JP2014531034A - 変形可能な膜と強い変形に対する保護とを有する微小機械構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、機械的な大きさ又は動的な大きさを測定し或いは検出することを意図する微小機械構造に関し、変形可能な膜（２０）と、支持基板（１０）とを含み、膜（２０）は、第１の部分（２０ａ）と、第１の部分（２０ａ）によって取り囲まれる第２の部分（２０ｂ）とを含み、第２の部分（２０ｂ）は、第１の部分（２０ａ）の厚さ未満の厚さを有し、膜（２０）は、支持基板（１０）より上に懸架され、それによって、自由空間（３０）を定め、微小機械構造は、追加的に、膜（２０）の変形を制限するよう構成される下方当接部（２１）を含み、下方当接部（２１）は、支持基板（１０）より上に配置され、且つ支持基板（１０）から膜（２０）に向かって自由空間（３０）内に延び、下方当接部（２１）は、下方当接部（２１）の平坦な表面から膜（２０）に向かって自由空間（３０）内に延びる小島（１０１−１０８）を含み、小島（１０１−１０８）は、小島と膜の精細な部分（２０ｂ）との間の接触の事態において、小島と膜（２０）の精細な部分（２０ｂ）との間の接触表面が膜（２０）の精細な部分（２０ｂ）の寸法に対して小さいような方法においてレリーフ構造を形成する。

Description

本発明は、機械的な大きさ又は動的な大きさを測定又は検出することを意図する微小機械構造に関する。

本発明は、より具体的には、圧力の絶対測定、相対測定、又は示差測定のための微小機械構造に関する。

圧力のような機械的な大きさ又は動的な大きさを測定するための微小機械構造は、従来的には、変形可能な膜と、支持基板とを含み、膜は支持基板より上に懸架され、自由空間を定める。

これらの懸架される膜の使用は知られている。

（例えば電気容量又は内部応力の変化のような）変形に関連する膜の物理的特性の変更を観察することにおいて、膜によって支持される容量センサ又はひずみ計が（例えば膜の主平面に対して垂直に適用される圧力のような）外部エネルギの寄与に従って膜が受ける変形を測定し得る。

膜に行われるエネルギ又は膜に対して加えられる力の変更を、例えばこのように測定可能であり、従って、特定の媒体における物理的な大きさを監視可能である（これらは動的な種類の大きさ、即ち、加速的な種類又は減速的な種類、及び／又は機械的な種類の大きさである）。

強いエネルギに晒されるそのような膜は脆弱になり得るし、それらの固有の特性は変更され得るし、それらの構造は亀裂し得るし、或いは割れさえし得る。

本発明は、上記不利点の少なくとも１つを克服する。

この目的を達成するために、本発明は、機械的な大きさ又は動的な大きさを測定し或いは検出することを意図する微小機械構造であって、変形可能な膜と、支持基板とを含み、膜は、第１の部分と、第１の部分によって取り囲まれる第２の部分とを含み、第２の部分は、第１の部分の厚さ未満の厚さを有し、膜は支持基板より上に懸架され、それによって、自由空間を定め、微小機械構造は、膜の変形を制限するよう構成される下方当接部も含み、下方当接部は、支持基板より上に配置され、且つ支持基板から膜に向かって自由空間内に延び、下方当接部は、下方当接部の平坦な表面から膜に向かって自由空間内に延びる小島を含み、小島は、小島と膜の精細な部分との間の接触の事態において、小島と膜の精細な部分との間の接触表面が膜の精細な部分の寸法に対して小さいように、レリーフ構造（浮彫り構造）を形成する、微小機械構造を提案する。

