JP6581849B2 - Micro mechanical equipment - Google Patents
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Description
本発明は、微細な可動部を備える微細機械装置に関する。 The present invention relates to a micro mechanical device having a fine movable part.
近年、スイッチやセンサにおいて機械的な動作で機能を発揮する微細機械装置を用いるMEMS(Micro Electro Mechanical System)が重要視されている。MEMSは、既に圧力センサや加速度センサとして使用され、LSIとともに重要な部品となってきている。MEMSは、薄膜形成技術,フォトリソグラフィー技術,および各種のエッチング技術を用いた微細加工により、微細な可動構造体を備える立体的な構造を有している。 2. Description of the Related Art In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical System) using a micro mechanical device that performs a function by mechanical operation in switches and sensors has been regarded as important. MEMS have already been used as pressure sensors and acceleration sensors, and have become important components together with LSIs. The MEMS has a three-dimensional structure including a fine movable structure by fine processing using a thin film formation technique, a photolithography technique, and various etching techniques.
例えば、静電容量式の圧力センサでは、図5A,図5Bに示すように、圧力によって変位する薄いダイアフラム501を、基板502の上に離間して支持部503で支持して配置している。基板502とダイアフラム501との間には空隙が存在し、空隙に面した箇所のそれぞれに電極(不図示)を対向して配置し、容量を形成する。被測定媒体の圧力はダイアフラム501の容量を形成する面とは反対側の面に印加され、この圧力印加でダイアフラム501の空隙に対応した部分が変形する。この変化に対応して上記電極間の距離が変化し、この変化に対応して電極間の容量が変化してセンサ出力となる。空隙が真空ならば、この圧力センサは絶対圧を計測することができる。 For example, in a capacitive pressure sensor, as shown in FIGS. 5A and 5B, a thin diaphragm 501 that is displaced by pressure is disposed on a substrate 502 so as to be spaced apart and supported by a support portion 503. There is a gap between the substrate 502 and the diaphragm 501, and electrodes (not shown) are arranged facing each of the portions facing the gap to form a capacitor. The pressure of the medium to be measured is applied to the surface opposite to the surface forming the capacity of the diaphragm 501, and the portion corresponding to the gap of the diaphragm 501 is deformed by this pressure application. Corresponding to this change, the distance between the electrodes changes, and in response to this change, the capacitance between the electrodes changes to provide a sensor output. If the air gap is a vacuum, this pressure sensor can measure absolute pressure.
このような微細機械装置において、次に示すようなプルイン現象と呼ばれる問題がある。一般に静電容量式センサのようにある距離をおいて平行に対向する2つ電極間に電圧がかかると、距離の二乗に反比例する引力が発生する。このため、圧力が印加されたことにより変形したダイアフラム501が基板502に極めて近い距離まで近づくと、距離が極端に短いために電圧起因の引力が加わるために強く引きつけられて着底する(プルイン)。 Such a micro mechanical device has a problem called a pull-in phenomenon as described below. Generally, when a voltage is applied between two electrodes facing each other at a certain distance as in a capacitance sensor, an attractive force that is inversely proportional to the square of the distance is generated. For this reason, when the diaphragm 501 deformed by the application of pressure approaches a distance very close to the substrate 502, the distance is extremely short, and an attractive force due to voltage is applied, so that the diaphragm 501 is strongly attracted and reaches the bottom (pull-in). .
ここで、着底した途端に電極間は短絡するので電圧起因の引力は働くなり、ダイアフラム501が基板502より離脱する。ところが、離脱した直後は再び電圧起因の引力が加わるために強く引きつけられて、再び着底する。これらの離脱と着底とが、電極間の距離が極めて小さい場合には繰り返されることになる。 Here, since the electrodes are short-circuited as soon as they reach the bottom, the attractive force due to the voltage acts, and the diaphragm 501 is detached from the substrate 502. However, immediately after the separation, the attractive force due to the voltage is applied again, so that it is strongly attracted and settles again. These separation and bottoming are repeated when the distance between the electrodes is extremely small.
静電容量式圧力センサの場合、容量を計測するために電圧を印加する必要があり、これに伴う引力の影響を受けてプルイン現象が起き、結果として上述した着底と離脱とを繰り返す状態となったセンサ出力は、ダイアフラムが被測定媒体から受けた圧力とは無関係に不安定となってしまう。このプルイン現象は、小型で電極間の距離が小さく、さらに基材や電極上の接触部表面がなめらかなMEMSセンサで顕著に起きる。 In the case of a capacitance type pressure sensor, it is necessary to apply a voltage in order to measure the capacitance, a pull-in phenomenon occurs due to the influence of the attractive force accompanying this, and as a result, the above-described bottoming and separation are repeated. The sensor output becomes unstable regardless of the pressure received by the diaphragm from the measured medium. This pull-in phenomenon is conspicuous in a MEMS sensor that is small and has a small distance between the electrodes, and further has a smooth surface of the contact portion on the substrate and the electrodes.
また、上記微細機械装置では、上述した着底などの可動部の一部の基板への接触で、これらが接合し、弾性力による反発では可動部が元に戻らなくなる場合がある(特許文献1,2,3,4,5参照)。この現象はスティッキングや固着などと呼ばれ、微細機械装置において問題となっている。 Further, in the above-described micro mechanical device, there is a case where these parts are joined by contact with the substrate of the movable part such as the bottoming described above, and the movable part cannot be restored by repulsion due to elastic force (Patent Document 1). , 2, 3, 4, 5). This phenomenon is called sticking or sticking, and is a problem in micro mechanical devices.
