(57)【要約】  高度な過負荷耐久性及び小さな構成サイズと同時に高い感度を有し且つ圧電抵抗式の測定値検出を可能にする、フレーム（３）に張設された、閉じられたダイヤフラム（２）を備えたマイクロマシニングセンサ素子（１）を提案する。このためには、ダイヤフラム（２）の領域に少なくとも１つの担体素子（４）が形成されており、該担体素子が、少なくとも１つの接続ウェブ（５）を介してフレーム（３）に接続されている。更に、前記接続ウェブ（５）の領域には、変形を検出するための圧電抵抗（６）が配置されている。
2009524211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム（３）に張設された、閉じられたダイヤフラム（２）を備えたマイクロマシニングセンサ素子（１）において、
ダイヤフラム（２）の領域に少なくとも１つの担体素子（４）が形成されており、該担体素子が、少なくとも１つの接続ウェブ（５）を介してフレーム（３）に接続されており、前記接続ウェブ（５）の領域に、変形を検出するための圧電抵抗（６）が配置されていることを特徴とする、マイクロマシニングセンサ素子。
【請求項２】
接続ウェブ（５）が、担体素子（４）よりも薄く、ダイヤフラム（２）よりも厚く形成されている、請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】
互いに向かい合って配置された少なくとも２つの接続ウェブ（５）が設けられている、請求項１又は２記載のセンサ素子。
【請求項４】
当該センサ素子（１）が、基板（１０）を有する層構成で実現されており、担体素子（４）と、少なくとも１つの接続ウェブ（５）とが、前記基板（１０）から構造化されており、ダイヤフラム（２）が、前記層構成（１１）において基板（１０）の上位に実現されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項５】
担体素子（４）の領域に、少なくとも１つの別のセンサ機能素子が形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ素子（３０）。
【請求項６】
前記センサ機能素子が、マイクロマシニング構造素子であり、この別の構造素子における測定値検出が、圧電抵抗式で行われる、請求項５記載のセンサ素子。
【請求項７】
担体素子（４）の領域内で、少なくとも１つのキャビティ（３１）がダイヤフラム（３２）の下位に形成されており、前記キャビティ（３１）の縁部域にわたって、該キャビティ（３１）の上位のダイヤフラム（３２）の変形を検出するための圧電抵抗（３３）が配置されている、請求項５又は６記載のセンサ素子。
【請求項８】
担体素子の領域に、ダイヤフラムに対して垂直又は平行に向けられた少なくとも１つのパドルが形成されており、該パドルの固定された端部の領域に、パドルの変位を検出するための圧電抵抗が配置されている、請求項５又は６記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記センサ機能素子が、熱的なセンサ、特に質量流量センサ、傾斜角センサ、サーモパイル、赤外線センサの構成部材である、請求項５記載のセンサ素子。
【請求項１０】
加速度センサとして、又は圧力センサとして、特に圧電抵抗式の低圧センサ又は圧電抵抗式のマイクロフォンとして使用される、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１１】
加速度用又は絶対圧に関連した動圧用の組み合わされたセンサとして、特に圧電抵抗式の加速度センサとして、又は圧電抵抗式の圧力センサと組み合わされた圧電抵抗式のマイクロフォンとして使用される、請求項７記載のセンサ素子。
【請求項１２】
加速度に関連した動圧用の組み合わされたセンサとして、特に圧電抵抗式の低圧センサとして、又は圧電抵抗式の加速度センサと組み合わされた圧電抵抗式のマイクロフォンとして使用される、請求項８記載のセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、フレームに張設されたダイヤフラムを備えたマイクロマシニングセンサ素子に関する。
【０００２】
このようなセンサ素子は、例えばマイクロフォンとして設計されていてよい。一般に、マイクロフォンは２つのコンデンサプレートから成っており、この場合、一方のプレートは薄いダイヤフラムとして実現されており、このダイヤフラムは、音圧により第２のプレートに向かって押しずらされる。ダイヤフラムの変形は、この変形に起因するコンデンサ内の電荷の移動の形で検出される。「コンデンサ」の場合、電荷は外部電圧源により供給されるのに対して、「エレクトレット」の場合の電荷は、プラスチックシートに不動に打ち込まれている。
