專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS(micro electro mechanical system))，尤其涉及 可有效適用于如下MEMS的技術(shù)，該MEMS是用于測(cè)量車(chē)輛、飛機(jī)、機(jī)器人、移動(dòng)電話、攝像機(jī) 等運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的加速度傳感器、角速度傳感器等慣性傳感器、濾波器、時(shí)鐘產(chǎn)生用振 子等結(jié)構(gòu)體的固有振動(dòng)頻率對(duì)性能施加影響的MEMS。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，以數(shù)字照相機(jī)的防抖、汽車(chē)或機(jī)器人的姿勢(shì)控制為目的，使用了 MEMS的 傳感器被廣泛應(yīng)用。通常，這種MEMS是采用光刻技術(shù)或蝕刻技術(shù)對(duì)硅襯底等半導(dǎo)體襯底進(jìn)行加工而 形成，包括半導(dǎo)體襯底、向預(yù)定方向位移的可動(dòng)體、將該可動(dòng)體與半導(dǎo)體襯底連接的多個(gè) 梁。并且，MEMS基于可動(dòng)體的位移來(lái)檢測(cè)角速度、加速度等物理量。日本專(zhuān)利第3669713號(hào)(專(zhuān)利文獻(xiàn)1)中記載了角速度傳感器的一例。該角速度傳 感器在振動(dòng)體(可動(dòng)體)的周?chē)O(shè)置使振動(dòng)體振動(dòng)的振動(dòng)發(fā)生單元，并設(shè)置將振動(dòng)體在與 振動(dòng)方向正交的方向上發(fā)生位移時(shí)的位移量作為角速度而檢測(cè)的角速度檢測(cè)單元。此時(shí)， 振動(dòng)體經(jīng)由作為彈簧起作用的梁而固定在半導(dǎo)體襯底上，通過(guò)如此構(gòu)成，振動(dòng)體能夠振動(dòng)。在日本特開(kāi)平9-292409號(hào)公報(bào)(專(zhuān)利文獻(xiàn)2)中記載了加速度傳感器的一例。該 加速度傳感器具有如下結(jié)構(gòu)為了使可動(dòng)體向一定方向位移，經(jīng)由作為彈簧起作用的梁將 可動(dòng)體固定在半導(dǎo)體襯底上，可動(dòng)體根據(jù)所施加的加速度而進(jìn)行位移。并且，設(shè)有將可動(dòng)體 的位移量作為加速度來(lái)檢測(cè)的加速度檢測(cè)單元。上述專(zhuān)利文獻(xiàn)1記載的角速度傳感器和專(zhuān)利文獻(xiàn)2記載的加速度傳感器被稱(chēng)為傳 感器元件。即，將形成有角速度傳感器、加速度傳感器等的MEMS的半導(dǎo)體芯片稱(chēng)為傳感器 元件。實(shí)際的傳感器通常是需要使用粘接材料將傳感器元件安裝到封裝體主體，并用導(dǎo)線 將形成于封裝體上的電極與傳感器元件連接，使得從設(shè)于封裝體的電極取出信號(hào)。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本專(zhuān)利第3669713號(hào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本特開(kāi)平9-292409號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
在上述的角速度傳感器中，將相互正交的三個(gè)軸設(shè)為χ軸、y軸、ζ軸，首先，利用振 動(dòng)發(fā)生單元使振動(dòng)體在相對(duì)于與半導(dǎo)體襯底平行的X軸方向以頻率f、振幅Xe進(jìn)行振動(dòng)。 此時(shí)，振動(dòng)體的Χ軸方向的位移Χ和其速度ν關(guān)系如下式(1)所示。X = Xesin (2 π ft)ν = 2 π fXecos(2 π ft)— (1)在此，f表示頻率，Xe表示振幅，t表示時(shí)間。在該狀態(tài)下若自外部施加繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的角速度Ω，則產(chǎn)生式(2)所示的柯氏力Fe，振動(dòng)體由于該柯氏力Fc而向與χ軸正交的y軸方向發(fā)生位移。并且，利用角速度檢測(cè) 單元將因該柯氏力Fc產(chǎn)生的振動(dòng)體的y軸方向位移例如作為靜電電容或電阻的變化來(lái)檢 測(cè)，從而檢測(cè)角速度。Fc = 2m Ω ν(2)在此，m表示振動(dòng)體的質(zhì)量，Ω表示角速度，ν表示振動(dòng)體的χ軸方向的速度。進(jìn)而，在角速度傳感器中，在振動(dòng)體在χ軸方向振動(dòng)時(shí)的頻率f總是共振狀態(tài)時(shí)、 即在以振動(dòng)體的固有振動(dòng)頻率f。進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，能夠檢測(cè)到振動(dòng)體穩(wěn)定地向y軸方向的位 移。通常，振動(dòng)體的固有振動(dòng)頻率f。以下式(3)定義。
f0=l/ (2π) (k/m)· · · (3)在此，k表示梁的彈簧常數(shù)，m表示振動(dòng)體的質(zhì)量。角速度檢測(cè)靈敏度由S(Q) =Fc/Ω定義時(shí)，則角速度檢測(cè)靈敏度S(Q)可根據(jù) 式(1)、式(2)、式(3)如式(4)那樣求出。因此，可知角速度檢測(cè)靈敏度由S(Q)與固有振 動(dòng)頻率f。、振動(dòng)體的質(zhì)量m和振幅Xe成正比。S(Q) = Fc/Ω oc fo、m、xe…⑷接著，上述的加速度傳感器，在對(duì)該加速度傳感器施加了加速度al時(shí)，可動(dòng)體上 產(chǎn)生的力Fl如下式(5)所示。Fl = mlXal = klXxl在此，ml表示可動(dòng)體的質(zhì)量，al表示施加于可動(dòng)體的加速度，kl表示梁的彈簧常 數(shù)，Xl表示可動(dòng)體的位移量。并且，根據(jù)式(5)設(shè)加速度檢測(cè)靈敏度Sl =xl/al，將其與固有振動(dòng)頻率的定義式 即式(3)關(guān)聯(lián)，則可知加速度檢測(cè)靈敏度Sl如式(6)所示那樣取決于可動(dòng)體的固有振動(dòng)頻 率η。Sl = xl/al = ml/kl = 1/(2 π fo)2…(6)但是，通常，將傳感器元件粘接到封裝體主體上時(shí)，由于伴隨粘接材料的固化而產(chǎn) 生的體積變形，會(huì)產(chǎn)生從粘接材料向傳感器元件的應(yīng)力。由于該傳感器元件上產(chǎn)生的應(yīng)力， 存在傳感器元件(可動(dòng)體、振動(dòng)體)的固有振動(dòng)頻率f。會(huì)發(fā)生變化這一問(wèn)題點(diǎn)。而且，在 傳感器元件的周?chē)鷾囟劝l(fā)生變化時(shí)，由于構(gòu)成傳感器元件的材料的熱膨脹系數(shù)之差會(huì)產(chǎn)生 應(yīng)力，存在傳感器元件(可動(dòng)體、振動(dòng)體)的固有振動(dòng)頻率f。會(huì)發(fā)生變化這一問(wèn)題點(diǎn)。這 樣的固有振動(dòng)頻率f。的變動(dòng)在角速度傳感器、加速度傳感器中引起檢測(cè)靈敏度的變動(dòng)，結(jié) 果導(dǎo)致角速度傳感器、加速度傳感器的測(cè)量精度下降。本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)抑制因應(yīng)力引起的MEMS的固有振動(dòng)頻率的變 動(dòng)，從而能夠抑制因MEMS的檢測(cè)靈敏度的變動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量精度下降的技術(shù)。本發(fā)明的上述及其他目的和新特征，將通過(guò)本說(shuō)明書(shū)的記載和附圖而得以明確。簡(jiǎn)要說(shuō)明本申請(qǐng)公開(kāi)的發(fā)明中的代表性技術(shù)方案的概要，如下所示。作為代表性實(shí)施方式的微機(jī)電系統(tǒng)，在第一半導(dǎo)體芯片上形成有(a)第一固定 部、(b) —端與上述第一固定部連接且能夠彈性變形的第一梁、(c)第二固定部、(d) —端與 上述第二固定部連接且能夠彈性變形的第二梁、(e)與上述第一梁的另一端及上述第二梁 的另一端連接的能夠位移的可動(dòng)體。此時(shí)，在上述第一固定部和上述第二固定部由于上述第一半導(dǎo)體芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力而向同一方向位移的情況下，上述第一梁的彈簧常數(shù)比上述 第一固定部不發(fā)生位移時(shí)增加，上述第二梁的彈簧常數(shù)比上述第二固定部不發(fā)生位移時(shí)減 少。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明根據(jù)本申請(qǐng)所公開(kāi)的發(fā)明中具有代表性的技術(shù)方案所得到的效果。能夠抑制MEMS的測(cè)量精度下降，從而能夠提高M(jìn)EMS的可靠性。


