JP5825899B2 - マイクロホン製造に特に応用する、mems動的圧力センサー - Google Patents
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Description
音響的な観点から音響抵抗を低減するために必要であるが、静電容量検出のための対向面を大幅に減らし、ほぼ20%までの対向面の減少も顕著である、膜6内の多数の穴の存在による感度の著しい喪失と、
とりわけ、膜8と静止検出電極6との間の空隙19によって決定される、粘性減衰とによって特徴付けられる。空隙それ自体は、測定すべき圧力範囲(膜が許容する最大の曲げ)および読取り電圧値(「プルイン」限界)に依存する。
知られているコンポーネントは、生産方法の変動に対して非常に敏感である。マイクロホンの感度は、実際には、膜の厚さおよび材料中の応力の関数としてかなり変化する。
応答は音響圧力の関数として非線形であり、検出容量は電極6と膜8との間の距離の逆数に比例する。
圧力範囲および圧力衝撃に対する抵抗は、非常に制限され、この構造および生産方法では空隙内にストッパーを置くことは困難である。
雰囲気から圧力変動を受けるための少なくとも1つの変形可能なキャビティであって、第1の基板内に形成され、センサーの平面と称される第1の基板に平行な平面内に少なくとも一部は配置されている少なくとも1つの移動可能な、もしくは変形可能な壁と前記キャビティに雰囲気からの圧力変動を伝えるための手段とを備える、少なくとも1つの変形可能なキャビティと、
雰囲気の圧力変動の影響下で、前記移動可能な、または変形可能な壁の、センサーの平面内の、変位もしくは変形を検出するための検出手段、または少なくとも1つの検出器とを備える。
この第2の基板は、雰囲気の圧力変動を第1のキャビティに伝達するための手段も備える。
または、この第2の基板は、第1の基板の片面に配置され、第3の基板が第1の基板の反対側の面に配置され、この第3の基板は雰囲気からの圧力変動を第1のキャビティに伝達するための手段を備える。
数百ナノメートル、例えば、500nmにも達しうる移動可能な、または変形可能な壁もしくは膜の高変位振幅を有する可能性、
広範囲にわたる分極電圧(特に示差静電容量測定の場合)、例えば、最大30Vまでの電圧を有する可能性。
静止している壁上のこれらの側端部のうちの1つに埋め込まれるか、もしくは固定され、他端では自由であるか、
または、その両方の側端部のところに埋め込まれるか、もしくは固定されるか、
または、剛性を有し、その両方の側端部のところに変形可能な要素によって保持されうる。
静電容量検出の場合にインターデジタルコームの寸法および個数、
ひずみゲージを使用する場合には、ゲージの寸法(ピエゾ抵抗の場合には抵抗測定または共振装置タイプのゲージの場合には共振周波数測定)とは無関係に構成される。
少なくとも1つの移動可能な、または変形可能な壁によって画成される、雰囲気からの圧力変動を受けるための少なくとも1つの第1の変形可能なキャビティを、第1の基板内に、形成する段階と、
圧力変動の影響下で、前記移動可能な、または変形可能な壁の、センサーの平面と称される、基板の平面内で、変位もしくは変形を検出するための検出手段を製作する段階と、
雰囲気からの圧力パルスを前記キャビティに伝達するための手段を製作する段階とを含む。
高さ(z軸にそって測定した):基板100の厚さに実質的に等しい、したがって、数十μmから数百μmまでの範囲内であるが、いくつかの実施形態では、数μmから数十μmまでの範囲内(例えば、5μmから50μmまでの範囲内)とすることができる。
幅(y軸にそって測定した):例えば、0.5μmから10μmまでの範囲内であり、この幅は、壁25がキャビティ20内に生じる圧力変動に対する望ましい感度を有するのに十分小さい。
長さ(x軸にそって測定した):例えば、100μmから1mmまでの範囲内である。
それ自体アーム40に接続されている、レバーアーム66に接続されている、ゲージ64、64'のそれぞれに、
および、それ自体アーム40'に接続されている、それ自体レバーアーム66'に接続されている、ゲージ641、64'1のそれぞれに、抵抗変動が生じる。
測定する圧力に対して敏感な機械部品に穴がない(その結果、音響損失が制限される)。
ピストン効果を有する可能性がある。次いで、圧力により構造全体が変位する(埋め込まれている膜については当てはまらない)。
2 セラミック基板
4 スルーホール
6 穿孔された対向電極
8 円形膜
10 空間
12 MEMSチップ
14 ASIC
18 コネクティングロッド
19 空隙
20、20'、20''、20''' キャビティ
