JP2003519378A - 超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶粒成長 - Google Patents

超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶粒成長

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Abstract

(57)【要約】 超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶粒成長を提供する。 【解決手段】デバイス（１０）が互いに接合された後、ＭＥＭＳデバイス（１０）の内側において、導電結晶粒成長材料（１６）の結晶粒成長による相互接続部の成長によって隔離接続部が形成される。電気的接触部の結晶粒に使用される材料がデバイス（１０）の第１層（１２）および第２層（１４）間に形成される空洞（１８）の内側に堆積される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は、超小型電気機械システムに関する。特に、本発明は、該システムに
おける電気的接続部の提供に関する。超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、
信頼できる電気的および機械的機能を提供し、典型的にはバッチ製造される小型
デバイスである。ＭＥＭＳは、多くの電気デバイスにおいて広く使用されている
。例えば、ＭＥＭＳは、加速度、圧力、流量、変位、近接センサ並びにバルブ、
ポンプおよび光学コンポーネントアクチュエータを含む。ＭＥＭＳ変換器の一つ
の特定用途は、圧力感知への適用である。
【０００２】 航空もしくは工業への流体センサへの適用において、流体（媒体）は、センサ
の製造に使用されるセンサ素子、金属膜および接続部を腐食させることがある。
腐食性プロセス流体は、航空宇宙（aerospace）または定置タービンエンジンに
おけるガス、酸、腐食剤、油、石油化学製品、食料品などである。
【０００３】 センサ素子は、好ましくはセンサ本体の層間に配置され、また、相互接続部も
好ましくはこの層間にあり、腐食性プロセス流体がセンサ素子および相互接続部
に接触しないように封止される。
【０００４】 ＭＥＭＳ（超小型電気機械システム）技術を使って作られる小型デバイスにお
いては、センサ本体の層間に電気的相互接続部を設けることが困難である。これ
はＭＥＭＳ技術によって作られるセンサに対しては真実である。ＭＥＭＳ接合方
法では、センサ本体の平坦な層は、正確に整合しかつ極めて小さなギャップを持
って、層間に不規則部または突出部がない状態で一体になる必要がある。機械的
に突出している相互接続部は、接合期間中、平坦な面に接触して該面を離した状
態にするであろう。結果的に欠陥接合または漏れが生じる可能性がある。
【０００５】 各層の接合期間中、相互接続部間の機械的接触を回避させる必要がある。しか
しながら、相互接続部において電気回路を完成させるためには、相互接続部の機
械的接触は必要である。この二つのＭＥＭＳプロセスの必要性は、互いに矛盾し
ている。
【０００６】 発明の概要 ＭＥＭＳデバイスが接合された後、ＭＥＭＳデバイス内側の導電性結晶粒成長
材料の結晶粒成長部により相互接続部を成長させることによって隔離接続が形成
される。電気的接触部の結晶粒成長に使用される材料は、デバイスの第１および
第２層間に形成された空洞の内側に堆積される。一つ観点では、材料の堆積は、
組み立て時は比較的平坦であって、前記空洞の周縁間の接合に影響を及ぼさない
。第１および第２層を組み立てた後、前記堆積は、加熱され、空洞の内側に選択
的に堆積された導電膜またはリードの結晶粒成長によって電気的相互接続外形に
成長する。
【０００７】 図面の簡単な説明 図１は、本発明によるＭＥＭＳデバイスの断面図である。 図２は、ループ付勢された工業用送信機の代表的な工業環境を示す図である。 図３は、結晶粒成長相互接続を有するセンサの実施例を示す一部断面正面図で
ある。 図４は、図３に示したセンサの線４−４に沿った断面の平面図である。 図５は、凹部を有する二層間の接合部の実施例を示す断面図である。 図６は、凹部を有する一層と平坦な一層間の接合部の実施例を示す断面図であ
