(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２）上方で懸架された少なくとも１つの変形可能な膜（４、４’）であって、面の１つが測定される圧力を受けるように意図された膜と、前記膜（４、４’）の変形を検出する検出手段（６、６’、６’’）であって、少なくとも部分的に前記基板（２）上に設けられる検出手段（６、６’、６’’）と、前記膜（４、４’）の変形を前記検出手段（６、６’、６’’）に伝達する伝達手段（１４）とを備え、前記伝達手段が変形不能であり、前記伝達手段が前記膜（４）の上方で懸架され、前記伝達手段（１４）が、前記膜（４、４’）の面にほぼ平行な軸線（Ｙ）の周りで回転可能に前記基板（２）にヒンジ留めされ、測定される圧力を受けるように意図される面とは反対側の前記膜の面に面して設けられて、少なくとも所与の圧力を超えて前記伝達手段および前記膜が互いに一体的に移動可能であり、前記伝達手段が、前記膜（４、４’）の変形による変形または応力を増幅された形で前記検出手段（６、６’、６’’）に伝達する、ＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳ圧力測定デバイス。
【請求項２】
前記伝達手段（１４）および前記膜（４、４’）が、前記膜の最大変形範囲で少なくとも前記所与の圧力を超えて互いに一体的に移動可能である、請求項１に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３】
前記伝達手段（１４）が、前記検出手段（６、６’、６’’）が位置する少なくとも１つの第１の端部（１４．１）と、アーム（１４）が少なくとも前記所与の圧力を超えて前記膜（４、４’）と一体的に移動可能である第２の端部（１４．２）とを備える、少なくとも１つの長手方向のアームを備える、請求項１または２に記載の圧力測定デバイス。
【請求項４】
前記アームの前記第２の端部が圧力値にかかわらず前記膜と機械的に一体である、請求項３に記載の圧力測定デバイス。
【請求項５】
前記所与の圧力よりも低い圧力の場合、前記アーム（１４）の前記第２の端部（１４．２）と前記膜との間に間隔が設けられる、請求項３に記載の圧力測定デバイス。
【請求項６】
前記アーム（１４）が前記膜に電気的に接続される、請求項５に記載の圧力測定デバイス。
【請求項７】
前記所与の圧力が測定される圧力以下である、請求項５または６に記載の圧力測定デバイス。
【請求項８】
前記長手方向のアーム（１４）が、前記アームの長手方向軸線（Ｘ）に沿って可撓性であり、前記膜の変形の軸線（Ｚ）に沿って剛性である接続を通して前記膜（４、４’）と一体である、請求項４に記載の圧力測定デバイス。
【請求項９】
前記伝達手段が、前記長手方向のアームの前記第１の端部を前記検出手段に接続し、前記長手方向のアーム（１４）に直交する少なくとも１つのねじれビーム（１８）を備え、回転する前記軸線（Ｙ）が、一方では前記アームの前記第１の端部に、他方では前記基板および前記検出手段に固定される前記ねじれビームによって形成される、請求項３から８のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１０】
前記伝達手段が、前記長手方向のアームにほぼ平行な少なくとも１つの屈曲ビーム（１１８）をさらに備え、回転する前記軸線（Ｙ）が、一方では前記長手方向のアーム（１４）に、他方では前記基板に固定される前記屈曲ビーム（１１８）によって形成される、請求項３から８のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１１】
前記長手方向のアームが「Ｕ」字パターンを有し、前記パターンが前記第１の端部に対応する２つの端部を備え、前記第１の端部がそれぞれ横延長ビームを通して前記検出手段に接続される、請求項１０に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１２】
前記膜（４’）を剛性化する手段（４１）を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１３】
前記膜を剛性化する手段（４１）が、例えば放射方向でまたはハニカムとして設けられる、前記膜（４’）上の余分な厚さ範囲を形成する、請求項８に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１４】
前記伝達手段（１４）が、前記検出手段（６、６’、６’’）が位置する少なくとも１つの第１の端部（１４．１）と、前記アーム（１４）が少なくとも前記所与の圧力を超えて前記膜（４、４’）と一体的である第２の端部（１４．２）とを備える、少なくとも１つの長手方向のアームを備え、前記アーム（１４）の前記第１の端部（１４．１）で前記アーム（１４）に釣合い重り（４２）が取り付けられる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１５】
同じ圧力を受ける複数の変形可能な膜（４）を備え、前記伝達手段（１４）およびすべての前記膜が少なくとも前記所与の圧力を超えて互いに一体的に移動可能である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１６】
前記膜の変形を制限するように、前記圧力を受ける前記膜の面に対向して前記膜（４）に面して設けられる停止部（３８）を備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１７】
測定される圧力を受ける面に対向して前記膜（４、４’）の周りにキャビティ（１０）を画定する、前記基板（２）上のキャップを備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１８】
測定される圧力を受ける前記膜（４）の面、および圧力が測定される環境が、前記キャップ（１２）を通して、および／または前記キャップと前記基板との間で連通される、請求項１７に記載の圧力測定デバイス。
【請求項１９】
前記検出手段（６）が、一端によって固定パッドを通して前記基板に、また別の端部によって前記ねじれビーム（１８）または伝達アームに接続される少なくとも１つの懸架歪みゲージを備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２０】
前記歪みゲージが、圧電抵抗ゲージ、圧電ゲージ、および共振器と呼ばれる共振ゲージから選択される、請求項１９に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２１】
前記検出手段（６）が、一端によって固定パッドを通して前記基板に、また別の端部によって前記ねじれビーム（１８）または前記伝達アームに接続される少なくとも１つの懸架歪みゲージを備え、前記検出手段（６）が、そのどちらかの面では一端によって前記ねじれビーム（１８）に、また別の端部によって固定パッドを通して前記基板に取り付けられる２つの歪みゲージ（１６）を備える、請求項２０に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２２】
前記固定パッドが電気接点を備える、請求項２１に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２３】
前記伝達手段が、前記長手方向のアームの前記第１の端部を前記検出手段に接続し、前記長手方向のアーム（１４）に直交する少なくとも１つのねじれビーム（１８）を備え、回転する前記軸線（Ｙ）が、一方では前記アームの前記第１の端部に、他方では前記基板および前記検出手段に固定される前記ねじれビームによって形成され、前記検出手段（６）が、一端によって固定パッドを通して前記基板に、また別の端部によって前記ねじれビーム（１８）または前記伝達アームに接続される少なくとも１つの懸架歪みゲージを備え、前記検出手段（６’’）が、一端によって前記ねじれビーム（１８）に、また別の端部によって前記基板上の固定パッドに接続される少なくとも１つの共振器（４４）と、前記共振器の励起手段（４８）と、前記共振器の共振周波数を検出する手段（５０）とを備える、請求項２２に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２４】
