JP2004294435A

JP2004294435A - 容量型のマイクロマシニング式の圧力センサ

Info

Publication number: JP2004294435A
Application number: JP2004083541A
Authority: JP
Inventors: Torsten Ohms; オームストーステン; Gottfried Dr Flik; フリークゴットフリート; Gilbert Moersch; メールシュギルベルト; Oliver Stoll; オリヴァー　シュトル
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2004-10-21
Also published as: US20040237658A1; DE10313738A1

Abstract

【課題】測定可能な圧力領域が高められると同時に、コンパクトなセンサ構造が達成され得るような圧力センサを提供する。
【解決手段】当該圧力センサが少なくとも第１のコンポーネント１２０と第２のコンポーネント１００とを有しており、キャパシタンス測定が少なくとも第１の電極１３０と第１のダイヤフラム１７０とによって行われ、第１のコンポーネント１２０が少なくとも半導体材料と第１の電極１３０とを有しており、第２のコンポーネント１００が少なくとも第１のダイヤフラム（１７０）を有しており、第２のコンポーネント１００が少なくとも部分的に金属から成っており、第１のコンポーネント１２０と第２のコンポーネント１００とがそれぞれ別個に加工されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術により製造可能な容量型の圧力センサであって、当該圧力センサが、互いに異なるプロセスで加工された２つのコンポーネントから成っていて、第１のコンポーネントが半導体材料から成っており、第２のコンポーネントが少なくとも部分的に金属から成っている形式のものに関する。

圧力を検出するためには、種々異なる構造のセンサが考えられる。特にマイクロマシニング構造では、最近の数年間で種々の測定原理が生み出されている。マイクロマシニング圧力測定の汎用の方法は、コンデンサもしくはキャパシタとして形成されたマイクロマシニング式の圧力センサ内での静電容量変化もしくはキャパシタンス変化を測定することである。マイクロマシニング構造で製造することのできる容量型の圧力センサは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２１３９４号明細書に基づき公知である。この場合、マイクロマシニング式の圧力センサが半導体構成素子によって実現される。この圧力センサはダイヤフラム電極と、底部電極と、これら両電極の間に配置された中空室とから成っている。中空室内に形成される圧力と、外部圧力との間の圧力差により、ダイヤフラムの撓みが生じ、ひいては導電性のダイヤフラムと、このダイヤフラムに向かい合って位置するキャパシタプレートとの間の間隔の変化が生じる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４２６６号明細書に基づき、同じく圧力センサとして使用可能なマイクロマシニング構成素子が公知である。この場合、半導体材料から成る基板には、やはり半導体材料から成る機能層がエピタキシャルに被着され、そして基板と機能層との間には、部分的に中空室が設けられており、この中空室が機能層のダイヤフラム範囲を規定している。機能層と、中空室と、基板に形成された電極とを用いて、引き続き、種々異なる外部圧力においてキャパシタンス測定を実施することができる。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２１３９４号明細書ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４２６６号明細書

本発明の課題は、測定可能な圧力領域が高められると同時に、コンパクトなセンサ構造が達成され得るような圧力センサを提供することである。

さらに本発明の課題は、このような圧力センサを製造するために適した方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明の圧力センサの構成では、容量型のマイクロマシニング式の圧力センサであって、
当該圧力センサが少なくとも
−第１のコンポーネントと
−第２のコンポーネントと
を有しており、
キャパシタンス測定が少なくとも
−第１の電極と、
−第１のダイヤフラムの運動と
によって行われるようになっており、
第１のコンポーネントが少なくとも
−半導体材料と、
−第１の電極と
を有しており、
第２のコンポーネントが少なくとも
−第１のダイヤフラム
を有している
形式の容量型のマイクロマシニング式の圧力センサにおいて、
−第２のコンポーネントが少なくとも部分的に金属から成っており、
−第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとがそれぞれ別個に加工されている
ようにした。