る。 図７は、スペーサ層を含む接合部の実施例を示す断面図である。 図８は、異なる深さの凹部が形成された層間の接合部の実施例を示す断面図で
ある。 図９は、二つの対向する相互接続領域上に結晶粒成長材料が堆積された結晶粒
成長相互接続部の実施例を示す図である。 図１０は、二つの対向する相互接続領域の一方に結晶粒成長材料が堆積され、
かつメサが前記相互接続領域に整合している結晶粒成長相互接続部の実施例を示
す図である。 図１１は、二つの対向する相互接続領域の上に結晶粒成長材料が堆積され、か
つ二つのメサが前記相互接続部に整合している結晶粒成長接続部の実施例を示す
図である。 図１２は、成長材料の供給物が層内の窪み内に提供された結晶粒成長相互接続
部の実施例を示す図である。 図１３は、いかなる介在接合材料も用いない類似材料の層間接合部の実施例を
示す図である。 図１４は、類似材料の層間における反応接合部の実施例を示す図である。 図１５は、薄膜または焼結半田接合部の実施例を示す図である。 図１６は、陽極接合の実施例を示す図である。 図１７は、容量型圧力センサの実施例を示す平面図である。 図１８は、図１７の圧力センサの側面図である。 図１９は、図１７に示したセンサの線１９−１９に沿った断面図である。 図２０は、圧力送信機用の圧力センサモジュールを示す図である。 図２１は、圧力送信機用の圧力センサモジュールを示す断面図である。
【０００８】 詳細な説明 図１は、本発明によるＭＥＭＳデバイス１０の一部分を示す簡略断面図である
。ＭＥＭＳデバイス１０は、上部層１２と下部層１４を有する。層１２および１
４は、本発明に従い、電気的接続部１６を介して互いに電気的に結合される。よ
り詳細に説明すると、電気的接続部１６は、結晶粒成長プロセスによって形成さ
れ、層１２および１４を互いに電気的に結合する。一般に、本発明は、二つの平
坦な基板間の接続部を提供するために使用することができ、この接続部は、垂直
方向（つまり基板に対する第３次元の方向）に延びる。例えば、電気的接続部１
６は、二つの層１２および１４間のギャップ１８にブリッジをかける。この技術
は、例えば圧力、加速度、流量センサなど、全てのタイプのＭＥＭＳデバイスに
使用することができる。以下の記述の多くは、特に、図１に示される接続部１６
のような接続手段を利用する圧力センサに向けられる。しかし、本発明は、この
特定の適用に限定されない。前記圧力センサは、工業プロセスやその他の設備に
おけるその他の圧力の監視のような多くの適用を有する。
【０００９】 図２には、工業用圧力センサのための代表的な環境２０が図示されている。図
２には、制御システム３２に電気的に接続されたプロセス流体ライン２３内の流
量計２２、タンク２８の近くの送信機２４，２６，３６、およびプロセスライン
３１内の一体オリフィス流量計３０等のプロセス変数送信機が示されている。制
御システム３２は、制御弁４０を制御する圧力変換器３８への電流を制御する。
プロセス変数送信機は、プロセスプラント、例えば化学工業におけるスラリー、
液体、蒸気および気体、パルプ、石油、ガス、薬品、食品その他のプロセスプラ
ントにおける流体に関する１ないしそれ以上のプロセス変数を監視するように形
成される。監視されるプロセス変数は、流体の圧力、温度、流量、レベル、ｐＨ
、導電性、混濁、濃度、密度、化学成分、その他の特性である。プロセス変数送
信機は、１ないしそれ以上のセンサを含み、該センサは、プロセスプラントの設
置要求に従って送信機の内側または送信機の外側のいずれかにある。
【００１０】 プロセス変数送信機は、感知したプロセス変数を表す１ないしそれ以上の送信
機出力を発生する。送信機出力は、通信バス３４を経由して制御装置または表示
器に至る遠距離の送信用に形成される。代表的な流体プロセスプラントにおいて
は、通信バス３４は、送信機を付勢する4-20mA電流ループ、または、制御システ
ムもしくは読取装置に至るフィールドバス接続、HARTプロトコル通信制御装置も
しくはファイバ光学接続である。２線ループによって付勢される送信機では、爆
発環境において本質的安全性を提供するために電力は低く維持されなれけばなら
ない。
【００１１】 図３〜４にはセンサ３００が示されている。センサ３００は、マスキング、エ
ッチング、メッキおよび接合など、半導体製造から引き出される特有の技術を使
