JP6236117B2 - 微小機械測定素子 - Google Patents

Description

本発明は微小機械測定素子に関する。

少なくとも企業内部では、たとえば圧力センサとして、差圧センサ，相対圧センサ，絶対圧センサ等の微小機械測定素子（mikromechanischeMesselemente）が開発されていることが知られている。差圧センサまたは相対圧センサは、通常２つの圧力接続部を必要とし、これらの圧力接続部は、たとえば湿性の溶液媒体を含む媒体または腐食性の媒体を導入する。この際この圧力センサの媒体導入部は、電気的接続部をこの媒体による損傷から保護するために、適合した構造および接続技術によって電気的接続部から分離されなけらばならない。さらにこの構造および接続技術はそれ自体媒体に対し安定でなければならない。これによって可能な接着および接合技術の多様性は制限を受ける。

公知の差圧センサまたは相対圧センサは、圧電抵抗性センサ素子または容量性センサ素子を用いて動作するものであり、１つ以上の測定素子を有している。この際、検知素子を備えた公知の差圧センサにおいては、一般的に対向する２つの面に媒体導入部が配設されており、すなわち測定圧が背面から導入され、これに対し周囲圧すなわち基準圧は測定メンブレンの前面に作用する。これにより、媒体接続部が一方の面で迂回されるかあるいは２つの異なる面に取付けられるように、この圧力センサのハウジングを形成することが強制的に必要となる。さらに、通常は、センサ素子の上面にある導電部およびボンディングワイヤは、基準媒体に暴露される。このため保護されていないセンサ素子の使用分野は、不十分な化学的耐性によって制限される。この耐性の改善のため、電気的接続部の保護および媒体分離のために、伝達媒体が周囲から除外され得るようにグロブトップゲル（Gelverguss）が用いられるか、あるいはこの伝達媒体が周囲から分離され、センサ素子の壊れやすい領域がたとえばオイルなどの内部媒体によって保護されるように、金属メンブレンが用いられる。この金属メンブレンは、たとえばハウジングの蓋の一部であってよい。

以上より、差圧測定または流量測定のためには、少なくとも２つの測定素子に基づいたシステムが構築される。２つの測定素子を有する公知のシステムは、電気的コンタクトの媒体に対する保護を必要としないが、正確な測定のために、これらの素子は、校正処理によって互いに調整されなければならない。

これらの圧力センサは、一般的には、その背面のみが測定媒体に暴露される、少なくとも２つの測定素子を備えるが、コストのかかる校正処理が必要であり、あるいは、たとえばコンタクトパッドや測定ブリッジのような壊れやすい素子の少なくとも活性面を、媒体の浸食に対し保護するように、システムレベルでの保護装置が用いられる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の課題は、コストがかかる電気的コンタクトの保護装置を無くすことができる微小機械測定素子を提供することである。

上記の課題は請求項１に記載の発明によって解決される。この発明の有利な変形実施例が、従属請求項に示されている。

少なくとも１つの実施形態による微小機械測定素子は、検知素子を備える。この検知素子は、上面と下面とを有するメンブレンを備える。たとえばこの検知素子は、一体的に実装されていてよい。この検知素子は、とりわけ測定メンブレンを有するシリコンチップとして実装されてよい。このシリコンチップは、たとえばシリコンウェハから製造されてよく、ここでこの測定メンブレンは、薄くなった領域、たとえばシリコンチップが薄くエッチングされた領域を形成する。好ましくは、この検知素子は、圧電抵抗素子として実装されており、以下では活性面とも呼称される、この検知素子の上面に、圧電抵抗パターン，導電部，およびコンタクト面を備える。圧力に依存したメンブレンおよびこれに埋め込まれた、たとえばホイートストンブリッジに接続された圧電抵抗パターンの変型により、この圧電抵抗パターンの抵抗変化の結果、このホイートストンブリッジの出力電圧が変化され、この変化によって印加された圧力または圧力変化が測定される。代替としてこの検知素子は、たとえば少なくとも１つのコンデンサがシリコンチップに実装された容量性素子として実装されてもよい。圧力印加の際に、このコンデンサの容量が変化し、これによって圧力測定が可能となる。

本発明の微小機械測定素子は、さらに検知素子に直接接続されているキャップを備える。とりわけこれはキャップが直接検知素子に固定されていることを意味している。たとえばこのキャップは、一体的に形成されていてよい。

この検知素子およびキャップは、好ましくは第１の小室を形成する。この第１の小室は、少なくとも１つの第１の開口部を備える。たとえばこの検知素子およびキャップは、空洞を形成し、この空洞は上記の第１の開口部を用いて外部から到達可能である。好ましくはこの小室は、１つの第１の媒体、たとえばオイルによって充填されている。

１つの変型実施例によれば、本発明の微小機械測定素子は、少なくとも１つのコンタクト面を備える。好ましくはこの少なくとも１つのコンタクト面は、上記の検知素子上に配設されており、この検知素子の電気的コンタクト部の機能を果たしている。たとえばこの少なくとも１つのコンタクト面は、コンタクトパッドとして形成されていてよい。

もう１つの変型実施例によれば、上記のメンブレンの上面は、この第１の開口部によって第１の媒体に対し到達可能となっている。この第１の媒体は、とりわけこのメンブレンの上面と直接的に接しており、このメンブレンへ印加される圧力を伝達する。