前記検出手段（６’）が可変容量タイプのものである、請求項１から１８のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２５】
前記検出手段（６’）が、前記基板上の少なくとも１つの第１の固定電極（２６、３６）と、前記伝達手段（２４）と一体であって前記固定電極（２８、３４）に面する少なくとも１つの第１の可動電極（２８、３４）とを備える、請求項２４に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２６】
第２の固定電極（３６）および第２の可動電極（３４）を備え、前記第２の電極（３４、３６）が、差動測定デバイスを形成するように、回転する前記軸線に対して前記第１の電極に対向して位置する、請求項２５に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２７】
静圧を補償する能動手段を備える、請求項１から２６のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２８】
静圧を補償する前記能動手段が一対の電極（６６．１）を備え、前記電極の１つが前記伝達手段と一体であり、前記一対の電極が、前記基板および前記膜（４）上で前記伝達手段（１４）の回転する前記軸線（Ｙ）に対して前記膜の側に位置する、請求項２７に記載の圧力測定デバイス。
【請求項２９】
前記静圧を補償する前記能動手段が、前記基板上の前記膜の下方に形成される電極（６６．１）を備える、請求項２７に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３０】
自己診断および／または自己校正を行う手段を備える、請求項１から２９のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３１】
自己診断および／または自己校正を行う前記手段が一対の電極（６６．２）を備え、前記電極の１つが前記伝達手段と一体であり、前記一対の電極（６６．２）が、前記基板上で前記伝達手段（１４）の回転する前記軸線に対して前記膜に対向する、請求項３０に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３２】
測定される圧力を受ける面に対向して前記膜（４、４’）の周りにキャビティ（１０）を画定する、前記基板（２）上のキャップ（１２）を備え、前記キャビティ（１０）が緊密である、請求項１から３１のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３３】
前記緊密なキャビティで真空が作られて、絶対圧力センサを形成する、請求項２８に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３４】
前記膜（４）の上方および／または前記キャップに面する前記基板上に位置するキャップ範囲で、前記キャップ（１２）上に堆積されるゲッター材料（５１）を含む、請求項３３に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３５】
測定される圧力を受ける面に対向して前記膜（４、４’）の周りにキャビティ（１０）を画定する、前記基板（２）上のキャップ（１２）を備え、前記キャビティが外部環境に接続されて、相対圧力センサまたはマイクロホンを形成する、請求項１から３４のいずれか一項に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３６】
前記キャビティと前記外部環境との間の接続が、前記キャップ（１２）を通してまたは前記キャップ（１２）と前記基板（２）との間に形成されるベント（５２、５２’）によって作られる、請求項３５に記載の圧力測定デバイス。
【請求項３７】
請求項１から３６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの圧力測定デバイスと、同じ基板の上または中に作られた少なくとも１つの慣性センサとを備える、ＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳアセンブリ。
【請求項３８】
ａ）基板上の堆積およびエッチングによって、センサの様々な素子を作成するステップと、
ｂ）膜を解放するステップとを含む、請求項１から３６のいずれか一項に記載の圧力測定デバイスの製造方法。
【請求項３９】
ステップａ）ではキャップが作成されず、前記方法が、ステップｂ）に先立って、前記基板上に前記キャップを作成するか、または前記基板上に前記キャップを移送および封止するステップを含む、請求項３８に記載の製造方法。
【請求項４０】
前記基板上の前記キャップの封止が真空下で行われる、請求項３９に記載の製造方法。
【請求項４１】
前面および／または裏面のビアを用いて再接続が成される、請求項３８、３９、または４０に記載の製造方法。
【請求項４２】
ステップａ）において、少なくとも１つの慣性センサが同時に作成される、請求項３８から４１のいずれか一項に記載の方法のステップを含む、一連のセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、最適化された感度を有する圧力センサであって、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）および／またはＮＥＭＳ（ナノ電気機械システム）タイプのものであるセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは、従来、その２つの面の間に掛けられる圧力差を受けて変形することができる、埋込み膜で作られる。絶対圧力センサの場合、膜が、真空下の基準体積を測定される外部媒体から分離する。次に、膜は、外圧に応じて多少変形する。
【０００３】
膜の変形は様々な技術によって検出し測定することができる。
【０００４】
それらの１つは容量型である。膜のたわみは、膜とそれに面する固定対向電極との間に形成されたコンデンサの容量の変動を測定することによって決定される。膜は第１の基板上に作られ、対向電極は第２の基板上に形成され、次に、両方の基板は真空下で封止される。したがって、コンデンサエアギャップ距離は、封止するエアギャップによって決定されるが、これを完全に制御することは難しい。
【０００５】
別の検出技術は圧電抵抗ゲージを実装するものであり、ゲージは次に、膜上に直接設けられ、膜は次に、膜の変形によって直接変形される。
【０００６】
別の検出技術は、例えば懸架ビームまたは音叉タイプのものである共振器を実装するものである。この技術は、共振器の共振周波数の変動を測定するものである。圧力の影響による膜のたわみは、膜に直接取り付けられた共振器に対する歪みを生成し、その結果、その共振周波数が変化する。したがって、周波数オフセットの測定によって圧力を取得することができる。
【０００７】
使用される検出技術にかかわらず、圧力センサは最適化された感度を提供しない。さらに、それらは容易な差動検波を可能にしない。
【０００８】
さらに、製造方法の観点から見て、ＭＥＭＳ圧力センサを作るのに実施される技術は、一般に、表面技術において慣性センサを作るのに使用されるものとは大きく異なる。その結果、これら２つのタイプのセンサを融合することはほぼ不可能である。
【０００９】
特許文献１は、測定ゲージが形成される余分な厚さを備えた懸架膜を備え、それらゲージが２つの独立した要素上で固着されていない、圧力センサについて記載している。余分な厚さは膜とともに変形した屈曲であり、それによってゲージが変形する。ゲージは回転軸上に設けられる。このセンサは最適化された感度を提供しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第０１４３７３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の１つの目的は、最適化された感度を可能にするＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳタイプの圧力測定デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的は、基板とともにキャビティを画定する膜と、基板の第１の端部に膜にほぼ平行な軸線の周りで移動可能かつ回転可能に取り付けられ、第２の端部で膜と一体的に作られた、膜の変形を伝達する素子と、伝達素子の第１の端部に設けられた伝達素子の回転移動を検出する１つまたは複数の検出器であって、容量型もしくは共振型の懸架歪みゲージタイプのもの（つまり、その２つの端部によって空間に懸架されたゲージ）であり得る１つまたは複数の検出器とを備える、ＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳタイプの圧力測定デバイスによって達成される。伝達素子はレバーアームを形成し、したがって１つまたは複数の検出器に対する影響は増幅され、それによって圧力センサの感度を最適化することができる。このように作られたセンサは、性能が改善されるか、または等しい性能でサイズを低減させることができる。