用して製造された超小型つまりＭＥＭＳセンサである。センサ３００は、第２層
３０４に対して接合部３０６で接合された第１層３０２を有する。層３０２およ
び３０４は、サファイヤ、尖晶石、種々のセラミックス、ガラス、ナノ粒子で製
造された材料、絶縁シリコンなどの、低ヒステリシスでありかつセンサ３００の
外側が接触するであろう所望プロセス流体または隔離流体と調和する電気的絶縁
材料で形成される。層３０２と３０４との間に形成される空洞３０８は、センサ
の外側にあるプロセス流体または隔離流体から隔離される。センサ３００は、い
かなるタイプのセンサでもよい。一具体例において、センサ３００は、導電層に
よって形成された容量プレートを含む圧力センサである。
【００１２】 第１導電膜３１０は、空洞３０８内において第１層３０２上に選択的に堆積さ
れ、センサ３００のための１ないしそれ以上の導電体トレースを規定する。第２
導電膜３１２は、空洞３０８内で第２層３０４上に堆積され、１ないしそれ以上
のセンサ３００のさらなる導電体トレースを規定する。第１導電膜３１０は、少
なくとも第１相互接続領域３１４を有する。第２導電膜３１２は、少なくとも第
２相互接続領域３１６を有する。第１および第２相互接続領域３１４，３１６は
、空洞３０８を横切って互いに対向する。
【００１３】 センサ３００は、空洞３０８内に堆積されて、第１導電膜３１０に電気的に結
合されるセンサ素子３１８を有する。センサ素子３１８は、感知される流体パラ
メータのタイプに応じて種々の形態をとり得、ある場合には第１導電膜３１０と
同じ材料で形成され、あるいは第１導電膜３１０と一体の部分である。センサ素
子３１８はまた、第２層３０４または第２導電膜３１２上に堆積される部分を含
んでもよい。
【００１４】 センサ３００において、導電結晶粒成長材料３２０は、相互接続領域３１４，
３１６の一方または両方に選択的に堆積される。結晶粒成長材料３２０は、相互
接続ギャップを横切る機械的接触を作らないように十分に薄い層として堆積され
る。これにより、層３０２、３０４は、結晶粒成長材料３２０からの機械的干渉
なしに接合部３０６で接合される。接合部３０６が完了した後、結晶粒成長材料
は、予め定められた状態に成長され、第１および第２相互接続領域３１４，３１
６間に電気的相互接続部３２２を形成する。結晶粒成長材料は、接合ステップの
後、予め定められた高温で加熱されたときに金属結晶粒子が成長するタンタルま
たはタンタル合金が代表的なものである。金属結晶粒子の成長は、相互接続ギャ
ップを横切ってブリッジをかけ、図３に示すように電気的相互接続部３２２を形
成する。
【００１５】 図５〜８は、層間に間隔を設けてセンサ３００内に要求される空洞３０８を形
成するために使用される層３０２、３０４の代替形状を示す。
【００１６】 図５では、第１層３０２および第２層３０４の各々は、一緒になって空洞３０
８を形成する凹部を有する。層３０２および３０４は、中央面３５０に沿って接
合される。図５に示す構成は、層３０２および３０４をいくつかの適用のために
同様に組み立てることができる利点を有する。
【００１７】 図６では、第１層３０２は凹部を有するが、第２層３０４は実質的に平板であ
る。図６において、層３０２，３０４は、空洞の一側に整合される面３５２に沿
って接合される。図６に示す構成は、二層のうち一つだけが凹部を必要とし、該
凹部が空洞３０８を形成するので、製造工程が低減される利点がある。
【００１８】 図７では、センサは、面３５４，３５６のそれぞれに沿った第１および第２層
３０２，３０４間で接合されたスペーサ層３０３を有する。スペーサ層３０３は
、空洞３０８の少なくとも一部分を形成する厚さを有する。図７に示す構成は、
空洞３０８の厚さ、換言すれば実質的に平坦な層３０２，３０４間の間隔を、所
望の厚さのスペーサ層を選択することによって容易に調節することができる利点
を有する。
【００１９】 結晶粒成長金属の平坦層または低プロフィール層は加熱されると、結晶粒成長
を経て形状を変え、接触パッドの表面を横断する方向に成長する。
【００２０】 結晶粒成長材料は、結晶粒成長材料が溶融しない、あるいは組み立てられたセ
ンサを破壊しない温度で成長するようにセンサに合わせて選択される。材料は、
好ましくは金属、合金、非金属導電材料またはその他、ポリシリコンを含む結晶