例えば、上述した隔膜真空計のように大気圧より小さな圧力を計測する圧力センサは、搬送・取り付け時やメンテナンス時に大気に曝されるため、計測範囲以上の過大な圧力が印加される状況が頻繁に発生する。このように過大な圧力が印加されると、受圧したダイアフラム501は、図5Cに示すように、実使用範囲を超えて大きく撓み、ダイアフラム501の一部が、基板502に接触(着底)してしまう。 For example, pressure sensors that measure pressures lower than atmospheric pressure, such as the above-mentioned diaphragm vacuum gauge, are exposed to the atmosphere during transport / installation and maintenance, so excessive pressure exceeding the measurement range is often applied. Occurs. When an excessive pressure is applied in this way, the received diaphragm 501 bends greatly beyond the actual use range as shown in FIG. 5C, and a part of the diaphragm 501 contacts (bottoms) the substrate 502. End up.
ダイアフラム501の厚みおよび変形領域の大きさ、また、ダイアフラム501の材料などの設計パラメータによって、上述した着底の状態は異なるが、とりわけダイアフラムの変形部分が薄い場合に、着底によりスティッキングが発生する。特に、前述したプルイン現象を抑制するために、接触箇所では電極が形成されていない構成とした場合に、スティッキングが顕著に発生する。これは、プルイン現象防止のために電極を形成していない領域では、着底時に、ダイアフラム501および基板502を構成する材料同士が直接接触するためと考えられる。 Although the above-mentioned bottoming state varies depending on the thickness of the diaphragm 501, the size of the deformation region, and the design parameters such as the material of the diaphragm 501, sticking occurs due to the bottoming especially when the deformed portion of the diaphragm is thin. . In particular, in order to suppress the pull-in phenomenon described above, sticking occurs remarkably when an electrode is not formed at the contact location. This is presumably because, in the region where the electrode is not formed for preventing the pull-in phenomenon, the materials constituting the diaphragm 501 and the substrate 502 are in direct contact with each other at the bottom.
圧力センサの場合、スティッキングが発生すると、圧力を除去してもダイアフラムが復帰せず、あたかも圧力が印加されているかのような出力を出してしまい、測定のエラーを招くことになる。特に、表面荒さ(Rz)が0.1〜数nmと極めて平坦な基材から作製する微細機械装置では、大きな問題となっている。 In the case of a pressure sensor, if sticking occurs, the diaphragm will not return even if the pressure is removed, and an output will appear as if pressure is being applied, leading to a measurement error. In particular, a micro mechanical device manufactured from a very flat substrate having a surface roughness (Rz) of 0.1 to several nm is a big problem.
上述したスティッキングを防止するために、着底する少なくとも一方の面に、突起などの微細な構造を形成して接触面積を減らして接触力を抑制するようにしている。具体的には、よく知られた半導体装置の製造技術を用い、微細機械装置を構成しているシリコンなどの半導体や石英などの基材に、微小な突起を形成している。例えば、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によるパターニングで、数μmの大きさの突起部を形成するようにしている。また、他の技術として、表面を安定化させる表面被膜を形成して発生する引力を小さくする方法、サンドブラストなどにより表面を荒らして突起を形成する方法もある。 In order to prevent the sticking described above, a fine structure such as a protrusion is formed on at least one surface of the bottom so as to reduce the contact area and suppress the contact force. Specifically, fine protrusions are formed on a semiconductor such as silicon or a base material such as quartz constituting a micro mechanical device using a well-known semiconductor device manufacturing technique. For example, a projection having a size of several μm is formed by patterning using a known lithography technique and etching technique. Other techniques include a method of reducing the attractive force generated by forming a surface coating that stabilizes the surface, and a method of roughening the surface by sandblasting to form protrusions.
上述した突起により接触面積を少なくするスティッキング対策は、ある程度有効ではあるが、特に圧力センサの場合、過大圧印加時に大きな応力がかかるので、小さい突起ではダイアフラムや基板の破壊につながる。一方、これを防ぐために突起を大きくすると、接触面積を大きくすることになり、対策の効果そのものが得られない。このように、突起によるスティッキング防止対策は、突起の部分における接触面の大きさを厳密に管理しなければならず、管理が複雑となる。 Although the above-described sticking countermeasure that reduces the contact area by the protrusion is effective to some extent, particularly in the case of a pressure sensor, a large stress is applied when an excessive pressure is applied, so that a small protrusion leads to the destruction of the diaphragm or the substrate. On the other hand, if the protrusion is enlarged to prevent this, the contact area is increased, and the effect of the countermeasure itself cannot be obtained. As described above, in order to prevent sticking by the protrusion, the size of the contact surface in the protrusion portion must be strictly managed, and the management becomes complicated.
また、使用する環境に対応させて耐食性、耐圧性、耐熱性を持たせるために用いられているサファイアなどの結晶材料やアルミナセラミックスなどの高い絶縁性を有する材料では、シリコンやガラスなどの場合と比較してスティッキングがより発生しやすい。特に、ダイアフラムが薄い構造になると、数μm程度の大きさの突起物では有効な対策とならない。 In addition, in the case of crystal materials such as sapphire and high insulating properties such as alumina ceramics that are used to provide corrosion resistance, pressure resistance, and heat resistance in accordance with the environment used, such as silicon and glass In comparison, sticking is more likely to occur. In particular, when the diaphragm has a thin structure, a protrusion having a size of about several μm is not an effective measure.
