JP2006098408A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】改良型耐熱検出物質を利用した圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ（１０）は、この圧力センサが圧力センサ前後の圧力差にさらされると移動するよう構成された可動部品（１６）と、可動部品に設けられた圧力検出素子（２０）とを有する。圧力検出素子は、導電性電子ガスを有し、この導電性電子ガスは、可動部品の移動時にその両端間のその電気抵抗を変化させる。圧力センサは、リード線を圧力検出素子に結合して圧力検出素子がリード線を介して信号を出力できるよう構成されており、信号は、圧力センサがさらされる圧力に関連付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に耐熱圧力センサに関する。

圧力センサは、種々の流体の圧力を検出するために広く用いられている。多くの既存の圧力センサは、ピエゾ抵抗素子が設けられた可撓性ダイヤフラムを利用しており、ダイヤフラムの撓みによりピエゾ抵抗素子の抵抗が変化するようになっている。しかしながら、多くのピエゾ抵抗物質は、高温に耐えることができない。かかるピエゾ抵抗物質の温度範囲が限定されているので、圧力センサを用いることができる環境が制限され、しかもピエゾ抵抗物質の被着後に実施できる加工又は製造工程（即ち、センサを製造する場合）が制限される。したがって、改良型の耐熱検出物質を利用した圧力センサが要望されている。

一実施形態では、本発明は、耐熱検出物質を利用した圧力センサである。特に、圧力センサは、一方が電子ドナー物質を形成するようドープされた２つの圧電物質を利用していて、圧電物質と電子ドナー物質のインタフェース（interface）のところに導電性導電性電子ガスを生じさせるようになっている。電子ドナー物質及び圧電物質について選択された物質は、好ましくは耐熱圧力センサを提供するよう耐熱性である。

一実施形態では、本発明は圧力センサであり、この圧力センサは、圧力センサが圧力センサ前後の圧力差を受けたときに動くよう構成された可動部品と、可動部品に設けられた圧力検出素子とを有する。圧力検出素子は、導電性電子ガスを有し、この導電性電子ガスは、可動部品の移動時にその両端間のその電気抵抗を変化させる。圧力センサは、リード線を圧力検出素子に結合して圧力検出素子がリード線を介して信号を出力できるよう構成されており、信号は、圧力センサがさらされる圧力に関連付けられている。
本発明の他の目的及び利点は、以下の説明及び添付の図面から明らかになろう。

図１に示すように本発明の圧力センサ１０は、上側基板部分１２ａ及び下側基板部分１２ｂを備えた基板１２を有している。基板１２は、種々の材料で作られたものであってよく、かかる材料としては、炭化珪素、サファイア、窒化珪素、半導体材料、例えばシリコン、セラミックス、例えば窒化アルミニウム、これら材料の組合せ、又は所望の形状に機械加工でき又は形成できる任意他の類似材料が挙げられるが、これらには限定されない。上側基板部分１２ａは、比較的厚いベース部分１４と、上側基板部分１２ａ及び下側基板１２ｂに形成されたキャビティ１８を横切って延びる比較的薄いダイヤフラム又は可動部品１６とを有する。ベース部分１４は、比較的剛性が高く、ダイヤフラム１６の撓み中、ダイヤフラム１６に対して固定状態のままである。

ダイヤフラム１６は、ダイヤフラム１６が応力を受け又は圧力差にさらされると、ダイヤフラム１６が図１に示すその位置から上方又は下方へ撓むことができるよう比較的薄く且つ可撓性のものである。ダイヤフラム１６は、所望の可撓性をもたらすよう種々の厚さを有するのがよい。一実施形態では、ダイヤフラム１６は、比較的薄く、その厚さは約５００ミクロン以下、より好ましくは３００ミクロン以下、又は最も好ましくは約１００ミクロン以下である。別の実施形態では、ダイヤフラム１６は比較的厚く、その厚さは、約５００ミクロン以上である。ダイヤフラム１６は、平面図で見て全体が正方形であるのがよいが、ダイヤフラム１６は種々の他の形状をしていてもよく、かかる形状としては、平面図で見て円形、平面図で見て矩形、又は種々の他の形状が挙げられるが、これらには限定されない。下側基板部分１２ｂは、その底部に設けられたポート２１を有し、このポート２１は、キャビティ１８と連通している。ポート２１は好ましくは円形であるが、下側基板部分１２ｂの下面に楽に機械加工され又はエッチングされる正方形又は矩形、或いは種々の他の形態のうちの任意のものであってよい。

圧力センサ１０は、ダイヤフラム１６に設けられた少なくとも１つの圧力検出素子２０（図１では、４つの圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが示されている）を有する。素子又は層が別の素子、層又は基板「に」又は「上に」設けられ又は被着されていると称される場合（例えば、圧力検出素子２０は、ダイヤフラム１６に設けられている）、この素子又は層は必ずしも他方の素子、層又は基板に直接設けられなくてもよく、中間素子、層又は物質が存在してもよいことは理解されるべきである。さらに、素子又は層が別の素子、層又は基板「に」又は「上に」設けられ又は被着されていると称される場合、その素子又は層は、他方の素子、層又は基板を部分的又は完全に覆ってもよい。

