(57)【要約】本発明は、少なくとも１つのダイヤフラムを備えたマイクロマシニング型のセンサもしくは該マイクロマシニング型のセンサを製作する方法に関する。その際、ダイヤフラムは第１の材料から製作され、ダイヤフラムを包囲する媒体のセンシングのために、第２の材料内に格納されている。そこで、本発明の核心は、ダイヤフラムが少なくとも部分的に第３の材料により、ダイヤフラム縁部の、破損に敏感な箇所で強化されている点にある。ダイヤフラム縁部の強化により、安定性が向上され、それによりダイヤフラムもしくはセンサの寿命が向上される。
2006516327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのダイヤフラム（１）を備えたマイクロマシニング型のセンサであって、ダイヤフラム（１）が、
‐第１の材料から製作され、かつ
‐センシングする媒体に曝され、かつ
‐少なくとも部分的にその縁部で、ダイヤフラムを包囲する第２の材料により縁取りされている
形式のものにおいて、
ダイヤフラム（１）が、安定性を高めるために、少なくともダイヤフラム縁部の一部に第３の材料を有しており、該第３の材料がダイヤフラム（１）を、センシングしたい媒体による負荷に対して強化する
ことを特徴とするダイヤフラムセンサ。
【請求項２】
ダイヤフラム（１）が、ダイヤフラム縁部からの距離に依存したダイヤフラム厚さを有しており、特にダイヤフラム厚さがダイヤフラム縁部に向かって増加するようになっている、請求項１記載のダイヤフラムセンサ。
【請求項３】
ダイヤフラム（１）が少なくとも第１の材料と第３の材料とを有しており、第１の材料が、ダイヤフラムの全面にわたって均等な厚さを有するようになっている、請求項１記載の方法。
【請求項４】
ダイヤフラム縁部が、センシングする媒体に曝されるダイヤフラム面上で、少なくとも部分的に第３の材料による被覆（２，３）により強化される、請求項１記載のダイヤフラムセンサ。
【請求項５】
ダイヤフラム（１）が、第３の材料から成る構造（６，９，１０）を有しており、該構造（６，９，１０）がダイヤフラム縁部を超えて延長されているようになっており、特に該構造（６，９，１０）により、媒体の運転量に依存して、抵抗測定が実施されるようになっている、請求項１記載のダイヤフラムセンサ
【請求項６】
第３の材料が伝導性である、特に
‐請求項４記載の被覆（２，３）および／または
‐請求項５記載の構造（６，９，１０）が、
少なくとも導体路構造および／または抵抗構造の一部を成すようになっている、
請求項１から５までのいずれか１項記載のダイヤフラムセンサ。
【請求項７】
構造（６，９，１０）の、ダイヤフラム縁部を超える延長が、ダイヤフラム縁部に対して垂直に実施される、請求項５記載のダイヤフラムセンサ。
【請求項８】
第１の材料、第２の材料および／または第３の材料が、
‐ケイ素および／または
‐酸化ケイ素および／または
‐窒化ケイ素および／または
‐誘電性の物質
から成り、特に第３の材料が
‐白金および／または
‐ニッケルおよび／または
‐ポリシリコンおよび／または
‐塑性的かつ弾性的に変形可能な材料
から成るようになっている、
請求項１から７までのいずれか１項記載のダイヤフラムセンサ。
【請求項９】
媒体の運転量が、媒体の
‐圧力および／または
‐温度および／または
‐組成および／または
‐密度および／または
‐流動、すなわち流過する粒子の速度
と理解されるべきである、
請求項５記載のダイヤフラムセンサ。
【請求項１０】
請求項１からＸまでのいずれか１項記載のダイヤフラムセンサを製作する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、主請求項の上位概念部に記載された特徴を備えたダイヤフラムセンサ、特に直接的な媒体接触を有するセンサ、例えばエアマスセンサ、空気圧センサまたは空気質センサに関する。
【０００２】
そのようなダイヤフラムセンサの製作は有利には、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリシリコンまたは金属から成るダイヤフラム材料をシリコンウェハ上に析出し、引き続いてシリコンを、局所的に背面からダイヤフラムまで、湿式または乾式に化学的にエッチングすることにより実施される。これらのセンサはしばしば物質への熱伝導を減じるために極めて薄いダイヤフラムを有している。
