JP2005140780A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】外形寸法が非常に限られている圧力センサーを提供する。
【解決手段】圧力センサーはマイクロ電気機械振動デバイスであり、単一の層または多層の振動アセンブリ１２１がその上に形成されているシリコン基板１５を有する。この圧力センサーは、共振振動数、または別の既知の振動数で基板に対して該アセンブリを振動させる電極２１と、前記振動の実際の振動数および／または振幅を検知するための検知器とを含む。実際の振動数および／または振幅は、条件、特に外的環境の圧力によって影響され、電極によってセットされた値に関する振動数および振幅の変動が、周囲の環境の圧力変動を測定するために使用される。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は圧力センサーに関する。特に、本発明は、振動部材を含む圧力センサーに関し、その振動数と振幅とが外部環境の圧力条件によって影響を受け、それによって周辺環境の圧力変化を測定するためにそれを利用することができるようになる。

振動部材を使用する圧力センサー、または温度、密度等の他の物理量センサーはすでに知られている。これらのセンサーは、周辺環境の圧力、温度および／または密度条件が振動部材の振動数および振幅に対して与える影響を利用して、振動数と振幅とが期待値からどれだけの偏差を有するかという測定値を得て、対象とする物理量の変動を得る。
上記の種類のセンサーは、下記特許文献１、「光学センシングシステム」、下記特許文献２、「振動センサー」、および下記特許文献３、「振動性トランスデューサー」に開示されている。

しかし、既知のセンサーは、センサーの小型化が必要な用途に適していない。このような用途としては、小型のチャンバ内の圧力を測定する場合、小型化されていないセンサーが周辺環境に対して無視できない乱れを引き起こす場合が挙げられる。
米国特許第５，１５２，１７３号明細書 米国特許第５，４２６，９８１号明細書 米国特許第４，８４１，７７５号明細書

したがって、本発明は、ほぼ１０²μｍという、外形寸法が非常に限られている圧力センサーを提供することによって、上記の欠点を克服することを目的とする。特許請求の範囲の圧力センサーは、上記のおよびその他の目的を達成する。

本発明による圧力センサーは、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）デバイスの開発で知られている技術によって得られ、単層または多層の振動アセンブリがその上に形成されている基板を含むマイクロ電気機械振動デバイスを備えている点が有利である。本基板および振動アセンブリは、たとえば、シリコン、シリコン酸化物、モリブデン、アルミニウム等で作成してもよい。

知られているように、用語「ＭＥＭＳ」は小型化された電気機械システムを意味し、シリコン基板に搭載されている機械的な部品や、センサー、ドライバーおよび関連する電子部品が集積されている。ＭＥＭＳ部品は、通常超微細加工プロセスを経て得られ、このプロセスは、シリコンウェーハのある選択された部分を除去することによってシリコンを選択的にエッチングし、あるいは新しい構造を有する層を付け加えて、機械的、電気機械的な部品を形成する。この種のテクノロジーにより、チップ上で、微細な駆動装置等の完全なシステムを製造することが可能となっている。

ＭＥＭＳを製造するためのテクノロジーにおいては、集積回路に使用する製造方法に類似している製造方法を使用し、そのため、集積回路等に特徴的な、同じようなレベルの品質、信頼性、洗練性を有し、安価であるという利益を享受できる点が有利である。
本発明によれば、本マイクロ電気機械振動デバイスの振動数および／または振幅の変動を、周辺環境中の圧力変化の測定用に利用することができる。

好ましい実施形態によれば、振動数および／または振幅の変動は、マイクロ電気機械振動デバイスがその内部に接続されている電気回路のパラメーターの測定可能な変動を引き起こし、その結果、この可変的な電気的パラメーターの挙動から圧力変化を得ることが可能となる。

非限定的な例を使用して、添付図面を参照しつつ、本発明のいくつかの好ましい実施形態を以下に述べる。
図１ａおよび図１ｂを参照する。ここには本発明による圧力センサーのマイクロ電気機械デバイスの第１の実施形態を示す。
本実施形態によれば、支持ベース１５に形成されているキャビティ１３の上に、弾性を有し振動する平坦な薄膜１２１が支持されている。この薄膜１２１は、実質上長方形をしており、支持ベース１５内のキャビティ１３を取り囲む周辺リム１７に、薄膜１２１の短辺に隣接する２つの長方形の固定領域１２３ａ、１２３ｂで固定されている。この薄膜はさらに、周辺リム１７を部分的に覆う側面拡張部分１２５を有し、対応する接触域１２７を画定している。