図１に示す実施形態では、４つの圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが利用されている。ダイヤフラム１６は、圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを支持し、これら圧力検出素子をキャビティ１８から離隔させている。

図２は、圧力検出素子２０ａの詳細図であり、圧力検出素子２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは同一の形態を有している。圧力センサ２０ａは、ダイヤフラム１６に被着された圧電物質２２の層及び圧電物質２２に被着された電子供与体又はドナー物質２４の層を有している。圧電物質２２と電子ドナー物質２４は、互いに密に接触した状態に互いに隣接して設けられ、これらの間にはインタフェース２６が形成されている。

圧電物質２２の層は、応力を受けると電気分極が誘発される。標準型の圧電物質である。圧電物質２２は好ましくは、窒化ガリウム（ＧａＮ）である。ただし、以下に詳細に説明するように、圧電物質２２は、種々の他の物質で作られたものであってよく、かかる物質としては、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＰが挙げられるが、これらには限定されない。好ましい実施形態では、圧電物質２２は、厚さが約０．５ミクロン以上であり、より好ましい実施形態では、厚さが約１ミクロン以上であり、最も好ましい実施形態では、厚さが約０．５ミクロン〜１０ミクロンである。

電子ドナー物質２４は、自由電子を持つ物質の層であり、即ち、物質の通常の価電子に加えて電子を持つ物質である。電子ドナー物質２４は好ましくは、追加の自由電子をもたらすようドープされた圧電物質である。ただし、電子ドナー物質２４を必ずしもドープする必要はない。電子ドナー物質２４は好ましくは、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。ただし、以下に説明するように、電子ドナー物質２４は、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓ（これらには限定されない）を含む種々の物質で作られたものであってもよい。好ましい実施形態では、電子ドナー物質２４の厚さは、約２００オングストローム〜約５００オングストロームである。

図１及び図２に示す実施形態では、圧電物質２２は、電子ドナー物質２４とダイヤフラム１６との間に配置されている。しかしながら、所望ならば、電子ドナー物質２４を電子ドナー物質２４がダイヤフラム１６と圧電物質２２との間に位置するようダイヤフラム１６の近くに設けてもよい。

圧電物質２２及び電子ドナー物質２４の固有の性質により、これら物質２２，２４は、これらのインタフェース２６のところで２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生じさせる。特に、圧電物質２２と電子ドナー物質２４の両方は、同一の格子構造を有している（即ち、圧電物質２２が窒化ガリウムであり、電子ドナー物質２４が窒化アルミニウムガリウムである場合、六方晶格子構造）。圧電層２２及び電子ドナー物質２４の格子構造は、同一の基本（六方晶）形状のものであるが、互いに異なる格子サイズのものである。かくして、圧電層２２と電子ドナー層２４のインタフェース２６のところで、電子ドナー層２４の格子構造は、圧電層２２の格子構造に一致するよう順応する（伸びるか縮むかする）。インタフェース２６のところでの格子構造でのこの調整は、電子ドナー層２４の格子構造をその厚さ全体にわたって調整する。この状態にあるとき、電子ドナー層２４は、電子ドナー層２４全体の格子構造がその通常の状態を超えて動くよう調整され又は強制されるスードモルフィック状態にある。電子ドナー物質２４は、電子ドナー物質２４が、圧電物質２２に被着されたとき、その厚さ全体にわたって歪が与えられたそのスードモルフィック状態に置かれるよう比較的小さな厚み（即ち、約５００オングストローム以下）を有するべきである。

電子ドナー層２４の格子構造がそのスードモルフィック状態にあるとき、電子ドナー層２４の格子構造には歪が与えられる。周知のように、圧電物質（例えば、電子ドナー物質２４）に歪が与えられると、圧電物質中の個々の格子単位セルは各々、双極子（ダイポール）モーメントを生じて全体として物質２４を横切る分極場が作られるようになる。かくして、電子ドナー物質２４中の永久歪は、電子ドナー層２４の自由電子をインタフェース２６に追いやる永久分極場を作る。換言すると、電子ドナー物質２４は、その圧電誘導された電荷密度及びその自由電子により、インタフェース２６に電子を与える。

このように、圧電物質２２と電子ドナー物質２４は協働してインタフェース２６のところに電子ガスを発生させる。電子ガスは、インタフェース２６に移動する電子の本質的に薄い（即ち、約５０オングストローム以下の）層である。この電子ガスは導電性であり、任意特定の核には限定されず、電気力によりインタフェース２６のところ又はその周りに保持される自由に流れる電子の層である。

１対の導電性（即ち、金属）接点２８が、各圧力検出素子２０の各側部又は各端部に設けられていて、インタフェース２６のところで電子ガスに導電結合されている。接点２８を各々電線、リード線等でコントローラ、プロセッサ、コンピュータ、ＣＰＵ等（まとめて、図示していない「プロセッサ」という）に結合してプロセッサが各圧力検出素子２０の前後に電位を加えて電流が各圧力検出素子２０内を流れることができるようにするのがよい。電圧を各圧力検出素子２０に印加すると、電流がインタフェース２６のところに存在する電子ガスによりこの圧力検出素子を横切って流れる。

