(57)【要約】      （修正有）【課題】圧力空間内の圧力を測定するためのＭＥＭＳチップを提供する。【解決手段】該ＭＥＭＳチップは、ロッドの形であって、二次元的に相互に張り合わせられたＭＥＭＳ基板３０及びキャリア基板３１を含み、電気機械測定手段を有する測定領域４及びそれと導体８を介して接続されたコンタクト１６を有するコンタクト形成領域６を有し、ブッシング内の圧力−気密配置に適しており、該電気機械測定手段は、ＭＥＭＳ基板３０が止まり穴を形成する空洞５を有し、空洞５の端部がＭＥＭＳ基板３０内にメンブレン７を形成し、且つピエゾ抵抗素子２を含む測定ブリッジが空洞５から見て外方に面するメンブレン７の側に配置されるような方式で構成され、ＭＥＭＳ基板３０は、キャリア基板３１がメンブレン７の下に形成された空洞５の底部壁５０を形成するように、キャリア基板３１に面する空洞５の側でキャリア基板３１に張り合わせられる。【選択図】図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力空間（Ｄ）内の圧力を測定するための微小電気機械システム・チップ（ＭＥＭＳチップ）が、ＭＥＭＳ基板（３０）及びキャリア基板（３１）を含み、前記ＭＥＭＳ基板（３０）及び前記キャリア基板（３１）が、その長手方向軸線（Ａ）に沿って二次元的に相互に張り合わせられ、
前記ＭＥＭＳチップ（３）が、電気機械測定手段を有する測定領域（４）を有し、且つ前記測定領域（４）と導体（８）を介して接続されたコンタクト（１６）を有するコンタクト形成領域（６）を有し、
動作状態では、前記測定領域（４）が、前記圧力空間（Ｄ）に曝されることが可能であり、且つ測定信号が、前記コンタクト（１６）から取り出されることが可能であり、
前記ＭＥＭＳチップ（３）が、ロッドの形に構成され、且つ前記測定領域（４）及び前記コンタクト形成領域（６）が、ブッシング領域（１１）によって前記長手方向軸線（Ａ）の方向に相互に離間させられ、
前記ＭＥＭＳチップ（３）が、ブッシング内の圧力−気密配置に適しており、前記ブッシングが、前記長手方向軸線（Ａ）に垂直な前記ブッシング領域（１１）の表面の全周囲包装により形成されることが可能である、
ＭＥＭＳチップにおいて、
前記ＭＥＭＳ基板（３０）が、止まり穴を形成する空洞（５）を有し、前記空洞（５）の端部が、前記ＭＥＭＳ基板（３０）内にメンブレン（７）を形成し、且つピエゾ抵抗素子（２）を含む測定ブリッジ（１９）が、前記空洞（５）から見て外方に面する前記メンブレン（７）の側に配置されるような方式で、前記電気機械測定手段が構成され、
前記キャリア基板（３１）が、前記メンブレン（７）の下に形成された前記空洞（５）の底部壁（５０）を形成するように、前記ＭＥＭＳ基板（３０）が、前記キャリア基板（３１）に面する前記空洞（５）の側で前記キャリア基板（３１）に張り合わせられている、
ことを特徴とするＭＥＭＳチップ。
【請求項２】
前記導体（８）が、前記測定領域（４）と前記ＭＥＭＳチップ（３）の表面上の前記コンタクト（１６）との間につなげられている、請求項１に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項３】
前記底部壁（５０）の厚さが、前記メンブレン（７）の厚さよりも複数倍厚い、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳ基板（３０）が、ＳＯＩ−基板（３０）であり、前記キャリア基板（３１）が、Ｓｉ−キャリア基板である、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項５】
差圧測定のために、前記空洞（５）が、チャネル（２１）に接続され、前記チャネル（２１）が、前記コンタクト形成領域（６）中へと延び、且つ開口部（２１０）を有する、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項６】
前記空洞（５）が、チャネル（２１）に接続され、前記チャネル（２１）が、前記コンタクト形成領域（６）中へと延び、且つ更なる閉じた空洞（１２）内で終わる、ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項７】
ゲッタ（１３）が、前記空洞（１２）内に配置されている、ことを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項８】
前記チャネル（２１）が形成され、チャネル領域内には、張り合わせ材料が、前記ＭＥＭＳ基板（３０）と前記キャリア基板（３１）との間に存在しない、ことを特徴とする請求項５から７までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項９】
前記止まり穴を形成する前記空洞（５）が、急峻な壁を有し、前記壁が、前記メンブレン（７）に対して基本的に直角に立つ、ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１０】
前記メンブレン（７）が、酸化物層によって前記空洞（５）に向かって境界を形成されている、ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１１】
