JP2021018239A - 圧力変動を測定するｍｅｍｓ及びｎｅｍｓデバイスのための機械的接続並びにかかる機械的接続を含むデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧力変動を測定する機械的接続を含むＭＥＭＳデバイスを提供する。【解決手段】デバイスは主平面内に延びる固定コンポーネント２と、圧力変動の影響を受けて面外方向に移動又は変形することのできるダイアフラム４と、少なくとも１つの移動要素を含む前記移動又は前記変形を検出する検出手段６とを含み、機械的接続は、レバーアーム１０と、ダイアフラム４の面外移動をレバーアーム１０の第一の端１０．１に伝達しながら、回転方向Ｙの周囲でのレバーアーム１０の面外回転を可能にする第一の接続３と、レバーアーム１０の第二の端１０．２に接続され、主として、回転方向に延びる回転軸の周囲でのレバーアーム１０の面外回転を可能にする第二の接続５と、前記回転軸の周囲でのレバーアーム１０の回転を、前記少なくとも１つの移動要素の平面内の並進方向への並進に変換するように設計される第三の接続７とを含む。【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、マイクロフォンの分野、より一般的には「ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）（微小電気機械システム）」及び／又は「ＮＥＭＳ（ＮａｎｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）（ナノ電気機械システム）」技術を使用し、圧力変動を測定するデバイスの分野に属する。これら２つの技術を利用するデバイスを、本明細書全体で「ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイス」と呼ぶ。

より具体的には、本発明は、基板等の固定コンポーネントに関するダイアフラム又はピストン等の可動コンポーネントの運動（移動又は変形）の検出を利用して圧力変動を測定するＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスのための機械的接続に関し、前記運動は、その測定を可能にする運動検出器、特に容量検出器に伝送される。

圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスはマイクロフォン、絶対圧センサ、又は差圧センサであってよい。

ＭＥＭＳ及び／又はＮＥＭＳマイクロフォン市場は、特にタブレット、スマートフォン型移動電話、及びその他の接続物体等の移動機器市場の恩恵により、拡張の一途をたどっている。

マイクロフォンは圧力の変動を測定し、したがってその少なくとも一部が外部と接触する。

現在製造されているＭＥＭＳマイクロフォンのほとんどは容量検出マイクロフォンであり、その例示的な実施形態が米国特許出願公開第２００５０１７９１００号明細書の文献に記載されている。

１つの既知の容量検出マイクロフォンは、外部を、バックボリュームと呼ばれ、圧力基準としての役割を果たす少なくとも１つの部分的に閉鎖されたチャンバから分離する柔軟ダイアフラムを含む。ダイアフラムは、その両面の圧力差の影響を受けて変形する。ダイアフラムは１つの電極を形成する。固定された剛体バックプレート電極が、ダイアフラムに対向するように位置付けられる。ダイアフラムとバックプレート電極はキャパシタを形成し、その容量はその両面の圧力差の影響によるダイアフラムの変形に応じて変化する。ダイアフラムの穴は通気孔と呼ばれ、これが外部とマイクロフォンのバックボリュームとの間の圧力を平衡化できる。これにより特に、測定対象の音よりはるかに大きい低周波数現象（例えば、高度、低気圧等による）をフィルタ処理することができ、その際、数十又は数百ヘルツを超える信号を減衰させない。バックプレート電極もまた、穿孔して通気させることができ、それによって圧力はダイアフラム表面で確立された状態となることができる。

この構造は、特定の数の利点を提供するものの、特にバックプレート電極の存在による欠点も確かにある。具体的には、この電極は音響経路内にある。穴は開いているが、これは音響抵抗を生じさせ、すなわち、空気の通過に対する、したがって圧力の発生に対する抵抗を生じさせる。それゆえ、穴が小さすぎ、及び／又は間隔が広すぎると、音響抵抗の結果としてノイズが生じ（バックプレート電極により誘発される）、これは何れの変換前の信号の品質も損なう。この抵抗を制限するために、穴の密度と大きさが増大され得るが、これは相互に対向する領域が小さくなるという直接的な結果を招き、それが容量検出を比例的に低下させる。それゆえ、電気信号はより弱くなり、また、電気的ノイズ（特に、信号処理により誘発されるもの）もあまりよくマスキングできない。何れにせよ、これは検出閾値の低下につながる。ダイアフラムの大きさが一定であるとすると、検出閾値の全体的な低下を最小化できるような設計を見出す必要がある。

バックプレート電極は性能損失の主な要因であるため、１つの解決策はその影響を削減し、さらにはそれを除去することである。

特にバックプレート電極に起因する欠点を排除することのできる圧電検出ＭＥＭＳマイクロフォンがある。例えば、ダイアフラムは圧電材料を含む。それが変形すると、圧電材料の表面に電荷が発生し、これらがこの材料を取り囲む電極により捕集される。電気信号、すなわち発生した電荷の数はダイアフラムの変形を表す。しかしながら、圧電検出の場合、電荷の数は材料内の機械的応力によって決まり、分極電圧又は他の何れの外的アーチファクトによっても増大させることができない。より多くの電荷を得ようとする場合、より多くのエネルギーを集めて圧電材料により大きい応力を与えるために、ダイアフラムのサイズを大きくする必要がある。

ここで、容量検出のように、ダイアフラムの表面積を拡張しないようにすることが望ましい。それは、このことに構造の嵩、したがってそのコストを増大させる効果がある点のほかに、表面積のより大きいダイアフラムは変形時により多くの空気を変位させるからである。この変位される空気の体積は、バックキャビティ内の圧力変動を生じさせ、そのため、ダイアフラム上でこの運動に対抗する力が必要となる。この力は、ダイアフラムの表面積の二乗とバックボリュームの比に比例する。この力は、追加的なばねのようにダイアフラムに作用し、このばねは移動に対抗する。したがって、ダイアフラムの同等の移動を保持される場合に、ダイアフラムの表面積を増大させるなら、それに伴ってバックボリュームの、したがってハウジングの大きさも増大させる必要がある。

したがって、圧電検出マイクロフォンでは、容量検出と比較して限定的な改善しか得られない。

他の解決策は、音響経路からバックプレート電極を取り除くことを含む。それゆえ、第一の解決策は、機械的変換（ダイアフラム）を電気的変換（電極）から、後者をずらすことによって分離することであり、するとバックプレート電極が音響経路から外れる。第一の解決策を補完し得る第二の解決策は、仏国特許第３０５９６５９号明細書に記載されているＭＥＭＳ−ＮＥＭＳマイクロフォンのように電気的変換を真空下で行うことからなる。電気的変換が真空下で行われるため、音響ノイズは一切生じなくなる。

この第二の解決策は、図１Ａ（上から見た図）、１Ｂ（下から見た図）に示され、変形型が図２に示されている。

図のデバイスは、ハウジング２と、その圧力変動が測定されることになる外的環境（一般に空気）と接触する測定ダイアフラム４と、外的環境から隔離され（、真空下に置くことのでき）る測定チャンバ６と、外的環境と測定チャンバ６との間の機械的伝達要素２０（後述のように、図１Ａ及び１Ｂにおける要素２０．１，２０．２、及び２０．３により形成される）と、を含む。測定ダイアフラム４は、例えば１μｍのオーダの薄層（ＮＥＭＳ）で製作される。ハウジング２は、測定ダイアフラム４により部分的に閉鎖される第一の開口１４と、測定チャンバ６へと開放し、シーリング膜１６により部分的に閉鎖される第二の開口１８を含む。伝達要素２０は、外的環境内に配置された第一の伝達アーム２０．１、測定チャンバ６に配置された第二の伝達アーム２０．２、及び２つのアームを剛体的に接続しながら、前記測定チャンバが液密状態に保たれるのを確実にする伝達シャフト２０．３（ヒンジ）を含む。伝達要素２０は休止時に方向Ｘへと延びる。これはハウジング２上のピボット関節２２により回転可能に関節接合される。ピボット関節２２は２つのブレード２２．１及び２２．２を含み、これらは、ハウジング２及びヒンジ２０．３に接続され、方向Ｘにおいて小さい寸法を有して、方向Ｙの周囲でねじれ変形可能であり、それゆえ、シーリング膜１６と共にピボット関節２２の回転軸を画定する。伝達要素２０は剛体であるか、ほとんど変形不能である。第一の伝達アーム２０．１の自由端は、関節２３（少なくとも１つのねじれブレードにより形成される）によりダイアフラム４に接続され、方向Ｚへの移動を伝達すると同時に、Ｙ軸の周囲での回転とＸ軸に沿った並進を可能にし、関節２３は例えば、軸Ｙに平行で、ねじれ変形可能な２つのブレードである。第二の伝達アーム２０．２の自由端は、容量測定手段の一部を形成する移動電極２１に接続される。移動電極２１は、真空測定チャンバ内に位置付けられる。この構成では、移動電極に接続された第二の伝達アーム２０．２の運動は面外移動である。容量測定は移動電極２１の運動から得られ、これは面外移動し、容量検出を可能にするようにそれに対向して位置付けられた少なくとも１つの固定電極１７までのエアギャップの変動を生じさせる。