本発明は、単独で又は任意の技術的に可能な組み合わせにおいて考慮されるとき、以下の特徴によって有利に完結される。
− 小島は、下方当接部の平坦な表面に対してゼロ度よりも大きい鋭角に従って向けられる傾斜した切子面を含む。
− 小島は、メサの形態である。
− 支持基板は、中心横方向凹部も有する。
− 下方当接部は、錐の形態の中心横方向凹部を含む。
− 微小機械構造は、膜より上に配置される上方当接部も含む。
− 上方当接部は、その中心の周りに分配される凹部を含む。
− 支持基部（支持ベース）及び下方当接部は、互いに異なる２つの材料でそれぞれ形成される。
− 支持基板は、ガラスで作製され、下方当接部及びガラス製の支持基板は、溶接封止によって、中間層を用いた或いは用いない分子又は共有結合を用いて、或いは焼結又は蝋付けによって接続される。
− 支持基部及び下方当接部は、１つの同じ材料で形成される。
− 支持基部（支持ベース）及び当接部は、それぞれ、以下の材料、即ち、合金、ガラス、石英、アルミナ、セラミック、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びサファイアから選択される材料で作製される
− 膜の精細な部分は、２０μｍ〜１００μｍの間の厚さを有する。
− 小島は、１０μｍ〜５０μｍの間の高さと、２０μｍ〜２００μｍの間の最大幅とを有する。

加えて、本発明は、本発明の初期的な特徴に従った微小機械構造を含む圧力差センサを提案する。

本発明は、多くの利点を有する。

下方当接部は、膜を過剰圧力から保護する。

当接部を過剰圧力に対する抵抗のための独立的な素子として設けるという事実は、変形可能な膜への如何なる寸法変化も構造の機械的又は熱的挙動の如何なる変更も伴わずに、全ての既存の微小機械構造に当接部を加える。

このようにして、懸架される膜の構造も幾何学的形状も変更せずに、微小機械構造の抵抗が増大させられる。また、それは膜の上に取り付けられる測定素子の構造も定義も変更せず、膜の露出部分を妨害しない。

また、小島は、膜と当接部との間の空間内に存在する油又は他の（液状又は気体状）流体の熱拡張に起因する応力を最小限化する。これらの小島は、流体の十分な循環も可能にし、圧力差センサとしての使用の場合において構造の充填を向上させる。これは粘性の流体の場合に極めて重要であり、例えば、圧力差センサとしての使用の場合には、構造が前記流体で充填されるや否や、小島は流体内の気泡の出現を回避させ、流体の不十分な循環に起因し得る誤差を減少させる。

従って、微小機械構造は、懸架される膜の修正を必要とせずに、外部応力に対する抵抗を得る。この微小機械構造は、例えば、標準的な膜で機能し得る。

本発明の他の特徴及び利点は、純粋に例示的であり且つ非限定的である以下の記載から現れるであろう。以下の記載は、添付の図面に関して考察されなければならない。

本発明のある実施態様に従った微小機械構造を示す断面図である。 本発明のある実施態様に従った微小機械構造を示す断面図である。 本発明の微小機械構造を示す底面図である。 本発明に従った微小機械構造を含む圧力差センサを示す断面図である。 本発明の微小機械構造の一部を示す詳細図である。 本発明の微小機械構造の下方当接部を示す概略図である。 本発明の微小機械構造の下方当接部を示す概略図である。

全ての図面において、類似の素子は同一の参照番号を有する。

圧力のような機械的な大きさ又は動的な大きさを測定又は検出することを意図する微小機械構造が、変形可能な膜２０と、支持基盤１０とを含む。

図１、２、及び４から明らかなように、膜２０は支持部材１０より上に配置されて自由空間３０を定める。この自由空間３０は、圧力の示差測定のための微小機械構造の場合には、流体によって充填されることが意図される。この場合には、圧力Ｐ１が構造より上から来て、圧力Ｐ２が構造の下から来る（図１、２、及び４を参照）。

膜２０は、圧力測定素子２２，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂを支持することが意図されている。

自由空間３０は、初期基板内にマイクロマシニングによって概ね形成される。そのような自由空間を形成するマイクロマシニングの技法は、例えば、所定温度でのＫＯＨエッチングのような化学的エッチングであり得る。

同様に、膜は２つの別個の部分、即ち、活性素子としての機能を果たす精細な第２の部分２０ｂよりも大きい厚さを有する第１の部分２０ａによって構成される。第２の部分２０ｂは、第１の部分２０ａによって取り囲まれる。第１の部分２０ａは、支持基板１０と接触するのに対し、精細な部分２０ｂは、自由空間３０より上に懸架される。

