JP2019519763A - 微細加工バルク弾性波共振器圧力センサ - Google Patents

Abstract

圧力センサは、略平面構造及び中立軸を有する圧電基板と、該圧電基板を該圧電基板の平面構造の周囲で固定するアンカー位置とを備える。圧電基板の平面構造は、アンカー位置に隣接する第１特性厚さを有する第１領域と、基板の中間領域にある第２特性厚さを有する第２領域とを有する。第２特性厚さは、第２領域の平面構造が平面構造の中立軸に対して変位するように、第１特性厚さよりも薄く、それにより、曲げを受けている間に、第２領域は、主として圧縮応力又は主として引張応力を有する。

Description

本発明は、一般に、流体（すなわち、気体又は液体）の圧力を測定するための圧力センサに関し、特に、石英共振器を使用する圧力センサに関する。

圧力センサを使用して流体の圧力を測定することができる。例えば、従来の圧力センサのいくつかは、市販のバルク石英共振器を使用して製造されている。石英は、固有損失の低い非常に安定な弾性特性を有する圧電結晶である。これらの特性のため、石英は、電子機器のタイミングやクロッキングなどの高精度周波数制御用途に広く利用されている。

非常に正確な発振周波数を有するにもかかわらず、石英の共振周波数は、外力、曲げ、圧縮、質量負荷及び加速などの様々な環境外乱にも非常に影響を受けやすい。共振周波数の元の値ｆ_０からの分数偏差は、Δｆ／ｆ_０で与えられる。円形厚み−せん断モード（ＴＳＭ）石英振動子の周囲で半径方向に力が加えられると、石英振動子センサにおいて一方の周波数シフト機構が生じる。石英センサは、加えられた力の振幅に比例する周波数シフトを生成する。この現象は、力−周波数効果として定義される。

特に、石英は、面内半径方向の力だけでなく、横方向の力及び湾曲曲げに対しても影響を受けやすい。したがって、圧力センサとして石英を利用するために、横方向の力がいくつかの手段によって誘起される場合がある。しかしながら、石英共振器を使用する現在の圧力センサは、典型的には約１気圧以上の圧力レベルでの非常に高い圧力の測定にしか適していない。また、現在の石英圧力センサは、広い圧力範囲にわたって圧力を効果的に測定することもできない。

概要
本明細書に記載される実施形態は、広い圧力範囲（例えば、１気圧〜１０^-6ｔｏｒｒまで）にわたって高い圧力測定感度を与えることができる圧電共振器ベースの真空圧力センサを製造するために微細加工及び微細作製方法を使用する圧力センサに関する。共振器電極を特別に配置することで、センサは、高感度を達成し、かつ、バックグラウンドと周囲ノイズの補償及びノイズ低減を与えることによりコモンモード信号を効果的に補償して信号対雑音比を改善することができる。共振器の両端に差圧を加えた結果として真空圧力を正確に検出するために、微細加工ＡＴカット石英薄板共振器の曲げ感度が使用される。差圧によってセンサ内に生成された横方向負荷により、センサの平面外曲げが生じ、それによって共振器の周波数シフトが生じる。

本発明の圧力センサの実施形態は、略平面構造及び中立軸を有する圧電基板と、該圧電基板を共振させかつ該圧電基板の周波数を感知するための、該平面構造上にある上部電極及び該平面構造上にある下部電極とを備える。また、該センサは、圧電基板を該圧電基板の平面構造の周囲で固定具に固定するアンカー位置も有する。圧電基板の平面構造は、アンカー位置に隣接する第１特性厚さを有する第１領域と、基板の中間領域にある第２特性厚さを有する第２領域とを有する。第２特性厚さは、第２領域の平面構造が平面構造の中立軸に対して変位するように、第１特性厚さよりも薄い。これにより、曲げを受けている間に、第２領域は、主として圧縮応力又は主として引張応力を有することが確保される。

