なお好ましくはT1/T2を3.00以下に設定した。図10に示すようにT1/T2は小さいほど変位量Lを小さくできて好適である。しかしながらT1/T2が小さくなるほど絶縁層84の幅寸法T1が小さくなっていき、第1部材81とアンカ部83a間の接合強度が低下する。また、絶縁層84はエッチングによりその周囲の不要な絶縁層を除去して成るものであるため、絶縁層84の形状や形成位置は、アンカ部83a及びアンカ部83aに接続されるセンサ部の大きさや形状、形成場所、エッチング時間、エッチング環境等によりばらつきやすい。したがって絶縁層84の幅寸法T1をあまり小さくしすぎると、平面視にて金属層85の全域が絶縁層84の領域内に包含されず、前記金属層85と前記絶縁層84とが互いにずれて配置されやすい。すると、アンカ部83aの上下面から加わる応力バランスが悪くなり、変位量Lを効果的に小さくすることができない。したがってT1/T2の下限値を1.5に設定した。
Therefore, in this embodiment, T1 / T2 is set to 3.3 or less. Preferably, T1 / T2 is set to 3.00 or less. As shown in FIG. 10, the smaller T1 / T2, the smaller the displacement amount L, which is preferable. However, as T1 / T2 decreases, the width dimension T1 of the insulating
また、比(T1/T2)を1.5以上に設定したことで、共晶接合あるいは拡散接合を適切に行うことができる。すなわち、比(T1/T2)が大きくなると、それだけ絶縁層16の幅寸法T1と金属層17の幅寸法T2との幅寸法差が大きくなる。そして、金属層17を共晶接合あるいは拡散接合させる際に圧力を加えたとき、前記幅寸法差が大きければ、多少、各部材間のアライメントがずれても、前記圧力を金属層17に十分に加えることができ、安定した接合を行うことができる。よって良好な電気的接続を得ることができ、電気的に安定した接合構造を得ることが出来る。
Further, by setting the ratio (T1 / T2) to 1.5 or more, eutectic bonding or diffusion bonding can be appropriately performed. That is, as the ratio (T1 / T2) increases, the width dimension difference between the width dimension T1 of the insulating
次にアンカ部83aの幅寸法T3を、20μmに統一し、後退量T4を変化させて、アンカ部83aの幅寸法T3に対する絶縁層84の外周側面84aの後退量T4の比((T4/T3)×100(%))と、変位検出部83bの変位量Lとの関係を測定した。その実験結果が図11に示されている。図11に示すように比((T4/T3)×100(%))が10%以上になると変位量Lを効果的に小さくできることがわかった。なお比((T4/T3)×100(%))は15%以上であることがより好ましい。
Next, the width dimension T3 of the
続いて図12(a)(b)に示すように、第1部材81とアンカ部83aとの間に介在する絶縁層84の外周側面84aを傾斜面に形成した。図12(a)では、第1部材81側からアンカ部83aに向うにしたがって徐々に絶縁層84の幅寸法が広がるように外周側面84aを傾斜させ、図12(b)では、第1部材81側からアンカ部83aに向うにしたがって徐々に絶縁層84の幅寸法が小さくなるように外周側面84aを傾斜させた。図12(a)(b)の双方において、金属層85の幅寸法T2と対比される絶縁層84の幅寸法T1を幅広側で規定する。また実験では、絶縁層84の外周側面84aの傾斜寸法(削り込み量)T6を4μmに統一した。そのほかの寸法については図9(a)と同様とした。
Subsequently, as shown in FIGS. 12A and 12B, the outer
図13は、図9(a)に示す実施例1、図12(a)に示す実施例2、及び図12(b)に示す実施例3における比(T1/T2)と変位量Lとの関係を示すグラフである。 FIG. 13 shows the ratio (T1 / T2) and displacement amount L in Example 1 shown in FIG. 9A, Example 2 shown in FIG. 12A, and Example 3 shown in FIG. It is a graph which shows a relationship.
図13に示すように、いずれの実施例も比(T1/T2)を3.3以下に設定すると変位量Lを効果的に小さくできることがわかった。また、絶縁層84の外周側面84aを傾斜させた実施例2及び実施例3では実施例1に比べて同じ比(T1/T2)でも変位量Lを効果的に小さくできることがわかった。このように絶縁層84に傾斜を設けることで変位量Lを小さくできるのは、傾斜を設けた分、絶縁層84を更に削り込んでいることと、傾斜によりアンカ部83aに加わる応力をより効果的に分散できるためであると考えられる。
As shown in FIG. 13, it was found that the displacement amount L can be effectively reduced when the ratio (T1 / T2) is set to 3.3 or less in any of the examples. In addition, it was found that the displacement amount L can be effectively reduced even in the same ratio (T1 / T2) in Example 2 and Example 3 in which the outer
また図14は、実施例1、実施例2及び実施例3における比((T4/T3)×100(%))と変位量Lとの関係を示すグラフである。 FIG. 14 is a graph showing the relationship between the ratio ((T4 / T3) × 100 (%)) and the displacement L in Example 1, Example 2, and Example 3.
図14に示すように、どの実施例においても比((T4/T3)×100(%))を10%以上に設定することで変位量Lを効果的に小さくできることがわかった。 As shown in FIG. 14, it was found that the displacement amount L can be effectively reduced by setting the ratio ((T4 / T3) × 100 (%)) to 10% or more in any of the examples.