このため、サブμm以下のサイズの微小凹凸を形成する必用があるが、サファイアやアルミナセラミックスなどの材料は、高い機械的強度や高い耐食性,耐薬品性を有している反面、シリコンやガラスなどの材料よりも加工がしにくく、サブμm以下のサイズの微細加工が極めて困難である。 For this reason, it is necessary to form minute irregularities of sub-μm size, but materials such as sapphire and alumina ceramics have high mechanical strength, high corrosion resistance, and chemical resistance, but silicon, glass, etc. It is harder to process than the above materials, and it is extremely difficult to perform fine processing with a size of sub-μm or less.
また、表面を安定化させる表面被膜によりスティッキングを防止する技術もあるが、この場合、表面被覆に有機材料が使われることが多く、高温環境で用いられる場合や、ダイアフラムと基板との間の空間を真空にする構成では使用できない。 There is also a technology to prevent sticking with a surface coating that stabilizes the surface. In this case, organic materials are often used for the surface coating, and the space between the diaphragm and the substrate is often used in high-temperature environments. Cannot be used in a vacuum configuration.
上述したように、従来では、様々な環境で用いられる、サファイアなどの高い絶縁性の基材を用いた微細機械装置におけるスティッキングを防止することが容易に実現できないという問題があった。 As described above, conventionally, there has been a problem that it is not easy to prevent sticking in a micro mechanical device using a highly insulating base material such as sapphire used in various environments.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、様々な環境で用いられる高い絶縁性の基材を用いた微細機械装置におけるスティッキングが、より容易に防止できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, so that sticking in a micromechanical device using a highly insulating base material used in various environments can be more easily prevented. The purpose is to do.
本発明に係る微細機械装置は、絶縁体からなる基板と、基板の上に支持部によって支持されて可動領域で基板と離間して配置され、可動領域で基板の方向に変位可能とされた絶縁体からなる可動部と、可動領域で向かい合う基板および可動部の一方の面に形成された凸部と、可動領域で向かい合う基板および可動部の各々の表面に形成された電極と、凸部が形成されている領域で向かい合う基板および可動部の少なくとも一方の面に設けられた電極が形成されていない電極未形成部と、基板および可動部の少なくとも一方の面に設けられた電極未形成部の少なくとも一方に形成され、形成された側の電極に接続された帯電防止層とを備え、帯電防止層は表面抵抗が帯電防止レベルの材料から構成されている。 The micromechanical device according to the present invention includes a substrate made of an insulator, an insulating material supported on the substrate by a support unit and spaced apart from the substrate in the movable region, and is displaceable in the direction of the substrate in the movable region. A movable part made of a body, a substrate facing in the movable region and a convex part formed on one surface of the movable part, an electrode formed on each surface of the substrate facing the movable region and the movable part, and a convex part are formed At least one of an electrode non-formed portion provided with an electrode provided on at least one surface of the substrate and the movable portion facing each other in the region, and an electrode non-formed portion provided on at least one surface of the substrate and the movable portion. An antistatic layer formed on one side and connected to the formed electrode, and the antistatic layer is made of a material having a surface resistance of an antistatic level.
上記微細機械装置において、帯電防止層の表面抵抗は、109〜1014Ω/□とされていればよい。 In the micro mechanical device, the antistatic layer may have a surface resistance of 10 9 to 10 14 Ω / □.
上記微細機械装置において、帯電防止層が接続する電極に対して形成する抵抗に、帯電防止層が接続する電極との間に形成される容量を乗じた時定数が、可動領域で向かい合う基板および可動部の各々の表面に形成された2つの電極に動作時に印加される交流電圧の振動周期より大きい範囲となる状態に帯電防止層の表面抵抗が設定されているようにするとよい。 In the above-described micro mechanical device, the time constant obtained by multiplying the resistance formed for the electrode connected to the antistatic layer by the capacitance formed between the electrode connected to the antistatic layer and the substrate facing the movable region and the movable It is preferable that the surface resistance of the antistatic layer is set to be in a range that is larger than the oscillation cycle of the alternating voltage applied to the two electrodes formed on the respective surfaces of the part during operation.
上記微細機械装置において、帯電防止層は、半導体から構成されていればよい。また、帯電防止層は、酸化チタン,酸化インジウム,酸化亜鉛,酸化スズ,酸化ルテニウム,酸化ジルコニアの少なくとも1つから構成されていてもよい。また、帯電防止層は、AlN,TiN,TiC,SiNのいずれかから構成されていても良い。また、帯電防止層は、帯電防止層を配置する領域に金属を導入して形成されていても良い。この場合、金属は、チタン,ニオブ,タンタル,ニッケル,鉄,クロム,マンガンの少なくとも1つであればよい。また、帯電防止層は、原子層オーダーの厚さの酸化金属層から構成されていても良い。酸化金属層は、モリブデンの酸化物,タングステンの酸化物の少なくとも1つから構成されていれば良い。 In the micro mechanical device, the antistatic layer may be made of a semiconductor. The antistatic layer may be composed of at least one of titanium oxide, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, ruthenium oxide, and zirconia oxide. The antistatic layer may be made of any one of AlN, TiN, TiC, and SiN. The antistatic layer may be formed by introducing a metal into a region where the antistatic layer is disposed. In this case, the metal may be at least one of titanium, niobium, tantalum, nickel, iron, chromium, and manganese. The antistatic layer may be composed of a metal oxide layer having a thickness on the order of atomic layers. The metal oxide layer may be made of at least one of molybdenum oxide and tungsten oxide.
上記微細機械装置において、絶縁体は、サファイア,アルミナセラミックスのいずれかであればよい。 In the micro mechanical device, the insulator may be either sapphire or alumina ceramics.