【０００３】
例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１５７２２号明細書から公知であるそのようなセンサの場合、ダイヤフラムは、ダイヤフラム保持部（Ｍｅｍｂｒａｎｈａｌｔｅｒｕｎｇ）において発生するノッチ応力に対する敏感性を減じ、かつ圧力敏感性を改善するために、弾性的な縁取り部（Ｅｉｎｆａｓｓｕｎｇ）を有している。この弾性的な縁取り部は、ダイヤフラムの、測定エレメントが位置し、ひいては測定したい媒体が流過する面に対向して位置する面に設けられている。
【０００４】
それゆえ、冒頭で挙げたエアマスセンサ、空気圧センサまたは空気質センサのような、直接的な媒体接触を有するセンサタイプの場合、ミクロメートル領域の厚さと、数１００ミクロメートル〜数ミリメートルの横方向の寸法とを有するダイヤフラムは、直接、流動する媒体、例えば空気に曝されている。それゆえ、フィルタの使用にもかかわらず媒体中に含まれる粒子、例えば塵埃は、より高い流速時に、粒子がダイヤフラムに直接衝突することにより、ダイヤフラムの損傷を招く可能性がある。また、不利な圧力関係は、空気圧センサのダイヤフラムが過度に大きく変位することを招く可能性がある。指摘した事例により、ダイヤフラムが特に破損に敏感なダイヤフラム縁部で破損しやすいことが判っている。ダイヤフラムの損傷は、測定敏感度の低下から、センサの破壊による全壊にまで至る可能性がある。
【０００５】
粒子衝突に対するダイヤフラムの安定性は、所定の塵埃量を有する空気流動内での統計学的な寿命により規定される。その際、安定性の向上は、確かにダイヤフラム厚さの増加および／またはダイヤフラムの予備荷重（張力）の低下により達成されるが、厚さの増加は熱伝導性の増加を招き、ひいては特性線の悪化を招く。予備荷重は一般に、十分に下げることができない。それというのも、ダイヤフラムは、反りを回避するために、すべての運転条件で引張り応力領域になければならないからである。
【０００６】
空気圧センサの場合、ダイヤフラム厚さはやはりある一定のレベルまでしか変更されることができない。それというのも、ダイヤフラムを厚くすることは、測定可能な圧力領域のシフトを伴うからである。
【０００７】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２１０３３５号明細書に記載されたダイヤフラムセンサのダイヤフラムは、保持部でセンサハウジングに格納されている。この保持部の他に、センサはダイヤフラム縁部に付加的な層を有している。この付加的な層により、ダイヤフラムの、衝突する粒子に対する安定性が高められる。
【０００８】
発明の利点
本発明は、少なくとも１つのダイヤフラムを備えたマイクロマシニング型のセンサもしくは該マイクロマシニング型のセンサを製作する方法に関する。その際、ダイヤフラムは第１の材料から製作され、ダイヤフラムを包囲する媒体のセンシングのために、第２の材料内に格納されている。そこで、本発明の核心は、ダイヤフラムが少なくとも部分的に第３の材料により、ダイヤフラム縁部の、破損に敏感な箇所で強化されている点にある。ダイヤフラム縁部の強化により、安定性が向上され、それによりダイヤフラムもしくはセンサの寿命が向上される。
【０００９】
本発明の特に有利な構成では、安定性を高めるために、ダイヤフラムが、ダイヤフラム縁部からの距離に依存したダイヤフラム厚さを有するようになっている。つまり、例えばダイヤフラムの厚さはダイヤフラム縁部に向かって増加することができる。
【００１０】
本発明の別の有利な構成では、ダイヤフラムが第１の材料および第３の材料から成る。第１の材料がダイヤフラム全体にわたって均一な層厚さを有する一方で、第３の材料は前記構成のように異なる層厚さをダイヤフラム内に取ることができる。
【００１１】