【０００３】
実地から公知のマイクロマシニングによるマイクロフォンの場合、ダイヤフラムの変位若しくは変形は、一般に圧電抵抗式ではなく、容量式で検出される。なぜならば、従来の圧電抵抗圧力センサは、この場合に重要な僅か１０Ｐａ以下の圧力範囲においては、極端に感度が低いからである。公知の圧力センサの感度を高める可能性は、ダイヤフラムをより薄く且つ大きく形成するという点にある。但し、ダイヤフラムの厚さを減少させる場合は、圧電抵抗が大抵約３μの深さ方向膨張を有しているということを考慮せねばならない。つまり、ダイヤフラムは少なくとも１２μの厚さを有していることが望ましい。それというのも、さもなければ圧電抵抗が中性の繊維付近に位置することになるからである。ダイヤフラム面積も、限定的にのみ拡大可能である。それというのも、さもなければ測定値検出時に非直線的な効果が発生する可能性があり、更に、センサ素子の構成サイズに伴ってセンサユニット全体のコストも増大するからである。
【０００４】
発明の利点
本発明により、耐過負荷性及び小さな構成サイズと同時に高感度を有し且つ圧電抵抗式の測定値検出を可能にする、冒頭で述べた形式のセンサ素子が提案される。更に、本発明によるセンサ素子は良好に後処理され得、特に個別化されて組み込まれる。
【０００５】
このことは、本発明に基づき、ダイヤフラムの領域に少なくとも１つの担体素子が形成されており、この担体素子が少なくとも１つの接続ウェブを介してフレームに結合されており、前記接続ウェブの領域に、変形検出用の圧電抵抗が配置されていることによって達成される。この場合、フレームにおける担体素子の機械的な懸吊部は、まずダイヤフラムによって形成され、このダイヤフラムは担体素子を所定の位置にセンタリングする。少なくとも１つの接続ウェブは、場合によっては担体素子の領域に配置された回路素子の電気的な接触接続を可能にする。
【０００６】
本発明では、ダイヤフラムの変形を、圧電抵抗を用いて検出しようとする。このためには、複数の圧電抵抗が機械的な最大応力の範囲に配置される。更に、しばしば当該センサ素子用の出発材料として用いられる単結晶シリコンにおいて、高いＫファクタを有する圧電抵抗が簡単に実現され得る。つまり、これらの圧電抵抗は極めて感度が高く且つ高度な出力信号を供給する。本発明により一方では、ダイヤフラム全体が必ずしも、圧電抵抗式のセンサ原理を実現するために圧電抵抗が組み込まれる、シリコン又は別の材料から形成されなくてもよいということが認識された。他方では、ダイヤフラム面は、例えばダイヤフラム面が電気的に接触接続可能であると、回路部品又は別のセンサ機能素子を組み込むために、別途利用可能でもあるということが認識された。従って、ダイヤフラムの領域に、少なくとも１つの接続ウェブを介してフレームに結合された、担体素子を形成することを提案する。本発明によるセンサ素子を加速度センサとして使用すると、前記担体素子は振動が加わる質量体として作用し、この質量体は、ダイヤフラムの変形若しくは変位を増大させ、延いてはセンサ素子の感度を高める。担体素子は、ダイヤフラムを露出させる際に、少なくとも１つの接続ウェブと同様に簡単にダイヤフラムに形成され得る。測定値検出用の圧電抵抗は、本発明では接続ウェブに組み込まれているので、このために当該接続ウェブは適した材料から形成されていなければならない。ダイヤフラムのその他の領域は、誘電性材料から極めて薄く形成され得る。これにより、本発明によるセンサ素子の構造は極めて安定的である。
【０００７】
つまり、本発明により、圧電抵抗式のセンサ原理を有する、モノリシックに組み込まれたセンサ素子が供与される。本発明によるセンサコンセプトは、圧電抵抗の組込みの他に、対応する評価回路の組込みをも可能にする。本発明によるセンサ素子は、その高い感度に基づいて、圧力センサ又は加速度センサとしてだけでなく、マイクロフォン及び低圧センサとしても使用可能である。本発明による簡単なセンサ構造は、極めて丈夫である。それというのも、ダイヤフラムが担体素子の変位を制限しており、従って過負荷防止手段としても作用するからである。更にダイヤフラムは、センサ素子の製作及び処理に際して、粒子又はダストが構造内に入り込むことを防止する。ダイヤフラムによって閉鎖されたセンサ素子の表面は、慣用の構成技術及び接続技術の使用を可能にする。当該表面は、例えばリソグラフィを用いたアドオンプロセスで後処理されてよい。閉鎖された表面は、プリント配線板における本発明によるセンサ素子の組付けをも容易にする。このためには、実地で頻繁に使用され且つ有利であることが判っているフリップチップ技術を使用することができる。