図１Ｂ（下から見た図）は、容量測定手段（容量変換手段）が第一の固定電極１７と、第一の固定電極１７からある距離だけ離れた第二の固定電極１９と、第二の伝達アーム２０．２の自由端に固定され、それゆえ伝達アームと共に移動する移動電極２１と、を含むケースを示している。移動電極２１は、第一の固定電極１７と第二の固定電極１９との間に、それらに平行に、また、一方又は他方に向かって移動できるように位置付けられる。このような測定手段により、差分測定が可能となる。移動電極２１と第一の固定電極１７との間及び移動電極２１と第二の固定電極１９との間のエアギャップの変動を測定することにより、測定ダイアフラム４の移動により誘発された伝達要素２０の移動を検出し、それゆえ、圧力の変動を特定することが可能となる。固定電極は、バックプレート電極と呼んでもよい。

変形型によれば、図２に示されるように、ダイアフラムをピストン４’に置き換えてもよく、これは１つ又は複数の補強手段、例えば補強ビーム（又は補剛ビーム）により裏打ちされ、及び／又は補剛されてよい。

第二の伝達アーム２０．２は「レバーアーム」と呼ばれてよい。

この構成に関連する第一の問題は、静電力の影響による移動電極の変形であり、これはレバーアームの長さを制限する。この問題は、基板が導電性を持たず、１つのバックプレート電極が使用されている場合により増大するが、これは、このケースでの静電力が局所的に相互にバランスをとれないからである（これらは、ロバーバルの機構を作ることによってバランスをとることができるが、局所的に打ち消すことはできない）。これらの変形を減少させるために、１つの解決策は、ＭＥＭＳ層の厚さを厚くして、レバーアームの面外曲げ剛性を高める、及び／又は移動電極に補剛ビームを追加することである。しかしながら、ＭＥＭＳ層の厚さはエピタキシによって１０〜３０μｍに限定されており、それを超えると方法が高コストとなりすぎる。さらに、厚さを厚くすると、合理的な幅／深さアスペクト比に適合させるために、ディープエッチングに広いトレンチが必要となり、これはダイアフラム又はピストン周囲での損失が過剰に大きくなることにつながり得る。

第二の問題は、ダイアフラム又はピストンの薄層（ＮＥＭＳ）の厚さから生じる。望ましい厚さは１μｍのオーダであり、これは、ダイアフラム又はピストンが液密性を提供しながら同時に柔軟性を保持するものである。しかしながら、移動電極も形成するこの薄層は、静電力の影響を受けて変形し、この変形を回避するためには、層を厚くして移動電極を補剛することが必要となる。前述のように、補剛は一般に、移動電極の表面全体にわたって均一に配置される補剛ビームのネットワークにより実現される。さらに、このネットワークにより区切られるバックプレート電極の各々を分極するために、分極ブロックを作ることが必要であり、これは馬鹿にならない大きさのスペースを占める。補剛ビームと分極ブロックによって移動電極のためのスペースはほとんど残らない。補剛ビームの数、したがってバックプレート電極ブロックの数を減らすと、静電力の影響を受けた移動電極の変形という第一の問題に再び突き当たる。

第三の問題は、容量検出エアギャップは、移動電極がバックプレート電極（又は複数のバックプレート電極）により拘束されないようにすることのできる２つの犠牲（酸化膜）層の厚さにより画定され、したがって限定されるという点から生じる。上述の問題と同様に、これらの厚さは構造全体にわたって同じであることから、妥協が必要となる。移動電極に係わる応力に関して、望ましいのは１μｍのオーダのエアギャップであり、これによって良好な線形性を有する高い密度が得られる。ダイアフラムに（又はピストンに）係わる応力が関係するかぎり、求められるのは、ダイアフラムの（又はピストンの）縁部とその下の第一の開口の縁との間の空気の層が圧縮されることによる影響を制限するために、できるだけ大きいエアギャップである。この同じ厚さには、構造全体に対する、及び特に測定チャンバの外側に対する（空気側）ドミノ効果がある。特に、ダイアフラム全体又はピストン全体で１０マイクロメートル程度にわたり、ダイアフラム又はピストンは第一の開口１４からはみ出す。ダイアフラム（又はピストン）は、移動すると、それ自体とこの張り出し領域内の固定部分との間の空気の薄膜を圧縮し、ダンピング効果を生じさせる。このダンピング効果を制限するために、ダイアフラムの、又はピストンの厚さをできるだけ大きくすることが必要であろう。しかしながら、望ましい厚さは、ダイアフラム又はピストンがシーリングを提供するのと同時に柔軟性を保つような１μｍのオーダであることが知られている。

結論として、この構成では必然的に、移動電極の、及び／又はレバーアームの変形のリスクが誘発されるのを回避するために、レバーアームの長さが限定され、したがって、ダイアフラムの、又はピストンの運動の振幅が限定される。ここで、レバーアームの長さを限定すると、特に補剛ビームと分極ブロックが追加されていて容量密度がすでに低下しているかもしれない場合に、アームの方向への容量検出の規模も限定される。さらに、この構成では、エアギャップが、したがって容量密度が限定される。

米国特許出願公開第２００５／０１７９１００号明細書 仏国特許第３０５９６５９号明細書

本発明は、先行技術の上述の欠点を克服しようとするものである。

特に、本発明は、バックプレート電極の存在による欠点を回避し、それと同時に移動電極の（又は複数の移動電極の）及びデバイスの構造の変形を回避し、そうする中で、容量検出能力を低下させず、又はさらにはそれと同時に容量検出能力を増大させるように行うことを可能にする、圧力変動測定ＭＥＭＳ及び／又はＮＥＭＳデバイス、例えば容量検出ＭＥＭＳ及び／又はＮＥＭＳマイクロフォンを提供しようとするものである。

より広くは、本発明は、圧力変動の影響を受けて変形又は移動する移動コンポーネントを含み、変形又は移動が検出手段により測定され、前述の欠点を克服するような、圧力変動測定デバイス用に設計されたＭＥＭＳ−ＮＥＭＳ構造を提供しようとするものである。

これらの欠点を克服できるようにする１つの解決策は、機械的接続及び、少なくとも１つのかかる機械的接続を含む圧力変動測定デバイスに関する。

本発明の１つの第一の主題は、圧力変動測定微小電気機械及び／又はナノ電気機械デバイスのための機械的接続に関し、前記デバイスは主平面内に延びる固定コンポーネントと、圧力変動の影響を受けて面外方向に移動又は変形することのできる移動コンポーネントと、少なくとも１つの移動要素を含む、前記移動又は前記変形を検出する検出手段と、を含み、機械的接続は：
−レバーアームと、
−移動コンポーネントをレバーアームの第一の端に接続する第一の接続であって、前記移動コンポーネントの面外移動を前記レバーアームの前記第一の端に伝達し、それと同時に回転方向の周囲での前記レバーアームの面外回転を可能にするように設計される第一の接続と、
−レバーアームの第二の端に接続され、主として、回転方向に延びる回転軸の周囲でのレバーアームの面外回転を可能にするように構成される第二の接続と、
−レバーアームを検出手段に面外方向への回転軸から所定の距離をおいて接続する第三の接続であって、回転軸と同じ方向を辿るが、面外方向において前記回転軸から所定の距離だけずらされた曲げ軸の周囲での回転を可能にして、前記回転軸の周囲でのレバーアームの回転を少なくとも１つの移動要素の平面における並進方向への並進に変換できるように設計される第三の接続と、
を含む。

本発明によれば、「主平面」とは、微小電気機械及び／又はナノ電気機械デバイスの基準平面を指し、一般にＯＸＹで表される。簡潔にするために、「平面」という用語は主平面を指す。主平面以外の平面は異なる呼び方とする。「面外」という用語は、前記主平面に関している。

「厚さ」、「厚い」、「薄さ」、「薄い」という用語は、基板の平面に垂直な寸法に関して記される。

「細い」、「細さ」、「広い」、「幅」、「長尺の」、「延長」、「長さ」、「長い」という用語は、基板の平面内（又は、基板の平面に平行な平面内）の寸法に関して記される。この説明の中で、長さは方向Ｘへの寸法を指し、幅は方向Ｙへの寸法を指す。

「移動」及び「固定」という用語は、１つのコンポーネント又は１つの部品の他方に関する相対的運動を指す。運動は、移動又は変形であってよい。それゆえ、本発明によれば、「移動（可能）」という用語は、移動又は変形可能なコンポーネントを定義する。