測定列中の負荷に関するダイヤフラム安定性の向上を達成するために、ダイヤフラム縁部は、センシングする媒体に曝されているダイヤフラム面上の、少なくとも選択された箇所で、第３の材料により被覆されることができる。ダイヤフラム縁部が例えば完全に、塑性的かつ弾性的な第３の材料から成る層で被覆されると、この層は、ダイヤフラムの損傷を許可することなく、ダイヤフラムに対する負荷を緩衝することができる。
【００１２】
さらに、この被覆により、ダイヤフラムの点状の強化が、ダイヤフラム縁部を大面積に被覆することなく可能である。
【００１３】
さらに、ダイヤフラムが第３の材料から成る構造を有するようになっていてもよい。この構造は、ダイヤフラムを超えて、例えばダイヤフラムを縁取る第２の材料上に達するように構成されている。本発明の有利な構成はこの構造を、媒体の運転量を検出し、評価回路に転送するために使用する。このことは例えば、媒体の運転量に依存した、構造内の抵抗変化の測定を介して達成されることができる。
【００１４】
有利には、少なくともダイヤフラム縁部の一部を被覆している第３の材料が電気伝導性である。第３の材料の伝導性により、本発明によりダイヤフラム縁部の被覆および／または構造は導体路および／またはその他の抵抗構造として使用されることができる。
【００１５】
ダイヤフラム縁部を超える構造の延長は、構造の縁部がダイヤフラム縁部に対して垂直であるように実施すると有利である。この種の配置により、過圧または粒子によりやはりダイヤフラム縁部に対して垂直に作用する負荷は、最適に補償されることができる。
【００１６】
本発明により、第１の材料、第２の材料および第３の材料は種々異なる物質から成る。ただし、２つの材料または３つのすべての材料が同じ物質から成ることもできる。３つの材料のうち少なくとも１つの材料の物質として、本発明の別の有利な構成では、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素および／または誘電性の物質が考えられている。本発明の特別な構成では、第３の材料が白金、ニッケルおよび／またはポリシリコンから成る。
【００１７】
本発明で提案されるダイヤフラムセンサにより、媒体の運転量として、媒体の圧力、温度、組成、密度または粒子速度を検出することが意図されている。
【００１８】
図面
図１には、導体路によるダイヤフラム縁部の被覆が示されている。図２には、ダイヤフラム表面上での抵抗構造の案内の悪例が示されている。図３には、抵抗構造もしくは導体路構造によるダイヤフラムの最適な被覆が示されている。
【００１９】
実施例の説明
ダイヤフラムセンサの研究から、主にダイヤフラム縁部が測定値受容の負荷を支持しなければならないことが判っている。これに対して、ダイヤフラム中央部は破壊に関して相対的に鈍感である。このことは容易に理解することができる。それというのも、例えば圧力センサの場合、ダイヤフラムの運動がダイヤフラム縁部の歪みにつながるからである。この歪みはダイヤフラムの縁取り部を介して補償されなければならない。エアマスセンサの場合も、ダイヤフラムの、ダイヤフラムに沿って流過する空気（または測定したい別の媒体）により惹起される運動が発生する。
【００２０】
ダイヤフラムの負荷を最小化する可能な道は、ダイヤフラムとこれを包囲する保持部とを構成する個別層の層厚さおよび層応力を互いに最適に調整することにある。ただし、これらのパラメータを任意に変更することは不可能である。それというのも、これらのパラメータは構成エレメントの機能性（例えば加熱出力、層固着）に対する影響を有しているからである。この理由から、図１に示した本実施例では、ダイヤフラム縁部における導体路２，３のレイアウトを、ダイヤフラム１の弾性が静的または動的な負荷に対して著しく高められるように最適化する。この最適化は、ダイヤフラム１と、ダイヤフラムの縁取り部の一部とが、例えば対向して位置する２つの側で導体路２，３により被覆されることにより行われることができる。別の可能性は、ダイヤフラム縁部ができるだけ完全に抵抗構造もしくは導体路構造により被覆されていることにある。それにより、抵抗構造もしくは導体路構造から形成される、塑性的かつ弾性的に変形可能な層が、ダイヤフラム１の損傷を許可することなく、負荷を緩衝することができる。
【００２１】