以上説明したことにより、本発明によれば、様々な環境で用いられる高い絶縁性の基材を用いた微細機械装置におけるスティッキングが、より容易に防止できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that sticking in a micromechanical device using a highly insulating base material used in various environments can be more easily prevented.
以下、本発明の実施の形態について図1A,図1Bを参照して説明する。図1Aは、本発明の実施の形態における微細機械装置の構成例を示す断面図である。また、図1Bは、本発明の実施の形態における微細機械装置の一部構成例を示す断面図である。図1Bは、図1Aの一部を拡大して示している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a micromechanical device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view showing a partial configuration example of the micromechanical device according to the embodiment of the present invention. FIG. 1B shows an enlarged part of FIG. 1A.
絶縁体からなる基板101と、基板101の上に支持部102によって支持されて可動領域121で基板101と離間して配置され、可動領域121で基板101の方向に変位可能とされた絶縁体からなる可動部103を備える。可動部103は、可動領域121の周囲の固定部で支持部102に固定されている。例えば、支持部102は、基板101に一体に形成されている。なお、可動部103の側に、可動部103と一体に支持部102が形成されているようにしてもよい。 A substrate 101 made of an insulator, and an insulator supported on the substrate 101 by the support unit 102 and spaced apart from the substrate 101 in the movable region 121 and displaceable in the direction of the substrate 101 in the movable region 121. The movable part 103 is provided. The movable portion 103 is fixed to the support portion 102 by a fixed portion around the movable region 121. For example, the support part 102 is formed integrally with the substrate 101. Note that the support portion 102 may be formed integrally with the movable portion 103 on the movable portion 103 side.
また、この微細機械装置は、可動領域121で向かい合う基板101および可動部103の基板101側の面101aに形成された凸部104を備える。凸部104は、例えば、平面視円形とされた柱であり、直径が1〜数10μmとされている。また、この例では、複数の凸部104を備え、隣り合う凸部104の間隔は、例えば0.5mm程度とされている。 In addition, the micro mechanical device includes a substrate 101 facing in the movable region 121 and a convex portion 104 formed on the surface 101 a of the movable portion 103 on the substrate 101 side. The convex portion 104 is, for example, a column that is circular in plan view, and has a diameter of 1 to several tens of μm. In this example, a plurality of convex portions 104 are provided, and the interval between adjacent convex portions 104 is, for example, about 0.5 mm.
なお、可動領域121で向かい合う基板101および可動部103の可動部103側の面103aに、凸部が形成されていても良い。また、可動領域121で向かい合う基板101および可動部103の各々の表面には、電極105,電極106が形成されている。 A convex portion may be formed on the surface 103 a on the movable portion 103 side of the substrate 101 and the movable portion 103 facing each other in the movable region 121. Electrodes 105 and 106 are formed on the surfaces of the substrate 101 and the movable portion 103 facing each other in the movable region 121.
この微細機械装置は、例えば、可動部103がダイアフラムである圧力センサである。例えば、基板101および可動部103は、サファイアから構成されている。受圧した可動部103が基板101の方向に変位することにより、可動領域121における電極105と電極106との間隔が変化し、容量が変化する。この容量変化により可動部103が受圧した圧力を測定する。電極形成領域が真空とされていれば、絶対圧力が測定可能な圧力センサとして用いることができる。 This micro mechanical device is, for example, a pressure sensor in which the movable portion 103 is a diaphragm. For example, the substrate 101 and the movable part 103 are made of sapphire. When the movable portion 103 that has received the pressure is displaced in the direction of the substrate 101, the distance between the electrode 105 and the electrode 106 in the movable region 121 changes, and the capacitance changes. The pressure received by the movable portion 103 due to this change in capacitance is measured. If the electrode formation region is vacuum, it can be used as a pressure sensor capable of measuring absolute pressure.
また、この微細機械装置は、凸部104が形成されている領域で向かい合う基板101および可動部103の両方の面に、電極が形成されていない電極未形成部107aおよび電極未形成部107bを備える。電極未形成部107aおよび電極未形成部107bは、例えば、平面視で同じ面積の円形とされ、電極未形成部107aと電極未形成部107bとは、平面視で中心が同じ位置とされている。 In addition, this micro mechanical device includes an electrode non-formed portion 107a and an electrode non-formed portion 107b in which no electrode is formed on both surfaces of the substrate 101 and the movable portion 103 facing each other in the region where the convex portion 104 is formed. . The electrode non-formed part 107a and the electrode non-formed part 107b are, for example, circular in the same area in plan view, and the center of the electrode non-formed part 107a and the electrode non-formed part 107b is the same position in plan view. .
また、この微細機械装置は、基板101の電極未形成部107aに、帯電防止層108を備える。帯電防止層108は、これが形成されている側の電極105に接続されている。また、帯電防止層108は、表面抵抗が帯電防止レベルの材料から構成されている。例えば、帯電防止層108の表面抵抗は、109〜1014Ω/□とされていればよい。このような材料として、シリコンや炭化シリコンなどの半導体がある。また、帯電防止層108は、酸化チタン,酸化インジウム,酸化亜鉛,酸化スズ,酸化ルテニウム,酸化ジルコニアなどの金属酸化物から構成しても良い。 In addition, the micro mechanical device includes an antistatic layer 108 on the electrode non-formed portion 107 a of the substrate 101. The antistatic layer 108 is connected to the electrode 105 on the side where the antistatic layer 108 is formed. The antistatic layer 108 is made of a material having a surface resistance of an antistatic level. For example, the surface resistance of the antistatic layer 108 may be 10 9 to 10 14 Ω / □. Such materials include semiconductors such as silicon and silicon carbide. Further, the antistatic layer 108 may be made of a metal oxide such as titanium oxide, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, ruthenium oxide, zirconia oxide or the like.