【０００８】
基本的に、本発明によるセンサ素子を実現するためには、特にダイヤフラム及び担体素子の構造及び形成に関して、様々な可能性が存在する。
【０００９】
マイクロマシニングのスタンダードな方法を用いた本発明によるセンサ素子の簡単な製作に関して、少なくとも１つの接続ウェブが、担体素子よりも薄く、しかしダイヤフラムよりも厚く形成されていると有利であるということが判った。このようなウェブは、一方ではダイヤフラムの構造化に際して担体素子と一緒に簡単に露出され得る。他方では、この場合圧電素子も、半導体技術において慣用の信頼できる方法で、当該ウェブに簡単に組み込まれる。
【００１０】
ここで説明した形式のセンサ素子のダイヤフラムは、変位の増大に伴い、更なる変位に対して増大する反力を生ぜしめるので、外部から作用する力が大きければ大きい程、構造の剛性は増大する。つまり、接続ウェブに配置された圧電抵抗は、既に極めて小さな外力において出力信号を供給する。それというのも、担体素子は極めて簡単に中心位置から変位され得るからである。但し、この出力信号は作用力に対して比例してはいない。それというのも、接続ウェブは作用力に比例して変形はされないからである。圧電抵抗の出力信号を直線化するためには、対称的に配置された複数の接続ウェブを設けることができ、この場合、例えば互いに向かい合って配置された２つのウェブ又はそれぞれ対を成して互いに向かい合って配置された４つのウェブが、ダイヤフラムに対する補強作用も有している。更に、接続ウェブの対称的な配置形式は、ダイヤフラムの対称的な変形を促進する。このバリエーションは、本発明によるセンサ素子をマイクロフォン又は低圧センサとして使おうとする場合に有利である。本発明によるセンサ素子を加速度センサとして使おうとする場合は、この場合に振動の加わる質量体として作用する担体素子が、一方の側だけで、例えば唯一つの接続ウェブを介してダイヤフラムのフレームに接続されていると、しばしば有利であるということが判っている。
【００１１】
マイクロマシニング構成素子は、実地では大抵、出発層としての基板を有する層構成で実現される。多くの場合、基板としてシリコンウェハが用いられ、このシリコンウェハの上面及び場合によっては裏面には別の層が付与される。基板は一般に、層構成のその他の層よりも著しく厚い。本発明によるセンサ素子の個々の構造素子は、有利には、担体素子及び接続ウェブを基板から構造化し且つダイヤフラムを層構成において基板の上位で実現することにより、前記のような層構成で形成され得る。このバリエーションでは、製作に際してマイクロマシニングのスタンダードな方法と異なる手段は必要とされない。
【００１２】
本発明によるセンサ素子の特に有利な改良では、少なくとも１つの別のセンサ機能素子が担体素子に組み込まれている。これにより、本発明によるセンサ素子の機能性が、付加的なチップ面を必要とすることなく、簡単に拡張され得る。
【００１３】
つまり、本発明によるセンサ素子の有利なバリエーションでは、担体素子の領域に、付加的なセンサ機能を引き受ける別のマイクロマシニング構造素子が形成されている。既に冒頭で述べたように、ここで説明したセンサコンセプトの枠内では、圧電抵抗式の測定値検出が有利である。従って有利には、前記のような構造素子の変形も圧電抵抗によって検出され、このためには、これらの圧電抵抗は、最大機械的応力の領域に配置されることが望ましい。
【００１４】
つまり、例えばダイヤフラムの下位にキャビティが形成されることにより、担体素子の領域で付加的な圧力センサが実現され得る。この場合、ダイヤフラムの変形は、キャビティの縁部域にわたって配置された圧電抵抗により検出され得る。このようなセンサ素子は、加速度用又は絶対圧に関連した動圧用の組み合わされたセンサとして、特に圧電式の加速度センサ又は圧電式の圧力センサと組み合わされた、圧電式のマイクロフォンとして使用することができる。
【００１５】