21 開口部、キャビティ
23、231、232、25、23'、23'1、23'2、23a、23b、23''1、23''2、23''、25'、25''、25''' 側壁
23 静止している部分
232a 壁
24 静電容量コーム
24、26、26' 検出手段
24' コーム
241、24'1 移動可能なコーム
250 上側部分
25'0 下側部分
25、25a、25b 壁
261、26'1 手段
27 コーム
27'、27'' 静止している部分
28、28'、28''、28''' 二次または下側キャビティ
30、30'、32 接触ゾーン
30 スタッド
301、30'1、321 電気接点
32 接続スタッド
30、30'、32、301、30'1、321 接触ゾーン
40、40' アーム
40a アーム
40b アーム
42 アーム
42' アーム
43、43' 機械的ストッパー
44、46、48 側部
48、48' 横木
52、52' 静止部分
56、58 アーム
56'、58' ガイドアーム
64、64' 吊り下げられたゲージ
ゲージ64、64'および641、64'1 ピエゾ抵抗
66 剛体レバーアーム
66、66' レバーアームシステム
100、101、102 基板
100 蒸着
101' 上側表面
102' 下側表面
103 埋込み酸化物(BOX)、蒸着
103、104 酸化物犠牲層
105 金属蒸着
106、106'、106'' 開口部
107 シム
200 膜
210 穿孔
240 静止電極
250、251 側方部分
252 柔軟な部分
280 キャビティ
300 標準的な基板
301 犠牲層
400、401 ラグ
Claims (21)
- 雰囲気からの圧力変動を受けるための少なくとも1つの第1の変形可能なキャビティ(20、20'、20''、20''')であって、センサーの平面と称される平面内に延在する少なくとも1つの第1の平面層または基板(100)内に作られ、前記センサーの平面内で移動可能であるか、または変形可能である少なくとも1つの壁(25、25'、25''、25''')、移動又は変形を可能にする前記壁の上方又は下方に配置された空隙および雰囲気からの圧力変動を前記キャビティに伝達するための手段(21、200、210)を備える、少なくとも1つの第1の変形可能なキャビティ(20、20'、20''、20''')と、
前記雰囲気の圧力変動の影響下で、前記移動可能な、または変形可能な壁の、前記センサーの前記平面内の、変位もしくは変形を検出するため、移動可能な、または変形可能な前記壁に機械的に接続されている、吊り下げられた検出手段(24、24'、241、24'1、66、66'、64、64'、および641、64'1)とを備えるMEMSおよび/またはNEMSタイプの圧力センサー。 - 前記第1の変形可能なキャビティと部分的に連通する、少なくとも1つの二次キャビティ(28、28'、28''、280)、または緩衝キャビティをさらに有し、前記二次キャビティまたは前記緩衝キャビティは基準キャビティを形成する請求項1に記載のセンサー。
- 少なくとも1つの二次キャビティが前記センサーの平面に平行な平面内で延在する第2の基板内に形成され、前記第2の基板は前記第1の基板と異なるか、または前記第1の基板の前記平面内に形成される請求項2に記載のセンサー。
- 前記二次キャビティが前記センサーの平面に平行な平面内で延在する第2の基板の前記平面内に形成され、
前記第2の基板(102)は前記雰囲気の圧力変動を前記第1の変形可能なキャビティに伝達するための前記手段(21、200、210)をさらに備えるか、または
前記第2の基板(101)は前記第1の基板の、前記センサーの平面に平行な、片面に配置され、第3の基板(102)は前記第1の基板の、前記センサーの平面に平行な平面内に延在する、他方の面上に配置され、前記第3の基板は前記雰囲気からの圧力変動を前記第1の変形可能なキャビティに伝達するための手段(21、200、210)を備える請求項3に記載のセンサー。 - 前記検出手段は静電容量またはひずみゲージ手段を備える請求項1から4のいずれか一項に記載のセンサー。
- 前記検出手段は前記センサーの前記平面内で移動することができる少なくとも1つの第1のコームと静止している、少なくとも1つの第2のコームとを備え、前記第1のコームの歯と前記第2のコームの歯が交互している静電容量手段と、前記移動可能な、または変形可能な壁の、前記センサーの前記平面内の、前記第1のコームに変位または変形を伝達するための手段(40、40')とを備える請求項5に記載のセンサー。
- 前記検出手段は空隙変動のある静電容量手段(25、240)を有する請求項5に記載のセンサー。