膜２０の第２の部分２０ｂは、膜２０の第１の部分２０ａの厚さ未満の厚さを有する。

精細な部分２０ｂの厚さは、典型的には、２０〜１００ｍの間の厚さであり、その値は、測定されるべき機械的な大きさ又は動的な大きさの範囲に従って定められる。

このようにして、膜２０、特に、その精細な部分２０ｂは、精細な部分２０ｂに適用される圧力Ｐ１の影響の下で変形し得る。

ガラス、ケイ素石英（シリコン石英）、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）、サファイア、アルミナ、Ｓｉ、ＳｉＣに基づく材料で支持基板１０を作製し得る。

支持基板１０の厚さは、典型的には、５００μｍ〜２０００μｍの間である。

膜２０は、陽極封止によって、中間層を用いる又は用いない分子又は原子結合を用いて、或いは焼結又は蝋付けによって、支持基板１０に接続される。

膜２０は、典型的には、例えば、ＳＯＩ（絶縁体上のシリコン）のような単結晶シリコン、ＰＳＯＩ（絶縁体上の多結晶シリコン）、ＳＯＳ（サファイア上のシリコン）のようなサファイア、或いはＳｉＣＯＩ（絶縁体上のＳｉＣ）又はＳｉＣのような他の材料を含む、基板から形成される。

膜２０は、自由空間３０と反対側の外表面上に堆積させられる、ＳＯＩ又はＰＳＯＩで作製される膜２０の場合におけるＳｉＯ_２層のような電気絶縁層２２を含む。微細構造２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂを形成するために、窒化物、酸化物、金属層、単結晶及び多結晶シリコンのような異なる材料が、この絶縁層２２の上に配置される。微細構造は、ひずみ計を形成し、例えば、圧力を測定するために物理的な大きさを測定するための素子の機能を果たし得る。

接続を保証するために、電気接触ゾーン２５ａ，２５ｂも膜２０の上に配置される。これらの電気接触ゾーン２５ａ，２５ｂは、例えば、アルミニウム、金、プラチナ、チタン、及びタングステンを含む。

構造の上から来る過圧の場合において膜２０を変形から保護するために、微小機械構造は、膜２０の変形を制限する下方当接部２１を含む。下方当接部２１は、支持基板１０より上に配置され、支持基板１０から膜２０に向かって自由空間３０内に延びる。

下方当接部２１は、膜２０の材料と同じ材料を含むか、或いは合金、サファイア、アルミナ、セラミック、石英、又はガラスで作製されるのが好ましい。下方当接部２１は、支持基板１０の材料と同じ材料も含み得る。

下方当接部２１は、概ね台形の形状を有し、大きい基部が基板１０の上に配置され、小さい基部が膜２０の直ぐ下に、具体的には、その精細な部分２０ｂの下に配置され、この小さい基部は、下方当接部２１の平坦な表面を定めている。

下方当接部２１の有効性を強めるために（図５、６ａ、及び６ｂを参照）、下方当接部２１は、下方当接部の小さい基部によって特に定められる平坦な表面に、下方当接部２１の平坦な表面から延びる小島１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８を含み、平坦な表面は、小島の基部に対応する。

小島１０１−１０８は、小島１０１−１０８と膜２０の精細な部分２０ｂとの間の接触の場合に、小島１０１−１０８と膜２０の精細な部分２０ｂとの間の接触が膜２０の精細な部分２０ｂの寸法に対して僅かであるように、レリーフ構造（浮彫り構造）を形成する。

小島１０１−１０８は、下方当接部２１の平坦な表面に対してゼロ度よりも大きい鋭角に従って向けられる傾斜した切子面を含むのが有利である。それらは具体的にはメサの形態である。

結果として得られる小島は、膜２０と下方当接部２１との間の空間内の流体の最適な循環を可能にする。

他の利点は、小島が、下方当接部２１と膜２０との間に配置される空間内で、（微細構造の使用中の、例えば、−５０℃から１８０℃への温度変化の場合における）流体の密度変化に起因する誤差を最小限化することでもある。