圖1是表示本發(fā)明人研究的角速度傳感器的傳感器元件的構(gòu)成的俯視圖。圖2是表示本發(fā)明人研究的角速度傳感器的傳感器元件上作用拉伸應(yīng)力時(shí)的狀 態(tài)的圖。圖3是在本發(fā)明人研究的技術(shù)中表示半導(dǎo)體襯底的y方向的位置和各個(gè)位置下作 用的應(yīng)力的圖表。圖4是表示本實(shí)施方式1的加速度傳感器的傳感器元件的構(gòu)成的俯視圖。圖5是圖4的沿A-A線剖切的剖視圖。圖6是圖4的沿B-B線剖切的剖視圖。圖7是表示將實(shí)施方式1的加速度傳感器的傳感器元件封裝后的狀態(tài)的剖視圖。圖8是示意表示實(shí)施方式1的加速度傳感器的加速度檢測(cè)構(gòu)成的框圖。圖9是表示在半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生變形的狀態(tài)的剖視圖。圖10是表示在實(shí)施方式1的加速度傳感器的傳感器元件上作用拉伸應(yīng)力時(shí)的狀 態(tài)的圖。圖11是在實(shí)施方式1說(shuō)明的技術(shù)中表示半導(dǎo)體襯底的y方向的位置和各個(gè)位置 下作用的應(yīng)力的圖表。圖12是表示本實(shí)施方式2的加速度傳感器的傳感器元件的構(gòu)成的圖。圖13是圖12的形成有梁的區(qū)域的放大圖。圖14是在圖13所示的梁中表示固定部發(fā)生了位移時(shí)作用的拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力 的圖。圖15是表示實(shí)施方式3的加速度傳感器的傳感器元件的構(gòu)成的圖。標(biāo)記說(shuō)明1傳感器元件2半導(dǎo)體襯底2a埋入絕緣層3a固定部3b固定部3c固定部3d固定部4a 梁4b 梁4c 梁4d 梁
5可動(dòng)體
6固定電極
7a焊盤(pán)
7b焊盤(pán)
10外框體
IOa焊盤(pán)
11粘接材料
12半導(dǎo)體芯片
1 焊盤(pán)
1 焊盤(pán)
13粘接材料
Ha導(dǎo)線
14b導(dǎo)線
15蓋構(gòu)件
20集成電路
21載波
22CV轉(zhuǎn)換部
23同步檢波部
24加速度信號(hào)
30a固定部
30b固定部
30c固定部
30d固定部
31a折回部
31b折回部
31c折回部
31d折回部
32a梁
3 梁
32c梁
32d梁
35a固定部
35b固定部
36a梁
37c梁
37d梁
40a固定部
40b固定部
100傳感器元件
101半導(dǎo)體襯底
102a固定部
102b固定部
103梁
104振動(dòng)體
105梁
106振動(dòng)體
具體實(shí)施例方式在以下的實(shí)施方式中，有時(shí)為了便于說(shuō)明而將其分割為多個(gè)部分或?qū)嵤┓绞絹?lái)進(jìn) 行說(shuō)明，但除了特別明示的情況之外，這些部分或?qū)嵤┓绞讲⒎窍嗷o(wú)關(guān)，而是存在一方是 另一方的一部分或全部的變形例、詳細(xì)描述、補(bǔ)充說(shuō)明等關(guān)系。在以下的實(shí)施方式中，提及要素的數(shù)量等(包括個(gè)數(shù)、數(shù)值、量、范圍等)時(shí)，除了 特別明示的情況以及原理上明確限定為特定數(shù)的情況等，均不限定于該特定數(shù)，也可以是 特定數(shù)以上或以下。另外，在以下的實(shí)施方式中，其構(gòu)成要素(包括要素步驟等)，除了特別明示的情 況以及原理上明確認(rèn)為是必須的情況等，當(dāng)然不是必須。同樣，在以下的實(shí)施方式中，提及構(gòu)成要素等的形狀、位置關(guān)系等時(shí)，除了特別明 示的情況以及原理上明確認(rèn)為不是那樣的情況等，也包括實(shí)質(zhì)上與其形狀等近似或類(lèi)似的 情況等。關(guān)于這點(diǎn)，對(duì)于上述數(shù)值及范圍也是同樣。另外，在用于說(shuō)明實(shí)施方式的所有附圖中，原則上對(duì)同樣構(gòu)件標(biāo)注相同附圖標(biāo)記， 省略其重復(fù)說(shuō)明。為了便于理解附圖，有時(shí)對(duì)于俯視圖也標(biāo)注陰影線。實(shí)施例1首先，以本發(fā)明人所研究的角速度傳感器為例，說(shuō)明固有振動(dòng)頻率變化的機(jī)理。圖 1是表示本發(fā)明人研究的角速度傳感器的傳感器元件100的構(gòu)成的俯視圖。如圖1所示，在 矩形形狀的半導(dǎo)體襯底101上形成有固定部10加、102b，振動(dòng)體104經(jīng)由梁103與該固定 部102a、102b連接。梁103構(gòu)成為可彈性變形，與該梁103連接的振動(dòng)體104能夠在χ軸 方向振動(dòng)。振動(dòng)體104構(gòu)成外框體，在該外框體的內(nèi)部經(jīng)由梁105形成振動(dòng)體106。該振動(dòng) 體106被構(gòu)成為能夠在y軸方向發(fā)生位移。本發(fā)明人所研究的角速度傳感器的傳感器元件如上述那樣構(gòu)成，以下簡(jiǎn)單說(shuō)明其 動(dòng)作。首先，使圖1所示的振動(dòng)體104在χ軸方向振動(dòng)。此時(shí)，在振動(dòng)體104的內(nèi)部經(jīng)由梁 105配置的振動(dòng)體106也在χ軸方向振動(dòng)。在該狀態(tài)下，當(dāng)作用繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的角速度時(shí)，由 于柯氏力，配置在振動(dòng)體104內(nèi)部的振動(dòng)體106在y軸方向發(fā)生位移。振動(dòng)體106的y軸 方向的位移與繞ζ軸產(chǎn)生的角速度的大小成正比，因此通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)體106的y軸方向的位移，能夠檢測(cè)繞ζ軸的角速度。例如，由于振動(dòng)體106的y軸方向的位移，由固定電極和 振動(dòng)體106形成的靜電電容發(fā)生變化，因此通過(guò)將該靜電電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，能 夠檢測(cè)振動(dòng)體106的y軸方向的位移量。換言之，通過(guò)將振動(dòng)體106的y軸方向的位移作 為靜電電容的變化來(lái)檢測(cè)，能夠測(cè)量繞ζ軸產(chǎn)生的角速度。以上這樣的傳感器元件100安裝到封裝體上而成為角速度傳感器。此時(shí)，傳感器 元件100借助粘接材料而粘接到封裝體上，由于伴隨粘接材料的固化導(dǎo)致的體積變形等， 在傳感器元件100產(chǎn)生應(yīng)力。例如如圖2所示，對(duì)于構(gòu)成傳感器元件100的半導(dǎo)體襯底101， 產(chǎn)生了 y方向的拉伸應(yīng)力時(shí)，半導(dǎo)體襯底101發(fā)生變形向y方向延伸。此時(shí)，由于固定部 102aU02b固定在半導(dǎo)體襯底101上，因此當(dāng)半導(dǎo)體襯底101向y方向延伸時(shí)，隨之固定部 102aU02b也發(fā)生位移。另一方面，由于振動(dòng)體104不固定在半導(dǎo)體襯底101上，因此即使 半導(dǎo)體襯底101上產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，振動(dòng)體104也不發(fā)生位移。