作用を説明すると、圧力センサ１０を圧力が検出されるべき流体中へ浸漬して検出されるべき流体が圧力センサ１０の頂部側Ａ上に位置するようにする。キャビティ１８内の圧力は、基準圧力（又は真空）を生じさせるよう所定レベルに設定されるのがよく、その手段として、ポート２１を（図示していない手段によって）密封してキャビティ１８内の基準圧力を維持する。変形例として、センサ１０の頂部側Ａと底部側Ｂ上の流体相互間で測定されるべき圧力差が望ましい場合、第１の流体をセンサ１０の頂部側Ａ上に導入し、第２の流体を底部側Ｂ内へ導入し、そしてポート２１を介してキャビティ１８内に導入する。

ダイヤフラム１６前後の圧力差によりダイヤフラム１６は、上方又は下方に撓む。ダイヤフラム１６の撓みにより、圧力検出素子２０に歪が与えられ、この圧力検出素子は、電子ドナー物質２４中の歪を変え、電子ドナー物質２４によって電子ガスに提供される電子の数を調整する。例えば、ダイヤフラム１６を歪検出素子２０が圧縮されるよう第１の方向に動かすと、かかる圧縮により、電子ガスの電子移動度（即ち、有効自由電子の数及び電流を運ぶこれらの能力）が変化する。すると、電子移動度の変化により、電子ガスの伝導率が変化する。これとは対照的にダイヤフラム１６が逆方向に動くと、圧力検出素子２０が引張状態になり、圧縮により生じる仕方とは逆の仕方で電子ガスの導電率が変化する。かくして、印加される歪は、電子ドナー層２４のバンド構造及び電子ガスのシート濃度を変化させ、したがってその導電率／抵抗を変更する。

圧力検出素子２０中の電流の流れの変化は、ダイヤフラム１６の撓みに比例している。かくして１６の撓みは、ダイヤフラム１６が撓んでいないときの所与の電圧又は電位について圧力検出素子２０を通る電流の流れを検出し、ダイヤフラム１６を撓ませたときの所与の電圧についての圧力検出素子２０を通る電流の流れを検出し、２つの測定された電流の流れを比較することにより測定できる。次に、プロセッサは、ダイヤフラム１６の撓みを求め、公式及び（又は）ルックアップテーブル等により測定圧力を計算する。

圧力検出組織２０の長さの端から端までに印加される電位により、電子ドナー物質２４によって提供された電子は、インタフェース２６に沿って長手方向に移動する。この意味で、各圧力検出素子２０は、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）中の電流に類似した電流の流れをもたらす高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）であると考えることができる。圧電物質２２及び電子ドナー物質２４は、圧力検出素子２０中の電流の流れを調整するよう電子の場の中心で印加されるＭＯＳＦＥＴゲート電極に類似している。かくして、圧力検出素子２０は、高電子移動トランジスタとして動作する歪ゲージ（歪計）であり、これを通る電子の流れは、インタフェース２６のところの電子密度の変化によって調整される。

図３及び図３Ａに示すように、圧力検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは好ましくは、ダイヤフラム１６上にホイーストンブリッジ形態に配列されている。入力電圧を入力電圧端子４０相互間に印加し、出力電圧を出力電圧端子４２の前後で測定する。２つの内側検出素子２０ｂ，２０ｃは、ダイヤフラム１６の中央のところ又はその近くに配置され、２つの外側の検出素子２０ａ，２０ｄは、ダイヤフラム１６の外縁部に隣接して設けられるべきである。このようにすると、ダイヤフラム１６の運動時に、２つの外側の検出素子２０ａ，２０ｄは、２つの内側の検出素子２０ｂ，２０ｃの引張力又は圧縮力と逆の引張力又は圧縮力を受ける。

ダイヤフラム１６を撓ませると、２つの内側検出素子２０ｂ，２０ｃの抵抗が増減すると共に２つの外側の検出素子２０ａ，２０ｄの抵抗が内側検出素子２０ｂ，２０ｃの電荷とは逆の仕方で増減する（図３Ａの矢印により一構成例で示されている）。図３及び図３Ａに示すホイーストンブリッジ形態はそれにより、出力電圧端子４２前後の電圧差を増大させ、それによりセンサ１０の感度を高める。特に、図３Ａ及び図３Ｂに示すホイーストンブリッジは、ラッド・ジュニア等に付与された米国特許第５，７７７，８２６号明細書に示されたホイーストンブリッジの形態をしているのがよい。なお、かかる米国特許明細書の記載内容全体を参照によりここに引用する。

