JP4378617B2 - 微小電気機械センサー - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、米国特許法第１１９条に基づき、米国仮特許出願第６０／３０６，１７５号（出願日：２００１年７月１７日）の優先権を享受する。

関連技術

本発明は、一般的には、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）の分野に関する。より詳細には、本発明は、可変容量式の微小電気機械センサーに関する。

発明の背景

変換器は、一般的には、エネルギの１つの形式の入力をエネルギの別の形式の出力に変換する装置である。光を電気信号に、機械エネルギを電気信号に、温度を圧力に、圧力を電気信号に、加速度を電気信号に、電気信号を動きに変換するものや、これらの逆方向に変換するものなど、多数の種類の変換器を利用することができる。異種のエネルギの間で動作する機器又は装置には、一種類又はそれ以上の変換器が必要である。変換器は、その用途に基づいた必要な精度、正確度、感度、及び信頼性に応じて、安価なものから非常に高価なものまでの範囲をとりうる。

圧力変換器は、一般的には、圧力を感知してそれを電気エネルギに変換する装置である。従来の圧力変換器の種類として、容量式変位変換器があげられ、この一例を図１Ａと図１Ｂに示してある。この従来の変換器は、シリコン層１２を挟んでいる２つのガラス層１０を有しており、金属電極１４と１６がそれぞれ正と負のコンデンサ板を形成している。シリコン層１２は、薄いダイヤフラムを形成しており、類似する浅い隙間によってダイヤフラムがコンデンサ板から隔てられている。ダイヤフラムは、ダイヤフラムの２つの側面の間の圧力差に応答して撓む。この撓みによって、ダイヤフラムと電極との間の隔たりが変わり、一方の容量が減少すると同時に他方の容量が増す。変換器の容量と、従って容量に対応する圧力は、適切な回路を使用して測定することができる。容量式変位変換器装置の更に詳細な説明は、米国特許第４，９９６，６２７号、タイトル「高感度小型圧力変換器（Ｈｉｇｈ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）」に記載されており、この文書は本文書に参考とすることにより組み込まれている。

このような従来の変換器構造に関連する１つの問題は、ガラスとシリコンの熱機械特性が一致しないことである。低圧を感知するには、引張りばねとして機能する高アスペクト比（例：厚さに対する半径の比が大きい）のダイヤフラムが必要であり、このダイヤフラムの剛性は主にその張力によって決まる。しかしながら、ガラスとシリコンは熱膨張特性が同じではなく、この差がダイヤフラムの張力に大きく影響することがある。この結果として、ガラスを主材料とする構造で製作されている低圧感知変換器の精度は、温度の関数として予測不可能に変化することがある。ダイヤフラムの張力も個々の変換器ごとに変わり、なぜならダイヤフラムの同じ張力を正確に複製することが困難なためである。

また、従来の変換器のほとんどは、測定する変数（例：圧力）に対する感度が一定である。従来の圧力変換器は、かかっている圧力に対して一般には線形的に増大する出力信号を持つ。従来の圧力変換器における最大の不正確性は、同相モード誤差又は絶対誤差から成り、この誤差源は圧力とは無関係である。この種類の不正確性又は誤差は、測定範囲内のすべてのポイントにおいて同じになる。従って、読みが割合として表されるとき、誤差は最大圧力にて最小であり、かつ最小圧力にて最大である。最小圧力がゼロであるときには、誤差は無限大になる。しかしながら、多くの用途で、圧力範囲の下端における精度の高い変換器が必要とされている。通常モードの不正確性は、測定範囲内のすべてのポイントにおいて同じ誤差割合として現れ、なぜなら、低い圧力範囲では絶対誤差が小さくなるためである。通常モード誤差のみを示す変換器のことを、高い「ダイナミックレンジ」を示すと言う。ダイナミックレンジは、許容される最大の不正確性の割合が与えられたとき、変換器がその精度範囲内で測定する測定範囲の大きさのオーダーの数として表される。結果としての出力信号特性は、圧力に対して「対数線形」である。このような対数線形信号特性を示す高感度の圧力変換器も、最大のダイナミックレンジを示す。しかしながら、この分野には、低レンジ精度の相対誤差装置を呈すると同時に、再現性が比較的良く製造の費用効果が高い微小センサーが提供されていない。

本発明の１つの実施形態は、可変容量式微小電気機械変換器である。詳細には、本発明による変換器は、コンデンサの電極として機能する基板と、基板の上に配置されている誘電体材料と、誘電体材料の上に配置されているスペーシング部材と、もう一方の電極として誘電体材料の上に配置されている弾性要素とを備えている。弾性要素の一部は、誘電体材料から隔てられており、その一方で、弾性要素の別の部分が誘電体材料と接触している。１つの実施形態においては、弾性要素と誘電体材料との間の接触領域は、コンデンサの有効な電極領域をほぼ構成し、弾性要素にかかっている外力の量と弾性要素の張力の成分との間の差に対応する。変換器の容量は、容易に測定することができ、変換器の容量から弾性要素の張力を推測することができる。従って、弾性要素にかかっている外力の量を変換器の容量から計算することができる。

弾性要素の張力が主として弾性要素の寸法によって決まる従来の容量式変位変換器と異なり、本発明の弾性要素の張力は、スペーシング部材の高さによって一次的に決まり、弾性要素の寸法によって二次的に決まる。ＭＥＭＳとその他の半導体装置製造工程及び技術を使用することにより、弾性要素の寸法を微細に制御して複製することができ、スペーシング部材の高さは更に微細に制御して複製することができる。従って、本発明の実施形態の圧力変換器の正確度と精度は、従来の圧力変換器の正確度と精度よりも劇的に向上している。

弾性要素の動きは、圧力の変化や加速度など多数の様々な手段によって生じさせることができる。従って、本発明の変換器は、圧力変換器、加速度計、比重計、流量計などとして構成することができる。