１つの実施形態によれば、検出手段は、検出手段の少なくとも１つの移動要素に接続された伝達コンポーネントを含み、第三の接続は伝達コンポーネントに、並進方向への並進を前記伝達コンポーネントを介して前記移動要素に伝達するように接続される。

１つの有利な実施形態によれば、機械的接続は、少なくとも１つの移動要素に、又は伝達コンポーネントに接続され、前記移動要素又は前記伝達コンポーネントを並進方向への並進で案内するように構成された、スライド接続型の第四の接続をさらに含む。

１つの特定の実施形態によれば、第四の接続は主平面内で曲がる少なくとも１つの単純な厚い曲げブレードを含み、前記ブレードは並進方向に細い。

他の特定の実施形態によれば、第四の接続は主平面内で曲がる少なくとも１つの二重の厚い曲げブレードを含み、各ブレードは並進方向に細い。

１つの実施形態によれば、第一の接続は、回転方向に平行なねじれ軸の周囲で面外にねじれる少なくとも１つの厚いねじれブレードを含む。

１つの実施形態によれば、第二の接続は、回転方向の周囲で面外にねじれる厚いねじれブレードである少なくとも１つの第一のブレード及び／又は前記回転方向の周囲で面外に曲がる曲げブレードである少なくとも１つの第二のブレードを含み、第一及び／又は第二のブレードの各々は、例えば少なくとも１つの固定ブロックを使って、一方でレバーアームに、他方で固定コンポーネントに接続される。第二のブレードは薄いブレードでも厚いブレードでもよい。

１つの実施形態によれば、第三の接続は、曲げ軸の周囲で面外に曲がる曲げブレードを含み、前記ブレードは並進方向に延び、厚いブレード又は薄いブレードの何れかであり、曲げ軸は回転軸に平行であり、且つ面外方向への前記回転軸に関してある距離だけずらされている。

本発明の第二の主題は、主平面内に延びる固定コンポーネントと、圧力変動の影響を受けて面外移動又は変形する移動コンポーネントと、前記移動又は前記変形を検出する検出手段と、本発明の第一の主題による機械的接続と、を含む、圧力変動測定デバイスに関し、前記機械的接続は、移動コンポーネントを検出手段の少なくとも１つの移動要素に接続するように構成される。

１つの実施形態によれば、移動コンポーネントは柔軟又は半剛体ダイアフラムである。

代替的な実施形態によれば、移動コンポーネントは剛体ピストンである。

１つの特定の実施形態によれば、圧力変動測定デバイスは、減圧測定チャンバと、前記測定チャンバを少なくとも部分的に閉鎖するシーリング膜と、前記測定チャンバの内部と外部との間の液密接続手段と、を含み、第一の接続は測定チャンバの外部に位置付けられ、第二の接続は液密接続手段に接続され、検出手段と第三の接続は測定チャンバ内に位置付けられる。

１つの実施形態によれば、検出手段は第三の接続又は伝達コンポーネントに接続された移動電極と少なくとも１つの固定電極を含み、前記電極は主平面内に延び、移動電極と少なくとも１つの固定電極との間のエアギャップは、主平面内の電極の寸法及び前記電極の厚さにより画定され、第三の接続によって移動電極へと伝達される並進運動は、前記移動電極と前記少なくとも１つの固定電極との間のエアギャップを並進方向に変化させることができる。これによってエアギャップの変動による容量変換の実現が可能となる。

１つの特定の実施形態によれば、電極は幾つかの指状部を含み、移動電極の指状部は、少なくとも１つの固定電極の指状部と相互に組み合わせられ、電極の指状部は移動電極に伝えられる並進方向に垂直に延びる。

１つの代替的実施形態によれば、検出手段は、第三の接続又は伝達コンポーネントに接続された移動電極と少なくとも１つの固定電極を含み、前記電極は主平面内に延び、移動電極と少なくとも１つの固定電極の相互に対向する表面積は、主平面内の電極の寸法及び前記電極の厚さにより画定され、第三の接続によって移動電極に伝達される並進運動は、前記移動電極と前記少なくとも１つの固定電極の相互に対向する表面積を並進方向に変化させることができる。これによって、表面積の変動による容量変換の実現が可能となる。

１つの特定の実施形態によれば、電極は幾つかの指状部を含み、移動電極の指状部は、少なくとも１つの固定電極の指状部と相互に組み合わせられ、電極の指状部は移動電極に伝えられる並進方向に延びる。

１つの特定の実施形態によれば、検出手段は差分検出を行うように２つの固定電極を含む。

他の代替的な実施形態によれば、検出手段は共振ビームと、前記ビームの横にある励起手段と、前記横方向への前記ビームの変形を測定する手段、例えば共振ビームの何れかの側のピエゾ抵抗ゲージと、を含む。

１つの特定の実施形態によれば、圧力変動測定デバイスは、本発明の第一の主題による少なくとも２つの機械的接続を含む。

本発明のその他の特徴と利点は、非限定的な例として示され、下記のような添付の図面に関する以下の説明から明らかとなるであろう。

先行技術のマイクロフォンを示す。 先行技術のマイクロフォンを示す。 先行技術のマイクロフォンの変形型を示す。 本発明による機械的接続の２つの変形型を概略的に示す。 本発明による機械的接続の２つの変形型を概略的に示す。 第一の実施形態による圧力変動測定デバイス（マイクロフォン、圧力センサ）の各種の図を示す。 第一の実施形態による圧力変動測定デバイス（マイクロフォン、圧力センサ）の各種の図を示す。 第一の実施形態による圧力変動測定デバイス（マイクロフォン、圧力センサ）の各種の図を示す。 第一の実施形態による圧力変動測定デバイス（マイクロフォン、圧力センサ）の各種の図を示す。 第一の実施形態による圧力変動測定デバイスの変形型を示す。 第一の、エアギャップ変動による容量変換の変形型と組み合わされた第一の実施形態による圧力の変動を測定するデバイスを示す。 第一の容量変換の変形型の詳細を示す。 第二の、表面積の変動による容量変換の変形型と組み合わせられた第一の実施形態による圧力変動測定デバイスを示す。 第二の、表面積の変動による容量変換の変形型と組み合わせられた第一の実施形態による圧力変動測定デバイスを示す。 第二の実施形態による圧力変動測定デバイスを示す。 第二の実施形態による圧力変動測定デバイスの詳細を示す。 本発明による機械的接続の他の３つの変形型を概略的に示す。 本発明による機械的接続の他の３つの変形型を概略的に示す。 本発明による機械的接続の他の３つの変形型を概略的に示す。 第三の実施形態による圧力変動測定デバイスを示す。 第三の実施形態による圧力変動測定デバイスを示す。

この詳細な説明の全体を通じて、主平面（又は「平面」）は、参照符号ＯＸＹで指定され、概してＭＥＭＳ−ＮＥＭＳ構造がその上に製作される基板の平面に対応する。面外方向は方向Ｚで表される。主平面内の並進方向は方向Ｘで表される。面外回転の方向は方向Ｙにより表される。

この詳細な説明の全体を通じて、同じ機能を果たし、構造的に同様の方法で製作される要素は一般に、同じ参照符号により指示される。同じ機能を果たすが構造的に異なる方法で製作される要素は一般に、異なる参照符号で指示される。

図１Ａ、１Ｂ、及び２はすでに説明しており、ここで再び説明に含めることはしない。

本発明は、移動コンポーネント（例えば、ダイアフラム、ピストン）の面外運動（変形又は移動）を平面内の並進運動に変換することにある。得られた並進運動は、測定され、したがって移動コンポーネントの運動（例えば、ダイアフラムの変形、ピストンの移動等）を推測するために検出手段に伝達される。例えば、並進運動は、平面内で固定電極に関して並進させるように移動可能な移動電極に伝えられてよく、それによって容量検出手段が形成される。

詳細な説明の全体を通じて、平面とは測定デバイスの支持部の、例えば基板の平面又は、支持部の前記平面に平行な平面を指す。

図３Ａ及び３Ｂは、その両面での圧力差の影響を受けて面外方向Ｚに変形するダイアフラム４のケースの、本発明による機械的接続の２つの変形型を概略的に示しており、機械的接続はダイアフラムを検出手段に接続し、それによってダイアフラムの面外変形をＯＸＹ平面内での並進方向Ｘへの並進運動に変換できる。ダイアフラム４の端は固定コンポーネント、例えば基板（図３Ａ及び３Ｂでは図示せず）に固定手段２４により固定される。