他の実施形態では、センサは、微細加工（マイクロマシニング）技術を使用して製造される。実施形態では、基板はＡＴカット石英基板である。実施形態では、上部電極及び下部電極の両方は金製である。実施形態では、基板は、シリコーンゴムセメントを使用して固定具に固定される。実施形態では、第２領域はドライエッチングプロセスによって形成される。実施形態では、第２領域の直径は１ｃｍ以下であり、第２領域の特性厚さは約１００μｍ未満である。実施形態では、検出される周波数は１００ＭＨｚ以上である。実施形態では、センサはＭＥＭＳデバイスである。

本発明の圧力センサのさらなる実施形態は、ダイアフラムを備えるバルク弾性波共振器圧力センサを含む。実施形態では、ダイアフラムは、第１表面と、該第１表面に対向する第２表面とを有する基板を備える。第１表面の一部は予め選択された深さまでエッチングされる。実施形態では、センサは、第１表面上に堆積されパターン化された第１電極と、第２表面上に堆積されパターン化された第２電極とを備える。実施形態では、第１電極及び第２電極は、圧力センサの共振時インピーダンス特性の変化を測定するように構成される。

さらに別の実施形態では、基板はＡＴカット石英基板である。実施形態では、基板のエッチングされていない部分の厚さは約１００μｍである。実施形態では、予め選択されたエッチング深さは、約６３μｍ又は約８０μｍである。実施形態では、第１電極及び第２電極は金を含み、フォトリソグラフィプロセスを使用して堆積されパターン化される。実施形態では、センサは、マイクロマシニング技術を使用して製造される。実施形態では、第１表面及び第２表面に加えられる圧力は、ダイアフラムの撓み及び応力を生じさせ、該撓み及び応力は、ダイアフラムの厚さを通して非対称である。実施形態では、ダイアフラムは、第２表面に加えられる正味圧力については主として引張性であり、第１表面に加えられる正味圧力については主として圧縮性である。実施形態では、センサはＭＥＭＳデバイスである。

これら及び他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を読み、かつ、関連する図面を検討すれば明らかになるであろう。上記一般的な説明及び下記の詳細な説明は単なる例示であり、特許請求される態様を限定するものではないものとする。

本発明は、以下の図面と併せて詳細な説明を参照することにより、より完全に理解されるであろう。

図１は、例示実施形態に係る圧力センサの例示製造方法の概略図である。 図２は、圧力センサを試験するための実験装置の概略図である。 図３Ａは、例示実施形態に係る石英圧力センサの概略図である。 図３Ｂは、図３Ａの石英圧力センサの断面図である。 図４は、例示実施形態に係る石英圧力センサの概略図である。 図５は、例示実施形態に係るセンサのダイアフラムの厚さに応じた石英センサの感度及び撓みのグラフである。 図６は、例示実施形態に係るセンサのダイアフラムの直径に応じた石英センサの撓みのグラフである。 図７Ａ〜図７Ｃは、例示実施形態に従って、均一に厚いダイアフラムが非エッチング石英センサの下面及び上面の圧力によって撓むことを示す。 図８Ａ〜図８Ｃは、例示実施形態に従って、不均一に厚いダイアフラムが下面及び上面の圧力によって撓むことを示す。 図９は、例示実施形態に係る石英センサの双方向効果を示すシミュレーション及び実験結果の概略図である。 図１０は、本明細書に記載の実施形態の原理を示すいくつかの石英センサのサセプタンス変化のグラフである。

詳細な説明
以下の説明では、説明する構成要素、工程、特徴、目的、利益及び利点は単なる例示に過ぎない。これらのいずれも、またこれらに関する議論においても、保護の範囲を限定する意図はない。他の多数の実施形態も考えられる。これらの実施形態には、さらに少ない、追加の及び／又は異なる構成要素、工程、特徴、目的、利益及び利点を有する実施形態が含まれる。また、これらの実施形態には、構成要素及び／又は工程が様々に配置及び／又は順序付けされる実施形態も含まれる。特に断りのない限り、本明細書に記載されている全ての測定値、値、定格、位置、大きさその他の仕様は、以下の特許請求の範囲を含めて概算であり正確ではない。これらは、関連する機能及び関連する技術分野において一般的なものと一致する合理的な範囲を有するものとする。