支持ベース１５は、キャビティ１３が従来のエッチング技術によってその上に形成されたシリコン基板またはウェーハであることが好ましい。ボトム１９に接して、キャビティ１３の内部に金属制御電極２１が配置されており、キャビティ１３の側壁２５に対して折れ曲がっている側面拡張部分２３が設けられている。その拡張部分は、部分的に支持ベース１５の周辺リム１７を覆い、対応する接触域２７を画定している。

制御電極２１中の領域２７、１２７、および薄膜１２１にそれぞれ電圧信号を印加することによって、制御電極２１と薄膜１２１との間に電界が形成され、それによって薄膜１２１が電極２１の方へ引き寄せられる。接触域２７、１２７に印加された電圧信号が周期的に変調されれば、薄膜１２１の振動が得られることになる。
絶対真空条件の下では、薄膜１２１はその共振振動数と振幅とで振動するか、または、その信号が前記共振振動数とは異なる周波数の正弦波信号である場合には、薄膜１２１はその信号によって課された周波数で振動することになるであろう。

絶対真空という理想的な条件から外れる場合には、薄膜の自由振動が原子および分子との衝突によって乱されるので、薄膜を取り巻く環境中のガス分子または原子の存在によって、薄膜振動の振動数および振幅が影響を受けることになる。原子および分子の数が増えれば、すなわち、より高い圧力下では、前記影響はより強くなる。
したがって、薄膜１２１の振動数および／または振幅の期待値からの偏差を、適切な検出器を用いて測定すれば、周辺環境中の圧力変化を得ることができる。

薄膜１２１の振動数および／または振幅の変動の検出器の実例を詳細に下に開示する。
薄膜１２１を製造するために適している材料は、アルミニウム、モリブデン、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ（単結晶）であってもよい。さらに、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等の誘電材料で作られている薄膜は、金属層が２つの誘電体層の間にはさまれたサンドイッチ構造（誘電体−金属−誘電体）を有し、このようにして電界によって薄膜振動を制御することができるようになる。

本発明の典型的な実施形態を例示すれば、薄膜１２１は、１００μｍ×２０μｍの表面および１μｍの厚さを有してもよい。
さらに、薄膜１２１は、この薄膜が振動している間にベース１５から分離してしまうのを防ぐために十分に広い固定領域１２３ａ、１２３ｂを有するものとする。たとえば、１００μｍ×２０μｍ×１μｍの薄膜の場合には、固定領域は、少なくとも２０μｍ×２０μｍの表面を有するのが好ましい。

制御電極２１の寸法は、薄膜１２１上の引力が、薄膜表面の約５０％にかかるようにするのが好ましく、薄膜１２１の長手方向で２５μｍから７５μｍの範囲の長さ、かつ薄膜１２１の全幅に対してかかるようにするのが好ましい。薄膜１２１と制御電極２１との間の間隔は、使用される材料、ならびに制御電極２１および薄膜１２１の接触域に印可される電圧に依存し、５μｍから１５μｍの範囲であるのが好ましい。

図２を参照する。図１ａおよび図１ｂに示したものと同一のエレメントは、ここでは省略しており、本発明の第２の実施形態を示す。ここでは、２つの平行な縦ビーム２２１ａ、２２１ｂおよび１つの横中央ビーム２２１ｃを備える平坦な実質上Ｈ形の弾性を有する薄膜２２１により、振動するポンピングステージが得られる。図１ａおよび図１ｂに示した実施形態と同様に、平行なビーム２２１ａ、２２１ｂの双方は、それぞれの端２２３ａ、２２３ｂで支持ベース１５の周辺リム１７に固定されている。このようにして、Ｈ形の薄膜２２１が、支持ベース１５中に形成されているキャビティ１３の上に支持されている。

