传感器、电子设备、机器人、及移动体的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种传感器、电子设备、机器人、及移动体，并提供一种能够对物体的变形进行检测的、组装了电路的小型的传感器。传感器具备具有挠性的晶片基板（1）、和设置于晶片基板（1）的主面上的振子（3），振子（3）通过被施加于晶片基板（1）上的外力而发生变形。
【专利说明】传感器、电子设备、机器人、及移动体
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种传感器、电子设备、机器人、及移动体。
【背景技术】
[0002]传感器在汽车、宇航、医学、工业、机器人等与生活相关的各种各样的领域中被实际应用。例如，作为力学的、机械的传感器，存在压力传感器、应变传感器、加速度传感器、力感传感器、冲击传感器等，此外，各个传感器根据用途，存在各种各样的形态。此外，当今，作为对于传感器的需求，无论力、温度、磁力、发光强度、声音等传感器所检测的对象如何，对检测的闻精度化、闻速化、检测装置的小型化、闻功能化等的要求都日益提闻。
[0003]其中，一直以来，作为变应传感器，已知一种由粘贴于挠性的薄膜状部件上的电阻器构成的应变仪，例如，在专利文献I中，提出了一种在电阻器中使用了非晶质合金的应变仪。在该文献中，通过对作为电阻器的非晶质合金的组成进行选择，从而可获得小型且高灵敏度的、在耐环境性及疲劳寿命特性方面优异的应变仪。
[0004]但是，在基于专利文献I所记载的方式的失真传感器(应变仪)中，存在难以使检测装置进一步小型化的课题。具体而言，由于使应变仪、和对应变仪的电阻值的变化进行检测的电路分开构成，并需要通过引线配线将它们连接在一起，因此，很难进一步实现小型化。此外，伴随于此，还存在制造工序烦杂、难以降低制造成本等的课题。
[0005]专利文献1:日本特开平6-248399号公报
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的发明，并能够作为以下的应用例或者方式而实现。
[0007]应用例I
[0008]本应用例所涉及的传感器的特征在于，具备:基板，其具有挠性；谐振子，其被设置于所述基板的主面上，所述谐振子以能够通过被施加于所述基板上的外力而发生变形的方式构成。
[0009]根据本应用例，传感器具备设置于具有挠性的基板的主面上的谐振子，谐振子通过被施加于基板上的外力而发生变形。由于谐振子通过发生变形而使其共振特性发生变化，因此，通过对发生变化的共振特性进行观测，从而能够对施加于基板上的外力进行检测。因此，能够通过具备谐振子的传感器，从而对被施加于传感器上的外力进行检测。
[0010]应用例2
[0011]上述应用例所涉及的传感器的特征在于，所述谐振子包括:第一电极，其被配置于所述基板的主面上；第二电极，其与所述第一电极分离，并具有在俯视观察所述基板时与所述第一电极重叠的区域。
[0012]根据本应用例，谐振子被构成为，包括:第一电极，其被设置于基板的主面上；第二电极，其具有以隔着间隙的方式而与第一电极重叠的区域。当基板上被施加外力时，第一电极和第二电极发生变形，或第一电极与第二电极之间的间隙的大小发生变化。通过这些变形或电极间距离的变动，谐振子的共振特性容易地发生变化。因此，根据该结构，能够更加高灵敏度地对外力进行检测。
[0013]应用例3
[0014]上述应用例所涉及的传感器的特征在于，通过所述基板发生变形，从而使所述第一电极或所述第二电极、或者所述第一电极及所述第二电极发生变形，进而使所述谐振子的共振频率发生变化。
[0015]根据本应用例，由于通过基板发生变形，从而使第一电极或第二电极、或者第一电极及第二电极发生变形，因此谐振子的共振频率发生变化。通过对发生变化的共振频率进行观测，从而能够对施加于谐振子上的外力进行检测。因此，能够通过具备谐振子的传感器，从而对施加于传感器上的外力进行检测。
[0016]应用例4
[0017]在上述应用例所涉及的传感器中，优选为，所述谐振子被设置于所述基板的主面上的壁部所包围。
[0018]如本应用例那样，通过将谐振子设置于在基板的主面上所设置的空穴部内，从而确保了谐振子进行振动的空间，并且，谐振子通过构成空穴部的外壁而被保护。此外，在将空穴部维持为减压状态时，由于不易发生谐振子的振动及振动的变化，并且能够获得稳定的振动，因此，能够提高作为传感器的灵敏度和稳定性。
[0019]应用例5
[0020]上述应用例所涉及的传感器的特征在于，具备多个所述谐振子。
[0021]根据本应用例，传感器具备多个谐振子。因此，能够提高对外力进行检测的灵敏度和精度。具体而言，能够在设置有多个谐振子的、更广的区域内对外力进行检测。此外，通过对大量的检测信息进行统计处理，从而能够实现检测精度的提高。统计处理是指，平均值的计算、基于分布解析的异常值的排除、和基于分布解析的趋势的把握等。
[0022]应用例6
[0023]上述应用例所涉及的传感器的特征在于，所述多个谐振子以如下的方式而设置，即，在俯视观察所述基板时，各个所述谐振子的、所述第一电极与所述第二电极重叠的区域的延伸方向朝向沿着所述基板的主面的、相互不同的方向。
[0024]根据本应用例，多个谐振子以分别相互地朝向沿着基板的主面的(与主面平行的)、不同方向的方式而形成。此外，在各个谐振子中，根据外力的施加方向，谐振子发生变形的程度发生变化。因此，通过对朝向不同方向的各个谐振子的共振特性的变化的倾向进行分析，从而能够对外力的方向和外力的方向的变化进行检测。
[0025]应用例7
[0026]在上述应用例所涉及的传感器中，优选为，具备对所述共振频率进行检测的频率检测电路。
[0027]如本应用例这样，由于在传感器中具备对谐振子的共振频率进行检测的频率检测电路，因此无需在传感器之外另行准备频率检测电路并对它们进行连接。通过对所检测出的共振频率进行输出，从而能够输出传感器(基板)所承受的外力的信息。由于传感器能够通过MEMS的制造工序而形成，并且能够在相同的工序中形成频率检测电路，因此，能够更加小型且方便又廉价地制造出具备频率检测电路的、可对外力进行检测的传感器。
[0028]应用例8
