JP6065159B2 - 改良された圧力センサー構造 - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス、および、特に独立請求項の前文に記載する、改良された圧力センサー構造、および、圧力センサーに関する。
発明の背景
圧力は、ある表面に作用する力の、該表面の面積に対する比率に対応する物理量である。圧力を計測するためのゲージとして使用できるデバイスが、圧力センサーである。
微小電気機械システム(Micro-Electro-Mechanical Systems、マイクロ・エレクトロ・メカニカル システム)、即ち、ＭＥＭＳは、非常に小型化された機械的および電気機械的システムであって、少なくともいくつかの要素が何らかの機械的機能性を有するもの、と定義できる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路の作成に使用するツールと同じものを用いて作ることができるので、複数のマイクロマシンとマイクロエレクトロニクス要素とを１つのシリコン上に組み立てて、様々なタイプのデバイスを実現することができる。
図１は、圧力を検出するための微小電気機械デバイスの典型的な構造を示す図である。微小電気機械の圧力センサーは、基準圧力(reference pressure、参照圧力）を提供するギャップ（隙間）１２上に渡って広がる薄いダイアフラム１０を有していてもよい。該ダイアフラムは、センサーを取り囲む周囲圧力と基準圧力との間の差によって変形する。ダイアフラムの変位は、容量センシングまたはピエゾ抵抗センシングを用いて電気信号に変換されてもよい。
ＭＥＭＳの圧力センサー構造は、材料のパターン化された層で形成されるのが一般的である。ＭＥＭＳの製造工程は、層形成、光学リソグラフィ、エッチングおよびウェハボンディングの組合せを含んでいてもよい。図１は、微小電気機械の圧力センサーの典型的な構造の側面図および上面図である。図に示す圧力センサーは、平坦ベース１１と側壁層１３とによって形成される本体構造を有する絶対圧センサーである。側壁層１３によって形成される複数の側壁は、平坦なベース１１から遠ざかる方向に延びて空洞を形成し、該空洞の深さは側壁層１３の厚さと一致する。圧力センサー構造の分野では、この空洞は、側壁層１３上を延びるダイアフラムプレート１６によって気密に密閉される。ギャップの周方向（環状）の開口上に渡って延びるダイアフラムプレート１６の一部は、その周縁(periphery)が該開口によって定められるダイアフラム１０を提供する。ダイアフラム１０は、一方の側ではギャップの基準圧力にさらされ、他方の側では周囲圧力(ambient pressure)にさらされる。そのため、このダイアフラム１０は、基準圧力と周囲圧力との圧力差に応じて変形する。この変形の程度は、例えば、ギャップのいずれかの側にある要素に電極を配置し、該電極を用いてギャップの高さにおける変形が誘発する変化を電気信号に変換することによって容量的に検知されてもよい。
ＭＥＭＳセンサー構造の材料の層は、ダイアフラムプレートによって空洞が密閉された後は、いかなる異物も該ギャップに実質的に侵入できないようにギャップの気密な密閉を提供する。しかし、センサー構造の外面は、通常、抵抗漏れまたは容量漏れ、およびその他の迷走効果(stray effects、漂遊効果）を容量測定結果に及ぼすかもしれない周囲条件にさらされている。
発明の概要
本発明の目的は、周囲条件の変化、特に、湿度の変化に対する堅牢性(robust)を増した圧力センサー構造を提供することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴記載に従う圧力センサー構造および圧力センサーにより達成される。
本発明の好ましい実施態様は、従属請求項に開示される。
請求項に係る発明は、平坦なベースと、側壁層と、ダイアフラムプレートとを有する微小電気機械の圧力センサー構造を定める。側壁層の側壁は、周方向に延びておおり、側壁層の反対の面に向かい、平坦なベースから遠ざかって延びている。平坦なベース、側壁層、およびダイアフラムプレートは、互いに固定され、基準圧力にて気密に閉じられたギャップを形成する。側壁層内の側壁の内面の頂部エッジ(top edge)は、ダイアフラムの周縁を形成する。ダイアフラムプレートは、１以上の平坦な材料層を有しており、該材料層の第１の平坦な材料層がダイアフラムの周縁上に渡って広がっている。側壁層の上面は、ダイアフラムプレートに覆われていない少なくとも１つの隔離領域を有する。
側壁層の上面の隔離領域は、ダイアフラムの電極要素と平坦なベースの電極要素との間の絶縁を改善するように受動的に適用されてもよい。他方で、隔離領域は、導電性の保護要素と演算増幅器回路とを用いて能動的に適用して、周囲湿度によって生ずる、容量測定結果に対する迷走効果を除去するか、少なくとも軽減するようにしてもよい。
請求項に係る発明の特徴および有利な点、およびその実施態様を実施態様の詳細な説明とともに詳述する。
図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施態様に関連して、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図１は、微小電気機械の圧力センサーの典型的な構造の側面図および上面図である。 図２は、微小電気機械の圧力センサー構造の実施態様を示す図である。 図３は、構造が側壁層の周縁の付近に隔離領域を有する場合の実施態様を示す図である。 図４は、隔離領域と、ダイアフラムプレートを少なくとも部分的に囲む周方向の保護要素とを有する場合の実施態様を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。 図６は、ＲＣ伝送線路を使用した拡散静電容量効果を示す図である。 図７は、隔離領域が絶縁材料の層に覆われている実施態様を示す図である。 図８は、絶縁材料の層が隔離領域とダイアフラムプレートの第１の平坦な材料層の少なくとも一部とを覆う実施態様を示す図である。 図９は、導電性の材料の層が、側壁層の上面上を側壁層の外面から絶縁材料の層上に渡るギャップに向かう距離だけ延びる実施態様を示す図である。 図１０は、微小電気機械の圧力センサー構造に基準プレートが設けられる実施態様を示す図である。 図１１Ａ〜図１１Ｄは、異なるダイアフラムプレートおよび基準プレートの構成を示す図である。 図１１Ａ〜図１１Ｄは、異なるダイアフラムプレートおよび基準プレートの構成を示す図である。 図１１Ａ〜図１１Ｄは、異なるダイアフラムプレートおよび基準プレートの構成を示す図である。 図１１Ａ〜図１１Ｄは、異なるダイアフラムプレートおよび基準プレートの構成を示す図である。 図１２は、典型的な湿度試験の結果を示す図である。 図１３は、同一の試験サンプルの構成における補償された静電容量を示す図である。 図１４は、センサー構造における迷走静電容量を減少させるための更なる実施態様を示す図である。 図１５は、微小電気機械の圧力センサー構造の更なる実施態様を示す図である。 図１６は、隔離領域が側壁層の上面上の要素間に溝を形成する更なる実施態様の態様を示す図である。 図１７は、微小電気機械の圧力センサーの実施態様を示す図である。
いくつかの実施態様の詳細な説明
下記の各実施態様は例示である。明細書中において「或る」、「１つの」または「いくつかの」実施態様ということがあるが、これは、必ずしもこれらの語による言及が同じ実施態様を意味したり、１つの実施態様にのみ適用される特徴を意味したりするものではない。異なる実施態様の特徴を１つずつ組み合わせて更なる実施態様を提供してもよい。