因此，在連接固定部102a、 102b和振動(dòng)體104的梁103作用拉伸應(yīng)力。S卩，與梁103的一端連接的固定部102a、102b發(fā) 生移位，而與梁103的另一端連接的振動(dòng)體104不發(fā)生位移，因此梁103伴隨固定部102a、 102b的位移而被拉伸。結(jié)果，在梁103產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當(dāng)在梁103作用拉伸應(yīng)力時(shí)，梁103 的彈簧常數(shù)增加，因此傳感器元件100的固有振動(dòng)頻率也增加。在此，振動(dòng)體104與固定部102a、固定部102b連接，但在半導(dǎo)體襯底101的y方向 作用拉伸應(yīng)力時(shí)，將固定部10 和振動(dòng)體104連接的梁103、將固定部102b和振動(dòng)體104 連接的梁103這兩方也作用拉伸應(yīng)力。參照?qǐng)D3說(shuō)明該情況。圖3是表示半導(dǎo)體襯底101 的y方向的位置與在各位置作用的應(yīng)力的圖表。在圖3中，橫軸表示y方向的位置，縱軸表 示應(yīng)力。可知，在半導(dǎo)體襯底101作用應(yīng)力時(shí)，以y方向的中心位置(C)為界，應(yīng)力的作用 方向相反。例如，在固定部10 所位于的71處，向-y方向作用應(yīng)力σ，而在固定部102b 所位于的72處，向+y方向作用應(yīng)力σ。因此，可知，當(dāng)在半導(dǎo)體襯底101作用拉伸應(yīng)力時(shí)， 應(yīng)力的作用使得固定部10 和固定部102b —起向外側(cè)發(fā)生位移。另一方面，如圖2所示， 振動(dòng)體104在y方向上配置在固定部10 與固定部102b之間，并以自半導(dǎo)體襯底101浮 起的狀態(tài)配置，因此不會(huì)發(fā)生位移。由此，當(dāng)在半導(dǎo)體襯底101上作用拉伸應(yīng)力時(shí)，固定部 10 和固定部102b均以離開(kāi)振動(dòng)體104的方式進(jìn)行位移。結(jié)果，在設(shè)于固定部10 與振 動(dòng)體104之間的梁103、設(shè)于固定部102b與振動(dòng)體104之間的梁103上均作用拉伸應(yīng)力。 因此，在與振動(dòng)體104連接的所有梁103上作用拉伸應(yīng)力，作為整個(gè)傳感器元件100來(lái)看， 梁103的彈簧常數(shù)增加，傳感器元件100的固有振動(dòng)頻率增加地發(fā)生變化。當(dāng)然，粘接材料和半導(dǎo)體襯底101的熱膨脹系數(shù)通常是不同的，因此伴隨周?chē)鷾?度的變化，施加于半導(dǎo)體襯底101的應(yīng)力發(fā)生變化。因此，周?chē)臏囟茸兓渤蔀閭鞲衅髟?件的固有振動(dòng)頻率發(fā)生變動(dòng)的因素。而且，對(duì)于粘接材料的機(jī)械常數(shù)隨時(shí)間而變化的情況， 也同樣是固有振動(dòng)頻率發(fā)生變動(dòng)的因素。尤其是最近由于要低成本化，用塑料樹(shù)脂模制傳感器元件的情況較多。通常作為 塑料樹(shù)脂，為了其成形工藝的便利，多使用熱固化性樹(shù)脂，在成形時(shí)體積變化較大，產(chǎn)生變 形，因此，傳感器元件的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)表現(xiàn)更顯著。關(guān)于上述的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)，對(duì)因傳感器元件100和封裝體的粘接引起的因 素進(jìn)行了說(shuō)明，但傳感器元件100單獨(dú)也存在固有振動(dòng)頻率變動(dòng)的因素。在傳感器元件100的制作中經(jīng)常使用的SOI (Silicon On Insulator)襯底由襯底層、形成在該襯底層上的埋入絕緣層、形成在埋入絕緣層上的硅層構(gòu)成。在由該SOI襯底形 成傳感器元件100時(shí)，對(duì)硅層加工形成固定部10加、102b，構(gòu)成固定部l(^a、102b的硅層隔 著埋入絕緣層固定于襯底層。另一方面，梁103和振動(dòng)體104也是對(duì)硅層加工而形成，為使 其能夠可動(dòng)，位于構(gòu)成梁103和振動(dòng)體104的硅層的下層的埋入絕緣層被除去，成為從襯底 層浮起的狀態(tài)。在這樣構(gòu)成的SOI襯底上，由硅形成襯底層和硅層，埋入絕緣層由氧化硅膜形成。 硅和氧化硅膜的熱膨脹系數(shù)不同，因此當(dāng)周?chē)鷾囟劝l(fā)生變化時(shí)，硅層自埋入絕緣層受到應(yīng) 力。因此，固定部l(^a、102b由于受到來(lái)自埋入絕緣層的應(yīng)力而位置變動(dòng)。另一方面，振動(dòng) 體104由于從襯底層浮起而不發(fā)生變形。結(jié)果，將振動(dòng)體104和固定部102a、102b連接的 梁103受到拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力。因此，梁103的彈簧常數(shù)發(fā)生變化，傳感器元件100的固 有振動(dòng)頻率發(fā)生變動(dòng)。如上所述，可知，由于由傳感器元件100與封裝體的粘接、或者傳感器元件100單 獨(dú)的結(jié)構(gòu)而引起的應(yīng)力，固有振動(dòng)頻率發(fā)生變動(dòng)。傳感器元件100的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng) 引起角速度傳感器、加速度傳感器中的檢測(cè)靈敏度的變動(dòng)，由此導(dǎo)致測(cè)量精度下降、可靠性 降低的問(wèn)題。因此，在本實(shí)施例1中，提出抑制傳感器元件的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)的結(jié)構(gòu)。以下 參照

本實(shí)施方式1的MEMS。在本實(shí)施例1中，作為MEMS的一例，以加速度傳感器 為例進(jìn)行說(shuō)明。圖4是表示本實(shí)施例1中的加速度傳感器的傳感器元件的俯視圖。如圖4所示， 加速度傳感器的傳感器元件(第一半導(dǎo)體芯片)1具有矩形形狀的半導(dǎo)體襯底2，在該半導(dǎo) 體襯底2上形成有固定部3a、北、3c、3d和可動(dòng)體5。固定部3a、3b、3c、3d固定在半導(dǎo)體襯 底2上，而可動(dòng)體5被構(gòu)成為能夠位移。具體而言，固定部3a和可動(dòng)體5由可彈性變形的 梁如連接，同樣，固定部北和可動(dòng)體5由可彈性變形的梁4b連接，固定部3c和可動(dòng)體5 由可彈性變形的梁4c連接，固定部3d和可動(dòng)體5由可彈性變形的梁4d連接。S卩，可動(dòng)體 5分別經(jīng)由梁如 4d與固定部3a 3d連接。如此構(gòu)成的可動(dòng)體5能夠在χ方向位移。在半導(dǎo)體襯底2上還形成有固定電極6，由該固定電極6和可動(dòng)體5構(gòu)成靜電電容 元件。即，固定電極6和可動(dòng)體5由導(dǎo)電材料構(gòu)成，固定電極6和可動(dòng)體5構(gòu)成一對(duì)電極。 在固定部3a和固定電極6上形成有用于與外部電路進(jìn)行信號(hào)交換的焊盤(pán)(pad) 7a、7b。圖5是圖4的沿A-A線剖切的剖視圖。如圖5所示，傳感器元件1例如是通過(guò)利用 光刻技術(shù)或DRIE(De印Reactive Ion Kching)技術(shù)對(duì)SOI襯底進(jìn)行加工而形成。SOI襯底 包括由單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底(襯底層)2、由氧化硅膜構(gòu)成的埋入絕緣層(BOX層)2a、 形成于埋入絕緣層加之上且由單晶硅構(gòu)成的硅層(活性層)。具體而言，如圖5所示，對(duì)硅 層進(jìn)行加工而形成固定電極6、可動(dòng)體5和固定部北。此時(shí)，固定電極6和固定部北隔著 埋入絕緣層加固定于半導(dǎo)體襯底2。在固定電極6上形成有焊盤(pán)7b。另一方面，在對(duì)硅層 進(jìn)行加工而形成的可動(dòng)體5，除去下層的埋入絕緣層2a，可動(dòng)體5被配置成從半導(dǎo)體襯底2 浮起，而能夠動(dòng)作。