[0029]在上述应用例所涉及的传感器中，优选为，具备存储部，所述存储部对所述频率检测电路所检测出的所述共振频率、或所述共振频率的变化量、或所述共振频率的最大值及最小值、或所述共振频率的变化量的最大值及最小值、中的至少一个数值进行存储。
[0030]如本应用例那样，通过具备存储部，且所述存储部对频率检测电路所检测出的共振频率、或共振频率的变化量、或共振频率的最大值及最小值、或共振频率的变化量的最大值及最小值、中的至少一个数值进行存储，从而能够对检测出的外力的信息进行记录。其结果为，例如，通过读取记录于存储部中的信息，从而能够追溯过去，并对检测出的信息进行分析。也就是说，能够对受到外力的经过和历史进行查询或分析。此外，由于能够将对信息进行查询或分析的环境和传感器分离，因此，能够在各种各样的部位处设置传感器，进而扩大了其利用范围。
[0031]应用例9
[0032]在上述应用例所涉及的传感器中，优选为，具备时钟功能，并且时间的信息被添加到存储于所述存储部中的信息中。
[0033]如本应用例那样，由于具备时钟功能，并且时间的信息被添加到存储于存储部中的信息中，因此能够将受到外力的经过和历史与时间信息一起进行查询和分析。其结果为，扩大了作为传感器的利用范围。
[0034]应用例10
[0035]在上述应用例所涉及的传感器中，优选为，在所述存储部中，存储有与所述共振频率相对应的所述外力的大小所涉及的信息。
[0036]如本应用例那样，由于将与共振频率相对应的外力的大小所涉及的信息存储于存储部中，因此能够根据所检测出的共振频率的信息，而直接查询外力的大小、或者外力的大小所涉及的信息。具体而言，例如，通过预先利用实验而求出施加于传感器的外力的大小、和施加了该外力后而发生了变化的共振频率的值，并作为其对应表或者对应式而存储于存储部中，从而能够根据所检测出的共振频率的值，来导出对应的(假设的)外力的值。其结果为，能够在无需每次进行换算的条件下，求出外力。
[0037]应用例11
[0038]本应用例所涉及的电子设备的特征在于，具备上述应用例所记载的传感器。
[0039]通过使用上述的传感器作为电子设备，从而能够更加小型且廉价地获得对外力进行检测的电子设备、或者利用了所检测出的外力的信息的电子设备。
[0040]应用例12
[0041]本应用例所涉及的机器人的特征在于，具备上述应用例所记载的传感器。
[0042]通过作为机器人而在对外力进行检测的功能中使用上述的传感器，从而能够更加小型且廉价地获得机器人。
[0043]应用例13
[0044]本应用例所涉及的移动体的特征在于，具备上述应用例所记载的传感器。
[0045]通过作为移动体而在对外力进行检测的功能中使用上述的传感器，从而能够更加小型且廉价地获得移动体。【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1 (a)为构成实施方式I所涉及的MEMS传感器的MEMS元件的俯视图，图1 (b)为沿A-A线的剖视图。
[0047]图2 (a)为MEMS振子的立体图，图2 (b)为其剖视图。
[0048]图3 (a)、图3 (b)为表示对共振频率的变化进行检验的方法的示意图，图3 (C)为表示共振频率的变化率的曲线图。
[0049]图4 (a)为表不MEMS传感器的【具体实施方式】的各阶段的不例(实施方式I至实施方式5)的概念图，图4 (b)为构成为芯片状的实施方式5所涉及的MEMS传感器的俯视图。
[0050]图5 Ca)至图5 (c)为表示实施方式6所涉及的MEMS传感器的俯视图。
[0051]图6 (a)为表不将MEMS传感器作为冲击传感器而进行实际应用的实施例1的侧视图，图6 (b)、图6 (c)为将MEMS传感器作为震度传感器而进行实际应用的实施例2的概念图。
[0052]图7 Ca)为表示将MEMS传感器作为机器人的力感传感器而进行实际应用的实施例3的概念图，图7 (b)为表示将MEMS传感器作为倾斜传感器而进行实际应用的实施例4的概念图。
[0053]图8为不意性地表不将MEMS传感器实际应用于作为移动体的一个不例的汽车中的实施例5的立体图。
[0054]图9 (a)为表示改变例I所涉及的MEMS振子的剖视图、图9 (b )为表示改变例2所涉及的MEMS振子的俯视图。
[0055]图10 (a)、图10 (b)为表示改变例3所涉及的MEMS传感器的侧视图及俯视图。【具体实施方式】
[0056]以下，参照附图，对将本发明具体化了的实施方式进行说明。以下的实施方式为本发明的一个实施方式，并不是对本发明进行限定的实施方式。另外，在以下的各个附图中，为了使说明更容易理解，有时会以与实际不同的尺寸进行记载。
[0057]实施方式
[0058]作为传感器的实施方式，以MEMS (Micro Electro Mechanical System:微电子机械系统)传感器为一个示例而进行说明。
[0059]图1 (a)为构成实施方式所涉及的MEMS传感器的MEMS元件100的俯视图，图1(b)为沿图1 (a)的A-A线的剖视图。另外，图1 (a)为沿图1 (b)的B-B线的俯视图。
[0060]MEMS元件100为具备形成于具有挠性的基板的主面上的谐振子的MEMS元件。
[0061]MEMS元件100由晶片基板1、空穴部2、作为谐振子的MEMS振子3、第一氧化膜11、氮化膜12、第一导电层13、第二导电层14、第二氧化膜15、第三氧化膜16、保护膜17、侧壁部20、配线层21、第一覆盖层30、蚀刻孔31、第二覆盖层32等构成。
[0062]晶片基板I为具有挠性的娃基板，MEMS振子3被形成于第一氧化膜11、氮化膜12的上部，第一氧化膜11、氮化膜12层压在晶片基板I上。
[0063]另外，在此，将在晶片基板I的主面上依次层压有第一氧化膜11及氮化膜12的方向作为上方，并且如图1 (b)所示作为Z方向而进行说明。[0064]MEMS振子3具备作为第一电极的下部电极13e、和具有可动部的作为第二电极的上部电极He，并被配置于空穴部2中。通过利用光刻法来对层压于第一氧化膜11及氮化膜12上的第一导电层13及第二导电层14进行图案形成，从而形成下部电极13e及上部电极He。虽然作为优选示例，第一导电层13及第二导电层14分别由导电性的多晶硅构成，但是并非限定于此。
