JP3126467B2 - 圧力または加速度センサ - Google Patents

圧力または加速度センサ

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JP3126467B2
JP3126467B2 JP04042981A JP4298192A JP3126467B2 JP 3126467 B2 JP3126467 B2 JP 3126467B2 JP 04042981 A JP04042981 A JP 04042981A JP 4298192 A JP4298192 A JP 4298192A JP 3126467 B2 JP3126467 B2 JP 3126467B2
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    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、単結晶シリコン担体を
有する、圧力または加速度測定用のセンサであって、前
記シリコン担体の第1主表面には薄膜の列が被着されて
おり、当該薄膜層には少なくとも1つの第1部分構造体
を有する構造体が構成されており、該第1部分構造体は
シリコン担体の第1主表面に対して平行に配向されてお
り、前記第1部分構造体と主表面との間には空隙が存在
するセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】“Fine Grained Polysilicon and its A
pplication to Planar PressureTransducers”,H.Gruck
elら著、Transducer、1987年、277頁
〜282頁には、表面マイクロ技術での圧力センサの製
造方法が記載されている。この製造方法では、3次元の
センサ構造体(例えばダイヤフラム構造体、舌片構造体
またはブリッジ構造体)が、単結晶のシリコン基板に分
離された薄膜の列により形成される。変位可能ないし変
形可能なセンサ構造体は、まず構造化されたシリコン酸
化物層を基板に被着し、引続きこのシリコン酸化物層上
にポリシリコン層を分離することによって得られる。ポ
リシリコン層の構造化と側方の下部エッチングにより、
構造化されたシリコン酸化物層が除去され、センサ構造
体がポリシリコン層に露出される。本明細書ではさら
に、製造方法の種々異なる工程パラメータがセンサ構造
体の材料特性に及ぼす作用についても述べる。この種の
センサの機能と信頼度はほとんど材料の特性、例えば弾
性係数に依存している。この材料からセンサの変位可能
ないし変形可能な要素が製造される。
【0003】未公開のドイツ特許出願P402249
5.3号からさらに、3層シリコンウェーハのセンサ構
造体の製造方法が公知である。ここでは、シリコンウェ
ーハの両側外部層に、振動可能な震動質量体に対する保
持ウェッブが構成されている。
【0004】発明の利点 請求項1の特徴を有する本発明のセンサは、容積マイク
ロ技術で製造されたセンサの利点と表面マイクロ技術で
製造されたセンサの利点とを組み合せ、それぞれの製造
方法で発生する欠点を回避したという利点を有する。本
発明のセンサは、単結晶のシリコン担体から構造化され
た可動のダイヤフラムを有し、この可動のダイヤフラム
は補強部領域を備えている。この補強部領域は容積マイ
クロ技術の方法により、簡単に良好な再現性で製造する
ことができる。ダイヤフラムはシリコン担体の第1の主
表面に構成されており、この主表面には薄膜の列が被着
されている。これらの薄膜には少なくとも1つの部分構
造体を有する構造体が構成されている。この部分構造体
はシリコン担体に対して平行に配向されている。これは
表面マイクロ技術で実現すると特に有利である。第1の
部分構造体はコンデンサの電極を形成し、補強部領域で
ダイヤフラムと結合されている。第1の部分構造体は少
なくとも一部がダイヤフラムを越えてダイヤフラムの固
定フレーム上方に延びている。ここには少なくともコン
デンサの対向電極が配置されている。コンデンサの電極
間の距離は、表面マイクロ技術法の良好なプロセス特性
により非常に小さい。これにより僅かな構造容積と構造
容積に比較して高い定常容量を有するセンサが実現され
る。特に有利にはセンサに及ぼされる加速度または圧力
が単結晶ダイヤフラムの変形を惹起するが、しかし電極
として用いる部分構造体は変形されないように構成す
る。この部分構造体は変形されるのではなく、変位さ
れ、これが容量的に検出される。というのは、この部分
