JP2004336053A - キャップ封止型のマイクロセンサならびにキャップ封止型のマイクロセンサのシール性チェック方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャップ封止型のマイクロセンサと、キャップ封止型のマイクロセンサのシール性チェック方法を提供する。
【解決手段】キャップ封止型のマイクロセンサであって、その中空室５内に配置された、少なくとも２つの電圧タップ２を備えた導体１が設けられている。キャップ封止されるマイクロセンサのシール性チェックのための方法であって、中空室５の内側に存在するガス状の媒体の少なくとも１つの熱力学的な値を、ブリッジを形成するように接続される、中空室５内に配置された、少なくとも２つの電圧タップ２を備えた導体１から成る構造体によって検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャップ封止型のマイクロセンサとキャップ封止型のマイクロセンサのシール性チェック方法に関する。

小さな中空室内の圧力の測定は問題なく可能ではない。しかしながら、このような測定は例えば、マイクロセンサのキャップ封止が密に行われているかどうか、または不密が生じているかどうかを検出するために必要とされる。このようなシール性のチェックは、全ての密閉されたキャップ封止されたマイクロセンサ、例えばヨーレートセンサ、加速度センサ、ＨＦ−ＭＥＭＳ等のために重要である。

「ザ・ナノピラニ−プレザンブリー・ザ・ワールズ・スモーレスト・プレッシャ・センサ」（"The NanoPrirani - Presumably the World's Smallest Pressure sensor" Reyntjens-S, De-Bruyker-D, Puers-R, TRANSDUCERS' 01, EUROSENSORS XV, 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Digest of Technicaol Papers/Obermeier, E..-Berlin, Germany, Germany:Springer-Verlag, Vol.1, 2001, 2 vol. 1807 p.490-3 vol.1）により、極めて小型化された圧力センサが公知である。この圧力センサのセンサ原理は、マイクロブリッジの圧力に依存した熱損失に基づく。この場合、マイクロブリッジと、このマイクロブリッジが形成されている基板との間にはギャップがなければならない。熱は、マイクロブリッジを通って流れる電流を介して発生され、圧力は、マイクロブリッジの電気的抵抗の測定を介して検知される。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３９２０号明細書により、流体の熱力学的な値を検出するための組み込まれたマイクロ構造エレメントが公知である。流体の熱力学的な測定値を検出するために、基板またはウエハには、運転中に流体に接しているマイクロ構造化された少なくとも１つの加熱エレメントが設けられている。この加熱エレメントの上または周囲には、交流の周波数で、または規定された周波数バンドで、加熱エレメントを少なくとも所定の時間で負荷するための手段および、加熱エレメントにかけられる電圧の第３調波の振幅を検出するための手段とが配置されている。図示のマイクロ構造エレメントは、特に、流体の熱伝導性及び／又は熱容量を検出または監視するために適している。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３９２０号明細書 「ザ・ナノピラニ−プレザンブリー・ザ・ワールズ・スモーレスト・プレッシャ・センサ」（"The NanoPrirani - Presumably the World's Smallest Pressure sensor" Reyntjens-S, De-Bruyker-D, Puers-R, TRANSDUCERS' 01, EUROSENSORS XV, 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Digest of Technicaol Papers/Obermeier, E..-Berlin, Germany, Germany:Springer-Verlag, Vol.1, 2001, 2 vol. 1807 p.490-3 vol.1）

キャップ封止型のマイクロセンサとキャップ封止型のマイクロセンサのシール性チェック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構成では、中空室内に配置された、少なくとも２つの電圧タップを備えた導体が設けられている。

さらに上記課題を解決するために本発明の方法では、中空室の内側に存在するガス状の媒体の少なくとも１つの熱力学的な値を、ブリッジを形成するように接続される、中空室内に配置された、少なくとも２つの電圧タップを備えた導体から成る構造体によって検出するようにした。

このようにして、本発明によれば、中空室の内部に存在するガス状の媒体の熱力学的な値を検出するための、有利にはマクロセンサのセンサ構造体内に組み込まれたマイクロ構造センサエレメントが考慮される。これは例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３９２０号明細書に、流体の熱力学的な値を検出するために記載されている。この明細書は、ここでは、関連性により引用されている。これにより特に、本発明により中空室に配置された、少なくとも２つの電圧タップを備えた導体の、上記明細書に記載された構成は、熱力学的な値の上記明細書に記載した検出と同様に、ここに記載した技術的な特徴と組み合わせることができる。