図１を参照すると、例示実施形態に係る圧力センサ１００を製造するために使用される工程が示されている。センサ１００は、共通基板上に一連の層を堆積、パターニング、エッチング、ウェハボンディング及び／又はウェハ薄化することを含むことができるマイクロマシニング技術によって製造された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである。他の実施形態では、別の方法及び工程の組み合わせを使用することができる。１００μｍ厚のＡＴカット石英基板１５０を用いてセンサ製造を開始する（工程Ｓ１０４）。基板１５０を、直径１ｍｍの膜１５８を有するニッケルハードマスク１５４を用いてパターン化し（工程Ｓ１０８）、ＳＦ_６及びＮＦ_３プラズマを使用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスにより深さ約６３μｍ（４５ＭＨｚの共振器の場合）及び約８０μｍ（８２ＭＨｚの共振器の場合）にエッチングする（工程Ｓ１１２）。次いで、塩酸と硝酸との混合物である王水を使用してニッケルマスク１５４を剥離する（工程Ｓ１１６）。フォトリソグラフィプロセスを使用して、底部金電極１６２を堆積させ、パターン化する（工程Ｓ１２０）。フォトリソグラフィプロセスを使用して、上部金電極１６６を堆積させ、パターン化する（工程Ｓ１２４）。次いで、センサ１００を、底部に穴が切られた改変セラミックパッケージ（図示せず）にパッケージングする。センサ１００を、ＲＴＶシリコーンを使用してパッケージに取り付けて、ダイアフラムの２つの面間に気密封止を生じさせてパッケージング応力を最小限に抑える。固定具を使用して、セラミックの両面にＯリングを用いて圧縮シール（図示せず）を形成する。その後、パッケージの両側を、別個の圧力リザーバ（図示せず）に接続する。

図２を参照すると、センサ１００を試験するために、ターボ分子ポンプ１１０がセンサ１００（ＤＵＴ−被試験デバイスとして示される）の２つの側に接続され、このターボ分子ポンプ１１０を使用して圧力を≦０．０８ｍＴｏｒｒの基準圧力まで低下させる。センサ１００の２つの側は、基準圧力に達した後に隔離弁１１２を閉じることによって隔離される。センサ１００の一方の側を高真空ポンプして基準圧力を維持する。次に、制御された量の高圧窒素ガス１１４を、ニードル弁１１６を使用して共振器ダイアフラム１１８の他方の側に面するセンサ１００に導入する。較正された静電容量型ダイアフラムゲージ（ＣＤＧ）１２０及び１００μＴｏｒｒ未満の圧力のための電離ゲージ１２２を使用して試験圧力を連続的に監視する。石英共振周波数及び共鳴時サセプタンス特性を、インピーダンスアナライザ１２４を使用して監視する。

図３Ａは、本発明の別の例示実施形態に係る石英センサ３００の平面（上面）図である。図２に示すように、図３Ａに示すように、センサ３００は、アンカー領域３０４で周囲の固定具に固定される。一実施形態では、センサ３００は、シリコーンゴムセメントを使用してその外周にセンサ３００を接合することによって固定される。次に、ドライエッチング（又は他の）プロセスを使用して、センサ３００を中間領域３０６内において所望の厚さ（ｔ）（図３Ｂ）及び直径（Ｄ）にまで薄化する。

図３Ｂは、図３Ａのセンサ３００の断面図である。図３Ｂに示すように、センサ３００は、上部電極３６６と下部電極３６２とを有するダイアフラム３１８を有する。ドライエッチングプロセスの結果として、センサ３００は、異なる圧力を有する２つの領域（図３Ｂに関してセンサ３００の上部及び下部）を分離するダイアフラム３１８の薄化領域３１２も有する。薄化領域３１２の一方の面３２４は、ダイアフラム３１８の全厚み領域３１６の面３２８と同一平面上にある。センサ３００の双方向挙動は、薄化領域３１２と全厚み領域３１６との寸法関係と、全厚み領域３１６の３２０の境界での境界条件との組み合わせのため生じる。