[0065]在下部电极13e和上部电极14e之间，形成有构成上部电极14e的可动空间的间隙(空隙部13g)。空穴部2及空隙部13g通过如下方式形成，即，通过蚀刻，而对层压于MEMS振子3上的第二氧化膜15、第三氧化膜16、及在下部电极13e和上部电极14e之间形成的第四氧化膜13f (省略图示)进行去除(脱模蚀刻)。第二氧化膜15、第三氧化膜16、及第四氧化膜13f为所谓的牺牲层，并且通过对该牺牲层进行脱模蚀刻，从而形成了上部电极14e从下部电极13e脱离的悬臂梁结构的可动电极结构(谐振子)。
[0066]此外，如图1 (a)所示，下部电极13e及上部电极14e分别以在X、Y方向上具有边的、在Y方向上较长的长方形的形状而构成。在俯视观察晶片基板I时，下部电极13e和上部电极14e重叠的区域(以下为区域3W)也同样被构成为在Y方向上较长的长方形的形状。以下，如图1 (a)所示，以区域3W较长地延伸的方向为谐振子的延伸方向而进行说明。也就是说，在图1 (a)的情况下，谐振子的延伸方向为Y方向。
[0067]下部电极13e通过第一导电层13而与外部电路(省略图示)电连接。下部电极13e及第一导电层13通过利用光刻法来对层压的第一导电层13进行图案形成，从而被一体地形成。
[0068]此外，上部电极14e通过第二导电层14而与外部电路电连接。上部电极14e及第二导电层14通过利用光刻法来对层压的第二导电层进行图案形成，从而被一体地形成。
[0069]这种结构的MEMS振子3通过伴随施加于电极间(下部电极13e和上部电极14e之间)的交流电压而产生的电荷的静电力而使作为第二电极的上部电极He进行振动。在电极间，振子固有的共振频率信号被输出。
[0070]此外，外部电路能够作为半导体电路而与MEMS元件100—体地构成。也就是说，构成上部电极14e的第二导电层14自不用说,还能够使第一氧化膜11、第二氧化膜15、第三氧化膜16、第四氧化膜13f、保护膜17作为层间膜和保护膜等的绝缘膜，并且使配线层21(第一配线层21a、第二配线层21b)作为电路配线层，从而作为一体地形成半导体电路的材料。换言之，MEMS元件100能够在半导体电路的制造工序中形成。
[0071]尤其是，在采用具有由半导体形成的可动电极的MEMS振子的情况下，与水晶等的振子相比，在半导体工艺中能够容易地进行组装。
[0072]接下来，说明MEMS振子3对晶片基板I所承受的外力的大小进行检测的机理。
[0073]图2 Ca)为表示MEMS振子3的立体图，图2 (b)为剖视图。
[0074]在上部电极14e中，对边部以被固定于下层的氮化膜12上的支承部为支点而在上下方向上进行振动。此时的共振频率(固有振动频率)，由形成上部电极14e的材料的杨氏模量、密度、及上部电极He的厚度t或襟翼长w等、或者上部电极14e的弹簧常数等来决定。
[0075]MEMS振子3被设置于晶片基板I的主面上，当晶片基板I受到外力而发生变形时，MEMS振子3也随之发生变形。具体而言，例如，当使晶片基板I如图2 (a)中虚线所示那样(以向上方凸起的方式)发生弯曲时，随着晶片基板I的弯曲，下部电极13e、及上部电极14e的固定部分也发生弯曲。由于上部电极He的固定部分的弯曲，因此上部电极14e的襟翼部分(从下部电极13e脱离的部分)也发生变形。由于上部电极14e的弹簧常数因该变形而发生变化，因此共振频率发生变化。
[0076]此外，当例如晶片基板I如图2 (b)中虚线所示那样在与图2 Ca)正交的方向上发生弯曲时，由于下部电极13e、及上部电极14e的固定部分将随着晶片基板I的弯曲而发生变形，因此，下部电极13e与上部电极14e之间的空隙部13g的大小(长度)将发生变化。由于该空隙部13g的长度发生变化，因此，下部电极13e与上部电极14e之间的电场强度将发生变化。该电场强度的变化将使形成上部电极He的材料的杨氏模量发生变化，其结果为，共振频率将发生变化。
[0077]在图3 (a)至图3 (C)中示出了对由于晶片基板I的弯曲而引起的共振频率的变化进行检验的方法及其结果。
[0078]首先，如图3 (b)所示，准备了在长方形板状的弹性体900的中央部分处粘贴了MEMS元件100的评价试样。对于评价试样，准备了如下三种，即，以“横置”的方式粘贴了MEMS元件100以使MEMS振子3 (谐振子)的延伸方向成为与弹性体900的长度方向相同的方向的试样；以“纵置”的方式粘贴了 MEMS元件100以使MEMS振子3的延伸方向成为与弹性体900的长度方向正交的方向的试样；以及在他们的中间“斜”向地粘贴了 MEMS元件100的试样。
[0079]接下来，使贴有MEMS元件100的面朝向下方，并以弹性体900的长度方向的两端区域为支点，将贴有MEMS元件100的背面向下方按压，从而使弹性体900发生弯曲。依次施加Fl < F2 < F3的大小的按压加重，并使评价试样成为弯曲1、弯曲2、弯曲3的状态。针对三种评价试样，对初始状态(无弯曲)、弯曲1、弯曲2、弯曲3这三个状态、及再次消除了按压加重的状态(无弯曲)下的共振频率的值进行了计测。
[0080]另外，在图3 (a)至图3 (C)中，省略了使MEMS元件100进行共振的电路、和频率的计测电路的图示。
[0081]图3 (C)中示出了对共振频率的变化进行了评价的结果的曲线图。将曲线图横轴设为弯曲的状态，将曲线图纵轴设为相对于初始状态的、各个弯曲状态下的共振频率的变化率，并标绘出评价结果。
[0082]根据图3 (C)可知，共振频率以与按压加重Fl?F3的大小相对应的方式发生了变化。此外，当相对于弹性体900的弯曲方向的MEMS振子3的延伸方向有所不同时，共振频率的变化率也不同。
[0083]如此，通过MEMS元件100的共振频率因晶片基板I的弯曲的影响而发生变化，从而能够对晶片基板I所承受的力F的大小进行检测。此外，由于共振频率的变化率根据MEMS振子3的方向(延伸方向)而会有所不同，因此，也能够通过对方向不同的多个MEMS元件100进行组合，从而对弯曲的方向等进行检测。
[0084]接下来，对将具备上述功能的MEMS元件100作为MEMS传感器而构成时的【具体实施方式】进行说明。
[0085]图4 Ca)为表示MEMS传感器的【具体实施方式】的各个阶段(功能水平)的示例的概念图。MEMS传感器能够具体化为如下的实施方式，即，不仅具有将MEMS元件100以单体的形式实际应用的水平，而且还具有例如附加了将检测出的信息与时间信息一起存储的这样的功能的水平等各种各样的功能水平的实施方式。