さらに上記課題を解決するために本発明の方法では、容量型のマイクロマシニング式の圧力センサであって、
当該圧力センサが少なくとも
−第１のコンポーネントと
−第２のコンポーネントと
を有しており、
キャパシタンス測定が少なくとも
−第１の電極と、
−第１のダイヤフラムと
によって行われるようになっており、
第１のコンポーネントが少なくとも
−半導体材料と、
−第１の電極と
を有しており、
第２のコンポーネントが少なくとも
−第１のダイヤフラム
を有している
形式の容量型のマイクロマシニング式の圧力センサを製造するための方法において、
−第２のコンポーネントを少なくとも部分的に金属から形成し、
−第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとを互いに異なるプロセスで加工し、
−第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとを組み合わせることによって当該圧力センサを製造する
ようにした。

本発明によれば、少なくとも２つのコンポーネントから成る圧力センサにおける圧力測定は、コンデンサもしくはキャパシタのキャパシタンス（静電容量）測定により行われ、この場合、圧力センサは少なくとも１つの第１の電極と第１のダイヤフラムとを有している。ダイヤフラムの運動により、コンデンサもしくはキャパシタのキャパシタンス変化（静電キャパシタンス変化）が生ぜしめられ、このキャパシタンス変化はキャパシタンス測定において、測定したい圧力量のための尺度として使用され得る。本発明の核を成す特徴は、圧力センサの第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとを組み合わせる前に、両コンポーネントを別個の製造プロセスによりそれぞれ加工することにある。この場合、特に第１のコンポーネントは少なくとも半導体材料と第１の電極とを有しており、それに対して第２のコンポーネントは少なくとも部分的に金属から成っていて、かつ少なくとも前記第１のダイヤフラムを有している。

本発明の有利な構成では、圧力センサのキャパシタンス測定がキャパシタの第２の電極によって実施される。この場合、第２の電極は第１のコンポーネントの一部または第２のコンポーネントの一部であってよい。この場合、圧力センサの特別な実施態様では、第２の電極が第２のコンポーネントで第１のダイヤフラムによって実現される。

本発明のさらに別の有利な構成では、第２のコンポーネントが金属ダイヤフラムを有している。この金属ダイヤフラムにより、半導体ダイヤフラムを有する慣用の圧力センサに比べて、ダイヤフラムの高められた剛性が達成され、ひいては、より高い測定可能な圧力領域が達成されると同時に、コンパクトな構造も達成され得る。この場合、本発明の特別な実施態様では、金属ダイヤフラムが鋼ダイヤフラムとして実現される。

第１のコンポーネントはキャパシタンス測定を評価するための評価回路の少なくとも一部を有していると有利である。この場合、個々の切換素子も評価回路の一部としてみなされ得る。この場合、特別な実施態様では、評価回路が第１のコンポーネントの、第１の電極とは反対の側に設けられている。さらに、第１のコンポーネントの外面もしくは内部に設けられた前記評価回路の一部は、第１のコンポーネントの内部に延びる電気的な接続部によって第１の電極とコンタクティングされている。

本発明のさらに別の改良形では、第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとが非導電性の材料によって互いに結合される。この非導電性の材料により、第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとの間に電気的なコンタクトを生ぜしめることなしに両コンポーネントから成る組合せ体が固くまとめ合わされることを達成することができる。

本発明のさらに別の有利な構成では、第２の電極が第１のコンポーネントに、第１の電極に対して可動に形成されている。この場合、特別な実施態様では、第２の電極の電気的なコンタクトが第１のコンポーネントを貫いて前記評価回路にまで案内されている。第２の電極の運動はダイヤフラムの運動に追従することが有利である。この場合、特別な実施態様では、第２の電極が運動時に撓まないようになっている。このことは、ダイヤフラムの運動が第１の電極に対する第２の電極の平行な接近を生ぜしめるという利点を有している。

本発明のさらに別の利点、特に容量型のマイクロマシニング式の圧力センサの製造法に関する利点は、以下に説明する本発明を実施するための最良の形態に記載されている。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