前記ピエゾ抵抗素子（２）が、前記酸化物層に隣接する前記メンブレン（７）内に抵抗として構成されている、ことを特徴とする請求項１０に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１２】
前記抵抗（２）が、シリコン層内に埋め込まれ、前記シリコン層が、前記酸化物層に隣接する前記空洞（５）の外部に配置され、それぞれのケースにおいて、酸化物層が、前記シリコン層から前記抵抗（２）を絶縁している、ことを特徴とする、請求項１１に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ（３）を含む測定素子において、前記ＭＥＭＳチップ（３）が、ブッシング内に圧力−気密な方式で配置され、前記ブッシングが、前記ＭＥＭＳチップ（３）の前記ブッシング領域（１１）を取り囲む流延材料（２０）及び前記流延材料（２０）を囲む保持リング（１）よって形成されている、ことを特徴とする測定素子。
【請求項１４】
前記流延材料（２０）が、ガラス、はんだ、又は接着剤である、ことを特徴とする請求項１３に記載の測定素子。
【請求項１５】
前記測定領域（４）において、前記ＭＥＭＳチップ（３）が、パッシベーション層（３２）で、好ましくは原子層堆積パッシベーション層（３２）で取り囲まれている、ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の測定素子。
【請求項１６】
前記測定領域（４）及び前記コンタクト形成領域（６）が、前記保持リング（１）の異なる側から突き出ている、ことを特徴とする請求項１３から１５までのいずれか一項に記載の測定素子。
【請求項１７】
前記コンタクト（１６）が、クランピング・コンタクト（１７）を用いてクランプすることによって簡単に接続されることが可能である、ことを特徴とする請求項１３から１６までのいずれか一項に記載の測定素子。
【請求項１８】
前記保持リング（１）が、前記長手方向軸線（Ａ）に沿って延び、且つ前記測定領域（４）の方向に前記流延材料（２０）を超えて突き出ている、ことを特徴とする請求項１３から１７までのいずれか一項に記載の測定素子。
【請求項１９】
請求項１０から１５までのいずれか一項に記載の測定素子（１０）を備える圧力センサ（Ｓ）において、筐体（９）が、前記測定素子（１０）の前記保持リング（１）上へと、圧力−気密な方式で、恒久的に取り付けられている、好ましくは溶接されている、ことを特徴とする圧力センサ（Ｓ）。
【請求項２０】
雄ねじ（９１）が、圧力空間（Ｄ）の壁に接続するために前記筐体（９）上に配置されている、ことを特徴とする請求項１９に記載の圧力センサ（Ｓ）。
【請求項２１】
前記筐体（９）が、前記測定領域（４）の上方に延び、且つ前記筐体（９）の前面壁が、少なくとも１つの筐体開口部（９０）を有し、前記筐体開口部（９０）が、開放方式で、又は格子として、又はスクリーンとして構成されている、ことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の圧力センサ（Ｓ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力空間内の圧力を測定するための微小電気機械システム・チップ（ＭＥＭＳ：micro-electro-mechanical systemチップ）に関し、長手方向軸線Ａに沿って二次元的に相互に張り合わせられたＭＥＭＳ基板及びキャリア基板を含み、ＭＥＭＳチップは、電気機械測定手段を含む測定領域を有し、且つ測定しようとする領域と導体を介して接続されたコンタクトを含むコンタクト形成領域を有する。ＭＥＭＳチップは、ロッドの形に構成され、測定領域及びコンタクト形成領域は、ブッシング領域によって長手方向軸線の方向に相互に離間させられている。
【０００２】
本発明は、このようなＭＥＭＳチップを有する測定素子並びに圧力センサにも関する。
【背景技術】
【０００３】
ＭＥＭＳチップ（微小電気機械システム）は、半導体チップ上に電子素子と微小機械構造とを統合し、電気的及び機械的情報を処理することが可能である。ＭＥＭＳチップは、センサ、アクチュエータ、及び他のアイテムに配備される。
【０００４】
動作状態では、上記のタイプのＭＥＭＳチップの測定領域は、圧力空間に曝され、これによって圧力空間において記録される適切な測定信号を、コンタクトから取り出すことが可能である。このようなＭＥＭＳチップは、ブッシング内の圧力−気密配置にとって適しており、ブッシングを長手方向軸線Ａに垂直なブッシング領域１１の表面の全周囲包装（encasement（エンケースメント））により形成することが可能である。
【０００５】
公知技術のこのようなＭＥＭＳチップの実施例は、例えば、特許文献１に、又は非特許文献１にも記載されている。このようなＭＥＭＳチップは、キャリア基板中に空洞を測定領域内に有し、空洞はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ：silicon-on-insulator）ウェハによって閉じられ、これによって測定ブリッジがＳＯＩウェハ上の空洞内にぴったりとはめ込まれる。その上、ＭＥＭＳチップの前方領域の全体には、ＳＯＩウェハが、薄い厚さで構成され、その結果、薄い厚さ部分はメンブレンとして働く。