以下、本発明の様々な実施態様を実施し得るデバイス構成の単純な実施例を用いて本発明の特徴を説明するが、実施態様の描写に関係のある要素のみを詳細に説明する。圧力センサーの様々な実施においては、一般的に当業者に知られている要素やここに具体的に記載しない要素を有することがある。
当該圧力センサー構造の実施態様は、図１を参照してより詳細に説明する要素を適用する。図１は、微小電気機械の圧力センサーの典型的な構造を示し、図示するセンサー構造の側面図および上面図を示す。図の圧力センサー構造は、平坦なベース１１と側壁層１３とによって形成される本体構造を有する。平坦なベース１１は、シリコン材料のウェハから製造されてもよいが、他の導体、半導体または絶縁体の材料を発明の技術的範囲内で適用してもよい。また、平坦なベース１１は、材料の複数の層からなっていてもよい。一例として、平坦なベースの表面上の層は、容量センサーの電極として作用するために導電性であってもよい。他の例として、平坦なベース全体が、電極として作用するのに十分な高い伝導率を有していてもよい。平坦なベース１１は、平坦なベース１１の平面に本質的に沿って延びる第１の面１４を有する。ここで、用語「本質的に(essentially)」とは、第１の面が副次的な(minor、小さい)表面構造（バンプや空洞）を提供してもよいことを意味するが、表面積の９０％以上は、許容範囲内で、平坦なベース１１の平面に揃えられている。
側壁層１３は、図１に示すように、不連続の層であって、第１の面１４から遠ざかる方向、有利には、第１の面１４に垂直な方向に延びる側壁を提供する。第１の面１４から最も遠い側壁層の面は、側壁層の上面である。ギャップの反対側の側壁層の面または複数の面は、側壁層の外面である。側壁層１３は、平坦なベース１１に堅固(rigidly)に固定されて、これにより、平坦なベース１１上のオープンスペースを囲む。平坦なベース１１とともに、側壁層１３の側壁は空洞を形成し、その深さは側壁の高さおよび側壁層１３の厚さに一致する。典型的には、側壁層は非常に薄く、そのため、空洞は非常に浅く、マイクロメートルのオーダーである。側壁層は、二酸化ケイ素のような電気絶縁材料のものであってもよいが、他の電気絶縁材料を発明の技術的範囲で適用してもよい。この例示的構造の上面図において、側壁層１３の上面１９は、側壁が点線から外向きに延びて、矩形の外周囲(perimeter)を示している。この点線は、側壁の内面を表し、これらの内面の頂部エッジは、平坦なベース１１と側壁層１３によって形成される空洞の、環状の開口を定めている。
この空洞は、側壁層１３上を延びるダイアフラムプレート１６によって気密に密閉される。ここで、用語「ダイアフラム」とは、弾性的に変形する材料のフィルムであって、自体の周縁において固定(anchored)されているものを意味する。ダイアフラムプレート１６は、平坦な物体であって、センサー構造にダイアフラム１０を提供し、かつ、ダイアフラムをその周縁で固定する。ダイアフラムプレート１６は、１以上の材料の層で作られていてもよい。シリコン材料は、多くの場合、ダイアフラムプレートの少なくとも１層において使用されるが、他の導体、半導体または絶縁体の材料を発明の技術的範囲内で適用してもよい。ダイアフラムプレート１６は、平坦なベース１１の第１の面１４に当初は平行な平面である第２の面１８を通って側壁層１３に接続する。用語「当初」は、ここでは、センサーの製造段階における要素の寸法に関係するものであることに留意すべきである。当業者は、圧力センサーの動作中に各部品が初期の平坦な形状から変形し得ることを理解する。
平坦なベース１１、側壁層１３、および、ダイアフラムプレート１６は、互いに固定されて、第１の面１４、第２の面１８、および、側壁１３の内面が、基準圧力において気密に密閉されたギャップ１２を形成するようになっている。ギャップ１２は、ほんの少量の残留ガスを含むような真空にされていてよいが、選択された基準圧力で、選択されたガスまたは他の揮発性物質で満たされていてもよい。
周方向の開口上に渡って、ギャップ１２に向かって延びるダイアフラムプレート１６の一部は、その周縁が開口によって定められるダイアフラム１０を提供する。ダイアフラム１０の変形は、容量的に、または代替的には、ピエゾ抵抗またはこれに類似のひずみゲージに基づく方法を用いて、ダイアフラムにおいて変形が誘発する応力を電気信号に変換することによって、組込みのピエゾ抵抗器またはひずみゲージ抵抗器を用いて検知されてもよい。これらの方法は全て技術的に開示され、当業者によく知られているのでここでは詳細には言及しない。
図２は、図１の従来技術の圧力センサー構造の外面の断面図を示す。上述のとおり、典型的には、平坦なベースとダイアフラムプレートとは、導電材料または誘電材料の層からなり、そして、側壁は、絶縁材料の層によって提供される。側壁層は、非常に薄いものであってよく、１マイクロメートル以上のオーダーでさえあってもよい。このことは、ダイアフラムプレートから平坦なベースまでの絶縁距離が同等に短いことを意味する。湿った状態(humid conditions)では、表面伝導率、ひいては絶縁体の抵抗漏れ電流(resistive leakage current)および容量漏れ電流(capacitive leakage current)が上昇し、これにより、ギャップ上に渡って測定される静電容量(capacitance、キャパシタンス)が、著しく、誤って上昇することがある。本発明の実施態様では、有害な漏れは、側壁層の上面に配置される１以上の隔離領域によって、除去されるか、少なくとも軽減される。上述のとおり、ダイアフラムプレートは、１以上の平坦な材料層を有していてもよく、その一つが、ダイアフラムの周縁上に渡って広がる第１の平坦な材料層である。「隔離領域(isolation area)」とは、ここでは、ダイアフラムプレートの１以上の材料の層で覆われていない側壁層の上面の領域を指す。
図２は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース２１、側壁層２３、およびダイアフラムプレート２６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。側壁層の上面２９は、少なくとも部分的に第２の面と一致する周方向の面である。絶縁距離Ｔは、側壁層２３の厚さによって提供され、Ｉｓは、距離Ｔに渡る外面上の抵抗漏れ電流および容量漏れ電流を示す。
図３は、図２の従来技術の構造が隔離領域３０を有する本発明の実施態様を示す図である。上述のとおり、側壁の１または複数の内面の頂部エッジ３２は、ダイアフラムの周縁を形成する。一方、隔離領域３０は、側壁層３３の外面からゼロでない距離Ｌを側壁層の上面上のギャップに向かって延びる。図３に示すように、ダイアフラムプレートから平坦なベースまで絶縁層の面に沿って増加した距離は、ここでは隔離領域によって提供される距離Ｌと側壁を形成する層の厚さＴとを含む。「距離Ｌ」とは、ここでは隔離距離(isolation distance)をいい、側壁層の上面に沿った隔離領域の範囲を表す。
この増加した距離を用いて、抵抗漏れ電流および容量漏れ電流Ｉｓの有意な減少が実現できることが分かっている。例えば、有限要素法(finite element method)（ＦＥＭ）のシミュレーションが、典型的な０．５３５ｍｍの幅のセンサー構造、５μｍの厚さのダイアフラムプレート、および１μｍの厚さの側壁層の絶縁体を使って行われた。その結果は、隔離距離が数十マイクロメートルのオーダーのものである場合、抵抗漏れ電流および容量漏れ電流Ｉｓが１０倍またはそれ以上削減されうることを示している。このように、この所望の改善は、本質的にセンサー構造全体の大きさに対する新たな要件を課すことも、コストを増加させることもない単純な構造的特徴によって実現される。