図の２つの変形型において、機械的接続１はダイアフラム４を移動電極６１に接続し、これは、少なくとも１つの固定電極（これらの図では図示せず）と共に容量検出ユニット６の一部を形成する。機械的接続１は：
−長さＬのレバーアーム１０と、
−ダイアフラムをその中央でレバーアーム１０の第一の端１０．１に接続する第一の接続３と、
−レバーアーム１０の第二の端１０．２に接続され、基板（図示せず）に固定手段２５により固定される第二の接続５（又はピボット接続）と、
−レバーアーム１０を移動電極６１に、面外方向Ｚに距離ｄだけずらして接続する第三の接続７（又は連結接続）と、
を含む。

第一の接続３により、ダイアフラム４の面外運動をレバーアーム１０の第一の端１０．１に伝達することができる。第一の接続は、面外方向Ｚに剛体で前記レバーアームに前記面外方向への並進を伝えるブレードにより形成されてよい。これは、厚いブレードで、方向Ｙに広く、方向Ｘに細く、それによって回転方向Ｙに延びるねじれ軸Ｙ３の周囲でねじれることができる。

第二の接続５により、レバーアーム１０の第一の端１０．１に伝えられた面外並進に第一の接続３が追従し、それと同時に前記レバーアームが、前記レバーアームの第二の端１０．２において形成され方向Ｙに延びる回転軸Ｙ５の周囲で回転することが可能となる。

第二の接続は、厚く、方向Ｚへの並進を阻止し、方向Ｙの周囲でねじれるように柔軟である少なくとも１つのブレードと、これに関連する、方向Ｘに長く、Ｘに沿った並進を阻止し、方向Ｙの周囲で曲がるように柔軟な少なくとも１つのブレードにより得られてよい。この第二の接続は、「ピボット接続」と呼ばれてよい。

それゆえ、ダイアフラムがその両面での圧力差の影響を受けて変形すると（変動ｄｚ）、これは第一の接続３によりレバーアーム１０の第一の端１０．１の面外への並進運動をもたらし、このレバーアームは第二の接続５によってその第二の端１０．２において面外回転の状態に保たれる。第一の接続３は面外方向Ｚにおいて剛体であるため、これはダイアフラムの面外移動をレバーアーム１０の第一の端１０．１に伝達する。さらに、これによってレバーアーム１０はその回転軸Ｙ５の周囲で回転し、前記方向Ｘへの柔軟性（細さ）の結果として方向Ｘに曲がることができ、すなわち、ダイアフラム４の純粋にＺへの並進が、前記レバーアームの回転の結果として、円弧において、レバーアームの第一の端１０．１の移動と共存できることになる。

第三の接続７は、レバーアーム１０の第二の端１０．２を移動電極６１に接続する。第三の接続７によって、曲げ軸Ｙ７の周囲での回転が可能となり、これは回転軸Ｙ５と同じ方向Ｙを辿るが、有利な点として、第二の接続５に関して方向Ｚに（距離ｄだけ）ずらされている。それゆえ、第一に、第三の接続によってレバーアーム１０の回転を方向Ｘへの電極６１の並進に変換できる。第三の接続はしたがって、方向Ｘへの並進を伝達しながら、それと同時に方向Ｙの周囲でのレバーアームの回転を可能にする必要がある。第二に、これはまた、方向Ｚへの小さい並進を吸収する必要もあり、すなわち、第一の接続３と同様に、これはレバーアーム１０の回転が並進と共存できるようにする必要がある。この第三の接続は、「連結接続」と呼んでよい。

移動電極６１は、有利な態様として、スライド接続型の第四の接続９（例えば、図４Ａに示される）によって方向Ｘへの並進で案内される。

図３Ａ及び３Ｂに示される２つの変形型の違いは、第二及び第三の接続間の方向Ｚへのずれが同じ方向ではないことである。図３Ａの変形型では、第二の接続は第三の接続より上にあり、これに対して、図３Ｂの変形型では、第二の接続は第三の接続より下にある。それゆえ、何れの構成かは構造の設計に応じて選択されてよい。

１つの実施形態の変形型によれば、第三の接続７はレバーアーム１０の第二の端１０．２を、それによって平面内で駆動される伝達コンポーネント８に接続してよく、この伝達コンポーネントが今度は、並進を移動電極６１に（又は、ひずみゲージに、共振ビームに、又は平面内の並進運動を検出できるようにする他の何れかの手段に）伝達する。

図４Ａ〜４Ｄは、第一の実施形態による圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスの様々な図を示している。これは、マイクロフォン又は絶対圧若しくは差圧センサであってよい。より読みやすくするために、例えば固定ブロック等の特定の部品は半面でのみ示されている。さらに、グレーの矢印は接続の連結方向を示し、白い矢印は接続の柔軟方向を示す。

図４Ａ〜４Ｄにおいて、運動検出手段６（例えば、容量検出手段）は詳しく描かれておらず、検出ブロックにより概略的に示されている。検出ブロックを構成する要素の特定の１つ（又は複数）のみが移動可能、すなわち変形可能又は移動可能であったとしても、簡略化のために、並進運動が検出ブロックに伝達されると明記され、すなわち、これはしたがって、並進運動が検出ブロックのその移動要素のみに伝達されることを意味すると理解しなければならない。

並進運動は移動要素に直接にも、又は伝達コンポーネント８を介して間接にも伝達できる。後者の場合、習慣として、伝達コンポーネント８は検出ブロックの一部を形成し、第三の連結接続７はレバーアーム１０を伝達コンポーネント８に接続し、この伝達コンポーネントは平面内の並進を検出ブロックの移動要素に伝達すると考えられてよい。

検出手段の移動要素は、移動可能な電極（容量検出）、変形するひずみゲージ（圧電又はピアゾ抵抗検出）、共振ビーム（共振を通じた検出）、又は平面内の並進運動を検出できるようにする他の何れかの移動要素であってよい。

図のデバイスは、例えば、１μｍのオーダの厚さの薄膜（ＮＥＭＳ）の中に作られたダイアフラム４を含み、それによってダイアフラムはシーリングを提供しながら、同時に柔軟性を保つ。マイクロフォンの場合、シーリングは必須ではない。

ダイアフラムの中心の移動は、図４Ａ及び４Ｂで見ることのできる第一の接続３によってレバーアーム１０の第一の端１０．１に伝えられる。

第一の接続３は、少なくとも１つの厚いねじれブレード３１及び、厚いブレード３１をダイアフラムに固定する固定要素３２によって形成される。このブレードの厚い厚さのため、第一の接続には、面外並進（方向Ｚへ）をしっかりと結合するという利点がある。さらに、ブレード３１が方向Ｘに細いことによって、ねじれ軸Ｙ３の周囲での方向Ｙへのねじれ角度及び方向Ｘへの曲げが可能となる。厚いブレード３１のこれら２つの自由度により、回転しているレバーアームの端１０．１と並進しているダイアフラム４の中心との間の接続が不静定となるのが回避される。

レバーアーム１０は好ましくは、十分な硬さを得るために厚層（ＭＥＭＳ）にエッチングされる。

レバーアームの第二の端１０．２は、第二の接続５（ピボット接続）に厚層の基部において接続される。

第二の接続５は、２つの厚いねじれブレード５１と２つの薄い面外曲げブレード５２により形成される（図４Ｃに詳しく示される）。各ブレードは、一方でレバーアーム１０に、他方でＭＥＭＳ−ＮＥＭＳ構造の基板２に、固定ブロック２５によって接続される。基板２は平面ＯＸＹに延びる。ねじれブレード５１は、厚層にエッチングされ、そのＺへの高い曲げ剛性とその固定により面外並進を阻止し、それと同時に、方向Ｘへのその短い長さにより低い角度剛性を提供し、方向Ｙの周囲でのねじれを可能にする。薄層にエッチングされた面外曲げブレード５２は、その高い圧縮剛性とその固定により方向Ｘへの並進を阻止し、それと同時に、その薄い厚さにより低い角度剛性を提供して、方向Ｙの周囲での曲げを可能にする。２つの厚いねじれブレード５１と２つの薄い曲げブレード５２の組合せはそれゆえ、面外及び面内並進を阻止し、それと同時に、レバーアーム１０が回転軸Ｙ５の周囲で回転方向Ｙへと回転できるようにする。回転軸はそれゆえ、ねじれブレード５１の厚層（ＭＥＭＳ）の基底部において、曲げブレード５２の薄層（ＮＥＭＳ）のコアとねじれブレード５１のコアの交差点に画定される。第一のピボット接続５によって、それゆえ、レバーアーム１０は回転軸Ｙ５の周囲で回転でき、したがって基板２に関する面外回転が可能となる。