また、帯電防止層108は、AlN,TiN,TiC,SiNなどの炭化物,窒化物から構成しても良い。また、帯電防止層108は、帯電防止層108を配置する領域に金属を導入して形成してもよい。金属を導入して金属添加領域とすることで、帯電防止レベルとすることができる。このような金属として、チタン,ニオブ,タンタル,ニッケル,鉄,クロム,マンガンなどがある。例えば、金属を堆積して加熱することで熱拡散させた後、余剰の金属をエッチング除去すればよい。他にもイオン注入によりこれらのイオンを基板に導入する方法もある。 Further, the antistatic layer 108 may be made of a carbide or nitride such as AlN, TiN, TiC, or SiN. Further, the antistatic layer 108 may be formed by introducing a metal into a region where the antistatic layer 108 is disposed. By introducing a metal into the metal addition region, the antistatic level can be achieved. Such metals include titanium, niobium, tantalum, nickel, iron, chromium, manganese and the like. For example, after the metal is deposited and heated for thermal diffusion, excess metal may be removed by etching. Another method is to introduce these ions into the substrate by ion implantation.
帯電防止層108は、原子層オーダーの厚さの酸化金属層から構成してもよい。例えば、モリブデン酸化物,タングステンの酸化物などより構成した原子層オーダーの厚さの酸化金属層から帯電防止層108を構成すれば良い。酸化モリブデンや酸化タングステンは、サファイアなどと比較して蒸気圧が低い。この材料を、サファイヤからなる基板101と共に同一の炉内で900℃程度に加熱することで上記酸化金属を蒸発(昇華)させれば、基板101の表面に原子層オーダーの厚さの上記酸化金属層が形成できる。 The antistatic layer 108 may be composed of a metal oxide layer having a thickness on the order of atomic layers. For example, the antistatic layer 108 may be formed from a metal oxide layer having a thickness on the order of an atomic layer made of molybdenum oxide, tungsten oxide, or the like. Molybdenum oxide or tungsten oxide has a lower vapor pressure than sapphire. If the metal oxide is evaporated (sublimated) by heating this material together with the substrate 101 made of sapphire to about 900 ° C. in the same furnace, the metal oxide having a thickness on the order of the atomic layer is formed on the surface of the substrate 101. A layer can be formed.
上述した実施の形態によれば、受圧した可動部103が実使用範囲を超えて大きく撓むと、可動部103の一部の面103aが、基板101の凸部104の上面に着底する。この状態において、接触した箇所には帯電防止層108が形成されて帯電しないので、スティッキングが発生することがない。また、当然ながら、着底により接触した箇所では、電極105と電極106とが接続されることがないので、着底と離脱とを繰り返す現象も発生しない。 According to the above-described embodiment, when the movable part 103 that has received pressure is greatly bent beyond the actual use range, a part of the surface 103a of the movable part 103 settles on the upper surface of the convex part 104 of the substrate 101. In this state, since the antistatic layer 108 is formed at the contacted position and is not charged, sticking does not occur. Of course, the electrode 105 and the electrode 106 are not connected at the place of contact by bottoming, so that the phenomenon of repeating bottoming and separation does not occur.
ここで、本発明に至った経緯について説明する。まず、前述したように、可動領域121で向かい合う基板101の面101aおよび可動部103の面103aにおいて、各々の全域に電極が形成されていると、着底時にこれらが接触して問題となる。この問題を解消するために、接触箇所には電極を配置しない状態とする。しかしながら、電極が形成されてない箇所では基板101の面101aと可動部103の面103aとが直接接触することになる。 Here, the background to the present invention will be described. First, as described above, if electrodes are formed on the entire surface of the surface 101a of the substrate 101 and the surface 103a of the movable portion 103 facing each other in the movable region 121, they come into contact with each other at the time of bottoming, which causes a problem. In order to solve this problem, an electrode is not arranged at the contact location. However, the surface 101a of the substrate 101 and the surface 103a of the movable portion 103 are in direct contact with each other at a location where no electrode is formed.
このように、絶縁抵抗の大きな基板101と可動部103との接触が繰り返し発生すると、接触帯電が起きて表面に静電気が発生する。これらの静電気は、基板101および可動部103の絶縁抵抗が大きく、且つ接触する雰囲気も真空中で逃げ場がないために接触を繰り返す度に蓄積される。これは接触する雰囲気が真空となる絶対圧計においてより頻繁に発生する。この結果、基板101と可動部103との間に静電引力を発生させてスティッキングを生じると考えられる。 As described above, when contact between the substrate 101 having a large insulation resistance and the movable portion 103 is repeatedly generated, contact charging occurs and static electricity is generated on the surface. Such static electricity is accumulated every time contact is repeated because the insulation resistance of the substrate 101 and the movable portion 103 is large and the contact atmosphere does not escape in a vacuum. This occurs more frequently in absolute pressure gauges where the atmosphere in contact is a vacuum. As a result, it is considered that an electrostatic attractive force is generated between the substrate 101 and the movable portion 103 to cause sticking.