中空室内部に存在するガス状の媒体は有利には空気であって、この媒体から検出される熱力学的な少なくとも１つの値は、有利には熱伝導性及び／又は熱容量である。このようにして本発明によれば、キャップ封止されたマイクロセンサに所定の装置を組み込むことができる。この装置の、周囲圧力の変化による圧力変化の際に変化する熱伝導係数を介して、キャップ封止されたマイクロセンサのシール性を検出することができる。中空室内の圧力は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３９２０号明細書に詳しく記載した３ω法を介しても測定できる。この場合、さらに有利には、拡張された熱伝導モデルが使用される。この熱伝導モデルでは、付加的なカバー層を備えたマルチ層システムが考慮される。この場合、構造体を取り巻くガス、例えば空気の熱伝導性と熱容量とが圧力に依存していることが利用される。

本発明によるマイクロセンサでは、有利には、導体と電圧タップとを形成する導体路が、マイクロセンサのキャップの封印部を貫通して中空室の外部に導出される。さらに有利には、導体及び／又は電圧タップを形成する導体路は、中空室の外側に接続面を有している。

このような場合、構造体の接続は、中空室の外側の熱力学的な値を検出するために、ブリッジを形成するように行われる。即ち構造体は簡単に、キャップ封止されたマイクロセンサがシールされているかどうかを検出する測定装置に接続される。

シール性チェックの有利な実施例では、導体によって一定の加熱電流を発生させ、一定の周囲圧力のもと、ブリッジを平衡化し、変化した周囲圧のもと、ブリッジ電圧の変化を検出することにより、中空室内の圧力の変化を検出する。これにより、上述したように、圧力により変化する熱伝導係数に基づき、圧力へのブリッジ電圧の依存性が利用される。即ち、これに関連した導体の温度変化、これにより、温度係数により抵抗が変化することが利用される。これにより、キャップ封止されたマイクロセンサのシール性チェックを行うことができる。

本発明による第２の有利な構成では、中空室内の圧力が、３ω法によって検出される。この場合、上述したように、有利には、３ω法のために拡張された熱伝導モデルが使用される。これは、付加的なカバー層を備えたマルチ層システムが考慮される。この場合、構造体を取り巻くガス状の媒体がカバー層として処理される。この場合、ガス状の媒体、有利には空気の熱伝導性と熱容量とが圧力に依存しているという効果が利用される。３ω法による中空室内の圧力測定の場合にも、有利には外部に接続された抵抗ブリッジを備えた上記の構造体が利用される。

本発明による上記マイクロセンサでは、導体及び／又は電圧タップを形成する導体路が有利には、マイクロセンサのセンサエレメントに、例えば、センサの最上層の金属層に組み込まれて形成されている。これにより、本発明によれば、扁平な、簡単に製造されるシステムが提供される。このシステムは、標準的な半導体プロセスによる測定構造体の安価な製造を可能にする。

キャップ封止されたマイクロセンサのシール性チェックのための本発明による上記方法は、有利には、キャップ封止されたマイクロセンサのキャップ封止の品質制御のために使用される。

次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。

以下に、図１および図２につき本発明によるキャップ封止型マイクロセンサを説明する。図１には、まだキャップ封止されていない本発明によるマイクロセンサが示されている。この場合、実際のマイクロセンサのエレメントは、本発明を実現するために必要ではないので図示されていない。

マイクロセンサの基板６上には、導体１が被着されている。この導体１は、２つの電圧タップ２を有している。導体１の両端部と、両電圧タップ２の端部には、それぞれコンタクトパッド３が設けられている。導体１と、両電圧タップ２と、コンタクトパッド３とを形成する導体路は、例えば、マイクロセンサの最上層の金属層に形成することができる。

所定の材料の選択と、導体１および電圧タップ２の特別な配置に関しては、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３２９０号明細書が参照される。

本発明によれば、導体１と電圧タップ２とは、マイクロセンサのキャップ封止により形成される中空室５の内側に位置しているが、導体路は、コンタクトパッド３が中空室５の外側に位置するような長さであって、即ち、キャップ４の組み付け後でもなおコンタクトできるようになっている。

図２には、既にキャップ封止されたマイクロセンサの、図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図が示されている。この図によれば、キャップ４は封印部材７とともに、中空室５を周囲に対してシールしていることがわかる。このようなシールは、導体１と両電圧タップ２のための導体路の貫通部でも行われている。

キャップ封止されたマイクロセンサの密封されたシール性のチェックは、有利には、マイクロセンサのキャップ封止のための品質制御として本発明によれば行われる。この場合、４点測定を可能にする導体路が、外部の複数の抵抗体に接続されてブリッジを形成し、中空室５の内側に存在するガス状の媒体、有利には空気の、少なくとも１つの熱力学的な値を、４点測定を可能にする導体路を介して検出し、これにより、中空室５のシール性が推測される。