本発明の１つの実施形態においては、スペーシング部材は、弾性要素のほぼ中央に位置させることができる。この実施形態においては、弾性要素の中央部分は、スペーシング部材によって誘電体材料から隔てれられており、弾性要素の周辺部分は、誘電体材料と接触している。本発明によると、この構造の変換器は、弱い力の領域における力の変化に対する感度が高い。本発明においては、変換器の構成は、かかっている力に対する対数線形の感度を示すことが好ましく、これによってダイナミックレンジを最大にすることができる。

本発明の別の実施形態においては、スペーシング部材は、弾性要素の周辺部分が誘電体材料から隔てられるように、弾性要素の周辺部分に沿って位置させることができる。この実施形態においては、弾性要素の中央部分は、誘電体材料と接触している。本発明によると、この構造の変換器は、高い力又は高い圧力の範囲において高い感度を持つ。

本発明の更に別の実施形態においては、スペーシング部材は２つの部分を含むことができる。一方の部分は弾性要素のほぼ中央に位置し、他方の部分は弾性要素の周辺領域に沿って位置している。この実施形態においては、接触領域は環形状をとる。このような変換器のスペーシング部材は、変換器が力又は圧力に対する線形の感度を示すようにその大きさと位置を決めることができる。

いくつかの実施形態においては、誘電体材料は、基板に面している弾性要素の面の上に配置することができる。これらの実施形態においては、スペーシング部材は、誘電体材料及び弾性要素の一部を基板から隔てるために使用することができる。有効な電極領域は、誘電体材料と基板との間の接触領域にほぼ一致する。

本発明の別の実施形態は、２つの流体の間の差圧を測定する圧力変換器である。この実施形態の圧力変換器は、コンデンサ電極として機能する基板と、基板の両側の面の上に配置されている双方向応答のための弾性要素とを含んでいる。可動電極として機能する弾性要素と基板は、共通の電極を共有する２つのコンデンサを形成する。この変換器は、弾性要素を流体の両方に露出させることのできる、基板を貫通する穴を更に含んでいる。差圧は、２つのコンデンサの容量を測定することによって測定することができる。１つの好ましい実施形態においては、基板は、金属化層を持つガラスから作製されており、弾性要素はシリコンから作製されているダイヤフラムとして形成されている。この実施形態においては、変換器は、シリコンウェハから「オールシリコン構造」として構築することができる。オールシリコン構造は、ＭＥＭＳ及び集積回路において一般に見かけるシリコンの形式で構成され、ガラスとシリコンの間の熱機械的な不一致が生じにくい。

本発明の更に別の実施形態においては、差圧を測定する圧力変換器は、基板と、基板の一方の面の上に配置されている弾性要素と、基板の他方の面の上に配置されている隔離体とを備えている。好ましい実施形態においては、隔離体は、変換器の容量を変えたり変換器と化学的に反応することのある外部の流体が、弾性要素と基板との間に入ることを防止する薄膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）として形成されている。弾性要素と隔離体によって囲まれる空間に標準流体（ｇａｕｇｅ ｆｌｕｉｄ）を含めて、隔離体と弾性要素との間の圧力を伝えることができる。この場合にも、弾性要素はダイヤフラムとして形成することができる。

本発明の上記及びその他の実施形態について、以下に更に説明する。

本発明をよりよく理解するためには、添付の図面と関連しながら進められている以下の詳細な説明を参照すべきである。

図２に示すように、本発明の実施形態による変換器２００は、基板２３０と、（基板２３０の上に配置することができる）誘電体材料２２０と、スペーシング部材２４０と、誘電体２２０の上に配置されている弾性層２１０とを有する。図示した実施形態においては、基板２３０は、コンデンサの電極として機能するオプションの導電層２８９を含んでいる。弾性層２１０は、コンデンサのもう一方の電極として機能するように構成されているダイヤフラム部分２１５を含んでいる。ダイヤフラム部分２１５は、少なくとも部分的に誘電体２２０からスペーシング部材２４０によって隔てられている。図２に示すように、誘電体２２０は、誘電体材料の層を有し、この材料は、当業者が公知の誘電体材料から選択することができる。これに代えて、誘電体２２０は、真空層として構成してもよい。空隙２２２は、ダイヤフラム部分２１５と誘電体２２０との間にスペーシング部材２４０によって形成されており、空にするか、又は、変位性（ｄｉｓｐｌａｃｅａｂｌｅ）又は圧縮性の非導電性流体（例：空気）を好ましくは所定の初期圧力にて含めることができる。この分野における通常の技能を有する者に理解されるように、容量測定回路は、電気接点２９９と導電層２８９を通じて変換器２００に接続することができる。

この実施形態によると、ダイヤフラム部分２１５は、張力に起因して、外力（例：圧力）に応答して弾性的に変形するばね又は弾性要素として機能する。張力は、外力が取り去られたときにダイヤフラム部分２１５が元の形状に「跳ね返る」のも助ける。言い換えれば、この張力は、外力に応答してダイヤフラム部分２１５がどのくらい曲がって誘電体材料の層と接触するかに影響する。本発明の実施形態においては、ダイヤフラム部分２１５の張力は、スペーシング部材２４０の高さと、更にはダイヤフラム部分２１５の寸法（例：半径と厚さ）とによって主として決まる。スペーシング部材２４０の高さとダイヤフラム部分２１５の寸法は、公知のＭＥＭＳ製造工程と半導体装置製造工程を使用して、微細に制御して複製することができる。従って、この実施形態の変換器の正確度と精度は、従来の変換器の正確度と精度よりも劇的に向上している。