図４は、隔離領域と、少なくとも部分的にダイアフラムプレートを囲む周方向の保護要素とを用いて、表面伝導率の効果を更に減少させる場合の本発明の他の実施態様を示す図である。図４は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース４１、側壁層４３、およびダイアフラムプレート４６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。ギャップを気密に密閉するために、側壁層の上面の一部は常にダイアフラムプレート４６の第１の平坦な材料層に覆われていると理解される。図４の実施態様では、側壁層の上面上のダイアフラムプレートを超える領域は、隔離領域４０と保護要素４２とに覆われている。隔離領域４０は、ダイアフラムプレート４６から始まり、そこから側壁層４３の外面に向かってゼロでない距離だけ延びる。保護要素４２は、有利には周方向にあり、ダイアフラムプレート４６と隔離領域４０とを囲む。保護要素は、側壁層４３の外面から、側壁層の上面上をギャップに向かって、ゼロでない距離に延びていてもよい。なお、ダイアフラムプレート４６と、隔離領域４０と、保護要素４２とを囲む更なる隔離領域を含むことも可能である。
図３の実施態様に示すように、隔離領域４０は、動作中の迷走電流が通過する絶縁距離を増加させる。また、漏れ電流からのその他の効果は、閉ループ演算増幅器を使用する容量変換回路を用いて、除去または少なくとも有意に軽減され得ることが分かっている。測定された静電容量は、平坦なベース４１とダイアフラムプレート４６との間、および平坦なベース４１と保護要素４２との間の静電容量に起因するものである。図４のセンサー構造において、演算増幅器回路がダイアフラムプレート４６または平坦なベース４１のいずれかの電極と同じ電位に保護要素４２を保つように配置される場合、演算増幅器の電圧出力は、本質的にダイアフラムプレートと平坦なベースとの間の静電容量だけを示唆するようにしてもよい。ダイアフラムプレートから保護要素まで、および保護要素から平坦なベースまでの絶縁表面上に渡って生じ得る漏れ電流の効果は、演算増幅器の開ループ利得の因子によって減少し得る。
図５Ａ〜図５Ｆは、センサー構造におけるダイアフラムプレートと平坦なベースとの間の絶縁表面上に渡って生じ得る漏れ電流の効果を減少させるのに適した、典型的な容量変換回路の構成を示す図である。この構成は、演算増幅器５０、平坦なベースの電極のための端末入力５１、ダイアフラムプレート電極のための端末入力５６、保護要素電極への端末入力５２、電圧源５４または電流源５５、および基準インピーダンス５７を含む。これらの構成要素(components)は、湿度変化による絶縁層の表面伝導率における変化からの顕著な影響を受けずに、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間の静電容量を示唆する電圧出力を得るために接続される。なお、当業者にとって、請求の範囲に記載された方法で演算増幅に適用される演算増幅器回路の構成の更なる様々な態様が、本発明の技術的範囲を逸脱することなく適用できることは明らかである。
図５Ａ〜図５Ｄは、正の非反転入力がコモン接地（グラウンド）またはゼロ電圧端子に接続された、典型的な反転演算増幅器回路を示す図である。閉ループフィードバック回路のほぼゼロの差動入力電圧の要求のため、反転入力の電位は、非反転入力の電位とほぼ等しく、仮想接地加算点５８を生ずる。
図５Ａにおいて、保護要素は、平坦なベースと同じ電位に配置される。図５Ａに示すように、平坦なベース端子５１は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、そして、保護要素端子５２は接地電位である。このため、保護要素と平坦なベースとの間の電圧と電流は、無視できるものであり、平坦なベースとダイアフラムプレートとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。ダイアフラムプレート端子５６は、保護要素とダイアフラムプレートとの間の電流が無視できるものであって、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさないように、電圧源５４に接続される。保護要素と平坦なベースとの間の静電容量は、接地（グラウンド）と仮想接地５８との間に接続され、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。
更なる背景として、平坦なベース端子５１とダイアフラムプレート端子５６との間の静電容量をＣＳとし、そして、平坦なベース端子５１と保護要素端子５２との間の静電容量をＣＬとする。また、電圧源５４を実効電圧ＵｉのＡＣ電圧源と仮定し、また、フィードバック回路要素５７をＣＦに等しい静電容量のコンデンサと仮定し、さらに、増幅器の開ループ利得をＡと仮定する。増幅器の出力電圧Ｕ０は、次のように表される。
このようにして、ＣＬの影響は、増幅器開ループ利得の量によって減少する。ダイアフラムプレート端子５６と保護要素端子５２との間の静電容量もまた、理想的な電圧源として電圧を変化させることなく電流をこの静電容量に提供できる電圧源Ｕｉと並列に接続されるので、出力電圧に影響を及ぼさない。
図５Ｂにおいて、保護要素は、ダイアフラムプレートとほぼ同じ電位に配置される。図５Ｂに示すように、ダイアフラムプレート端子５６は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、そして、保護要素端子５２は、接地電位である。このため、保護要素とダイアフラムプレートとの間の電圧と電流は、無視できるものであり、かつ、平坦なベースとダイアフラムプレートとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。平坦なベース端子５１は、保護要素と平坦なベースとの間の電流が、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさないように、電圧源５４に接続される。保護要素と平坦なベースとの間の静電容量は、接地と電圧源との間に接続されるので、したがって、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。
図５Ｃにおいて、保護要素もまた、ダイアフラムプレートとほぼ同じ電位に配置される。図５Ｃに示すように、ダイアフラムプレート端子５６は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、そして、保護要素端子５２は接地電位である。このため、保護要素とダイアフラムプレートとの間の電圧と電流は、無視できるものであり、かつ、平坦なベースとダイアフラムプレートとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。平坦なベース端子５１は、保護要素と平坦なベースとの間の電流が無視でき、かつ、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさないように、増幅器５０の出力に接続される。保護要素と平坦なベースとの間の静電容量は、接地と増幅器５０の出力との間に接続されるので、したがって、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。