このように構成することにより、このＨ形の薄膜にねじり振動が与えられ、高い共振振動数および大きな振幅が達成できるようになる。実際、ねじれの共振振動数は屈曲振動数よりはるかに高い。たとえば、長さ１５０μｍ、幅１５μｍ、厚み１．５μｍのアルミニウム薄膜は、以下の共振振動数を有するであろう。すなわち、屈曲で３．５ｅ⁵ Ｈｚ、ねじれで２．０ｅ⁶ Ｈｚである。

このアセンブリの共振振動数が低下しすぎないように、中央の横ビーム２２１ｃは軽く薄くあるべきである。
図３に移る。ここでは、多層の振動アセンブリ３２１が提供される本発明の第３の実施形態を示す。
この実施形態によれば、アセンブリ３２１は、実質的に剛体の薄膜３３１を備えている。薄膜３３１は、その下でそれぞれの反対側の両端３２３ａ、３２３ｂに位置する実質上Ｓ形の弾性を有する部材すなわちサスペンションスプリング３３３に支持されている。

弾性を有する部材３２３ａおよび３２３ｂはさらに直線状の支持ベース１５’に固定されることになり、その上に制御電極’２１が設置される。このようにして、前記電極２１’と薄膜３３１との間に電界が印可されることによってアセンブリ３２１を振動させる。
図４に移る。ここでは本発明の第４の実施形態を示す。薄膜３３１は、複数の開口部３２９を有していることが好ましく、これによって、薄膜に対して充分な剛性が得られる格子構造を与える。このようにすることによって、この薄膜がアイドル状態のときに存在する平面と実質上平行に振動するようになる。

前記単純な薄膜（図１ａ、図１ｂ）または前記Ｈ形の薄膜（図２）の場合に関して言えば、図３および図４に示した実施形態の多層の構成によって、薄膜３３１の全体の表面が結果的に周辺環境の圧力に対して同じ感度を有するようになるであろう。
実際に、薄膜３３１は振動中に実質上平坦な状態を保持し、したがって、膜表面の全体がガス原子または分子の存在によって等しく影響されるようになる。

典型的な実施形態では、多層のアセンブリ３２１は以下のディメンションを有してもよい。
薄膜厚さ：１μｍ
振動表面の長さ：１５μｍ〜２５μｍ
スプリング長さ：２μｍ〜３μｍ
アセンブリ厚さ：５μｍ
スプリング厚さ：０．５μｍ。

図５を参照する。ここでは、図１から図４の振動アセンブリ１２１、２２１、３２１の振動数および振幅変動を検知するためのデバイスの電気回路を概略的に示す。
この電気回路では、マイクロ電気機械デバイスの振動アセンブリをＭＯＳＦＥＴトランジスタのゲートＧとして使用する。
知られているように、たとえばＮ−チャネルタイプのＭＯＳＦＥＴトランジスタは、低度にドープしたＰシリコン基板を含み、そこに高度にドープした２つのＮ領域（ソースＳおよびドレインＤと呼ばれる）が形成されている。制御電極（いわゆるゲートＧ）はこれらの領域の間に配置されている。ゲートＧに印加する電圧を変動させることによって、ソースＳとドレインＤとの間の下層をなす基板領域の電荷分布および密度が、電界効果によって変動し、その結果としていわゆるチャネルを形成する。上述のケースでは、Ｐ型の基板であり、このチャネルはＮ型になり、すなわち、これによって、電子が流れることが可能になる。Ｎ型基板の場合には、ゲートＧの電位によって作られたチャネルによって、正孔電流が流れる（Ｐ型チャネル）ことが可能になることになる。

このように、このＭＯＳＦＥＴはそれを通って流れる電流Ｉ_Dを制御するデバイスになり、３番目の極であるゲートＧに適切なバイアスをかけると、その電流はソースＳから入り、ドレインＤで外に流れるようになる。
マイクロ電気機械デバイスの振動アセンブリがゲートＧとして使用され、前記アセンブリが定電圧Ｖ_Gでバイアスされている場合、振動アセンブリの振動の振幅および振動数に依存して、ゲートチャネル拡張部が変動するので、一定のｄ．ｃ．信号および周波数信号の重ね合せから結果的に得られる電圧信号が得られるであろう。