一般的には、ＭＥＭＳ用途の場合、ダイヤフラム部分の直径は、約５ｍｍより大きいことはなく、代表的には約５０μから５ｍｍの間であり、ナノ用途の場合にはおそらくは更に小さい（例：５μ）。スペーシング部材の代表的な高さと直径は、それぞれ、約１〜５μ、３０〜７０μでよい。ダイヤフラム部分の張力の指標であるひずみは、約０．００１％〜０．１％の範囲内であることが好ましい。低圧の感知用に構成されている１つの好ましい実施形態（例：約１インチ又はそれ以下の水柱の範囲におけるフルスケール圧力が約０．０３５ｐｓｉ）においては、ダイヤフラム部分２１５の厚さは１μ未満（例：０．１μ）から１０μ以上までの範囲でよく、ダイヤフラム部分の面積は１平方ミリメートル（１ｍｍ^２）以上でよい。より具体的には、直径は約１ｍｍである。スペーシング部材２４０の高さと直径は、それぞれ、約３μ、５０μである。これらの寸法のとき、ダイヤフラム部分のひずみは約０．０１％である。

図３は、ダイヤフラム部分２１５の平面図を描いており、ダイヤフラム部分２１５と誘電体２２０の間の接触領域２５０（灰色の影）を示している。従って、白い円の領域は、空隙２２２を表している。スペーシング部材２４０はダイヤフラム部分２１５のほぼ中央の下に位置する円筒形状として隠れ線によって示してあるが、理解すべき点として、代替実施形態において、スペーシング部材２４０は、ダイヤフラム部分２１５の下の任意の位置に配置することができ、かつ、円筒形状以外に構成することができる。例えば、ダイヤフラム部分２１５と基板２３０との間に複数のスペーシング部材を配置して、接触領域２５０を画成することができる。

接触領域２５０の大きさは、ダイヤフラム部分２１５にかかっている力の量に応答して変わる。かかっている力の量が増すにつれて、ダイヤフラム部分２１５のより大きな部分が誘電体材料２２０を押し、接触領域２５０の大きさが増す。装置の容量は、誘電体材料と接触しているダイヤフラム部分の量によって決まる。従って、力がかかって接触領域２５０が大きくなると、有効な電極領域と変換器２００の容量とがそれに対応して増す。図４と図５は、ダイヤフラム部分２１５により大きな外力がかかっている変換器２００を示している。理解できるように、ダイヤフラム部分２１５にかかる力が小さくなると接触領域２５０が減少し、この結果として、有効な電極領域と変換器２００の容量がこれに対応して減少する。従って、ダイヤフラム部分２１５にかかっている力の量は、変換器２００の容量を測定することによって求めることができる。

変換器２００の容量は、ダイヤフラム部分と基板とを、この分野において周知の容量測定回路に接続することによって測定することができる。いくつかの実施形態においては、変換器２００は、既知の量の力を変換器にかけながら容量を測定し、測定された容量とかけた力の量との間の相関関数を求めることによって、較正することができる。別の実施形態においては、印加に伴う静電力（ａｔｔｅｎｄａｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅ）に起因して容量が増して所定の一定値に近づくようにコンデンサに電圧を印加することによって、容量をその所定の一定値に保持することができる。所定の容量に達するのに必要な電圧も、変換器にかかっている力又は圧力を表すように較正することができる。

図２〜図５に示した実施形態においては、上述したように、かかっている力が増すほど接触半径が小さくなり、接触領域２５０が大きくなる。ダイヤフラム部分２１５は、接触領域２５０が大きくなるにつれて堅くなり、接触している領域は、接触半径が小さくなるほど小さい割合で増す。ダイヤフラム部分２１５は、感知された力がダイヤフラム部分２１５の張力の正味の法線成分とつりあうまで撓む。

この好ましい実施形態においては、ダイヤフラム部分２１５が撓むときの張力の増大によって、変換器の非線形特性がもたらされる。すなわち、接触領域の変化の増加量は最初が最大であり、容量の増加の割合は、力が増すにつれて小さくなる。この独特な特性を利用すると、本発明に従って作製されるセンサーは、非常に小さな力と力の変化とを正確に感知するのに使用することができ、なぜなら、センサーの応答が結果的に相対誤差又は通常モード誤差条件になるためである。例えば、感知する作動力が圧力であるとき、この実施形態は、低圧範囲における圧力に対する容量の差の率（ｄＣ／ｄＰ）（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｔｏ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏｎ）が最大となり、この結果として、圧力範囲全体にわたり実質的に均一な相対誤差関数となる。スペーシング部材の高さ、ダイヤフラムの寸法と材料などのパラメータの選択によって、結果としての出力容量の変化を、感知された力の対数にほぼ比例するように制御することができる。この構造は、高いダイナミックレンジ（すなわち数オーダー以上の高い測定解像度）が望まれる用途に、特に有用である。高ダイナミックレンジ信号の構造は、感知される変数が、測定される変数に伴って１未満の指数に従って変わる用途に最適であるかもしれない。例えば、変換器２００は、流体の流量を測定するのに適しており、流量は、感知された流体圧力の平方根（Ｐ^１／２）に比例する。従って、変換器２００は、流量計と流量制御装置に組み込むことができる。

図６と図７は、本発明の別の実施形態による変換器３００を示している。変換器３００は、全般的に変換器２００と類似する様式に構築されているが、相違点について以下に説明する。変換器３００においては、ダイヤフラム部分３１５の周辺部分が、ダイヤフラム部分３１５の周辺部の周りに配置されている周辺スペーシング部材３４２によって誘電体材料２２０から隔てられている。ダイヤフラム部分３１５の中央部分は、誘電体材料２２０に接触して接触領域３５０を形成している。１つの実施形態においては、最小限の接触領域３５０が画成されて従って容量が最小になるように、ダイヤフラム部分３１５の小さな中央部分を誘電体材料２２０に固定的に結合することができる。この場合にも、接触領域３５０の大きさは、ダイヤフラム部分３１５にかかる力の量によって変わり、接触領域３５０の大きさによって変換器３００の容量が決まる。