さらに図３Ｂを参照すると、ダイアフラム３１８は、薄化領域３１２の方が全厚み領域３１６よりも薄く、それによって、薄化領域３１２の平面構造が平面構造の中立軸３６０に対して変位する。実施形態では、曲げを受けている間に、薄化領域３１２の平面構造は、主として圧縮応力又は主として引張応力を有する（図８にも示される）。別の実施形態では、薄化領域３１２の平面構造は、曲げを受ける間に対称レベルの圧縮応力及び引張応力を同時に受けないように、平面構造の中立軸３６０に対して変位する。このような実施形態では、センサ３００は、依然として本明細書に記載された所望の双方向性の挙動を示す。しかし、この効果は、他の構成方法で得ることができる場合がある。例えば、さらに厚い外周基板又は支持体に接合される均一に厚いダイアフラム３１８は、このアセンブリが同等の機械的構成（曲げ剛性、応力状態、及び中立軸形状を含む）を生じさせる限りにおいて、上記効果を示すと考えられる。ダイアフラム３１８が受ける正味の曲げモーメントは、ダイアフラムにわたる圧力差のため、共振周波数のシフトを誘発し、これば、電極３６２、３６６を使用して測定されたときのセンサ３００（図４参照）の共振時インピーダンス特性の変化によって感度良く監視できる。したがって、センサ３００は、有利には、パワー・周波数の効果を利用して、高い分解能で大きな動作圧力範囲にわたる。

図４は、ダイアフラム４０４にわたる圧力差のないセンサ４００ａと、ダイアフラム４０４にわたる圧力差があるセンサ４００ｂの概略図である。圧電材料のダイアフラムが圧力センサとして有効に使用されるためには、センサが良好な共振器構造、圧力撓みが十分なダイアフラム、必要な感度を達成するのに十分な撓みと周波数との結合利得を有することが必要である。石英振動子を共振させるための設計要件により、所望の石英振動子の寸法及びアスペクト比がかなり制限される。さらに、高い電気的読み出し分解能を得るためには、共振周波数範囲を適切に高くする必要がある。さらに、非常に低い圧力（すなわち、高真空）を測定するためには、Δｆ利得に対する圧力撓みは極めて高くなければならない。

特に、本発明のセンサの製造の際にマイクロマシニング技術を使用することで、センサは良好な共振器特性を示すだけでなく、高真空領域で測定可能な周波数分解能を達成することが可能になる。マイクロマシニングを使用することなしに、高真空状態で分解能を有するセンサを達成することはできない。マイクロマシニングなしに製造されたセンサでは、共振ダイアフラム直径（Ｄ）は、約１〜１０センチメートルの範囲に制限される。ダイアフラムの厚さ（ｔ）は、分数ミリメートル以上の範囲に制限される。これらの寸法上の制約は、共振器を１０ＭＨｚ程度の周波数に制限するが、これは高真空使用のために十分な分解能を得ることを可能にしないと考えられる。１０ＭＨｚの共振器は、感度が低く、ノイズが大きいため、高真空状態で圧力を分解するための所望の分解能を与えない。周波数が高くなると共振器の分解能が上がる。測定中に信号の周波数を分解するためには、有限のサイクル数が必要である。したがって、より高い周波数で動作する共振器は、所望のサイクル数をより迅速に達成することになる。マイクロマシニング技術を使用することにより、センサの直径を約１センチメートル以下となるように製造することができ、厚さをミクロン以下の範囲に縮小することができる。これらのタイプの寸法は、センサの共振周波数が１００ＭＨｚ以上の範囲にあることを可能にする。この周波数範囲は、共振周波数測定の望ましい信号対雑音比を与える。さらに重要なことに、これらの寸法は圧力偏向利得の増加をもたらすところ、これは５００〜１０００倍の感度の増加と同等である。この改善により、マイクロトル範囲内で非常に低い圧力を分解するために必要な感度が得られる。