構造体はダイヤフラムの補強部領域でフレームに対し、
特にそこに取り付けられた構造体、例えば対向電極に対
して固定されているからである。従い表面マイクロ技術
でシリコン担体上に被着された構造体は変形されず、専
ら単結晶ダイヤフラムの変形を検出するために用いる。
このダイヤフラムの剛性はまず第1に、単結晶シリコン
の非常に良好に定められた材料パラメータに依存する。
そのため簡単に、所定の再現可能な感度を有するセンサ
を製造することができる。この簡単なセンサ構造は特に
ICコンパティブルである。
【0005】従属請求項に記載された手段により請求項
1に記載されたセンサの有利な実施形態が可能である。
有利には本発明のセンサを、第2の部分構造体により簡
単に、付加的にボンディングされたウェーハなしでも十
分な測定信号増幅型差動コンデンサ装置として実現する
のである。また特に有利には、センサの表面構造体をポ
リシリコン層または単結晶シリコン層から構造化するの
である。そのための技術は十分に公知であり、容易に操
作できるからである。さらにダイヤフラムが補強部領域
で付加質量体13を有するように構成すると有利であ
る。この構成により一方では、ダイヤフラムが補強部領
域で湾曲しないで変形することが回避され、他方では測
定効果の増幅と線形化がなされる。シリコン担体を使用
することは、特にシリコン担体を異方性エッチングによ
り構造化する場合に有利である。このシリコン担体は複
数の層を有し、それらの間にドーピング移行が生じる。
コンデンサの電極の電気端子並びにシリコン担体の第1
の主表面上に配置された対向電極は簡単には、シリコン
担体の第1の主表面での拡散により実現される。本発明
のセンサの機能に対して、センサの表面構造体をシリコ
ン担体の第1の主表面に気密に封鎖すると有利である。
これは有利にはポリシリコンまたは単結晶シリコン製の
カバーにより実現される。カバー内は所定の圧力、有利
には真空であり、これによりセンサの減衰度が定められ
る。カバーはさらに外部の影響によるセンサの汚れおよ
び破壊に対する保護として用いられる。コンデンサ装置
の電極が、例えば粘着により相互に接着してしまうのを
回避するため、表面構造体の全面およびシリコン担体の
第1主表面上に、少なくともこの構造体の領域に低電位
の不動態層、有利にはニトリド層を被着する。特に有利
には、センサのコンデンサ構造体を専らシリコン担体表
面とポリシリコン層のみに構成するのである。本発明で
はこれは次のようにして構成される。すなわち、中央電
極の一部が表面構造体として、また一部が第1のシリコ
ン担体主表面に形成され、第1の対向電極がシリコン担
体主表面へ、表面構造体として構成された中央電極の一
部下方で拡散され、第2の対向電極が固定して張設れた
表面構造体として、中央電極の一部の上方に形成され、
この中央電極がシリコン担体の補強部領域の第1主表面
へ拡散されるようにして構成するのである。
【0006】本発明のセンサを加速度センサとして使用
する場合、付加質量体の周りのダイヤフラムに裂部を設
けると有利である。これにより、付加質量体はダイヤフ
ラム内に構成されたウェッブによってのみ懸架される。
このような加速度センサの横方向の感度を減少するため
に、付加質量体は付加的にシリコン担体の第2主表面の
下側でフレームに結合されている。加速度センサを常
時、機能検査すると有利である。そのために、シリコン
担体の下側へ下部カバーを被着する。この下部カバーは
付加質量体の領域に空洞を有する。センサ下側の付加質
量体の領域には、第1の励起電極が配置されている。そ
れに対向する空洞の底面には、第2の励起電極が配置さ
れている。さらに2つの電極の間に電圧を印加するため
の手段が設けられている。これにより、付加質量体を静
電的に変位することができる。この変位が加速度と同様
に、シリコン担体の表面に配置された構造体により検出
される。この常時の機能検査は特に安全装置の加速度セ
ンサに対して有利である。
【0007】
【実施例】本発明の実施例を以下図面に基づき詳細に説
明する。
【0008】図1には、10により単結晶シリコン担体
が示されている。シリコン担体はこの実施例のように1
つの層からなることができるが、複数の層からなること
もでき、その場合層の間にはドーピング移行が生じる。
シリコン担体10は構造化されている。そのため、シリ
コン担体はフレーム11とダイヤフラム12を有する。
ダイヤフラム12はシリコン担体10の第1の主表面に
構成されており、その中央領域に補強部を有する。補強
部内には付加質量体13が構成されている。加速度また