変換器３００などの実施形態においては、接触領域３５０は接触半径が増すにつれて大きくなり、ダイヤフラム部分３１５は、かかっている力が増すほど堅くなる。この場合の支配的な信号形成現象は、接触半径が大きくなるほど接触領域が高い割合で増すという結果である。従って、容量は、力が増すほど高い割合で増す。この構造は、感知される変数が、測定される変数に伴って１より大きい指数に従って変わる用途に最適かもしれない。例えば、変換器３００は、上部より下部が大きくなっているタンク内の流体の量を測定する、及び／又は、体積対深さの割合が一定である（含まれている流体の密度がその深さに比例する）タンク内の流体の量を測定するのに適している。

図６と図７の実施形態によると、周辺スペーシング部材３４２は、スペーシング部材２４０と同じ材料から製作することができる。すなわち、周辺スペーシング部材３４２は、個別の構造か、或いは正確な制御方式によって基板２３０又は誘電体層２２０の上に堆積されている金属又は酸化物でよい。

図８と図９は、本発明の更に別の実施形態による変換器４００を示している。この実施形態においては、ダイヤフラム部分４１５は、中央ポイントと周辺部分の周りの両方において、それぞれ中央スペーシング部材２４０と周辺スペーシング部材３４２によって持ち上げられて、環形状の接触領域４５０を画成している。ダイヤフラム部分４１５は、最小限の接触領域及び容量となるように、所定の領域の範囲だけ誘電体層２２０に結合することができる。図８と図９に示すように、接触領域４５０の大きさは、ダイヤフラム部分４１５にかかっている力の量に伴って変わる。この構造は、かかっている力への線形応答を必要とする用途に最適かもしれない。力がかかっていないときの接触半径は、かかっている力に対して信号形状が線形であるように選択することができる。

本明細書に説明されている実施形態のダイヤフラム部分の動きは、流体圧力の変化、加速度など多くの異なる手段によってもたらすことができることが理解されるであろう。従って、本発明の実施形態は、絶対圧力センサー、差圧センサー、加速度計、密度計、温度計、流量制御装置などとして構成することができる。

本発明による変換器は、公知のＭＥＭＳ製造工程、及び／又は、他の公知の半導体装置製造工程を使用して製造することができる。本発明による変換器を製造する工程は、当該工程が作ろうとする変換器の用途と効用に応じて異なってよい。例えば、本発明の実施形態を組み込んでいる流量制御装置は、合金接合工程を使用して製造するのが好ましいが、本発明の実施形態を組み込んでいる密度計は、陽極接合工程を使用して製造するのが好ましい。本発明の変換器を作製するために使用する材料も、目的の用途と効用に応じて異なってよい。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、図２〜図５の変換器など、本発明による変換器を製造するための模範的な一連の工程ステップを示している。基板２３０が最初に形成される。通常の技能を有する者に理解されるように、基板２３０は、導電層（例：金属化層）を持つ非導電性基板（例：ガラス基板）を含んでいてよい。金属化されたガラスウェハ、単結晶シリコンウェハ、及び／又はその他の好適な材料を基板２３０として使用することができる。１つの実施形態においては、基板２３０は、シリコンの熱膨張係数とよく一致する熱膨張係数を持つガラス材料を用いて製作されている。

図１０Ａに示したように、基礎構造５１０は、最初に基板２３０の上に誘電体材料２２０を形成又は堆積した後、その上にスペーシング部材２４０を形成することによって製造することができる。このような工程は、基板２３０が金属化ガラス基板であるときに特に有用である。誘電体材料２２０の層は、二酸化珪素の層又は窒化珪素の層でよい。誘電率の高い他の絶縁体も使用することができる。

図１０Ｂに示した弾性層２１０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ、単結晶シリコンウェハ、又はポリシリコンウェハをエッチングすることによって製造することができる。乾燥ガス等方性ディープエッチング（ｄｒｙ ｇａｓｅｏｕｓ ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｅｅｐ ｅｔｃｈｉｎｇ）を使用することができる。弾性層２１０の一部を金属化して電気接点２９９を形成することができる。代替実施形態においては、スペーシング部材は、弾性層２１０の上に、又は弾性層２１０の一部として形成することができる。

次に、図１０Ｃに示したように、弾性層２１０と基礎構造５１０がひとつに接合される。弾性層２１０と基礎構造５１０をひとつに接合するには、陽極接合工程及び／又は合金接合工程を使用することができる。

前述したように、ダイヤフラム部分２１５の張力は、スペーシング部材２４０の高さとダイヤフラム部分の寸法とによって主として決まる。多くの装置において、この高さと寸法は、公知のＭＥＭＳ製造及び／又は半導体装置製造工程及び技術を使用して正確に制御して複製することができる。スペーシング部材２４０の高さとダイヤフラム部分２１５の寸法を正確に複製することが可能であるため、ダイヤフラムの張力がほとんど同じである本発明の変換器を大量生産することができる。

図１１と図１２は、上述した弾性層２１０の代替として本発明の実施形態において使用することのできる、２つの代替弾性層６１１と６１２を示している。例えば、層２１０と層６１２は、形状が与えられたとき、ドライエッチングによって形成するのに適している。層６１１は、代わりにウェットエッチングによって形成するのに適している。この層の上にさまざまなパターンを形成することができ、その上に、突起６１３、６１４などさまざまな材料（例：金属、金属酸化物など）を堆積又は成長させて、機械的及び／又は電気的特性を変えることができる。本明細書においては、弾性層は、本発明の好ましい実施形態による、圧力を感知するのに適したダイヤフラム状の構造として主として説明してきたが、別の種類の力を感知する場合には別の形状又は構造が適しているかもしれない。例えば、加速度計の用途においては、棒部材又は帯部材を採用することができる。また、選択された範囲内の感度を高めるため、均一に、又は質量集中を追加することによって質量を変えることができる。一例として、層６１２を、質量集中を形成している突起６１４を持つ帯として形成することができる。帯として形成されるときには、層６１２は両端部のみにて基板に固定することができるが、ダイヤフラムとして形成されるときには、この層は周辺部の周りに固定される。