圖6是圖4的沿B-B線剖切的剖視圖。如圖6所示，對(duì)SOI襯底的硅層進(jìn)行加工 而形成固定部3a、3b、3c、3d、梁4a、4b、4c、4d、可動(dòng)體5及固定電極6。固定部3a,3b,3c,3d 和固定電極6隔著埋入絕緣層加固定于半導(dǎo)體襯底2。相對(duì)于此，在梁如、仙、如、4(1和可動(dòng)體5除去下層的埋入絕緣層加。由此，梁^、4b、k、4d和可動(dòng)體5成為從半導(dǎo)體襯底2 浮起的結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行位移。此時(shí)，梁^、4b、k、4d的一端與固定部3a、北、3c、3d連接，另 一端與可動(dòng)體5連接。因此，可動(dòng)體5成為從半導(dǎo)體襯底2浮起的結(jié)構(gòu)，但由梁如、仙、如、 4d支承。在本實(shí)施例1中，使用SOI襯底形成傳感器元件1，但也未必一定使用SOI襯底。 例如，也可以使用例如如下這樣的半導(dǎo)體襯底來(lái)形成傳感器元件1，即，該半導(dǎo)體襯底是在 將硅和玻璃貼合而成的襯底或具有襯底層作用的硅襯底上形成具有BOX層作用的絕緣膜， 并形成具有活性層作用的多晶硅膜等導(dǎo)電性膜而成的。本實(shí)施例1的加速度傳感器的傳感器元件1如上述那樣構(gòu)成，以下，說(shuō)明將傳感器 元件1封裝后的構(gòu)成。圖7是表示將傳感器元件1封裝后的狀態(tài)的剖視圖。如圖7所示， 隔著粘接材料11將形成有集成電路的半導(dǎo)體芯片(第二半導(dǎo)體芯片)12裝載到具有凹部 的外框體10的底面上，在該半導(dǎo)體芯片12上隔著粘接材料13而裝載傳感器元件(第一半 導(dǎo)體芯片)1。并且，例如通過(guò)使用導(dǎo)線14b將形成在傳感器元件1的固定電極6上的焊盤(pán) 7b和形成在半導(dǎo)體芯片12上的焊盤(pán)1 連接。同樣，用導(dǎo)線1 將形成在半導(dǎo)體芯片12 上的焊盤(pán)12b與形成在外框體10上的焊盤(pán)IOa連接。由此，將傳感器元件1和形成在半導(dǎo) 體芯片12上的集成電路電連接，并且能夠?qū)?lái)自形成在半導(dǎo)體芯片12上的集成電路的輸 出信號(hào)自外框體10輸出到外部。如此，配置在外框體10內(nèi)部的傳感器元件1及半導(dǎo)體芯 片12被設(shè)于外框體10上部的蓋構(gòu)件15密封。如此，能夠?qū)鞲衅髟?封裝，能夠形成 加速度傳感器。接著，說(shuō)明本實(shí)施例1的加速度傳感器的動(dòng)作。在本實(shí)施例1中，主要圖4所示的 可動(dòng)體5的質(zhì)量為上述式(5)的ml，圖4所示的梁^、4b、k、4d的彈簧常數(shù)總計(jì)為式(5) 的kl。在此，當(dāng)對(duì)加速度傳感器(圖4所示的傳感器元件1)的檢測(cè)方向(χ方向)施加加 速度al時(shí)，可動(dòng)體5在檢測(cè)方向發(fā)生位移。其位移量根據(jù)上述的式( 求出為Xl = (ml/ kl) Xal。當(dāng)發(fā)生位移Xl時(shí)，可動(dòng)體5與固定電極6之間的距離發(fā)生變動(dòng)，可動(dòng)體5與左側(cè) 的固定電極6(參照?qǐng)D4)的靜電電容、可動(dòng)體5與右側(cè)的固定電極6(參照?qǐng)D4)的靜電電 容分別向減少的方向和增加的方向變化。例如，可動(dòng)體5向圖4的右側(cè)方向發(fā)生位移時(shí)，由 于可動(dòng)體5與左側(cè)的固定電極6之間的距離變大，因此靜電電容減少，由于可動(dòng)體5與右側(cè) 的固定電極6之間的距離變小，因此靜電電容增加。該電容的變化自圖7所示的傳感器元件1輸出到形成在圖7所示的傳感器控制、 信號(hào)處理用IC即半導(dǎo)體芯片12上的集成電路并進(jìn)行處理。具體而言，如圖8所示，將用于 檢測(cè)靜電電容的載波21從形成于半導(dǎo)體芯片12(參照?qǐng)D7)上的集成電路20施加到圖4 所示的固定電極6的焊盤(pán)7b上。于是，從經(jīng)由梁如連接于圖4所示的可動(dòng)體5上的固定 部3a的焊盤(pán)7a輸出電容變化的信號(hào)。即，如圖8所示，來(lái)自傳感器元件1的電容變化的信 號(hào)被差動(dòng)輸入到CV轉(zhuǎn)換部22。在CV轉(zhuǎn)換部22，電容變化被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，該電壓信 號(hào)被輸出到同步檢波部23。在同步檢波部23僅取出必要的信號(hào)成分，最終以電壓形式輸出 加速度信號(hào)對(duì)。此時(shí)，若可動(dòng)體5的質(zhì)量m和梁4a、4b、4c、4d的彈簧常數(shù)的總計(jì)k恒定，則 可動(dòng)體5的位移量Xl與被施加的加速度成正比，因此通過(guò)監(jiān)視與位移量Xl成正比的輸出 電壓(加速度信號(hào))，能夠檢測(cè)所施加的加速度。如此，本實(shí)施例1的加速度傳感器進(jìn)行動(dòng) 作。
接著，說(shuō)明在本實(shí)施例1中做成抑制傳感器元件1的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)的結(jié)構(gòu)。 圖9是表示在傳感器元件1的封裝中借助粘接材料13連接傳感器元件1和半導(dǎo)體芯片12 的構(gòu)成的圖。首先，粘接材料13以低粘性的狀態(tài)涂敷于半導(dǎo)體芯片12與傳感器元件1之 間。然后，通過(guò)對(duì)該粘接材料13進(jìn)行加熱使其固化，將傳感器元件1與半導(dǎo)體芯片12粘接 固定。但是，在粘接材料13的加熱固化時(shí)為了降低粘接材料13的粘度而使用的有機(jī)溶劑 進(jìn)行揮發(fā)，因此粘接材料13的體積發(fā)生變化，由于其影響，形成傳感器元件1的半導(dǎo)體襯底 2發(fā)生變形(第一因素)。而且，傳感器元件1例如由SOI襯底構(gòu)成，但在該SOI襯底上由硅形成襯底層和硅 層，由氧化硅膜形成埋入絕緣層。由于硅和氧化硅膜的熱膨脹系數(shù)不同，因此當(dāng)周?chē)鷾囟劝l(fā) 生變化時(shí)，硅層受到來(lái)自埋入絕緣層的應(yīng)力。即，由于構(gòu)成SOI襯底的構(gòu)成要素(襯底層、 埋入絕緣層、硅層)的熱膨脹系數(shù)的差異，構(gòu)成傳感器元件1的半導(dǎo)體襯底2發(fā)生變形(第 二因素)。由于包括上述第一因素和第二因素的因素，如圖9所示，半導(dǎo)體襯底2發(fā)生變形。 當(dāng)在半導(dǎo)體襯底2上產(chǎn)生如圖9所示的變形時(shí)，固定于半導(dǎo)體襯底2上的固定部3a 3d 發(fā)生位移。具體而言，形成于半導(dǎo)體襯底2周邊附近的固定部3a和固定部3c位移了距離 d2，形成于半導(dǎo)體襯底2中央部附近的固定部北和固定部3d位移了距離dl。此時(shí)，距離 d2大于距離dl。當(dāng)半導(dǎo)體襯底2這樣變形時(shí)，固定部3a 3d發(fā)生位移，結(jié)果，對(duì)與固定部 3a 3d連接的梁如 4d作用應(yīng)力。使用圖10說(shuō)明對(duì)該梁^ 4d作用的應(yīng)力。圖10是表示在圖9所示的半導(dǎo)體襯 底2產(chǎn)生了變形時(shí)作用于梁如 4d的應(yīng)力的圖。在圖10中，首先，由于半導(dǎo)體襯底2的 變形，固定部3a 3d在半導(dǎo)體襯底2的y方向上向外側(cè)方向發(fā)生位移。換言之，固定部3a 和固定部北向紙面上方(_y方向)發(fā)生位移，固定部3c和固定部3d向紙面下方(+y方 向)發(fā)生位移。此時(shí)，可動(dòng)體5以從半導(dǎo)體襯底2浮起的狀態(tài)配置，因此不受半導(dǎo)體襯底2 的變形的影響，不發(fā)生位移。因此，例如考慮到固定部3a和可動(dòng)體5的關(guān)系，固定部3a向紙 面上方(_y方向)發(fā)生位移，且可動(dòng)體5不發(fā)生位移，因此，固定部3a與可動(dòng)體5之間的距 離變大。因此，在連接固定部3a和可動(dòng)體5的梁如上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力(+01)，梁如的彈簧 常數(shù)增加。