JP6128278B2 - 改良された圧力センサー - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス(microelectromechanical devices)に関し、特に、独立請求項の序文に従った、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、表面に作用する力の、表面積に対する比に対応する物理量である。圧力を計測するための計測機器として用いられ得るデバイスが、圧力センサーである。

大気圧は、大気中の空気柱により表面にかけられる圧力である。大気圧は、標高や天候パターンにより変化する。圧力センサーで得られる量は、環境大気圧を除外しているかも知れず、この場合、超過気圧を示す。大気圧が含まれていれば、結果は絶対圧力を示す。

微小電気機械システム(Micro-Electro-Mechanical System)、即ち、ＭＥＭＳは、少なくともいくつかの要素がある種の機械的機能性を持った、小型化された機械的および電気機械的システムとして定義され得る。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路をつくるために使用されるツールと同じツールで造られるので、マイクロマシンとマイクロエレクトロニクス要素は、一枚のシリコン上で製造され得、種々のデバイスを可能にする。

図１は、圧力の感知のための微小電気機械デバイスの例示的構造を説明する。微小電気機械的圧力センサーは、典型的には薄いダイヤフラム１０を有し、該ダイヤフラムはギャップ１２上に架けられており、該ギャップは基準圧力の容積を提供する。ダイヤフラムは、基準圧力とセンサーを囲む周囲圧力との差により変形する。ダイヤフラムの変位は、容量またはピエゾ抵抗感知により電気信号に置き換えられてもよい。

微小電気機械デバイスでは、寸法が非常に小さく；部品は、典型的には、数１０マイクロメートルから数ミリメートルまでのサイズに分布する。このことは、設計に多くの課題を課す。例えば、微小電気機械的圧力センサーにおいては、圧力変化による検出されたダイヤフラム変位は、ナノメートルまたはそれ以下であり得る。このことは、変位により生成される信号が小さいことを意味する。既に、様々な動作温度における熱膨張により引き起こされる要素の寸法の変化は、計測値に対し、有意な変化を引き起こし得る。さらに、センサー構造および関連電子機器は、一つのパッケージにカプセル封止される必要がある。パッケージは、センサー構造とは異なる熱膨張係数を有していることもあり、このことは、大きな、温度に依存した曲げ応力を引き起こし得、該曲げ応力は、計測値をゆがめる。

本発明の簡単な説明
本発明の目的は、これらの悪影響を取り除き、または少なくとも軽減し、微小電気機械的圧力センサーにおけるダイヤフラムの圧力に誘起されたたわみ（pressure-induced deflection）の検出を改善することを目的とする。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従った、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形態は、従属請求項に開示されている。

請求項に係る発明は、縦長（oblong）のセンサー構造を規定し、ここで、寸法は、ダイヤフラムがほぼ一次元的に機能すると考えられ得るような比率となっている。したがって、ダイヤフラムは、ダイヤフラムの幅に沿ったウエハーの曲げとダイヤフラムの曲げとの差が最小限になるように狭くなっている。ダイヤフラムは、垂直方向に少なくとも３倍長く、このことにより、ウエハーの曲げ形状と正確に一致する。この特定の寸法により、構造の曲げにより引き起こされる総誤差は有意に減少し、同時に、よりロバストな構造が達成される。さらに、より長いダイヤフラムは、検出のためのよりたわんだ（deflected）領域を提供し、したがってデバイスの感度を著しく改善する。

請求項に係る発明の特徴および利点、ならびにその実施形態は、実施形態の詳細な説明により詳細に記載される。

図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施形態に関連して、添付の図面を参照して、発明がより詳細に記載される。

図１は、先行技術の回転対称な微小電気機械的圧力センサー構造の例示的構造を説明する。 図２は、例示的な微小電気機械的圧力センサー構造の側面図および平面図を説明する。 図３は、曲がったセンサー構造の湾曲した形状を説明する。 図４は、曲がったセンサー構造における、異なって湾曲した面を説明する。 図５Ａは、従来の正方形のダイヤフラムの形状を説明する。 図５Ｂは、請求項に係る縦長のダイヤフラムの形状を説明する。 図６は、ダイヤフラムの幅にわたってのウエハーの第一表面およびダイヤフラムの第二表面の曲げを説明する。 図７は、ダイヤフラムの長さの半分にわたってのウエハーの第一表面およびダイヤフラムの第二表面の曲げを説明する。 図８は、検出された圧力の関数としての容量値を説明する。 図９は、ダイヤフラムの幅寸法における位置の関数としてのダイヤフラムの変位を示す。 図１０は、ダイヤフラムの幅寸法における位置の関数としてのダイヤフラムの変位を示す。 図１１は、その長さに沿った縦長のセンサー構造を示す側面図である。 図１２は、さらなる実施形態を説明し、ここでは、センサー構造が複数の感知ダイヤフラムを含むように構成されている。