図１３と図１４に示した別の代替の実施形態においては、この変換器７００は、基板２３０と、基板２３０の上に配置されている誘電体材料２２０と、基礎構造９１０を備えているスペーシング部材２４０とを含んでいる。弾性層２１０は、基礎構造の誘電体材料２２０の上に配置されている。この弾性層２１０は、前述したようにスペーシング部材２４０を横切って伸びているダイヤフラム部分２１５を形成している。この実施形態においては、基板２３０を貫通して空隙５１２と連通している開口２６０が形成されている。（図１９においてスペーシング部材２４０と開口２６０は隠れ線によって示してある）この配置構成では、変換器７００は、装置の両側の２つの流体の間の差圧を測定するのに使用することができる。ダイヤフラム部分２１５の一方の面７１０が第１の流体に露出されていて、かつ反対の面７１２が、開口２６０を通じて空隙５１２に入る第２の流体に露出されているときには、２つの流体の間の差圧は、変換器７００の容量を測定することによって求めることができる。

図１５と図１６は、本発明のさらなる代替実施形態による変換器８００と９００を示している。変換器８００は、周辺スペーシング部材３４２と、空隙５１２へのアクセスを提供する開口２６０とを有する基礎構造９２０を含んでいる。変換器９００は、中央スペーシング部材２４０と、周辺スペーシング部材３４２と、接触領域４５０の環形状によって形成されている複数の空隙５１２と連通している複数の開口２６０とを有する、基礎構造９３０を含んでいる。両方の変換器８００と９００は、変換器７００に関連して上述したように２つの流体の間の差圧を測定するのに使用することができる。

変換器７００、８００、及び９００は、図１４に示したものに類似する一連のステップにおいて製造することができる。前述したように、本発明の実施形態は、異なる工程を使用して製作することができ、使用する工程は、変換器の設計対象の用途に応じて異なっていてよい。例えば、弾性層６１１と６１２のいずれかを、基礎構造９１０、又は９２０、９３０のいずれかに接合することができる。図１４に関連して前述した製造技術も、変換器７００、８００、及び９００を製作するのに使用することができる。その他のＭＥＭＳ製造工程及び半導体装置製造工程及び技術も使用することができる。

図１７に示した本発明の更に別の実施形態においては、変換器１０００は、固定境界のチャンバ２８０を画成するように基板２３０に接合されているシリコン基板２７０を含んでいる。対応する容量測定回路への接続を可能にするため、金属又は金属化接点２８１を基板２７０の上に形成することができる。基板が組み立てられるとき、チャンバ２８０は、最初に、感知させる最低外圧よりわずかに低いレベルに加圧されている気体で満たすことができる。これに代えて、チャンバ２８０は真空にすることができる。チャンバ２８０は、開口２６０を通じて空隙５１２と連通している。この実施形態においては、ダイヤフラム部分２１５は、ダイヤフラム２１５の両側の差圧が、差圧と対抗する張力の正味の法線成分とつりあうまで、撓み、その状態では殆どインピーダンスはない。

チャンバ２８０内の流体は、ダイヤフラム部分２１５の外面に接する流体と同じであることが好ましい。また、ダイヤフラム部分２１５は、音振動測定膜（ｔｏｎｏｍｅｔｒｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ）として振る舞うように（例：完全な風船の膜）、十分に可撓的（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）であることが好ましい。このような音振動測定器では、その厚さの両側にまたがる圧力勾配と温度勾配のいずれもサポートされず、従って、ダイヤフラム部分の両面の流体密度が同じである必要がある。チャンバ内の気体の体積が大きいほど、ダイヤフラム部分は外側流体の密度の変化に対応するために大きくそらなくてはならない。ダイヤフラム部分のそりが大きいほど、容量の変化が大きい。このようにして、変換器１０００は、感度が固定境界チャンバ２８０の体積に比例する容量式密度計として機能する。

変換器１０００などの装置は、圧縮性流体の流量測定と制御用の密度補正コンポーネントとして応用することができる。流量感知用の別のコンポーネントは、図１３の変換器７００のように構成されている差圧センサーである。流体を感知するための一体型センサーは、関数Ｐ／ｎ（Ｐは差圧を表し、ｎは測定する流体の密度を表す）を与えるように、変換器７００と変換器１０００に類似する方式で構成されているコンポーネントを含んでいることができる。

図１８に示す別の代替実施形態においては、変換器１１００は、やはり２つの流体の間の差圧を測定するように構成されている。この実施形態は、電極として機能するように構成されている基板２３０と、もう１つの電極として機能するように構成されているダイヤフラム部分２１５とを含んでいる。しかしながら、さらなる基板２９０に、隔離体ダイヤフラム２９５が設けられて、これにより可変境界チャンバ２８２が画成されている。隔離体ダイヤフラム２９５は、基板２３０に接合されている基板２９０の一部として製造することができる。１つの実施形態においては、隔離体ダイヤフラム２９５は、ダイヤフラム部分２１５よりも可撓的である。ダイヤフラム部分２１５と隔離体ダイヤフラム２９５との間の空隙には、非導電性のゲージ流体が含まれていることが好ましい。この分野における通常の技能を有する者は、ダイヤフラム２９５を製造するための適切な材料と工程を、隔離する流体との適合性に基づいて選択することができる。