【００１３】
さらに、膜および１つまたは複数の検出器は分断され、１つまたは複数の検出器は膜の直上になく、したがって膜および１つまたは複数の検出器を別個に最適化することが可能になる。
【００１４】
さらに、使用される検出器タイプにかかわらず、差動測定を行うのは比較的簡単である。
【００１５】
換言すれば、膜によって検出器（１つまたは複数）に出力される信号を伝達し増幅することができ、膜および１つまたは複数の検出器を位置的および機械的に分断することができるレバーアームが使用される。
【００１６】
したがって、本発明による圧力センサは、表面技術におけるＭＥＭＳまたはＮＥＭＳ慣性センサの製造技術を用いて作ることができ、それにより、異なるタイプのセンサを単一の基板上で関連付けることが容易になる。
【００１７】
したがって、本発明の１つの主題は、基板上で懸架された少なくとも１つの変形可能な膜であって、膜の面の１つが測定される圧力を受けるように意図された膜と、膜の変形を検出する手段であって、少なくとも部分的に基板上に設けられる検出手段と、膜の変形を検出手段に伝達する手段とを備え、前記伝達手段が変形不能であり、前記伝達手段が膜の上方で懸架され、前記伝達手段が、膜の面にほぼ平行な軸線の周りで回転可能に基板にヒンジ留めされ、測定される圧力を受けるように意図される面とは反対側の膜の面に面して設けられて、少なくとも所与の圧力を超えて前記伝達手段および膜が互いに一体的に移動可能であり、前記伝達手段が、膜の変形による変形または応力を増幅された形で検出手段に伝達する、ＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳ圧力測定デバイスである。
【００１８】
「変形不能な伝達手段」によって、膜および検出手段の剛性の少なくとも１０〜１００倍の剛性を有する伝達手段、例えばビームを意味する。
【００１９】
さらに、膜の変位は、圧力の影響下でのその変形に相当する。
【００２０】
回転によって、例えばねじれ付勢ビーム（ｔｏｒｓｉｏｎ  ｂｉａｓｅｄ  ｂｅａｍ）によって得られる、ねじれによって生じるアームの移動、または例えば屈曲ビーム、前記アームの回転の一部に追随するビームの屈曲による、屈曲によって生じるアームの移動を意味する。
【００２１】
一実施形態では、伝達手段は、有利には膜の最大変形範囲で膜と一体的である。
【００２２】
別の実施形態では、所与の圧力よりも低い圧力の場合、アームの第２の端部と膜との間に間隔が設けられる。
【００２３】
例えば、伝達手段は、検出手段が位置する少なくとも１つの第１の端部とアームが膜と一体である別の端部とを備える少なくとも１つの長手方向のアームを備える。
【００２４】
例示的な一実施形態では、長手方向のアームは、アームの長手方向軸線に沿って可撓性であり、膜の変形の軸線に沿って剛性であるリンクを通して膜と一体である。
【００２５】
一実施形態によれば、伝達手段は、長手方向のアームの第１の端部を検出手段に接続し、長手方向のアームに直交する少なくとも１つのねじれビームを備え、回転軸は、一方ではアームの第１の端部に、他方では基板および検出手段に固定される前記ねじれビームによって形成される。
【００２６】
ねじれビームは可変の断面を有することができる。有利には、ねじれビームの断面は、検出手段に対する固着部分の近傍では、基板に対する固着部分の近傍よりも大きく、それによって前記固着を剛性化することができる。
【００２７】
別の実施形態では、伝達手段は、長手方向のアームにほぼ平行な少なくとも１つの屈曲ビームを備え、屈曲軸は、一方では長手方向のアームに、他方では基板に固定される前記屈曲ビームによって形成される。有利には、屈曲ビームの断面は伝達アームよりも狭い。
【００２８】
特に興味深い例示的な一実施形態では、長手方向のアームは「Ｕ」字パターンを有し、前記パターンは、アームの前記第１の端部に対応する２つの端部を備え、前記第１の端部はそれぞれ横延長ビームを通して検出手段に接続される。
【００２９】
屈曲ビームは、単一の横延長ビームを備えた単一の第１の端部を備えるものと予期することができる。
【００３０】
付加的な特性によれば、デバイスは、膜を剛性化する手段を備えることができる。例えば、剛性化手段は、例えば放射方向でまたはハニカムとして設けられる、膜上の余分な厚さ範囲を形成する。
【００３１】
別の付加的な特性によれば、デバイスは、アームの第１の端部でアームに取り付けられた釣合い重りを備えることができる。
【００３２】
別の付加的な特性によれば、デバイスは、同じ圧力を受ける複数の変形可能な膜を備えることができ、伝達手段はすべての膜と一体である。
【００３３】
別の付加的な特性によれば、デバイスは、膜の変形を制限するように、圧力を受ける膜の面に対向して膜に面して設けられる停止部を備えることができる。
【００３４】
別の付加的な特性によれば、デバイスは、測定される圧力を受ける面に対向して膜の周りにキャビティを画定する、基板上のキャップを備えることができる。
【００３５】
例えば、測定される圧力を受ける膜の面、および圧力が測定される環境は、キャップを通して、かつ／またはキャップと基板との間で連通することができる。
【００３６】
一実施形態によれば、検出手段は、一端によって固定パッドを通して基板に、また別の端部によってねじれビームまたは伝達アームに接続される少なくとも１つの懸架歪みゲージを備える。
【００３７】
例えば、歪みゲージは、圧電抵抗ゲージ、圧電ゲージ、および共振器と呼ばれる共振ゲージから選択される。
【００３８】
例示的な一実施形態では、検出手段は、そのどちらかの面では一端によってねじれビームに、また別の端部によって固定パッドを通して基板に取り付けられる、２つの歪みゲージを備えることができる。有利には、これらのゲージは、伝達アームに対して対称的に設けられる。あるいは、ゲージを同じ面に設けることもできる。
【００３９】
別の例示的な実施形態では、検出手段は、そのどちらかの面ではねじり軸の近傍で、かつ好ましくは可能な限りそれに近接して、一方では伝達アームの第１の端部の少なくとも１つに、また別の端部では固定パッドによって基板に取り付けられる、２つの歪みゲージを備える。
【００４０】
有利には、固定パッドは電気接点を備える。
【００４１】
別の実施形態では、検出手段は、第１の端部によってねじれビームに、また別の端部によって基板上の固定パッドに接続される少なくとも１つの共振器と、共振器を励起する手段と、共振器の共振周波数を検出する手段とを備える。
【００４２】
別の実施形態では、検出手段は可変容量タイプのものである。例えば、検出手段は、基板上の少なくとも１つの第１の固定電極と、伝達手段と一体であって固定電極に面する少なくとも１つの第１の可動電極とを備える。
【００４３】
圧力測定デバイスは、第２の固定電極および第２の可動電極を備えることができ、差動測定デバイスを形成するように、前記第２の電極は回転軸に対して第１の電極に対向して位置する。
【００４４】
例示的な一実施形態では、キャビティは緊密である。例えば、前記緊密なキャビティで真空が作られて、絶対圧力センサを形成する。ゲッター材料は、膜の上方および／またはキャップに面する基板上に位置するキャップ範囲で、キャップ上に堆積させることができる。
【００４５】
別の例示的な実施形態では、キャビティは外部環境に接続されて、相対圧力センサまたはマイクロホンが形成される。キャビティと外部環境との間の接続は、キャップを通してまたはキャップと基板との間に形成されるベントによって作ることができる。
【００４６】
