(57)【要約】【課題】低圧領域を高感度で検出できる圧力センサを提供する。【解決手段】ＭＥＭＳ素子を用いた圧力センサであって、基板１０上に固定された固定電極２０と、固定電極２０の上方に上下方向に可動可能に配置された可動電極５０と、基板１０と共に固定電極２０及び可動電極５０を収容するための空洞を形成する薄膜ドーム６０と、薄膜ドーム６０内の空洞と薄膜ドーム６０外の外気とを接続する接続穴６０ａと、固定電極２０と可動電極５０との間に電圧を印加し、可動電極５０の機械特性の時間依存性又は周波数依存性を測定する回路１５とを具備した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に固定された固定電極と、
前記固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された可動電極と、
前記基板と共に前記固定電極及び前記可動電極を収容するための空洞を形成する薄膜ドームと、
前記薄膜ドーム内の前記空洞と前記薄膜ドーム外の外気とを接続する接続穴と、
前記固定電極と前記可動電極との間に電圧を印加し、前記可動電極の機械特性の時間依存性又は周波数依存性を測定する手段と、
を具備したことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記可動電極にバネ部が設けられており、前記可動電極と前記バネ部は一体形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記接続穴は、前記薄膜ドームの一部に設けられ、且つ前記可動電極の上方よりも外側の部分に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記接続穴は、前記薄膜ドームの一部を外側に突出させ、この突出部に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記固定電極の外側で前記基板上に配線が形成され、前記可動電極の端部がバネ部を介して前記配線に接続されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記薄膜ドームは、複数の開口を有する第１の絶縁膜、第１の絶縁膜上に前記開口を塞ぐように形成された樹脂膜、及び前記樹脂膜上に形成された第２の絶縁膜を有することを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記可動電極の機械特性の時間依存性又は周波数依存性を測定する手段は、前記可動電極を直流電圧で駆動したときの前記可動電極の振動の時間変化、又は前記可動電極に高周波電圧を印加したときの前記可動電極の変位量の変化を測定することを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載の圧力センサ。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に設けられた第１のＭＥＭＳ素子と、
前記基板上に設けられた第２のＭＥＭＳ素子と、
を具備し、
前記第１のＭＥＭＳ素子は、前記基板上に固定された第１の固定電極と、前記第１の固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第１の可動電極と、前記基板と共に前記第１の固定電極及び前記第１の可動電極を収容するための第１の空洞を形成し、且つ一部が前記第１の可動電極に接続された第１の薄膜ドームとを具備し、
前記第２のＭＥＭＳ素子は、前記基板上に固定された第２の固定電極と、前記第２の固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された第２の可動電極と、前記基板と共に前記第２の固定電極及び前記第２の可動電極を収容するための第２の空洞を形成する第２の薄膜ドームと、前記第２の薄膜ドーム内の前記第２の空洞と前記第２の薄膜ドーム外の外気とを接続する接続穴とを具備し、