[0086]图4 (a)中示出了作为实施方式I至实施方式5的、MEMS元件100及MEMS传感器 110、120、130、140。
[0087]实施方式I
[0088]实施方式I为单独以MEMS元件100来构成MEMS传感器的示例。具体而言，为如下的方式，即，在晶片基板I上形成MEMS元件100，并切割为芯片状，且黏贴在检测对象的表面上，以便能够对检测对象表面的变形进行检测的方式。在将MEMS元件100作为MEMS传感器而进行实际应用的情况下，将使MEMS振子3进行共振的电路、和对共振频率进行检测的电路等作为外设的电路而构成，并通过接合引线等而实施与第一导电层13、第二导电层14之间的连接。
[0089]根据本实施方式，当检测对象的表面由于外力等某种原因而发生变形时，MEMS元件100经由外设的电路，而输出由于MEMS振子3随着检测对象的表面的变形而变形从而发生变化共振频率信号。具体而言，MEMS振子3被构成为，包括设置于晶片基板I的主面上的下部电极13e和上部电极14e，并且当晶片基板I上施加有外力时，下部电极13e和上部电极He发生变形，或者下部电极13e和上部电极14e之间的间隙的大小发生变化。通过这些变形和电极间距离的变动，从而使MEMS振子3的共振特性容易地发生变化。因此，根据该结构，通过对发生变化的共振频率信号进行观测，从而能够对施加于晶片基板I上的外力等、变形的因素的大小进行检测。
[0090]此外，如本实施方式那样，通过将MEMS振子3设置在设于晶片基板I的主面上的空穴部2中，从而确保了 MEMS振子3发生振动的空间，此外，MEMS振子3通过构成空穴部2的外壁(壁部)而被保护。此外，在将空穴部2维持为减压状态的情况下，由于容易发生MEMS振子3的振动及振动的变化，并且可获得稳定的振动，因此，能够提高作为传感器的灵敏度和稳定性。
[0091]实施方式2
[0092]实施方式2为MEMS传感器110，并且为将共振电路等的电路111作为外部电路而附加于MEMS元件100上而构成的示例。
[0093]如前文所述的那样，外部电路能够作为半导体电路而与MEMS元件100 —体地构成。具体而言，为如下的方式，即，在晶片基板I上形成MEMS元件100及电路111等，并切割为芯片状，且粘贴在检测对象的表面上，以便能够对检测对象表面的变形进行检测的方式。当实际应用MEMS传感器110时，将向电路111供给电力的电源、和对共振频率进行检测的电路等作为外设的电路而构成，并通过接合引线等而与构成MEMS传感器110的芯片进行连接。
[0094]根据本实施方式，当检测对象的表面由于外力等某种原因而发生变形时，MEMS传感器110通过电路111而输出由于MEMS振子3随着检测对象的表面的变形而变形从而发生变化的共振频率信号。通过对发生变化的共振频率信号进行观测，从而能够对施加于晶片基板I上的外力等、变形的因素的大小进行检测。
[0095]实施方式3
[0096]实施方式3为MEMS传感器120，并且为将作为频率检测电路的频率计数器121等附加于MEMS传感器110上而构成的示例。具体而言，为如下的方式，即，在晶片基板I上形成MEMS传感器110及频率计数器121等，并切割为芯片状，且粘贴在检测对象的表面上，以便能够对检测对象表面的变形进行检测的方式。
[0097]频率计数器121由内部具备标准时钟，并通过以预定的阈值对发生变化的共振频率信号进行切割从而对周期进行计数等的逻辑电路而构成。当实际应用MEMS传感器120时，将向MEMS传感器110及频率计数器121供给电力的电源电路、和对所检测出的共振频率的信息进行接收并处理的电路等作为外设的电路而构成，并通过接合引线等而与构成MEMS传感器120的芯片进行连接。所检测出的共振频率作为数字信息而从MEMS传感器120中被输出。
[0098]根据本实施方式，由于具备频率计数器121以作为对MEMS振子3的共振频率进行检测的频率检测电路，因此无需在MEMS传感器之外另行准备频率检测电路并对它们进行连接。通过对所检测出的共振频率进行输出，从而能够输出MEMS传感器120 (晶片基板I)所受到的外力的信息。由于MEMS传感器120能够通过MEMS的制造工序而形成，并且能够在相同的工序中形成频率计数器121，因此，能够更加小型且方便又廉价地制造出具备频率检测电路的、可对外力进行检测的MEMS传感器。
[0099]实施方式4
[0100]实施方式4为MEMS传感器130，并且为将转换部131和存储部132等附加于MEMS传感器120上而构成的示例。
[0101]转换部131为，将MEMS传感器120所输出的共振频率的信息转换为与所检测到的频率相对应的不同维度的信息的电路，存储部132为对用于转换的运算信息进行存储的存储介质(存储器)。具体而言，为如下的方式，即，在晶片基板I上形成MEMS传感器120、转换部131和存储部132等，并切割为芯片状，且粘贴在检测对象的表面上，以便能够对与检测对象表面的变形相对应的信息进行检测的方式。当实际应用MEMS传感器130时，将向MEMS传感器120、转换部131和存储部132等供给电力的电源电路、和对所检测并被转换后的信息进行接收并处理的电路等作为外设的电路而构成，并通过接合引线等而与构成MEMS传感器130的芯片进行连接。
[0102]转换部131具备运算单元，并通过作为用于转换的运算信息的转换表131t或者转换函数131f，从而转换为与所检测出的频率相对应的不同维度的信息并进行输出。例如，如图3 (c)所示的曲线图那样，在预先通过实验等而已知了按压加重与共振频率之间的关系的情况下，通过利用共振频率与按压加重的转换表和转换函数等来进行运算，从而能够使MEMS传感器130作为按压加重的传感器而发挥功能。
[0103]另外，作为不同维度的信息，不仅可以为按压加重，还可以为作为按压加重所涉及的信息的、例如弯曲量、弯曲量等。此外，也可以不实施转换而就此输出共振频率。