粒成長を提供する材料である。少量の他要素を含むタンタルの堆積も考えられ、
成長することができる堆積を提供する。
【００２１】 導電結晶粒成長材料は、タンタルまたはタンタル合金でよい。タンタルの場合
、タンタルが接触パッドから外側へ突出する粒子つまり結晶を成長させるので成
長が起ると考えられる。十分な成長が起った後、接触パッド間にタンタルのブリ
ッジが形成され、該接触パッド間にタンタルのオーム相互接合部が形成される。
空洞の空間が余りに広い場合には、空洞内へ延びる１ないしそれ以上の対向する
メサ（図１０および図１１参照）を使用して、導電結晶粒成長材料の成長によっ
て完成されるように、ギャップを十分に小さく維持することができる。（メサは
、表面から立ち上がり、平坦な上面を有する形態を示す。）導電結晶粒成長材料
の少なくとも一部が一層またはメサの上に堆積される。導電結晶粒成長材料は、
空洞内のギャップに応じてメサ有りまたはメサ無しで、一方または両方の層上に
堆積される。層が組み立てられ、層間の接合部が少なくとも部分的に形成された
後、圧力センサは、導電結晶粒成長材料の成長に作用し、相互結合部を形成する
ように加熱される。
【００２２】 センサが冷却され、センサ基板の組み立ておよび接合後に形成されたセンサチ
ャネル内側に凝固金属、オーム接触が存在する。この遅延電気的相互接続プロセ
スは、非所望の機械的接触を回避する。さもなくば、この機械的接触は、基板が
互いに直接接合されたときに基板の近接接触による干渉を起す。
【００２３】 図８において、凹部は層３０２、３０４の各々に形成される。しかし、これら
の凹部は異なる深さを有する。両層は、空洞３０８の中央線から偏倚した面３５
８に沿って接合される。図８に示す構成は、層３０４の凹部を標準の所望深さに
エッチングする一方、層３０２内の凹部のエッチングを調節することにより空洞
深さの微小調節ができる利点を有する。
【００２４】 図９〜１２は、結晶粒成長材料の必要量を与え、かつギャップをブリッジする
結晶粒成長に必要な間隙を与える構成の例を示す。
【００２５】 図９では、第１層３７２上に第１導電膜３７０が堆積され、第２層３７６上に
第２導電膜３７４が堆積される。第１導電膜３７０は、空洞３７５を横切って第
２導電膜３７４と対向する。結晶粒成長材料の第１堆積３８０は、第１導電膜３
７０上に堆積される。結晶粒成長材料の第２堆積３８２は、第２導電膜３７４上
に堆積される。層３７２，３７６が互いに接合されたとき、堆積３８０，３８２
は、互いに機械的に接触しない。層３７２と３７６とが互いに接合された後、結
晶粒成長材料堆積３８０，３８２に機械的接続およびオーム接触を生じさせて電
気的相互接続部３８４を完成させる結晶粒子成長を起こさせるための状態が適用
される。
【００２６】 図１０では、第１導電膜３９０が第１層３９２上に堆積され、第２導電膜３９
４が第２導電膜３９６上に堆積される。第１導電膜３９０は、空洞３９８を横切
って第２導電膜３９４と対向する。第１層３９２は、第１導電膜３９０に整合す
るメサ３９５を有する。メサ３９５は、第１導電膜３９０を空洞３９８内へ突出
させて導電膜３９０，３９４間のギャップを縮小させる。結晶粒成長材料の堆積
３９９は、第１導電膜３９０上に堆積される。層３９２，３９６が互いに接合さ
れたとき、堆積３９９は機械的に導電膜３９４と接触しない。層３９２，３９６
が互いに接合された後、結晶粒成長材料堆積３９９に、機械的接続およびオーム
接触を生じさせて導電膜３９０，３９４間に電気的相互接続部を完成させる結晶
粒成長を起こさせるための状態が適用される。
【００２７】 図１１では、第１導電膜４００が第１層４０２上に堆積され、第２導電膜４０
４が第２層４０６上に堆積される。第１導電膜４００は、空洞４０８を横切って
導電膜４０４と対向する。第１層４０２は、第１導電膜４００側の部分にメサ４
０５を有する。メサ４０５は、第１相互接続部領域４０５を空洞４０８内に突出
させて、導電膜４００，４０４間のギャップを縮小させる。第２層４０６もまた
第２導電膜４０４側にメサ４０７を有する。結晶粒成長材料の第１堆積４１２が
第１導電膜４００上に堆積される。結晶粒成長材料の第２堆積４１４が第２導電
膜４０４上に堆積される。層４０２，４０６が互いに接合されたとき、堆積４１