相對(duì)于此，例如考慮到固定部北和可動(dòng)體5的關(guān)系，固定部北向紙面上方(_y 方向)發(fā)生位移，且可動(dòng)體5不發(fā)生位移，因此，固定部北與可動(dòng)體5之間的距離變小。因 此，在連接固定部北和可動(dòng)體5的梁4b上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力(-ο 2)，梁4b的彈簧常數(shù)減少。由此，考慮到組合梁如和梁4b而成的彈簧系統(tǒng)，通過(guò)由于作用于梁如的拉伸應(yīng) 力引起的彈簧常數(shù)的增加、和由于作用于梁4b的壓縮應(yīng)力引起的彈簧常數(shù)的減少相互抵 消，能夠抑制組合梁如和梁4b而成的彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。這一點(diǎn)是本實(shí)施例1 的特征之一。換言之，雖然在各個(gè)梁4a、4b上引起了彈簧常數(shù)的變動(dòng)，但考慮組合梁如和 梁4b而成的彈簧系統(tǒng)，能夠減少?gòu)椈沙?shù)的變動(dòng)。這點(diǎn)在連接固定部3c與可動(dòng)體5的梁如、連接固定部3d與可動(dòng)體5的梁4d之間 也成立。即，考慮到固定部3c和可動(dòng)體5的關(guān)系，固定部3c向紙面下方(+y方向)發(fā)生位 移，且可動(dòng)體5不發(fā)生位移，因此，固定部3c與可動(dòng)體5之間的距離變大。因此，在連接固 定部3c和可動(dòng)體5的梁如上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力(+O1),梁如的彈簧常數(shù)增加。相對(duì)于此，例 如考慮到固定部3d和可動(dòng)體5的關(guān)系，固定部3d向紙面下方(+y方向)發(fā)生位移，且可動(dòng)體5不發(fā)生位移，因此，固定部3d與可動(dòng)體5之間的距離變小。因此，在連接固定部3d和 可動(dòng)體5的梁4d上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力(-ο 2)，梁4d的彈簧常數(shù)減少。由此，考慮到組合梁如和梁4d而成的彈簧系統(tǒng)，通過(guò)由于作用于梁如的拉伸應(yīng) 力引起的彈簧常數(shù)的增加、和由于作用于梁4d的壓縮應(yīng)力引起的彈簧常數(shù)的減少相互抵 消，能夠抑制組合梁4c和梁4d而成的彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。在本實(shí)施例1的傳感器元件1中，具有兩個(gè)組合梁如和梁4b而成的第一彈簧系 統(tǒng)，且具有兩個(gè)組合梁4c和梁4d而成的第二彈簧系統(tǒng)，能夠利用第一彈簧系統(tǒng)和第二彈 簧系統(tǒng)分別降低彈簧常數(shù)的變動(dòng)，結(jié)果，能夠抑制傳感器元件1的連接可動(dòng)體5和固定部 3a 3d的所有梁如 4d組合而成的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。能夠抑制傳感器元件1的總計(jì)彈 簧常數(shù)的變動(dòng)，意味著能夠抑制傳感器元件1的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)。由此，根據(jù)本實(shí)施例 1，能夠抑制傳感器元件1的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)，能夠抑制角速度傳感器、加速度傳感器 的檢測(cè)靈敏度的變動(dòng)，由此能夠防止測(cè)量精度下降、可靠性降低。本實(shí)施例1的特征點(diǎn)在于改進(jìn)連接可動(dòng)體和固定部的彈簧系統(tǒng)。例如，由連接可 動(dòng)體5和固定部3a的梁4a、和連接可動(dòng)體5和固定部北的梁4b構(gòu)成一個(gè)彈簧系統(tǒng)。此 時(shí)，梁如的彈簧常數(shù)增加，而梁4b的彈簧常數(shù)減少，因此組合梁如和梁4b而成的一個(gè)彈 簧系統(tǒng)中，能夠通過(guò)抵消來(lái)減少?gòu)椈沙?shù)的變動(dòng)。例如通過(guò)相對(duì)于傳感器元件(第一半導(dǎo)體芯片)1的中心線將固定部3^梁如、固 定部北及梁4b配置在同一側(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)可抵消彈簧常數(shù)變動(dòng)的構(gòu)成。此時(shí)，例如在半導(dǎo)體 襯底2的變形產(chǎn)生在y軸方向時(shí)，作為傳感器元件1的中心線可以是穿過(guò)y方向的中心(C) 且沿χ軸方向(可動(dòng)體5的位移方向)延伸的直線。并且，在該情況下，梁如和梁4b配置 在與中心線交叉的方向上。以該構(gòu)成為前提，進(jìn)一步最重要的構(gòu)成是與梁如和梁4b連接 的可動(dòng)體5的連接部配置成被梁如和梁4b夾著。換言之，也可以說(shuō)是做成梁如和梁4b 配置在與梁如和梁4b連接的可動(dòng)體5的連接部的相反側(cè)的構(gòu)成。例如，通過(guò)將固定部3a和固定部北配置在中心線的同一側(cè)，從而能夠使固定部3a 和固定部北向同一方向(紙面上方，_y方向)發(fā)生位移。在該狀態(tài)下，通過(guò)以?shī)A在固定部 3a和固定部3b之間的方式設(shè)置可動(dòng)體5的連接部，從而能夠?qū)B接固定部3a和可動(dòng)體5 的梁如作用拉伸應(yīng)力，相反地對(duì)連接固定部北和可動(dòng)體5的梁4b作用壓縮應(yīng)力。因此， 梁如的彈簧常數(shù)增加，梁4b的彈簧常數(shù)減少。從而，能夠抑制組合梁如和梁4b而成的彈 簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。圖11是表示在本實(shí)施例1的傳感器元件1中半導(dǎo)體襯底2的y方向的位置和各個(gè) 位置下作用的應(yīng)力的圖表。在圖11中，橫軸表示y方向的位置，縱軸表示應(yīng)力?？芍?，在半 導(dǎo)體襯底2作用拉伸應(yīng)力時(shí)，以y方向的中心位置(C)為界，應(yīng)力的作用方向相反。因此， 可知為了在構(gòu)成一個(gè)彈簧系統(tǒng)的固定部3a和固定部北產(chǎn)生同一方向的應(yīng)力，需要在相對(duì) 于y方向的中心位置(C)的同一側(cè)配置固定部3a和固定部北。例如，在圖11中，yla表示 固定部3a的配置位置，ylb表示固定部北的配置位置。因此，可知固定部3a和固定部北相 對(duì)于y方向的中心位置(C)配置在同一側(cè)。在該狀態(tài)下，通過(guò)以?shī)A在固定部3a和固定部北 之間的方式設(shè)置可動(dòng)體5的連接部，從而能夠?qū)B接固定部3a和可動(dòng)體5的梁如作用拉 伸應(yīng)力，相反地對(duì)連接固定部北和可動(dòng)體5的梁4b作用壓縮應(yīng)力。但是，作用于梁4a (也 可稱(chēng)為作用于固定部3a)的應(yīng)力(O1)與作用于梁4b (也可稱(chēng)為作用于固定部北)的應(yīng)力(σ 2)的大小不同，因此，不能完全抵消作用于梁如的拉伸應(yīng)力和作用于梁4b的壓縮應(yīng)力， 但確定至少能使組合梁如和梁4b而成的彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)變少。同樣，可知為了在構(gòu)成一個(gè)彈簧系統(tǒng)的固定部3c和固定部3d產(chǎn)生同一方向的應(yīng) 力，需要在相對(duì)于y方向的中心位置(C)的同一側(cè)配置固定部3c和固定部3d。例如，在圖 11中，^a表示固定部3c的配置位置，表示固定部3d的配置位置。因此，可知固定部3c 和固定部3d相對(duì)于y方向的中心位置(C)配置在同一側(cè)。在該狀態(tài)下，通過(guò)以?shī)A在固定部 3c和固定部3d之間的方式設(shè)置可動(dòng)體5的連接部，從而能夠?qū)B接固定部3c和可動(dòng)體5 的梁4c作用拉伸應(yīng)力，相反地對(duì)連接固定部3d和可動(dòng)體5的梁4d作用壓縮應(yīng)力。