また、図13,図14に示すように、絶縁層84の外周側面84aを傾斜面とした実施例2と実施例3のうち、第1部材81側で幅寸法T1を規定し、幅寸法を第1部材81側からアンカ部83aに向けて徐々に小さくした絶縁層84を備える実施例3のほうが変位量Lをより効果的に小さくできることがわかった。よって、実施例3の形態において、比(T1/T2)を3.3以下に設定し且つ比((T4/T3)×100(%))を10%以上に設定すれば、より効果的に変位量Lを小さくできることがわかった。
Further, as shown in FIGS. 13 and 14, in Example 2 and Example 3 in which the outer
図15(a)は、第1部材の内側表面に熱酸化(1000℃程度で熱酸化)による密な膜である絶縁層(SiO2)を形成し、中間部材の内側表面に自然酸化による疎な膜である絶縁層(SiOX)を形成し、HFガスを用いて不要な絶縁層を除去したときに残された絶縁層の断面写真である。図15(b)は、図15(a)と異なって疎な膜を形成せずに熱酸化による絶縁層を第1部材と中間部材間に介在させ、HFガスを用いて不要な絶縁層を除去したときに残された絶縁層の断面写真である。図15(c)は、図15(a)の膜構成と逆であり、すなわち第1部材の内側表面に自然酸化による疎な膜である絶縁層を形成し、中間部材の内側表面に熱酸化による密な膜である絶縁層を形成し、HFガスを用いて不要な絶縁層を除去したときに残された絶縁層の断面写真である。 FIG. 15A shows an insulating layer (SiO 2 ), which is a dense film formed by thermal oxidation (thermal oxidation at about 1000 ° C.) on the inner surface of the first member, and is loosened by natural oxidation on the inner surface of the intermediate member. forming a film in which an insulating layer (SiO X), a cross-sectional photograph of the remaining insulating layer when removing the unnecessary insulating layer using HF gas. FIG. 15B differs from FIG. 15A in that an insulating layer formed by thermal oxidation is interposed between the first member and the intermediate member without forming a sparse film, and an unnecessary insulating layer is formed using HF gas. It is a cross-sectional photograph of the insulating layer left when removed. FIG. 15C is the reverse of the film configuration of FIG. 15A, that is, an insulating layer that is a sparse film formed by natural oxidation is formed on the inner surface of the first member, and thermal oxidation is performed on the inner surface of the intermediate member. 4 is a cross-sectional photograph of an insulating layer left when an insulating layer which is a dense film is formed and an unnecessary insulating layer is removed using HF gas.
図15(b)での絶縁層の外周側面は略垂直面であるが、図15(a)(c)では、絶縁層の外周側面が傾斜面となった。上記したように疎な膜と密な膜によるエッチングレート差を使用することで絶縁層の外周側面を簡単且つ適切に傾斜面に形成できることがわかった。 The outer peripheral side surface of the insulating layer in FIG. 15B is a substantially vertical surface, but in FIGS. 15A and 15C, the outer peripheral side surface of the insulating layer is an inclined surface. As described above, it was found that the outer peripheral side surface of the insulating layer can be formed on the inclined surface easily and appropriately by using the etching rate difference between the sparse film and the dense film.
10 MEMSセンサ
11、81 第1部材
12、82 第2部材
13、83 中間部材
14、83a アンカ部
14a (アンカ部の)外周側面
15、36、37、38 センサ部
16、18、84、86 絶縁層
16a (絶縁層の)外周側面
17、85 金属層
17a (金属層の)外周側面
21 枠体層
71 第1絶縁層
72 第2絶縁層
83b 変位検出部
10
Claims (4)
前記金属層の外周側面は前記アンカ部の外周側面よりも内側に後退しており、
前記絶縁層の幅寸法をT1、前記金属層の幅寸法をT2としたとき、T1/T2は、1.5以上で3.3以下の範囲内であることを特徴とするMEMSセンサ。 A first member, a second member, an intermediate member positioned between the first member and the second member, an anchor portion formed on the intermediate member, and a sensor portion connected to the anchor portion; An insulating layer interposed between the first member and the anchor portion, and a metal layer interposed between the second member and the anchor portion,
The outer peripheral side surface of the metal layer is receding inward from the outer peripheral side surface of the anchor part,
The MEMS sensor according to claim 1, wherein T1 / T2 is in a range of 1.5 to 3.3, where T1 is a width dimension of the insulating layer and T2 is a width dimension of the metal layer.
(T4 / T3) × 100 (%) is 10% or more and 25%, where T3 is the width dimension of the anchor portion and T4 is the receding amount of the outer peripheral side surface of the insulating layer from the outer peripheral side surface of the anchor portion. The MEMS sensor according to any one of claims 1 to 3, which is defined within the following range.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012181030A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-20 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | Capacitance type acceleration sensor |
| WO2013008263A1 (en) * | 2011-07-08 | 2013-01-17 | 株式会社日立製作所 | Physical quantity sensor and physical quantity detection method |
| JP2013250125A (en) * | 2012-05-31 | 2013-12-12 | Alps Electric Co Ltd | Mems sensor |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008229833A (en) * | 2007-02-22 | 2008-10-02 | Denso Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2009033091A (en) * | 2007-07-02 | 2009-02-12 | Denso Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| WO2010032821A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-25 | アルプス電気株式会社 | Mems sensor |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008229833A (en) * | 2007-02-22 | 2008-10-02 | Denso Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| JP2009033091A (en) * | 2007-07-02 | 2009-02-12 | Denso Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| WO2010032821A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-25 | アルプス電気株式会社 | Mems sensor |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012181030A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-20 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | Capacitance type acceleration sensor |
| WO2013008263A1 (en) * | 2011-07-08 | 2013-01-17 | 株式会社日立製作所 | Physical quantity sensor and physical quantity detection method |
| JPWO2013008263A1 (en) * | 2011-07-08 | 2015-02-23 | 株式会社日立製作所 | Physical quantity sensor and physical quantity detection method |
| JP2013250125A (en) * | 2012-05-31 | 2013-12-12 | Alps Electric Co Ltd | Mems sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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