【０００６】
ＭＥＭＳチップ、又はとりわけ測定素子の感度を左右するこのメンブレンの剛性は、測定領域内でのＳＯＩウェハの残っている残存厚さを介してここでは調節される。厚さの削減が一般にシリコン層の選択エッチングによって実現され、エッチング・プロセスが長いほどメンブレン層が薄くなるので、この調節は比較的費用がかかる。しかしながら、このエッチング時間が非常に短いので、指定されたメンブレン剛性の正確な再現は、極端に難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００４／０８１５１０号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Birkelund K et al: “High pressure silicon sensor with low-cost packaging”, SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, SWITZERLAND, Vol. 92, No. 1-3, Pages 16-22
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高い雰囲気温度における、特に２００℃を超える温度における圧力の測定のためのＭＥＭＳチップ、測定素子及び圧力センサを説明することであり、これによって、このようなＭＥＭＳチップの製造が、単純化され、同時に指定された感度の再現性の向上をともなう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、特許請求項１、１３及び１９の特徴に従ったＭＥＭＳチップ、測定素子及び圧力センサによって実現される。
【００１１】
本発明によれば、導入部において説明したようなＭＥＭＳチップは、ＭＥＭＳ基板が止まり穴を形成する空洞を有し、空洞の端部がＭＥＭＳ基板内にメンブレンを形成し、且つピエゾ抵抗素子を含む測定ブリッジが空洞から見て外方に面するメンブレンの側に配置されるような方式で、ＭＥＭＳチップの電気機械測定手段が構成され、これによって、ＭＥＭＳ基板は、キャリア基板に面する空洞の側でキャリア基板に張り合わせられ、その結果、キャリア基板は、メンブレンの下に形成された空洞の底部壁を形成する。
【００１２】
ＳＯＩ層を形成するＭＥＭＳ基板内の止まり穴のサイズ、及びしたがって面積によって、正確にメンブレンの剛性を調節することが、したがって可能である。エッチング境界として作用するＭＥＭＳ基板内の酸化物層まで止まり穴が達するので、メンブレンの厚さは、常に同じである。
【００１３】
さらなる利点は、空洞がキャリア基板中に形成される必要がないという事実にある。その上、導体をＭＥＭＳ基板の表面に配置することが可能であり、２つの層の間に導体を引き回すよりも単純であることが証明されている。
【００１４】
このようなＭＥＭＳチップを、ウェハとして容易に製造することが可能であり、個別の部分へと切断することが可能であり、これは、扱うことが簡単である長方形断面を有するチップをもたらす。
【００１５】
実施例の有利な形態が、従属請求項に開示される。発明のＭＥＭＳチップによって、測定素子を形成することが可能であり、圧力センサを測定素子から形成することが可能である。
【００１６】
ＭＥＭＳチップ及びＭＥＭＳチップから形成される測定素子の小型構造が、結果として生じ、これによって、空洞を閉じるメンブレンが、電気機械測定手段として使用される。支配的な圧力を決定する目的で、メンブレンのたわみによって誘起される機械的ストレスが使用される。この目的のために、メンブレンが空洞の境界になり且つ空洞に抗して存在しないので、メンブレンは、たわむことが可能である。メンブレンによる圧力測定で、測定領域内に測定素子を形成した後で、ＭＥＭＳチップの小さな部分だけが、圧力空間にそしてしたがって媒体に自由に曝されなければならない。メンブレンの剛性は、メンブレンが境界になる空洞の解放表面積によって規定される。
【００１７】
媒体分離及びパッシベーションは、かなり単純化される。設置された測定素子を有する媒体分離は、測定素子の一部である保持リングの領域内で行われる。
【００１８】
他の用途の中で、発明の測定素子を、自動車製造における高温圧力センサ用に、航空宇宙空間において、ガス・タービン用に、ガス及び石油供給産業における技術プロセスにおいて、並びに地熱部門において特に配備することが可能である。
【００１９】
本発明の主題の実施例の好ましい実例が、添付した図面とともに下記において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】平面図での発明のＭＥＭＳチップの図である。
【図２ａ】絶対圧力の測定のために適した、真空にした空洞を有する発明のＭＥＭＳチップを通る長手方向断面図である。
【図２ｂ】相対圧力の測定のために適した、チャネルを有するもう１つの発明のＭＥＭＳチップを通る長手方向断面図である。