レバーアーム１０の回転運動を並進運動として検出ブロック６に伝達するように設計される第三の接続７（連結接続）は、一方でレバーアーム１０に、他方で検出ブロック６に接続される厚い面外曲げブレード７１からなる。厚く、Ｘ方向に長い（図４Ｄに詳しく示される）このブレードは、方向Ｘに高い圧縮剛性により、前記ブレードの中央でのレバーアーム１０の方向Ｘへの移動を検出手段６に伝達することができる。方向Ｙに平行な曲げ軸Ｙ７の周囲での小さい面外曲げは、方向Ｙの周囲でのレバーアーム１０の面外回転と方向Ｘへの検出ブロック６の並進との間で不静定ではない接続を得るのに十分である。換言すれば、厚い曲げブレード７１の厚さが厚くても、方向Ｘに細いことにより可能となる面外方向Ｚの周囲での曲げにおけるその回転と方向Ｙに平行な曲げ軸Ｙ７の周囲での小さい面外曲げ運動によって、レバーアーム１０の回転と検出ブロック６の移動要素の並進が共存可能となる。

有利な点として、厚い連結ブレード７１は、その中心がその曲げ軸Ｙ７の辺りにある。したがって、その変形は純粋な角度曲げであり、それはこれが最小の剛性を提供する位置であるからである。

第三の接続７の曲げ軸Ｙ７はＭＥＭＳの厚さの中央に現れるため、第二の接続と第三の接続との間に必要な偏心度が実際に得られる。連結接続７を形成する厚い面外曲げブレードはしたがって、レバーアーム１０と検出ブロック６との間に接続される連結ロッドとして見ることができる。

検出ブロック６は、有利な点として、平面内での並進を案内できる第四の接続９（スライド接続とも呼ばれる）により方向Ｘへと並進するように保たれる。

図４Ｄにより詳しく示されているように、スライド接続９は幾つかの厚い面内曲げブレード９１、９２、９３、９４を含む。これらのブレードは、その厚い厚さにより高い面外剛性を有する。それに加えて、方向Ｙへのそれらの高い圧縮剛性によって、この方向Ｙへの並進を阻止できる。最後に、方向Ｘへのそれらの短い長さにより、この方向Ｘへの低い曲げ剛性が生じる。すなわち、検出ブロック６に伝達される並進を方向Ｘに案内できることになる。

１つの有利な実施形態によれば、少なくとも３つの厚い曲げブレード９１、９２、９３はスライド接続９を形成し、平面ＯＸＹ内でのあらゆる回転を阻止することが可能となる。代替的に、方向Ｘに十分に離間された２つの厚いブレードは、平面ＯＸＹ内の回転を阻止するのに十分である。図の実施形態においは、４つの厚い曲げブレード９１、９２、９３、９４があり、それによって対称性を改善できる。

検出ブロック６が第三の接続７に接続された伝達コンポーネント８を含み、この伝達コンポーネントが今度は、移動電極、ひずみゲージ、共振ビーム、又は平面内の並進運動を検出するための他の何れかの手段を並進駆動するある実施形態の変形型によれば、スライド接続９は伝達コンポーネント８に、これを平面内での並進を案内するように接続される。

第一の実施形態（図５で説明される図３Ａの実施形態）の変形型によれば、第二の接続５’すなわちピボット接続は、図４Ｃ及び４Ｄに示されるもの（参照番号５１）のタイプの２つの厚いねじれブレード５１’と図４Ｃ及び４Ｄに示されるもの（参照番号７１）のタイプの少なくとも１つの厚い面外曲げブレード５２’により形成されてよい。その場合、厚い面外曲げブレードは基板２に固定ブロックにより接続されるが、検出ブロック６又は伝達コンポーネント８には接続されない。厚い面外曲げブレードは他方で、レバーアーム１０に接続される。レバーアームの回転軸Ｙ５’はすると、厚層ＭＥＭＳの中央にある（そして、もはや厚層の基底部にはなく、すなわち、もはや薄層ＮＥＭＳのコアにはない）。さらに、第三の接続すなわち連結接続７’はすると、図４Ｃ及び４Ｄに示されるもの（参照番号５２）のタイプの薄い面外曲げブレード７１’により形成される。これらは、固定ブロックに接続されるのではなく、検出ブロック６に、又は伝達コンポーネント８に接続される。曲げ軸Ｙ７’はすると、もはや回転軸Ｙ５’の上にはなく、下の、薄層のコアにあり、厚層の中央にはなくなる。

図６Ａ及び６Ｂは、第一の実施形態による圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスに、エアギャップの変化による容量変換を形成する検出ブロック６の第一の変形型と組み合わせたものを示す。このような検出ブロックは、本発明による圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイス用として、特に、ただしこれに限定されないが、実施形態のうちの１つによる圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイス用として実装されてよい。デバイスは、レバーアーム１０に第一の接続３により接続されたダイアフラム４と、レバーアーム１０の面外回転を可能にする第二の接続５と、レバーアームの面外回転を移動電極６１に加えられる面内並進運動に変換することのできる第三の接続７と、を含む。

図の容量検出ブロック６はそれゆえ、連結接続７により平面内で並進駆動（方向Ｘへ）される移動電極６１と、２つの固定電極６２、６３を含む。各電極６１、６２、６３は、櫛形を形成する一連の指状部６１０、６２０、６３０により形成される。移動電極６１の指状部６１０は、補剛フレーム又はビーム６１１により相互に接続される。固定電極６２、６３の指状部６２０、６３０は、補剛中央ビーム６２１、６３１により相互に接続される。固定電極の櫛形は移動電極の櫛形と（及びその逆）相互に組み合わせられる。

電極は、厚層（ＭＥＭＳ）内に製造される。

有利な点として、図６Ｂに示されるように、固定電極６２の少なくとも１つの指状部は、移動電極の、同じエアギャップ内でそれに対向して位置付けられる指状部に向かって延びる端止め部６２３を含み、２つの指状部の表面が接触時に（すなわち、エアギャップの大きさがゼロに向かう傾向にあるときに）相互にくっつき合わないようになっている。端止め部は、同じ機能を果たす他の何れかの手段と置換されてもよく、及び／又はこれは移動電極の少なくとも１つの指状部に配置されてもよい。

移動電極６１は、スライド接続９を形成する単純な厚い面内曲げブレード９１、９２、９３、９４により平面内で並進するように保持される。これらのブレードは、それらの厚さが厚いことから、高い面外剛性を有する。それに加えて、その方向Ｙへの高い圧縮剛性によって、この方向Ｙへの並進が阻止される。最後に、その方向Ｘへの短い長さにより、この方向Ｘへの剛性が低くなる。これによって、移動電極６１の方向Ｘへの並進が案内される。

ある実施形態の変形型によれば、スライド接続はシングルブレードではなくダブルブレードを含んでいてもよい。ダブルブレードは２つの単純な面内曲げブレードを含み、これらが結合してＵ字型を形成し、各ブレードは方向Ｙに長尺で、方向Ｘに細く、第一のブレードは移動電極に接続され、第二のブレードは固定支持部、又は基板に接続され、２つのブレードは中間接続部品により相互に接合される。この構成により、電極が、特に大きく移動する場合に所望の方向Ｘに移動するため、はるかに高い線形剛性が得られるが、方向Ｙには低い剛性を提供する。

電極が垂直運動（面外運動）する、特に図１Ｂに示される先行技術の容量変換と異なり、本発明により可能となる容量変換は、移動電極の水平運動（面内運動）により実現される。本発明はそれゆえ、以下に説明するように、図１Ｂ及び２に関連して詳より詳しく説明される先行技術の容量検出マイクロフォン（又は圧力センサ）により提示される問題に対応することができる。

一方で、本発明によれば、エアギャップは犠牲層の厚さにより限定されるのではなく、厚さに加えて面内寸法によって画定される。ここで、この面内寸法は厚さのように限定されず、特にあるエアギャップを画定するために、移動電極及び／又は固定電極の指状部のための特定の寸法を画定し、それを特定のマスクを設計することによって行うことが可能である。それゆえ、例えば、数百ナノメートルから数マイクロメートルの寸法のエアギャップは、厚層（ＭＥＭＳ）のエッチングにより得ることができる。現時点で、先行技術では、エアギャップと層の厚さとの間のアスペクト比は、１／２０〜１／３０の数値でしか実現できない。

他方で、ビームは曲げ（面外）ではなく、主として圧縮又は引張り（面内）で負荷を受け、したがって、それらが本質的により硬い位置で負荷を受ける。これによって、同じ変形に対して補剛ビームの質量、したがって電極全体の質量を減らすだけでなく、先行技術のものより大きい電極を設計することが可能であり、後者は面外変形及び剛性により限定される。