図１〜図３に示す直線形状を有するものとは異なり、各検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを、歪センサについて周知のような蛇行形状に形成してもよい。この蛇行形状は、圧力検出素子２０の感度を高める一方で圧力検出素子２０に必要なスペースを最小限に抑える。また、蛇行形状により、圧力検出素子２０の有効長さを容易に調節して（即ち、蛇行形状の或る幾つかのターンをバイパスすることにより）各検出素子２０の比抵抗値をもたらすことができる。かかる蛇行形状及びその機能は、例えばラッド・ジュニアに付与された米国特許第５，７７７，８２６号明細書に記載されている。

圧電物質２２及び電子ドナー物質２４は、比較的頑丈であることが必要であり、即ち、ダイヤフラム１６が圧力検出素子２０に亀裂が生じないように圧力検出素子２０中に相当大きな歪を生じさせる程度まで曲がることができるほど十分頑丈であるべきである。例えば、圧力検出構造１０は、圧電物質２２及び（又は）電子ドナー物質２４に亀裂を生じさせないで、圧力検出素子２０中の少なくとも約１０ｋＰａ又は更に好ましくは少なくとも約１００ｋＰａ、最も好ましくは少なくとも約１００ＭＰａの応力を生じさせる圧力に耐えることができなければならない。圧電物質２２及び電子ドナー物質２４は、通常の動作で亀裂が無いものでなければならない。圧電物質２２及び電子ドナー物質２４（及び全体としての圧力検出素子２０）は好ましくは、応力を受けていない状態では、約３０Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有する。ただし、この抵抗率は所望に応じて様々であってよい。

図１に示すように、基板１２及び圧力検出素子２０の上方露出部分は、パッシベーション層３０、例えば窒化珪素、酸化アルミニウム又はセンサ１０を密封すると共にこれを保護する他の絶縁性誘電体で被覆されている。パッシベーション層３０は、極めて薄く（即ち、厚さが約３０００オングストローム〜約８０００オングストロームである）、したがってダイヤフラム１６の撓み特性にそれほど影響を及ぼさないよう十分に可撓性である。

好ましい実施形態では、圧電物質２２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、電子ドナー物質２４は、Ｎドープ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。しかしながら、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの他に、圧電物質２２と電子ドナー物質２４についての種々の物質の組合せ、例えば、電子ドナー物質２４としてのＡｌＧａＡｓと組み合わされる圧電物質２２としてのＧａＡｓ、電子ドナー物質２４としてのＩｎＧａＡｓと組み合わされる圧電物質２２としてのＩｎＧａＡｓ、電子ドナー物質２４としてのＩｎＡｌＡｓと組み合わされる圧電物質２２としてのＩｎＰを利用できる。しかしながら、以下に説明する種々の性能上の利点により、圧電物質２２及び電子ドナー物質２４についてはＧａＮ／ＡｌＧａＮが好ましい物質である。かくして、説明の目的上、圧電物質２２及び電子ドナー物質２４を本明細書においてはそれぞれ「窒化ガリウム層２２」及び「窒化アルミニウムガリウム層２４」と称する場合があることが注目される。しかしながら、この従来例は、説明を容易にするためにのみ挙げられており、層２２，２４がこれら特定の物質に限定されるものと言明しようとするものではない。

窒化ガリウムは理論上、９００℃を優に超える温度までその圧電特性を保持する。９００℃の温度以上では、窒化ガリウムは、昇華して窒素を失い始め、それにより分解して圧電物質として機能するのを停止する。窒化アルミニウムガリウムは、更に高い温度（約１，１００℃）まで安定性がある。かくして、窒化ガリウムを圧電物質２２として用いると共に窒化アルミニウムガリウムを電子ドナー物質２４として用いることにより、少なくとも約９００℃の比較的高い動作温度を持つ圧力検出素子２０が得られる。

圧力センサ１０の動作範囲における制限要因は、接点２８の材料にある場合がある。圧力センサ１０が全体として高温に耐えることができるようにするために、接点２８は、高い温度で安定性がある材料で作られるべきである。かくして、接点２８は、チタン、ニッケル、白金又は金で作られるのがよく、これらは全て最高約４００℃のまでの温度又は約６００℃という高い温度で安定性がある。しかしながら、接点２８は、良好なオーム接触を確立するのに十分大きな仕事関数を持つ任意の金属又は一連の金属で作られたものであってもよい（即ち、接点２８の電圧／電流の関係は好ましくは、動作条件に応じて正の１０ボルトという高い電圧から負の１０ボルトという低い電圧電圧の範囲、更に好ましくは±２０ボルトの範囲、最も好ましくは±１００ボルトの範囲にわたり直線状であるべきである）。接点２８として用いられる材料についての現状における知識の元では、６００℃を超える温度における接点材料の熱力学的及び化学的相互作用は、センサ１０の使用を６００℃よりも高い温度に制限する場合がある。かくして、圧力検出素子２０及び圧力センサ１０は全体として、少なくとも約４００℃又は６００℃という高い温度に耐えることができなければならない。