本発明の１つの主題は、また、本発明による少なくとも１つの圧力測定デバイスと、同じ基板の上または中に作られた少なくとも１つの慣性センサとを備える、ＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳアセンブリを提供することである。
【００４７】
本発明の別の主題は、
ａ）基板上の堆積およびエッチングによって、キャップを除くセンサの様々な素子を作成するステップと、
ｂ）基板上にキャップを作成するか、または基板上にキャップを移送および封止するステップと、
ｃ）膜を解放するステップとを含む、本発明による圧力測定デバイスを製造する方法である。
【００４８】
基板上のキャップの封止は、例えば真空下で行われる。
【００４９】
ステップａ）またはｂ）の間、方法は、キャップおよび／または基板の内面にゲッター材料を堆積するサブステップを含むことができる。
【００５０】
再接続は、例えば、前面および／または裏面のビアを用いて成される。
【００５１】
本発明の別の主題は、本発明による方法のステップを含む一連のセンサの製造方法であり、ステップａ）において、少なくとも１つの慣性センサが同時に作成される。
【００５２】
本発明は、以下の記載および添付図面を使用してより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ−１Ｂ】図１Ａは、本発明による懸架歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの例示的な一実施形態の平面図である。図１Ｂは、本発明による懸架歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの例示的な一実施形態の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図１Ａ．】回転可能なヒンジが屈曲変形可能なビームによって作られた、図１Ａの代替実施形態を示す図である。
【図１Ｂ．】軸線Ｘに沿って可撓性であり、膜と伝達アームとの間の軸線Ｚに沿って剛性であるヒンジが作られた、図１Ａ’の代替実施形態の斜視図である。
【図２Ａ】本発明による容量性検出を含む圧力測定デバイスの例示的な一実施形態の平面図である。
【図２Ｂ】本発明による容量性検出を含む圧力測定デバイスの例示的な一実施形態の長手方向断面図である。
【図３】差動容量性測定を実行する圧力測定デバイスの例示的な一実施形態の平面図である。
【図４】複数の膜を備える歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の平面図である。
【図５Ａ−５Ｂ】図５Ａは、センサを損傷することがある過剰圧力リスクを制限することができる機械的停止部を有する、本発明による歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の平面図である。図５Ｂは、センサを損傷することがある過剰圧力リスクを制限することができる機械的停止部を有する、本発明による歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図６Ａ−６Ｂ】図６Ａは、変形可能な膜の局所的な剛性化を有する、本発明による歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の平面図である。図６Ｂは、変形可能な膜の局所的な剛性化を有する、本発明による歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図７】加速に対する感度を低減させた、歪みゲージ検出を含む圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の平面図である。
【図８】共振圧力測定デバイスの別の例示的な実施形態の平面図である。
【図９】ゲッター層を備える、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的な実施形態の縦断面図である。
【図１０】ベントを備え、歪みゲージ検出を含む本発明による相対圧力測定デバイスまたはマイクロホンの代替実施形態の縦断面図である。
【図１１】ベントを備え、歪みゲージ検出を含む本発明による相対圧力測定デバイスまたはマイクロホンの代替実施形態の縦断面図である。
【図１２Ａ−１２Ｂ】図１２Ａは、図１Ａおよび１Ｂの圧力測定デバイスの代替実施形態の平面図である。図１２Ｂは、図１Ａおよび１Ｂの圧力測定デバイスの代替実施形態の線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。
【図１３】歪みゲージ検出および慣性センサを含む本発明による圧力測定デバイスを一体化するアセンブリの縦断面図である。
【図１４】ここでは膜と反対側を貫通する電気接点を備えた、図１３のアセンブリの代替実施形態の縦断面図である。
【図１５Ａ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの平面図および縦断面図である。
【図１５Ｂ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの平面図および縦断面図である。
【図１５Ｃ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの縦断面図である。
【図１５Ｄ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの平面図および縦断面図である。
【図１５Ｅ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの平面図および縦断面図である。
【図１５Ｆ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの平面図および縦断面図である。
【図１５Ｇ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの平面図および縦断面図である。
【図１５Ｈ】本発明による圧力測定デバイスを製造するステップの縦断面図である。
【図１６】圧力センサの静圧補償および／または自己校正および／または自己診断を可能にする、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的なセンサの平面図である。
【図１７Ａ−１７Ｂ】図１７Ａは、圧力センサの静圧補償および／または自己校正および／または自己診断を可能にする、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的なセンサの平面図である。図１７Ｂは、圧力センサの静圧補償および／または自己校正および／または自己診断を可能にする、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的なセンサの断面Ｅ−Ｅに沿った縦断面図である。
【図１７Ａ．】圧力センサの静圧補償および／または自己校正および／または自己診断を可能にする、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的なセンサの縦断面図である。
【図１８Ａ】受動静圧補償手段を備える、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的なセンサの平面図である。
【図１８Ｂ】受動静圧補償手段を備える、歪みゲージ検出を含む本発明による別の例示的なセンサの断面Ｅ−Ｅに沿った縦断面図である。
【図１９】圧電測定を実行し、軸線Ｘに沿って可撓性であり、膜と伝達アームとの間の軸線Ｚに沿って剛性であるヒンジを備える、圧力測定デバイスの例示的な実施形態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下の記載では、センサはＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳタイプのものであるが、単純にするため、単に「センサ」という用語によって指定される。
【００５５】
同じ機能および同じ形状を有する要素および部分は同じ参照番号によって指定される。
【００５６】
図１Ａおよび１Ｂはそれぞれ、基板２と、基板上で懸架される膜４であって、その両面の圧力差の作用を受けて変形する膜４と、基板上に位置する膜の変形を検出する手段６と、膜４の変形を検出手段６に伝達することができる手段とを備える、圧力センサの例示的な一実施形態の平面図および断面図である。