但是， 作用于梁4c (也可稱(chēng)為作用于固定部3c)的應(yīng)力(Q1)與作用于梁4d(也可稱(chēng)為作用于固 定部3d)的應(yīng)力(O2)的大小不同，因此，不能完全抵消作用于梁如的拉伸應(yīng)力和作用于 梁4d的壓縮應(yīng)力，但確定至少能使組合梁如和梁4d而成的彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)變 少。如圖10所示，在本實(shí)施例1的傳感器元件1中，可以構(gòu)成為例如如梁如和梁4b 那樣配置在一直線上，也可以構(gòu)成為例如如梁4c和梁4d那樣不配置在一直線上。在任一 構(gòu)成中，均能夠增加一個(gè)梁的彈簧常數(shù)而減少另一個(gè)梁的彈簧常數(shù)。因此，不僅能夠抑制配 置在一直線上的梁如和梁4b組合而成的彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)，也能抑制不配置在 一直線上的梁4c和梁4d組合而成的彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。本實(shí)施例1中的微機(jī)電系統(tǒng)的特征在于，在包括固定于襯底上的固定部、在該固 定部延伸設(shè)置且將可動(dòng)體支承為可動(dòng)的狀態(tài)的梁、懸架在梁上的可動(dòng)體的MEMS中，將固定 部和梁作為一個(gè)彈簧系統(tǒng)時(shí)，具有兩個(gè)以上的彈簧系統(tǒng)，構(gòu)成為在各個(gè)固定部因襯底的變 形等而發(fā)生了位置變動(dòng)時(shí)彈簧常數(shù)增加的第一彈簧系統(tǒng)、和彈簧常數(shù)減少的第二彈簧系 統(tǒng)。由此，在組合第一彈簧系統(tǒng)和第二彈簧系統(tǒng)而成的一個(gè)彈簧組中，能夠抑制彈簧常數(shù)的 變動(dòng)?？蓜?dòng)體的固有振動(dòng)頻率是可動(dòng)體的質(zhì)量、和將可動(dòng)體懸架于襯底上的梁的彈簧常 數(shù)的函數(shù)。在此，若假定沒(méi)有異物附著等的情況，可忽略可動(dòng)體的質(zhì)量隨著溫度、經(jīng)過(guò)時(shí)間 而發(fā)生的變動(dòng)，因此固有振動(dòng)頻率成為僅是梁的彈簧常數(shù)的函數(shù)。因此，即使在由于溫度、 經(jīng)過(guò)時(shí)間等周邊環(huán)境的變化，襯底或可動(dòng)體發(fā)生了變形時(shí)，只要振動(dòng)系統(tǒng)(彈簧系統(tǒng))整體 的彈簧常數(shù)不發(fā)生變動(dòng)，固有振動(dòng)頻率就不會(huì)變動(dòng)。因此，通過(guò)采用本實(shí)施例1的技術(shù)思 想，能夠提供一種在固有振動(dòng)頻率影響結(jié)構(gòu)性能的角速度傳感器、加速度傳感器、濾波器、 振子等中，不受安裝變形、溫度變動(dòng)等周邊環(huán)境變動(dòng)影響地穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而且，在將第一彈簧系統(tǒng)和第二彈簧系統(tǒng)作為一個(gè)彈簧組時(shí)，具有如下特征從驅(qū) 動(dòng)軸的中心來(lái)看，一個(gè)彈簧組位于與驅(qū)動(dòng)軸中心正交方向的同一側(cè)，從各個(gè)固定部來(lái)看，具 有向相反方向延伸的梁，在以驅(qū)動(dòng)軸為中心對(duì)稱(chēng)的相反側(cè)也構(gòu)成相同結(jié)構(gòu)。在此，從驅(qū)動(dòng)軸 的中心看去，第一彈簧系統(tǒng)和第二彈簧系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)地配置在同一側(cè)，因此，在襯底或可動(dòng)體因 安裝變形、溫度變動(dòng)等而發(fā)生了變形時(shí)，位于各彈簧系統(tǒng)的各固定部向相同方向發(fā)生位移。 因此，例如在第一彈簧系統(tǒng)上產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力時(shí)，在第二彈簧系統(tǒng)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，結(jié)果是在 由第一彈簧系統(tǒng)和第二彈簧系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)彈簧組內(nèi)能夠抑制彈簧常數(shù)的變動(dòng)。實(shí)施例2在本實(shí)施例2中，對(duì)在半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生了應(yīng)力時(shí)能夠進(jìn)一步抑制傳感器元件整體的彈簧常數(shù)的變動(dòng)的例子進(jìn)行說(shuō)明。圖12是表示本實(shí)施方式2的加速度傳感器的傳感器元件1的俯視圖。在圖12中， 本實(shí)施方式2的傳感器元件1的特征在于例如在連接固定部30a和可動(dòng)體5的梁3 上設(shè) 置折回部31a。同樣，在連接固定部30b和可動(dòng)體5的梁32b上設(shè)置折回部31b。由此，能夠 使配置于相對(duì)于可動(dòng)體5的連接部對(duì)稱(chēng)的位置處的固定部30a和固定部30b的距離減小。 即，梁3 在梁32a的一端與梁32a的另一端之間具有折回部31a，梁32b在梁32b的一端 與梁32b的另一端之間具有折回部31b。對(duì)這樣使固定部30a和固定部30b接近的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。例如參照?qǐng)D11可知，當(dāng) 相對(duì)于y軸的中心(C)位于同一側(cè)時(shí)，產(chǎn)生同一方向的應(yīng)力，設(shè)固定部30a的位置為yla，設(shè) 固定部30b的位置為ylb，則若固定部30a的位置yla和固定部30b的位置ylb相分離，應(yīng)力 大小差異較大。此時(shí)，在本實(shí)施方式2中，對(duì)連接于固定部30a的梁3 作用壓縮應(yīng)力，對(duì) 連接于固定部30b的梁32b作用拉伸應(yīng)力。因此，能夠使梁3 處的彈簧常數(shù)的減少與梁 32b處的彈簧常數(shù)的增加相抵消，能夠抑制組合梁32a的彈簧系統(tǒng)和梁32b的彈簧系統(tǒng)而 成的彈簧組中的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。但是，固定部30a和固定部30b的距離大時(shí)，則作用于梁 32a的壓縮應(yīng)力的大小與作用于梁32b的拉伸應(yīng)力的大小相差較大，因此不能完全抵消壓 縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。即，理想狀況是作用于梁32a的壓縮應(yīng)力的大小與作用于梁32b的拉 伸應(yīng)力的大小相等。為此，參照?qǐng)D11可知，優(yōu)選是減小固定部30a和固定部30b的距離。在此，在本實(shí)施例2中，如圖12所示，減小固定部30a和固定部30b之間的距離。 為了減小固定部30a和固定部30b之間的距離，需要改進(jìn)梁3 和梁32b的配置，例如通過(guò) 在梁3 上設(shè)置折回部31a來(lái)實(shí)現(xiàn)。以上的構(gòu)成適用于構(gòu)成傳感器元件1的所有固定部和 梁。例如，可以在連接固定部30c和可動(dòng)體5的梁32c上設(shè)置折回部31c。同樣，在連接固 定部30d和可動(dòng)體5的梁32d上設(shè)置折回部31d。這樣在本實(shí)施例2中的傳感器元件1中，通過(guò)在梁3 32d設(shè)置折回部31a 31d，從而使固定部30a和固定部30b或固定部30c和固定部30d接近。這是由于在固定部 之間距離較大時(shí)各固定部的位置變動(dòng)量不同，因此發(fā)生在梁上的內(nèi)部應(yīng)力的大小也不同。 即，在固定部之間的距離較大時(shí)，例如在組合梁3 的彈簧系統(tǒng)和梁32b的彈簧系統(tǒng)而成的 彈簧組中的彈簧常數(shù)不能完全被抵消而殘留一部分。