図１の圧力センサ１０を製造するため、先ず最初に上側基板部分１２ａを用意する（図４）。上側基板部分１２ａは、種々の材料、例えば基板について上記において列挙した材料で作られたものであるのがよく、かかる材料としては、シリコン（珪素）、窒化アルミニウム、炭化珪素、サファイア又は窒化ガリウム層２２のエピタキシャル析出又は堆積を支えるこれら材料の組合せが挙げられるが、これらには限定されない。上側基板部分１２ａは、様々な厚さのどれであってもよく、好ましくは、約３００ミクロン又はより好ましくは少なくとも約５００ミクロン、或いは最も好ましくは少なくとも約１０００ミクロンの厚さを有するのがよい。

上側基板１２ａは好ましくは、（１１１）シリコンで作られる。（１１１）方位を持つシリコンが好ましい。というのは、かかる（１１１）シリコンは、六方晶格子構造（これは、ウルツ鉱型格子構造とも呼ばれる）を有する窒化ガリウムに合った六方晶格子型又は結晶構造を有し、この六方晶格子又は結晶構造は、窒化ガリウムをこれに付着させてこの上でエピタキシャル成長させるようにする。これとは対照的に、（１００）シリコンは、立方晶を有し、したがって、六方晶構造を持つ窒化ガリウムは、（１００）シリコン上では容易には成長できない。上側基板部分１２ａにはエッチング停止層２３を設けるのがよく、このエッチング停止層２３は、上側基板部分１２ａを上側の層又はデバイス層２５と下側の層２７に分割する。エッチング停止層２３は、二酸化珪素を含む種々の材料を含むのがよく又はこれで作られたものであるのがよい。かくして、上側基板部分１２ａは、半導体を絶縁体上に設けたウェーハであるのがよく、特に、市販のウェーハ製造業者から調達できるシリコンを絶縁体上に設けたウェーハであるのがよい。

変形例として、上側基板部分１２ａは、エッチング停止層２３が設けられていない単一一体又はバルク材料で作られたものであってもよい。さらに変形例として、上側層２５は、下側層２７とは異なる材料で作られたものであってよい。この場合、上側層２５と下側層２７は、別々に形成されるが、直接結合される。例えば、下側層２７を（１００）シリコンで作り、上側層２５を（１１１）シリコンで作るのがよい。上側基板部分１２ａをこのように構成すると、エッチング停止層２３を省くことができる。というのは、２つの互いに異なる種類のシリコン相互間の接合部が、特に異方性エッチングについて有効なエッチング停止部となり得るからである。しかしながら、所望ならば、上側層２５と下側層２７を結合して上側基板部分１２ａに対して埋め込み状態の酸化物層２７を提供する前に、上側層２５又は下側層２７のうち１以上にエッチング停止層、例えば二酸化珪素を設けてもよい。

次に、窒化ガリウム２２を上側基板部分１２ａ上に堆積させることが望ましい。しかしながら、シリコンと窒化珪素との間の互いに異なる熱膨張率及び格子定数（隣り合う原子相互間の距離）の差に起因して、窒化ガリウム２２をケース基板１２上に直接堆積させることは困難な場合がある。かくして、移行層３６をシリコン基板１２と窒化ガリウム２２の層との間に設けて窒化ガリウム２２を基板１２に安定的且つ固定的にくっ付けることができ、それにより堆積法の実施後に窒化ガリウム２２の層に亀裂が生じるのを回避するのがよい。

移行層３６は、窒化ガリウム２２（又は、窒化ガリウム２２に代えて用いられる他の物質）が基板１２にくっ付くことができ、そして比較的低応力状態でこの上にエピタキシャル成長できるようにするほぼ任意の材料であってよい。例えば、窒化ガリウム層２２への亀裂の生成を制限し又は阻止するよう歪解放を可能にするよう厚さにわたって変化する組成を持つ組成が徐々に変化する層であるのがよい。移行層３６は、窒化ガリウム、ガリウム又は窒化ガリウムの合金が窒化ガリウム層２２に向いた（即ち、図１及び図２又は図５において上向きの方向）移行層３６の側面に向かって移行層３６沿いに密度が増大するよう組成的に徐々に変化がつけられたものであるのがよい。移行層３６の残りの部分は、基板１２の材料、基板１２と同一又はほぼ同じ熱膨張率及び格子定数を有する材料又は歪解放を可能にする他の材料で作られたものであるのがよい。かかる移行層３６の使用は、例えばウィークス等に付与された米国特許第６，６１１，００２号明細書、ウィークス・ジュニア等に付与された米国特許第６，６１７，０６０号明細書及びウィークス・ジュニア等に付与された米国特許第６，６４９，２８７号明細書に開示されている。これら３つの米国特許明細書の内容全体を参照によりここに引用する。

所望ならば、上述した組成的に徐々に変化する移行層に代えて又はこれに加えて、炭化珪素の層を基板１２と窒化ガリウム２２との間に設けるのがよい。炭化珪素の層は、エピタキシャルテンプレート（即ち、それ自体の上にエピタキシャル成長を促進する格子構造を持つ材料）として働くと共に窒化ガリウム２２と基板１２との間の格子の不整合を減少させることにより移行層として働く。この炭化珪素層を基板１２に結合するのがよく又は転換層として成長させるのがよい。上述した組成が徐々に変化する層及び炭化珪素に加えて、移行層３６は、窒化物と非晶質フィルムの混合物又は他の種々の適当な材料であってよい。