【００５７】
本出願では、単純にするため、「基板」によって、支持基板２と、例えば膜および伝達手段が作られる層（１つもしくは複数）など、この支持基板上に設けられる層とを意図する。
【００５８】
膜４は、その面の１つ４．１において、測定することが望ましい圧力Ｐを受け、図１Ｂの図面では、これは膜の下面である。他の面４．２は、膜４とキャップ１２との間に形成されるキャビティ１０で作られる基準圧力を受ける。絶対圧力センサの場合、真空がキャビティ１０に作られる。キャップ１２は、漏止めビード１３を用いて、またはビードがないタイプの直接封止によって、基板２上に封止される。
【００５９】
図示される実施例では、膜４はディスク形状（図１Ａの点線内）であるが、正方形、六角形などの任意の他の形状を有することができる。
【００６０】
膜４の変形を検出手段６に伝達する手段は、長手方向軸線Ｘを有し、第１の長手方向端部１４．１で基板に対して移動可能かつ回転可能に取り付けられたアーム１４によって形成され、回転軸Ｙは、膜および基板の面にほぼ平行である。さらに、アーム１４はその第２の長手方向端部１４．２で膜と一体的に移動可能に作られる。アームは変形不能であり、つまり、膜および伝達手段の剛性の少なくとも１０〜１００倍の剛性を有する。アーム１４は膜４の上方で懸架され、すなわち膜の上方に位置し、アーム１４と膜との間にエアギャップが存在し、アーム１４と膜４との唯一の接触はアーム１４の第２の長手方向端部１４．２である。
【００６１】
アームは、図示される実施例では、断面が長方形の剛性ビームの形状を有する。あるいは、ビームは台形を有することができる。
【００６２】
好ましくは、アーム１４の第２の長手方向端部１４．２は、最大変形を有する範囲において、またはその近傍で膜と一体である。したがって、検出手段によって見出される回転軸Ｙを中心にしたアームの移動は最大であり、したがってセンサ感度が最適化される。
【００６３】
当然ながら、膜と一体のアーム１４の部分は、第１の長手方向端部１４．１と第２の長手方向端部１４．２との間の、第２の長手方向端部１４．２とは別の部分であることができる。
【００６４】
検出手段６は、アームの第１の長手方向端部１４．１の移動を検出するように基板上に設けられ、この移動は膜４の変形幅に比例する。アーム１４はレバーアームを形成するので、検出手段６によって見出される応力は膜変形に対して増幅される。ゲージ測定の場合、レバーアームはゲージに掛けられる応力を増加させるが、運動量保存の法則により、膜の変形幅に対する変形幅を減少させる。
【００６５】
図１Ａに示される一実施形態では、軸線Ｙの枢動リンクは、軸線Ｙを中心にして付勢される軸線Ｙのねじれを伴ってビーム１８によって形成される。ビームは、基板上でその端部それぞれにおいて固着される。以下の記載では、ビーム１８は「ねじり軸１８」と指定される。有利には、このビーム１８は、応力すべてを伝達し、ゲージがその上に取り付けられる、軸線Ｘに沿った屈曲剛性部（ｆｌｅｘｕｒｅ  ｒｉｇｉｄ  ｐａｒｔ）と、やはり応力の軸線Ｘに沿って屈曲剛性である、その端部で一部を形成するねじり軸線とを備える。
【００６６】
別の実施形態では、また図１Ａ’および１Ｂ’に示されるように、アーム１４の軸線に平行な軸線を有する１つまたは複数の屈曲付勢ビーム１１８によって回転ヒンジを形成することができる。図１Ｂ’では、ビーム１１８は屈曲状態で見ることができ、さらにこの代替例では、軸線Ｘに沿って可撓性であり、膜と伝達アーム１４との間の軸線Ｚに沿って剛性であるリンク１５は、図３の実施形態と同様に機能する。好ましくは、伝達素子は、ほぼＵ字形であり、Ｕ字の底部は膜４と一体に作られ、２つの分岐の自由端は第１の端部を形成し、検出手段を付勢する。
【００６７】
図１Ａおよび１Ｂならびに１Ａ’および１Ｂ’に示されるデバイスでは、検出手段６は、第１の端部１６．１によってねじり軸１８上に、また第２の端部１６．２によって基板２に対する固定パッド２０にそれぞれ取り付けられた、２つの懸架歪みゲージ１６によって形成される。その結果、アーム１４によって増幅された応力は、ゲージの長手方向端部に加えられる。
【００６８】
軸線Ｙに対する横断方向でのビーム１８の剛性は、好ましくは、ゲージ（１つまたは複数）の圧縮状態での剛性の少なくとも１０倍超過であり、それによって、ビーム１８の変形とビームに伝達される変形の低減が回避される。
【００６９】
ゲージ１６は、回転軸およびアーム１４のどちらかの側に設けられる。
【００７０】
検出手段は単一の歪みゲージのみを備えてもよい。２つの歪みゲージを実装することによって差動測定を行うことが可能になって、デバイスの感熱性が低くなる。
【００７１】
ゲージの固定パッド上には電気接点２２、２４が形成される。パッド２０の１つには、電気接点２４が基板２の裏面の変形可能な膜の側に作られ、歪みゲージ１６を付勢するのに使用することができる。接点は、ビアまたはＴＳＶ（貫通シリコンビア（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａｓ））を用いて、または固定パッド２０を通してゲージに接続される。
【００７２】
歪みゲージは、圧電材料または圧電抵抗材料のものであり得る。
【００７３】
ゲージは、それらの受感軸がリンクアームにほぼ平行であるように、したがってリンクアームの回転軸にほぼ直交するように方向付けられる。それに加えて、各ゲージの中立線は、伝達アームの回転軸の上方または下方に設けられる。これについて、ゲージはねじれビームおよび／または屈曲ビームよりも薄い厚さを有することができる。例えば、このより薄い厚さを同じ層から得るため、余分な厚さを前記ビームに堆積させることができる。
【００７４】
次に、図１Ａおよび１Ｂの圧力センサの動作について説明する。
【００７５】
基準圧力であるキャビティ１０の内部と接触している膜４の面４．２と、圧力を測定することが望ましい環境と接触している膜の面４．１との間に圧力差が現れると、膜は変形する。変形は、測定される圧力の基準圧力に対する値に応じて、キャビティから内側に、あるいはキャビティから外側に生じる。
【００７６】
この変形は、膜と一体のアーム１４に対する力を誘発し、その結果、歪みゲージ１６に応力が生成される。この応力は、アームおよびその軸線Ｙを中心にした枢動によって増幅される。次に、例えば、圧電抵抗ゲージの場合はゲージの電気抵抗の変動を測定することによって、ゲージ１６が受けた応力が測定される。その結果、これらの測定によって、膜および環境圧力で見出される圧力差を決定することができる。
【００７７】
膜による力の作用点と回転軸Ｙとの間のアーム長さが長くなるので、レバーアームによる応力の増幅はすべてより高くなり、回転軸はゲージに対する応力の作用点に近接する。ゲージの断面（厚さ、幅）が小さくなるので、応力はやはりすべてより高くなる。
【００７８】
したがって、センサの感度が増加される。したがって、例えば膜の面積を低減させる一方で同じ性能を保存することによって、より効率的なセンサを提供するか、または結果としてセンサのサイズを低減することができる。
【００７９】
図２Ａおよび２Ｂでは、検出が容量性手段によって行われる、本発明による圧力センサを見ることができる。
【００８０】
検出手段６’は容量型のものであり、つまり、コンデンサ２５の容量の変動の測定を通して検出が得られる。検出手段６’は、基板２上に位置する固定電極２６と、アーム１４と一体であり、固定電極２６に面する可動電極２８とを備える。可動電極２８は、アーム１４の第１の端部１４．１に取り付けられる。固定電極２６は接点３０に接続され、可動電極は、ねじり軸１８の固定パッドの１つに形成された電気接点に接続される。
【００８１】
膜４が変形されると、アーム１４は可動電極２８をともに駆動し、それによって固定電極２６に対して移動させる。両方の電極２６、２８の間のエアギャップ距離が変動するが、この変動は、膜４の変形を、またしたがって環境圧力を表す。
【００８２】
アーム１４を実装したおかげで、可動電極２８の変位を膜４の変位に対して増幅することができる。したがって、所与の圧力に対して、容量の変動が増加する。圧力センサの感度はこのように増加される。
【００８３】
図３では、容量検出を含み、差動測定を可能にする圧力センサの例示的な一実施形態を見ることができる。
【００８４】