センサ機能を備えたマイクロマシニング構造素子は、例えばパドルであってもよい。ダイヤフラムに対して平行又は垂直なパドルの向きに応じて、センサ素子のダイヤフラムに対して垂直又は平行な加速度を検出することができる。この場合も測定値検出のためには、圧電抵抗が最大機械応力の領域、即ちパドルの固定された端部の領域に配置される。この場合、このようなセンサ素子は、加速度に関連した動圧用の組み合わされたセンサとして、特に圧電式の低圧センサとして、又は圧電抵抗式の加速度センサと組み合わされた圧電抵抗式のマイクロフォンとして使用することができる。
【００１６】
ここで最後に、担体素子の領域に、少なくとも熱的なセンサの構成部材、例えば質量流量センサの抵抗又は赤外線センサのダイオード等を組み込む可能性があるということを述べておく。単に接続ウェブ及び熱伝導の極めて悪いダイヤフラムを介してしかフレームに接続されていない、前記構成部材を担体素子の領域に配置することは、良好な熱的分離を保証している。
【００１７】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１８】
図１、図２ａ及び図２ｂには、フレーム３に張設されて閉じられたダイヤフラム２を備えたマイクロマシニングセンサ素子１が示されている。ダイヤフラム２の領域には、本発明に基づき担体素子４が形成されており、この担体素子４は、接続ウェブ５を介してフレーム３に接続されている。図２ａには、接続ウェブ５の領域に、該接続ウェブ５の変形を検出するための複数の圧電抵抗６が配置されていることが示されている。図示の実施例では、接続ウェブ５を備えた担体素子４は、フレーム３の一方の側に固定されたパドル４，５の形で実現されている。接続ウェブ５は、担体素子４よりも著しく薄く形成されているが、ダイヤフラム２よりは厚く形成されており、このこともやはり図２ａに示されている。
【００１９】
センサ素子１は、圧電抵抗式の加速度センサと同様に、フレーム３に懸吊されたパドル４，５により構成されている。振動が加わる質量体として機能する、厚みの増したパドル自由端部は、センサ素子１が加速に晒されると変向される。この場合、比較的薄い接続ウェブ５は変形する。本発明では、この構造に薄い閉じられたダイヤフラム２を補足したので、パドル４，５はフレーム３内で完全に自由には振動することができない。
【００２０】
接続ウェブ５の変形に基づき、この接続ウェブ５に配置された圧電抵抗６がその抵抗値を変化させる。通常は４つの抵抗が２つずつ、一方では生じる機械的応力に基づきその値を高めるように且つ他方の２つの抵抗は前記機械的応力に基づきその値を低下させるように配置されている。次いで、これらの抵抗がホイートストンブリッジに回路接続されると、出力信号として加速度に比例した電圧が得られる。
【００２１】
図１及び図２ａに示したセンサ構造は、シリコンウェハから出発して、比較的簡単に基板１０として製作可能である。このためには、基板１０の上面に、例えば熱的な酸化物及び窒化物不動態化物の形で不動態化部１１が付与される。パドル４，５は、ウェハ裏面から出発して、例えばＫＯＨエッチングにより露出される。
【００２２】
このためには、ウェハ裏面の、振動が加わる質量体４の領域が、適当な裏面マスキングによって不動態化されるか、又はｐ＋-ドーピングが付与されるので、ここにエッチングストップが生じる。接続ウェブ５を形成しようとする基板１０の領域でもやはり、ｐｎエッチングストップが実現される。次いで不動態化部１１以外はエッチングされるべき領域におけるｐ拡散により、ｐｎエッチングストップが阻止される。つまりこの場合、ダイヤフラム２は不動態化部１１により形成され且つ場合によっては付加的なＬＰＣＶＤ窒化物層により引っ張り応力をかけられねばならない。択一的に、誘電体ダイヤフラムは、例えばプラスチック等の別の材料から成っていてもよい。シート又は予め被着されるラッカも可能である。但し、当該ダイヤフラムは金属から成っていてもよい。
【００２３】
図２ｂには、図２ａに示したセンサ素子１の変化態様が、基板裏面に陽極接合されたガラスウェハ１２を備えた低圧センサとして示されている。この場合、圧力はセンサ素子１の上方からも（ｐ１）、ガラスウェハ１２に設けられた孔１３を介して裏側からも（ｐ２）作用してよい。前記孔１３は、振動が加わる質量体４の変位をなるべく妨げないように配置されている。図示の構成は、ケーシングに組み込むことができるか、又はハイブリッド構成の枠内で、セラミックに接着されてもよい。
【００２４】
図１に示したセンサ構造は、図２ａに関連して説明したように異方性エッチング法のみならず、トレンチによっても製作可能である。この場合、振動の加わる質量体４と接続ウェブ５とが、ウェハ裏面に設けられた複数の溝１４に基づき露出され、これらの溝は図３に示したように、ほぼ垂直な側壁によって制限される。