前記第１のＭＥＭＳ素子では、前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量が測定され、前記第２のＭＥＭＳ素子では、前記第２の可動電極の機械特性が測定される、
ことを特徴とする圧力センサ。
【請求項９】
前記第１のＭＥＭＳ素子は、前記第１の薄膜ドームの中心部と前記第１の可動電極とがアンカーにより接続され、前記第２のＭＥＭＳ素子は、前記第２の薄膜ドームと前記第２の可動電極とが接続されていないことを特徴とする、請求項８に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記接続穴は、前記第２の薄膜ドームの一部を外側に突出させ、この突出部に設けられていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記第２のＭＥＭＳ素子は、前記第２の可動電極を直流電圧で駆動したときの前記第２の可動電極の振動の時間変化、又は前記第２の可動電極に高周波電圧を印加したときの前記第２の可動電極の変位量の変化を測定することを特徴とする、請求項８〜１０の何れかに記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記第１のＭＥＭＳ素子における前記静電容量で高圧領域側の圧力を求め、前記第２のＭＥＭＳ素子における前記機械特性で低圧領域側の圧力を求めることを特徴とする、請求項８〜１１の何れかに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ素子を用いた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ素子を用いた圧力センサは、気密封止されたドーム内に可動電極と固定電極が設置されている。そして、外圧変化に応じて、ドームと可動電極が変位し、可動電極と固定電極との間の容量が変化する。この容量の変化を検出することにより圧力を測定することができる（特許文献１）。しかし、外圧の圧力領域によっては、高感度で検出することが難しいと云う問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１０３２８５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Sensor and Actuators A48 (1995) 239-248,“Equivalent-circuit model of the squeezed gas film in a silicon accelerometer”
【非特許文献２】JOUNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol.17, No.3, June 2008 755-766,“Temperature Dependence of Quality Factor in MEMS Resonators”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は、所定の圧力領域を高感度で検出できる圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の圧力センサは、基板上に固定された固定電極と、前記固定電極の上方に上下方向に可動可能に配置された可動電極と、前記基板と共に前記固定電極及び前記可動電極を収容するための空洞を形成する薄膜ドームと、前記薄膜ドーム内の前記空洞と前記薄膜ドーム外の外気とを接続する接続穴と、前記固定電極と前記可動電極との間に電圧を印加し、前記可動電極の機械特性の時間依存性又は周波数依存性を測定する手段と、を具備した。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係わる圧力センサの概略構成を示す断面図。
【図２】図１の圧力センサのドーム開口を説明するための平面図。
【図３】図１の圧力センサの固定電極と可動電極との間に印加する直流電圧と可動電極の変位量との関係を示す模式図。