このセンサは、第２の容量変動を測定できるようにするため、少なくとも１つの付加的な可変容量コンデンサ３２を備えるという点で、図２Ａおよび２Ｂのものとは異なる。図示される実施例では、２つの付加的なコンデンサ３２があり、したがって、可動電極３４はねじり軸１８と膜４との間に位置し、アーム１４のどちらかの側でねじり軸１８に接続される。固定電極３６（点線で表される）は、基板２上の可動電極３４に面して位置する。固定電極３６は接点パッド３７および３０に接続される。
【００８５】
コンデンサ２５の容量が増加すると、付加的なコンデンサ３２の容量が減少することに留意されたい。好ましくは、ねじり軸１８と電極２８との間の距離は、増幅を同じにするように、ねじり軸と電極３４との間の距離と同じである。差動測定を得るため、電極２８の面積は両方の電極３４の面積の合計と等しいように選択される。
【００８６】
図４では、複数の膜４を備え、アーム１４が膜４それぞれに接続され、図示される実施例では、２つの膜が軸線Ｘのそれぞれの側に設けられ、アームが、アーム３９のそれぞれの側で延在し、それらの端部の近傍で膜４に接続される、２つの平行な横断素子３９を備える、図１Ａおよび１Ｂの圧力センサの代替実施形態を見ることができる。
【００８７】
４つの膜４の変形はアーム１４に歪みを加えるが、４つの膜の合計面積は単一の膜の合計面積よりも大きく、アームに加えられる力およびしたがってゲージに加えられる力が増加する。この実施形態は、圧電抵抗または共振ゲージなどの歪みゲージセンサに関して特に興味深い。
【００８８】
図５Ａおよび５Ｂでは、図１Ａおよび１Ｂの圧力センサの別の代替実施形態を見ることができる。センサは、膜４とキャップとの間に設けられる停止手段３８を備える。
【００８９】
停止部３８は、膜４の移動を、また結果としてアーム１４の移動を制限して、ゲージ１６を保護するのに使用される。実際に、圧力チョックの場合、膜によって見出される圧力は製造中に与えられる測定範囲外にある場合があり、膜４は、アーム１４を介して、ゲージ（１つまたは複数）１６が抵抗できる応力よりも高い応力を加える可能性がある。
【００９０】
停止部３８を、最大変形を有する膜の範囲に多少近接させて位置付けることによって、膜の移動およびしたがってアームの移動が制限され始める圧力レベルを単純に設定することができる。
【００９１】
例えば、停止部がキャップ１２によって直接、またはアームの上方でキャップ上に作られる場合、停止部がアームの上方にあり、アームの停止部を直接形成することを予期することができる。
【００９２】
停止部の電位を制御するため、電気接点４０を停止部の固定パッドに付加することができ、例えば、停止部は膜の電位にあることができ、それによって、膜が停止部と接触している場合の短絡のリスク、および停止部に対する膜の寄生静電引力のリスクを回避することができる。
【００９３】
図６Ａおよび６Ｂでは、図１Ａおよび１Ｂの圧力センサの別の代替実施形態を見ることができる。膜４’は、アーム１４およびゲージ（１つまたは複数）１６に加えられる応力の利益のために膜４の変形を低減するため、局所的に増加した剛性を有する。
【００９４】
図示される実施例では、膜４は、傘の骨に類似した構造を有する放射方向の余分な厚さ４１を膜４に付加することによって、局所的に剛性化される。ハニカム構造、ならびに膜の剛性を増加させる他の任意の手段も適切であり得る。剛性化のレベルは、センサが加速に対して敏感になりすぎるのを回避するために選択される。
【００９５】
図７では、ねじり軸１８とアーム１４の第１の長手方向端部１４．１との間でアーム１４に取り付けられ、アーム１４および／または膜４の重量を補償する釣合い重り４２を備える、図１Ａおよび１Ｂのセンサの別の代替実施形態を見ることができる。
【００９６】
好ましくは、また図７に示されるように、釣合い重り４２はアーム１４の第１の端部１４．１に取り付けられる。釣合い重り４２は、釣合い重り４２が付加される膜４とアーム１４のアセンブリの重心を、回転軸Ｙに可能な限り近接するように、またはさらには回転軸Ｙ上に来るように、回転軸Ｙに向かって移動させる。
【００９７】
したがって、圧力センサは、面外加速（ｏｆｆ−ｐｌａｎｅ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）に対して、つまり膜をたわませる傾向がある加速に対して低感度であるか、またはさらには非感受性である。
【００９８】
図８では、検出手段６’’が共振型のものである、本発明による圧力センサの別の例示的な実施形態を見ることができる。検出手段６’’は、ねじり軸１８と電気接点を保持する固定パッド４６との間で懸架される共振器４４と、共振器４４を励起する手段４８と、共振器４４の共振周波数の変動を、つまりその共振周波数を検出する手段５０とを備える。励起手段４８および検出手段５０は、例えば容量型のものであり、電極によって形成される。共振器は圧電型であり得る。したがって、励起および検出は共振器に設けられる電極によって達成される。第２の共振器を軸線Ｙの反対側に設けることもできる。
【００９９】
共振器は、アーム１４の面外移動に敏感であるようにするため、ねじり軸１８に対して低減された厚さを有する。
【０１００】
このセンサの動作は次のとおりである。膜４が変形すると、それによってアーム１４に応力が加わり、それが共振器４４に伝達される。共振器４４は励起手段４８によって励起され、共振して振動する。それに加わる応力によって、共振周波数が変動し、その変動が次に検出手段５０によって測定される。結果として、膜変形およびしたがって環境圧力を取得することができる。
【０１０１】
図９では、例えばキャビティ１０内部に位置するキャップの面上に堆積される、キャビティ１０に設けられたゲッター材料層５１を備える、絶対圧力センサのさらに別の代替実施形態を見ることができる。この層５１によって、キャビティ１０内で真空を安定化および／または改善することができ、それによってセンサの信頼性および性能が改善される。
【０１０２】
図１０および１１では、基準キャビティが大気圧に接続される場合の、図１Ａおよび１Ｂの圧力測定デバイスの別の代替例を見ることができる。
【０１０３】
図１０では、ベント５２は、例えばエッチングまたはレーザー穿孔によって、キャップ１２を貫通して優先的に直接作られる。
【０１０４】
図１１では、ベント５２’は、例えば漏止めビードによって、キャップ１２と基板４との間で横方向に形成される。
【０１０５】
これらのデバイスは相対圧力センサまたはマイクロホンを形成することができる。
【０１０６】
図１２Ａおよび１２Ｂでは、膜４の下面４．２が、基板の面に平行に基板に形成されたダクト５４、およびキャップの面に垂直にキャップ１２を通って、かつセンサの前面に開口して形成されたダクト５５によって測定される圧力と接触する、図１Ａおよび１Ｂの圧力センサのさらに別の代替実施形態を見ることができる。ダクト５４は、チップを、例えば鋸またはレーザーを用いて作られる切断線を製造するときに作ることができる。
【０１０７】
図１３では、本発明による圧力センサと慣性センサとの例示的な一体化を見ることができる。この一体化は、本発明による圧力センサＰＳを、加速度計またはジャイロメータなどの慣性センサ技術を用いて作ることができるという事実によって可能になる。
【０１０８】
図１３では、圧力センサＰＳ（図１３の図面の右側）、ならびに圧力センサと同じ基板に作られたインターデジタル構造の容量性コーム（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｃｏｍｂｓ）５６を備える慣性センサＩＳ（図１３の図面の左側）を見ることができる。
【０１０９】
図示される実施例では、慣性センサＩＳの封入は、キャビティ５８を圧力センサのキャビティ１０と区別することによって達成され、漏止めビード６０がそれらを分離する。しかし、閉じたキャビティ１０の場合、センサＰＳおよびＩＳ両方に対して単一のキャビティを考慮することができる。
【０１１０】
図１４でも、圧力センサＰＳおよび慣性センサＩＳの例示的な一体化を見ることができ、他の実施例のように基板を通る裏面ではなく、キャップの前面を通るビア（またはＴＳＶ）によって前面で再接続が行われる。
【０１１１】
図１６では、別の例示的な実施形態を見ることができる。センサの構造は、図１Ａのセンサの構造に近い。膜変形の検出は圧電ゲージによって達成される。
【０１１２】
図示される実施例では、圧力センサは、圧力センサの静圧および／または自己校正および／または自己診断補償を備える。