ビームはまた、最も大きい負荷を受ける地点において広く、他方で、負荷がより軽い位置ではより細くすることができる。これは特に、容量指状部において行われるものであり、これらは三角形の形状に設計される。剛性対大きさの比を改善することによって、この手段によって指状部の密度を高め、その質量を最小化できる。移動電極の質量を限定すると、共振周波数を高くすることが可能となる。この要素は、２０ｋＨｚまでの信号を測定する必要のあるマイクロフォンにとって重要である。これは、超音波マイクロフォンの場合に特に当てはまる。

図６Ａに示される実施形態において、検出は差分検出である。実際には、２つの固定電極、すなわち容量検出ブロック６の右側部分に示され、そのための指状部６２０が移動電極６１の指状部６１０の左側に位置付けられる第一の固定電極６２と、容量検出ブロック６の左側部分に示され、そのための指状部６３０が移動電極６１の指状部６１０の右側に位置付けられる第二の固定電極６３がある。それゆえ、移動電極が右に移動すると、第一の固定電極までのエアギャップが増大し、第二の固定電極までのエアギャップが減少し、またその逆でもある。差分検出によって、容量の読取りが改善される。これによって他の利点も得られ、それは、静電力を平衡化できる点である。具体的には、指状部は相互に引き付けられる。この例では、左側の固定電極は移動電極を左に引き付け、右側の固定電極は移動電極を右側に引き付ける。これら２つの力は相互に反対であり、移動電極のフレーム内の圧縮応力を通じて相互に打ち消される。

代替的に、１つのみの固定電極があってもよい。

本発明の他の利点は、差分検出が特定のマスク設計で平面内において実行しやすく、これに対し、特に図１Ｂに示される先行技術の差分検出では、概して同じ厚さの２つの犠牲層を提供する必要があった。

最後に、本発明は、移動電極６１の平面内運動の発生を可能にすることによって、容量密度を高めることができる。図６Ｂは、移動電極の２つの指状部間の固定電極の指状部を拡大することによってこの利点を示している。例えば、長さｌが８μｍである個別のパターンを製作できることがわかり得る。さらに、電極は厚層（ＭＥＭＳ）内にあり、２０μｍの厚さを達成できる。この例では、対向する表面積はしたがって、占有されている表面積の２．５倍の大きさであるのに対し、面外検出では、対向表面積は占有表面積にのみ対応する。

図７Ａ及び７Ｂは、面内容量変換ブロックの第二の変形型を示しており、この変形型では、容量変換ブロック６’は異なる構成である。この変形型でも、１つの移動電極６１’と２つの固定電極６２’及び６３’があるが、この変形型は第一の変形型と、電極の指状部が移動電極６１’に伝達される並進方向に延びる点で異なる（これに対して、第一の変形型では、指状部は平面内で移動電極６１に伝達される並進方向に垂直な方向に延びる）。すると、これによって表面積の変動を通じた容量検出を実現できる。

エアギャップの変動による検出は小さい移動によく適しており、それは、これがある移動について、より大きい容量変動を提供するからである。しかしながら、大きい移動の場合、これは非線形となり、すると、この第二の実施形態による表面積の変動による検出の方が適当となる。さらに、電極が真空下に置かれていない場合、エアギャップの変動には、２つの電極間の空気膜の圧縮に対応する「スクイーズフィルムダンピング」と呼ばれる効果が伴う。この現象はダンピング効果、したがってノイズにつながる。表面積の変動で生じる機械的ノイズはより低い。最後に、エアギャップの変動の非線形効果は、第一に、バイアス電圧に依存するネガティブ剛性を得るため、及びそれゆえ、デバイスの共振周波数を調整するために使用できる。

容量検出ブロックのどちらの変形型も、本発明による圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスにおいて、特に、ただしこれに限定されないが、実施形態のうちの１つによる圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスにおいて実装できる。

図８Ａ及び８Ｂは、第二の実施形態による圧力変動測定デバイスを示しており、これは、仏国特許第３０５９６５９号明細書に記載されている圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスのように、電気的変換が減圧下、又はさらには真空下で測定キャビティ６０内で行われる点で第一の実施形態と異なる。図１Ａに示される同特許出願のピボット関節は、伝達要素２０の面外回転関節を提供し、厚いねじれブレード２２．１及び２２．２（面外並進を阻止する）とシーリング膜１６（面内移動を阻止する）により実現される。仏国特許第３０５９６５９号明細書では、伝達要素２０は剛性又はほとんど変形不能である。伝達要素により、特に第二の伝達アーム２０．２により測定チャンバ内の移動電極２１に伝達される運動は面外運動である。

本発明により、第二の剛性伝達アームを第三の接続７及び特に、本発明による機械的接続の第三の接続７を形成する厚い面外曲げブレード７１に置き換えることによって、面外運動を面内並進に変換できる。

それゆえ、図８Ａ（下から見た図）に関する第二の実施形態において、本発明による機械的接続は：
−レバーアーム１０と、
−ダイアフラム４をレバーアーム１０に接続する少なくとも１つのねじれブレード３１により形成される第一の接続３と、
−２つの厚いねじれブレード５１及び５１’とシーリング膜１６により形成される第二の接続５と、
−並進を減圧測定キャビティ６０内に位置付けられた移動電極６１に伝達できるようにする厚い面外曲げブレード７１により形成される第三の接続７と、
を含む。

さらに、圧力変動測定デバイスは、外部環境と測定キャビティ６０との間の機械的伝達を提供する要素２０に接続されたシーリング部材１４を含み、そのすべてが外的環境と測定キャビティとの間のシーリングを実現する。伝達要素２０は２つの媒質をシールされた状態で接続し、それと同時にレバーアーム１０と第三の接続７との間の機械的接続を提供する。その中で、これは第二の接続５に接続される。

この第二の実施形態において、２つの厚層ＭＥＭＳ（減圧キャビティ内の１つの厚層と空気中の１層）が利用される。厚いねじれブレード５１及び５１’が減圧キャビティ内に設置されるが、何れかの層に、又はさらにはそれぞれ異なる層に実装することもできる。

第三の接続７は、この例では厚いブレード７１であり、減圧測定キャビティ内に設置される。

厚いブレード７１は移動電極６１に接続され、これにはそれゆえ、減圧キャビティ内における平面内並進運動が付与される。図のキャパシタ６は、図６Ａ及び６Ｂの第一の変形型のそれである。代替的に、これは図７Ａ及び７Ｂの第二の変形型のそれ、又は他の何れかの適当なキャパシタとすることもできる。

容量変換の代替案として、検出ブロック６は、共振を利用した検出を行うように共振ビームを含んでいてもよい。この代替案はすべての実施形態及び、より広く、本発明によるすべての圧力変動測定ＭＥＭＳ−ＮＥＭＳデバイスに当てはまる。しかしながら、減圧下のキャビティ内の共振により、すなわち、例えば、後述の第二又は第三の実施形態によって検出を行うことが有利である。これは、良好なＱ値を得るために、共振器の粘性減衰を、それを希薄大気中に置くことによって低減させる必要があるからである。

すると、検出ブロックは共振ビームを含んでいてよく、これは有利な態様では減圧キャビティ内に設置され、ダイアフラム又はピストンの運動が本発明の機械的接続によって面内並進運動に変換でき、それが共振ビームに伝達され、これはそれゆえ、面内で圧縮され、又は引っ張ることができる。ビームの圧縮又は引っ張りにより誘発される応力は、ビームの共振モードを推移させる。ビームを、例えば静電力を使って横方向に励起させることにより、及びこの横方向へのその変形を、例えば共振ビームの両側のピエゾ抵抗ゲージを使って測定することにより、前記ビームの共振モードを発見し、その後、モニタすることができる。例えば第一の変形モードの周波数を測定することにより、共振ビームの移動の図を得ることができ、そこからダイアフラム又はピストンの運動までさかのぼり、それゆえ、圧力変動の値を取得できる。

レバーアームの回転時に、それに接続された要素の移動は前記レバーアームの回転中心からのそれらの距離に比例する。上述のケース（図３Ａ〜８Ｂ）では、レバーアームの長さＬはダイアフラムの半径より大きく、それによってその中心における運動（数百マイクロメートル）を検出し、第二及び第三の接続間の偏心度ｄはＭＥＭＳ厚さ（約１０マイクロメートル）の半分と等しい。その結果、電極の移動はダイアフラムの移動より２桁以上小さくなる。

ダイアフラム４は、有利な態様として、ピストン４’に置き換えられてよい。ピストンは裏打ち及び補剛されてよく、また、何れの形状を有していてもよい。レバーアームにその中心で接続された平行六面体のピストンによって、レバーアームの長さ方向（図の方向Ｘ）のピストンの長さが短縮されると、レバーアームの大きさを機械的に縮小するのと同時にレバーアームの横方向（図の方向Ｙ）におけるピストンの幅を増大させ、これは同じ比率で行われ、それによって同じピストン表面積を保つことができる。