図５Ｄにおいて、保護要素もまた、平坦なベースとほぼ同じ電位に配置される。図５Ｄに示すように、平坦なベース端子５１は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、そして、保護要素端子５２は接地電位である。このため、保護要素と平坦なベースとの間の電圧と電流は、無視できるものであり、かつ、平坦なベースとダイアフラムプレートとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。ダイアフラムプレート端子５６は、保護要素とダイアフラムプレートとの間のとの間の電流が無視でき、かつ、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさないように、増幅器５０の出力に接続される。保護要素と平坦なベースとの間の静電容量は、接地と仮想接地６８との間に接続されるので、したがって、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定される容量値に実質的な影響を及ぼさない。
図５Ａ〜図５Ｄにおいて、保護端子は接地電位に接続される。平坦なベースまたはダイアフラムプレートの端子は、感知した静電容量を提供し、また、センサーの端子の１つは、増幅器回路の仮想接地に接続される。これにより、保護端子とダイアフラムプレート端子を通る電流を互いから隔離しつつ、保護端子とセンサーの端子の１つをほぼ同じ電圧に保つことが可能になる。この原理を図５Ａ〜図５Ｄに示す以外の様々な態様で使用することは本発明の技術的範囲内である。
図５Ｅおよび図５Ｆは、典型的な非反転(non-inverting)演算増幅器回路を示す図である。演算増幅器５０は、電圧フォロワとして使用され、演算増幅器の出力は、もとの反転入力に直接的に接続される。反転入力の電位は非反転入力の電位にほぼ等しい。
図５Ｅにおいて、保護要素は、ダイアフラムプレートの電位とほぼ同じ電位に配置される。図５Ｅに示すように、ダイアフラムプレート端子５６は、予め定められた電流あるいは既知の電流で電流源５５に接続される。また、電流源５５は、電流源および電圧源と内部インピーダンスとの組合せで形成されてもよいと理解され、この場合、電流は一定でないが、例えば、分流抵抗器またはその他の既知の電流測定法による測定により知れている。ダイアフラムプレートと保護要素とは、ここではほぼ同じ電位にあるため、実質的には両者の間を流れる電流はない。保護要素と平坦なベースとの間で生じ得る漏れ電流または容量電流は、この電流が出力電圧に実質的な影響を与えることなく増幅器によって提供されるため、ダイアフラムプレートまたは平坦なベースとの間の電圧または電流に実質的な影響を及ぼさない。
更なる背景として、平坦なベース端子５１とダイアフラムプレート端子５６との間の静電容量をＣＳとし、そして、増幅器の反転（−）入力と非反転（＋）入力との間の静電容量をＣｉとする。この静電容量は、増幅器の入力静電容量、およびダイアフラムプレート端子５６と保護要素端子５２との間の静電容量の両方を含む。また、電流源５５を周波数ｆにおける実効電流ＪｉのＡＣ電流源と仮定し、また、増幅器の開ループ利得をＡと仮定する。増幅器の出力電圧Ｕｏは、次のように表される。
このようにして、Ｃｉの影響は、増幅器開ループ利得Ａの量によって減少する。平坦なベース端子５１と保護要素端子５２との間の静電容量もまた、増幅器の出力端子と接地端子との間に接続されるために出力電圧にほとんど影響を及ぼさないので、出力電圧に影響を及ぼさない。
図５Ｆにおいて、保護要素は、平坦なベースとほぼ同じ電位に配置される。図５Ｆに示すように、平坦なベース端子５１は、予め定められた電流あるいは既知の電流で電流源５５に接続される。平坦なベースと保護要素とは、ここではほぼ同じ電位にあるため、実質的には両者の間を流れる電流はない。保護要素とダイアフラムプレートとの間で生じ得る漏れ電流または容量電流は、この電流が出力電圧に実質的な影響を与えることなく増幅器によって提供されるため、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間の電圧または電流に実質的な影響を及ぼさない。
図５Ｅおよび図５Ｆにおいて、保護端子は、増幅器の出力に接続され、センサーの端子の１つの電位を緊密にフォローするように配置されるので、保護端子とセンサーの端子の１つとの間の電流を無視できるものに保つ。この原理を図５Ｅおよび図５Ｆに示す以外の様々な態様で使用することは本発明の技術的範囲内である。
図５Ａ〜図５Ｆの全ての実施例は、フィードバック構成になっている増幅器を使用しており、保護端子の電位をセンサーの端子の１つの電位付近に保つと同時に、保護端子を通る電流経路とダイアフラムプレート端子を通る電流経路との分離を保つようになっている。
図３および図４の構成は、絶縁側壁層の表面に沿う抵抗漏れおよび容量漏れを減少させるのに適切なセンサー構造を示す。これに加えて、他の迷走効果もまた、容量圧力センサーにおいて起こり得る。１つの効果は、拡散静電容量効果(spreading capacitance effect)または伝送線路効果(transmission line effect)と呼ばれるものであり得る。この効果は、側壁層の有限の表面抵抗率と側壁層上の静電容量によって生ずる。図６は、この拡散静電容量効果をＲＣ伝送線路６０によって示すものである。図６は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース６１、側壁層６３、およびダイアフラムプレート６６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。伝送線路理論によれば、無限ＲＣ伝送線路の端部から見た等価的並列静電容量Ｃｐと抵抗Ｒｐは次のように表される。
式中、ｒは単位長さ当たりの表面抵抗であり、ｃは単位長さ当たりの絶縁体静電容量であり、そしてｆは測定周波数である。この等価的静電容量と抵抗は絶縁体静電容量６２、およびダイアフラムと平坦なベースとの間のセンサー静電容量に並列に連結される。
実際には、湿度に関連する静電容量の変化を十分に小さく保つことが必要であり、典型的には、＜１ｆＦに保つ必要がある。この実現のためには、極めて高い表面抵抗率が要求される。典型的な構成を仮定し、側壁層の表面抵抗を１０１５オームスクエア(ohms aquare)、ダイアフラムプレート６６の外周(circumference)を５ｍｍ、側壁層の厚さを１μｍ、側壁材料の誘電係数を３．９、および測定周波数を１００ｋＨｚとする。これらの数値を用いると、等式（３）から、並列静電容量は０．８３ｆＦ、並列抵抗１．９Ｇオームが得られる。これは静電容量の変化が維持されるべきレベルである。仮に表面抵抗１０１２オームスクエアに低下した場合、静電容量は２５ｆＦに上昇するが、これは２５倍の増加であり既に多すぎる。追加された並列静電容量は、後者の例では、ほんの０．１４μｍに対応するダイアフラムプレート６６の幅への実効的な追加である。
図７は、絶縁材料の層で隔離領域を覆うことによって伝送線路効果を減少させる実施態様を示す図である。「絶縁材料」とは、ここでは、電場の影響下において電流を伝導しない任意の材料を指し、誘電材料を含む。図７は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース７１、側壁層７３、およびダイアフラムプレート７６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。典型的なセンサー構造では、隔離領域は、側壁層の上面７３を不動態化する絶縁材料７４で完全に覆われている。また、絶縁材料の層が延びているところでは、例えば、側壁層の外面からダイアフラムプレートまで、部分的な覆いを本発明の技術的範囲内で適用してもよい。
図３と比較すると、ＲＣ伝送線路７０は、ここでは絶縁材料の層の表面に移されている。側壁層７３と絶縁材料の層７４との組み合わせの増加した厚さは、単位長さに渡る静電容量を減少させるので、これにより伝送線路効果を低減する。例えば、絶縁材料の層７４の厚さが側壁の高さよりも８倍大きく、かつ、誘電係数が同じならば、並列静電容量は、３倍減少し得る。たとえ水分が絶縁材料を通して拡散するとしても、ダイアフラムプレート７６と絶縁材料７４との間のインターフェースにおける表面抵抗は、遊離面が存在しない場合、高いままとなる。