【図２ｃ】チャネル及び更なる閉じた空洞を有するもう１つの発明のＭＥＭＳチップを通る長手方向断面図である。
【図３ａ】ＭＥＭＳチップ及び保持リングを有する発明の測定素子上への平面図である。
【図３ｂ】図３ａに矢印によって示したように、コンタクト形成領域から図３ａの測定素子への正面図である。
【図３ｃ】発明の圧力センサを通る部分断面図であり、これにより筐体が発明の測定素子を囲み、接続ケーブルがコンタクト形成領域から筐体の外に設けられる。
【図４ａ】空洞及び取り付けられたクランピング・コンタクトを有する発明の測定素子を通る長手方向断面図である。
【図４ｂ】空洞につながるチャネル、並びに取り付けられたクランピング・コンタクトを有する発明の測定素子を通る長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
おそらく２００℃を超える高温で圧力を測定するために、ここに提示した発明の測定素子の一部は、図１に示したようなＭＥＭＳチップ３であり、ＭＥＭＳチップ３は、ロッドの形に本質的に構成される。第１の端部の近くに、ＭＥＭＳチップ３は、測定領域４を含み、第２の端部の近くにはコンタクト形成領域６を含む。電気機械測定手段は、ＭＥＭＳチップ３の長手方向表面上の測定領域４内に配置される。ここでは、これらの電気機械測定手段は、複数のピエゾ抵抗素子２を加えられたメンブレン７を含み、ピエゾ抵抗素子２は、測定ブリッジ１９の形である。測定ブリッジ１９から、複数の導体８が配置され、測定領域４からコンタクト形成領域６までＭＥＭＳチップ３の長手方向表面に沿って走る。導体８は、コンタクト形成領域６内の多数のコンタクト１６につながる。動作状態では、コンタクト形成領域６は、圧力を測定しようとする圧力空間Ｄの外部にある。
【００２２】
図２ａから図２ｃまでのＭＥＭＳチップ３の長手方向軸線Ａに沿った断面図には、ＭＥＭＳチップ３の実施例の様々な形態が示される。すべてのＭＥＭＳチップ３は、それぞれのケースにおいてＭＥＭＳ基板３０及びキャリア基板３１から形成される。ここでは、ＭＥＭＳチップ３は、ＳＯＩ−Ｓｉ−チップであり、これは、好ましくはＳＯＩ−基板３０としてのＭＥＭＳ基板３０から形成され、キャリア基板３１は、Ｓｉ−キャリア基板３１の形に設計される。しかしながら、キャリア基板３１について、ガラスから、特にホウケイ酸ガラスから製造されることも可能である。
【００２３】
ＭＥＭＳ基板３０及びキャリア基板３１は、その長手方向軸線Ａに沿って二次元的に相互に配置され、張り合わせられる。
【００２４】
すべてのＭＥＭＳチップ３は、測定領域４内に配置された空洞５を有し、空洞５はＭＥＭＳ基板３０内に形成される、又はＭＥＭＳ基板からエッチングされる。空洞５、メンブレン７、並びにピエゾ抵抗素子２は、基板３０、３１のエッチング、ドーピング、及び／又はコーティングによって製造される。
【００２５】
本発明によれば、メンブレン７は、空洞５の被覆面を形成し、これにより基板３１から見て外方に面する側に圧力−気密な方式で空洞５を閉じる。メンブレン７は、ＭＥＭＳチップ３の長手方向軸線Ａに平行に走る平面内に配置される。空洞５の底部壁５０は、キャリア基板３１によって形成される。両方の基板３０、３１が圧力−気密な方式で相互に恒久的に接続されるので、空洞５は閉じられる。底部壁５０の壁厚は、メンブレン７の厚さよりも複数倍厚い。測定ブリッジ１９を有するメンブレン７は、ピエゾ抵抗２を有する薄膜ＳＧＩ−メンブレンとして好ましくは設計される。この測定ブリッジ１９は、基板３１から見て外方に面するメンブレン７の外側表面上に、空洞５の外部に配置される。
【００２６】
絶対圧力を測定するために、図２ａのＭＥＭＳチップ３におけるように、真空が、閉じた空洞５内に形成される。ＭＥＭＳチップ３の製造の途中で、製造空間は、この目的のために真空にされ、真空を長期間にわたって空洞内に維持することが可能である手段が設けられる。
【００２７】
図２ｂにおけるようなＭＥＭＳチップ３の実施例では、空洞５は真空にされないが、コンタクト形成領域６の方向に走るチャネル２１が設けられ、このチャネルは、開口部２１０によって、大気条件に解放される。このようなＭＥＭＳチップ３を用いて、相対圧力又は差圧を測定することが可能である。
【００２８】
図２ｃにおけるようなＭＥＭＳチップ３の実施例では、チャネル２１は、更なる閉じた空洞１２内で終わる。更なる空洞１２は、コンタクト形成領域６内に好ましくは配置され、空洞５の表現とは反対に、第１の空洞５よりもはるかに大きくなるように構成することが可能である。この配置では、真空に曝される空洞５の全体の空間がはるかに大きいので、ガスが空洞５中へとたまたま拡散する場合でさえも、真空はもっと安定である。加えて、真空を可能な限り長くにわたって維持するために、ゲッタ１３を、更なる空洞１２内に配置することが可能である。
【００２９】