代替的に、ダイアフラムの周囲又はピストンの周囲に分散される幾つかのレバーアームを利用してもよく、アームは今度は前記ダイアフラム又は前記ピストンの中心ではなく、その端のうちの１つに接続されてよい。好ましくは、レバーアームはダイアフラムの周囲又はピストンの周囲に均等に分散される。

図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃは、２つのレバーアームが関わる解決策の３つの実施形態の変形型を示す。

図９Ａは、その端の各々において２つのレバーアーム１０、１０’に接続された剛体ピストン４’を示す。ピストンは典型的に、剛体とするためにＭＥＭＳ層内の厚いビームの枠体を、枠体により形成される表面積全体にわたり薄いＮＥＭＳダイアフラムで覆ったもので形成され、軽量化されている。この実施形態の変形型において、２つの第一の接続３、３’は２つのレバーアーム１０、１０’の第一の端をピストンの縁辺においてＭＥＭＳ枠体に接続する。

図９Ｂは、図３Ａ〜８Ｂのように、その中央で接続された柔軟ダイアフラム４を示す。相違点は、柔軟ダイアフラム４が２つの第一の接続３、３’に剛体ビーム４’’を介して接続されていることであり、これは前記剛体ビームの両端に対して行われる。剛体ビーム４’’は、ＭＥＭＳ層の厚いビームであり、その機能はダイアフラムの中心からレバーアームへと並進を伝達することである。

図９Ｃは、その端の各々において２つのレバーアーム１０、１０’に２つの第一の接続３、３’を介して接続された柔軟部４’’’Ａと剛体部４’’’Ｂを含むダイアフラム４’’’を示す。

これら３つの変形型により、２つの第一の接続３、３’、２つの第二の接続５、５’、及び２つの第三の接続７、７’の製作が必要となる。さらに、検出手段６は、２つの移動要素６１、６１’を含む必要がある。これはすなわち、本発明による幾つかの機械的接続を使用することになる。これら３つの実施形態の変形型は、各種のコンポーネントを製造するために薄層及び／又は厚層を使用することによって得られてよい。

３つの変形型において、レバーアームは、ダイアフラムの中心に接続する必要がなくなるため、短縮されている。

レバーアームは、有利な態様として、剛性ピストンが合成モーメントの影響を受けてねじれないようにするために、均等に分散される。

図１０Ａ及び１０Ｂは、水平移動を増大させることのできる第三の実施形態を示す。この第三の実施形態において、第二の実施形態と同様に、電気変換は減圧された、又はさらには真空化されたキャビティ内で行われる。代替的に、変換は、第一の実施形態のように、そのようなキャビティ内で行うことができない。さらに、レバーアーム１０の後に設置される追加のレバーアーム１００は移動を増大させ、これは前記レバーアームの利得の損失を補償する。前述のように、機械的接続はＸへの運動を伝達コンポーネント８に、面外曲げブレード７１を介して伝達する。この伝達コンポーネント８は追加のレバーアーム１００を、第一の連結ブレード１２０を介して平面ＯＸＹ内で回転駆動し、前記追加のレバーアームはヒンジ１１０によって回転するように保持される。第一の連結ブレードとヒンジは、前記レバーアームの第一の端１００Ａに位置付けられる。ヒンジ１００は、相互に垂直な２つの厚いブレード１１１及び１１２により製作され、その交差点は、方向Ｚへの回転軸を画定する。第一の連結ブレード１２０は、方向Ｚに厚く、方向Ｘに延び、方向Ｙに細い。したがって、第一の連結ブレード１２０は、その高い圧縮剛性により方向Ｘへの移動を伝達しながら、同時にその低い曲げ剛性により伝達コンポーネント８の並進と追加のレバーアーム１００の回転を共存させることができる。同じ原理で、第二の連結ブレード１３０は、追加のレバーアーム１００の他方の端１００ＢのＸへの運動をＸへの並進が保持される移動電極６１に伝達する。したがって、追加のレバーアームは、移動に、ヒンジ１１０と第二の連結ブレード１３０との間の距離に対するヒンジ１１０と第一の連結ブレード１２０との間の距離の比を乗じる。

上述の実施形態のすべてにおいて、「薄い」とは、約１００ナノメートル（ｎｍ）且つ数マイクロメートル（μｍ）未満のオーダ（ＮＥＭＳ）を意味すると理解すべきである、「厚い」とは、数μｍ〜数十μｍ（ＭＥＭＳ）を意味すると理解すべきである。

好ましくは、薄層の厚さは２００ｎｍ〜２μｍである。

好ましくは、厚層の厚さは５〜３０μｍ、又はさらには１０〜２０μｍである。

別段の記載がないかぎり、提示された各種の実施形態は相互に組み合わせることができる。さらに、本発明は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に含まれる何れの実施形態にも拡張される。

本発明の機械的接続並びに微小電気機械構造及び／又はナノ電気機械構造は、シリコン上に、加速度計のための既知の微細機械加工（及び／又はナノ機械加工）技術を使って製造できる。

このような機械的接続並びにこのような微小電気機械及びナノ電気機械構造を製作するために、以下の一般的な方法を実行することが可能である：
−開始点はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）であり、これはＳｉで製作される基板の少なくとも１層を含み、その上に数百ナノメートル〜数マイクロメートルの寸法で、移動コンポーネントの釈放時に第一の犠牲層としての役割を果たすシリコン酸化物（ＳｉＯ２）の第一の層が設置され、ＳｉＯ２の第一の層の上に数百ナノメートル〜数マイクロメートルの寸法で、ひずみゲージ及び薄いブレードを製作するために使用される単結晶シリコンの薄層（ＮＥＭＳ）が設置される：
−ひずみゲージ及び薄いブレードの外形を作るためのＮＥＭＳ層のパターンが、フォトリソグラフィ及びエッチングを使って製作される。
−次に、同じく数百ナノメートル〜数マイクロメートルの寸法のシリコン酸化物の第二の犠牲層が堆積される。このＳｉＯ２の第二の層はエッチングされ、それによってそれが次のステップの厚層（ＭＥＭＳ）のディープエッチング中にアレスト層としての役割を果たす特定の位置にのみ残る。それゆえ、ＭＥＭＳ層を保護できる。酸化物の第二の層は、最終的な釈放ステップ中に破壊される。
−次に、シリコンのエピタキシャル成長ステップが行われ、厚層（数マイクロメートル〜数十マイクロメートルの寸法のＭＥＭＳ）が得られる。この層は、ディープフォトリソグラフィ及びディープエッチング（「深掘り反応性イオンエッチング」）により成形される。
−最後に、移動コンポーネントがシリコン酸化物の犠牲層の部分的エッチングによって釈放される。ウェハは特に、有利な態様では気相のフッ化水素酸に、制御された持続時間にわたり暴露されてよい。

本発明による機械的接続はしたがって、圧力変動測定デバイスの製作に、例えばマイクロフォン又は圧力センサの製作に特に適している。外部環境と接触するダイアフラム又はピストンは、音圧の変動を検出し、有利な態様では容量式の検出手段がこれらの圧力変動を測定する。

検出手段は、キャパシタ、共振ビーム、ひずみゲージの形態のピエゾ抵抗若しくは圧電手段、又は前記手段の組合せを含んでいてよい。有利な点として、これらは少なくとも２つのキャパシタ、２つのひずみゲージ、又は２つの共振器を含んで、差分測定を行ってもよい。

１ 機械的接続
２ 固定コンポーネント
３ 第一の接続
４、４’、４’’、４’’’ 移動コンポーネント
５、５’ 第二の接続
６、６’ 検出手段
７、７’ 第三の接続
８ 伝達コンポーネント
９ 第四の接続
１０ レバーアーム
１０．１ レバーアームの第一の端
１０．２ レバーアームの第二の端
１６ シーリング膜
２０ 液密接続手段
２５ 固定ブロック
３１ ねじれブレード
６０ 減圧測定チャンバ
６１ 移動電極
６２、６２’、６３、６３’ 固定電極
７１、７１’ 曲げブレード
６１０、６１０’、６２０、６２０’ 指状部
ｄ 距離
ＯＸＹ 主平面
Ｘ 並進方向
Ｙ 回転方向
Ｙ３ ねじれ軸
Ｙ５、Ｙ５’ 回転軸
Ｙ７、Ｙ７’ 曲げ軸
Ｚ 面外方向

Claims (19)