は圧力が担体平面に対して垂直に作用すると、ダイヤフ
ラムはその縁部領域が変形して変位する。シリコン担体
10の第1主表面には構造体50が被着されている。こ
の構造体は複数の部分構造体を有している。構造体50
は有利には、ポリシリコン層または単結晶シリコン層か
ら製造される。このような構造体を製造するための方法
は従来の技術から十分に公知であり、従いここでは詳細
に説明しない。構造体50の第1部分構造体は架台21
により構成される。この架台から舌片221と222が
出ている。これらの舌片はシリコン担体の第1主表面に
対して平行に配向されている。第1構造体はまた、カバ
ープレートを有する架台21により構成することもでき
る。このカバープレートは全面で架台を越えて突出して
おり、舌片211、222と同じ機能を有している。架
台21はダイヤフラム12の補強部領域に配置されてい
る。舌片221と222はダイヤフラム12を越えてフ
レーム11上方に延びている。舌片221、222とシ
リコン担体10の第1主表面との間には空隙が存在す
る。構造体50の2つの別の部分構造体はフレーム11
の領域に配置された架台311、312により形成され
る。これらの架台からそれぞれ舌片321と322が張
出している。この舌片321、322は同様にシリコン
担体の第1主平面に対して平行に配向されているが、し
かしダイヤフラム12の方向に向いている。架台311
と312の高さにより、これらは第1構造体の舌片22
1、222を越えて突出している。第1構造体の舌片2
21、222と第2構造体の舌片321、322との間
にも空隙が存在する。舌片221と222を有する第1
構造体は差動コンデンサの中央電極を形成する。中央電
極は導線18を介して接触接続している。導線はシリコ
ン担体10の第1主表面の架台21の領域で接続拡散の
形態で構成されている。第1構造体の舌片221、22
2に対向してシリコン担体10の第1主表面には、それ
ぞれ拡散された対向電極161と162が配置されてい
る。しかしこの対向電極は、例えば表面金属化の形態で
も実現することができる。2つの別の部分構造体は差動
コンデンサの第2の対向電極301、302を構成す
る。これらの対向電極は同様に導線171と172によ
り接触接続されている。これらの導線は架台311と3
12の領域でシリコン担体10の第1主表面へ拡散され
ている。図1に図示されたセンサへ担体平面に対して垂
直に作用する力は、ダイヤフラム12の縁部領域を変形
させ、ダイヤフラム12の変位を惹起する。その際、中
央電極として用いる舌片221、222と第1の対向電
極161、162ないし第2の対向電極301、302
との間隔も変化する。この間隔変化は差動コンデンサの
容量変化として検出される。構造体50、特に中央電極
と対向電極は変形されないことを述べておく。変形され
るのは単結晶シリコンダイヤフラム12だけであり、そ
の材料には疲労が発生せず、非常に簡単に再現性をもっ
て製造することができる。
【0009】図2に示されたセンサはシリコン担体10
を有する。このシリコン担体は図1に示されたセンサの
シリコン担体10と同じである。従い以下、相応する構
造素子に対しては同じ参照番号を用いる。シリコン担体
10には同様に構造体50(有利にはポロシリコン製ま
たは単結晶シリコン製)が被着されている。構造体50
はそれぞれ架台211と212からなる2つの第1部分
構造体とここからでる舌片221と222を有してい
る。2つの第1部分構造体はそれぞれダイヤフラム12
の補強部領域の縁部でシリコン担体10の第1主平面上
の架台211と212上に被着されている。舌片221
と222はシリコン担体10の第1主平面に対して平行
に配向されており、ダイヤフラム12を越えてフレーム
11上方に突出している。舌片221、222とシリコ
ン担体10の第1主平面との間には空隙が存在する。2
つの第1部分構造体は、補強部領域でダイヤフラム12
に拡散された電極15を介して相互に導電的に接続され
ている。フレーム11の領域ではそれぞれ舌片221、
222に対向して、第1の対向電極161と162がシ
リコン担体10の主平面へ拡散されている。電極15、
161と162は別の仕方で、例えば別のポリシリコン
層により実現することができる。第2の対向電極25は
構造体50の別の部分構造体により形成されている。こ
の対向電極25はブリッジ状に、フレーム11に一方の
側からフレーム11の対向する側へダイヤフラム12の
補強部の上を2つの第1部分構造体の架台221と22
2の間で張設されている。このセンサの場合、舌片22