- 前記検出手段はひずみゲージ手段(64、64'、641、64'1)を備える請求項5に記載のセンサー。
- 前記センサーの前記平面内で移動することができるレバーアーム(66、66')と前記レバーアームおよび少なくとも1つのひずみゲージに、前記移動可能な、または変形可能な壁(25、25')の、前記センサーの前記平面内の、変位もしくは変形を伝達するための手段(40、40')をさらに有し、前記ひずみゲージ(64、64'、641、64'1)は前記センサーの前記平面内の前記レバーアームの変位を検出することを可能にする請求項1から8のいずれか一項に記載のセンサー。
- 少なくとも1つの移動可能な、または変形可能な壁は2つの側端部を備え、
静止している壁(232)上のこれらの側端部のうちの1つに埋め込まれるか、もしくは固定され、他端では自由であるか、
または、その両方の側端部のところに埋め込まれるか、もしくは固定されるか、
または、剛性を有し、その両方の側端部のところに変形可能な要素(250、251)によって保持される請求項1から9のいずれか一項に記載のセンサー。 - 示差測定を実行するように取り付けられている第1の検出手段および第2の検出手段を有する請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサー。
- 示差構造を有する請求項1から11のいずれか一項に記載のセンサー。
- 前記第1の変形可能なキャビティ内で、雰囲気からの圧力変動を伝達するための前記手段(21、200、210)は、前記第1の変形可能なキャビティの開口部の反対側に配置された単一の開口部(21)もしくは複数の開口部(210)および前記第1の変形可能なキャビティの開口部上に配置された膜(200)を備える請求項1から12のいずれか一項に記載のセンサー。
- それぞれのセンサーが他のセンサーのそれぞれの帯域幅とは異なる帯域幅を有する請求項1から13のいずれか一項に記載の複数のセンサーを備える、圧力変動を検出するためのデバイス。
- 請求項1から13のいずれか一項に記載のセンサーと前記圧力変動の結果生じる電気エネルギーを蓄積するための手段とを備える、音響エネルギーを回収するためのデバイス。
- MEMSおよび/またはNEMS圧力センサーを製造するための方法であって、この順序で、または他の順序で、
雰囲気からの圧力変動を受けるための少なくとも1つの第1の変形可能なキャビティ(20、20'、20''、20''')を、センサー平面と称される、平面内で延在する、少なくとも1つの第1の平面層または基板(100)内で形成する段階であって、この変形可能なキャビティが前記センサー平面内において移動可能であるか、または変形可能である少なくとも1つの壁(25、25'、25''、25''')によって画成される、段階と、
圧力変動の影響下で、前記壁の、前記センサー平面内の、変位もしくは変形を検出するため、移動可能な、または変形可能な前記壁に機械的に接続されている、吊り下げられた検出手段(24、24'、241、24'1、66、66'、64、64'、および641、64'1)を製作する段階と、
雰囲気からの圧力パルスを前記キャビティに伝達するための手段(21、200、210)を製作する段階とを含み、
空隙が移動又は変形を可能にする前記壁の上方又は下方に配置されている方法。 - 前記第1の変形可能なキャビティと部分的に連通する、少なくとも1つの二次キャビティ(28、28、28、180)または緩衝キャビティを形成する段階をさらに含み、前記二次キャビティまたは前記緩衝キャビティが基準キャビティを形成する請求項16に記載の方法。
- 少なくとも1つの二次キャビティが、前記センサー平面に平行な平面内で延在する、第2の基板の平面内に形成され、前記第2の基板は前記第1の基板と異なるか、または前記第1の基板の前記平面内に形成される請求項16又は17に記載の方法。
- 前記第1の基板および前記第2の基板は、誘電体層(103)を介して組み立てられ、これによりSOI基板を形成する請求項16から18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記センサー平面に平行な平面内で延在する、第3の基板とともに第1の基板を組み立てて、前記圧力変動を前記第1の変形可能なキャビティに伝達するための手段(21、210)を形成する段階を含む請求項19に記載の方法。
- 前記検出手段は少なくとも部分的に前記第1の基板内に形成される請求項16から20のいずれか一項に記載の方法。
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