Mems元件以及振蕩器的製造方法
2023-04-25 03:46:06 4
Mems元件以及振蕩器的製造方法
【專利摘要】本發明提供MEMS元件以及振蕩器，能夠使其它振動模式遠離1次振動模式、並能夠以期望的頻率進行振蕩。本發明的MEMS元件（100）包含基板（10）、形成在基板（10）上方的第1電極（20）以及第2電極（30），該第2電極具有形成在基板（10）上方的支承部（32）以及從支承部（32）延伸並以在與第1電極（20）之間具有空隙的狀態形成且能夠在基板（10）的厚度方向上進行振動的梁部（33），梁部（33）的寬度（W）隨著從梁部（33）的根部（38）朝梁部（33）的前端（37）而變小，梁部（33）的中心的長度（L1）大於梁部（33）的端部（35a、36a）的長度（L2、L3），梁部（33）的根部（38）的寬度（W0）大於梁部（33）的中心的長度（L1）。
【專利說明】MEMS元件以及振蕩器
【技術領域】
[0001]本發明涉及MEMS元件以及振蕩器。
【背景技術】
[0002]MEMS (Micro Electro Mechanical Systems:微機電系統)是微小構造體形成技術之一例如製作微米級的細微電子機械系統的技術及其產品。
[0003]例如在專利文獻I中記載了 MEMS振子作為MEMS元件，該MEMS振子包含第I電極和具有與第I電極隔著空隙配置的梁部的第2電極。專利文獻I所述的MEMS振子是梁部的一端被固定的單臂梁狀，梁部具有寬度方向大於延伸方向的形狀。這樣，通過增大梁部的寬度方向，從而不用改變振動頻率就能增大梁部與第I電極之間的靜電力。在將這樣的MEMS振子用于振蕩器的情況下，例如當考慮輸出信號時，希望以I次振動模式的頻率進行振蕩。
[0004]專利文獻1:美國專利申請公開第2007/0279140號說明書
[0005]另一方面，MEMS振子具有多個振動模式，各個振動模式的頻率依賴于振子的形狀。一般在將振子作為振蕩器使用時，理想情況是:使用的振動模式的頻率與其它振動模式的頻率之差較大。例如，在將I次振動模式作為振蕩器使用時，如圖14所示，當I次振動模式的頻率與2次振動模式的頻率(寄生)之差較小時，具有在2次振動模式下滿足振蕩條件而進行振蕩的問題。
[0006]尤其，如上所述，在梁部的寬度方向大於延伸方向的MEMS振子的情況下，I次振動模式的頻率與2次振動模式的頻率之差較小，從而容易以不期望的頻率引起振蕩。
【發明內容】
[0007]本發明的幾個方式所涉及的目的之一是提供能夠使其它振動模式遠離I次振動模式、並能夠以期望的頻率進行振蕩的MEMS元件。另外，本發明的幾個方式所涉及的目的之一是提供包含上述MEMS兀件的振蕩器。
[0008]本發明的MEMS元件包含:基板；第I電極，其形成在所述基板的上方；以及第2電極，其具有支承部和梁部，該支承部形成在所述基板的上方，該梁部從所述支承部延伸，以與所述第I電極之間具有空隙的狀態形成，能夠在所述基板的厚度方向上進行振動，所述梁部的寬度隨著從所述梁部的根部朝所述梁部的前端而變小，所述梁部的中心的長度大於所述梁部的端部的長度，所述梁部的根部的寬度大於所述梁部的中心的長度。
[0009]根據這樣的MEMS元件，可增大I次振動模式的頻率與其它振動模式(2次振動模式、3次振動模式等)的頻率之差(後面詳細進行敘述)。S卩，能夠使其它振動模式遠離I次振動模式。由此，能夠以期望的頻率、具體地說是I次振動模式的頻率進行振蕩。
[0010]此外，在本發明的記載中，例如當在「特定物體(以下，稱為「A」)的「上方」形成其它特定物體(以下，稱為「B」)」等時使用「上方」這樣的詞語的情況包括在A上直接形成B的情況和在A上隔著其它物體形成B的情況。
[0011 ] 在本發明的MEMS元件中，所述梁部具備:第I部分，其在俯視時是矩形的形狀，具有所述梁部的中心的長度；第2部分，其與所述第I部分鄰接，具有所述梁部的端部的長度，所述第2部分的長度隨著遠離所述第I部分而變小。