移行層３６を例えば、有機金属化合物蒸着（有機金属ＣＶＤ）法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、プラズマ促進分子線エピタキシ法（ＰＥＭＢＥ）、気相エピタキシャル成長法、パルスレーザ物理気相成長法又は当業者に知られている任意他の被着法により上側基板部分１２ａに被着させる。次に、圧電物質２２及び電子ドナー物質２４を例えば、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＰＥＭＢＥ、気相エピタキシャル成長法、パルスレーザ物理気相成長法又は当業者に知られている任意他の適当な被着法により移行層３６に被着させる。

次に、移行層３６、圧電物質２２及び電子ドナー物質２４を当業者に知られているパターン付け法のうち任意のものを用いて図５及び図３に示す形状（又は、上述した蛇行形状）に、パターン付けし、かかるパターン付け法としては、ホトリソグラフィや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が挙げられるが、これらには限定されない。変形例として、移行層３６、圧電物質２２及び電子ドナー物質２４を例えばマスクによる被着法により所望の形状に被着させてもよい。

次に、パッシベーション層３０を上側基板部分１２ａ及び電子ドナー物質２４の上面全体にわたって被着させる。パッシベーション層３０の被着後、開口部２９をパッシベーション層３０に形成する（図５）。開口部２９は、圧電物質２２の端部を露出させる。次に、リード線又は接点２８を開口部２９を通って被着させて検出素子２０の端部との電気的接触部を形成する（図６）。

図６に示すように、次に、キャビティ１８を上側基板部分１２ａの下方部分２７に形成する。キャビティ１８を上側基板部分１２ａ内でエッチングし、それによりダイヤフラム１６及びベース部分１４を形成する。キャビティ１８を種々の方法で、例えば湿式エッチング、乾式エッチング（反応性イオンエッチング及び深部反応性イオンエッチングを含む）等で形成することができる。上側基板部分１２ａがエッチング停止層２３を有している場合、上側基板部分１２ａのエッチング停止層２３は、エッチング中、エッチング停止部として働いてダイヤフラム１６の厚さの正確な制御を可能にする。この場合、エッチング停止層２３／上側層２５は、ダイヤフラム１６の厚さを定める。加うるに、エッチング停止層２３は、キャビティ１８の上面を形成する。上側基板部分１２ａがエッチング停止層２３を備えていない場合、タイミングを取ったエッチング法を用いて基板１２をエッチングしてキャビティ１８のエッチング深さを制御し、それによりダイヤフラム１６の厚さを制御する。

キャビティ１８は、窒化ガリウム及び（又は）窒化アルミニウムガリウムの被着後、上側基板部分１２ａに形成することが必要である。特に、キャビティ１８が窒化ガリウム／圧電物質２２及び（又は）窒化アルミニウムガリウム／電子ドナー物質２４の被着に先立って上側基板部分１２ａに形成される場合、被着中、上側基板部分１２ａは、その非一様な断面又は厚さに起因してその上面全体にわたり不均一に厚くなることになる。不均一に厚くなることが原因となって、不均一な被着、厚さ制御の不良及び被着された窒化ガリウム２２及び（又は）窒化アルミニウムガリウム２４の化学量論的制御の不良が生じる場合がある。かかる化学量論的制御の不良が原因となって、窒化ガリウム層２２及び（又は）窒化アルミニウムガリウム２４の亀裂発生及び検出素子２０の電子特性の劣化が生じる場合がある。これとは対照的に、キャビティ１８が窒化ガリウム２２、窒化アルミニウムガリウム２４及び（又は）他の物質の被着中存在していない場合、上側基板部分１２ａは、一様な断面を有し、不均一に厚くなる原因が無くなる。

キャビティ１８を上側基板部分１２ａに形成した後、下側基板部分１２ｂを設ける。（１００）シリコン（例えば、（１１１）シリコンではなく）の下側基板部分１２ｂを作製することが好ましい。というのは（１００）シリコンは、容易に入手でき、安価であり且つ加工が容易だからである。例えば、（１００）シリコンを異方性エッチングし又は反応性イオンエッチングすることができ、これに対し（１１１）シリコンは、反応性イオンエッチングによるエッチングを行なわなければならない。しかしながら、所望ならば、上側基板部分１２ａと下側基板部分１２ｂの両方を（１１１）シリコンで作ってもよい。

次に、上側基板１２ａと下側基板部分１２ｂを従来型ウェーハ結合方法、例えばシリコン直接融着法、酸化物結合法、金属結合法又は当該技術分野において周知の他の結合法を利用して互いに結合する。この時点で、図１に示すセンサ１０の製造が完了しており、センサ１０を上記において概要説明した仕方で利用できる。