この現象は顕著であるが、全ての応用に十分ではないかもしれない。図７の実施態様では、絶縁材料の層とダイアフラムプレートの第１の平坦な材料層とは、等しい厚さである。図８は、更なる実施態様を示す図であり、ここでは絶縁材料の層が側壁層８３の外面から側壁層の上面上のギャップに向かう距離に延び、隔離領域とダイアフラムプレートの少なくとも一部とを覆っている。図８は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース８１、側壁層８３、およびダイアフラムプレート８６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。
図８の構成では、ＲＣ伝送線路８０は、平坦なベース８１から更に変位している。図８の構造では、ダイアフラムプレートの第１の材料の層から形成された容量結合はより複雑であり、これがまた拡散効果(spreading effect)を減少させる。しかし、ダイアフラムの圧力反応への影響を避けるため、または熱膨張のミスマッチによる曲げモーメントの誘発を避けるため、絶縁材料の層は、ダイアフラムの領域に延びていなくてもよい。絶縁材料の層８４の端は、有利には、ダイアフラムの周縁から、該ダイアフラムの厚さよりも遠く離れている。
図７を再度参照すると、伝送線路効果によって生ずる拡散静電容量に加えて、並列静電容量７５が平坦なベース７１とダイアフラムプレート７６との間の絶縁材料７４を通って形成されている。絶縁材料が、例えば、ポリマーであれば、誘電係数は、水分吸収により変化し得るので、静電容量７５を変化させ得る。並列静電容量８５、９５は、また、図８および図９の構造にも示される。
図９は、更なる実施態様を示す図であり、ここでは、導電性の材料９９の層が側壁層の上面上を側壁層の外面から、絶縁材料の層上に渡るギャップに向かう距離に延びている。図９は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース９１、側壁層９３、およびダイアフラムプレート９６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。また、図９は、図８においてより詳細に説明した絶縁材料９４の層も示している。図９の実施態様では、絶縁材料９４の層も、側壁層９３の外面から側壁層の上面上のギャップに向かう距離に広がり、隔離領域とダイアフラムプレート９６の少なくとも一部とを覆う。
図９の構成では、導電性の層９９は、図４および図５Ａ〜図５Ｆにおける保護要素について上述した方法でＲＣ伝送線路効果を減少させるよう容量変換回路に接続されてもよい。演算増幅器回路を用いることにより、ダイアフラムプレート９６から導電材料のシールド層９９までの静電容量９７と、導電材料の層９９から平坦なベース９１までの静電容量９８とは、ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定された静電容量の数値に対してなんらの効果も及ぼし得ない。絶縁材料９４の層を通る静電容量９５は、絶縁体の静電容量９２とダイアフラムプレートと平坦なベースとの間の真のセンサー静電容量とに並列に接続されたままとなる。
上記実施態様は、互いに排他的なものではなく、様々な方法で組み合わせることができる。例えば、図９のセンサー構造は、保護要素と導電材料の層とを含みうるし、また、複数の要素が互いに接続され上記に定めたような演算増幅器回路の任意のものとともに使用されてもよい。
図６〜図９を考慮すると、ＲＣ伝送線路６０、７０、８０の実効並列静電容量と抵抗（等式（３）のＣｐとＲｐ）、および並列静電容量７５、８５、９５は、ダイアフラムプレート６３、７３、８３、９３の外周囲(perimeter)の長さに比例すると理解される。図１０は、センサー構造を幅方向から見た側面図、および上面図を示す図である。図１０は、平坦なベース１０１、側壁層１０３、およびダイアフラムプレート１０６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。図１０のセンサー構造には、ダイアフラムプレートと同じ厚さで、ダイアフラムプレートと同じ電気特性を有し、側壁層１０３の上面上の隔離領域上に延びている基準プレート(reference plate、参照プレート)１００が設けられる。基準プレートの材料は、有利には、しかし必ずしも必要的ではないが、ダイアフラムプレートの材料と同じである。各々の要素の端において同じ厚さ、かつ同じ条件であるため、同様の伝送線路効果と並列静電容量効果とが、ダイアフラムプレート１０６の外周囲、および基準プレート１００の外周囲において現れる。
ダイアフラムプレートと平坦なベースとの間で測定された静電容量ＣＳは、ダイアフラム静電容量、支持領域静電容量、およびエッジ静電容量の３つの合計を含む。該ダイアフラム静電容量は、ダイアフラムの周縁内のダイアフラム領域Ａｄ上の静電容量を指す。該支持静電容量は、ダイアフラムプレートに覆われている側壁層の上面の部分Ａｓ上の静電容量を指す。該エッジ静電容量とは、ここでは、上述した、伝送線路の静電容量と迷走並列静電容量との組み合わせを指す。これらの両方の成分がプレートの外周囲の長さに依存するので、Ｃｓについての等式は、以下のように表すことができる。
ここで、Ａｄはダイアフラム領域であり、Ａｓは側壁層の上面上のダイアフラムプレートの支持領域であり、Ｔは側壁の高さ（側壁層の厚さ）であり、Ｌｓはダイアフラムプレートの周縁の長さであり、εｒは側壁層の材料の相対誘電定数であり、ε０は、誘電定数であり、ｃＥは側壁の外側の周縁上に渡る伝送線路によって、および側壁層の厚さ内の迷走静電容量によって生ずる単位長さ当たりのエッジ静電容量である。
これに対応して、基準プレートについて測定される静電容量ＣＲは、以下のように表すことができる。
ここで、ＡＲは基準プレート１００の領域であり、ＬＲは基準プレート１００の周縁の長さである。
圧力センサー構造が、平坦なベース１０１への電導線、ダイアフラムプレート１０６への電導線、および基準プレート１００への電導線を含む場合は、これらをある出力量（ここでは、補償(compensated)されたセンサー静電容量Ｃｃｏｍｐと呼ぶ）を形成する電気回路に接続することができる。補償されたセンサー静電容量Ｃｃｏｍｐは、以下のように表すことができる。
ここで、Ｋは、基準プレート静電容量(reference plate capacitance)についての重み係数である。該等式（６）の最後の項は、側壁層の外端上に渡る伝送線路と、側壁層の厚さ内の迷走静電容量の寄与を含む。この寄与は、ダイアフラムプレートの周縁の長さＬｓと基準プレートの周縁の長さＬＲとの比率に等しくなるように、重み係数Ｋを調整することにより除去し得る。
図１０のセンサー構造は、基準プレートとダイアフラムプレートとが等しい大きさである実施態様を示す。これらプレートの周方向の長さは等しく、即ち、Ｌｓ＝ＬＲであり、よってＫ＝１である。
他の態様において、等式（６）から、ダイアフラムプレート１１６の支持領域Ａｓは、側壁層上に渡る追加の静電容量を導入すると見ることができる。この追加の静電容量の大きさは、ダイアフラム領域静電容量のオーダーであり得るので、圧力センサーの解像度、線形性、および熱安定性を容易に低下させる。しかしながら、支持領域静電容量の効果は、支持領域ＡＳと基準プレートＡＲの領域の大きさを調整し、また、等式（６）の第２項がゼロになるように互いを関連させることによって除去することができる。
重み係数Ｋが支持領域ＡＳと基準プレートの領域ＡＲとの比率に等しく設定される場合、迷走効果は、構造的に補償することができ、そして、補償されたセンサー静電容量Ｃｃｏｍｐは、ダイアフラムの撓みの真の変化に極めて正確に対応する。効率性における有意な改良は、非常にコンパクトな、特に、厚さの寸法においてコンパクトなセンサー構造によって実現することができる。