いくつかの実施形態の詳細な説明
以下の実施形態は、例示的なものである。明細書は、「ある(an）」、「１つの(one)」、または「いくつかの(some)」実施形態に言及するかもしれないが、これは、そのような言及それぞれが、同じ実施形態を指すことや、その特徴が単一の実施形態だけに適用されることを必ずしも意味しない。異なる実施形態の単一の特徴は、さらなる実施形態を提供するべく、組み合わせられてもよい。

以下では、発明の様々な実施形態が実施され得るデバイスのアーキテクチャーの簡単な例で発明の特徴が記載される。実施形態を説明するのに関係する要素についてのみ、詳細に記載される。圧力センサーの様々な実施は、一般的に当業者に知られており、本文では、具体的には記載されないかもしれない要素を含む。

本発明の実施形態として、図２は、微小電気機械的圧力センサーの例示的な構造を説明する。図２は、図示されたセンサー構造の側面図および平面図を示す。図示された圧力センサーは、平面基盤２１および側壁２３により形成される本体構造を有する。平面基盤２１は、例えばシリコン材料のウエハーから製造されていてもよいが、他の導体材料、半導体材料または絶縁体材料が、保護の範囲内で適用されてもよい。平面基盤２１は、第一表面２４を有し、該第一表面は基本的に第一平面２５に沿って広がる。用語「基本的に」は、ここでは、表面が小さな表面構造（隆起または空洞）を受け入れていてもよいが、表面領域の９０％以上は、許容範囲内で第一平面２５に沿っていることを意味する。

側壁２３は、図２に示されるように、第一表面２４から離れて、有利には第一平面２５に垂直な方向に広がる。側壁２３は、平面基盤２１に固く結合されており、このようにして、その上の空間を囲む。平面基盤２１と共に、側壁２３は空洞を形成し、該空洞の深さは、側壁２３の高さと一致する。側壁は、二酸化ケイ素のような電気絶縁材料でできていてもよいが、他の電気絶縁材料が保護の範囲内で適用されていてもよい。例示的構造の平面図では、側壁の断面は、点線から外側に広がる長方形の外周として現れる。点線は、側壁の内表面を示し、これら内表面の上端は、平面基盤２１および側壁２３により形成される空洞に対する周辺開口部（circumferential opening）を規定する。

この空洞は、側壁２３上に広がるダイヤフラム板２６により密封される。用語「ダイヤフラム」は、ここでは、その周辺にて固定されている弾性的に変形する材料のフィルムを意味する。ダイヤフラム板２６は、センサー構造にダイヤフラム２７を提供し、その周辺にて該ダイヤフラムを固定する平面物体である。ダイヤフラム板２６は、シリコン材料でできていてもよいが、他の導体材料、半導体材料または絶縁体材料が、保護の範囲内で適用されていてもよい。ダイヤフラム板２６は、第二表面２８を通して側壁２３と連結しており、該第二表面は、最初は平面基盤２１の第一表面２４と平行である。用語「最初は」が、ここではセンサーの製造段階に対する第二表面の寸法に関するということは注目される。当業者は、圧力センサーの作動中に、部品がその最初の平面形状から変形してもよいことを理解する。

平面基盤２１、側壁２３およびダイヤフラム板２６は、第一表面２４、第二表面２８および側壁２３の内表面が密閉されたギャップ２２を形成するように、互いに結合されており、該ギャップは、基準圧力の揮発性材料を含む。ギャップ２２は、少量の残留ガスのみを含むように減圧されていてもよいが、選択された基準圧力の選択されたガスまたは他の揮発性材料で満たされていてもよい。

ギャップ２２に対する周辺開口部上に広がるダイヤフラム板２６の一部は、その外縁が該開口部により規定されるダイヤフラム２７を提供し、固定は、側壁の上面とダイヤフラム板とのしっかりとした材料接触により提供される。ダイヤフラム２７は、片側でギャップの基準圧力にさらされ、反対側でダイヤフラム板２６の上端の周囲圧力にさらされる。このダイヤフラム２７は、したがって、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、電極を用いて、変形に誘起されたギャップ２２の高さの変化を電気信号に変換することで、容量的に検知されてもよい。変形は、あるいは、ピエゾ抵抗法または類似のひずみゲージに基づく方法を用いて、ダイヤフラムにおいて変形に誘起された圧力を、内蔵されたピエゾ抵抗体またはひずみゲージ抵抗体を用いて電気信号に変換することで、検知されてもよい。これらの方法は、全て当技術分野において開示されており、したがって当業者に周知であり、本文では詳細に議論されないであろう。解決方法は、容量感知が適用される圧力センサー構造に、特に適用可能である。