図２ｃにおける表現とは反対に、チャネル２１を、ＭＥＭＳ基板３０内に配置することも可能である。特に、更なる空洞１２及びチャネル２１を、ＭＥＭＳ基板３０内に、又はキャリア基板３１内に、必要に応じて相互に無関係に配置することが可能である。その上、図２ｂ又は図２ｃにおけるように、チャネル２１を設計することに選択肢が存在し、その結果、張り合わせ材料が、チャネル領域内のＭＥＭＳ基板３０とキャリア基板３１との間に存在しない。したがって、チャネル２１として機能するギャップが形成され、必要に応じて、いずれか、第２の空洞１２内で、又は周囲への開口部２１０として終わる。
【００３０】
メンブレン７は、ＭＥＭＳ基板３０から常に形成され、その結果として開放空洞５、止まり穴、がＭＥＭＳ基板３０内に形成される。ＭＥＭＳ基板３０内の止まり穴は、キャリア基板３１から見て外方に面するメンブレン７の側に設けられ、キャリア基板３１から見て外方に向く。空洞５を形成する止まり穴は、好ましくは急峻な壁を有し、これによって、壁は、メンブレン７に対して基本的に直角に立つ。これは、空洞５のサイズをより正確に再現することが可能であり、空洞５全体がより小さな空間しか必要としないという利点を有する。
【００３１】
特に好ましい構成では、メンブレン７は、酸化物層によって空洞５に向かって境界を形成される。このケースでは、酸化物層は、エッチング境界として働き、その結果として、メンブレン７を同じ厚さで常に製造することが可能である。
【００３２】
一般に、追加のシリコン層が、空洞５から見て外方に面するメンブレン７の側の酸化物層に隣接して付けられ、この層は、全ＭＥＭＳ基板３０の上方に延びる。ピエゾ抵抗素子２は、特にシリコンのドーピングによって、メンブレン７内に抵抗としてシリコン層に構成される。周囲のシリコンから抵抗２を絶縁するために、シリコンをエッチングで除去する、又はトレンチの形態に酸化物層から作った境界によって周囲のシリコンから抵抗を絶縁する、の何れかが可能である。
【００３３】
一般に、図２ａ〜図２ｃからわかるように本発明によれば、電気機械測定手段は、ＭＥＭＳ基板３０が空洞５を有し、空洞５の床がＭＥＭＳ基板３０内にメンブレン７を形成するような方式で常に構成され、これによってピエゾ抵抗素子２を含む測定ブリッジ１９が、空洞５から見て外方に面するこのメンブレン７の側に配置される。圧力がメンブレン７上に加えられると直ぐに、メンブレン７は曲がる。抵抗２は、機械的ストレスの変化によってこの曲りを記録することが可能であり、コンタクト１６へ導体８を介して適切な信号を与えることが可能である。
【００３４】
図３ａには、測定領域４及びコンタクト形成領域６を有するＭＥＭＳチップ３を含む発明の測定素子１０が示され、コンタクト形成領域６は、２つの領域４、６間に位置する保持リング１内に圧力−気密な方式で配置され、恒久的に取り付けられる。保持リング１は、密閉方式で組み立てられ、これによって測定素子１０のブッシングの一部を形成する。ＭＥＭＳチップ３は、保持リング１を通る長手方向軸線Ａの方向に案内され、その結果、ＭＥＭＳチップ３の一部が保持リング１内にある、すなわち、ＭＥＭＳチップ３は保持リング１によって包まれる。測定領域４及びコンタクト形成領域６は、異なる方向に保持リング１から突き出し、保持リング１は、ＭＥＭＳチップ３のほぼ中央領域を囲む。
【００３５】
測定素子１０のコンタクト１６を有するコンタクト形成領域６を見ると、図３ｂでは、保持リング１を識別することが可能であり、保持リング１は、ＭＥＭＳチップ３を完全に取り囲む。
【００３６】
本発明による完成した圧力センサＳを、図３ｃに示す。圧力センサＳは、ＭＥＭＳチップ３及び保持リング１を含む測定素子１０、封入筐体９、並びにケーブル配線１４を含む。筐体９は、ＭＥＭＳチップ３の長手方向軸線Ａに平行に延び、測定素子１０を保護するように働く。測定領域４とコンタクト形成領域６との間で、保持リング１は、ＭＥＭＳチップ３を保持し、ＭＥＭＳチップ３の周囲を一周する。測定素子１０は、筐体９と恒久的に接続され、特に、保持リング１上の測定素子１０は、圧力−気密な方式で筐体９に溶接される。この目的のために、保持リング１及び筐体９は、好ましくは鋼鉄で組み立てられる。前面上には、筐体９は、少なくとも１つの筐体開口部９０を有し、ここを通り測定領域４内の測定素子１０を圧力空間Ｄ内の媒体と接触させることが可能である。いくつかの筐体開口部９０が、好ましくは筐体９の前面壁に形成される、又は前面壁が、格子又はスクリーンとして設計される。
【００３７】
ＭＥＭＳチップ３の測定領域４だけが圧力空間Ｄ内の媒体に曝されるので、圧力センサＳの対応する部分だけが圧力空間Ｄに接続される。ここでは、雄ねじ９１は、圧力センサＳを取り付ける目的で設けられ、このねじを用いて圧力センサＳを、圧力空間Ｄの壁にねじ留めすることが可能である。圧力センサＳが封じられるように、全圧力センサＳをねじ留めすることが可能であるためには、封止手段は、前部シールの形に、又は肩部シールの形でねじの後ろにも設けられ、好ましくは構成される。
【００３８】
ケーブル配線１４は、測定素子１０のコンタクト形成領域６上のコンタクト１６に接続され、これによって、ケーブル配線１４が、圧力センサＳの一部を形成する。ケーブル配線１４を有する圧力センサＳの設計によって、圧力センサＳを、内燃機関の排気系へと直接造ることが可能であり、読み出し電子回路を、圧力空間Ｄの外部で容易に接続し、そして何らかの擾乱を回避するために測定領域４から十分に離間しているようにすることが可能である。顧客要求に応じて、カプセル化した測定素子１０及び、例えば、雄ねじ９１の形の筐体９への接続の適切な手段を有する圧力センサＳを、完全にケーブル接続し、接続可能である。