図５及び図６は、感度が向上し、それによってマイクロトル範囲での動作が可能になる、マイクロマシニングによって達成できる設計空間を示す。図５は、センサのダイアフラムの厚さに応じたセンサの感度（左軸）及び撓み（右軸）の図である。センサの感度は、約２０μｍ未満の厚さではより迅速に増加する。感度はサセプティビリティ（μＳ）／圧力（ｍＴｏｒｒ）に等しい。図５では、サセプティビリティの変化は出力信号であり、共振器の共振周波数の変化に等しい。図６は、センサのダイアフラムの直径に応じたセンサの撓みの図である。

上記のように、本発明のセンサの厚さにわたって圧力差を加えることにより、ダイアフラムの応力状態に非対称的な影響を与えるエッジ境界が生成される。図７Ａは、均一に厚いダイアフラム７１８が、エッチングされていないセンサ７００の下面及び上面の圧力によって撓むことを示す。これにより、応力の対称性、すなわちセンサ７００の共振周波数のシフトが生じる。破線は、センサ７００の全体構造の中立面７０４を表す。黒色領域は引張応力を示し、薄灰色領域は圧縮応力を示す（例えば、図７Ｂにおけるセンサ７００の上部の黒色領域及び図７Ｂにおける下部の薄灰色領域）。図７Ａ〜図７Ｃに関して、中立面７０４は、全厚み領域７１６の中心線に位置する。これにより、下からの正味圧力に関する図７Ｂ及び上からの正味圧力に関する図７Ｃに示すようなダイアフラム７１８の厚みを介した圧縮応力から引張応力への対称的な遷移が生じる。この場合、正味の周波数シフトはいずれの圧力方向においても同じである（大きさ及び符号）。

図８Ａは、不均一に厚いダイアフラム８１８（例えば、図３Ａのセンサ３００）が、下面及び上面の圧力によって撓むことを示す。破線は、センサ８００の全体構造の中立面８０４を表す。撓みと応力は、センサの厚みを通して対称ではない。図８Ａの実施形態では、ダイアフラム８１８の可撓性の薄い部分８１２は、全体的な中立面８０４から離間して配置されている。結果として、ダイアフラム８１８は、図８Ｂに示されるように、下からの正味圧力に対して主として引張性であり、図８Ｃに示されるように、上からの正味圧力に対して主として圧縮性である。この応力非対称性は、主として圧縮応力状態から主として引張応力状態までの間の遷移を生じさせる。これにより、双方向出力を生成する石英振動子の周波数シフトが生じる。さらに、全厚み層８１６の機械的境界条件（「アンカー」と示された位置での）は、薄いダイアフラム領域８１２の中心線と比較して、全体的な中立軸８０４の正味位置に影響を及ぼす。最大の効果の大きさを得るためには、これらの境界条件は、全体の中立軸８０４と薄いダイアフラム領域８１２の中心線との間の距離を強調するように適切に設計される必要がある。双方向出力は、上記センサ８００の非対称構成の関数である。特に、図８に示すように、ダイアフラム８１８の薄化部分８１２は、センサ８００の全体構造の中立軸８０４と比較して薄くなければならない。

図９は、８２．４ＭＨｚの共振器を表す、例示実施形態に係るセンサ９００の双方向効果を示すシミュレーション結果を提供するものである。下向きの圧力（図９の下向きの矢印によって表される）は、応力大きさ画像９０８に示されるように、ダイアフラム９１８において平均引張応力を誘発する。この応力状態は、サセプティビリティ対圧力図９１２の「エッチング側加圧」部分に示されるように、周波数（及び磁化率）を低下させる。同様に、上向きの圧力は、応力大きさ画像９０４に示されるように、ダイアフラム９１８に平均圧縮応力を誘起する。この応力状態は、サセプティビリティ対圧力図の「エッチング側ポンプ」部分に示されるように、周波数（及びサセプティビリティ）を増加させる。サセプティビリティ対圧力図９１２は、正味上方（９０４）から正味下方（９０８）への圧力遷移として、双方向効果を明確に示す。