[0104]如本实施方式那样，由于预先将与共振频率相对应的外力的大小、或者外力所涉及的大小的信息存储于存储部132中，因此能够根据检测出的共振频率的信息，而直接查询外力的大小、或者外力所涉及的大小的信息。具体而言，例如，通过预先利用实验而求出施加于MEMS传感器130上的外力的大小、和施加了该外力后而发生了变化的共振频率的值，并作为其对应表或者对应式而存储于存储部132中，从而能够根据所检测出的共振频率的值，来导出对应的(假设的)外力的值。其结果为，能够在无需每次进行换算的条件下，求出外力。
[0105]实施方式5
[0106]实施方式5为MEMS传感器140，并且为将信息处理部141、存储部142、作为时钟功能的时钟143等附加于MEMS传感器130上而构成的示例。
[0107]信息处理部141具备运算单元和信息输入输出单元，并具有如下的功能，即，将从时钟143得到的时间信息附加于MEMS传感器130所输出的检测信息中，并记录于存储部142中，或者与外部间进行信息输入输出的功能。具体而言，为如下的方式，即，在晶片基板I上形成MEMS传感器130、信息处理部141、存储部142、及时钟143等，并切割为芯片状，且粘贴于检测对象的表面上，从而能够对与检测对象表面的变形相对应的信息进行检测，或者与外部交换信息的方式。当实际应用MEMS传感器140时，将向MEMS传感器130、信息处理部141、存储部142、及时钟143等供给电力的电源电路、和对所检测并被转换后的信息进行接收并处理的电路等作为外设的电路而构成，并通过接合引线等而与构成MEMS传感器140的芯片进行连接。
[0108]图4 (b)表示构成为芯片状的MEMS传感器140的俯视图。以包括各个电路模块的方式构成为一个芯片。
[0109]另外，时间信息中包含从时钟143得到的时刻的信息、和作为时刻的信息的差值而得到的时间的信息。
[0110]信息处理部141例如实施如下处理，即，时间信息向MEMS传感器130所输出的检测信息中的附加，检测信息的变化量的计算，预定期间内的检测信息的最大值及最小值的计算，预定期间内的检测信息的变化量的最大值及最小值的计算等的处理。此外，信息处理部141通过与外部电路之间的信息的发送接收，从而能够实施在由转换部131实施的转换处理中所使用的运算信息(转换表131t和转换函数131f等)的重写等。
[0111]另外，也可以采用如下的结构，即，通过使信息处理部141具备CPU (CentralProcessing Unit)等,从而使转换部131作为信息处理部141的运算功能的一部分而包含在信息处理部141中的结构。此外，不一定需要分别具备存储部132和存储部142，也可以为一个存储部。
[0112]如本实施方式这样，由于具备时钟功能(时钟143)，并将所存储的时间的信息添加到存储于存储部132中的信息中，因此能够对受到外力的经过和历史与时间信息一起进行查询和分析。其结果为，能够较大地扩展作为传感器的利用范围。
[0113]实施方式6
[0114]图5 (a)至图5 (C)中示出了作为实施方式6的MEMS传感器150?152。
[0115]实施方式6的特征在于，组装了多个MEMS传感器。
[0116]MEMS传感器150为，将多个MEMS传感器140组装到一个芯片中而构成的示例。在图5(a)所示的示例中，将三个MEMS传感器140配置在相同的方向上而组装到一个芯片中。
[0117]根据本实施方式，MEMS传感器150具备朝向相同方向的多个MEMS振子3。因此，能够提高对外力进行检测的灵敏度和精度。具体而言，能够在设置有多个MEMS振子3的更广的区域内对外力进行检测。此外，通过对大量的检测信息进行统计处理，从而能够实现检测精度的提高。统计处理是指，平均值的计算、基于分布解析的异常值的排除、和基于分布解析的趋势的把握等。[0118]MEMS传感器151为，将多个MEMS传感器140配置为朝向不同方向，并组装到一个芯片中从而构成的示例。在图5 (b)所示的示例中，三个MEMS传感器140以如下方式配置并装入到一个芯片中，即，三个MEMS传感器140各自所具备的MEMS振子3的延伸方向相互朝向与晶片基板I的主面平行的、不同的方向。
[0119]根据本实施方式，由于多个MEMS振子3以分别朝向与晶片基板I的主面平行的相互不同的方向的方式而形成，因此，在各个MEMS振子3中，根据外力的施加方向，MEMS振子3发生变形的程度将发生变化。因此，通过对朝向不同方向的各个MEMS振子3的共振特性的变化的趋势进行分析，从而能够对外力的方向和外力的方向的变化进行检测。
[0120]MEMS传感器152为，将具备朝向不同方向的MEMS振子3的多个MEMS传感器组装到一个芯片中从而构成的示例。在图5 (c)所示的示例中，将具备MEMS振子3的三个MEMS传感器140、140v、140w装入到一个芯片中，所述MEMS振子3以分别朝向与晶片基板I的主面平行的相互不同的方向的方式而形成。
[0121]根据本实施方式，由于与MEMS传感器151相比，有效实施了芯片上的布局，因此能够进一步减小芯片尺寸。
[0122]另外，作为上述的实施方式I至实施方式6中的MEMS传感器的形态，并不限定于芯片状，只需为能够对检测对象的表面的变形进行检测的形态即可。例如，也可以为将从晶片基板I切割出的芯片安装于柔性薄膜或挠性的薄型基板等上的形态。
[0123]此外，在各个实施方式中，供给电力的外设的电路优选为，例如干电池、充电蓄电池、或者太阳能蓄电池等的可搬运型的小型电源。
[0124]接下来，对上述的MEMS 元件 100 和 MEMS 传感器 110、120、130、140、150、151、152
的具体的实际应用事例和实际应用方式进行说明。在此，对与上述的实施方式相同的结构部位，使用相同的符号，并省略重复的说明。
[0125]另外，以下，将MEMS 元件 100 和 MEMS 传感器 110、120、130、140、150、151、152 作为MEMS传感器500而进行说明。也就是说，MEMS传感器500可以为上述的实施方式中的任何一个实施方式。但是，在图示及说明中，省略上述的各个实施方式所需的外设的电路。
[0126]实施例1
[0127]图6 Ca)为表示将MEMS传感器500作为冲击传感器200而进行实际应用的实施例I的侧视图。
[0128]冲击传感器200被构成为，包括MEMS传感器500、基底部件700、弹性板701、支承部件702、锤600等。