更に図１８を参照して、ダイヤフラム部分２１５の一方の面は、対象の第１の流体に露出されている。従って、この流体の圧力は、変換器に直接的に伝えられる。反対側では、隔離体ダイヤフラム２９５の一方の面が対象の第２の流体に露出されており、対象の第２の流体の圧力は、隔離体ダイヤフラム２９５とゲージ流体とを経てダイヤフラム部分２１５を通じて変換器に伝えられる。従って、この実施形態は、対象の第２の流体がダイヤフラム部分２１５と基板２３０の間の誘電体媒質の誘電定数に影響しうるとき、又は変換器の層と両立しないときに特に有用である。

上述した実施形態は、「正の」圧力を感知する単方向センサーとして使用することができる。一般的には、圧力はすべての方向に均一に作用するスカラー変数である。一方向の圧力が他の方向の圧力より増大又は減少することを、圧力の方向と称することがある。一般に、感知する流体圧力が基準圧力よりも高まっている場合、感知される圧力はより正になりつつある、と言われる。上述した実施形態においては、ダイヤフラムの張力がスペーシング部材（及び用途によっては重力）のみによって生じているヌル条件（ｎｕｌｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）において、変換器の容量は正の圧力の変化に応答して予測的に変化する。

図１９は、双方向の差圧の変化をより正確に感知するための、本発明のさらなる代替実施形態による変換器１２００を示している。この変換器１２００は、２つのシリコン弾性層１２１０ａ及び１２１０ｂとその間のガラス層１２１２とを有する３層構造を含んでいる。ガラス層１２１２は、その各面が導電性材料１２３０（例：金属）を含んでいることが好ましく、電極として機能するように構成されている。シリコン層１２１０ａ及び１２１０ｂは、上述したものと同じ方式で可動電極として機能するように構成されているダイヤフラム部分１２１５ａ−１２１５ｂを含んでいる。シリコン弾性層１２１０ａのダイヤフラム部分１２１５ａは、導電性材料１２３０を持つ第１のコンデンサＣ１を形成し、シリコン弾性層１２１０ｂのダイヤフラム部分１２１５ｂは、導電性材料１２３０を持つ第２のコンデンサＣ２を形成している。誘電体材料１２２０の薄い層は、ダイヤフラム１２１５ａ−１２１５ｂが電極１２３０と直接的に接触しないように、導電性材料１２３０の上に配置することができる。ガラス層１２１２を貫いている開口１２６０ａ−１２６０ｂは、その内側にてダイヤフラム部分１２１５ａ−１２１５ｂが対象の流体に露出されるように、随意的に形成することができる。

変換器１２００は、Ｐ_１がＰ_０に等しいか又はこれより大きい場合、第１のダイヤフラム部分１２１５ａを使用して圧力を感知する。この理由は、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）がゼロであるときに有効な電極領域とＣ１の容量が最小ポイントに達し、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が更に負に下がっていっても、それ以上は減少しないためである。圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が負のときには、変換器１２００は第２のダイヤフラム部分１２１５ｂを使用して負の圧力を感知し、なぜなら、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が負でない限りは有効な電極領域とＣ２の容量が増加しないためと、差（Ｐ_１−Ｐ_０）が負になっていくにつれてＣ２の容量が増すためである。圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が正である限りは、Ｃ２の容量はほぼ一定のままである。同様に、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が負である限りは、Ｃ１の容量はほぼ一定のままである。従って、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）の変化は、（Ｐ_１−Ｐ_０）が正又は負であるかに応じてＣ１又はＣ２の容量の変化にほぼ比例する。

図２０は、本発明の更に別の実施形態による差圧変換器１３００を示している。この実施形態においては、変換器１３００は、ガラス層１２４１の両面の上に配置されている２つのシリコン弾性層１２４０ａと１２４０ｂを有する。変換器１３００は、ダイヤフラム部分１２１５ａ−１２１５ｂの内面が測定する流体に直接的に露出されることを防ぐように構成されている２枚の隔離体ダイヤフラム１２９５ａ−１２９５ｂを有する。この実施形態においては、ゲージ流体は、ダイヤフラム部分１２１５ａ−１２１５ｂと隔離体ダイヤフラム１２９５ａ−１２９５ｂとの間の空隙に含まれている。上述したように、変換器１３００は、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が正のときにはダイヤフラム１２１５ａを使用して圧力を感知し、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_０）が負のときにはダイヤフラム１２１５ｂを使用して圧力を感知する。

例えば図１９と図２０に図示した実施形態においては、シリコン−ガラス−シリコン層が使用されている。しかしながら、理解すべき点として、代替として別の材料を使用することができる。この分野における通常の技能を有する者は、特定の用途に適した材料の組合せを本発明の教示内容に基づいて選択することができる。

上述した本発明のいくつかの実施形態は、誘電体材料の薄い層を持つ基板を含んでいる。従って、これらの実施形態においては、スペーシング部材によって弾性要素（例：ダイヤフラム）が誘電体材料から隔てられている。留意すべき点として、他の実施形態においては、誘電体材料の層は、ダイヤフラムの上か、又はダイヤフラムと基板の両方の上に配置することができる。図２１は、このような実施形態による変換器３９００を示している。この変換器３９００は、コンデンサの電極として機能する基板２３０を含んでおり、この基板の上にスペーシング部材２４０が配置（又は基板の一部として形成）されている。弾性層２１１は、基板２３０とスペーシング部材２４０の上に配置されている。弾性層２１１は、この層に付加されている誘電体材料２２１の層と、コンデンサのもう１つの電極して機能するダイヤフラム部分２１６とを有する。ダイヤフラム部分２１６と誘電体材料２２１の層は、スペーシング部材２４０によって少なくとも一部が基板２３０から隔てられている。変換器３９００の動作原理は、上述した本発明の別の実施形態の動作原理に類似している。