【００３９】
図４ａ及び図４ｂは、ＭＥＭＳチップ３上の保持リング１の圧力−気密取付けを図示するように働く。これらの図は、それぞれ、ＭＥＭＳチップ３及び形成した空洞５を有する測定素子１０を通る長手方向断面図、並びにＭＥＭＳチップ３、形成した空洞５、及び隣接するチャネル２１を有する測定素子１０を通る長手方向断面図を示す。測定素子１０は、構造ではこれ以外は同じである。
【００４０】
図４ａにおいて識別できるように、ＭＥＭＳチップ３は、流延材料（casting compound（キャスティング・コンパウンド））２０を使用して保持リング１中へと鋳込まれ、これにより機械的に堅固な方法で実装される。流延材料２０は、ブッシング領域１１内の外周に沿ってＭＥＭＳチップ３を完全に取り囲み且つ封じる。流延材料２０は、ブッシング領域１１内で保持リング１とＭＥＭＳチップ３を恒久的に接続し、これによって保持リング１及び流延材料２０は、ＭＥＭＳチップ３の部分カプセル化物を形成する。ブッシング領域１１、及びしたがって流延材料２０は、長手方向軸線Ａに沿って測定領域４とコンタクト形成領域６との間に配置される。配備したときに、測定領域４は、測定しようとする圧力空間Ｄ内に置かれ、一方でコンタクト形成領域６は、配備したときに大気圧の環境内に置かれる。圧力空間Ｄは、大気圧の環境から図４ａ〜図４ｂでは灰色の細長い線により表された壁によって分離される。保持リング１及び流延材料２０は、したがって圧力−気密ブッシングを形成し、これにより、不利な取り付けられるボンディング・ワイヤの代わりに、ここではＭＥＭＳチップ３の本体全体が保持リング１を貫通し、流延材料２０で固定される。
【００４１】
ここでは、測定領域４を操作することをまったく必要とせずに、単純に保持リング１との接触によって、測定素子１０を圧力空間Ｄ内へと導入することが可能であるので、保持リング１は、測定素子１０の単純な操作を提供するように働く。測定素子１０を、圧力−気密な方式で圧力空間Ｄの壁の上へと直接取り付けることが可能である。筐体９が保持リング１上に取り付けられる場合には、図３ｃに示したように、保持リング１を、筐体９を介して圧力空間Ｄの壁の上へと間接的に取り付けることが可能である。
【００４２】
図４ａ及び図４ｂでは、保持リング１は、厚肉部１００を用いて組み立てられ、筐体９を保持リング１上へと取り付けるときに、又は保持リング１を圧力空間Ｄの壁の上へと直接固定するときに、厚肉部１００はストッパとして働く。測定素子１０を、保持リング１上に簡単且つ安全にグリップし、圧力空間Ｄの壁の穴の中へと導入し、そこで保持リング１上に固定することが可能である。
【００４３】
ここでは、保持リング１は、流延材料２０が設置されるブッシング領域１１よりも、長手方向軸線Ａの方向にほんのわずかに長くなるように構成される。実施例の他の形態では、保持リング１は、測定領域４の方向にブッシング領域１１をかなり超えて延びることが可能である、すなわち、保持リング１は、測定領域４の全体にわたって延びることが可能であり、これによって、ＭＥＭＳチップ３は更に保護される。
【００４４】
流延材料２０は、可能な限り小さな熱膨張係数を有する電気的絶縁性材料又は導電性材料、特にガラス、セラミック、又は接着剤の形態を取ることが可能である。
【００４５】
高温且つ高圧の圧力空間Ｄの媒体に曝される測定領域４内のＭＥＭＳチップ３を保護するために、パッシベーション層３２、特に、原子層堆積パッシベーション層３２が、ここでは配置される。このＡＬＤ（atomic layer deposition）パッシベーション層３２を、感度の高い表面に付けるべきであり、これは用途によっては、活性な媒体に曝されることがある。
【００４６】
繊細なボンディング・ワイヤがコンタクト形成領域６上に配置されていないので、ここではクランピング・コンタクト１７が、ＭＥＭＳチップ３の大気側のコンタクト１６と簡単且つ容易に接触することが可能である。これらのクランピング・コンタクト１７を、ここには表されていないケーブル配線に単純につなげることが可能である。
【００４７】
図４ａに従った測定素子１０を絶対圧力の測定用に使用することが可能である一方で、チャネル２１まで同じ設計のものである図４ｂに従った測定素子１０を、差圧測定用に使用することが可能である。
【００４８】
発明の測定素子１０を製造するために、ＭＥＭＳ基板３０及びキャリア基板３１から作られた半導体材料複合体を含むＭＥＭＳチップ３が、最初に製造される。コンタクト１６、導体８、測定ブリッジ１９、ピエゾ抵抗素子２、並びにメンブレン７が、基板製造の途中で配置され、半導体基板３０、３１は、相互に固定されるようになる。ＭＥＭＳチップ３は、次いで、長手方向軸線Ａの方向に保持リング１を介して案内され、そして保持リング１が、圧力−気密な方式でＭＥＭＳチップ３の周囲全体にわたり流延材料２０によって固定され、ここでは、ＭＥＭＳチップ３の表面と保持リング１の内側表面との間のギャップが完全に埋められ、これによって、得られたものが圧力−気密に実装したものである。ここでは、流延材料２０は、測定領域４とコンタクト形成領域６との間のブッシング領域１１内に配置される。