従来、圧力センサーダイヤフラムの形状は、回転対称、すなわち円形か正方形のどちらか、であった。図１の圧力センサーは、そのような従来の矩形のダイヤフラムを示す。そのように回転対称の形状である理由は、これらのダイヤフラムが、ダイヤフラムの規定の厚さに対して、たわみ（deflection）の最大の感圧性を示すからである。実際、ダイヤフラムの厚さの変化は、感圧性の変化を±１５％より少なくするため、好ましくは±５％に制限される；感圧性は、ダイヤフラムの厚さの３乗に反比例する。したがって、従来のシリコン圧力センサーでは、ダイヤフラムの厚さは２０−４０μｍの範囲で変化し、ダイヤフラムの辺長または直径は０．５−１．０ｍｍで変化し、ダイヤフラムの厚さが１−２μｍの範囲で変化すれば、変化する。

公知の高度なシリコン薄膜研磨技術を用いれば、シリコンウエハーの均一性は、現在では、一のウエハーの全域（entire are）にわたり、およびウエハー間で、０．３μｍの水準まで引き下げられ得る。上記の選好を考慮すると、適切な均一性は、５μｍの厚さのダイヤフラムでさえ達成され得る。このことは、ダイヤフラムの面積、ひいてはセンサー全体のサイズの減少の可能性をも切り開く。この可能性は、典型的には、とりわけ材料費の減少のため熱心に適用される。しかしながら、商業用圧力センサーは、典型的には、測定回路、および多くの場合その他の部品とともに、一つのパッケージにカプセル封止され、ある時点で、ダイヤフラムの面積の減少は、パッケージ全体の設計に付加的利点を提供することがなくなる。より重要なことは、微小電気機械的圧力センサーダイヤフラムのどのように設計された面積にも、できるだけ効率的に適合することである。

ダイヤフラムの面積は、圧力センサーの感度と相関関係があると理解される。しかしながら、特定の方法で特定のダイヤフラム領域を規定する寸法の割合を変更することで、いくつかの重要な利点が、その特定の領域に本質的に由来する感度を落とすことなく達成され得ることが認められた。該利点は、最長寸法と最短寸法のアスペクト比が少なくとも３である、縦長のダイヤフラム形状で達成され得る。

図２を考慮すると、側壁２３は、ダイヤフラム板２６上の第二表面に結合しており、側壁２３の内表面の上端は、こうしてダイヤフラム２７の外周の輪郭を描く。この外周は、第二表面において、および、それにより第一平面２５の方向においても、長さ２７ａおよび幅２７ｂを有する。ダイヤフラムの長さ２７ａは、ダイヤフラムの最も長い伸長に対応し、第一平面２５に平行な第一方向に延びる。ダイヤフラムの幅２７ａは、その結果、第二方向へのダイヤフラムの伸長である。この第二方向もまた、第一平面２５と平行であるが、図２に示されるように、第一方向と垂直である。

所望の効果を提供する縦長のアスペクト比は、既に、ダイヤフラムの長さがダイヤフラムの幅の少なくとも三倍であるとき達成される。しかしながら、以下で議論されるように、４から１０といったさらに高いアスペクト比が、改善された性能のために適用されてもよい。現在、微小電気機械的圧力センサーにおけるダイヤフラム領域の実質上最適の値は、０．３−０．５平方ミリメートルのオーダーである。したがって、５μｍの厚さのダイヤフラムでは、短い寸法は０．２５ｍｍまで有利に引き下げられ得る一方、長い寸法は、それに対応して、０．７５ｍｍまたは１ｍｍから１．５ｍｍまたは２ｍｍの範囲であってもよい。しかしながら、範囲は、いかなる特定の領域制限に限定されないことが注目される。範囲はまた、図２の長方形のダイヤフラムにも限定されず、上記のアスペクト比の定義を満たす任意の縦長形状が保護の範囲内で適用されてもよい。

発明の一つの利点は、パッケージングに誘起されるセンサー構造の曲げに対する増大したロバスト性である。当技術分野で知られているように、材料層の異なった熱膨張係数は、曲げ応力をもたらす傾向にある。パッケージ化されたデバイスにおいては、センサーとパッケージとの熱膨張係数のミスマッチは、図３に示されるように、センサー構造を湾曲した形状に曲げ得る。この湾曲した形状は、キャップの底部の幅がＷであり、キャップの高さがＨである球状キャップに近似し得る。微小電気機械的センサーの場合にそうであるが、Ｈ＜＜Ｗであるとき、キャップの高さは、底部の曲率半径が一定であるとき、幅の２乗に比例すると近似できるＨ〜Ｗ^２。