1と222を有する2つの第1部分構造体並びに架台2
11と212が、ダイヤフラムへ拡散された電極15と
共に差動コンデンサの中央電極として用いられる。差動
コンデンサの第1対向電極161と162はフレーム1
1の表面に配置されている。第2対向電極25は、ダイ
ヤフラム12へ拡散された電極15の上部に配置されて
いる。担体表面に対して垂直に力が作用した際のダイヤ
フラム12の変位は、図1に示したセンサでは、差動コ
ンデンサの中央電極の一部である舌片221、222と
第1対向電極161、162との間の距離変化を惹起す
る。さらにダイヤフラム12と第2対向電極25との間
の距離も変化する。この場合、ダイヤフラム12の表面
には電極15が中央電極の一部としては位置されてい
る。従い、ダイヤフラム12の変位は再び容量的に差動
コンデンサ装置によって検出される。図1に示したセン
サとは反対に、図2に示したセンサの構造体50は実質
的にシリコン担体10の第1主表面上に分離された別の
層にのみ構成される。構造体50のこの構成によって、
図1に示した構造体50の構成と比較して、工程ステッ
プがセンサの製造の際に節約される。
【0010】図3には、図2のセンサの正面図が示され
ている。シリコン担体10の第1主表面がその上に被着
された構造体50により示されているが、フレーム1
1、ダイヤフラム12の領域および付加質量体13を有
する補強部領域13も示されている。第1部分構造体の
舌片211と222は、第1構造体の補強部の縁部に配
置された架台211、222から出て、オール状に構成
されている。舌片221、222はダイヤフラム12の
領域を越えて、少なくとも一部はフレーム11の領域の
上方に延びている。フレーム11上には舌片221と2
22に対向してそれぞれ、第1対向電極161と162
が配置されている。第2対向電極25を形成する第2部
分構造体はブリッジ状に、フレーム11の一方の側から
フレーム11の対向する側へダイヤフラム12上に張設
されている。第2部分構造体は例えば接続拡散により接
触接続可能である。第2対向電極25は第1部分構造体
の架台211と212との間に配置されており、かつ補
強部領域に配置された電極15の上方に配置されてい
る。この電極15は2つの第1部分構造体間の導電接続
を行う。2つの第1部分構造体および第2部分構造体は
この例では1つの共通の層から構造化される。
【0011】図4には、図2および図3に相応するセン
サが示されており、このセンサはカバー40を有する。
このカバーは例えばポリシリコン層または単結晶シリコ
ン層により実現され得る。この層は全センサ構造体から
突出し、これを気密に封鎖する。従い、カバー40内を
所定の圧力、例えば真空に調整することができる。圧力
はセンサの減衰特性を定める。
【0012】図5には、構造体50を有する加速度セン
サとしての本発明のセンサの構造が示されている。構造
体50は図2、図3に相応する。ここではシリコン担体
10は上部層8を有し、この上部層にダイヤフラム12
の一部が構成されている。シリコン担体10の下側には
下部層9が被着されている。この下部層は有利には同様
に単結晶シリコン層である。加速度センサとしてのセン
サの適用のために、ダイヤフラム12は部分的に貫通エ
ッチングされている。これにより付加質量体13はウェ
ッブにのみ懸架される。震動質量として用いる付加質量
体13は、ダイヤフラム12の平面内にはない質量重心
を有しているから、震動質量13は下部層9に構成され
て固定ウェッブ14により付加的にフレーム11と結合
されている。この手段により、横加速度に対する感度が
低減される。両側pnエッチング停止限界によるこの主
の構造体の実現は既に従来の技術から公知である。
【0013】図6には、図5に相応する加速度センサが
示されている。このセンサの下側には下部カバー45が
被着されている。下部カバーは例えばシリコンウェーハ
またはガラス担体により実現することができる。付加質
量体13と固定ウェッブ14の領域に下部カバー45は
空洞44を有する。下部層9上の付加質量体13の領域
に、第1の励起電極46が配置されている。この励起電
極は拡散または金属化により実現し得る。空洞44の底
面には第1励起電極46に対向して第2の励起電極47
が被着されている。これも同様に金属化の形で実現され
る。励起電極46と47の間に電圧を印加することによ
り、付加質量体13が静電的に変位される。この変位も
加速度と同様に、シリコン担体10の上側の差動コンデ
ンサ構造体により検出できる。励起電極46と47は差