２，４１４は互いに機械的に接触しない。層４０２と４０６とが互いに接合され
た後、結晶粒成長材料堆積４１２，４１４に、機械的接続およびオーム接触を生
じさせて導電膜４００，４０４間に電気的相互接続部を完成させる結晶粒子成長
を起こさせるための状態が適用される。
【００２８】 図１２において、第１導電膜４２０は、第１層４２２上に堆積され、第２導電
膜４２４は、第２層４２６上に堆積される。第１導電膜４２０は、空洞４２８を
横切って第２導電膜４２４と対向する。第２導電膜４２４は、層４２６内の窪み
４３０を取り囲む。結晶粒成長材料の第１堆積４３２は、前記窪み内に堆積され
る。層４２２，４２６が互いに接合されたとき、堆積４３２は第１導電膜４２０
と機械的に接触しない。層４２２と４２６とが互いに接合された後、結晶粒成長
材料堆積４３２に、機械的接続およびオーム接触を生じさせて導電膜４２０，４
２４間に電気的相互接続部を完成させる結晶粒子成長を起こさせるための状態が
適用される。第２導電膜４２４を、図示のように窪み４３０側において開くこと
ができ、また代わりに窪み４３０の壁に堆積させることができる。結晶粒成長材
料堆積４３２の追加量は、窪み４３０内に供給されて、成長される結晶粒子のサ
イズおよび結晶粒成長材料を使用してブリッジすることによって埋めることがで
きるギャップのサイズを増大させる。
【００２９】 図１３〜１６は、図３における層３０２，３０４間の３０６に作られる種々の
接合部を示す。
【００３０】 図１３において、第１層４４０は、いかなる接合材料も使用せずに、面４４４
に沿って同一又は類似の材料からなる第２層４４２に接合される。面４４４の接
合部は、溶融接合部であってもよいし、鏡面研磨表面を使った直接すなわち接触
接合であってもよい。これらの接合部は、サファイヤ、尖晶石、コランダム、シ
リカガラス、シリコンその他、周知の接合方法で使用される脆性絶縁材料で形成
することができる。
【００３１】 図１４において、第１層４４６は、反応接合を提供する中間接合層４５０を使
って第２層４４８に接合される。層４５０は、いかなる接合材料であってもよい
が、層４４６，４４８は、アルミナセラミックで形成し、接合層４５０は、白金
で形成することができる。層４４６および４４８上に中間接着層を使用すること
が要求されるかも知れない。
【００３２】 図１５において、第１層４５４は、中間接合層４５８を使って第２層４５６上
に接合される。層４５４，４５６は、単結晶サファイヤで形成することができ、
中間接合層４５８は、層４５４，４５６間の薄膜半田または焼結接合でよい。
【００３３】 図１６において、第１層４６４は、陽極接合４６８を使用して第２層４６６に
接合される。層４６４は、好ましくは硼珪酸ガラス（Pyrex：登録商標）で形成
され、層４６６は、好ましくはシリコンで形成される。
【００３４】 特別なセンサへの適用に際しての要求に合致するように、必要に応じて図５〜
１６に記載されたものを選択して互いに組み合わせることができる。図３に図示
されたセンサ素子３１８は、圧力センサ素子でよい。成長した相互接続構造は、
空洞の両対向面側にコンデンサ電極を有する容量型圧力センサ素子において、特
に有用である。センサ素子３１８は、白金抵抗温度計のような温度センサ素子、
フォトダイオードのような光学センサ素子、マイクロ波アンテナ素子またはイオ
ン化センサのような放射センサ素子、ホール効果素子のような磁気センサ素子、
または他の周知のセンサ素子でよい。
【００３５】 図１７および１８は、それぞれ容量型圧力センサ４８０の実施形態を示す正面
および側面図である。センサ４８０の内部形態が図１７において破線および点線
で示されている。センサ４８０は、互いに接着された第１層４８２および第２層
４８４を含み、層間に空洞４８５（図１９参照）が形成される。第１導電膜４８
６は、第１層４８２の上に堆積され、第２導電膜４８８は、第２層４８４の上に
堆積される。第１および第２導電膜４８６，４８８は、空洞４８５を横切って対
向する対応第１および第２相互接続領域４９０，４９２を有する。
【００３６】 容量型圧力センサ素子の第１部分４９４は、空洞４８５内で第１層４８２上に
堆積され、第１導電膜４８６に電気的に結合される。容量型圧力センサ素子の部
分４９４は、導電膜４８６と同じ材料で形成される。容量型圧力センサ素子の第