本発明は、静電容量型のマイクロマシニング式の圧力センサに関するか、もしくは静電容量型のマイクロマシニング式の圧力センサを製造するための方法に関する。圧力センサはこの場合、少なくとも２つのコンポーネントから成っており、この場合、第１のコンポーネントは少なくとも１種の半導体材料を有しており、第２のコンポーネントは少なくとも部分的に金属を有している。本発明の核となる特徴は、第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとが第１のステップにおいて、互いに異なる製造方法によって別個に加工され（prozessieren）、そして引き続き第２のステップで互いに組み合わされて圧力センサを形成することにある。

有利な実施例では、基本エレメントとして鋼基板が第２のコンポーネント１００として使用される。この鋼基板は相応する製造後に所定の範囲において、たとえば図１の（ｂ）に示した鋼基板である第２のコンポーネント１００の横断面図から判るような薄い鋼ダイヤフラム１７０を有している。この鋼ダイヤフラム１７０には、圧力測定時に外部圧力１８０が作用し、この外部圧力１８０は鋼ダイヤフラム１７０の撓みを生ぜしめる。

第１のコンポーネント１２０としては、図示の有利な実施例では、半導体基板が製造される。この場合、半導体基板である第１のコンポーネント１２０の下面では、ドーピングされた範囲が対向電極１３０として作用し得る。本実施例では、半導体基板としてシリコンが使用されるが、ここで説明される方法を用いて加工され得るものであれば、いかなる別の半導体材料をも使用することができる。別の実施例では、対向電極１３０とは反対の側に、当該圧力センサにより発生された測定量を評価するための評価回路１５０の少なくとも一部が収納されている。この場合、完全な形の評価回路が収納されていてもよいし、個々の回路素子もしくは切換素子が収納されていてもよい。コンタクト貫通案内部（「ビア」）１４０を介して、キャパシタプレートもしくはコンデンサプレートとして形成された対向電極１３０は基板上側に設けられた切換素子もしくは評価回路１５０に接続される。評価回路１５０で測定信号を完全に評価するためには、評価回路１５０と鋼ダイヤフラム１７０との間に電気的な接続が必要となる。この接続は、図１の（ａ）にブロック１６０として示したようなボンディング結合部または金属コンタクトを介して形成され得る。評価された測定信号は引き続き、別のボンディング結合部もしくは別の金属コンタクトを介して、さらに処理するために利用され得る。

本発明による容量型のマイクロマシニング式の圧力センサを製造するための単純な実施例では、第１のコンポーネント１２０がシリコンから成る薄くて円形のプレートから成っており、このプレートはドーピングされた、対向電極１３０を成す下面と、コンタクト貫通案内部１４０と、供給線路を備えた上面と、ブロック１６０で示した金属コンタクトと、さらに場合によっては評価回路１５０とを備えている。この第１のコンポーネント１２０は鋼基板として形成された第２のコンポーネント１００と組み合わされて、容量型のマイクロマシニング式の圧力センサを形成する。組合せはこの場合、第１のコンポーネント１２０を第２のコンポーネント１００に被着させることによって行われる。この場合、両コンポーネントは、たとえば構造化されたシールガラスエレメント１１０によって電気的に互いに絶縁される。シールガラスエレメント１１０の別の機能は、これらのシールガラスエレメント１１０を用いて、コンデンサ電極として使用可能な鋼基板と、対向電極１３０との間に規定の間隔が確保され得ることにある。シールガラスはこの場合、両電極の間の間隔の規定の調節のためのスペーサ（ガラスボール）を内蔵している。シールガラスエレメント１１０はこの場合、鋼ダイヤフラム１７０の変位が妨げられないように位置決めされなければならない。それと同時に、シリコンプレートから形成された第１のコンポーネント１２０が曲げられないことが確保されていることが望ましい。したがって、シリコン縁部は鋼基板である第２のコンポーネント１００の、理想的には負荷されていない縁部に載着されなければならない。本発明の別の構成では、鋼ダイヤフラム１７０とシールガラスエレメント１１０と半導体基板である第１のコンポーネント１２０とが、規定されたガス圧を有する中空室２００を取り囲んでいてよい。このことは、たとえば１つのシールガラスエレメント１１０によって鋼基板である第２のコンポーネント１００に沿って鋼ダイヤフラム１７０が完全に取り囲まれ、そして相応するシール性の接着剤を用いて第１のコンポーネント１２０と第２のコンポーネント１００とが互いに結合され、これにより形成された中空室２００が外部に対して閉鎖されることにより達成され得る。

