[发明专利]微机电系统

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS(micro electro mechanical system))，尤其涉及可有效适用于如下MEMS的技术，该MEMS是用于测量车辆、飞机、机器人、移动电话、摄像机等运动体的运动状态的加速度传感器、角速度传感器等惯性传感器、滤波器、时钟产生用振子等结构体的固有振动频率对性能施加影响的MEMS。

背景技术

近年来，以数字照相机的防抖、汽车或机器人的姿势控制为目的，使用了MEMS的传感器被广泛应用。

通常，这种MEMS是采用光刻技术或蚀刻技术对硅衬底等半导体衬底进行加工而形成，包括半导体衬底、向预定方向位移的可动体、将该可动体与半导体衬底连接的多个梁。并且，MEMS基于可动体的位移来检测角速度、加速度等物理量。

日本专利第3669713号(专利文献1)中记载了角速度传感器的一例。该角速度传感器在振动体(可动体)的周围设置使振动体振动的振动发生单元，并设置将振动体在与振动方向正交的方向上发生位移时的位移量作为角速度而检测的角速度检测单元。此时，振动体经由作为弹簧起作用的梁而固定在半导体衬底上，通过如此构成，振动体能够振动。

在日本特开平9-292409号公报(专利文献2)中记载了加速度传感器的一例。该加速度传感器具有如下结构：为了使可动体向一定方向位移，经由作为弹簧起作用的梁将可动体固定在半导体衬底上，可动体根据所施加的加速度而进行位移。并且，设有将可动体的位移量作为加速度来检测的加速度检测单元。

上述专利文献1记载的角速度传感器和专利文献2记载的加速度传感器被称为传感器元件。即，将形成有角速度传感器、加速度传感器等的MEMS的半导体芯片称为传感器元件。实际的传感器通常是需要使用粘接材料将传感器元件安装到封装体主体，并用导线将形成于封装体上的电极与传感器元件连接，使得从设于封装体的电极取出信号。

现有技术文献

专利文献1：日本专利第3669713号

专利文献2：日本特开平9-292409号公报

发明内容

在上述的角速度传感器中，将相互正交的三个轴设为x轴、y轴、z轴，首先，利用振动发生单元使振动体在相对于与半导体衬底平行的x轴方向以频率f、振幅Xe进行振动。此时，振动体的x轴方向的位移x和其速度v关系如下式(1)所示。

x＝Xesin(2πft)

v＝2πfXecos(2πft)                        …(1)

在此，f表示频率，Xe表示振幅，t表示时间。

在该状态下若自外部施加绕z轴旋转的角速度Ω，则产生式(2)所示的柯氏力Fc，振动体由于该柯氏力Fc而向与x轴正交的y轴方向发生位移。并且，利用角速度检测单元将因该柯氏力Fc产生的振动体的y轴方向位移例如作为静电电容或电阻的变化来检测，从而检测角速度。

Fc＝2mΩv                                    (2)

在此，m表示振动体的质量，Ω表示角速度，v表示振动体的x轴方向的速度。

进而，在角速度传感器中，在振动体在x轴方向振动时的频率f总是共振状态时、即在以振动体的固有振动频率f_o进行振动时，能够检测到振动体稳定地向y轴方向的位移。通常，振动体的固有振动频率f_o以下式(3)定义。

在此，k表示梁的弹簧常数，m表示振动体的质量。

角速度检测灵敏度由S(Ω)＝Fc/Ω定义时，则角速度检测灵敏度S(Ω)可根据式(1)、式(2)、式(3)如式(4)那样求出。因此，可知角速度检测灵敏度由S(Ω)与固有振动频率f_o、振动体的质量m和振幅Xe成正比。

S(Ω)＝Fc/Ω∝f_o、m、Xe                …(4)

接着，上述的加速度传感器，在对该加速度传感器施加了加速度a1时，可动体上产生的力F1如下式(5)所示。

F1＝m1×a1＝k1×x1

在此，m1表示可动体的质量，a1表示施加于可动体的加速度，k1表示梁的弹簧常数，x1表示可动体的位移量。

并且，根据式(5)设加速度检测灵敏度S1＝x1/a1，将其与固有振动频率的定义式即式(3)关联，则可知加速度检测灵敏度S1如式(6)所示那样取决于可动体的固有振动频率f1。