【００４９】
ここで説明した図１、図３ａ及び図３ｃでは、ＭＥＭＳチップ３の外側端部のすべての尖鋭部が、除去されているように表されている。ＭＥＭＳチップ３の外側端部のこのような任意選択の構成は、特に保持リング１の領域内の端部ストレスを減少させる機会を提供する。
【００５０】
長手方向Ａに沿ったＭＥＭＳチップ３上のある点の位置においてＭＥＭＳチップ３上に増幅電子回路を配置することは、任意選択で可能である。測定領域４の近く又は内の配置は、最適信号強度、並びに雑音及びクロストークからの自由度にとって最善であるはずであるが、高温且つ高圧のところに配備することが可能な適切な電子部品を用いて実現することができるだけである。コンタクト形成領域６内での、したがって圧力空間Ｄの外部での増幅電子回路の配置は、よりコスト効率の良い代替案である。
【００５１】
このような増幅電子回路を様々に構成することができ、基本的に、ピエゾ抵抗素子２の場所の可能な限り近くに設置され、受信した信号の増幅を実行する増幅器を含む。信号増幅に加えて、雑音抑制、又は測定信号のさらなる処理も可能である。追加のアナログ−ディジタル変換器は、ディジタル信号の生成を可能にする。
【符号の説明】
【００５２】
Ｓ  圧力センサ
１０  測定素子
１  保持リング
１００  厚肉部
２  ピエゾ抵抗素子
３  ＭＥＭＳチップ
３０  ＭＥＭＳ基板／ＳＯＩ基板
３１  キャリア基板／Ｓｉ−キャリア基板
３２  パッシベーション層
４  測定領域
５  空洞
５０  底部壁
６  コンタクト形成領域
７  メンブレン
８  導体
９  筐体
９０  筐体開口部
９１  雄ねじ
１１  ブッシング領域
１２  更なる空洞
１３  ゲッタ
１４  ケーブル配線／センサ・ケーブル／外部電気伝導体
１６  コンタクト
１７  クランピング・コンタクト
１９  測定ブリッジ
２０  流延材料
２１  チャネル
２１０  開口部
Ａ  長手方向軸線
Ｄ  圧力空間
【図１】
2019174478.tif 000003
【図２ａ】
2019174478.tif 000004
【図２ｂ】
2019174478.tif 000005
【図２ｃ】
2019174478.tif 000006
【図３ａ】
2019174478.tif 000007
【図３ｂ】
2019174478.tif 000008
【図３ｃ】
2019174478.tif 000009
【図４ａ】
2019174478.tif 000010
【図４ｂ】
2019174478.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月10日(2019.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力空間（Ｄ）内の圧力を測定するための微小電気機械システム・チップ（ＭＥＭＳチップ）が、ＭＥＭＳ基板（３０）及びキャリア基板（３１）を含み、前記ＭＥＭＳ基板（３０）及び前記キャリア基板（３１）が、その長手方向軸線（Ａ）に沿って二次元的に相互に張り合わせられ、
前記ＭＥＭＳチップ（３）が、電気機械測定手段を有する測定領域（４）を有し、且つ前記測定領域（４）と導体（８）を介して接続されたコンタクト（１６）を有するコンタクト形成領域（６）を有し、
動作状態では、前記測定領域（４）が、前記圧力空間（Ｄ）に曝されることが可能であり、且つ測定信号が、前記コンタクト（１６）から取り出されることが可能であり、
前記ＭＥＭＳチップ（３）が、ロッドの形に構成され、且つ前記測定領域（４）及び前記コンタクト形成領域（６）が、ブッシング領域（１１）によって前記長手方向軸線（Ａ）の方向に相互に離間させられ、
前記ＭＥＭＳチップ（３）が、ブッシング内の圧力−気密配置に適しており、前記ブッシングが、前記長手方向軸線（Ａ）に垂直な前記ブッシング領域（１１）の表面の全周囲包装により形成されることが可能である、
ＭＥＭＳチップにおいて、
前記ＭＥＭＳ基板（３０）が、単一のＳＯＩ層であり、前記ＭＥＭＳ基板（３０）が、止まり穴を形成する空洞（５）を有し、前記空洞が、前記ＭＥＭＳ基板（３０）のエッチングによるものであり、前記空洞（５）が、エッチング境界として作用する前記ＭＥＭＳ基板（３０）内の酸化物層まで達し、前記空洞（５）の端部が、前記ＭＥＭＳ基板（３０）内にメンブレン（７）を形成し、且つピエゾ抵抗素子（２）を含む測定ブリッジ（１９）が、前記空洞（５）から見て外方に面する前記メンブレン（７）の側に配置されるような方式で、前記電気機械測定手段が構成され、
前記キャリア基板（３１）が、単一のＳｉ−キャリア基板であり、
前記キャリア基板（３１）が、前記メンブレン（７）の下に形成された前記空洞（５）の底部壁（５０）を形成するように、前記ＭＥＭＳ基板（３０）が、前記キャリア基板（３１）に面する前記空洞（５）の側で前記キャリア基板（３１）に張り合わせられている、
ことを特徴とするＭＥＭＳチップ。
【請求項２】