【図４】図１の圧力センサにおける可動電極の振動特性を示す特性図。
【図５】図１の圧力センサのＱ値測定回路の一例を示す図。
【図６】図１の圧力センサに高周波電圧を印加したときの、印加周波数と可動電極の変位量との関係を示す特性図。
【図７】第２の実施形態に係わる圧力センサの概略構成を示す断面図。
【図８】図７の圧力センサのドーム開口を説明するための平面図。
【図９】図７の圧力センサの製造工程を示す断面図。
【図１０】図７の圧力センサの製造工程を示す断面図。
【図１１】図７の圧力センサの製造工程を示す断面図。
【図１２】図７の圧力センサにおける外気圧と容量又はＱ値との関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の実施形態のＭＥＭＳ圧力センサは、例えばスマートフォン向け圧力センサ（高度計、活動量計などの用途）、ヘルスケア向け圧力センサ、車載向け圧力センサ（側面衝突センサ、ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System））に利用される。
【０００９】
（第１の実施形態）
本実施形態においては、低圧領域を高感度でセンシングする圧力センサを提供する。
【００１０】
図１は、第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ素子を用いた圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【００１１】
Ｓｉ等の基板１０上に、例えば平板状の固定電極（下部電極）２０と配線３１，３２が設けられている。固定電極２０の平面パターンは、基本的には多角形（八角形）である。配線３１，３２は、固定電極２０の外側に設けられている。固定電極２０及び配線３１，３２の材料は、例えばＡｌ又はＡｌＣｕ合金である。固定電極２０及び配線３１，３２はＳｉＮ膜４０で被覆されており、配線３１，３２上においてＳｉＮ膜４０に開口が設けられている。
【００１２】
固定電極２０の上方に、平板状の可動電極（上部電極）５０が上下方向に可動可能に設けられている。可動電極５０の平面パターンは固定電極２０と同様に基本的には多角形（八角形）であり、可動電極５０は固定電極２０と対向するように配置されている。可動電極５０の端部は、バネ部５１，５２を介して配線３１，３２に接続されている。
【００１３】
可動電極５０及びバネ部５１，５２の材料は、例えばＡｌやＡｌＣｕ合金等である。バネ部５１，５２は可動電極５０と一体に形成され、可動電極５０の平面部よりも膜厚が薄くなっている。さらに、バネ部を設ける位置は可動電極５０の対向する２箇所に限らず、可動電極５０の中心に対して９０度ずつずらした４箇所であっても良い。
【００１４】
基板１０上には、固定電極２０、配線３１，３２、及び可動電極５０を収容するための空洞を形成するように、積層構造の薄膜ドーム６０が設けられている。薄膜ドーム６０は、ＳｉＯやＳｉＮ等の第１の絶縁膜６１、ポリイミド等の有機樹脂膜６２、及びＳｉＯやＳｉＮ等の第２の絶縁膜６３の積層構造となっている。
【００１５】
薄膜ドーム６０の一部は、図２に示すように外側に突出して設けられている。そして、この突出部に薄膜ドーム６０を上下に貫通する貫通穴（接続穴）６０ａが設けられており、ＭＥＭＳ素子のドーム内は解放されている。即ち、ＭＥＭＳ素子のドーム内は、素子外部の雰囲気又は外気に繋がっている。
【００１６】
固定電極２０と配線３１，３２との間には、可動電極４０の機械特性を測定するためのＱ値測定回路１５が接続されている。このＱ値測定回路１５は、基板１０内にＣＭＯＳ混載回路として形成されている。Ｑ値測定回路１５は、例えば固定電極２０と可動電極５０との間に電圧を印加し、変位の時間特性又は変位の周波数特性を測定するものとなっている。
【００１７】
次に、本実施形態の圧力センサを用いた圧力測定原理について説明する。
【００１８】