このような接触帯電の発生を抑えるためには、接触する面積自体を減らすことが有効な対策である。このために、凸部104を形成し、着底時の接触面積を小さくしている。しかしながら、サファイアなどの絶縁材料では、よく知られているように、数μm程度のパターンである凸部104の形成は容易に実施できるが、nmレベルの微細加工が極めて困難である。従って、容易に実現できる凸部104の寸法は、数μm単位となる。 In order to suppress the occurrence of such contact charging, it is an effective measure to reduce the contact area itself. For this reason, the convex part 104 is formed and the contact area at the time of bottoming is made small. However, in the case of an insulating material such as sapphire, as is well known, the convex portion 104 having a pattern of about several μm can be easily formed, but fine processing at the nm level is extremely difficult. Therefore, the dimension of the convex part 104 which can be easily realized is a unit of several μm.
ところが、数μm程度の大きさの凸部104では、上述した静電気によるスティッキングに対して有効な対策とならない。 However, the convex portion 104 having a size of about several μm is not an effective measure against the above-described sticking caused by static electricity.
これに対し、着底時に接触する箇所に、抵抗値の小さな材料から構成した帯電防止層108を設ける。着底時には帯電防止層108に接触するので、帯電防止層108上で電荷が中和されて静電引力も働かず、スティッキングが防止できるようになる。 On the other hand, an antistatic layer 108 made of a material having a small resistance value is provided at a location that contacts the bottom. Since it contacts the antistatic layer 108 at the bottom of the bottom, the charge is neutralized on the antistatic layer 108 and electrostatic attraction does not work, and sticking can be prevented.
ところで、金属などの材料も抵抗値が小さい材料であるが、この場合、電極が形成されている状態と同じであり、電極105と電極106との間の接続を発生させる場合があり、問題となる。これに対し、上述した実施の形態では、帯電防止層108を、表面抵抗が帯電防止レベルの材料から構成し、これを電極105に接続して構成した。また、帯電防止層108は、着底時に接触する領域となる凸部104が配置される領域に設けることで、着底時には帯電防止層108が接触する状態とした。 By the way, a material such as a metal is also a material having a small resistance value, but in this case, it is the same as the state in which the electrode is formed, and a connection between the electrode 105 and the electrode 106 may be generated. Become. In contrast, in the above-described embodiment, the antistatic layer 108 is made of a material having a surface resistance of an antistatic level, and this is connected to the electrode 105. Further, the antistatic layer 108 is provided in a region where the convex portion 104 which is a region to be contacted at the time of bottoming is provided, so that the antistatic layer 108 is in contact at the time of bottoming.
例えば、微細機械装置を動作させるときに電極105と電極106との間に印加される交流電圧の周期よりも、帯電防止層108における時定数が十分大きくなるようにすればよい。このように構成することで、帯電防止層108表面の電荷は、これが接続する電極105を通して外部に逃がすことができるのでスティッキングの発生が防止できる。 For example, the time constant in the antistatic layer 108 may be made sufficiently larger than the period of the alternating voltage applied between the electrode 105 and the electrode 106 when the micro mechanical device is operated. With this configuration, the charge on the surface of the antistatic layer 108 can be released to the outside through the electrode 105 to which the antistatic layer 108 is connected, so that sticking can be prevented from occurring.
ところで、図2に示すように、基板101の電極未形成部107aに帯電防止層108aを設けると共に、可動部103の電極未形成部107bに帯電防止層108bを設けるようにしてもよい。帯電防止層108bは、電極106に接続して配置する。この場合、着底時には、帯電防止層108aと帯電防止層108bとが接触する。 Incidentally, as shown in FIG. 2, the antistatic layer 108 a may be provided on the electrode non-formed portion 107 a of the substrate 101, and the antistatic layer 108 b may be provided on the electrode non-formed portion 107 b of the movable portion 103. The antistatic layer 108 b is disposed in connection with the electrode 106. In this case, the antistatic layer 108a and the antistatic layer 108b are in contact with each other at the bottom.
また、図3に示すように、可動部103の側は、電極未形成部を設けず、面103aの凸部104の領域に向かい領域に電極106が形成されているようにしてもよい。この場合、着底時には、電極106と帯電防止層108とが接触する。 In addition, as shown in FIG. 3, on the movable portion 103 side, an electrode non-formed portion may not be provided, and an electrode 106 may be formed in a region facing the convex portion 104 of the surface 103a. In this case, the electrode 106 and the antistatic layer 108 are in contact with each other at the bottom.
前述したように、帯電防止層108は、帯電防止層108が接続する電極105に対して形成する抵抗Rに、帯電防止層108と電極105との間に形成される容量Cを乗じた時定数RCが、可動領域121で向かい合う電極105と電極106との間に、動作時に印加される交流電圧の振動周期Tより大きい範囲(RC≫T)となる状態に帯電防止層108の表面抵抗が設定されているとよい。 As described above, the antistatic layer 108 is obtained by multiplying the resistance R formed with respect to the electrode 105 to which the antistatic layer 108 is connected by the capacitance C formed between the antistatic layer 108 and the electrode 105. The surface resistance of the antistatic layer 108 is set so that RC is in a range (RC >> T) that is greater than the oscillation period T of the AC voltage applied during operation between the electrodes 105 and 106 facing each other in the movable region 121. It is good to be.
上述した帯電防止層108における時定数について図4を用いてより具体的に説明する。図4は、図3を用いた構成とした微細機械装置の可動部103が基板101に着底している状態の一部を示す断面図である。ここでは、微細機械装置は、可動部103がダイアフラムである圧力センサであり、動作時の計測電圧が交流であるものとする。 The time constant in the above-described antistatic layer 108 will be described more specifically with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the state in which the movable portion 103 of the micromechanical device configured as shown in FIG. Here, it is assumed that the micromechanical device is a pressure sensor in which the movable portion 103 is a diaphragm, and the measurement voltage during operation is an alternating current.