【０１１３】
センサは、容量性作動（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ａｃｔｕａｔｉｏｎ）を有する二対の電極６６．１、６６．２を備え、第１のもの６６．１は回転軸Ｙと膜４とのリンクとの間に位置し、他方のもの６６．２は回転軸Ｙの他方に位置する。各対の上部電極と呼ばれる電極はアーム上に位置し、各対の下部電極と呼ばれる電極は基板上に位置するが、基板から電気的に絶縁される。下部電極は点線で表される。
【０１１４】
各対の上部電極は、アーム１４およびパッド１９を通して電気的に接続される。接続パッド６８は対６６．１の下部電極の作動を担保し、接続パッド７０は対６６．２の下部電極の作動を担保する。
【０１１５】
電極６６．１、６６．２を作動させると、下部電極と上部電極との間に静電力が現れる。
【０１１６】
図１６の図面では、電極６６．１の作動によってアームが上向きに移動することができ、電極６６．２の作動によってアームが上向きに移動することができ、それによって膜変形に作用することができる。
【０１１７】
電極６６．１の作動によって、アーム１４が時計方向に枢動し、膜が基板２に向かって移動し、それによって、この静圧から来る膜変形のすべてまたは一部を相殺して、この圧力周辺での圧力の変動のみを測定することができる。
【０１１８】
例えば、気圧の約０．５倍を相殺するように要求することができる。
【０１１９】
これは、静圧値周辺での圧力の非常に小さな変動を測定しなければならない圧力センサの場合に特に興味深い。
【０１２０】
電極６６．２の作動によって、アームが反時計方向に枢動し、膜が基板２から離れる方向に移動する。
【０１２１】
作動電極６６．２の作動によって自己診断を行うことができる。その結果、電極対６６．２の静電作動手段によって膜４を上向きに変形させることによって、また検出手段がこの誘発された変形に感度を持つことを検査することによって、センサの滑らかな動作を検査することができる。
【０１２２】
作動電極６６．２の作動によって自己校正も行うことができる。この場合、圧力センサは、作動電極６６．２の間に既知の電圧を印加し、基準圧力を「シミュレート」する膜の変形を誘発し、結果としてセンサからの出力信号をリセットできるようにすることによって校正される。
【０１２３】
検出手段、例えば圧電抵抗ゲージは、この補償された静圧周辺での圧力の変動を測定するのに使用される。
【０１２４】
自己診断および／または自己校正手段あるいは静圧相殺手段のみを備える圧力センサは、本発明の範囲外ではない。
【０１２５】
これらの電極を実装することによって、特に容量性検出の場合に、アームおよび膜の位置を制御可能にすることができる。
【０１２６】
有利な形では、電極対６６．１は膜４に対して回転軸Ｙの反対側に位置する。
【０１２７】
図１７では、圧力センサの静圧および／または自己校正および／または自己診断補償手段を備える圧力センサの別の例示的な実施形態を見ることができる。
【０１２８】
この実施例では、作動電極は膜に直接作用することができるようなものである。
【０１２９】
図１７Ａおよび１７Ｂでは、作動電極６９は膜の上方に位置し、これはＭＥＭＳ層に作られる。電極６９は、長手方向軸Ｘに垂直に延在するビームの形態である。図示された実施例では、ビームはその端部の一方では埋め込まれ、埋込み部７１は電気接続も形成する。あるいは、電極６９は膜の表面全体に延在することができる。有利な形では、作動電極はその両端で埋め込まれる。
【０１３０】
別の実施例では、作動電極７０’は、基板の一部を使用することによって膜１４の下方に位置することができる。これについて、圧力取込み開口部の断面は低減され、それによって基板の一部が膜に面することができる。この実施例は図１７Ａ’に示される。
【０１３１】
図１８Ａおよび１８Ｂでは、受動静圧補償手段を備える圧力センサの特に興味深い一実施形態を見ることができる。
【０１３２】
この例示的な実施形態では、膜変形の初期段階においてアーム１４の作用を伴わずに膜が変形できるようにするため、膜とレバーアーム１４の端部との間に間隔７２が設けられる。間隔７２は、補償される静圧の割合に応じて決定される。例えば、この静圧の９０％を補償するのが望ましい場合があり、したがって、ゲージは補償される静圧の９０％を上回って加えられる圧力を超える応力のみを確かめる。
【０１３３】
この実施形態のおかげで、圧力センサの分解能を５〜１０倍に増加させることができる。
【０１３４】
あるいは、圧力センサは、間隔７２に加えて、膜と増幅アームとの間の可撓性の機械的なリンクを備えることができる。この可撓性のリンクは、膜が増幅アーム１４と直接機械的に接触しない限り、ゲージに対して実質的に応力を伝達しないように寸法決めされる。この可撓性の機械的リンクによって、膜およびアーム１４が圧力にかかわらず同じ電位にあることが可能になる。可撓性のリンクは、例えば可撓性のビームまたはバネによって形成される。
【０１３５】
図１９では、有利には膜４とアーム１４との間に可撓性のヒンジ１１５を備える、圧力センサの別の例示的な実施形態を見ることができる。このヒンジはバネまたは屈曲ビームタイプのものである。図１９では、これは屈曲ビーム１１６であり、それによって、膜変形によって誘発されるＺ軸線に沿った歪みを完全に伝達するとともに、この変形によるアーム１４の軸線に沿うＸ軸線に沿った寄生歪みを制限することが可能になる。このリンクは、膜変形を妨害しないように軸線Ｘに沿ってある程度の可撓性を有し、変形全体を膜からアームに伝達するためある程度の剛性を有する。
【０１３６】
歪みゲージ検出を含む圧力センサに関して代替実施形態を記載してきたが、図４、５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ、７、９、１０、１１、１２Ａ、１２Ｂ、１３〜１９の代替例は、図２Ａ、２Ｂ、３、および８それぞれに示される容量検出を含む圧力センサまたは共振圧力センサに適用可能である。
【０１３７】
膜の周りに設けられる個別の検出手段に変形をそれぞれ伝達し、レバーアームが放射方向に延在する、複数のレバーアームの実装を考慮することができる。
【０１３８】
さらに、本発明の範囲から逸脱することなく異なる代替例を組み合わせることができる。
【０１３９】
本発明のおかげで、膜および検出手段は分断され、それによってそれらを別個に最適化することができる。
【０１４０】
さらに、共振センサの場合または歪みゲージ検出を含む場合の応力の増幅、および容量検出センサの場合の移動の増幅は、高感度利得をもたらし、圧力センサをより効率的にすることができるか、あるいはそのサイズを低減することができる。
【０１４１】
それに加えて、本発明のおかげで、圧電抵抗検出手段ならびに容量または共振検出手段両方の使用する場合において、差動測定圧力センサの製造は技術的に単純化される。この差動測定によって、信号／雑音比を増加させ、センサの感熱性を制限することができる。
【０１４２】
さらに、本発明による圧力センサの製造技術は、表面技術におけるＭＥＭＳおよび／またはＮＥＭＳ慣性センサの製造技術に非常に近く、したがって、既存の方法のほとんどを組み合わせることが可能である。また、その結果、図１３および１４に示されるこれらの様々なセンサを融合することが可能である。
【０１４３】
歪みゲージ検出の特定の場合では、ゲージはナノメートル規模の断面のものであることができ、それによって高い応力集中が担保され、感度が増加する。さらに、ゲージはキャップによって外部媒体から保護される。
【０１４４】
容量性検出の場合、キャビティ１０の体積は膜と固定電極との間の静電エアギャップに干渉しない。その結果、真空下で高い体積を有するキャビティ１０を作ることができ、それによって、従来のセンサよりも安定し、かつより高い傾向にある基準真空を得ることができる。
【０１４５】
さらに、膜と固定電極との間にある静電エアギャップは、犠牲層によって画定されるため、良好に制御される。
【０１４６】
キャビティの真空閉止（ｖａｃｕｕｍ  ｃｌｏｓｉｎｇ）は、例えば、共融、陽極、ＳＤＢ（シリコンダイレクトボンディング）、または直接封止によって、封止中に作られる。この場合、封止は、両方の基板の付着を担保する表面力を使用し、このタイプの閉止によって、蒸着プラギング（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｌｕｇｇｉｎｇ）を用いて得られるよりも信頼性の高い、良好な真空の質を得ることができる。