したがって、Ｖ_Gが一定であれば、電流Ｉ_Dは薄膜振動に比例した振動を受けるであろう。
電流Ｉ_Dは、以下の関係式、

ただし、Ｖ_DS＜Ｖ_DS(sat)である場合。
また、以下の関係式によって変動するであろう。

ただし、Ｖ_DS＞Ｖ_DS(sat)である場合。
ここに、ＷとＬとは薄膜の（一定の）幾何学的なディメンションである。
μ_hoは相互コンダクタンスパラメーターである。
ｔ_oxは、振動する構造体と下層をなす支持ベースとの間の距離である。
ε_rは、前記構造体と前記ベースとの間の媒体の誘電率（比誘電率）（真空中では、ε_r＝１）である。
Ｖ_GSはゲートとソースとの間の電位差（Ｖ_G−Ｖ_S）である。
Ｖ_Tは閾値電位であり、この値を超えるとソースとドレインとの間の可動な電荷の存在が可能となるＶ_GS値に相当する。すなわちこの値を超える領域では、チャネルは開いているということである。Ｖ_Tは、ｔ_oxの関数である。
λはチャネル長さ変調である。
Ｖ_DSはドレインとソースとの間の電位差（Ｖ_D−Ｖ_S）である。
Ｖ_DS(sat)はＶ_DSの飽和値である。すなわち、この値の上では電流ＩＤはＶ_DSと無関係になり、単にＶ_GSおよびＶ_Tに依存するようになるＶ_DS値である。

振動アセンブリの振動中には、ｔ_oxとＶ_Tとは、前記アセンブリの振動数および振幅に課せられた法則によって変動し、したがって、電流Ｉ_Dの強度および振動数は、前記振動の振動数および／または振幅変動に比例しても変動することになる。
出力信号は、たとえばＶ_extとすることができ、電流変動を測定することによって得ることができる。マイクロ電気機械振動アセンブリの振動の振動数および／または振幅の変動を得ることができ、この変動から、前記アセンブリを取り巻く環境中の圧力変化を得ることができる。

図６は、マイクロ電気機械振動アセンブリの振動数および振幅の変動の検知器の回路の可能な、異なる実施形態を概略的に示す。
このような異なる実施形態において、前記アセンブリは、第１のＭＯＳＦＥＴ Ｍ₁のゲートＧ１を形成している。前記第１のＭＯＳＦＥＴ Ｍ₁のソースＳ₁は、第１のＭＯＳＦＥＴと同等ではあるが非可変ゲートＧ₂を有する第２のＭＯＳＦＥＴ Ｍ₂（並列接続）のソースＳ₂に接続されている。前記ＭＯＳＦＥＴのドレインＤ₁、Ｄ₂は、第３および第４のＭＯＳＦＥＴ Ｍ₃、Ｍ₄のソースＳ₃、Ｓ₄とそれぞれ接続（直列接続）されている。前記第３および第４のＭＯＳＦＥＴ Ｍ₃、Ｍ₄は互いに同等品であり、この回路をより安定させるための安定化抵抗として働く。

実験による評価によれば、本発明による圧力センサーは周辺環境の圧力変化を効果的に検知することができる。特に、前記センサーは、１０³ｍｂａｒから１０^-3ｍｂａｒまでの圧力範囲において使用できるので好都合である。前記範囲内では、振動アセンブリの振動の振動数および／または振幅の変動は、この変動を生成する圧力変化に対して線形従属する。

本発明による圧力センサーのマイクロ電気機械デバイスの第１の実施形態の上部斜視図である。 図１に示すマイクロ電気機械デバイスの上部平面図である。 本発明による圧力センサーのマイクロ電気機械デバイスの第２の実施形態の斜視図である。 本発明による圧力センサーのマイクロ電気機械デバイスの第３の実施形態の斜視図である。 本発明による圧力センサーのマイクロ電気機械デバイスの第４の実施形態の正面図である。 本発明による圧力センサーの検出器の電気回路についての図である。 異なる実施形態による、本発明による圧力センサーの検出器の電気回路についての図である。

Claims (20)