２部分４９８は、空洞４８５内で第２層４８４上に堆積され、第２導電膜４８８
に電気的に結合される。第２部分もまた導電膜４８８と同じ材料で形成される。
容量型圧力センサ素子の第１および第２部分４９４，４９８は、空洞を横切り、
間隔をおいて互いに向かい合っているコンデンサ電極つまりプレートを備える。
センサ４８０の外側表面に圧力がかかったとき、層４８２，４８４の一方、また
は両方が歪んでプレートを動かし、電極つまりプレートの間隔すなわちギャップ
を変化させ、その結果、圧力の関数として電極間の電気的容量が変化する。
【００３７】 導電結晶粒成長材料４９６は、相互接続領域４９０，４９２の少なくとも一方
の上に選択的に堆積され、第１および第２相互接続領域４９０，４９２間に電気
的相互接続部を形成するように所定の状態に成長する。
【００３８】 導電膜４８６は、センサを電気センサ回路に接続するリードつまり線を接合す
ることができるように、外部に露出した接合パッド部分５００，５０２を含む。
【００３９】 空洞４８５は真空に引かれ、そしてガラスフリット５０４で封止されて、絶対
圧力センサである圧力センサが提供される。層４８６内に形成された貫通接続リ
ードは、空洞４８５の内側から容量型圧力センサ４８０の外側表面の電気接触パ
ッド５００，５０２まで延びる。電気的相互接続部４９０，４９２，４９６は、
第１コンデンサ電極４９８を貫通接続リードおよび接触パッド５００に接続する
。
【００４０】 センサ４８０は、第１および第２コンデンサ電極４９４，４９８を含む第１端
部から貫通接続リードを含む第２端部へ引き延ばされた延長部を有する。センサ
４８０の本体は、壁（図示しない）を貫通させてセンサを装着するための、第１
および第２端部間の中央領域を含む。圧力流体が第１端部に適合され、電気接続
部は第２端部で実現される。壁は、圧力流体を電気接接続部から隔離する。
【００４１】 図１９は、図１７における線１９−１９に沿った、容量型圧力センサ４８０の
断面図である。図１９において、容量型センサ４８０の形態をよりよく示すため
に横のスケールは歪ませてある。図１９から分かるように、相互接続領域４９２
はメサ５０６上に堆積され、結晶粒成長材料でブリッジされるべきギャップを縮
小させる。
【００４２】 図２０には、図２に示した圧力送信機３６で使用される圧力感知モジュール１
８０が示されている。アッセンブリ１８０は、二つのＭＥＭＳセンサ１８２，１
８４を含む。センサ１８２，１８４は、アルミナで一体形成された梁をそれぞれ
有し、これらの梁は、実質上タンタルで形成された堆積によって相互接続された
対向層上に感知膜を有する中央チャネルつまり空洞を取り囲む。センサ１８２，
１８４において、感知膜は、閉鎖端部に隣接したチャネル内にあり、圧力に応じ
て変化する電気的パラメータを有し、電気リードは、チャネルから延びてギャッ
プから導出される。シール部材はリードを取り囲んでギャップを埋める。隔離カ
ップ１９８は閉鎖端部とその反対側隔離端部との間の梁外側表面に封止された開
口２００を有する。加えられた圧力に関する電気的出力を送信機回路基板１９３
に提供する測定回路基板１９１に接続されたセンサ１８２および１８４が示され
ている。送信機回路１９３は、２線式プロセス制御ループ１９５に結合されるよ
うに構成することができる。ループ１９５の例は、ハート（HART：登録商標）あ
るいはフィールドバス(Fieldbus)規格に従ったループである。ある実施例におい
ては、回路１９３および１９１は、ループ１９５からの電力で完全に付勢される
。
【００４３】 図２１には、隔離カップ２１６に封着されたリム２１４を有する隔離ダイヤフ
ラム２１２を含む感知モジュール２１０が示されている。隔離ダイヤフラム２１
２は、隔離カップ２１６と隔離ダイヤフラムによって囲まれた空間内に密封され
たプロセス流体を隔離流体２２０から隔離する。センサ２２２は上述のように構
成され、隔離カップ２１６内の開口２２４に封着される。隔離ダイヤフラム２１
２および隔離流体２２０は、圧力をセンサに結合する一方、センサをプロセス流
体から隔離する。隔離カップ２１６は、封止開口２２４を貫通するセンサ２２２
を有し、センサ２２２上の電気接続部２２６を圧力プロセス流体２１８および圧
力隔離流体、代表的にはシリコーン油２２０から隔離する。隔離カップは、熱膨