1. 圧力変動測定微小電気機械及び／又はナノ電気機械デバイスのための機械的接続（１）であって、前記デバイスは主平面（ＯＸＹ）内に延びる固定コンポーネント（２）と、圧力変動の影響を受けて面外方向（Ｚ）に移動又は変形することのできる移動コンポーネント（４、４’、４’’、４’’’）と、少なくとも１つの移動要素（６１、６１’）を含む、前記移動又は前記変形を検出する検出手段（６、６’）と、を含み、
   前記機械的接続は、
   −レバーアーム（１０）と、
   −前記移動コンポーネント（４、４’、４’’、４’’’）を前記レバーアーム（１０）の第一の端（１０．１）に接続する第一の接続（３）であって、前記移動コンポーネントの前記面外移動を前記レバーアームの前記第一の端に伝達しながら、回転方向（Ｙ）の周囲での前記レバーアームの面外回転を可能にするように設計される第一の接続と、
   −前記レバーアーム（１０）の第二の端（１０．２）に接続され、主として、前記回転方向（Ｙ）に延びる回転軸（Ｙ５、Ｙ５’）の周囲での前記レバーアーム（１０）の面外回転を可能にするように構成される第二の接続（５、５’）と、
   −前記レバーアーム（１０）を前記検出手段（６、６’）に前記面外方向（Ｚ）への前記回転軸（Ｙ５、Ｙ５’）から所定の距離（ｄ）をおいて接続する第三の接続（７、７’）であって、前記回転軸（Ｙ５、Ｙ５’）と同じ方向（Ｙ）を辿るが、前記面外方向（Ｚ）において前記回転軸から前記距離（ｄ）だけずらされた曲げ軸（Ｙ７、Ｙ７’）の周囲での回転を可能にして、前記回転軸の周囲での前記レバーアーム（１０）の前記回転を前記少なくとも１つの移動要素（６１、６１’）の前記平面（ＯＸＹ）における並進方向（Ｘ）への並進に変換できるように設計される第三の接続と、
   を含む機械的接続（１）。
2. 前記検出手段（６、６’）は、前記検出手段の前記少なくとも１つの移動要素（６１、６１’）に接続された伝達コンポーネント（８）を含み、前記第三の接続（７、７’）は前記伝達コンポーネント（８）に、前記並進方向（Ｘ）への前記並進を前記伝達コンポーネントを介して前記移動要素に伝えるように接続されることを特徴とする、請求項１に記載の機械的接続（１）。
3. 前記少なくとも１つの移動要素（６１、６１’）に、又は前記伝達コンポーネント（８）に接続され、前記移動要素又は前記伝達コンポーネントを前記並進方向（Ｘ）への並進で案内するように構成された、スライド接続型の第四の接続（９）をさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の機械的接続（１）。
4. 前記第四の接続（９）は前記平面（ＯＸＹ）内で曲がる少なくとも１つの単純な厚い曲げブレード（９１）を含み、前記ブレードは前記並進方向（Ｘ）に細いことを特徴とする、請求項３に記載の機械的接続（１）。
5. 前記第四の接続（９）は前記平面（ＯＸＹ）内で曲がる少なくとも１つの二重の厚い曲げブレードを含み、各ブレードは前記並進方向（Ｘ）に細いことを特徴とする、請求項３に記載の機械的接続（１）。
6. 前記第一の接続（３）は、前記回転方向（Ｙ）に平行なねじれ軸（Ｙ３）の周囲で面外にねじれる少なくとも１つの厚いねじれブレード（３１）を含むことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の機械的接続（１）。
7. 前記第二の接続（５、５’）は、前記回転方向（Ｙ）の周囲で面外にねじれる少なくとも１つの第一の厚いねじれブレード（５１、５１’）及び／又は前記回転方向の周囲で面外に曲がる少なくとも１つの第二の曲げブレード（５２、５２’）を含み、前記第一及び／又は第二のブレードの各々は、例えば少なくとも１つの固定ブロック（２５）を使って、一方で前記レバーアーム（１０）に、他方で前記固定コンポーネント（２）に接続されることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の機械的接続（１）。
8. 前記第三の接続（７、７’）は、曲げ軸（Ｙ７、Ｙ７’）の周囲で面外に曲がる曲げブレード（７１、７１’）を含み、前記ブレードは前記並進方向（Ｘ）に延び、厚いブレード又は薄いブレードの何れかであり、前記曲げ軸（Ｙ７、Ｙ７’）は前記回転軸（Ｙ５、Ｙ５’）に平行であり、且つ前記面外方向（Ｚ）への前記回転軸に関して前記所定の距離（ｄ）だけずらされていることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の機械的接続（１）。
9. 主平面（ＯＸＹ）内に延びる固定コンポーネント（２）と、圧力変動の影響を受けて面外移動又は変形する移動コンポーネント（４、４’、４’’、４’’’）と、前記移動又は前記変形を検出する検出手段（６、６’）と、請求項１〜８の何れか１項に記載の機械的接続（１）と、を含み、前記機械的接続は、前記移動コンポーネント（４、４’、４’’、４’’’）を前記検出手段（６、６’）の少なくとも１つの移動要素（６１、６１’）に接続するように構成される圧力変動測定デバイス。
10. 前記移動コンポーネントは柔軟又は半剛体ダイアフラム（４、４’’、４’’’）であることを特徴とする、請求項９に記載の圧力変動測定デバイス。
11. 前記移動コンポーネントは剛体ピストン（４’）であることを特徴とする、請求項９に記載の圧力変動測定デバイス。
12. 減圧測定チャンバ（６０）と、前記測定チャンバを少なくとも部分的に閉鎖するシーリング膜（１６）と、前記測定チャンバの内部と外部との間の液密接続手段（２０）と、を含み、第一の接続（３）は前記測定チャンバの外部に位置付けられ、第二の接続（５）は前記液密接続手段（２０）に接続され、前記検出手段（６）と第三の接続（７）は前記測定チャンバ内に位置付けられることを特徴とする、請求項９〜１１の何れか１項に記載の圧力変動測定デバイス。
13. 前記検出手段（６）は前記第三の接続（７）又は伝達コンポーネント（８）に接続された移動電極（６１）と少なくとも１つの固定電極（６２）とを含み、前記電極は前記主平面（ＯＸＹ）内に延び、前記移動電極と前記少なくとも１つの固定電極との間のエアギャップは、前記主平面内の前記電極の寸法及び前記電極の厚さにより画定され、前記第三の接続によって前記移動電極（６１）へと伝達される並進運動は前記移動電極と前記少なくとも１つの固定電極との間の前記エアギャップを並進方向（Ｘ）に変化させることができることを特徴とする、請求項９〜１２の何れか１項に記載の圧力変動測定デバイス。
14. 前記電極（６１、６２）は幾つかの指状部（６１０、６２０）を含み、前記移動電極（６１）の前記指状部（６１０）は、前記少なくとも１つの固定電極（６２）の前記指状部（６２０）と相互に組み合わせられることと、前記電極（６１、６２）の前記指状部（６１０、６２０）は前記移動電極（６１）に伝達される前記並進の前記方向（Ｘ）に垂直に延びることとを特徴とする、請求項１３に記載の圧力変動測定デバイス。
15. 前記検出手段（６’）は、前記第三の接続（７）又は前記伝達コンポーネント（８）に接続された移動電極（６１’）と少なくとも１つの固定電極（６２’）とを含み、前記電極は前記主平面（ＯＸＹ）内に延び、前記移動電極と前記少なくとも１つの固定電極の相互に対向する表面積は、前記主平面内の前記電極の寸法及び前記電極の厚さにより画定され、前記第三の接続によって前記移動電極に伝達される前記並進運動は、前記移動電極と前記少なくとも１つの固定電極の相互に対向する表面積を前記並進方向（Ｘ）に変化させることができることを特徴とする、請求項９〜１２の何れか１項に記載の圧力変動測定デバイス。
16. 前記電極（６１’、６２’）は幾つかの指状部（６１０’、６２０’）を含み、前記移動電極（６１’）の前記指状部（６１０’）は前記少なくとも１つの固定電極（６２’）の前記指状部（６２０’）と相互に組み合わせられることと、前記電極（６１’、６２’）の前記指状部は前記移動電極（６１）に伝達される前記並進の前記方向（Ｘ）に延びることとを特徴とする、請求項１５に記載の圧力変動測定デバイス。
17. 前記検出手段は差分検出を行うように２つの固定電極（６２，６２’、６３、６３’）を含むことを特徴とする、請求項１２〜１６の何れか１項に記載の圧力変動測定デバイス。
18. 前記検出手段は共振ビームと、前記ビームの横にある励起手段と、横方向への前記ビームの変形を測定する手段、例えば前記共振ビームの何れかの側のピエゾ抵抗ゲージと、を含む、請求項９〜１２の何れか１項に記載の圧力変動測定デバイス。
19. 請求項１〜８の何れか１項に記載の少なくとも２つの機械的接続（１）を含むことを特徴とする、請求項９〜１８の何れか１項に記載の圧力変動測定デバイス。

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