図１０は、図３Ａ及び図３Ｂのセンサ３００に関して上記した構造を有するいくつかの石英センサについての共振時サセプタンス変化の図である。プロットのＸ軸は、センサ３００のダイアフラム３１８にわたってｍＴｏｒｒ単位で加えられる圧力差である。Ｙ軸は、ｍＳ単位で表される、共振時サセプタンスの測定された変化である。共振器ダイアフラム３１８の双方向検出能力は、圧力の大きさと符号の両方の関数として共振器の共振時のサセプティビリティ変化の符号によって示される。この挙動は、応力方向の逆転に起因すると考えられる。図１０は、２つのセンサ３００の動作範囲を示す。

上記詳細な説明は特定の実施形態を含むが、当業者であれば、特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の様々な変更を行うことができることが分かるはずである。

Claims (22)

1. 圧力センサであって、
   略平面構造及び中立軸を有する圧電基板と、前記圧電基板を共振させかつ該圧電基板の周波数を感知するための、前記平面構造上にある上部電極及び前記平面構造上にある下部電極と；
   前記圧電基板を前記圧電基板の前記平面構造の周囲で固定具に固定するアンカー位置と
   を備え、
   前記圧電基板の前記平面構造は、前記アンカー位置に隣接する第１特性厚さを有する第１領域と、前記圧電基板の中間領域にある第２特性厚さを有する第２領域とを有し
   前記第２特性厚さは、前記第２領域の前記平面構造が平面構造の中立軸に対して変位するように前記第１特性厚さよりも薄く、それによって、前記第２領域は、曲げを受けている間に、主として圧縮応力又は主として引張応力のいずれかを有する、圧力センサ。
2. 前記センサがマイクロマシニング技術を使用して製造されている、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記圧電基板がＡＴカット石英基板である、請求項１に記載のセンサ。
4. 前記上部電極が金を含む、請求項１に記載のセンサ。
5. 前記下部電極が金を含む、請求項１に記載のセンサ。
6. 前記圧電基板がシリコーンゴムセメントを使用して前記固定具に固定される、請求項１に記載のセンサ。
7. 前記第２領域がドライエッチングプロセスによって形成される、請求項１に記載のセンサ。
8. 前記第２領域の直径が１ｃｍ以下である、請求項１に記載のセンサ。
9. 前記第２領域の前記特性厚さが約１００μｍ未満である、請求項１に記載のセンサ。
10. 検出される周波数が１００ＭＨｚ以上である、請求項１に記載のセンサ。
11. 前記センサがＭＥＭＳデバイスである、請求項１に記載のセンサ。
12. ダイアフラムを備えるバルク弾性波共振器圧力センサであって、前記ダイアフラムは、
    一部が予め選択された深さまでエッチングされた第１表面と、前記第１表面に対向する第２表面とを有する基板と；
    前記第１表面上に堆積されパターン化された第１電極と；
    前記第２表面上に堆積されパターン化された第２電極と
    を備え、
    前記第１電極及び前記第２電極は、前記圧力センサの共振時インピーダンス特性の変化を測定するように構成される、バルク弾性波共振器圧力センサ。
13. 前記基板がＡＴカット石英基板である、請求項１２に記載のセンサ。
14. 前記基板のエッチングされていない部分の厚さが約１００μｍである、請求項１２に記載のセンサ。
15. 前記予め選択されたエッチング深さが約６３μｍである、請求項１２に記載のセンサ。
16. 前記予め選択されたエッチング深さが約８０μｍである、請求項１２に記載のセンサ。
17. 前記第１電極及び前記第２電極が金を含む、請求項１２に記載のセンサ。
18. 前記第１電極及び前記第２電極がフォトリソグラフィプロセスを使用して堆積されパターン化された、請求項１２に記載のセンサ。
19. 前記センサがマイクロマシニング技術を使用して製造された、請求項１２に記載のセンサ。
20. 前記第１表面及び前記第２表面に加えられる圧力が前記ダイアフラムの撓み及び応力を生じさせ、前記撓み及び前記応力が前記ダイアフラムの厚さを通して非対称である、請求項１２に記載のセンサ。
21. 前記ダイアフラムは、前記第２表面に加えられる正味圧力については主として引張性であり、前記第１表面に加えられる正味圧力については主として圧縮性である、請求項１２に記載のセンサ。
22. 前記センサがＭＥＭＳデバイスである、請求項１２に記載のセンサ。

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