図３（ａ）に可動電極の入力電圧を示し、図３（ｂ）に可動電極の変位を示す。固定電極２０と可動電極５０との間に直流電圧を印加していない場合、可動電極５０は固定電極２０とは離れている（up状態）。固定電極２０と可動電極５０との間に直流電圧を印加（pull in）すると、可動電極５０は固定電極２０側に吸引され、固定電極２０側に接触する（down状態）。この状態から電圧印加を停止（pull out）すると、可動電極５０は固定電極２０側から離れる。
【００１９】
このとき、可動電極５０はバネ部５１，５２を介して配線３１，３２に接続されているため、可動電極５０は一定時間振動することになる。この振動時間は、可動電極５０の周りの圧力、即ちセンサ周辺の圧力によって変化する。即ち、空気圧が抵抗となり、空気圧が小さいほど振動（Ｑ値）が大きくなる。従って、上記の振動特性を測定することにより、センサ周辺の圧力を測定することが可能となる（非特許文献１）。
【００２０】
図４は、可動電極５０の振動特性をより詳しく示す図である。振動の最初のピークをＡ１、最初のピークから１周期の定時間Ｔｐ後のピークをＡ２とすると、Ｑ値は、
Ｑ＝π／log（Ａ１／Ａ２）
として算出される。このＱ値の変化は、０．１〜１０ｋＰａの低圧領域で特に大きいため、本実施形態は低圧領域の測定に有効となる。
【００２１】
また、例えば図５（ａ）に示すように、固定電極２０と可動電極５０との間に、共振周波数付近の高周波電圧を印加する。高周波電圧を印加すると、可動電極５０は、図６に示すように、ある共振周波数で変位量がピークを持つ。そして、このピーク値が可動電極５０の周りの圧力によって変化する。即ち、気圧増加に応じてピークの鋭さ（Ｑ値）が減少する。従って、ピーク値を測定することにより、圧力を測定することが可能となる。
【００２２】
具体的には、共振周波数をｆ0 、半値幅をΔｆとすると、
Ｑ＝ｆ0 ／Δｆ
として算出される。この場合のＱ値の変化も、０．１〜１０ｋＰａの低圧領域で特に大きいため、本実施形態は低圧領域の測定に有効となる。
【００２３】
このように本実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子の薄膜ドーム６０に貫通穴６０ａを設け、薄膜ドーム６０内を外気とを接続した状態で、可動電極５０の機械特性を測定することにより、低圧領域を高感度でセンシングすることが可能となる。
【００２４】
そしてこの場合、貫通穴６０ａを可動電極５０の上方の外側に設けているため、貫通穴６０ａからゴミ、異物、ダストなどが入って可動電極５０に付着するのを抑制することができる。また、ドームの一部を外側に突出させ、この部分に貫通穴６０ａを設けることにより、以下の理由でドームの大型化を招くこともない。
【００２５】
即ち、ゴミの侵入の問題から、貫通穴６０ａは可動電極５０の上方には設けたくない。さらに、薄膜ドーム６０の傾斜側面に貫通穴６０ａを形成するのは難しい。このために、薄膜ドーム６０の平坦部を可動電極５０よりも大きくすると、ドームの大型化を招く。これに対し、薄膜ドーム６０の平坦部は可動電極５０とほぼ同じ大きさとし、薄膜ドーム６０の一部を外側に突出させることにより、薄膜ドーム６０の大型化を招くことなく、可動電極５０の上方の外側に貫通穴６０ａを簡易に形成することができる。
【００２６】
また、本実施形態ではＭＥＭＳ素子を形成する基板１０にＣＭＯＳ混載回路を設けているため、次のような利点もある。即ち、ＭＥＭＳ素子と測定回路との接続のための配線が最短となり、寄生容量を極力小さくすることができる。これは、圧力の測定に関して感度の向上に繋がる。さらに、ＭＥＭＳ素子の下地基板にＣＭＯＳ混載回路を設けているため、ウェハレベルパッケージ構造で形成することができ、小型化が可能となる。
【００２７】
また、振動子（可動電極５０）のＱ値は、周囲の圧力以外に周囲の温度にも依存する（非特許文献２）。
【００２８】
Ｑ＝定数×（√温度）／圧力）
なので、振動子のＱ値を圧力センサの測定対象として使用する場合、圧力測定精度の向上、作動の温度レンジの拡大のために、振動子の周囲温度を検出し、補正する必要がある。本実施形態のように、振動子の直下にＣＭＯＳ混載回路を設けた場合、ＭＥＭＳ素子の近傍の温度を検出し、補正することが容易に可能となる。