図１０の実施態様では、プレートの周方向の長さＬｓ、ＬＲは等しいが、基準プレート領域ＡＲはダイアフラムプレートの支持領域Ａｓよりもずっと大きい。このタイプの構成を用いる場合、等式の最後の項がゼロとなるようにＫを選択することが可能である。図１１Ａは、隔離領域上の基準プレートの形状がダイアフラムプレートの形状から逸脱する実施態様を示す圧力センサー構造の上面図である。このようにして、当業者はプレートの領域（面積）と外周の両方の割合を調整することができ、また、等式（６）の第２項と第３項の両方をゼロに調整することができる。
図１１Ａ〜図１１Ｃは、ダイアフラムプレート１１６と基準プレート１１０とが側壁層の上面上に配置されたセンサー構造の上面図を示す図である。図１１Ａでは、基準プレートは環状の形状を有し、より具体的には、くぼみのある矩形またはダイアフラムプレートの傍に配置された閉ループを有する。図１１Ｂおよび図１１Ｃでは、基準プレートは、曲がりくねった外周囲を有する。図１１Ｂでは、基準プレートの外周囲は櫛の形状であり、図１１Ｃでは、基準プレートは蛇行形状である。
図１１Ａ〜図１１Ｃの全ての構成において、基準プレートの外周囲の長さＬＲは、図１０における外周囲の長さと同じままであるが、基準プレートの領域（area、面積）ＡＲは、図１０における基準プレートの領域よりも小さい。本発明の技術的範囲が、図１１Ａ〜図１１Ｄの典型的なダイアフラムプレートと基準プレートの構成に限定されないことは当業者に明らかである。所望の比率は、ダイアフラムプレートと基準プレートの複数の異なる形状を用いて実現することができる。
例えば、機械的な安定性のために典型的に好ましいのは、ダイアフラムが平坦なベースの中央に対称的に配置される対称的なセンサー構造を有することである。ある態様では、図１１Ａ〜図１１Ｃの基準プレート１１０は、センサーの２つの側（two sides)または４つの側（four sides)に複製されてもよい。図１１Ｄは、他の代替的な構成を示す図であり、ここでは基準プレートがダイアフラムプレート１１６を取り囲むように配置されている。これらの構成では、基準プレートの外周ＬＲは、ダイアフラムプレートの外周ＬＳよりも長くなり、そのため、Ｋは１未満になることが理解される。図１１Ｄでは、基準電極は、環状リング(annular ring)としてセンサープレートを取り囲んでいる。この場合、Ｋの値は、基準プレート１１０の内側と外側の外周はともに、ダイアフラムプレート１１６の外周よりも長いので、０．５未満である。
図１２は、典型的な湿度試験から得た結果とともに湿度の効果を示す図である。試験は、２つの試験サンプルを使って行われ、ここではダイアフラムプレートの外周の長さＬｓと基準プレートの外周の長さとの比率ＬＳ／ＬＲが０．５に調整されている。２つの試験サンプルのダイアフラム静電容量の測定値は、図１２において、それぞれＣＳ１およびＣＳ２で表される。２つの試験サンプルの基準プレート静電容量の測定値は、それぞれＣＲ１およびＣＲ２で表される。この実験における側壁層の材料は、ポリイミドであった。この材料の吸水率は、１００％の相対湿度で１％であり、これは材料の誘電係数を３０％変化させる。初期の静電容量の値は、２０％の相対湿度で測定され、さらに、静電容量の値が６０％の相対湿度および９０％の相対湿度で測定された。６０％の相対湿度および９０％の相対湿度での測定値は、２０％の相対湿度での初期の静電容量の値に関連させた静電容量の変化として示される。湿度に起因して、ダイアフラムプレートの静電容量が３０〜４０ｆＦ変化し得ること、および、基準プレートの静電容量が６５〜７０ｆＦ変化し得ることが見て取れる。
図１３は、同じ試験サンプルの構成において、等式（６）を用いて上述の方法によって補償された静電容量を示す図である。重み係数Ｋ＝０．５が使用された。補償によって、湿度が誘発した静電容量の最大の変化は４ｆＦであり、また、該変化は他の点については０．５ｆＦ未満であることがわかる。これらの結果は、重み付きのセンサー静電容量と基準静電容量との差による補償が、誤差を少なくとも９倍減らし得ることを確認するものであるが、周囲湿度次第で５０倍の補償さえも可能である。
図１０および図１１の上記の実施態様では、ダイアフラムプレート１０６、１１６と基準プレート１００、１１０の各々の外周に沿った条件が実質的に同様であることが仮定されている。この仮定は、ダイアフラムプレートから基準プレートまで、ダイアフラムプレートから側壁層の外面の頂部エッジまで、および基準プレートから側壁層の外面の頂部エッジまでの隔離距離が十分大きい場合、少なくともプレートの厚さよりも大きい場合に可能である。しかし、たとえ距離が小さく、また、異なる位置にあって単位長さ当たりのエッジ静電容量Ｃｅが位置に基づき変化する場合でも、比率Ｋの最適値は常に見つけることができ、測定された２つの静電容量ＣＳとＣＲの重み付きの差におけるエッジ静電容量の効果はゼロである。等式（６）の最後の項をゼロにする代わりに、次の２つの積分の重み付きの差をゼロにすることによって、最適なＫを得てもよい。
ここで、これらの積分は、ダイアフラムプレートと基準プレートのそれぞれの外周に沿って計算され、かつ、ｃｅ（ｘ，ｙ）は、表面上の位置の関数としての単位長さ当たりの可変のエッジ静電容量である。
図１４は、センサー構造において迷走静電容量を減少させるための更なる実施態様を示す図である。図１４は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース１４１、側壁層１４３、およびダイアフラムプレート１４６の図１と共に詳細に上述した要素を示している。図１４は、また、基準プレート１４０を示し、この例では、側壁層の上面上のダイアフラムプレート１４６と隣り合わせに配置される。基準プレートの位置決めの他の構成は、図１１Ｄのように、基準プレートがダイアフラムプレートを囲むものも実現可能である。基準プレート１４０とダイアフラムプレート１４６とは、ダイアフラムプレート１４６と基準プレート１４０との間の隔離領域の領域によって形成される第１の溝１４８によって互いから分離されている。第２の溝１４４、１４９は、ダイアフラムプレート１４６、基準プレート１４０、および第１の溝１４８を囲む隔離領域の一部によって形成される。
図１４では、第２の溝の部分１４４は、基準プレート１４０に隣接し、また、第２の溝の部分１４９はダイアフラムプレート１４６に隣接する。代替的な構成１１Ｄでは、第２の溝は、基準プレート１１０に隣接する部分だけを有することに留意を要する。保護要素１４２は、第２の溝１４４、１４９の周縁から側壁層１４３の外面の頂部エッジに向かって側壁層の上面上に延びている。図１４では、ダイアフラムプレートに隣接する第２の溝の部分１４９は、このため、ダイアフラムプレート１４６と保護要素１４２との間にある。これに対応して、基準プレートに隣接する第２の溝の部分１４４は、基準プレート１４０と保護要素１４２との間にある。代替的な保護要素の構成を用いる場合、第１および第２の溝の構成はこれに従い変化することが理解される。
第１の溝１４３または第２の溝１４４、１４９、または、第１の溝１４８と第２の溝１４４、１４９の両方は、同様に空であってもよく、また、絶縁材料で覆われていてもよい。有利には、溝１４４、１４８、１４９は、等しい幅を有し、かつ、同様に空であるか、または同様に絶縁材料で覆われている。
ダイアフラムプレートと、基準プレート１４０と、第１および第２の溝１４８、１４４、１４９とを含むこの構成は、ダイアフラムプレート１４６と基準プレート１４０の外周に沿った電気的な条件が全ての位置において可能な限り同様であることを確実にするものである。この方法によれば、エッジ静電容量が全ての位置において湿度の関数として等しく変化するように、単位長さ当たり一定のエッジ静電容量を提供するための比率Ｋの最適値の決定に、上記等式を使用することは容易である。