[0129]基底部件700为构成冲击传感器200的框体的基板，并由与弹性板701相比较刚性较高的金属板、或者树脂板等而形成。
[0130]弹性板701为由挠性的弹性材料构成的长方形基板。在弹性板701的一个面的中央部上粘贴有MEMS传感器500，而在另一个面的中央部、即粘贴有MEMS传感器500的面的背面部上粘贴有锤600。
[0131]支承部件702对弹性板701的长度方向上的两端部进行支承，并在弹性板701与基底部件700之间形成间隙，而被固定于基底部件700上。
[0132]另外，支承部件702优选在不妨碍弹性板701的弯曲变形的条件下，被固定于基底部件700上。[0133]在以此方式构成的冲击传感器200中，例如当锤600在弹性板701的法线方向(图6 (a)的箭头标记所示的一 Z方向)上受到力时,弹性板701将发生弯曲。通过MEMS传感器500，从而能够对该弯曲的程度进行检测。在例如冲击传感器200于图6 (a)的Z方向上受到冲击的情况下，通过锤600的一 Z方向上的惯性力而使弹性板701发生弯曲，从而能够对该弯曲的程度进行测量。该弯曲的程度表示冲击传感器200所受到的冲击的程度，也就是说，能够对冲击传感器200所受到的冲击进行检测。
[0134]通过将作为冲击传感器200的功能与具有各种各样的处理功能的集成电路结合而进行实际应用，从而能够实现小型、轻量、且高功能的传感器设备。其结果为，较大地扩大了其实际应用的范围。
[0135]在例如由MEMS传感器140构成MEMS传感器500，并由电池供给电力的情况下，冲击传感器200能够持续对受到的冲击进行检测并记录。在例如将几个该冲击传感器200粘贴于所输送的物体的不同表面上并进行捆包输送时，能够随着时间对运送过程中物体所受到的冲击进行记录，并且能够在输送后，对输送过程中的冲击的历史进行查询并分析等。
[0136]此外，例如，为了避免输送过程中的、过于剧烈的振动和冲击，而预先针对检测值设定预定的阈值(例如容许范围临界值等)，并且在达到该阈值时，产生警报，从而能够实现提醒注意等的使用方法。
[0137]此外，能够定量地实施对包装材料、包装所使用的缓冲材料、或者容器和运输器具等的耐冲击性评价。具体而言，例如能够将本发明的产品安装于运输器具、容器、外包装箱、缓冲材料、内包装箱、容器、收纳物等的各个物品上，并在实际的包装及运输方式中，对从外部施加的冲击的传递偏斜和所传递的冲击进行分析。
[0138]此外,通过进一步与GPS (Global Positioning System,全球定位系统)传感器进行组合，从而不仅能够记录所受到的冲击的时间上的历史，还可以与地点的历史一起记录。也就是说，例如，在输送之后，通过对输送过程中所受到的冲击的时间和地点的历史进行查询并分析，从而能够查明冲击的原因等。在例如易碎品等的运输物品在输送和搬运中被损坏时等，能够获得用于明确其原因和责任所在等的信息。
[0139]此外，能够将冲击传感器200实际应用于运动辅助设备等中。
[0140]具体而言，安装在球、或者替代球的物体上的冲击传感器200能够将球技运动中的、投掷、击打、踢等的动作作为冲击、加速度、力等的信息而获取。例如，能够构成为，可实际应用于高尔夫击球的碰撞强度和精度的定量化中等，并对运动质量的评价指标进行反馈的运动辅助设备。
[0141]此外，作为运动辅助，通过在运动鞋中安装冲击传感器200及GPS传感器，从而能够实现跑步负荷的定量化。具体而言，根据运动鞋所受到的冲击而对跑步的强度进行换算，并对照基于GPS传感器的跑步路径、和跑步速度的信息，从而能够实施综合的跑步负荷的定量化等。
[0142]实施例2
[0143]图6 (b)、图6 (C)为作为实施例2的、将MEMS传感器500作为震度传感器201、202而实际应用时的概念图。
[0144]震度传感器201被构成为，包括MEMS传感器500、基底部件700、弹性板703、锤600
坐寸ο[0145]基底部件700为构成震度传感器201的框体的基板，并由与弹性板703相比较刚性较高的金属板、或者树脂板等而形成。
[0146]弹性板703为由挠性的弹性材料构成的长方形基板。
[0147]在弹性板703的一个面的中央部上，粘贴有MEMS传感器500。
[0148]弹性板703的长度方向上的一个端部被固定于基底部件700上。在弹性板703的长度方向上的另一个端部上，安装有锤600。
[0149]在以此方式构成的震度传感器201中，当例如以弹性板703在图示的箭头标记的方向上进行振动的方式对基底部件700施加力并使其移动时，弹性板703以与所施加的力(加速度)相对应的大小发生弯曲并进行振动。能够通过MEMS传感器500来对该弯曲的程度进行检测。也就是说，在例如使弹性板703沿着铅直方向竖立，并将基底部件700固定设置于地面上的情况下，能够对地震的横摇震度(地面在水平方向上进行移动的加速度)进行观测。
[0150]震度传感器202为，以多个弹性板703在不同方向上进行振动的方式将多个震度传感器201组合在一起的示例。图6 (c)所示的示例以三个震度传感器201分别朝向不同方向的方式而构成。通过对三个震度传感器201的观测结果进行分析，从而能够对振动的方向等进行检测。
[0151]另外，实施例1所示的冲击传感器200也能够同样地作为震度传感器而实际应用。
[0152]实施例3
[0153]图7 (a)为，表示将MEMS传感器500作为机器人的力感传感器203而实际应用的实施例3的概念图。
[0154]力感传感器203被粘贴于机器人800所具备的手部801的对物体进行夹持的面上。由于能够根据对物体进行夹持的面的弯曲而对施加于面上的力进行检测，因此，能够将MEMS传感器500作为机器人800的力感传感器来实际应用。
[0155]在作为机器人中的力感传感器而进行实际应用的情况下，由于能够将其尺寸构成得非常小，因此，能够在手部801等、相当于人的手指的部分上安装多个传感器。此外，由于这些传感器并非捕捉单纯的受动元件所检测的信号，而是能够构成为具备对所检测到的信号进行处理的集成电路的传感器，因此，能够在不对机器人的集中控制部施加较大的负载的条件下，构成通过对来自力感传感器的大量的检测信息进行高速处理从而发挥功能的机器人系统。
[0156]实施例4