【００２９】
また、薄膜ドーム６０を３層構造にしているため、次のような利点もある。通常のエッチングでは、エッチング後に洗浄処理を施すが、本実施形態では洗浄処理を行うと、薄膜ドーム６０内に洗浄液及びエッチング滓が侵入することになる。これは、可動電極５０の動きを阻害する要因となる。しかし、エッチング後の洗浄処理を省略することは望ましくない。
【００３０】
これに対し、本実施形態のように薄膜ドーム６０が３層構造の場合、ポリイミド膜６２までエッチングした後に洗浄処理し、その後にＳｉＯ膜６１をエッチングすればよい。この場合、貫通穴６０ａが開口する前に予め洗浄処理を行うことにより、最下層のＳｉＯ膜６１のエッチング後の洗浄処理を省略しても、殆ど問題とならない。
【００３１】
また、本実施形態では可動電極５０とバネ部５１，５２を一体形成しているため、別体のバネ部を可動電極５０に接合する場合と比べて耐久性が上がる。これは、可動電極５０を振動させる場合は特に有効となる。
【００３２】
（第２の実施形態）
本実施形態においては、低圧領域を含めた広い圧力レンジを高感度でセンシングする圧力センサを提供する。
【００３３】
図７は、第２の実施形態に係わる圧力センサの概略構成を示す断面図である。図８は、同センサの第１及び第２のＭＥＭＳ素子の配置例を示す平面図である。
【００３４】
Ｓｉ等の基板１０上に、高圧レンジ測定用の第１のＭＥＭＳ素子１００と低圧レンジ測定用の第２のＭＥＭＳ素子２００とが隣接配置されている。
【００３５】
第１のＭＥＭＳ素子１００は、次のように構成されている。
【００３６】
Ｓｉ等の基板１０上に、例えば平板状の第１の固定電極（下部電極）１２０と第１の配線１３１，１３２が設けられている。固定電極１２０の平面パターンは、基本的には多角形（八角形）である。配線１３１，１３２は、固定電極１１０の外側に設けられている。固定電極１２０及び配線１３１，１３２の材料は、例えばＡｌ又はＡｌＣｕ合金である。固定電極１２０及び配線１３１，１３２はＳｉＮ膜４０で被覆されており、配線１３１，１３２上においてＳｉＮ膜４０に開口が設けられている。
【００３７】
固定電極１１０の上方に平板状の第１の可動電極（上部電極）１５０が上下方向に可動可能に設けられている。可動電極１５０の平面パターンは固定電極１２０と同様に基本的には多角形（八角形）であり、可動電極１５０は固定電極１２０と対向するように配置されている。可動電極１５０の端部は、第１のバネ部１５１，１５２を介して配線１３１，１３２に接続されている。
【００３８】
可動電極１５０及びバネ部１５１，１５２の材料は、例えばＡｌやＡｌＣｕ合金等である。バネ部１５１，１５２は可動電極１５０と一体に形成され、可動電極１５０の平面部よりも膜厚が薄くなっている。さらに、バネ部を設ける位置は可動電極１５０の対向する２箇所に限らず、可動電極１５０の中心に対して９０度ずつずらした４箇所であっても良い。
【００３９】
基板１０上には、固定電極１２０、配線１３１，１３２、及び可動電極１５０を収容するための第１の空洞を形成するように、積層構造の第１の薄膜ドーム１６０が設けられている。そして、この薄膜ドーム１６０内は気密封止されている。薄膜ドーム１６０は、例えばＳｉＯやＳｉＮ等の第１の絶縁膜１６１、ポリイミド等の有機樹脂膜１６２、及びＳｉＯやＳｉＮ等の第２の絶縁膜１６３の積層構造となっている。
【００４０】
薄膜ドーム１６０の内側の中央部には、アンカー１６５が設けられている。可動電極１５０は、アンカー１６５を介して、薄膜ドーム１６０の内側の中央部に接合されている。これにより、可動電極１５０は薄膜ドーム１６０と共に上下方向に移動可能となっている。
【００４１】
第２のＭＥＭＳ素子２００は、第１のＭＥＭＳ素子１００と同様に、第２の固定電極２２０、第２の配線２３１，２３２、第２の可動電極２５０、及び第２の薄膜ドーム２６０で構成されており、基本的な構成は第１のＭＥＭＳ素子１００と同様である。第２のＭＥＭＳ素子２００が第１のＭＥＭＳ素子１００と異なる点は、アンカー１６５に相当する部分が無く、第２の可動電極２５０と第２の空洞を形成するための第２の薄膜ドーム２６０とが接続されていない点である。