動コンデンサ装置とは別個であるので、センサのこの機
能検査はセンサの動作中も可能である。このことは安全
装置の加速度センサに対して特に有利である。
【0014】図1から図6に図示された本発明のセンサ
のコンデンサ構造の電極を表面マイクロ技術で実現する
際に、“相互に接着する”ことを回避するために、有利
には全コンデンサ構造体のすべての側およびシリコン担
体の第1主表面へ、表面構造体の領域で電位の弱いパッ
シブ層、有利にはニトリド層が分離される。これにより
付着ないし過負荷によるセンサの短絡が回避される。
【0015】
【発明の効果】本発明により、圧力および加速度測定用
のセンサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセンサの模式的断面図である。
【図2】本発明の別のセンサの断面図である。
【図3】図2のセンサの正面図である。
【図4】図2および図3に相応する、カバー付センサの
断面図である。
【図5】加速度センサの断面図である。
【図6】機能検査機能を有する、図5の加速度センサの
断面図である。
【符号の説明】 10 単結晶シリコン担体 11 フレーム 12 ダイヤフラム 13 付加質量体 18 線路 21 架台 50 構造体 161、162 対向電極 221、222 舌片
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−301575(JP,A) 実開 昭60−88247(JP,U) 実開 平1−154443(JP,U) 米国特許4736629(US,A) 国際公開90/3430(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 9/12 G01P 15/125 H01L 29/84

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶シリコン担体を有する、圧力また
    は加速度測定用のセンサであって、前記シリコン担体の
    第1主表面には薄膜の列が被着されており、当該薄膜層
    には少なくとも1つの第1部分構造体を有する構造体が
    形成されており、該第1部分構造体はシリコン担体の第
    1主表面に対して平行に配向されており、前記第1部分
    構造体と主表面との間には空隙が存在するセンサにおい
    て、 −シリコン担体(10)は構造化されており、第1の主
    表面に構成された変位可能なダイヤフラム(12)を備
    えたフレーム(11)を有し、 −前記ダイヤフラム(12)は補強部領域を有し、 −前記第1部分構造体は補強部領域で前記ダイヤフラム
    (12)と結合されており、 −第1部分構造体はダイヤフラム(12)を越えて少な
    くとも一部がフレーム(11)の上方へ延びており、 −第1部分構造体はコンデンサの電極を形成し、 −コンデンサの少なくとも1つの対向電極(161、1
    62)はフレーム(11)の領域で、前記第1部分構造
    体に対向して配置されている、 ことを特徴とする圧力または加速度センサ。
  2. 【請求項2】 −少なくとも1つの第2部分構造体が設
    けられており、該第2部分構造体はフレーム(11)の
    領域でシリコン担体(10)と結合されており、 −少なくとも1つの第2部分構造体は電極に対する少な
    くとも1つの第2対向電極を形成し、少なくとも1つの
    第2対向電極は少なくとも1つの第1対向電極(16
    1、162)および中央電極としての電極と共に差動コ
    ンデンサを形成する請求項1記載のセンサ。
  3. 【請求項3】 −前記構造体(50)はポリシリコン層
    または単結晶シリコン層から構造化されている請求項1
    または2記載のセンサ。
  4. 【請求項4】 −前記ダイヤフラム(12)は補強部領
    域に付加質量体(13)を有している請求項1から3ま
    でのいずれか1記載のセンサ。
  5. 【請求項5】 −シリコン担体(10)は上部層(8)
    を有し、該上部層にダイヤフラム(12)の一部が構成
    されている請求項1から4までのいずれか1記載のセン
    サ。
  6. 【請求項6】 −コンデンサの電極の電気接続部は、シ
    リコン担体(10)の第1主表面へ拡散されている請求項
    1から5までのいずれか1記載のセンサ。
  7. 【請求項7】 −コンデンサの少なくとも1つの第1対
    向電極(161、162)は、フレーム(11)の第1