変換器３９００は、公知のＭＥＭＳ製造工程、好ましくはこの分野における通常の技能を有する者に公知であるマイクロマシーニング又は他のＭＥＭＳ工程、及び／又は半導体装置製造工程、及び／又はこれらの組み合わせを使用して製造することができる。例えば、基板２３０は、金属化ガラスウェハの一部でよく、最初に形成することができる。次に、スペーシング部材２４０が、個別の構造として、又は基板と一体に製作される部分として、基板２３０の上に堆積される。スペーシング部材２４０は、それ自体は金属でよい。基板２３０は、シリコンにほぼ一致する熱膨張係数を持つガラス材料から作製することができる。これに代えて、基板２３０は、熱膨張特性の違いによる問題を回避するために、シリコンを用いて作製してもよい。金属接点２８９は、スペーシング部材２４０を形成するのに採用される手法に応じてスペーシング部材２４０の追加の前又は後のいずれかに、基板の上に堆積又は接合することができる。

弾性層２１１は、基板をエッチングすることによって個別に形成することができ、基板はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの一部あることが好ましい。１つの実施形態においては、乾燥ガス等方性ディープエッチング工程が使用されることが好ましい。誘電体材料２２１の層は、公知の半導体装置製造工程を使用してダイヤフラム部分２１６の面の上に形成することができる。１つの実施形態においては、誘電体材料２２１は、窒化シリコン又は二酸化シリコンでよい。金属接点２９９は、適切な処理ステップにおいて追加される。結合されている弾性層２１１及び誘電体材料２２１と、基板２３０及びスペーシング部材２４０の基礎構造は、好ましくは陽極接合又は合金接合を使用して、ひとつに接合して変換器３９００を形成することができる。

図２２は、本発明の別の実施形態による変換器４１００を示している。変換器４１００は、前述したような周辺スペーシング部材２４２を持つことを除き、変換器３９００に類似している。その他のスペーサー構成も可能である。変換器４１００は、前述したものに類似する工程を使用して製造することができる。

上記の記述では、説明を目的として、本発明を完全に理解するための固有の専門語が使用されている。しかしながら、当業者には、本発明を実施するために具体的な細部は必要ないことが明らかであろう。従って、本発明の具体的な実施形態の上記の記述は、図解と説明を目的として提示されている。上記の記述は、網羅的なものではなく、また開示されている正確な形式に本発明を限定することを意図するものではない。例えば、説明及び図解されているいくつかの実施形態は流体圧力センサーに属するが、本発明の原理は、加速度計、対気速度装置など別の分野に応用できることを理解する必要がある。また、ＭＥＭＳスケール装置に関連して実施例を示してあるが、このことは本発明の範囲又は応用性を制限しない。本発明の原理と教示内容は、任意のスケールで有効に応用することができる。上記の教示内容に照らして、多数の変型とバリエーションが可能である。

先行技術の変位容量式圧力変換器の断面図である。 先行技術の変位容量式圧力変換器と等価の回路を示している概略図である。 本発明の１つの実施形態による、絶対圧力を感知するように構成されている変換器の横断面図である。 本発明による、図２の変換器の平面図である。 本発明による、図２の変換器の横断面図であり、より大きな力がかかっている状態を示している。 本発明による、図４の変換器の平面図である。 本発明の別の実施形態による、絶対圧力を感知するように構成されている変換器の、力がかかっている状態での横断面図である。 図６の変換器の、より大きな力がかかっている状態での横断面図である。 本発明のさらなる実施形態による変換器の、力がかかっている状態での横断面図である。 図８の変換器の、より大きな力がかかっている状態での横断面図である。 変換器を製造する工程ステップの横断面図であり、基礎構造を示している。 変換器を製造する工程ステップの横断面図であり、ダイヤフラム層を示している。 本発明の実施形態による、変換器を製造する工程の完了時の横断面図である。 本発明の実施形態において使用することのできる代替ダイヤフラム層の横断面図である。 本発明の実施形態において使用することのできるダイヤフラム層の別の代替実施形態の横断面図である。 本発明の別の実施形態による、差圧を感知するように構成されている変換器の横断面図である。 図１３の変換器の平面図である。 本発明の別の実施形態による、差圧を感知するように構成されている変換器である。 本発明の更に別の実施形態による、差圧を感知するように構成されている変換器である。 本発明のさらなる実施形態による、圧縮性流体の密度を感知するように構成されている変換器の横断面図である。 本発明の別の実施形態による、互いに両立しないか又は反応性の流体の差圧を感知するように構成されている変換器の横断面図である。 本発明の更に別の実施形態による、双方向の差圧を感知するように構成されている圧力変換器の横断面図である。 本発明の更に別の実施形態による、互いに両立しないか又は反応性の流体の双方向の差圧を感知するように構成されている差圧変換器の横断面図である。 本発明の更に別の実施形態による、誘電体層が弾性ダイヤフラムの上に配置されている変換器の横断面図である。 本発明の更に別の実施形態による、誘電体層が弾性ダイヤフラムの上に配置されている変換器の横断面図である。

Claims (27)