容量検知において、ダイヤフラムのたわみは、第一表面３５上のたわんでいるダイヤフラム電極と第二表面３８上の固定電極とのギャップにわたる容量の変化を検知することにより、感知される。理想的には、検知される容量は、検知される圧力変化に応じたたわみによってのみ変化する。外力によるダイヤフラムおよび固定電極の曲げも許容され得る；このことは、理想的には、ギャップの底面における第一表面３５およびギャップの上面における第二表面３８が同様に曲がれば、すなわち、曲げによりギャップの高さが変わらなければ、検知の邪魔にならない。しかしながら、図４に示されるように、表面が異なって変形することを引き起こすいくつかの実際的な要素がある。

例えば、平面基盤４１のウエハーは、均一の曲げモーメントにさらされ、かつ、その横寸法がその厚さに比べて非常に大きければ、球状に曲がり得る。後者の要件は、その厚さと比較したセンサーの制限されたサイズにより、容易に満たされない。このことは、曲げモーメントが、せん断変形によりウエハーの端の近辺で緩和される傾向にあることを意味する。このため、ウエハーは、図４に示されるように、球状ではなく、より鈍角の円錐状に曲がる傾向にある。他方、異なった寸法のため、ダイヤフラムは、典型的には放物線状に曲がる傾向にある。結果として、第一表面４５と第二表面４８の間の距離は、たわみのみならず、曲げによっても変化するであろう。このことは、計測された容量値に誤差を引き起こすであろう。このエッジ効果は、唯一の要素ではない；構造の異なった曲げを通して、誤差の原因となる可能性のある他のメカニズムもあることが注目される。

回転対称の曲げ要素では、要素の幅および長さが等しく、曲げはこれらの方向の両方で同様に起こると考えられ得る。上記で図３を用いて議論されたように、第二表面３８の球状キャップの高さは、対称要素の幅／長さの２乗にほぼ比例する。縦長の要素でも、このことは同様であるが、幅方向の曲げと長さ方向の曲げは同様ではない。幅の２乗に比例することで、曲げは、縦長の要素の長さ方向で力強く増加し、縦長の要素の幅方向で急減するであろう。例えば、０．２５ｍｍ幅の縦長の要素は、幅方向に、０．７５ｍｍ幅の正方形要素より約９倍小さく曲がるであろう。

請求項に係るダイヤフラムの縦長形状は、検知に対する曲げの効果を軽減するために、この理解を適用する。図５Ａは、従来の正方形のダイヤフラム５０を説明する。正方形のダイヤフラムの幅Ｗ_Ｓは、正方形のダイヤフラムの長さＬ_Ｓと等しい。図５Ｂは、請求項に係る縦長のダイヤフラム５１を説明しており、ここでは、縦長のダイヤフラムの幅Ｗ_Ｏは、縦長のダイヤフラムの長さＬ_Ｏの少なくとも三倍である。一例として、ここではＬ_Ｏ＝３^＊Ｗ_Ｏと仮定する。縦長のダイヤフラム５１は、正方形のダイヤフラムと同じ実効面積Ａを有するＡ＝Ｗ_Ｓ ^２＝Ｌ_Ｓ ^２＝Ｗ_Ｏ ^＊Ｌ_Ｏ。縦長形状では、縦長のダイヤフラムは、長さＬ_Ｏの方向に、正方形のダイヤフラムよりはるかに大きく（約９倍）曲がることが理解される。他方、縦長のダイヤフラムは、幅Ｗ_Ｏの方向に、正方形のダイヤフラムよりはるかに小さく（約９倍）曲がる。しかしながら、計測された容量値に対して引き起こされる誤差は、より短い寸法（幅）における曲げに支配され、より長い寸法（長さ）には無反応であり、したがって、縦長領域で経験される誤差は、正方形領域より有意に少ないことが認められる。

微小電気機械的圧力センサーの寸法は、常に最適化され、縦長のダイヤフラムにおいては、平面基盤のウエハーもまた、典型的には縦長形状である。図６は、ダイヤフラムの幅にわたるウエハーの第一表面およびダイヤフラムの第二表面の曲げの有限要素（ＦＥＭ）シミュレーションを示す。シミュレーションのモデルは、幅０．２５ｍｍ・長さ１．６ｍｍのダイヤフラムを有する縦長のセンサーである。図６の結果は、請求項に係る縦長の寸法では、ウエハーは、ダイヤフラムの幅方向に、ダイヤフラムよりはるかに曲がる傾向にあることを示す。しかしながら、ダイヤフラムの短い幅により、曲げの絶対値は非常に小さい。正方形のダイヤフラムにおいては、幅は、縦長ダイヤフラムのモデルと同じ実効面積を提供するためには、約０．６４ｍｍであるべきである。この長さが、既に六倍以上強いダイヤフラムの曲げに帰着することは、容易に理解される。