[0157]图7 (b)为，表示将MEMS传感器500作为倾斜传感器204来实际应用的实施例4的概念图。将倾斜传感器204内置于图像投影用的投影仪810中来实际应用。
[0158]倾斜传感器204为对倾斜程度进行检测的传感器，其结构与图6(b)所示的震度传感器201相同。在使弹性板703沿着铅直方向竖立，并将基底部件700水平设置的情况下，弹性板703不会发生弯曲，从而MEMS传感器500上不会作用有因弯曲而产生的外力。在使基底部件700在弹性板703的弯曲方向上倾斜的情况下，通过作用于锤600上的重力，从而弹性板703与基底部件700的倾斜程度相对应地发生弯曲。能够通过MEMS传感器500而对该弯曲的程度进行检测。
[0159]投影仪810在主体的内部具备两个倾斜传感器204。任意一个倾斜传感器204都被配置为，当投影仪810被水平设置时，弹性板703沿着铅直方向，并且，一个倾斜传感器204被设置在沿着投影仪810的投影方向而前后倾斜的方向上，而另一个倾斜传感器204被设置在与一个倾斜传感器204正交的方向上。
[0160]一个倾斜传感器204能够对相对于水平面的投影角度进行检测。因此，例如，由于能够对相对于被垂直设置的屏幕的、投影角度进行检测，所以，通过与光学系统透镜的牵连机构连动而对光学系统进行控制，或者使投影图像发生变形，从而能够自动地矫正被斜向投影而失真的图像。
[0161]另一个倾斜传感器204能够对投影仪810的水平度(自水平的倾斜程度)、即投影图像的水平度进行检测。因此，在例如未水平地设置投影仪810，而使投影图像倾斜的情况等下，能够根据所检测到的投影仪810的水平度，而自动地将所投影的图像调节成水平。
[0162]实施例5
[0163]图8为，不意性地表不将MEMS传感器500实际应用于作为移动体的一个不例的汽车中的实施例5的立体图。在汽车106上搭载有本发明所涉及的MEMS传感器500。
[0164]通过将MEMS传感器500安装在根据加速度而发生弯曲的基板上，从而能够作为加速度传感器而实际应用。例如，如该图所示，在作为移动体的汽车106上，在对轮胎109等进行控制的电子控制单元108中，装载有使用了 MEMS传感器500的加速度传感器。
[0165]此外，MEMS传感器500除此之外还能够应用于安全气囊用的冲击传感器107中，并且还能够作为压力传感器，而应用于胎压监测系统(TPMS:TirePressure MonitoringSystem)等中。
[0166]此外，MEMS传感器500由于能够实现与IMU (Inertial Measurement Unit、惯性计测单元)相同的功能，因此，能够同样地实际应用于IMU所实际应用的领域中。
[0167]如上所述，由于将可对外力的大小、震动、和倾斜等进行检测的MEMS传感器500实际应用于电子设备和装置中，因此能够进一步提高其功能。由于MEMS传感器500根据其结构，从MEMS元件100的水平到内置了内部的电路的MEMS传感器110、120、130、140、150、151、152的水平为止，可作为小型的MEMS传感器而被提供，因此，当组装MEMS传感器500时，无需较大地改变电子设备和装置的结构，或者使它们大型化。
[0168]另外，本发明并不限定于上述的实施方式，还能够对上述的实施方式追加各种各样的变更和改良等。下面，对改变例进行叙述。在此，对与上述的实施方式相同的结构部位，使用相同的符号，并省略重复的说明。
[0169]改变例I
[0170]图9 (a )表示改变例I所涉及的MEMS振子3A的剖视图。
[0171]虽然在上述的实施方式中，如图1 (a)、图1 (b)所示，将MEMS振子3设为上部电极He从下部电极13e脱离的悬臂梁结构的可动电极结构来进行了说明，但是并不限定于该结构，而只需为通过随着晶片基板I的变形而发生变形，从而使其振动特性发生变化的振子结构即可。
[0172]例如，图9 (a)所示的MEMS振子3A为，上部电极14A从下部电极13A脱离的两端支承梁结构的可动电极结构。虽然MEMS振子3为，上部电极14e以悬臂部分(被固定于下层的氮化膜12上的支承部)为支点，且对边部在上下方向上进行振动的结构，但是，MEMS振子3A为，上部电极14A以两端支承部分(被固定于下层的氮化膜12上的上部电极14A两端边的支承部)为支点，且中央部在上下方向上进行振动的结构。除了上部电极14A的结构、及随着该结构而形成的第一导电层13的图案配置有所不同的这一点之外，MEMS振子3A与MEMS振子3相同。
[0173]根据本改变例所涉及的MEMS振子3A，除了上述的实施方式中的效果之外，还能够提供一种可靠性更高的MEMS振子、及MEMS传感器。具体而言，通过将作为可动电极的上部电极He从悬臂梁结构变为两端支承梁结构的上部电极14A，从而能够成为针对变形而言耐久性更高的结构。
[0174]改变例2
[0175]图9 (b)为表示改变例2所涉及的MEMS振子3B的俯视图。虽然在上述的实施方式中，如图1 (a)所示，以MEMS振子3被构成为下部电极13e与上部电极14e重叠的区域3W成为在Y方向上较长的长方形的形状的方式，对MEMS振子3进行了说明，但是，并不限定于该结构，只需为通过随着晶片基板I的变形而发生变形，从而使其振动特性发生变化的振子结构即可。
[0176]例如，图9 (b)所示的MEMS振子3B被构成为，包括圆形的下部电极13B和圆形的上部电极14B，并以各自重叠的区域成为圆形的方式而被构成。此外，在上部电极14B中，被固定于下层的氮化膜12上的支承部在上部电极14B的周围被设置有多处(在图9 (b)的示例中，为四处)。
[0177]根据本改变例所涉及的MEMS振子3B，由于采用了上部电极14B被设置于周围的多个支承部所支承的结构，因此，能够成为针对变形而言耐久性更高的结构。此外，由于被构成为，当俯视观察下部电极13B和上部电极14B时，为左右上下对称的图案，因此能够在不受晶片基板I的变形方向的影响的条件下，对变形进行检测。
[0178]改变例3
[0179]虽然在上述的实施方式和实施例中，对以将MEMS元件100和MEMS传感器110、120、130、140、150、151、152粘贴于检测对象的表面或挠性的弹性材料的表面上的方式构成或者使用的情况进行了说明，但是，并不限定于此，也可以为直接使用形成有MEMS元件100和MEMS传感器110、120、130、140、150、151、152的基板的方式。在构成MEMS传感器的基板通过惯性力而自身发生变形的情况下，即使为直接使用基板的方式，也能够构成可对惯性力进行检测的MEMS传感器。