[0012]根據這樣的MEMS元件，可使其它振動模式遠離I次振動模式，並能夠以期望的頻率、具體地說是I次振動模式的頻率進行振蕩。
[0013]在本發明的MEMS元件中，所述第2部分在俯視時可以是梯形的形狀。
[0014]根據這樣的MEMS元件，可使其它振動模式遠離I次振動模式,並能夠以期望的頻率、具體地說是I次振動模式的頻率進行振蕩。
[0015]在本發明的MEMS元件中，所述梁部在俯視時可以是圓弧或橢圓弧的形狀。
[0016]根據這樣的MEMS元件，能夠進一步增大I次振動模式的頻率與其它振動模式的頻率之差。即，能夠使其它振動模式更加遠離I次振動模式。
[0017]本發明的振蕩器包含本發明的MEMS元件以及與所述MEMS元件的所述第I電極和所述第2電極電連接的電路部。
[0018]根據這樣的振蕩器，包含本發明的MEMS元件，所以具有穩定的特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是示意性 地示出第I實施方式的MEMS元件的俯視圖。
[0020]圖2是示意性地示出第I實施方式的MEMS元件的剖視圖。
[0021]圖3是示意性地示出第I實施方式的MEMS元件的製造工序的剖視圖。
[0022]圖4是示意性地示出第I實施方式的MEMS元件的製造工序的剖視圖。
[0023]圖5是示意性地示出第I實施方式的MEMS元件的製造工序的剖視圖。
[0024]圖6是示意性地示出用於仿真的實施例1的模型的俯視圖。
[0025]圖7是示意性地示出用於仿真的比較例的模型的俯視圖。
[0026]圖8是示出振動模式與I次振動模式的頻率之差的關係的曲線圖。
[0027]圖9是示意性地示出第2實施方式的MEMS元件的俯視圖。
[0028]圖10是示意性地示出用於仿真的實施例2的模型的俯視圖。
[0029]圖11是示出振動模式與I次振動模式的頻率之差的關係的曲線圖。
[0030]圖12是示出第3實施方式的振蕩器的電路圖。
[0031]圖13是示出第3實施方式的變形例的振蕩器的電路圖。
[0032]圖14是示出頻率與輸出信號的關係的曲線圖。
[0033]標號說明
[0034]10...基板；12...支承基板；14...第I基底層；16...第2基底層；20...第I電極；
30…第2電極；32…支承部；33…梁部;34…第I部分;35…第2部分；35a…端部;36…第2部分；36a…端部；37…前端;38…根部;40…犧牲層;100…MEMS元件;100a…第I端子；IOOb…第2端子;200…MEMS兀件;300…振蕩器;310…反相放大電路;310a…輸入端子；310b…輸出端子;320…電阻;330…第I電容器；332…第2電容器;340…分頻電路;1033...梁部;1035a、1036a...端部;1037…前端;1038…根部。
【具體實施方式】
[0035]以下，使用附圖來詳細說明本發明的優選實施方式。此外，以下說明的實施方式並非不恰當地限定權利要求所述的本
【發明內容】
。另外，以下所說明的全部結構並非都是本發明的必須構成要件。
[0036]1.第I實施方式
[0037]1.1.MEMS 元件
[0038]首先，參照附圖來說明第I實施方式的MEMS元件。圖1是示意性地示出第I實施方式的MEMS元件100的俯視圖。圖2是示意性地示出第I實施方式的MEMS元件100的圖1的I1-1I線剖視圖。此外，在圖1以及圖2中，作為相互垂直的3個軸圖示了 X軸、Y軸、Z軸。
[0039]以下，將MEMS元件100作為MEMS振子進行說明。
[0040]如圖1以及圖2所示，MEMS元件100包含基板10、第I電極20和第2電極30。基板10具有支承基板12、第I基底層14和第2基底層16。
[0041]作為支承基板12,例如採用娃基板等半導體基板。作為支承基板12,也可採用陶瓷基板、玻璃基板、藍寶石基板、金剛石基板、合成樹脂基板等各種基板。