図６に対応して、図７は、ダイヤフラムの長さの半分にわたるウエハーの第一表面およびダイヤフラムの第二表面の曲げの有限要素（ＦＥＭ）シミュレーションを示す。曲げの絶対値は、図６よりはるかに大きいことが見て取れる。しかしながら、たとえウエハーが強く曲がったとしても、ダイヤフラムの曲げ形状は、ウエハーの曲げ形状に非常に正確に従う（示された結果では、曲線は実際に一致する）こともまた見て取れる。このことは、この方向におけるギャップの距離は、ウエハーの曲げにより実際上変化せず、計測される容量値にさらなる誤差が引き起こされないことを意味する。

簡潔に言えば、請求項に係る縦長のセンサー構造では、ダイヤフラムの幅は、ウエハーの曲げとダイヤフラムの曲げとの差が、対応する対称構造よりはるかに小さくなるのに十分なほど短くされている。他方、ダイヤフラムの長さは、ウエハーの曲げと正確に揃うのに十分なほど長くされている。これにより、誤差に関して、ダイヤフラムの幅に沿った曲げの効果が支配し、したがって、総誤差は、対応する回転対称構造より有意に小さい。

発明の他の利点は、改善された感度である。このことは図８において説明され、該図は、ＦＥＭシミュレーションされた容量値を、図６および図７の例示的な構造における検出された圧力の関数として示す。実線は、当該縦長のダイヤフラム構造で生成された容量値を示し、破線は、同じ実効面積の円形のダイヤフラム構造で生成された容量値を示す。結果の差が顕著であることは、容易に見て取れる。改善の理由は、たわみがダイヤフラム全体から検知されることである。回転対称構造では、ダイヤフラムのたわんだ部分は、ダイヤフラムの中央に点状のくぼみである表面を形成する。縦長構造では、ダイヤフラムのたわんだ部分は、線状の溝のように長さ方向に沿って広がる表面を形成する。このことは、図９および図１０を用いて説明される。図９は、ダイヤフラムのモデルの変位を、ダイヤフラムの幅寸法における位置の関数として示す。図１０は、ダイヤフラムのモデルの変位を、ダイヤフラムの長さ寸法における位置の関数として示す。図１０における最大たわみは、より長い距離におよび、したがって、より多い容量を誘起し、検知のためのはるかな高信号を可能にすることが見て取れる。同じ実効面積の正方形または円形構造では、両方向における変位が断然図９の変位のようであり、したがって、図８に示されるように、低信号水準を提供する。

発明のさらなる利点は、電子部品実装における寸法のより良い適合である。圧力センサーは、頻繁に集積回路とともにパッケージに仕上げられるであろう。典型的なインターフェース回路は、横寸法２ｍｍ×２ｍｍを有するであろう。０．５ｍｍ×２ｍｍセンサーが、１ｍｍ×１ｍｍ正方形センサーと比べて、パッケージの一寸法において０．５ｍｍ省き得ることは容易に理解される。最先端の圧力センサーは３×３ｍｍ^２のサイズであり、次の標的は２×２ｍｍ^２の水準であるため、このことは重要である。

容量センサーにおいて、たわんでいるダイヤフラムと、静止電極を有するか静止電極として作用するウエハーとの距離は、典型的には非常に小さく、しばしば１μｍのオーダーまたはそれより小さい。この狭い距離とダイヤフラム領域は、低密度な気体または選択された基準圧力の気体を含み得る密封された基準圧力ギャップを形成する。先に議論されたように、ギャップにおける気体の周囲圧力（印加圧力）と基準圧力との差は、ダイヤフラムの曲げを引き起こすであろう。最初の較正手順後の基準圧力のあらゆる変化は、圧力計測誤差として現れるであろう。

密封されたギャップの容積が非常に小さければ、センサー材料上の気体の吸着、吸収および脱着は、センサーの長期の安定性に影響するであろう。ギャップの密閉の最中または後の高温度製造工程は、気体が表面およびセンサー材料の大部分から脱着する原因となることが注目されてきた。脱着された気体は、徐々に表面に吸着し直し、センサー材料に吸収される。この過程は、ギャップ中で基準圧力を変化させ続けるであろう。該過程は、全ての気体が消費されたとき、または、受容分子部位が表面近くで飽和したときに起こる該過程のわずかな減速のみで数年かかり得る。このように作用する典型的な気体は、水蒸気である。