製造された静電容量型の圧力センサが外部圧力１８０にさらされると、つまり鋼ダイヤフラム１７０に外部圧力１８０が作用すると、鋼ダイヤフラム１７０は外部圧力１８０対中空室２００内の圧力の圧力比に相応して撓む。したがって、鋼ダイヤフラム１７０の撓みにより、圧力センサ内でキャパシタンス変化を測定することができる。このキャパシタンス変化は、加えられた外部圧力１８０に対して比例して測定信号を提供する。

別の実施例では、たとえば図２に範囲２１０において示したように、第１のコンポーネント１２０の基板が、この基板内に設けられた対向電極１３０の他に、構造化された複数のスペースホルダを有している。これらのスペースホルダにより、中空室２００が形成され、この中空室２００は基準圧を備えていてよい。さらに、このキャパシタプレートの縁部では、半導体基板にシールガラスのための収容溝を構造化することができる。この収容溝は、より大きな量のシールガラスを収容するために、両電極の間のプレート間隔よりも著しく深く形成されていてよい。この間隔は、この実施例ではスペーサ（シールガラスエレメント１１０のガラスボール）によって与えられているのではなく、第１のコンポーネント１２０の基板に設けられた構造体２１０によって与えられている。収容溝は側方に開いているので、過剰シールガラスは縁部で押圧されて、側方に逃出することができる。構造体２１０の製造は慣用のマイクロマシニングプロセスを用いて行うことができる。収容溝およびスペースホルダの製作は、たとえば高速エッチング（トレンチエッチング）によって裏側から行われる。別個のプロセスにおいて、表側にメタライゼーションおよび評価回路を構造化することができる。

ここまで図１および図２につき説明した実施例では、容量型の圧力測定のためのプレートキャパシタの第１の電極が第２のコンポーネント１００の鋼基板によって形成され、第２の電極が第１のコンポーネント１２０の基板に対向電極１３０として形成されていたが、別の実施例では、プレートキャパシタの両電極を第１のコンポーネント１２０の基板に収納することが可能となる。すなわち、たとえば対向電極１３０に並んで第１のコンポーネント１２０の基板に電極３３０を形成することができる。この場合、電極３３０はマイクロ構造化されたばね３１０に、対向電極１３０に向かい合って懸吊されている。このようなばね３１０に懸吊された電極３３０の構成は、図３の（ａ）および（ｂ）に図示されている。鋼ダイヤフラム１７０の位置変化を電極３３０に伝達するために、この特別な実施例では、図３の（ａ）に符号３００で示したようなステムが設けられている。鋼ダイヤフラム１７０が撓むと、位置変化は直接にステム３００を介して電極３３０に伝達されるので、圧力センサにおけるキャパシタンス変化を検出することができる。ばね３１０は小さな予荷重もしくはプリロードをかけられているので、ステム３００は鋼ダイヤフラム１７０に押圧される。このことは外部圧力１８０の減少時に鋼ダイヤフラム１７０に対するステム３００の接触の維持を可能にする。予荷重もしくはプリロードは外側のスペースホルダ対真ん中のステム長さの比により調節され得る。第１のコンポーネント１２０の基板をシールガラスによって固定するためには、第１のコンポーネント１２０の基板の縁部に収容溝が設けられている。この実施例は、相応する寸法設定が行われた場合には、ダイヤフラム中心部の変位によって電極３３０全体が平行に移動させられるという利点を有している。これによって、キャパシタンス変化は、電極として縁部が常に元の位置に留まったままとなるような鋼ダイヤフラム１７０を用いた測定の場合よりも大きくなる。電極３３０を評価回路１５０とコンタクトするために、この実施例では、第１のコンポーネント１２０の基板を貫いて別個の電気的な接続部３４０が設けられている。