1. コンデンサの第１の電極として機能するように構成されている基板と、
   その少なくとも一部が前記基板から所定の隙間だけ隔てられており、かつ、前記コンデンサの第２の電極として機能するように構成されている弾性要素と、
   前記基板と前記弾性要素との間に配置され、前記基板から前記所定の隙間より大きい距離にて前記弾性要素の一部を支持するとともに前記弾性要素に所定の張力を生じさせるスペーシング部材と、
   前記基板と前記弾性要素との間に配置されて前記所定の隙間を画成している誘電体と、
   を備え、
   前記スペーシング部材は、前記弾性要素の中央部分又は周辺部分を前記基板から隔て、前記基板と前記弾性要素が前記所定の隙間だけ間隔を空けられている領域に対応する、前記コンデンサの有効な電極領域を画成し、前記有効な電極領域が、前記基板に対する前記弾性要素の動きに応答して変化し、その結果として前記コンデンサの容量が変化するとともに、前記誘電体が、前記基板の面の上に配置されており、かつ、前記有効な電極領域が、前記誘電体と前記弾性要素との間の可変の接触領域を有することを特徴とする装置。
2. 前記スペーシング部材が、
   前記弾性要素の中央部分を前記基板から隔てるように構成されている第１の部分と、
   前記弾性要素の周辺部分を前記基板から隔てるように構成されている第２の部分と、
   を備えている、請求項１に記載の装置。
3. 前記弾性要素の第１の面が、第１の流体に露出されるように構成されており、かつ、前記基板が、前記弾性要素の第２の面を第２の流体に露出させることができるように開口を画成している、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記弾性要素と反対側に前記基板の上に配置されており、かつ前記第２の流体を含むように適合化されている固定境界のチャンバを更に備えている、請求項３に記載の装置。
5. 前記弾性要素と反対側に前記基板の上に配置されており、かつ前記第２の流体を含むように適合化されている可変境界のチャンバを更に備えている、請求項３に記載の装置。
6. 前記可変境界のチャンバが、第３の流体に露出されるように構成されている音振動測定膜を備えており、かつ、前記音振動測定膜と前記第２の流体とが、前記第３の流体の圧力を前記弾性要素の前記第２の面に伝えるように構成されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記スペーシング部材が第１のスペーシング部材でありかつ前記弾性要素が第１の弾性要素であり、前記第１のスペーシング部材と第１の弾性要素とが前記基板の第１の面の上に配置されており、かつ、前記有効な電極領域が、第１の電極領域であり、さらに、
   前記基板の第２の反対の面の上に配置されている第２のスペーシング部材と、
   前記第２のスペーシング部材の上に配置されており、かつ、前記基板の前記第２の面から第２の所定の隙間にて第２の有効な電極領域を形成するように前記基板の前記第２の面から前記第２のスペーシング部材によって隔てられている、第２の弾性要素であって、前記第２の有効な領域が、前記基板に対する前記第２の弾性要素の動きに応答して変化し、その結果として前記コンデンサの容量が変化する、前記第２の弾性要素と、
   を備えている、請求項１又は２に記載の装置。
8. 前記各弾性要素と前記基板の両側の各面との間の前記各所定の隙間が、少なくとも実質的に同じである、請求項７に記載の装置。
9. 前記基板が、自身を貫通している第１と第２の開口を画成しており、前記開口が、それぞれ前記第１と第２の弾性要素の裏面と連通している、請求項７に記載の装置。
10. 前記基板の両面の上に配置されている第１と第２のチャンバを更に備えており、前記各チャンバが、前記対応している第１と第２の弾性要素の前記裏面とそれぞれ前記第１と第２の開口を通じて連通している、請求項９に記載の装置。
11. 前記各チャンバが、少なくとも実質的に剛体の壁によって画成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記各チャンバが、圧力の変動を自身を通じて伝えることのできる弾性壁を含んでいる、請求項１０に記載の装置。
13. 前記スペーシング部材が、前記弾性要素と前記基板との間に前記所定の隙間を画成しており、前記所定の隙間が、所定の初期圧力にて流体を含んでいるか又は真空である、請求項１〜２、７、８、１０、１１のいずれか１項に記載の装置。
14. 第１と第２の誘電体が、それぞれの有効な電極領域の上について前記第１及び第２の弾性要素と前記基板との間にそれぞれ配置されておりかつ前記第１及び第２の弾性要素と接触しており、かつ、前記各弾性要素にかかっている力に比例する容量が前記基板と前記各弾性要素との間に維持されるように、前記有効な電極領域が、前記かかっている力に応答して変化する、請求項７に記載の装置。
15. 前記基板が、自身を貫通している第１と第２の開口を画成しており、前記開口が、それぞれ前記第１と第２の弾性要素の裏面と連通している、請求項１４に記載の装置。
16. 前記スペーシング部材が、前記弾性要素の一部を前記誘電体から隔てて前記弾性要素と前記誘電体との間に接触領域を画成するように構成されており、前記接触領域が、前記基板に対する前記弾性要素の動きに応答して変化し、その結果として前記コンデンサの容量が変化する、請求項１に記載の装置。
17. 前記スペーシング部材が、前記弾性要素の周辺部分が前記誘電体と接触しているように、前記弾性要素の中央部分を前記誘電体から隔てるように構成されている、請求項１６に記載の装置。
18. 前記スペーシング部材が、前記弾性要素の中央部分が前記誘電体と接触しているように、前記弾性要素の周辺部分を前記誘電体から隔てるように構成されている、請求項１６に記載の装置。
19. 前記スペーシング部材が、前記誘電体の一部を前記基板から隔てて前記誘電体と前記基板との間に接触領域を画成するように構成されており、前記接触領域が、前記基板に対する前記弾性要素の動きに応答して変化し、その結果として前記コンデンサの容量が変化する、請求項１に記載の装置。
20. 前記スペーシング部材が、前記誘電体の周辺部分が前記基板と接触しているように、前記誘電体の中央部分を前記基板から隔てるように構成されている、請求項１９に記載の装置。
21. 前記スペーシング部材が、前記誘電体の中央部分が前記基板と接触しているように、前記誘電体の周辺部分を前記基板から隔てるように構成されている、請求項１９に記載の装置。
22. 前記弾性要素が、弾性ダイヤフラム部分を含んでいる層を備えている、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記ダイヤフラム部分が、不均一な厚さを有する、請求項２２に記載の装置。
24. 前記弾性要素が、両端にて前記基板に固定されるように適合化されている帯として構成されている層を備えている、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
25. 前記帯が、その上に配置されている少なくとも１つの質量集中を含んでいる、請求項２４に記載の装置。
26. 前記弾性要素が、少なくとも１つの最小の有効な電極領域を形成するように構成されている、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記弾性要素が、前記誘電体に付着されているか、又は前記誘電体が、前記最小の有効な電極領域の上について前記基板に付着されている、請求項２６に記載の装置。

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