[0042]第I基底層14形成在支承基板12上。作為第I基底層14，例如採用L0C0S(localoxidation of silicon:娃的選擇氧化)絕緣層、半凹(七S 1J七^ )L0C0S絕緣層、溝槽絕緣層。第I基底層14能夠電氣分離第I電極20以及第2電極30和其它元件(例如電晶體，未圖示)。
[0043]第2基底層16形成在第I基底層14上。作為第2基底層16，例如採用氮化矽層。第2基底層16能夠在後述的釋放工序中作為蝕刻阻止層發揮作用。
[0044]第I電極20形成在基板10上。第I電極20的形狀例如是層狀。在圖示的例子中，第I電極20在俯視時(從基板10的厚度方向觀察，在圖示的例子中是從Z軸方向觀察)具有矩形的形狀。
[0045]第2電極30與第I電極20分離地形成在基板10上。第2電極30的形狀例如是層狀。第2電極30具有支承部32和梁部33。
[0046]支承部32形成在基板10上。支承部32支承梁部33。在圖示的例子中，支承部32在俯視時具有長方形的形狀。
[0047]梁部33從支承部32延伸。在圖示的例子中，梁部33從支承部32向+Y軸方向延伸。梁部33是以與第I電極20之間具有空隙的狀態形成的。梁部33與第I電極20相對地配置。梁部33可通過與第I電極20之間的靜電力而在基板10的厚度方向(在圖示的例子中為Z軸方向)進行振動。MEMS元件100是單臂梁狀的振子。
[0048]以下，將梁部33在從根部38朝前端37的方向(在圖示的例子中為Y軸方向)上的大小設為長度L，將梁部33在與從根部38朝前端37的方向垂直的方向(在圖示的例子中為X軸方向)上的大小設為寬度W。
[0049]梁部33的寬度W隨著從梁部33的根部38朝梁部33的前端37 (在圖示的例子中隨著朝+Y軸方向)而變小。
[0050]此外，在本實施方式中，所謂「梁部33的寬度W隨著從梁部33的根部38朝梁部33的前端37而變小」，可包含寬度W不隨著從根部38朝前端37而變化的區域。即，如圖1所示，梁部33可構成為包含寬度W隨著朝+Y軸方向而連續變化(單調減少)的區域和寬度W不隨著朝+Y軸方向而變化的區域。另外，雖未圖示，但梁部33可以是寬度W隨著朝+Y軸方向而階段性變化。
[0051]梁部33的中心的長度LI大於梁部33的端部35a的長度L2，且大於梁部33的端部36a的長度L3。梁部33的中心的長度LI是梁部33中最大的長度。
[0052]在圖示的例子中，梁部33的中心的長度LI是從梁部33與支承部32的邊界線P的中點M到梁部33的前端37的距離。邊界線P與X軸平行，在俯視時是連結與第2電極30的外緣相接的點Q、R的線。中點M是與點Q、R相等的距離處的點。梁部33可以通過點M關於與Y軸平行的軸(未圖示)對稱。
[0053]梁部33的端部35a的長度L2是從點Q到前端37的距離。在圖示的例子中，端部35a是梁部33的+X軸方向上的端部。梁部33的端部36a的長度L3是從點R到前端37的距離。在圖示的例子中，端部36a是梁部33的-X軸方向上的端部。
[0054]梁部33的根部38的寬度WO大於梁部33的中心的長度LI。梁部33的根部38的寬度WO是梁部33中最大的寬度。在圖示的例子中，梁部33的根部38的寬度WO與支承部32的寬度相同。
[0055]梁部33具有第I部分34和第2部分35、36。第I部分34在俯視時是矩形(直角四邊形)的形狀。第I部分34具有梁部33的中心的長度LI。
[0056]第2部分35與第I部分34鄰接。在圖示的例子中，第2部分35位於第I部分34的+X軸方向。第2部分35的長度L隨著遠離第I部分34 (在圖示的例子中隨著朝+X軸方向)而變小。第2部分35的長度L隨著遠離第I部分34而連續地變化(單調減少)。
[0057]第2部分35在俯視時是梯形的形狀。第2部分35具有梁部33的端部35a的長度L2。具體地說，梁部33的端部35a的長度L2是第2部分35的一個底邊的長度。