張係数がセンサ２２２の熱膨張係数とほぼ一致する背板２２８を含んでもよい。
ブロック材２３０を隔離カップ２１６内に押し込めることができる。この材料２
３０は、温度変化による隔離ダイヤフラム２１２の非所望の動きを制限するよう
ように、隔離流体２２０の熱膨張係数を部分的に補償する熱膨張係数を有する。
ブロック２３０とセンサ２２２との間に隔離流体２２０で満たされた小ギャップ
が提供される。
【００４４】 本発明は好ましい実施形態により説明されたが、当業者は形状および細部にお
いて本発明の範囲から逸脱しないで変形できることを認識できるであろう。例え
ば、センサのリードは、単一のチャネルの代わりに多数のチャネルを貫通接続さ
せることができる。多数のチャネルが使用される場合、ギャップを封止するため
に使用されるフリットは、多数のギャップを封止する導電性半田またはろう付け
に置き換えることができる。また、相互接続部は、空洞内のメサまたはリムの対
向側表面上の相互接続部リードを横断するように成長させることができる。また
、直接接合に代えてある種の材料を使用した陽極接合を用いることもできる。こ
れら陽極および直接接合技術のいずれにおいても、層間の中間接合材料を回避す
ることができる。本願において使用された「接触接合」という用語は、直接接合
および陽極接合の両方を含む。導電結晶粒成長材料は、タンタルおよび他の金属
、ならびにポリシリコン、導電性窒化セラミックス、導電性金属酸化物、ケイ化
物およびポリＩＩ−ＩＶコンパウンドを含む。「結晶粒成長」という用語は、当
該技術において周知であり、結晶粒境界の界面エネルギによって駆動される成長
プロセスと関係する。結晶粒子成長についての説明の例は、１９９３年１０月２
６日発行の「物理冶金原理(Physical Metallurgy Principles)」という表題の本
の２５１〜２６９頁、および１９９０年１月９日発行の「セラミックス入門(Int
roduction to Ceramics)」という表題の本の４４８〜４６１頁にあり、それらは
参照によりここに組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図２】 ループ付勢された工業用送信機の代表的な工業環境を示す図である。
【符号の説明】
１０……ＭＥＭＳデバイス、１２……上部層、１４……下部層、１６……電気
的接続部、１８……ギャップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ルッツ，マーク，エー． アメリカ合衆国 55410 ミネソタ州、ミ ネアポリス、ウェスト フォーティーファ ースト ストリート 2810 (72)発明者 シットラー，フレッド，シー． アメリカ合衆国 55331 ミネソタ州、エ クセルシオール、アスター トレイル 6526 (72)発明者 トイ，エイドリアン，シー． アメリカ合衆国 55347 ミネソタ州、エ デン プレイリー、クラーク サークル 9692 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 DD07 DD09 DD19 EE25 FF43 FF49 GG12 4M112 AA01 AA02 BA07 CA01 CA15 DA01 DA03 DA04 DA13 DA15 DA18 DA20 EA02 EA04 EA11 EA13 FA04 FA20

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに接合された第１および第２層であって、該両層間に空洞
    を形成する第１および第２層と、 前記第１および第２層上に堆積された第１および第２導電膜であって、前記空
    洞を横切って互いに向かい合う第１および第２相互接続領域を有する第１および
    第２導電膜と、 前記空洞内に堆積され、前記第１導電膜と電気的に結合されるセンサ素子と、 前記相互接続領域の少なくとも一方の上に選択的に堆積され、予め定められた
    状態に成長して前記第１および第２相互接続領域間に電気的相互接続部を形成す
    る導電結晶粒成長材料とを備えた超小型電気機械システム(MEMS)センサ。
  2. 【請求項２】 少なくとも一つの層は、前記空洞の少なくとも一部分を形成す