【００２５】
図４には、低い圧力の検出に特に良好に適した、本発明によるセンサ素子２０が示されている。図１に示した構成との唯一の相違点は、担体素子４の懸吊部が、この場合は１つの接続ウェブだけでなく、４つの接続ウェブ５を有しているという点であり、これらの接続ウェブ５は、それぞれ対で互いに向かい合って配置されているので、担体素子４は、方形のフレーム３の４つの全ての辺において固定されている。図１の場合と同様に、センサ素子２０の上面も、フレキシブルな誘電体ダイヤフラム２によって閉じられている。これにより、センサ素子１，２０によって例えば音圧等の極めて低い圧力も検出され得る。差圧ｐ２−ｐ１は、担体素子４の変位延いては圧電抵抗６が拡散された接続ウェブ５の曲げを生ぜしめる。曲げ応力によって惹起された圧電抵抗６の信号は、印加される差圧に比例している。
【００２６】
図５には、図１及び図２ａに示したセンサ素子１の改良が示されており、以下にこの変化態様の付加的な構成のみを説明する。
【００２７】
センサ素子３０の担体素子４の領域には、マイクロマシニング構造素子が付加的なセンサ機能素子、つまり、キャビティ３１として形成されている。このキャビティ３１には、ダイヤフラム３２が張設されている。このダイヤフラム３２は、基板１０の層系及びこの層系に隣接する、薄い基板層により形成され、この基板層には、ダイヤフラム３２の変形を検出するための複数の圧電抵抗３３が組み込まれている。これらの圧電抵抗３３は、ダイヤフラム３２の縁部域若しくはキャビティ３１の縁部域にわたって配置されている。
【００２８】
図２ａ及び図３に関連して説明したように、センサ素子３０の基本構造はバルクマイクロマシニングで製作されるのに対して、キャビティ３１及びダイヤフラム３２は、サーフェスマイクロマシニング法で形成される。
【００２９】
図５に示された、本発明によるセンサ素子３０の変化態様は、モノリシックに組み込まれた加速度センサ又は比較的高い圧力範囲のための絶対圧センサと組み合わされた低圧センサを成しており、この場合、測定値検出は、両センサ機能において圧電抵抗式で行われる。加速度ａがセンサ素子３０に作用すると、パドル４，５は下方に押圧される。この場合、誘電体ダイヤフラム２は、パドル４，５の変位が制限されないように又は極僅かにしか制限されないように設計されている。パドル４，５の変位に際して接続ウェブ５の領域に発生する機械的応力は、圧電抵抗６により、作用する加速度ａに比例した信号に変換される。低圧センサ又はマイクロフォンとして使用する場合、測定値検出は相応に行われる。
【００３０】
センサ素子３０は、例えば自動車に設けられるタイヤ圧監視システムの枠内で使用することができる。このようなシステムは、一般にバッテリーにより電力供給される。エネルギの大部分は、圧力信号を処理するため及び算出した圧力値を外部受信器に伝達するために必要とされる。最小のバッテリーで最長の可使時間を得るためには、自動車が走行する時だけ、圧力検出動作、算出動作及び伝達動作を始動させることが望ましい。センサ素子３０の圧力センサコンポーネントによる圧力検出のためのトリガとしては、加速度センサコンポーネントを用いて、車輪回転時に発生する遠心力を検出することができる。これに対して択一的に、センサ素子３０の基本構造がマイクロフォンとして設計されている場合は、車輪回転時に発生するノイズも認識され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の本発明によるセンサ素子を上から見た図である。
【図２】図２ａ及び図２ｂには、それぞれ図１に示したセンサ素子の断面図が示されている。
【図３】やはり図１に示した本発明によるセンサ素子の断面図が示されている。
【図４】第２の本発明によるセンサ素子を上から見た図である。
【図５】図１に示したセンサ素子から出発して製作された、第３の本発明によるセンサ素子を上から見た図及び断面図である。
【図１】
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【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５】
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【国際調査報告】
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