図4に示すように、着底した瞬間の、電極106の電位を0とし、電極105の電位をV0sin(2πft)であるとする。電極106に接触した凸部104上の帯電防止層108における電位も当然0であるが、同じ面にある電極105との間の抵抗が小さすぎると、帯電防止層108も速やかにV0sin(2πft)となり、電位0の電極106との間で電位差が発生するので、電圧に起因する静電引力が発生し、前述した計測電圧における異常が発生してしまう。 As shown in FIG. 4, it is assumed that the potential of the electrode 106 is 0 and the potential of the electrode 105 is V 0 sin (2πft) at the moment of bottoming. The electric potential in the antistatic layer 108 on the convex portion 104 in contact with the electrode 106 is naturally zero, but if the resistance between the electrode 105 on the same surface is too small, the antistatic layer 108 also quickly becomes V 0 sin ( 2πft), and a potential difference is generated between the electrode 106 having a potential of 0 and an electrostatic attractive force due to the voltage is generated, causing the above-described abnormality in the measured voltage.
これに対し、帯電防止層108と電極105との抵抗をRとし、帯電防止層108と電極105との間の容量をCとすると、帯電防止層108および交流が印加されている電極105は、単なる1次フィルタ(RC回路)とみなせる。従って、電極105に印加される交流の振動数fに対して定義されるRC回路の遮断周波数1/(2πRC)が十分小さければ、帯電防止層108表面の電位は、周辺の電極105に追随せず0のままであり、電極106との間で電位差が発生しない。この結果、静電引力は発生せず、前述した計測電圧における異常が防止できる。 On the other hand, when the resistance between the antistatic layer 108 and the electrode 105 is R, and the capacitance between the antistatic layer 108 and the electrode 105 is C, the antistatic layer 108 and the electrode 105 to which an alternating current is applied are: It can be regarded as a simple primary filter (RC circuit). Therefore, if the cutoff frequency 1 / (2πRC) of the RC circuit defined with respect to the AC frequency f applied to the electrode 105 is sufficiently small, the potential on the surface of the antistatic layer 108 can follow the peripheral electrode 105. The potential remains zero and no potential difference is generated between the electrode 106 and the electrode 106. As a result, no electrostatic attractive force is generated, and the above-described abnormality in the measurement voltage can be prevented.
一方、接触により発生する静電気による帯電の拡散は直流であるから、初期に帯電した電荷をQ0とすると、この電荷は、Q0exp(−t/RC)のように減衰する。時定数RCが上記圧力センサの応答速度よりも十分小さければ、帯電原因のスティッキングは起きないが、一般的には帯電防止層108の表面抵抗が109〜1014Ω/□ならば帯電はし難く、静電気は速やかに除去される。このように、スティッキングおよび計測電圧による異常を回避するため、帯電防止層108上とその同じ面にある電極105との抵抗は、下限を遮断周波数、上限を帯電防止のために制限すれば良いことになる。 On the other hand, since the diffusion of charging due to static electricity generated by contact is a direct current, if the initially charged charge is Q 0 , this charge is attenuated as Q 0 exp (−t / RC). If the time constant RC is sufficiently smaller than the response speed of the pressure sensor, charging-induced sticking does not occur. However, in general, if the surface resistance of the antistatic layer 108 is 10 9 to 10 14 Ω / □, charging is not performed. Difficult to remove static electricity quickly. Thus, in order to avoid abnormalities due to sticking and measurement voltage, the resistance between the antistatic layer 108 and the electrode 105 on the same surface should be limited to a cutoff frequency and an upper limit to prevent charging. become.
上述した効果は、図3を用いて説明した構成>図2を用いて説明した構成>図1A,図1Bを用いて説明した構成の順となる。着底時に帯電防止層と電極とが接触する図3を用いて説明した構成は、接触帯電による電荷が最も逃げやすいため、帯電防止層による最も高い効果が得られる。これに対し、着底時に片側が絶縁体である図1A,図1Bを用いて説明した構成は、帯電防止層による効果は低い。 The effects described above are in the order of the configuration described using FIG. 3> the configuration described using FIG. 2> the configuration described using FIGS. 1A and 1B. The structure described with reference to FIG. 3 in which the antistatic layer and the electrode are in contact with each other at the bottom is most effective for the antistatic layer because the charge due to contact charging is most likely to escape. On the other hand, the structure described with reference to FIGS. 1A and 1B in which one side is an insulator at the time of bottoming is less effective by the antistatic layer.
なお、電極未形成部は、凸部が形成されている領域で向かい合う基板および可動部の両方の面に設けられていてもよく、いずれか一方に設けられていても良い。電極未形成部が両方に設けられている場合、帯電防止層は、基板および可動部の両方の面に設けられた電極未形成部の各々に形成されていてもよく、いずれか一方に設けられていても良い。また、電極未形成部が、凸部が形成されている領域で向かい合う基板および可動部のいずれか一方に設けられている場合、帯電防止層は、いずれか一方の電極未形成部に形成されていればよい。 The electrode non-formed part may be provided on both surfaces of the substrate and the movable part facing each other in the region where the convex part is formed, or may be provided on either one. When the electrode non-formed part is provided on both, the antistatic layer may be formed on each of the electrode non-formed parts provided on both surfaces of the substrate and the movable part, and provided on either one of them. May be. Further, when the electrode non-formed part is provided on either the substrate or the movable part facing each other in the region where the convex part is formed, the antistatic layer is formed on any one of the electrode non-formed parts. Just do it.