基準圧力の変化により制限される安定性を改善するために、ギャップの容積を増加させることが望ましい。図２を参照して、ギャップ２２の高さが１μｍであると仮定する。ギャップの表面上の単分子層の１／１０００に対応する水分子の数の変化は、そのようなギャップにおける基準圧力に１００Ｐａの変化を引き起こし得る。この大きさの変化は既に、スポーツウォッチやスマートフォンのような民生用アプリケーションにおいて一年間に許容される最大限の気圧センサーのドリフトに相当する。

図１１は、縦長のセンサーが、圧力センサーの感度または機械的ロバスト性を損なうことなく、より大きい容量のギャップを提供するために適用されている実施形態を説明する。図１１は、センサー構造をその長さに沿って示す側面図であり、上記で図２を用いてより詳細に説明された平面基盤１１１、側壁１１３およびダイヤフラム板１１６要素を示す。追加された容積は、一または複数の空洞１１０により創出され、該空洞は、平面基盤１１１の第一表面から該平面基盤内に延びる。一または複数の空洞１１０は、平面基盤の材料を取り除くこと、例えばエッチング、によって平面基盤１１１のウエハーに作成されてもよい。ウエハーの厚さを通した一または複数の空洞の程度は、機械的耐久性を保持し、かつ、製造費用を抑えるために最適化される。例えば、１５０μｍまたはそれ以上の厚さのウエハーにおいては、空洞は、好ましくは１００μｍのオーダーの深さである。

ギャップ中の第一表面１１５の領域は、ギャップ領域１１２と考えられる。空洞が配置されていても良い第一表面の領域は、空洞領域１１４と考えられる。図１１に示されるように、一または複数の空洞１１０は、好ましくは、覆っているダイヤフラムのたわみが、その最大たわみよりも小さい位置に作成される。空洞領域における位置は、ダイヤフラムの第二表面における位置と、これら二つの位置を結ぶ線が第一表面の平面と垂直であるとき一致することを意味する。図１１に示されるように、作動中、ダイヤフラムは、第二表面のある位置における点が、第一平面に向かって、すなわち第一平面１１５と垂直の方向に、移動するようにたわむ。一または複数の位置で、ダイヤフラムのたわみがそれら一または複数の位置でその最大に達するように、たわみは、他のいかなる位置よりも大きくなる。図８および図９に示される場合においては、最大たわみは、幅寸法の中間点および長さ寸法に沿った＋／−５００μｍの位置で起きる。

有効な誘電体スペーシングは、ギャップの高さと空洞の深さの合計であるため、容量感度は、空洞領域で失われると理解される。ギャップは、典型的にはウエハーと比べて非常に薄く、空洞の深さは、ギャップの高さより１００倍も大きくなり得る。このことは、空洞領域１１４上の容量感度が、ギャップ領域１１２の他の領域よりも１０，０００倍小さくなり得ることを意味する。このように、ダイヤフラムのたわみが前記最大たわみ値よりも少ない空洞領域１１４に一または複数の空洞を配置することには利点がある。

有利には、一または複数の空洞は、作動中にダイヤフラムがその最大たわみに達し得る第一表面の領域１１２の外側にある。好ましくは、一または複数の空洞は、対応する位置におけるダイヤフラムのたわみが最大たわみの三分の二より小さくなる領域１１４に存在する。

回転対称圧力センサー構造においては、そのような空洞領域は、原則的にセンサーの感度または機械的ロバスト性を損なうことなく導入されることができない。しかしながら、図１１に示されるように、縦長の圧力センサーにおいては、その上をダイヤフラムが最大限に広がることができる空洞領域１１２がより長く、したがって、一または複数の空洞が、ダイヤフラムの最も長い伸長の端部または向かい合った両端部において領域１１４に安全に配置され得る。このことは、平面基盤１１１およびダイヤフラム１１６が、空洞領域１１４の外で、外的な機械応力により、どのように曲がり得るかには影響がない。ギャップ容量が増加されると、それにより、計測に本質的なマイナスの副作用を引き起こすことなく、センサーの安定性が有意に増加される。典型的な微小電気機械デバイス寸法を用いた試験では、総ギャップ容量の２０−３０の範囲での増加が、これら簡潔な空洞構造を用いて達成された。

第一表面において側壁に沿ったまたはそのすぐ傍らの制限された領域に配置されるため、一または複数の空洞は、列を形成してもよい。好ましくは、少なくとも一の列は、細長い空洞から形成される。用語「細長い」は、ここでは空洞の長さが空洞の平均幅の少なくとも二倍であることを意味する。列の形状はセンサー構造の形状に従い、長方形のセンサー構造では、細長い空洞は線状の空洞であってもよい。楕円形のセンサー構造では、細長い空洞は対応して弧状であってもよい。図１１は、圧力センサーが２つの線状の空洞を有し、そのそれぞれがダイヤフラムの最も長い伸長の反対側の端部において延びている有利な構成を説明する。