小島は、好ましくは１０μｍ〜５０μｍの間の高さと、２０μｍ〜２００μｍの間の基部（ベース）での幅を有する。

また、小島は、膜の精細な部分及び小島が５〜３０μｍの間の距離、好ましくは、１０μｍの距離だけ離間させられるような寸法とされる。

小島は、例えば、下方当接部２１の上面に適用される写真平版技術及びエッチングのステップを含むマイクロマシニングプロセスによって得られる。適用されるエッチングの種類は、小島の形態（ＫＯＨエッチング型のエッチングの湿式異方性エッチングのためのメサ形態、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）型の乾式エッチングのための垂直壁を備えるＴＭＡＨ形態）を定める。

好ましくは、小島を含む下方当接部は、シリコン製の基板から得られ、基板には、エッチングによって小島及び凹部（以下を参照）が形成される。小島の予形成ゾーンは、好ましくはＳｉＯ_２＋Ｓｉ_３Ｎ_４で作製されるマスク、支持基板１０への下方当接部２１の結合後に作製されるＳｉＯ_２＋Ｓｉ_３Ｎ_４の第２のマスクによって保護され、結合は、好ましくは、陽極封止によって行われ、支持基板１０は、ガラスで作製される。

上述のように、下方当接部２１と膜２０との間には距離がある。この距離は膜２０の最大変形距離を表している。このようにして、この距離よりも大きい変形が当接部２１に対して膜２０を支持し、それは過圧に関連付けられる過剰変形を防止する。これは特に構造の上から来る過圧Ｐ１の場合に膜２０が支持する小島に対する。

利点のために、そこから膜の危険性が悪化する閾距離を伴って、この距離の値を（その厚さ及びそれを含む材料に特に依存する）膜２０の変形に対する抵抗のパラメータの関数として選択し得る。

これは計画される用途の関数に応じて下方当接部２１のパラメータを調節することがどのように可能であるかである。

従って、圧力の示差測定のために、支持基板１０は、下方当接部２１の凹部４０’に従って延びる横方向凹部４０を含む。支持基板１０及び下方当接部の凹部４０，４０’は、好ましくは、円形である。

当接部の凹部４０’は、支持基板１０の凹部の直径以下の直径を有し得る。しかしながら、凹部は大きな直径の錐（コーン）のような錐の形態又は支持基板１０の側部の形態にあるのが好ましく、凹部の厚さが下方当接部２１から進行する間に減少する。

凹部４０がないならば、微細構造は圧力の絶対測定を可能にすることが記される。

凹部４０は、支持基板１０を介した圧力のアクセスのための幾何学的形態を有する。凹部４０は、概ね５００μｍ〜１５００μｍの間の直径の単純なシリンダの形態、又は、例えば、二重シリンダのようなより複雑な形態を取り得る。二重シリンダの上方部分の直径は、単純なシリンダの直径未満である。

支持基板１０及び下方当接部２１の凹部４０，４０’は、流体（気体又は液体）の通過を許容し、従って、膜２０の下方部分への圧力Ｐ２の移転を可能にするよう、示差センサ又は相対センサの場合には必要である。

下方当接部２１の支持基板１０内の凹部４０，４０’は、好ましくは、２つのステップ、即ち、第１の事前エッチングステップ、次に、支持基板１０上での下方当接部２１の結合後の最終エッチングにおいて行われる、異方性エッチング（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等）用のアルカリ性溶液を用いたエッチングによって作製され、結合は陽極封止によって行われるのが好ましく、支持基板１０はガラスで作製される。エッチングによって取り残されるべきゾーンは、（１０μｍ〜５０μｍの間の厚さの）厚い樹脂に基づく既知の種類の３Ｄ写真平版技術プロセスによって保護される。