【０１４７】
それに加えて、製造方法によって、ゲッター材料を真空キャビティ１０に挿入することが可能になり、これは、特に低圧力感受性のセンサを作るため、時間に伴って高く安定した基準真空が望ましい場合に特に興味深い。
【０１４８】
最後に、センサの感受性部分の表面技術によって製造方法に一体化されるＴＳＶ（貫通シリコンビア）タイプの技術を使用して、膜および基板の電気的再接続を単純化することができ、センサの前面または裏面のどちらかによる再接続が可能になる。
【０１４９】
次に、図１Ａおよび１Ｂの歪みゲージ検出を含む圧力センサを製造する例示的な方法を、素子の平面図および断面図をそれぞれ示す図１５Ａ〜１５Ｈを使用して記載する。
【０１５０】
図示される異なるステップで作られている圧力センサの様々な部品の位置は、これらの部品の参照番号によって指定される。
【０１５１】
ベース基板上に薄層を連続的に堆積させ機械加工することによる、表面技術における製造方法に関する。
【０１５２】
最初に、厚さ１μｍのＢＯＸ（「埋込み酸化物」）および厚さ０．２μｍの能動シリコン層で作られてもよい、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１００がある。第２の層は、エピタキシーまたはシリコンもしくはＳｉＧｅの堆積によって得ることができる。
【０１５３】
シリコン上部層１０２は、数十ｎｍと数μｍとの間の厚さを有する。ＳＯＩ基板の酸化物層は１０１として指定される。
【０１５４】
歪みゲージ、ねじり軸、膜４の縁部、ゲージの接点および埋込みの範囲の縁部、ならびに裏面のねじり軸および再接続の開口部を画定するため、リソグラフィステップが行われる。図１５Ａでは、埋込みパッドの接点における開口部が作られ、それによって、これら開口部の酸化物エッチングに続いて、エピタキシーステップ中に基板１００と能動層１０２との間で電気接点を取得することが可能になる。
【０１５５】
次に、酸化物層１０１上で終わるシリコン層のエッチングが行われる。残っている樹脂が除去される。
【０１５６】
図１５Ａに示される素子が得られる。
【０１５７】
次に続くステップ中、ＳｉＯ２層１０６の堆積が行われる。
【０１５８】
次に、歪みゲージ、膜４を保護するため、またゲージおよびねじり軸の接点範囲と埋込みパッドの開口部と、膜４に対するアーム１４の固着範囲６４の開口部を画定するため、リソグラフィが行われる。
【０１５９】
次に、層１０２のシリコンおよびＳＯＩ基板のシリコン上で終わる層１０１および１０６の酸化物エッチングが行われる。残っている樹脂が除去される。このようにして得られる素子は図１５Ｂに見ることができる。
【０１６０】
次に続くステップ中、例えばエピタキシーによって、一般的に１μｍと数十μｍとの間の厚さを有する、単結晶シリコン層または多結晶シリコン層１０８の堆積が行われる。層１０８のメカノケミカルポリシングを行うことができる。得られる素子は図１５Ｃに見ることができる。
【０１６１】
次に続くステップ中、膜４の開口部範囲およびゲージ１６の開口部範囲を画定し、アーム１４および接点隔離範囲を画定するため、層１０８に対してリソグラフィが行われる。次に、ＳｉＯ２層１０６および１０１で終わる層１０８のエッチングが行われる。残っている樹脂が除去される。得られる素子は図１５Ｄに見ることができる。
【０１６２】
次に続くステップ中、例えば蒸気フッ化水素酸を用いて、アーム１４、ねじり軸、およびゲージがエッチングによって解放される。このステップ中、層１０６全体ならびにＳＯＩ基板のＳｉＯ２の一部がエッチングされる。このステップ中、膜４はまだ解放されない。得られる素子は図１５Ｅに見ることができる。
【０１６３】
次に続くステップ中、ビード１３を用いてキャップの真空封止が行われる。あるいは、封止は、例えば共融タイプ、またはガラスキャップの場合は陽極タイプ、つまりビードがないものであることができ、封止は表面１２および１０８両方を直接付着することによって達成される。キャビティは、少なくとも可動部品の上方で、封止の前にキャップに前もって作られる。
【０１６４】
キャップは前もって準備したものであることができる。キャップの準備は、キャビティを作るステップ、ゲッターを堆積させるステップ、共融封止の場合は電気的またはさらには電子的な（ＣＭＯＳ融合）経路を作るステップを含むことができる。
【０１６５】
このようにして膜の周りの緊密なキャビティ１０が形成される。
【０１６６】
次に、例えば、裏面の研磨または「裏面研削」およびメカノケミカルポリシングによって、基板の薄化が行われる。得られる素子は図１５Ｆに見ることができる。
【０１６７】
次に続くステップ中、裏面の接点を作るため、基板の裏面に金属層の堆積が行われる。
【０１６８】
次に、裏面の接点を結合するためにこの層のリソグラフィが行われ、最終的に金属層のエッチングが行われる。残っている金属層上の樹脂が除去される。
【０１６９】
接点隔離範囲と膜４の開口部の境界を定めるため、裏面で新たなリソグラフィが行われるとともに、例えばＳＯＩ基板の酸化物層１０１で終わる深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって、基板のエッチングが裏面で行われる。残っている樹脂が除去される。
【０１７０】
得られる素子は図１５Ｇに見ることができる。
【０１７１】
最後に、ＳＯＩ基板の酸化物層の裏面のエッチングが行われる。膜が解放される。慣性センサの機械加工は、層１０１で終わるＭＥＭＳ部品のエッチング（図１５Ｄ）と同時に行われ、ステップ１５Ｅ中に慣性センサが解放される。
【０１７２】
得られる素子は図１５Ｈに見ることができる。
【０１７３】
あるいは、例えば酸化物の犠牲層が上に堆積されており、かつ第１のポリシリコンまたはＳｉＧｅ−ポリ層が堆積されている、ＳＯＩ基板の代わりに標準基板を使用することが予期される。以下のステップは、ＳＯＩ基板から始まる上述のステップに類似している。
【０１７４】
厚さ値は単に一例として与えられる。一般に、（酸化物）犠牲層は数十ｎｍと数ミクロンの間であり、Ｓｉ、ＳｉＧｅなどの能動層は数十ｎｍと数十μｍの間である。
【０１７５】
本発明による圧力測定デバイスは、圧力測定が求められる任意の分野で、例えば自動車分野、医療分野、航空電子工学分野で、かつ消費者用途に使用することができる。
【０１７６】
さらに、このセンサは、例えば携帯電話などに見られるような、消費者用途向けのマイクロホンを作るのに、または医療分野では補聴器を作るのに使用することができる。
【符号の説明】
【０１７７】
２  基板
４  膜
４．１、４．２  膜の面
６  検出手段
１０  キャビティ
１２  キャップ
１４  アーム
１４．１  第１の長手方向端部
１４．２  第２の長手方向端部
１６  歪みゲージ
１６．１  第１の端部
１６．２  第２の端部
１８  ビーム
１９  パッド
２０  固定パッド
２２、２４  電気接点
Ｐ  圧力
Ｘ  長手方向軸線
Ｙ  回転軸
【図１Ａ−１Ｂ】
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【図１Ａ．】
0006053357.tif 000003
【図１Ｂ．】
0006053357.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ−５Ｂ】
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【図６Ａ−６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ−１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１６】
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【図１７Ａ−１７Ｂ】
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【図１７Ａ．】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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