次に図３および図４につき、キャップ封止型のマイクロセンサのシール性チェックのための本発明による方法の有利な２つの実施例を説明する。

図３に示した本発明によるキャップ封止されたマイクロセンサのシール性チェック法の第１の有利な実施例によれば、ステップＳ１で、導体１を通して電源により、一定の加熱電流を流して、続くステップＳ２で、一定の周囲の圧力のもとでブリッジが平衡化される。例えば使用時の周囲の影響により、または信頼性検査のために、周囲圧力が変化されると、ブリッジ電圧が、圧力に依存して、装置の熱伝導係数が変化することにより変化する。何故ならば、導体の温度、ひいては抵抗が、温度係数を介して変化するからである。即ち本発明によれば、次のステップＳ３で例えば周囲圧力を変化させ、これにより次のステップＳ４でブリッジ電圧が変化しているかどうか検出する。変化していなければ、キャップ封止の内部の圧力は一定にとどまり、これによりキャップ封止がシールされていることが検知される。しかしながら、ブリッジ圧が変化していたならば、キャップ封止はシールされていないと判断される。

図４には、本発明によるキャップ封止されたマイクロセンサのシール性チェック法の第２の有利な実施例が示されている。この実施例では、中空室５内の圧力が３ω法で測定される。２つの電圧タップ２を有した導体から成る構造体を外部の抵抗ブリッジによって、３ω法のために使用することは、上記ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３２９０号明細書に詳しく記載されている。本発明によれば有利には、３ω法のために拡張された熱伝導モデルが使用される。この熱伝導モデルでは、付加的なカバー層を備えた多層システムが考慮される。この場合、中空室５の内側で有利にはガス状の媒体として使用される周囲の空気が、カバー層として処理される。この場合、この空気の導熱性と熱容量とは、圧力に依存している。

本発明によるキャップ封止されたマイクロセンサのシール性チェック法の第２の有利な実施例によれば、ステップＳ１′で、周囲圧力が製造中の中空室の内圧と異なるように調節される。続くステップＳ２′では、中空室の内圧が３ω法によって検出される。これが、製造中の中空室の内圧と同じであったなら、キャップ封止は、シールされていると判断される。これに対して、異なる周囲圧力、例えば調節された周囲圧力が測定されると、キャップ封止はシールされていないと推測される。

本発明によるシール性チェック方法は、封印プロセスが正確に行われたかどうかをチェックするための、キャップ封止直後のプロセス制御のためにも、センサエレメントの耐用寿命にわたって長期のシール性をチェックするためにも使用できる。

本発明によるキャップ封止型マイクロセンサを、キャップ封止されていない状態で示した平面図である。 本発明によるキャップ封止型マイクロセンサを、キャップ封止された状態で示した、図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 本発明の第１の有利な実施例による、キャップ封止型マイクロセンサのシール性チェック方法のフローチャートである。 本発明の第２の有利な実施例による、キャップ封止型マイクロセンサのシール性チェック方法のフローチャートである。

符号の説明

１ 導体、 ２ 電圧タップ、 ３ 接続面、 ４ キャップ、 ５ 中空室、 ６ 基板、 ７ 封印部

Claims (10)

1. 中空室（５）内に配置された、少なくとも２つの電圧タップ（２）を備えた導体（１）を特徴とする、キャップ封止型のマイクロセンサ。
2. 導体（１）及び／又は電圧タップ（２）を形成する導体路が、マイクロセンサのキャップ（４）の封印部（７）を貫通して、中空室（５）から外部へと案内されている、請求項１に記載のマイクロセンサ。
3. 導体（１）及び／又は電圧タップ（２）を形成する導体路が、中空室（５）の外側で接続面（３）を有している、請求項２記載のマイクロセンサ。
4. 導体（１）及び／又は電圧タップ（２）を形成する導体路が、マイクロセンサのセンサエレメントに組み込まれて形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロセンサ。
5. 中空室（５）の内側に存在するガス状の媒体の少なくとも１つの熱力学的な値を、ブリッジを形成するように接続される、中空室（５）内に配置された、少なくとも２つの電圧タップ（２）を備えた導体（１）から成る構造体によって検出することを特徴とする、キャップ封止されるマイクロセンサのシール性チェックのための方法。
6. 前記構造体（１，２）のブリッジへの接続を、中空室（５）の外側で行う、請求項５記載の方法。
7. 導体によって一定の加熱電流を発生させ（Ｓ１）、一定の周囲圧力のもと、ブリッジを平衡化し（Ｓ２）、変化した周囲圧のもと、ブリッジ電圧の変化を検出することにより、中空室（５）内の圧力の変化を検出する（Ｓ３）、請求項５又は６記載の方法。
8. 中空室（５）の圧力を、３ω法によって検出する（Ｓ２´）、請求項５又は６記載の方法。
9. ３ω法のために、拡張された熱伝導モデルを使用し、この熱伝導モデルでは、付加的なカバー層を備えたマルチ層システムが考慮され、この場合、構造体取り囲むガス状の媒体を、カバー層として処理する、請求項８記載の方法。
10. 請求項５から９までのいずれか１項記載の方法を特徴とする、キャップ封止型のマイクロセンサのキャップ封止の品質制御のための方法。

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