図１２は、センサー構造が複数の感知ダイヤフラムを提供するよう構成されたさらなる実施形態を説明する。図１２は、上記で図２を用いて詳細に説明された、平面基盤１２１、側壁１２３、ダイヤフラム板１２６要素ならびに第一および第二表面１２５、１２８を示す側面図である。該実施形態では、平面基盤１２１、側壁１２３およびダイヤフラム板１２６は、互いに結合されており、第一表面、第二表面および側壁の内表面は、別々のギャップ領域を有する２つ以上の別々の密閉されたギャップを形成する。側壁の内表面の上端は、第二表面に、２つ以上のダイヤフラム１２７の外周を形成し、該ダイヤフラムは、第二表面の方向に長さおよび幅を有する。これらのダイヤフラムの長さは、ダイヤフラムの最も長い伸長の方向にあり、それらの幅は、第二表面において長さ方向と垂直の方向にある。前述のように、それぞれのダイヤフラムの長さは、ダイヤフラムの幅の少なくとも三倍である。このように縦長のダイヤフラムの利点が、センサーダイのより伝統的なアスペクト比を保持しながら達成され得る。このことは、いくつかのパッケージ構造において、またはダイヤフラムの極端なアスペクト比で有利であり得る。

上述の通り、曲げモーメントは、せん断変形により、ウエハーの端部の近くで緩和される傾向にある。このため、ウエハーは、球面状ではなく、より鈍角な円錐状に曲がる傾向にある。要素の曲げを理想から遠ざけるさらなる効果は、任意の引張または圧縮面内応力がダイヤフラムの中央平面に存在するときに、絶縁体による非対称支持体によってダイヤフラムの端部で生成される曲げモーメントである。曲げ関連の問題に対する従来の取り組み方は、要素の剛性を増大させることであった。しかしながら、発明のさらなる実施形態は、センサー構造の特定の寸法では、曲げの増加によるマイナス効果が２つの曲げ表面間の改善されたアラインメントによるプラス効果により補償され得るという新しい理解に基づく。

図２の側面図を参照し直すと、センサー構造は、第一表面２４に垂直な方向に厚さを有する。センサー構造の外表面２９は、少なくとも部分的に、センサー構造の第一表面に垂直な方向に沿って広がる。図２において、本体構造およびダイヤフラム板の外表面はそろっており、センサー構造の外表面２９は第一表面に垂直な方向に完全に沿って広がっていることが注目される。しかしながら、センサー構造の外表面の一部が別の方向（例えば、水平方向）に広がっている構造もまた包含される。側壁の幅は、センサー構造の外表面からダイヤフラムの固定が終了する支持体の点までの距離を示す。側壁の幅は、側壁の内表面の上端からセンサー構造の外表面２９までの最短距離から決定され得る。

前記プラス効果は、センサー構造の厚さが側壁の幅の二倍より小さい特定の寸法で、マイナス効果を超えることが認められた。センサー構造は、従来のセンサー構造よりもいくぶん曲がり得るが、ダイヤフラムの曲げと平面基盤の曲げとがよく一致しており、それにより曲げ効果は最小化される。この寸法は、請求項に係る縦長のセンサー構造において有利である。しかしながら、この寸法の利点は縦長形状に依存するものではなく、同一の寸法は、回転対称のセンサー構造形状のような他のセンサー構造形状にも適用されてもよい。

図１３は、微小電気機械的圧力センサー１３０の実施形態を説明する。圧力センサーは、センサー構造１３１を有し、該センサー構造は、上述した代替的なセンサー構造のいずれであってもよい。圧力センサーはまた、電気回路部１３２を有する。センサー構造１３１および電気回路部１３２は、プラスチック材料１３３に形成された別々のダイであってもよい。高分子誘電体層１３４は、改造されたウエハーに配置してもよい。ダイの電気端子１３５への接続は、誘電体層１３４上の開口部を通して配置したフィルム層を設けられてもよい。

技術が進歩するに連れ、発明の基本的な考え方がさまざまな方法で実施され得ることは、当業者にとって明らかである。発明とその実施形態は、したがって、上記実施例に限定されず、特許請求の範囲内で変化してもよい。

Claims (15)