図１５は、微小電気機械の圧力センサー構造の更なる実施態様を示す図である。図１５は、センサー構造をその幅方向から見た側面図を示し、平坦なベース１５１、側壁層１５３、およびダイアフラムプレート１５６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。図１の従来技術の構造と対照的に、ダイアフラムを狭くして、ダイアフラムの幅に沿った平坦なベースの曲げとダイアフラムの曲げとの間の差が最小になるように、センサー構造を長方形にしてもよい。ダイアフラムは、平坦なベースの平面の方向に長さと幅とを有し、ここで、長さはダイアフラムの最長の範囲の方向にあり、幅はダイアフラムプレートの平面の長さ方向に垂直な方向にある。長方形の圧力センサーでは、ダイアフラムの長さは、ダイアフラムの幅の少なくとも３倍であり、そのため、ウェハの曲げ形状に非常に正確に一致する。この結果、圧力センサー構造の曲げによって生ずる誤差の合計は、著しく減少し、より堅牢(robust)な構造が実現される。同時に、より長いダイアフラムは、検知のためのより曲げの大きい領域を提供し、これにより、デバイスの感受性を有意に改善する。
図１５の長方形のセンサー構造において、ギャップは、ギャップ内を平坦なベース１５１の平面から遠ざかるように延びる１以上の空洞１５５を含んでいてもよい。このような空洞は、ギャップの容積を増やし、これにより、測定に対する必然的な負の副次的影響(side effects)を生ずることなく、センサーの安定性を向上させる。
センサー構造は、また、ダイアフラムとその周縁の周りの固定構造とを提供するダイアフラムプレートに配置される、１以上のくぼみを含んでいてもよい。この１以上のくぼみは、ダイアフラム上で局所的に作用し、層状の要素の曲げ構造間の差を生ずる様々な効果を効率的に補償する。図１５では、ダイアフラムプレートは、第１の材料の層１５７ａと第２の材料の層１５７ｂとを有する２層構造である。ダイアフラムプレートの外面は、第１の材料の層１５７ａの表面部分と第２の材料の層１５７ｂの表面部分とによって形成される。第１の材料の層１５７ａの表面部分は、第１のくぼみの周縁を含む平坦な表面部分を形成する。第１の材料の層１５７ａが、側壁層１５３の材料と同じ材料のものである場合、第１のくぼみは、要素の層の異なる曲げ形状の効果を効率的に除去する。第２の材料の層１５７ｂの表面部分は、第２のくぼみの周囲を含む平坦な表面部分を形成する。第３のくぼみは、ダイアフラムプレート１５６の他方の側に提供されてもよい。第２のくぼみをまたは第２のくぼみと第３のくぼみとを一緒に、要素の層の異なった曲げ形状の影響を更に軽減するために用いることができる。
また、図１５のセンサー構造は、図１４とともにより詳細に説明した、基準プレート１５０と、保護要素１５２と、第１および第２の溝１５８、１５４、１５９とを含んでいてもよい。これらの特徴の組み合わせにより、堅牢で、同時に正確性が向上した微小電気機械の圧力センサー構造の提供に寄与する。
図８は、絶縁材料の層が側壁層の外面から側壁層の上面上のギャップに向かう距離に延びて、隔離領域とダイアフラムプレートの少なくとも一部とを覆う実施態様を示していた。図９は導電性の材料の層がさらに絶縁材料の層上に渡って延びている実施態様を示していた。図１６は、これらの特徴を１つの構造に組み合わせて、隔離領域が側壁層の上面上の要素間に溝を形成する、更なる実施態様の態様を示す図である。図１６は、センサー構造をその幅方向から見た側面図であり、平坦なベース１６１、側壁層１６３、およびダイアフラムプレート１６６の図１とともに詳細に上述した要素を示す。また、図１６は、図１４とともにより詳細に説明した、基準プレート１６０と、保護要素１６２と、第１および第２の溝１６８、１６４、１６９も示している。絶縁材料は、第１および第２の溝１６８、１６４、１６９を満たし、層１６５として基準プレート１６０、およびダイアフラムプレート１６６の部分を覆う側壁層１６３の外面から延びている。重み付きの差を用いた補償を容易にするために、上述のとおり、導電性の材料１６７の層が、絶縁材料の層１６５の上に渡って延びて、第１の溝１６８と第２の溝１６４、１６９とを覆っている。
図１７は、微小電気機械の圧力センサー１７０の実施態様を示す図である。圧力センサーは、上述した代替的なセンサー構造の任意のものであってよいセンサー構造１７１を有する。また、圧力センサーは、電気回路部１７２も有する。センサー構造１７１と電気回路部１７２は、プラスチック材料１７３に成形される別々のダイ(dies)であってもよい。ポリマーの誘電層１７４は、再構築ウェハ内に置かれてもよい。ダイの電気端子１７５との接点は、誘電層１７４上の開口を通る堆積膜の層に設けられてもよい。電気回路は、電導線、平坦なベース、保護層、およびダイアフラムプレートに接続されてもよい。また、電気回路は、図４および図５Ａ〜図５Ｆで説明したように、保護要素を平坦なベースまたは第１の平坦層のいずれかと同じ電位に保つように接続され、かつ、これらの端子を通る電流経路の分離を保つように接続された、フィードバック構成になっている演算増幅器を有していてもよい。電気回路は、また、平坦なベースへの電導線、導電性の材料の層への電導線、およびダイアフラムプレートへの電導線に接続されていてもよい。電気回路は、図４および図５Ａ〜図５Ｆで説明したように、導電性の材料の層を平坦なベースまたは第１の平坦層のいずれかと同じ電位に保つように、および保護端子とダイアフラムプレート端子とを通る電流経路の分離を保つように、フィードバック構成になっている演算増幅器を有していてもよい。
技術の進歩に従い、本発明の基本概念が様々な方法で実施し得ることは、当業者に自明であろう。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の適用範囲内で変化し得るものである。

Claims (25)

  1. 微小電気機械の圧力センサーであって、当該微小電気機械の圧力センサーは、平坦なベースと、側壁層と、ダイアフラムプレートとを有し、
    前記側壁層は、上面と側壁とを有し、該側壁は、外周囲を形成しかつ前記平坦なベースから遠ざかって該側壁層の前記上面に向かって延びており、
    前記平坦なベースと、前記側壁層と、前記ダイアフラムプレートとは、互いに固定されて、基準圧力にて気密に密閉されたギャップを形成しており、
    前記側壁層の上面は、前記ダイアフラムプレートに覆われない少なくとも１つの隔離領域を有し、
    前記隔離領域が、少なくとも部分的に絶縁材料で覆われており、
    当該圧力センサーは、さらに基準プレートを有し、該基準プレートは、前記ダイアフラムプレートから分離されている、前記側壁層の上面上の前記隔離領域上を延びており、
    当該圧力センサーは、また、前記ダイアフラムプレートと前記平坦なベースとの間の静電容量（Ｃ ｓ ）と、前記基準プレートと前記平坦なベースとの間の静電容量（Ｃ ｒｅｆ ）との重み付きの差から形成される、補償されたセンサー静電容量（Ｃ ｃｏｍｐ ）、即ち、
    Ｃｃｏｍｐ＝Ｃｓ−ＫＣｒｅｆ
    （式中、Ｋは重み係数である）
    を表す信号を出力する電気回路をも有し、
    前記ダイアフラムプレートの周縁の長さと、前記基準プレートの周縁の長さとの比率が、前記重み係数Ｋと等しくなるように調整されていること
    を特徴とする前記微小電気機械の圧力センサー。