電極３３０を懸吊するための、考えられ得る１つの構成を示すために、図３の（ｂ）には、図３の（ａ）の横断面３２０を上から見た図が示されている。この図面では、電極３３０と、その下に位置するステム３００と、懸吊用のばね３１０とが認められる。

図４には、本発明を実現するためのさらに別の実施例が示されている。第１のコンポーネント１２０の半導体基板には、剛性的な第２の電極４１０が形成される。この第２の電極４１０は対向電極１３０に直接に向かい合って位置していて、中空室もしくは空洞部４３０を取り囲んでいる。この場合、第２の電極４１０は第１のコンポーネント１２０の基板を貫いた別個のコンタクティング部４２０を介して、この基板の上面に設けられた評価回路１５０に接続される。こうして構造化された第１のコンポーネント１２０は、たとえばシールガラスによって第２のコンポーネント１００の鋼ダイヤフラムもしくは鋼基板に載着されてボンディングされる。これによって、鋼ダイヤフラム１７０の変位はシリコンダイヤフラムである第２の電極４１０をも撓ませるが、著しく厚い対向電極１３０はほぼ平坦な状態のままとなる。対向電極１３０に対するシリコンダイヤフラムもしくは第２の電極４１０の接近は、やはりキャパシタンス変化を生ぜしめる。

さらに別の実施例では、対向電極１３０が、第１のコンポーネント１２０の半導体基板のドーピングされた範囲として形成されるのではなく、導電性の層によって別個に被着される。また、第２のコンポーネントの鋼ダイヤフラム１７０だけが少なくとも部分的に鋼から成っていて、第２のコンポーネントのその他の材料は半導体材料または非導電性材料から成っているような構成も考えられる。

本発明の第１実施例を第２のコンポーネントの横断面図（ａ）と第１のコンポーネントの横断面図（ｂ）とで示す図である。

本発明の第２実施例を示す圧力センサの横断面図である。

本発明の第３実施例を、圧力センサの横断面図（ａ）と、横断面３２０を上から見た図（ｂ）とで示す図である。

本発明の第４実施例を示す圧力センサの横断面図である。

符号の説明

１００第２のコンポーネント
１１０シールガラスエレメント
１２０第１のコンポーネント
１３０対向電極
１４０コンタクト貫通案内部
１５０評価回路
１７０鋼ダイヤフラム
１８０外部圧力
２００中空室
３００ステム
３１０ばね
３２０横断面
３３０電極
３４０電気的な接続部
４１０第２の電極
４２０コンタクティング部
４３０空洞部