図７に示すように、本発明の変形実施形態では、検出素子２０をカンチレバー４４又は他の可動部品上に配置して可動部品の運動を検出してもよい。例えば、図７に示す実施形態では、検出素子２０は、カンチレバー４４のベースのところに設けられ、かかる検出素子は、例えば動的振動測定値を検出するため又は加速度を測定し、或いは他の物理的測定値を取るために使用できる。かくして、本発明の検出素子２０は、種々のセンサ及びアクチュエータに用いられるほぼ任意の可動部品の運動を検出するようほぼ任意の可動部品に使用することができる。

本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、その改造例及び変形例を想到できることは明らかである。

本発明の圧力センサの一実施形態の断面側面図である。 図１の圧力センサの圧力検出素子の詳細図である。 図１の圧力センサの平面図であり、ホイーストンブリッジ形態を示す図である。 図３の圧力センサの略図である。 図１の圧力センサを製造するよう利用できる一連の工程のうちの一つを示す図である。 図１の圧力センサを製造するよう利用できる一連の工程のうちの一つを示す図である。 図１の圧力センサを製造するよう利用できる一連の工程のうちの一つを示す図である。 本発明のセンサの別の実施形態の断面側面図である。

符号の説明

１０ 圧力センサ
１２ 基板
１２ａ 上側部分
１２ｂ 下側部分
１４ ベース部分
１６ 可動部品
１８ キャビティ
２０ａ，２０ヘ，２０ｃ 圧力検出素子
２１ ポート
２２ 圧電物質
２４ 電子ドナー物質
２６ インタフェース
３０ パッシベーション層
Ａ 頂部側
Ｂ 底部側

Claims (38)