  2. 前記隔離領域が、前記側壁層の外面から前記側壁層の上面上の前記ギャップに向かってゼロでない距離に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  3. 前記絶縁材料が、前記側壁層の上面上の層として、前記側壁層の外面から前記ダイアフラムプレートに延びていることを特徴とする、請求項２に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  4. 前記絶縁材料の層と、前記ダイアフラムプレートとが、等しい厚さであることを特徴とする、請求項３に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  5. 前記絶縁材料の層が、前記隔離領域と、前記ダイアフラムプレートの第１の平坦な材料層の少なくとも一部とを覆っていることを特徴とする、請求項３に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  6. 導電性の材料の層が、前記絶縁材料の層上に渡って、前記側壁層の外面から前記ギャップに向かう距離に延びていることを特徴とする、請求項５に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  7. 前記隔離領域が、前記側壁層の上面上を前記ダイアフラムプレートの周縁から前記側壁層の外面に向かうゼロでない距離に延びており、
    保護要素が、前記側壁層の上面上を前記隔離領域の周縁から前記側壁層の外面に向かって延びていること
    を特徴とする、請求項１または２に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  8. 前記保護要素が、前記側壁層の上面上を前記隔離領域の周縁から前記側壁層の外面に延びていることを特徴とする、請求項７に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  9. 前記基準プレートが、前記ダイアフラムプレートと同じ厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  10. 前記側壁の内面の頂部エッジが、ダイアフラムの周縁を形成しており、
    前記ダイアフラムプレートが、前記ダイアフラムの周縁上に渡って広がっており、
    当該圧力センサーが、前記平坦なベースへの電導線と、前記ダイアフラムプレートへの電導線と、前記基準プレートへの電導線とを有すること
    を特徴とする、請求項９に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  11. 前記基準プレートが、前記側壁層の上面上において、前記ダイアフラムプレートと同じ形状を有することを特徴とする、請求項９または１０に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  12. 前記基準プレートが、前記側壁層の上面上において、環状の形状を有することを特徴とする、請求項９または１０に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  13. 前記基準プレートが、前記側壁層の上面上において、前記ダイアフラムプレートを囲んでいることを特徴とする、請求項１２に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  14. 前記基準プレートが、前記側壁層の上面上において、屈曲した外周囲を有することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  15. 前記基準プレートが、前記側壁層の上面上において、櫛形状の外周囲または蛇行する外周囲を有することを特徴とする、請求項１４に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  16. 前記側壁層と前記ダイアフラムプレートとが互いに固定されている領域が、ダイアフラム支持領域を形成し、
    前記ダイアフラム支持領域の、基準プレートの領域に対する比率が、前記補償されたセンサー静電容量における前記基準プレートの静電容量の重み係数に等しいこと
    を特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  17. 前記ゼロでない重み係数が、２つの積分の重み付きの差
    をゼロにすることによって得られる値に等しく、
    ここで、前記の第１の積分が、前記ダイアフラムプレートの外周囲に沿って計算され、かつ、前記の第２の積分が、前記基準プレートの外周囲に沿って計算され、かつ、Ｃｅ（ｘ，ｙ）が、前記表面上の位置の関数としての単位長さ当たりの可変のエッジ静電容量であること
    を特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  18. 前記ダイアフラムプレートと前記基準プレートが、前記ダイアフラムプレートと前記基準プレートとの間の隔離領域の領域によって形成される第１の溝によって分離されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  19. 第２の溝が、前記ダイアフラムプレートと前記基準プレートと前記第１の溝とを囲む前記隔離領域の一部によって形成されており、
    保護要素が、前記側壁層の上面上を前記第２の溝の周縁から前記側壁層の外面に向かって延びていること
    を特徴とする、請求項１８に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  20. 前記保護要素が、前記ダイアフラムプレートと前記基準プレートと前記第１の溝とを囲む保護リングであることを特徴とする、請求項１９に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  21. 前記第１の溝または前記第２の溝が、または、
    前記第１の溝および前記第２の溝の両方が、
    絶縁材料で覆われていることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  22. 前記第１の溝と前記第２の溝とが、等しい幅のものであって、かつ、両方が前記絶縁材料によって覆われているか、または覆われていないことを特徴とする、請求項２１に記載の微小電気機械の圧力センサー。
  23. 請求項７〜２２のいずれか１項に記載の微小電気機械の圧力センサーを有する圧力センサーであって、
    当該圧力センサーは、前記平坦なベースへの電導線、前記保護要素への電導線、および前記ダイアフラムプレートへの電導線に接続される電気回路を有し、
    前記電気回路が演算増幅器を有し、該演算増幅器は、前記保護要素の電位を前記平坦なベースまたは前記ダイアフラムプレートのいずれかと同じ電位に保つように接続され、かつ、前記保護要素と前記ダイアフラムプレートとを通る電流経路を互いから分離するように接続されている、フィードバック構成になっていること
    を特徴とする、前記圧力センサー。
  24. 当該圧力センサーが、前記平坦なベースへの電導線、導電性の材料の層への電導線、および、前記ダイアフラムプレートへの電導線に接続された電気回路を有し、
    前記電気回路が演算増幅器を有し、該演算増幅器は、前記導電性の材料の層の電位を前記平坦なベースまたは前記ダイアフラムプレートのいずれかと同じ電位に保つように接続され、かつ、前記導電性の材料の層を通る電流経路とダイアフラムプレートを通る電流経路とを互いから分離するように接続されている、フィードバック構成になっていること
    を特徴とする、請求項２３に記載の圧力センサー。
  25. 前記演算増幅器が、反転演算増幅器または非反転演算増幅器であることを特徴とする、請求項２３または２４に記載の圧力センサー。
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