【００４２】
さらに、第２のＭＥＭＳ素子２００には、薄膜ドーム２６０を貫通する貫通穴（接続穴）２６０ａが設けられており、第２のＭＥＭＳ素子２００のドーム内は解放されている。即ち、第２の薄膜ドーム２６０の一部は、図８に示すように外側に突出して設けられている。そして、この突出部に薄膜ドーム２６０を貫通する貫通穴２６０ａが設けられており、第２のＭＥＭＳ素子２００のドーム内は解放されている。即ち、第２のＭＥＭＳ素子２００のドーム内は、素子外部の雰囲気又は外気に繋がっている。
【００４３】
次に、本実施形態の圧力センサの製造方法を、図９〜図１１を参照して説明する。
【００４４】
基板１０上に少なくとも二つのＭＥＭＳ素子領域が存在する場合を示す。以下、特記が無ければ、工程は二つのＭＥＭＳ素子で共通である。
【００４５】
まず、図９（ａ）に示すように、Ｓｉ等の基板１０上に、固定電極（１ＭＴＬ）を形成する。例えば、Ａｌスパッタで基板１０上の全面にＡｌ膜を形成した後、リソグラフィ、ＲＩＥにより、第１のＭＥＭＳ素子領域に第１の固定電極１２０及び第１の配線１３１，１３２を形成すると共に、第２のＭＥＭＳ素子領域に第２の固定電極２２０及び第２の配線２３１，２３２を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法などにより、ＳｉＮ膜４０を堆積させた後、例えばリソグラフィ及びＲＩＥを用いることにより、所望の部分の開口を行う。
【００４６】
次いで、図９（ｂ）に示すように、第１及び第２のＭＥＭＳ素子領域で、固定電極１２０，２２０及び配線１３１，１３１，２３１，２３２を覆うように、第１の犠牲層４３（ＳＡＣ１）を形成する。この犠牲層４３には、Ｃを主成分とする有機樹脂の塗布膜、例えばポリイミドを用いる。犠牲層４３の膜厚は、例えば数１００ｎｍ〜数μｍである。続いて、犠牲層４３を所望の形状にパターニングする。これにより、配線１３１，１３２，２３１，２３２の一部が露出される。
【００４７】
次いで、図９（ｃ）に示すように、可動電極（２ＭＴＬ）の形成を行う。例えば、Ａｌスパッタにより全面にＡｌ膜を形成した後、リソグラフィ及びウェットエッチングにより、第１及び第２のＭＥＭＳ素子領域にＡｌ膜を残す。これにより、第１のＭＥＭＳ素子領域に第１の可動電極１５０を形成すると共に、第２のＭＥＭＳ素子領域に第２の可動電極２５０を形成する。
【００４８】
ここで、可動電極１５０の平坦部と配線１３１，１３２との間はＡｌの膜厚が薄く形成され、この部分がバネ部１５１，１５２として機能することになる。同様に、可動電極２５０の平坦部と配線２３１，２３２との間はＡｌの膜厚が薄く形成され、この部分がバネ部２５１，２５２として機能することになる。
【００４９】
次いで、図１０（ｄ）に示すように、第２の犠牲層４４（ＳＡＣ２）を形成する。この犠牲層４４は、第１の犠牲層４３と同じ材料である。続いて、第１及び第２のＭＥＭＳ素子領域以外の犠牲層４４を除去する。この際に、第１のＭＥＭＳ素子領域では、犠牲層４４が可動電極１５０まで開口されるパターニングを行う。即ち、アンカーを形成する部分に開口４４ａを形成する。
【００５０】
次いで、図１０（ｅ）に示すように、ＳｉＯ膜６１（ＣＡＰ１）を堆積させた後、リソグラフィ及びＲＩＥを用いることにより、所望の部分の開口を行う。ここで、第１のＭＥＭＳ素子領域側のＳｉＯ膜を１６１と定義し、第２のＭＥＭＳ素子領域側のＳｉＮ膜を２６１と定義する。ＳｉＯ膜１６１の一部がアンカー１６５となり、アンカー１６５は第１のＭＥＭＳ素子領域において可動電極１５０の上面と接触することになる。
【００５１】
なお、これ以降に形成するポリイミド膜６２を、第１のＭＥＭＳ素子領域側では１６２、第２のＭＥＭＳ素子領域側では２６２と定義し、更にＳｉＮ膜６３を、第１のＭＥＭＳ素子領域側では１６３、第２のＭＥＭＳ素子領域側では２６３と定義する。