前記導体（８）が、前記測定領域（４）と前記ＭＥＭＳチップ（３）の表面上の前記コンタクト（１６）との間につなげられている、請求項１に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項３】
前記底部壁（５０）の厚さが、前記メンブレン（７）の厚さよりも複数倍厚い、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項４】
差圧測定のために、前記空洞（５）が、チャネル（２１）に接続され、前記チャネル（２１）が、前記コンタクト形成領域（６）中へと延び、且つ開口部（２１０）を有する、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項５】
前記空洞（５）が、チャネル（２１）に接続され、前記チャネル（２１）が、前記コンタクト形成領域（６）中へと延び、且つ更なる閉じた空洞（１２）内で終わる、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項６】
ゲッタ（１３）が、前記空洞（１２）内に配置されている、ことを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項７】
前記チャネル（２１）が形成され、チャネル領域内には、張り合わせ材料が、前記ＭＥＭＳ基板（３０）と前記キャリア基板（３１）との間に存在しない、ことを特徴とする請求項４から６までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項８】
前記止まり穴を形成する前記空洞（５）が、急峻な壁を有し、前記壁が、前記メンブレン（７）に対して基本的に直角に立つ、ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項９】
前記メンブレン（７）が、酸化物層によって前記空洞（５）に向かって境界を形成されている、ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１０】
前記ピエゾ抵抗素子（２）が、前記酸化物層に隣接する前記メンブレン（７）内に抵抗として構成されている、ことを特徴とする請求項９に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１１】
前記抵抗（２）が、シリコン層内に埋め込まれ、前記シリコン層が、前記酸化物層に隣接する前記空洞（５）の外部に配置され、それぞれのケースにおいて、酸化物層が、前記シリコン層から前記抵抗（２）を絶縁している、ことを特徴とする、請求項１０に記載のＭＥＭＳチップ。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか一項に記載のＭＥＭＳチップ（３）を含む測定素子において、前記ＭＥＭＳチップ（３）が、ブッシング内に圧力−気密な方式で配置され、前記ブッシングが、前記ＭＥＭＳチップ（３）の前記ブッシング領域（１１）を取り囲む流延材料（２０）及び前記流延材料（２０）を囲む保持リング（１）よって形成されている、ことを特徴とする測定素子。
【請求項１３】
前記流延材料（２０）が、ガラス、はんだ、又は接着剤である、ことを特徴とする請求項１２に記載の測定素子。
【請求項１４】
前記測定領域（４）において、前記ＭＥＭＳチップ（３）が、パッシベーション層（３２）で取り囲まれている、ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の測定素子。
【請求項１５】
前記測定領域（４）及び前記コンタクト形成領域（６）が、前記保持リング（１）の異なる側から突き出ている、ことを特徴とする請求項１２から１４までのいずれか一項に記載の測定素子。
【請求項１６】
前記コンタクト（１６）が、クランピング・コンタクト（１７）を用いてクランプすることによって簡単に接続されることが可能である、ことを特徴とする請求項１２から１５までのいずれか一項に記載の測定素子。
【請求項１７】
前記保持リング（１）が、前記長手方向軸線（Ａ）に沿って延び、且つ前記測定領域（４）の方向に前記流延材料（２０）を超えて突き出ている、ことを特徴とする請求項１２から１６までのいずれか一項に記載の測定素子。
【請求項１８】
請求項１２から１７までのいずれか一項に記載の測定素子（１０）を備える圧力センサ（Ｓ）において、筐体（９）が、前記測定素子（１０）の前記保持リング（１）上へと、圧力−気密な方式で、恒久的に取り付けられている、ことを特徴とする圧力センサ（Ｓ）。
【請求項１９】
雄ねじ（９１）が、圧力空間（Ｄ）の壁に接続するために前記筐体（９）上に配置されている、ことを特徴とする請求項１８に記載の圧力センサ（Ｓ）。
【請求項２０】
前記筐体（９）が、前記測定領域（４）の上方に延び、且つ前記筐体（９）の前面壁が、少なくとも１つの筐体開口部（９０）を有し、前記筐体開口部（９０）が、開放方式で、又は格子として、又はスクリーンとして構成されている、ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の圧力センサ（Ｓ）。
【外国語明細書】
2019174478000001.pdf