1. 圧力センサであって、
   前記圧力センサが前記圧力センサ前後の圧力差にさらされると動くよう構成された可動部品と、
   前記可動部品に設けられた圧力検出素子とを有し、前記圧力検出素子は、導電性電子ガスを有し、前記導電性電子ガスは、前記可動部品の運動時に前記導電性電子ガスの両端間のそれ自体の電気抵抗を変化させ、前記圧力センサは、リード線を前記圧力検出素子に結合して前記圧力検出素子が前記リード線を介して信号を出力できるよう構成され、前記信号は、前記圧力センサがさらされる圧力に関連付けられている、圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサであって、前記電子ガスは、２つの物質のインタフェースのところに形成された二次元電子ガス（two-dimensional electron gas）である、圧力センサ。
3. 請求項２記載の圧力センサであって、前記物質のうち一方は、電子ドナー物質であり、前記物質のうち他方は、圧電物質である、圧力センサ。
4. 請求項３記載の圧力センサであって、前記電子ドナー物質は、ドープ圧電物質である、圧力センサ。
5. 請求項３記載の圧力センサであって、前記電子ドナー物質は、窒化アルミニウムガリウムであり、前記圧電物質は、窒化ガリウムである、圧力センサ。
6. 請求項３記載の圧力センサであって、前記可動部品は、半導体材料、セラミック材料、炭化珪素、サファイア又は窒化珪素で作られている、圧力センサ。
7. 請求項３記載の圧力センサであって、前記圧電物質は、前記可動部品と前記電子ドナー物質との間に設けられている、圧力センサ。
8. 請求項３記載の圧力センサであって、前記電子ドナー物質の厚さは、約５００オングストローム以下である、圧力センサ。
9. 請求項３記載の圧力センサであって、前記電子ドナー物質の厚さは、約０．５ミクロン以下である、圧力センサ。
10. 請求項３記載の圧力センサであって、前記電子ドナー物質の厚さは、約１ミクロン以下である、圧力センサ。
11. 請求項１記載の圧力センサであって、前記可動部品は、ダイヤフラムであり、前記圧力検出素子は、前記ダイヤフラムに設けられ、前記圧力センサは、前記ダイヤフラムの周りに延びてこれに結合された比較的厚いベース部分を更に有し、前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラムが前記ダイヤフラム前後の圧力差にさらされると、前記ベース部分に対して撓むようになっている、圧力センサ。
12. 請求項１１記載の圧力センサであって、前記ベース部分及び前記ダイヤフラムは、同種の一体形材料で作られている、圧力センサ。
13. 請求項１１記載の圧力センサであって、前記ベース部分は、少なくとも一部が前記ダイヤフラムとは異種の材料で作られている、圧力センサ。
14. 請求項１１記載の圧力センサであって、前記ベース部分は、内部エッチング停止層を有する半導体を絶縁体上に設けたウェーハの一部であり、前記内部エッチング停止層は、前記ダイヤフラムの底面に被着されている、圧力センサ。
15. 請求項１記載の圧力センサであって、前記圧力検出素子は、前記可動部品とは異種の材料で作られている、圧力センサ。
16. 請求項１記載の圧力センサであって、１対の電気接点を更に有し、各前記電気接点は、前記圧力検出素子に電気的に結合されると共に前記電子ガスを介して電流を一方の前記電気接点から他方の前記電気接点に流すことができるよう互いに間隔を置いて位置している、圧力センサ。
17. 請求項１６記載の圧力センサであって、各前記電気接点は、プロセッサに作動的に結合されており、前記導電性電子ガスの導電率の変化を前記プロセッサによって検出して前記圧力センサがさらされている流体の圧力又は圧力変化を求めることができるようになっている、圧力センサ。
18. 請求項１記載の圧力センサであって、第１、第２及び第３の補足的圧力検出素子を更に有し、前記圧力検出素子及び前記第１、第２及び第３の補足的圧力検出素子は、ホイーストンブリッジ形態に配列されている、圧力センサ。
19. 請求項１記載の圧力センサであって、前記可動部品の運動により、前記圧力検出素子が圧縮状態又は引張状態になる、圧力センサ。
20. 請求項１記載の圧力センサであって、前記圧力検出素子は、実質的に亀裂の無い全体として連続した構造体である、圧力センサ。
21. 請求項１記載の圧力センサであって、前記圧力検出素子は、応力を受けていない状態において約３０Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有する、圧力センサ。
22. 請求項１記載の圧力センサであって、前記圧力検出素子は、前記圧力センサが前記圧力検出素子に歪を与える圧力にさらされたときでも亀裂を生じないで少なくとも約１００ＭＰａの応力に耐えることができる、圧力センサ。
23. センサであって、
    可動部品と、
    前記可動部品に設けられた検出素子とを有し、前記検出素子は、導電性電子ガスを有し、前記導電性電子ガスは、前記可動部品の運動時に前記導電性電子ガスの両端間のそれ自体の電気抵抗を変化させ、前記センサは、リード線を前記検出素子に結合できると共に前記検出素子が前記リード線を介して信号を出力できるよう構成されており、前記信号は、前記可動部品の運動に関連付けられている、センサ。
24. 圧力センサを製造する方法であって、
    基板を用意する工程と、
    圧力検出素子を前記基板上に形成し又は配置する工程と、
    前記形成又は配置工程後に、前記圧力検出素子の下で前記基板にキャビティをエッチングして前記キャビティ上にダイヤフラムを形成し、前記圧力検出素子が前記ダイヤフラム上に設けられるようにする工程とを有し、前記圧力検出素子は、導電性電子ガスを有し、前記電子ガスは、前記ダイヤフラムの運動時に前記電子ガスの両端間のそれ自体の電気抵抗を変化させる、方法。
25. 請求項２４記載の方法であって、前記電子ガスは、２つの物質のインタフェースのところに形成された二次元電子ガスである、方法。
26. 請求項２５記載の方法であって、前記物質のうち一方は、電子ドナー物質であり、前記物質のうち他方は、圧電物質である、方法。
27. 請求項２６記載の方法であって、前記電子ドナー物質は、ドープ圧電物質である、方法。
28. 請求項２６記載の方法であって、前記電子ドナー物質は、窒化アルミニウムガリウムであり、前記圧電物質は、窒化ガリウムである、方法。
29. 請求項２６記載の方法であって、前記可動部品は、半導体材料、セラミック材料、炭化珪素、サファイア又は窒化珪素で作られている、方法。
30. 請求項２６記載の方法であって、前記圧電物質は、前記可動部品と前記電子ドナー物質との間に設けられている、方法。
31. 請求項２４記載の方法であって、前記基板は、半導体を絶縁体上に設けたウェーハ又は内部エッチング停止層を有する半導体を絶縁体上に設けたウェーハの一部であり、前記エッチング工程は、前記基板を前記内部エッチング停止層により定められた深さまでエッチングする工程を含む、圧力センサ。
32. 請求項２４記載の方法であって、前記圧力検出素子は、前記ダイヤフラムとは異種の材料で作られている、圧力センサ。
33. 請求項２４記載の方法であって、１対の電気接点を被着させる工程を更に有し、各前記電気接点は、前記圧力検出素子に電気的に結合されると共に電流を前記圧力検出素子を介して一方の前記電気接点から他方の前記電気接点に流すことができるよう互いに間隔を置いて位置している、方法。
34. 請求項３３記載の方法であって、各前記電気接点をプロセッサに結合する工程と、前記圧力検出素子に電圧を印加する工程と、前記導電性電子ガスの導電率の変化を前記プロセッサでモニタして前記圧力センサがさらされている流体の圧力又は圧力変化を求める工程とを更に有する、方法。
35. 請求項２４記載の方法であって、前記圧力センサは、リード線を前記圧力検出素子に結合することができると共に前記圧力検出素子が前記リード線を介して信号を出力できるよう構成されており、前記信号は、前記圧力センサがさらされている圧力に関連付けられている、方法。
36. 請求項２４記載の方法であって、前記圧力検出素子は、実質的に亀裂の無い全体として連続した構造体である、方法。
37. 請求項２４記載の方法であって、前記圧力検出素子は、応力を受けていない状態において約３０Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有する、方法。
38. 請求項２４記載の方法であって、前記基板を、前記圧力検出素子に亀裂を生じさせないで少なくとも１００ＭＰａの応力を生じさせる圧力にさらすことができる、方法。

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