【００５２】
次いで、図１０（ｆ）に示すように、ＳｉＯ膜１６１，２６１の開口部を通じて、第１及び第２の犠牲層４３，４４を、例えばＯ2 アッシングにより除去する。その結果、ＭＥＭＳ素子の可動部が動作するための空間としてのキャビティ（空洞）が得られる。
【００５３】
次いで、図１１（ｇ）に示すように、ＳｉＯ膜１６１，２６１上にポリイミド膜１６２，２６２（ＰＩ）を形成すると共に、ＳｉＯ膜１６１，２６１の開口をポリイミド膜１６２，２６２で塞ぐ。
【００５４】
次いで、図１１（ｈ）に示すように、ＳｉＮ膜１６３，２６３を堆積させた後、所望の部分の開口を行う（例えば、リソグラフィ、ＲＩＥを用いる）。これにより、第１のＭＥＭＳ素子領域側に第１の薄膜ドーム１６０を形成し、第２のＭＥＭＳ素子領域側に第２の薄膜ドーム２６０を形成する。第２の薄膜ドーム２６０の一部は、図８に示すように外側に突出して設けられている。
【００５５】
これ以降は、第２の薄膜ドーム２６０の突出部に貫通穴２６０ａをエッチングにより形成することにより、前記図７に示す構造が完成することになる。このとき、貫通穴２６０ａを形成する際には、まずドライエッチングでＳｉＮ膜２６３をエッチングした後、ウェットエッチングでポリイミド膜２６２をエッチングする。次いで、洗浄処理を施した後、ドライエッチングでＳｉＯ膜２６１をエッチングする。最終的に開口が貫通する際には、最下層のＳｉＯ膜２６１がドライエッチングされるのみであるため、洗浄処理を省略しても問題とはならない。
【００５６】
次に、本実施形態の圧力センサを用いた圧力測定原理について説明する。
【００５７】
先に説明したように、第１のＭＥＭＳ素子１００は、薄膜ドーム１６０内が封止されており、内部に可動電極１５０と固定電極１２０を持つ。薄膜ドーム１６０と可動電極１５０は接合されており、外圧と内圧の差圧に応じて、薄膜ドーム１６０と可動電極１５０が変位する。一方、第２のＭＥＭＳ素子２００は、薄膜ドーム２６０内が開放されており、外圧と内圧は同じである。薄膜ドーム２６０内に可動電極２５０と固定電極２２０を持つが、薄膜ドーム２６０と可動電極２５０は接合されていない。
【００５８】
第１のＭＥＭＳ素子１００は、薄膜ドーム１６０の内外の差圧に応じて、可動電極１５０と固定電極１２０との間の容量（Ｃ）が変化する。従って、可動電極１５０と固定電極１２０との間の容量値を用いて外圧を検出することができる。圧力による容量の変化特性は、図１２に実線Ａで示すように、１０〜５００ｋＰａの圧力範囲で大きなものとなる。
【００５９】
一方、第２のＭＥＭＳ素子２００は、第１の実施形態と同様に、可動電極２５０を直流電圧の印加で駆動させた際に、電極間距離の時間過渡特性をモニタする。そして、可動電極２５０の機械特性（Ｑ値）を求め、そのＱ値を用いて外圧を検出する。Ｑ値の変化特性は、図１２に実線Ｂで示すように、０．１〜１０ｋＰａの圧力範囲で大きなものとなる。従って、第１のＭＥＭＳ素子１００と第２のＭＥＭＳ素子２００を用いて、例えば、０．１ｋＰａから５００ｋＰａの圧力レンジをセンシングすることができる。
【００６０】
また、第１のＭＥＭＳ素子１００では、可動電極１５０をアンカー１６５を介して薄膜ドーム１６０に接合している。この状態で、ＭＥＭＳ素子１００の薄膜ドーム１６０に圧力が加わると、薄膜ドーム１６０は撓むが、可動電極１５０は撓まずに下方に平行移動する。このため、可動電極１６０と固定電極１２０との間の距離は、薄膜ドーム１６０の中心から離れても変わらない。一方、可動電極１５０の全体が薄膜ドーム１６０の内側の上面に接続されている場合、圧力によって薄膜ドーム１６０が撓むと、可動電極１５０も撓む。従ってこの場合、可動電極１５０と固定電極１２０との間の距離は、薄膜ドーム１６０の中心から離れるに従って大きくなる。
【００６１】