[0180]图10 (a)为表示改变例3所涉及的MEMS传感器205的侧视图，图10 (b)为其俯视图。
[0181]MEMS传感器205被构成为，包括MEMS传感器140A、锤603、基底部件700、固定部件705等。
[0182]MEMS传感器140A为，由长方形的晶片基板I及形成于其主面上的MEMS元件和电路等构成的MEMS传感器。MEMS传感器140A的结构与MEMS传感器140相同，具备MEMS元件100、共振电路等的电路111、频率计数器121、转换部131、存储部132、信息处理部141、存储部142、作为时钟功能的时钟143等。
[0183]在MEMS传感器140A中，长方形长度方向上的一侧的区域140A1的背面通过固定部件705而被固定于基底部件700上。在MEMS传感器140A和基底部件700之间，通过作为隔离件而发挥功能的固定部件705，从而形成有间隙，MEMS传感器140A以悬臂梁结构而被固定于基底部件700上。
[0184]在MEMS传感器140A的长方形长度方向上的另一个端部的主面上，沿着短边粘贴有锤603。
[0185]MEMS元件100被形成在，除了区域140A1及粘贴有锤603的区域之外的区域140A2的中央部分主面上。
[0186]电路111、频率计数器121、转换部131、存储部132、信息处理部141、存储部142、作为时钟功能的时钟143等被形成在区域140A1的主面上。
[0187]在以此方式构成的MEMS传感器205中，当例如锤603在MEMS传感器140A的法线方向(图10 (a)的箭头标记所示的方向)上受到力时，MEMS传感器140A在区域140A2的范围内发生弯曲。能够通过MEMS元件100来对该弯曲的程度进行检测。也就是说，MEMS传感器205能够作为与冲击传感器200和震度传感器201相同的传感器而实际应用。此外，能够实现更加小型、薄型化。
[0188]并且，MEMS传感器140A并不限定于与MEMS传感器140相同的结构，也可以为与MEMS元件100和MEMS传感器110、120、130相同的结构。
[0189]符号说明
[0190]I…晶片基板；2…空穴部；3…MEMS振子；3W...区域；11...第一氧化膜；12...氮化膜；13…第一导电层；13e…下部电极；13f…第四氧化膜；13g…空隙部；14…第二导电层；14e…上部电极；15…第二氧化膜；16…第三氧化膜；17…保护膜；20…侧壁部；21...配线层;30…第一覆盖层;31…蚀刻孔；32…第二覆盖层;100…MEMS元件;110、120、130、140、150、151、152、205、500…MEMS传感器；111…电路；121…频率计数器；131…转换部；131f…转换函数；131t…转换表；132…存储部；140A...区域；141…信息处理部；142…存储部；143…时钟；200…冲击传感器；201、202…震度传感器;203…力感传感器;204…倾斜传感器;600…锤;603…锤;7`00…基底部件;701…弹性板;702…支承部件;703…弹性板；705…固定部件；800…机器人；801…手部；810…投影仪；900…弹性体。
【权利要求】
1.一种传感器，其特征在于，具备: 基板，其具有挠性； 谐振子，其被设置于所述基板的主面上， 所述谐振子以能够通过被施加于所述基板上的外力而发生变形的方式构成。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于， 所述谐振子包括: 第一电极，其被配置于所述基板的主面上； 第二电极，其与所述第一电极分离，并具有在俯视观察所述基板时与所述第一电极重叠的区域。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于， 通过所述基板发生变形，从而使所述第一电极或所述第二电极、或者所述第一电极及所述第二电极发生变形，进而使所述谐振子的共振频率发生变化。
4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于， 所述谐振子被设置于所述基板的主面上的壁部所包围。
5.如权利要求2所述的传感器，其特征在于， 具备多个所述谐振子。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于， 所述多个谐振子以如下的方式而设置，即，在俯视观察所述基板时，各个所述谐振子的、所述第一电极与所述第二电极重叠的区域的延伸方向朝向沿着所述基板的主面的、相互不同的方向。
7.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于， 具备对所述共振频率进行检测的频率检测电路。
8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于， 具备存储部，所述存储部对所述频率检测电路所检测出的所述共振频率、或所述共振频率的变化量、或所述共振频率的最大值及最小值、或所述共振频率的变化量的最大值及最小值、中的至少一种进行存储。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于， 具备时钟功能，并且时间的信息被添加到存储于所述存储部中的信息中。
10.如权利要求8所述的传感器，其特征在于， 在所述存储部中，存储有与所述共振频率相对应的所述外力的大小所涉及的信息。
11.一种电子设备，其特征在于， 具备权利要求1或2所述的传感器。
12.一种机器人，其特征在于， 具备权利要求1或2所述的传感器。
13.—种移动体，其特征在于， 具备权利要求1或2所述的传感器。
【文档编号】G01D5/245GK103728058SQ201310473902
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2012年10月12日
【发明者】稻叶正吾, 堀江协 申请人:精工爱普生株式会社