以上に説明したように、本発明によれば、基板と変位した可動部とが接触する凸部が形成されている箇所に帯電防止層を設けるようにしたので、様々な環境で用いられる高い絶縁性の基材を用いた微細機械装置におけるスティッキングが、より容易に防止できるようになる。 As described above, according to the present invention, since the antistatic layer is provided at the position where the convex portion where the substrate and the displaced movable portion come into contact is formed, the high insulation used in various environments. Sticking in a micro mechanical device using a porous substrate can be more easily prevented.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
101…基板、101a…面、102…支持部、103…可動部、103a…面、104…凸部、105…電極、106…電極、107a,107b…電極未形成部、108…帯電防止層、121…可動領域。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 101a ... surface, 102 ... Support part, 103 ... Movable part, 103a ... surface, 104 ... Convex part, 105 ... Electrode, 106 ... Electrode, 107a, 107b ... Electrode non-formation part, 108 ... Antistatic layer, 121 ... A movable region.
Claims (10)
前記基板の上に支持部によって支持されて可動領域で前記基板と離間して配置され、前記可動領域で前記基板の方向に変位可能とされた絶縁体からなる可動部と、
前記可動領域で向かい合う前記基板および前記可動部の一方の面に形成された凸部と、
前記可動領域で向かい合う前記基板および前記可動部の各々の表面に形成された電極と、
前記凸部が形成されている領域で向かい合う前記基板および前記可動部の少なくとも一方の面に設けられた前記電極が形成されていない電極未形成部と、
前記基板および前記可動部の少なくとも一方の面に設けられた前記電極未形成部の少なくとも一方に形成され、形成された側の前記電極に接続された帯電防止層と
を備え、
前記帯電防止層は表面抵抗が帯電防止レベルの材料から構成され、
前記帯電防止層が接続する電極に対して形成する抵抗に、帯電防止層が接続する前記電極との間に形成される容量を乗じた時定数が、前記可動領域で向かい合う前記基板および前記可動部の各々の表面に形成された2つの前記電極に動作時に印加される交流電圧の振動周期より大きい範囲となるように前記帯電防止層の表面抵抗が設定されていることを特徴とする微細機械装置。 A substrate made of an insulator;
A movable portion made of an insulator supported by a support portion on the substrate and disposed apart from the substrate in a movable region, and displaceable in the direction of the substrate in the movable region;
A convex portion formed on one surface of the substrate and the movable portion facing each other in the movable region;
Electrodes formed on the surfaces of the substrate and the movable part facing each other in the movable region;
An electrode non-formed part where the electrode provided on at least one surface of the substrate and the movable part facing each other in the region where the convex part is formed; and
An antistatic layer formed on at least one of the electrode-unformed part provided on at least one surface of the substrate and the movable part, and connected to the electrode on the formed side;
The antistatic layer is made of a material having a surface resistance of an antistatic level ,
The substrate and the movable part that face each other in the movable region have a time constant obtained by multiplying a resistance formed with respect to the electrode to which the antistatic layer is connected by a capacitance formed between the electrode to which the antistatic layer is connected. The surface resistance of the antistatic layer is set so as to be in a range larger than the oscillation period of the alternating voltage applied to the two electrodes formed on the respective surfaces during operation. .
前記帯電防止層の表面抵抗は、109〜1014Ω/□とされている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micromechanical device according to claim 1,
The surface resistance of the antistatic layer is 10 9 to 10 14 Ω / □.
前記帯電防止層は、半導体から構成されている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micro mechanical device according to claim 1 or 2 ,
The antistatic layer is made of a semiconductor.
前記帯電防止層は、酸化チタン,酸化インジウム,酸化亜鉛,酸化スズ,酸化ルテニウム,酸化ジルコニアの少なくとも1つから構成されている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micro mechanical device according to claim 1 or 2 ,
The antistatic layer is composed of at least one of titanium oxide, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, ruthenium oxide, and zirconia oxide.
前記帯電防止層は、AlN,TiN,TiC,SiNのいずれかから構成されている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micro mechanical device according to claim 1 or 2 ,
The antistatic layer is made of any one of AlN, TiN, TiC, and SiN.
前記帯電防止層は、前記帯電防止層を配置する領域に金属を導入して形成されている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micro mechanical device according to claim 1 or 2 ,
The antistatic layer is formed by introducing a metal into a region where the antistatic layer is disposed.
前記金属は、チタン,ニオブ,タンタル,ニッケル,鉄,クロム,マンガンの少なくとも1つである
ことを特徴とする微細機械装置。 The micro mechanical device according to claim 6 ,
The metal is at least one of titanium, niobium, tantalum, nickel, iron, chromium, and manganese.
前記帯電防止層は、原子層オーダーの厚さの酸化金属層から構成されている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micro mechanical device according to claim 1 or 2 ,
The antistatic layer is composed of a metal oxide layer having a thickness on the order of an atomic layer.
前記酸化金属層は、モリブデンの酸化物,タングステンの酸化物の少なくとも1つから構成されている
ことを特徴とする微細機械装置。 The micromechanical device according to claim 8 ,
The metal oxide layer is composed of at least one of molybdenum oxide and tungsten oxide.
前記絶縁体は、サファイア,アルミナセラミックスのいずれかである
ことを特徴とする微細機械装置。 In the micro mechanical device according to any one of claims 1 to 9 ,
The insulator is one of sapphire and alumina ceramics.
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