圧力の示差側的のために微細構造の抵抗を向上させるために、微細構造は膜２０より上に配置される上方当接部６０も含む（図２及び４を参照）。

上方当接部６０の機能は、構造の下から過圧（図２及び４中の圧力Ｐ２）が来る事態において膜２０を機械的に保護することである。

上方当接部６０は、その中心に１つ又はそれよりも多くの（典型的には４つの）凹部７０も有し、陽極封止を介して、中間層を備えた又は備えない分子又は共有結合を用いて、或いは焼結又は蝋付けによって、構造の残部に接続される。

流体による充填後の毛管作用及び温度の拡張の影響を減少させるために、並びに圧力Ｐ１のより容易な伝達を行うために、凹部７０が上方当接部６０に穿刺される。機械的ハウジングへの接続を可能にするために、凹部は上方当接部６０の４つの隅に作製される。

実際には、図４に例示するように、上述の構造は、ハウジングＢ内に配置されることが意図され、流体（図４の斜線ゾーン）内に浸漬される。

上方当接部６０は、穿刺されるホウケイ酸ガラスの基板から得られる。

電気接続を可能にし、且つ流体による充填をより容易にするために、上方当接部６０は、上方当接部の４つの隅で並びに金属トラックのレベルで、過剰エッチングゾーンを有する。また、好ましくは、過剰エッチングによって取り残されるゾーンは、厚い樹脂に基づく既知の種類の３Ｄ写真平版プロセスによって保護される。

Claims (15)

1. 機械的な大きさ又は動的な大きさを測定し或いは検出することを意図する微小機械構造であって、
   変形可能な膜と、支持基板とを含み、前記膜は、第１の部分と、該第１の部分によって取り囲まれる第２の部分とを含み、該第２の部分は、前記第１の部分の厚さ未満の厚さを有し、前記膜は、前記支持基板より上に懸架され、それによって、自由空間を定め、
   当該微小機械構造は、前記膜の変形を制限するよう構成される下方当接部も含み、該下方当接部は、前記支持基板より上に配置され、且つ前記支持基板から前記膜に向かって前記自由空間内に延び、
   前記下方当接部は、前記下方当接部の平坦な表面から前記膜に向かって前記自由空間内に延びる小島を含み、該小島は、該小島と前記膜の前記精細な部分との間の接触の事態において、前記小島と前記膜の前記精細な部分との間の接触表面が前記膜の前記精細な部分の寸法に対して小さいように、レリーフ構造を形成する
   微小機械構造。
2. 前記小島は、前記下方当接部の前記平坦な表面に対してゼロ度よりも大きい鋭角に従って向けられる傾斜した切子面を含む、請求項１に記載の微小機械構造。
3. 前記小島は、メサの形態である、請求項１又は２に記載の微小機械構造。
4. 前記膜の前記精細な部分は、２０μｍ〜１００μｍの間の厚さを有する、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
5. 前記小島は、前記膜の前記精細な部分及び前記小島が５〜３０μｍ、好ましくは、１０μｍの距離だけ離間させられる、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
6. 前記小島は、１０μｍ〜５０μｍの間の高さと、２０μｍ〜２００μｍの間の基部での最大幅とを有する、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
7. 前記支持基板は、中心横方向凹部も有する、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
8. 前記下方当接部は、錐の形態の中心横方向凹部を含む、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
9. 前記膜より上に配置される上方当接部も含む、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
10. 前記上方当接部は、その中心の周りに分配される凹部を含む、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
11. 前記支持基部及び前記下方当接部は、異なる材料で形成される、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
12. 前記支持基板は、ガラスで作製され、前記当接部及びガラス製の前記支持基板は、溶接封止によって、中間層を備えた又は備えない分子又は共有結合を用いて、或いは焼結又は蝋付けによって接続される、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
13. 前記支持基部及び前記下方当接部は、１つの同じ材料で形成される、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
14. 前記支持基部及び当接部は、各々、以下の材料、即ち、ガラス、石英、アルミナ、セラミック、合金、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びサファイアから選択される材料で作製される、請求項１乃至１３のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造。
15. 請求項１乃至１４のうちのいずれか１項に記載の微小機械構造を含む、示差圧力センサ。

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