1. マイクロ電気機械デバイスを含む振動アセンブリ（１２１、２２１、３２１）と、
   前記振動アセンブリに固定された静止している支持ベース（１５、１５’）と、
   電極（２１、２１’）であって、この電極と前記振動アセンブリとの間で可変的な電界が形成されるときに所定の振動数および振幅で前記支持ベースに対して前記振動アセンブリを振動させる電極と、
   前記既知の振動数および振幅からの振動の振動数および振幅の偏差を検知するデバイスであって、このデバイスがＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ、Ｍ₁）を有する電気回路を含み、前記振動アセンブリが制御電極である前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタのゲート（Ｇ）をなし、このゲートが前記所定振動数および振幅の値に依存するチャネルの幅を制御するデバイスとを含む高真空用圧力センサー。
2. 前記支持ベース（１５、１５’）がシリコンウェーハを含む請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記電極（２１）が、前記支持ベース（１５、１５’）と前記マイクロ電気機械デバイスの前記振動アセンブリ（１２１、２２１、３２１）との間に配置されている請求項２に記載の圧力センサー。
4. 前記可変的な電界が前記振動アセンブリの共振振動数に等しい振動数を有する正弦波の電界である請求項１に記載の圧力センサー。
5. 前記電極がキャビティ（１３）内に配置されており、このキャビティは前記振動アセンブリの下の前記支持ベースの中に形成されている請求項１に記載の圧力センサー。
6. 前記振動アセンブリが弾性を有する平坦な薄膜である請求項１に記載の圧力センサー。
7. 前記薄膜が、実質的に長方形であり、この長方形の短辺に対応するその端（１２３ａ、１２３ｂ）で前記支持ベースに固定されている請求項６に記載の圧力センサー。
8. 前記薄膜が実質的にＨ形をしており、その４つの端（２２３ａ、２２３ｂ）で前記支持ベースに固定されている請求項６に記載の圧力センサー。
9. 前記Ｈ形の薄膜がねじり振動を受ける請求項８に記載の圧力センサー。
10. 前記薄膜が、前記キャビティ（１３）を取り囲む周辺リム（１７）に沿って前記支持ベースに固定されており、前記キャビティ上に支持されている請求項９に記載の圧力センサー。
11. 前記薄膜が、対応する第１の接触域（１２７）を画定する前記周辺リムを部分的に覆う側面拡張部分（１２５）を含む請求項１０に記載の圧力センサー。
12. 前記電極は、この電極が、対応する第２の接触領域（２７）を画定する前記支持ベース（１５）の周辺リム（１７）を部分的に覆い、前記振動アセンブリと前記電極との間に可変的な電界を形成する前記第２接触領域に適切な電圧信号が印加されるような側面拡張部分（２３）を含む請求項１０に記載の圧力センサー。
13. 前記振動アセンブリが、前記薄膜と前記支持ベースとの間に配置されている弾性を有する部材であるサスペンションスプリング（３３３）に支持された剛体的な薄膜（３３１）を含み、前記弾性を有する部材が前記支持ベースに固定されている請求項１に記載の圧力センサー。
14. 前記薄膜および前記支持ベースが実質的に直線状であり平行六面体状の形態を有する請求項１３に記載の圧力センサー。
15. 前記弾性を有する部材がＳ形である請求項１４に記載の圧力センサー。
16. 前記薄膜が開口部（３２９）を有する格子構造を有する請求項１４に記載の圧力センサー。
17. 前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ₁）の前記ゲート（Ｇ₁）が第２のＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ₂）に平列に接続されている請求項１に記載の圧力センサー。
18. 前記第２のＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ₂）が、それが静止ゲート（Ｇ₂）を含む場合以外は、前記第１のＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ₁）に類似するものである請求項１７に記載の圧力センサー。
19. 前記第１および前記第２のＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ₁、Ｍ₂）が第３および第４のＭＯＳＦＥＴトランジスタ（Ｍ₃、Ｍ₄）、前記第３および第４のＭＯＳＦＥＴトランジスタとそれぞれ直列に接続されている請求項１８に記載の圧力センサー。
20. 前記第３および第４のＭＯＳＦＥＴトランジスタが互いに同等のものである請求項１９に記載の圧力センサー。

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