因此，在本實(shí)施方式2中，通過(guò)折回 梁，將固定部配置在盡量接近的位置。此時(shí)，例如固定部30a和固定部30b之間的距離小于 折回部31a和折回部31b之間的距離。在本實(shí)施例2的傳感器元件1中，特征在于縮小第一彈簧系統(tǒng)的固定部與第二彈 簧系統(tǒng)的固定部之間的間隔。因安裝變形、溫度變動(dòng)而使襯底具有一定曲率地變形為凹凸 的形狀。隨之各固定部的位移量與曲率半徑成反比、且與距離驅(qū)動(dòng)中心的距離成正比地變 大。因此，在第一彈簧系統(tǒng)的固定部和第二彈簧系統(tǒng)的固定部分離開(kāi)的情況下，各個(gè)固定部 的位移量有差異，彈簧常數(shù)的變動(dòng)量的絕對(duì)值也有差異。因此，在本實(shí)施例2中，盡可能地 縮小第一彈簧系統(tǒng)的固定部與第二彈簧系統(tǒng)的固定部的間隔，因此能夠使第一彈簧系統(tǒng)與 第二彈簧系統(tǒng)上產(chǎn)生的彈簧常數(shù)的變動(dòng)量的絕對(duì)值大致相等。由此，能夠更有效地抑制固 有振動(dòng)頻率的變動(dòng)。在此，通過(guò)將第一彈簧系統(tǒng)和第二彈簧系統(tǒng)的梁都折回，來(lái)縮小固定部彼此之間 的間隔。即，通過(guò)折回第一彈簧系統(tǒng)的梁和第二彈簧系統(tǒng)的梁而能夠容易縮小固定部彼此之間的間隔。接著，說(shuō)明本實(shí)施例2的變形例。在圖12所示的本實(shí)施例2中，表示設(shè)置例如2 個(gè)固定部30a，在兩個(gè)固定部30a之間形成梁3 的例子。相對(duì)于此，在本變形例中，對(duì)設(shè)置 例如一個(gè)固定部30a，以包圍一個(gè)固定部30a的方式設(shè)置多根梁的例子進(jìn)行說(shuō)明。圖13是放大表示連接可動(dòng)部5和固定部35a的梁36a 36d的形成區(qū)域和連接 可動(dòng)部5和固定部35b的梁37a 37d的形成區(qū)域的圖。如圖13所示，由梁36a 36d這 四根梁進(jìn)行可動(dòng)部5和固定部3 的連接，同樣，由梁37a 37d這四根梁進(jìn)行可動(dòng)部5和 固定部35b的連接。在此，外側(cè)的兩根梁36a、36d連接于可動(dòng)體5，內(nèi)側(cè)的兩根梁36b、36c 連接于固定部35a。并且，梁36a 36d通過(guò)折回部31a而相互連接。在圖13中，兩根梁 36b,36c與固定部3 連接，但也未必一定是兩根，也可以是一根或多根。如圖13所示，由多根梁36a 36d將可動(dòng)部5和固定部3 連接，因此即使在由 于半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生變形使固定部3 發(fā)生了位置變動(dòng)時(shí)，梁36a 36d本身難以發(fā)生旋 轉(zhuǎn)，因此能夠更有效地抵消彈簧常數(shù)的變動(dòng)。圖14表示在圖13所說(shuō)明的梁結(jié)構(gòu)中發(fā)生了襯底變形、固定部35a、35b向遠(yuǎn)離驅(qū) 動(dòng)中心的方向發(fā)生位置變動(dòng)(d)時(shí)的示意圖。如圖14所示，由于固定部35a、35b的位置變 動(dòng)，在梁36a、36d、37b、37c產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，在梁36b、36c、37a、37d產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。在此，由 于采用四根梁，因此產(chǎn)生于梁36a、36d的拉伸應(yīng)力被同一彈簧系統(tǒng)中的梁36b、36c上產(chǎn)生 的壓縮應(yīng)力抵消。因此，理論上講，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整梁36a 36d的長(zhǎng)度或?qū)挾龋词共皇潜?發(fā)明中說(shuō)明的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，也應(yīng)該能抑制彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。但是，在對(duì)SOI襯底的 硅層進(jìn)行加工時(shí)產(chǎn)生了加工偏差的情況、或由于固定部35a、35b的位置變動(dòng)而使可動(dòng)體5 產(chǎn)生了變形等情況下，不是按照理論那樣的。因此，在本變形例中，如圖14所示，通過(guò)設(shè)置另一個(gè)彈簧系統(tǒng)(固定部35b、梁 37a 37d)，產(chǎn)生于梁36a、36d的拉伸應(yīng)力被對(duì)稱(chēng)配置的梁37a、37d上產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力相 互抵消。同樣，產(chǎn)生于梁36b、36c的壓縮應(yīng)力被梁37b、37c上產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力抵消。此時(shí)， 在梁36a、36d和梁37a、37d、梁36b、36c和梁37b、37c上，加工條件、固定部的位移量等周邊 環(huán)境大致相同，因此會(huì)產(chǎn)生絕對(duì)值大致相同、符號(hào)相反的應(yīng)力。因此，使第一彈簧系統(tǒng)(固 定部35a、梁36a 36d)與第二彈簧系統(tǒng)(固定部35b、梁37a 37d)組合而成的一個(gè)彈 簧組的總應(yīng)力變化大致為0，能夠抑制彈簧常數(shù)的變動(dòng)。即，通過(guò)使構(gòu)成第一彈簧系統(tǒng)的梁 36a 36d的根數(shù)與構(gòu)成第二彈簧系統(tǒng)的梁37a 37d的根數(shù)相同，各個(gè)梁之間的應(yīng)力被抵 消，能夠減少由第一彈簧系統(tǒng)與第二彈簧系統(tǒng)組合而成的一個(gè)彈簧組的總應(yīng)力變化。結(jié)果， 能夠抑制傳感器元件的彈簧常數(shù)的變動(dòng)。實(shí)施例3在本實(shí)施例3中，對(duì)在半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生了應(yīng)力時(shí)，能夠進(jìn)一步抑制傳感器元件 整體的彈簧常數(shù)的變動(dòng)的例子進(jìn)行說(shuō)明。圖15是表示本實(shí)施例3的加速度傳感器的傳感器元件1的俯視圖。在圖15中， 本實(shí)施例3的傳感器元件1的特征在于將與梁3 連接的固定部和與梁32b連接的固定部 做成共用的固定部40a。同樣，將與梁32c連接的固定部和與梁32d連接的固定部做成共用 的固定部40b。例如，在分別形成與梁3 連接的固定部和與梁32b連接的固定部時(shí)，必然會(huì)在與梁3 連接的固定部和與梁32b連接的固定部之間存在一定距離。如此，當(dāng)與梁3 連接 的固定部和與梁32b連接的固定部相分離時(shí)，作用于梁32a的壓縮應(yīng)力的大小和作用于梁 32b的拉伸應(yīng)力的大小相差較大，因此不能完全抵消壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。即，理想狀況是 作用于梁32a的壓縮應(yīng)力的大小和作用于梁32b的拉伸應(yīng)力的大小相等。這能通過(guò)使與梁 3 連接的固定部和與梁32b連接的固定部共用化來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)共用，使與梁3 連接的固 定部和與梁32b連接的固定部一致，因此能夠使作用于梁32a的壓縮應(yīng)力的大小和作用于 梁32b的拉伸應(yīng)力的大小相等。結(jié)果，能夠使第一彈簧系統(tǒng)(固定部40a、梁32a)與第二彈 簧系統(tǒng)(固定部40a、梁32b)組合而成的一個(gè)彈簧組的總應(yīng)力變化大致為0。結(jié)果，能夠?qū)?傳感器元件的彈簧常數(shù)的變動(dòng)抑制為最小。