[0058]第2部分36與第I部分34鄰接。在圖示的例子中，第2部分36位於第I部分34的-X軸方向。第2部分36的長度L隨著遠離第I部分34 (在圖示的例子中隨著朝-X軸方向)而變小。第2部分36的長度L隨著遠離第I部分34而連續地變化(單調減少)。
[0059]第2部分36在俯視時是梯形的形狀。第2部分36具有梁部33的端部36a的長度L3。具體地說，梁部33的端部36a的長度L3是第2部分36的一個底邊的長度。
[0060]第I電極20以及第2電極30的材質例如是通過摻雜規定的雜質而賦予導電性的多晶矽。當在第I電極20與第2電極30之間施加電壓時，梁部33可通過在第I電極20與第2電極30之間發生的靜電力來在基板10的厚度方向上進行振動。
[0061]此外，雖未圖示，MEMS元件100可具有在減壓狀態下對第I電極20以及第2電極30進行氣密密封的覆蓋構造體。由此，能夠減小梁部33振動時的空氣阻力。
[0062]本發明的MEMS元件除了振子之外，例如還可以用作陀螺儀傳感器或加速度傳感器等各種傳感器。
[0063]第I實施方式的MEMS元件100例如具有以下的特徵。
[0064]根據MEMS元件100，梁部33的寬度W隨著從梁部33的根部38朝梁部33的前端37而變小，梁部33的中心的長度LI大於梁部33的端部35a、36a的長度L2、L3。因此，MEMS元件100可增大I次振動模式的頻率與其它振動模式(2次振動模式、3次振動模式等)的頻率之差(後面詳細進行敘述)。S卩，能夠使其它振動模式遠離I次振動模式。由此,能夠以期望的頻率、具體地說是I次振動模式的頻率進行振蕩。
[0065]例如，當梁部的中心的長度與梁部的端部的長度相同時，有時在梁部的端部產生撓曲，I次振動模式的頻率與2次振動模式的頻率之差變小。
[0066]此外，在MEMS元件100中，梁部33的根部38的寬度WO大於梁部33的中心的長度LI。這裡，利用下式(I)表示單臂梁狀的振子的振動頻率f。如式(I)所示，振動頻率f依賴於梁部的長度L (具體地說是梁部的最大長度LI)，不依賴於梁部的寬度。因此，在MEMS元件100中，通過使梁部33的根部38的寬度WO大於長度LI，從而不用改變振動頻率f就能增大梁部33的面積(俯視中的面積)。由此，可增大電極20、30之間的靜電力。此外，在式(I)中，E表示梁部33的楊氏模量，P表示梁部33的密度，t表示梁部33的厚度。
【權利要求】
1.一種MEMS元件，其包含: 基板； 第I電極，其形成在所述基板的上方；以及 第2電極，其具有支承部和梁部，該支承部形成在所述基板的上方，該梁部從所述支承部延伸，以與所述第I電極之間具有空隙的狀態形成，能夠在所述基板的厚度方向上進行振動， 所述梁部的寬度隨著從所述梁部的根部朝所述梁部的前端而變小， 所述梁部的中心的長度大於所述梁部的端部的長度， 所述梁部的根部的寬度大於所述梁部的中心的長度。
2.根據權利要求1所述的MEMS元件，其中， 所述梁部具備: 第I部分，其在俯視時是矩形的形狀，具有所述梁部的中心的長度； 第2部分，其與所述第I部分鄰接，具有所述梁部的端部的長度， 所述第2部分的長度隨著遠離所述第I部分而變小。
3.根據權利要求2所述的MEMS元件，其中， 所述第2部分在俯視時是梯形的形狀。
4.根據權利要求1所述的MEMS元件，其中， 所述梁部在俯視時是圓弧或橢圓弧的形狀。
5.—種振蕩器,其包含: 權利要求1至4中的任意一項所述的MEMS元件；以及 電路部，其與所述MEMS元件的所述第I電極以及所述第2電極電連接。
【文檔編號】H03H9/02GK103716004SQ201310426060
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2012年10月2日
【發明者】木原龍兒 申請人:精工愛普生株式會社