    る凹部を含む請求項１記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記導電結晶粒成長材料は、タンタルからなる請求項１記載の
    センサ。
  4. 【請求項４】 前記第１および第２層間に接合されて前記空洞の少なくとも一
    部分を形成するスペーサ層をさらに備えた請求項１記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記第１および第２層のうち少なくとも一方は、前記第１およ
    び第２相互接続領域と整合するメサを含む請求項１記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 前記第１および第２層のうちの少なくとも一方が、前記第１お
    よび第２相互接続領域の一方に整合する窪みを含み、供給された前記結晶成長材
    料が該窪み内に堆積される請求項１記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 前記センサ素子は、圧力センサ素子を含む請求項１記載のセン
    サ。
  8. 【請求項８】 前記圧力センサは、容量型圧力センサ素子からなる請求項７記
    載のセンサ。
  9. 【請求項９】 前記導電膜と同じ材料で形成された容量型圧力センサ素子を含
    む請求項８記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 前記容量型圧力センサ素子は、前記第１層上に堆積された第
    １コンデンサ電極および前記第２層上に堆積された第２コンデンサ電極からなり
    、該第１および第２コンデンサ電極は、前記空洞を横切って互いに間隔をおいて
    設けられ、前記第１および第２層間の歪みを感知するように適合されている請求
    項９記載のセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記第１および第２導電膜の一方は、前記空洞の内側から前
    記容量型圧力センサの外部表面上の電気接触パッドまで延びる貫通リードを含む
    請求項１０記載のセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記電気的相互接続部は、前記第１コンデンサ電極を前記第
    ２層上の貫通接続リードに接続する請求項１１記載のセンサ。
  13. 【請求項１３】 請求項１のMEMSセンサを備えた圧力送信機。
  14. 【請求項１４】 圧力を前記MEMSセンサに結合するプロセス流体隔離器をさら
    に備えた請求項１３記載の圧力送信機。
  15. 【請求項１５】 前記結晶粒成長材料は、金属を含む請求項１記載のセンサ。
  16. 【請求項１６】 少なくとも一方が凹部を含む、感知本体の第１および第２層
    を形成し、 少なくとも前記第１層上に導電膜を堆積し、 前記第２層上にリードを堆積し、 前記リードまたは前記導電膜の少なくとも一方の上に導電結晶粒材料を堆積し
    、 前記リードの一部分が前記導電結晶粒成長材料堆積で前記導電膜の一部分と整
    合し、かつ間隔があけられた状態で、前記第１および第２層を一緒に接合し、 前記導電膜と前記リードとの間の間隙内で相互接続部を成長させるため、前記
    導電結晶粒成長材料を加熱するセンサ製造方法。
  17. 【請求項１７】 少なくとも前記第１および第２層の一方に、前記導電結晶粒
    成長材料の堆積に整合させてメサを形成する請求項１６記載のセンサの製造方法
    。
  18. 【請求項１８】 一緒に結合された少なくとも第１および第２層で組み立てら
    れ、前記第１および第２層の対向面間に空洞を形成している本体と、 前記対向面の一方に堆積された第１導電体と、 前記対向面の他方に堆積された第２導電体と、 前記導電体の少なくとも一方の上に置かれ、予め定められた状態で結晶粒が成
    長して前記導電体間に相互接続部を形成する導電結晶粒成長材料堆積とを備えた
    超小型電気機械システム(MEMS)。
  19. 【請求項１９】 加熱されて前記導電結晶粒成長材料の成長に作用して前記相
    互接続部を形成する請求項１８記載のデバイス。
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