Claims

容量型のマイクロマシニング式の圧力センサであって、
当該圧力センサが少なくとも
−第１のコンポーネント（１２０）と
−第２のコンポーネント（１００）と
を有しており、
キャパシタンス測定が少なくとも
−第１の電極（１３０）と、
−第１のダイヤフラム（１７０）の運動と
によって行われるようになっており、
第１のコンポーネント（１２０）が少なくとも
−半導体材料と、
−第１の電極（１３０）と
を有しており、
第２のコンポーネント（１００）が少なくとも
−第１のダイヤフラム（１７０）
を有している
形式の容量型のマイクロマシニング式の圧力センサにおいて、
−第２のコンポーネント（１００）が少なくとも部分的に金属から成っており、
−第１のコンポーネント（１２０）と第２のコンポーネント（１００）とがそれぞれ別個に加工されている
ことを特徴とする、容量型のマイクロマシニング式の圧力センサ。
キャパシタンス測定が第２の電極（１００，３３０，４１０）によって行われるようになっていて、第１のコンポーネント（１２０）または第２のコンポーネント（１００）が前記第２の電極（１００，３３０，４１０）を有しており、さらに特別な実施態様では、該第２の電極（１００，３３０，４１０）が第２のコンポーネント（１００）で第１のダイヤフラム（１７０）によって実現されている、請求項１記載の圧力センサ。
第２のコンポーネント（１００）が金属ダイヤフラム（１７０）、特に鋼ダイヤフラムを有している、請求項１記載の圧力センサ。
第１のコンポーネント（１２０）が、キャパシタンス測定を評価するための評価回路（１５０）の少なくとも一部を有しており、さらに特別な実施態様では、
−該評価回路（１５０）が、第１のコンポーネント（１２０）の、第１の電極（１３０）とは反対の側に設けられており、
−第１の電極（１３０）と前記評価回路（１５０）とのコンタクティングが、第１のコンポーネント（１２０）内部の電気的な接続部（１４０，３４０，４２０）によって行われるようになっている、
請求項１記載の圧力センサ。
第１のコンポーネント（１２０）と第２のコンポーネント（１００）とが、非導電性の材料（１１０，４００）によって互いに結合されている、請求項１記載の圧力センサ。
前記第２の電極（３３０）が第１のコンポーネント（１２０）に、第１の電極（１３０）に対して可動に形成されていて、第１のダイヤフラム（１７０）の運動に関連して第２の電極（３３０）の運動が行われるようになっており、さらに特別な実施態様では、第１の電極（１３０）と第２の電極（３３０）との間の間隔が、第１のダイヤフラム（１７０）の運動と共に線状に変化するようになっている、請求項２記載の圧力センサ。
容量型のマイクロマシニング式の圧力センサであって、
当該圧力センサが少なくとも
−第１のコンポーネント（１２０）と
−第２のコンポーネント（１００）と
を有しており、
キャパシタンス測定が少なくとも
−第１の電極（１３０）と、
−第１のダイヤフラム（１７０）と
によって行われるようになっており、
第１のコンポーネント（１２０）が少なくとも
−半導体材料と、
−第１の電極（１３０）と
を有しており、
第２のコンポーネント（１００）が少なくとも
−第１のダイヤフラム（１７０）
を有している
形式の容量型のマイクロマシニング式の圧力センサを製造するための方法において、
−第２のコンポーネント（１００）を少なくとも部分的に金属から形成し、
−第１のコンポーネント（１２０）と第２のコンポーネント（１００）とを互いに異なるプロセスで加工し、
−第１のコンポーネント（１２０）と第２のコンポーネント（１００）とを組み合わせることによって当該圧力センサを製造する
ことを特徴とする、容量型のマイクロマシニング式の圧力センサを製造するための方法。
キャパシタンス測定のために第２の電極（１００，３３０，４１０）を第１のコンポーネント（１２０）または第２のコンポーネント（１００）に形成し、さらに特別な実施態様では、第２の電極（１００，３３０，４１０）を第２のコンポーネント（１００）で第１のダイヤフラム（１７０）によって実現する、請求項７記載の方法。
第１のコンポーネント（１２０）の内部または外面に、キャパシタンス測定を評価するための評価回路（１５０）の少なくとも一部を形成し、さらに特別な実施態様では、
−該評価回路（１５０）を、第１のコンポーネント（１２０）の、第１の電極（１３０）とは反対の側に形成し、
−第１の電極（１３０）と前記評価回路（１５０）とのコンタクティングを、第１のコンポーネント（１２０）内部の電気的な接続部（１４０，３４０，４２０）によって行う、
請求項７記載の方法。
第１のコンポーネント（１２０）と第２のコンポーネント（１００）とを、非導電性の材料（１１０，４００）によって互いに結合する、請求項７記載の方法。
前記第２の電極（３３０）を第１のコンポーネント（１２０）に、第１のダイヤフラム（１７０）の運動に関連して第２の電極（３３０）の運動が行われるように第１の電極（１３０）に対して可動に形成し、さらに特別な実施態様では、第１の電極（１３０）と第２の電極（３３０）との間の間隔が、第１のダイヤフラム（１７０）の運動と共に線状に変化するようにする、請求項８記載の方法。