ただし、ダイヤフラム縁部の他に、ダイヤフラム１の表面上に配置されている構造も、測定値受容による負荷に曝されている。つまり、図２および図３に示した、例えば抵抗構造または導体路構造としての、ダイヤフラム表面上の構造４，６，９，１０が考えられる。これらの構造４，６，９，１０は測定量をダイヤフラムの運動によりまたは空気粒子の流過により検出する。その際、検出される測定量は、ダイヤフラムが曝されている媒体の運転量、例えば圧力、温度、組成、密度または流速である。これらの測定量を評価回路に供給するために、構造を、ダイヤフラムを超えて評価回路に接続する接続部を形成することが必要である。この接続部は臨界的なダイヤフラム縁部を通過しているので、どのように接続が最適化されることができるか、熟考されなければならない。
【００２２】
エアマスセンサの場合、空気（または測定したい別の媒体）は有利には一方向でセンサに沿って、例えば図１〜図３に矢印で示したように流動する。高速の空気粒子がダイヤフラムに沿って流過することにより、ダイヤフラムの運動によるダイヤフラム縁部の負荷以外に、流過する粒子の、ダイヤフラムから評価回路に通じる抵抗構造との衝突も発生する。特に図２の領域５に示したような抵抗構造では、ダイヤフラムから導き出される構造もしくは導体路の損傷の可能性が排除できない。しかしながら、構造５が、流動する粒子に大きな作用面を提供してしまっているので、この作用面を最小化すれば、構造の破壊は減じられることができる。とり得る一例は図３の領域７に示されている。すべての抵抗構造もしくは導体路６，９，１０は、対応するダイヤフラム縁部に対して垂直に位置する。それにより、粒子流に最小の作用面が提供される。抵抗構造内で検出された変量を転送するために、ダイヤフラム１を後にした後、領域８に示されているように、導体路は例えば空気流の領域から導き出すために再び屈曲されていることができる。領域７に基づく導体路構造の敷設時の別の利点は、例えば過圧または粒子流動により惹起されるような、導体路構造に対する負荷が、やはりダイヤフラム縁部に対して垂直に作用する点にある。それにより、負荷は最適に補償されることができる。これに対して、図２の領域５に示したような斜めの構造では、完全な補償は不可能である。
【００２３】
一般に、ダイヤフラムセンサの構造は、シリコンマイクロマシニング技術により、誘電体の層（例えば酸化ケイ素および窒化ケイ素）、オプショナルとしてケイ素およびオプショナルとして抵抗測定のための材料（例えば白金、ニッケル、ポリシリコン）の、所定の順序に基づく。そのようにして製作されたダイヤフラム上には、その際しばしば、例えば抵抗を測定するための構造が必要とされる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】導体路によるダイヤフラム縁部の被覆を示す図である。
【図２】ダイヤフラム表面上での抵抗構造の案内の悪例を示す図である。
【図３】抵抗構造もしくは導体路構造によるダイヤフラムの最適な被覆を示す図である。
【図１】
2006516327.tif 000003
【図２】
2006516327.tif 000004
【図３】
2006516327.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月8日(2005.7.8)
【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】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
ダイヤフラム（１）が少なくとも第１の材料と第３の材料とを有しており、第１の材料が、ダイヤフラムの全面にわたって均等な厚さを有するようになっている、請求項１記載のダイヤフラムセンサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載のダイヤフラムセンサを製作する方法。
【国際調査報告】
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2006516327.tif 000007
2006516327.tif 000008
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