    主表面へ拡散されている請求項1から6までのいずれか
    1記載のセンサ。
  8. 【請求項8】 −構造体(50)は、カバー(40)に
    より気密に封鎖されており、該カバーはシリコン担体
    (10)の第1主表面へ被着されており、有利にはポリ
    シリコン製または単結晶シリコン製である請求項1から
    7までのいずれか1記載のセンサ。
  9. 【請求項9】 −カバー(40)内は所定の圧力、有利
    には真空である請求項8記載のセンサ。
  10. 【請求項10】 −構造体50のすべての部分構造体の
    すべての側およびシリコン担体(10)の第1主表面に
    は、少なくとも構造体50の領域で電位の弱いパッシブ
    層、有利にはニトリド層が被着されている請求項1から
    9までのいずれか1記載のセンサ。
  11. 【請求項11】 −少なくとも1つの第2部分構造体は
    少なくとも1つの架台(311、312)を有し、当該
    架台から舌状に構成された少なくとも1つの第2対向電
    極(301、302)が張出しており、少なくとも1つ
    の第2部分構造体は少なくとも1つの架台(311、3
    12)を介してフレーム(11)と結合されており、 −少なくとも1つの第2対向電極は、中央電極を形成す
    る第1部分構造体に対して平行に配向されており、少な
    くとも一部は当該第1部分構造体の上方へ延びている請
    求項1から10までのいずれか1記載のセンサ。
  12. 【請求項12】 −少なくとも1つの第1部分構造体は
    架台(211、212)を有し、当該架台から舌状に構
    成された少なくとも1つの可動の中央電極(221、2
    22)が張出しており、少なくとも1つの第1部分構造
    体は少なくとも1つの架台(211、222)を介して
    ダイヤフラム(12)と結合されており、 −少なくとも1つの架台(211、212)は補強部領
    域の縁部に配置されており、少なくとも1つの可動の中
    央電極(221、222)はシリコン担体(10)の第
    1主表面に対して平行に配向されており、フレーム(1
    1)の上方に突出しており、 −ダイヤフラム(12)の補強部領域には少なくとも1
    つの電極(15)が配置されており、該電極は少なくと
    も1つの可動の中央電極(221、222)と導電的に
    接触接続しており、 −少なくとも1つの電極(15)の上方では少なくとも
    1つの第1部分構造体の少なくとも1つの架台(21
    1、212)の他に、少なくとも1つの第2部分構造体
    として、両側でフレーム(11)と結合され、ブリッジ
    状に構成された第2対向電極(25)が配置されている
    請求項1から10までのいずれか1記載のセンサ。
  13. 【請求項13】 −ダイヤフラム(12)は付加質量体
    (13)の周囲で貫通されており、これにより付加質量
    体はダイヤフラム内(12)に構成されたウェッブにの
    み懸架される請求項4から12までのいずれか1記載の
    センサ。
  14. 【請求項14】 −シリコン担体(10)の第2主表面
    には下部層(9)、有利には単結晶シリコン層が被着さ
    れており、 −下部層(9)には固定ウェッブ(14)が構成されて
    おり該固定ウェッブは付加質量体(13)をフレーム
    (11)と結合する請求項4から13までのいずれか1
    記載のセンサ。
  15. 【請求項15】 −下部層(9)に対して下部カバー
    (45)が被着されており、該下部カバーは付加質量体
    (13)の領域に空洞(44)を有し、 −下部層(9)には付加質量体(13)の領域で少なく
    とも1つの第1励起電極(46)が配置されており、 −少なくとも1つの第1励起電極(46)に対向して、
    空洞(44)の底面には少なくとも1つの第2励起電極
    (47)が配置されており、 −励起電極(46、47)間に電圧を印加するための手
    段が設けられている請求項14記載のセンサ。
  16. 【請求項16】 −下部カバー(45)はガラス担体ま
    たはシリコン担体から形成される請求項15記載のセン
    サ。
  17. 【請求項17】 −圧力供給部がシリコン担体(10)
    の第2主表面に配置されている請求項1から12までの
    いずれか1記載のセンサ。
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