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思想，即使在因傳感器元件與封裝體的粘接、或者傳 感器元件單獨(dú)的結(jié)構(gòu)而引起了應(yīng)力、變形時(shí)，也能減少固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)。由此，能夠提 供更高性能、高可靠性的角速度傳感器、加速度傳感器。而且，由于不受安裝變形、溫度變動(dòng) 影響地穩(wěn)定化，出廠時(shí)的調(diào)整作業(yè)變得簡(jiǎn)單。因此，可期待有助于降低成本。以上，基于實(shí)施方式具體說(shuō)明了本發(fā)明人完成的發(fā)明，但本發(fā)明并不限于上述實(shí) 施方式，不言而喻，在不脫離其要旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變更。在上述實(shí)施例1 3中以加速度傳感器為例進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明也可以應(yīng)用 于加速度傳感器以外的、角速度傳感器等具有由梁支承可動(dòng)體的結(jié)構(gòu)的MEMS，可獲得降低 MEMS的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)這一顯著效果。工業(yè)實(shí)用件本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于制造微機(jī)電系統(tǒng)的制造業(yè)。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)，在第一半導(dǎo)體芯片上形成有(a)第一固定部；(b)一端與上述第一固定部連接的、能夠彈性變形的第一梁；(c)第二固定部；(d)一端與上述第二固定部連接的、能夠彈性變形的第二梁；和(e)與上述第一梁的另一端和上述第二梁的另一端連接的能夠位移的可動(dòng)體， 上述微機(jī)電系統(tǒng)的特征在于當(dāng)上述第一固定部和上述第二固定部由于上述第一半導(dǎo)體芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力而向同 一方向發(fā)生位移時(shí)，上述第一梁的彈簧常數(shù)比上述第一固定部不發(fā)生位移時(shí)增加，上述第 二梁的彈簧常數(shù)比上述第二固定部不發(fā)生位移時(shí)減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一固定部、上述第一梁、上述第二固定部以及上述第二梁配置在上述第一半導(dǎo) 體芯片的中心線同一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一半導(dǎo)體芯片的中心線是沿與上述可動(dòng)體的位移方向平行的方向延伸的線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一梁和上述第二梁配置在與上述第一半導(dǎo)體芯片的中心線交叉的方向上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于與上述第一梁和上述第二梁連接的上述可動(dòng)體的連接部被配置成夾在上述第一梁和 上述第二梁之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一梁和上述第二梁配置在上述可動(dòng)體的連接部的彼此相反側(cè)，上述可動(dòng)體的連 接部與上述第一梁和上述第二梁連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于 上述第一梁和上述第二梁被配置為呈一直線狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一梁在上述第一梁的一端與上述第一梁的另一端之間具有第一折回部，上述第 二梁在上述第二梁的一端與上述第二梁的另一端之間具有第二折回部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一固定部與上述第二固定部之間的距離小于上述第一折回部與上述第二折回 部之間的距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于 上述第一固定部與上述第二固定部相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于 上述第一梁具有多個(gè)梁，上述第二梁也具有多個(gè)梁。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于構(gòu)成上述第一梁的多個(gè)梁的根數(shù)與構(gòu)成上述第二梁的多個(gè)梁的根數(shù)相同。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一半導(dǎo)體芯片隔著粘接材料而裝載在下層襯底上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于 上述下層襯底是形成有集成電路的第二半導(dǎo)體芯片。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一半導(dǎo)體芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力包括伴隨上述粘接材料的體積變形而產(chǎn)生的應(yīng)力。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一半導(dǎo)體芯片是由襯底層、形成在上述襯底層上的埋入絕緣層、形成在上述埋 入絕緣層上的硅層構(gòu)成的SOI襯底。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一固定部和上述第二固定部是對(duì)上述硅層進(jìn)行加工而形成，并且隔著存在于上 述硅層的下層的上述埋入絕緣層而被固定于上述襯底層，上述第一梁、上述第二梁以及上述可動(dòng)體是對(duì)上述硅層進(jìn)行加工而形成，并且通過(guò)將 存在于上述硅層的下層的上述埋入絕緣層除去而被保持為從上述襯底層浮起的狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于上述第一半導(dǎo)體芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力包括由于上述埋入絕緣層與上述硅層的熱膨脹系 數(shù)的不同而在上述第一固定部和上述第二固定部上產(chǎn)生的應(yīng)力，其中第一固定部和第二固 定部由固定在上述埋入絕緣層上的上述硅層形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微機(jī)電系統(tǒng)，能夠通過(guò)抑制由應(yīng)力引起的MEMS的固有振動(dòng)頻率的變動(dòng)來(lái)抑制由MEMS的檢測(cè)靈敏度的變動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量精度下降。首先，由于半導(dǎo)體襯底(2)的變形，固定部(3a～3d)在半導(dǎo)體襯底(2)的y方向上向外側(cè)方向位移?？蓜?dòng)體(5)以從半導(dǎo)體襯底(2)浮起的狀態(tài)配置，因此不受半導(dǎo)體襯底(2)變形的影響，不發(fā)生位移。因此，在梁(4a)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力(+σ1)，在梁(4b)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力(-σ2)。此時(shí)，考慮將梁(4a)和梁(4b)組合而成的彈簧系統(tǒng)，則由作用于梁(4a)的拉伸應(yīng)力引起的彈簧常數(shù)的增加和由作用于梁(4b)的壓縮應(yīng)力引起的彈簧常數(shù)的減少相互抵消。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102119318SQ200980131308
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者出川宗里, 鄭希元 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所