1. 本体構造とダイヤフラム板を有する微小電気機械的圧力センサー構造であって、
   該本体構造が、平面基盤と側壁を有しており；
   第一表面が、本質的に該平面基盤に沿って広がっており；
   前記側壁が、前記平面基盤から離れる方向に外周として延びており；
   前記ダイヤフラム板が、第二表面に沿って前記側壁上に広がっており；
   前記平面基盤、前記側壁および前記ダイヤフラム板が互いに結合されており、それにより、前記第一表面、前記第二表面および前記側壁の内表面が基準圧力において密閉されたギャップを形成しており；
   前記側壁の前記内表面の上端が、前記第二表面の方向に長さおよび幅を有するダイヤフラムの外周を形成しており、ここで、前記長さが前記ダイヤフラムの最大の伸長の方向にあり、かつ、前記幅が前記第二表面の方向における前記長さの方向に垂直な方向にあり；
   当該微小電気機械的圧力センサー構造は、前記ギャップにわたる静電容量の変化を検知するために、前記第一表面上に固定電極を有し、前記第二表面上にダイヤフラム電極を有し；
   前記ダイヤフラムの前記長さが、前記ダイヤフラムの前記幅の少なくとも三倍であり；
   当該圧力センサー構造は、前記第一表面から前記平面基盤内に延びる、一または複数の空洞を有し；
   前記空洞は、前記第一表面上の一または複数の空洞領域に存在しており；
   前記空洞領域における位置と前記第二表面における位置とは、これらの位置を結ぶ線が前記第一表面の前記平面と垂直であるとき、一致しており；
   前記ダイヤフラムは、作動時における該ダイヤフラムの許容される最大の変位に対応する最大たわみを有するように構成されており；
   空洞領域は、対応する位置における前記ダイヤフラムのたわみが最大たわみの三分の二よりも小さくなる位置に存在する、
   前記圧力センサー構造。
2. 前記側壁が、前記第一表面に垂直な方向に、前記平面基盤から離れる方向に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサー構造。
3. 前記ダイヤフラムが、作動時に、前記第二表面における位置の点が、前記第一表面に垂直な方向に前記第一表面に向かって移動するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサー構造。
4. 前記ダイヤフラムの前記長さが、前記ダイヤフラムの前記幅の少なくとも五倍であることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサー構造。
5. 前記一または複数の空洞が、列を形成することを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサー構造。
6. 前記列が、前記側壁の内表面の少なくとも一部と平行であることを特徴とする、請求項５に記載の圧力センサー構造。
7. 前記列が、少なくとも一つの細長い空洞を有し、前記空洞の長さが前記空洞の平均幅の少なくとも二倍であることを特徴とする、請求項５または６に記載の圧力センサー構造。
8. 前記細長い空洞が、線状の空洞を形成する直線状であることを特徴とする、請求項７に記載の圧力センサー構造。
9. 前記空洞の外周の一部が、前記側壁の内表面の少なくとも一部と一致していることを特徴とする、請求項８に記載の圧力センサー構造。
10. 前記列が、前記ダイヤフラムの最も長い伸長の端において延びていることを特徴とする、請求項６に記載の圧力センサー構造。
11. 前記圧力センサーが、二つの線状の空洞を有し、そのそれぞれが、前記ダイヤフラムの最も長い伸長の反対側の端において延びていることを特徴とする、請求項８に記載の圧力センサー構造。
12. 前記平面基盤、前記側壁および前記ダイヤフラム板が互いに結合されており、それにより、前記第一表面、前記第二表面および前記側壁の内表面が二またはそれ以上の密閉されたギャップを形成しており；
    前記側壁の内表面の上端が、前記第二表面に、前記第二表面の方向に長さおよび幅を有する二またはそれ以上のダイヤフラムの外周を形成しており、ここで、ダイヤフラムの前記長さが当該ダイヤフラムの最大の伸長の方向にあり、前記幅が前記第二平面における前記長さの方向に垂直な方向にあり、
    前記ダイヤフラムのそれぞれの前記長さが、当該ダイヤフラムの前記幅の少なくとも三倍であることを特徴とする、請求項１−１１のいずれか１項に記載の圧力センサー構造。
13. 前記平面基盤および／または前記ダイヤフラムが導電性材料でできており、前記ギャップにわたる静電容量の変化を検知するためのコンデンサ構造を提供することを特徴とする、請求項１−１２のいずれか１項に記載の圧力センサー構造。
14. 前記センサー構造が、前記第一表面に垂直な方向に厚さを有しており；
    前記センサー構造の外表面が、前記センサー構造の前記第一表面に垂直な方向に沿って広がっており；
    前記側壁の幅が、前記側壁の前記内表面の前記上端から前記センサー構造の前記外表面までの最短距離に対応しており；
    前記センサー構造の前記厚さが、前記側壁の前記幅の二倍より小さいことを特徴とする、請求項１−１３のいずれか１項に記載の圧力センサー構造。
15. 請求項１−１４のいずれか１項に記載の圧力センサー構造を有する圧力センサー。