このように同じ大きさの圧力によって薄膜ドーム１６０が撓む場合、本実施形態のように、薄膜ドーム１６０の中心部にアンカー１６５を介して可動電極１５０を接続した方が、可動電極１５０と固定電極１２０との間の平均的な距離は短くなる。この場合、同じ圧力でもより大きな静電容量の変化が得られるＭＥＭＳ素子を提供できるようになる。これによってもＭＥＭＳデバイスの検出精度の向上を図れるようになる。
【００６２】
また、薄膜ドーム内を大気解放するための貫通穴２６０ａを薄膜ドーム２６０の突出部に設けているため、仮に貫通穴２６０ａからゴミの侵入があったとしても、このゴミが可動電極５０の動きに影響を及ぼすことは極めて少ない。
【００６３】
このように本実施形態によれば、気密封止された第１のＭＥＭＳ素子１００の容量型圧力センサ（変位検出型）と気密封止されていない第２のＭＥＭＳ素子２００の機械特性を利用する圧力センサ（Ｑ値測定型）を融合させ、広い圧力レンジのセンサを実現することができる。しかも、２つのＭＥＭＳ素子１００，２００は従来とほぼ同じプロセスと工程を用いて同時形成されるので、コスト増加なしで圧力センサのレンジを拡大することができる。
【００６４】
また、第１のＭＥＭＳ素子１００では、可動電極１５０をアンカー１６５により薄膜ドーム１６０に接続しているため、同じ圧力でもより大きな静電容量の変化が得られるＭＥＭＳ素子を実現することができる。これにより、ＭＥＭＳデバイスの検出精度の向上を図れるようになる。
【００６５】
また、第２のＭＥＭＳ素子２００では、薄膜ドーム２６０の一部を外側に突出させ、この突出部に貫通穴２６０ａを形成しているため、薄膜ドーム２６０の大型化を招くことなくドーム内を大気解放することができ、更に可動電極５０の動きに対する阻害要因を抑制できる利点もある。
【００６６】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００６７】
薄膜ドームに設ける開口部の位置は実施形態に何ら限定されない。必ずしも突出部を設けることなく、薄膜ドームの一部に開口を設けるようにしても良い。但し、可動電極の上方に開口が存在すると、ゴミの侵入により可動電極が汚染されるおそれがあるため、可動電極の上方よりも外側に設けた方が良い。さらに、薄膜ドームの代わりに基板に貫通穴を設けることも可能である。
【００６８】
実施形態では、可動電極とバネ部を一体に形成しているが、可動電極とバネ部をそれぞれ別の材料の導電膜で形成しても構わない。例えば、配線上にアンカーを固定し、可動電極の端部に可動電極とは別体のバネ部の一端を接続し、バネ部の他端をアンカーに接続するようにしても良い。
【００６９】
また、可動電極の機械特性を測定するための測定回路は、必ずしも基板内に形成されたＣＭＯＳの混載回路に限るものでなく、外部に設けられた回路であっても良い。
【００７０】
また、可動電極はＡｌやＡｌＣｕ合金に限るものではなく、各種の導電材料を用いることが可能である。さらに、Ａｌ電極を可動電極とし、ウェハレベルパッケージ構造を例としているが、必ずしもこの構造に限定されるものではない。
【００７１】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７２】
１０…基板
１５…Ｑ値測定回路
２０，１２０，２２０…固定電極
３１，３２，１３１，１３２，２３１，２３２…配線
４０…ＳｉＮ膜
４３…第１の犠牲層
４４…第２の犠牲層
４４ａ…開口
５０，１５０，２５０…可動電極
５１，５２，１５１，１５２，２５１，２５２…バネ部
６０，１６０，２６０…薄膜ドーム
６０ａ，２６０ａ…貫通穴（接続穴）
６１，１６１，２６１…ＳｉＯ膜（第１の絶縁膜）
６２，１６２，２６２…ポリイミド膜（樹脂膜）
６３，１６３，２６３…ＳｉＮ膜（第２の絶縁膜）
１００…第１のＭＥＭＳ素子
１６５…アンカー
２００…第２のＭＥＭＳ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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１２】
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