もう１つの変型実施例によれば、この検知素子は、そのキャップに向いていない面が直接担体と接続している。たとえばこの検知素子は、この担体に直接固定されている。この検知素子および担体は、第２の小室を形成し、この第２の小室は、好ましくは第２の開口部を備える。この第２の開口部は、とりわけ空洞となっており、この空洞は、上記の第２の開口部によって到達可能である。好ましくはこの第２の小室は、第２の媒体によって充填されている。上記の第１および第２の媒体は、以下では測定媒体または伝達媒体とも呼称される。

もう１つの変型実施例によれば、上記のメンブレンの下面は、この第２の開口部によって上記の第２の媒体に対し到達可能となっている。とりわけこの第２の媒体は、このメンブレンの下面と直接的に接しており、このメンブレンへ印加される圧力を伝達する。

ここで記載する測定素子においては、圧力導入、すなわちメンブレンへの圧力伝達および、上記の媒体分離、すなわち第２の媒体からの第１の媒体の分離が、担体とキャップの特別な設計、およびチップレベルでのそれぞれの開口部によって実現されている。これらの実現方法は、ゼロレベルパッケージング（ZeroLevelPackaging）またはチップレベルパッケージング（ChipLevelPackaging）とも呼称される。これによりこの検知素子は、コンタクト面を用いずに、またはコストのかかるボンディングワイヤも用いずに、媒体の浸食から守られなければならないように、容易にさらに加工することができ、有利である。この際このキャップおよび担体は、保護部品あるいは安定化部品となり、これらは媒体分離を保証し、差圧測定または相対圧測定を可能とする。

もう１つの変型実施例によれば、この担体には上記の第２の開口部が形成されている。たとえばこの担体は、第２の開口部を形成する貫通孔を備えてよい。たとえばこの第２の開口部は、この担体を貫通して、上記の検知素子のメンブレンの主伸張方向にほぼ平行な方向に延在してよい。代替としてこの第２の開口部は、この検知素子のメンブレンの主伸張方向にほぼ直角な方向に延在してよい。

もう１つの変型実施例によれば、この検知素子には上記の第２の開口部が形成されている。たとえばこの検知素子は、この第２の開口部を形成する貫通孔を備えてよい。好ましくは、この第２の開口部はこの検知素子を貫通して、この検知素子のメンブレンの主伸張方向にほぼ平行な方向に延在してよい。

もう１つの変型実施例によれば、この第２の開口部は、第２の媒体が上記のメンブレンの上面に到達することを可能とする。これによってこの第２の媒体を介して印加された測定圧は、このメンブレンに伝達されることができる。

もう１つの変型実施例によれば、上記のキャップには上記の第１の開口部が形成されている。たとえばこのキャップは、第１の開口部を形成する貫通孔を備えてよい。たとえばこの第１の開口部は、上記の担体または検知素子を貫通して延在する第２の開口部にほぼ平行な方向に延在する。

もう１つの変型実施例によれば、上記の第１の開口部は、上記の検知素子および上記の担体を貫通して延在する。たとえばこの第１の開口部は、この担体および検知素子を貫通する貫通孔によって生成されていてよい。

もう１つの変型実施例によれば、上記の第１の開口部は、上記の第１の媒体が上記のメンブレンの上面に到達することを可能とするように形成されている。これによってこの第１の媒体を介して印加された測定圧は、このメンブレンに伝達されることができる。

もう１つの変型実施例によれば、本発明の測定素子は、複数の外面を備える。たとえばこの測定素子は、直方体形状，立方体形状，または平板形状に形成されていてよく、あるいはこの測定素子に直方体形状，立方体形状，または平板形状を与えるような外形寸法を備えていてよい。これらの外面は、適宜他の幾何形状を形成していてよい。好ましくは上記の第１の開口部および第２の開口部は、この測定素子の同じ外面に配設されている。

ここに記載する測定素子によって、一方の面にこれらの媒体導入部が設けられた構成、すなわち上記の第１および第２の開口部によって、上記のキャップおよび担体によって形成され得るハウジングの単純化が、システムレベルで達成される。これはこれらの媒体接続部が、１つのプロセスステップで生成されることができるからである。

もう１つの変形実施例によれば、上記のキャップに向いた検知素子の面上の、上記の少なくとも１つのコンタクト面は、この検知素子上に配設されている。好ましくはこの少なくとも１つのコンタクト面は、少なくとも部分的にこのキャップの外側に配設されている。もう１つの好ましい変形実施例によれば、この少なくとも１つのコンタクト面は、完全にこのキャップの外側に配設されている。これによってこの検知素子あるいはシリコンチップの電気的接続部は、上記の測定素子の媒体接続部から分離されている。これによってこの少なくとも１つのコンタクト面が、測定媒体に対する保護がコストのかかる手段によって行われないようにすることができ、有利である。

もう１つの変形実施例によれば、本発明の測定素子は相対圧センサとして形成される。この相対圧センサは、たとえば大気圧に対する圧力差測定としてこの相対圧を決定する。

もう１つの変型実施例によれば、本発明の測定素子は、差圧センサとして形成される。ここでこの差圧センサは、２つの圧力の間の差を決定する差圧を測定する。

もう１つの変形実施例によれば、本発明の測定素子は、体積流量センサおよび／または流量センサとして形成される。とりわけこの測定素子は、微小化された体積流量センサおよび／または流量センサとして実装されてよい。この際、たとえばオリフィス（Blende）によって形成された測定通路の断面積狭窄部（Querschnittsverengung）の前後での圧力差が測定されるが、この圧力差は体積流量に比例するので、適切な校正に基づいて流量測定あるいは体積流量測定が可能となる。
ベルヌーイの式を利用して、この体積流量の断面積狭窄部の前後での圧力差を用いて等価な静水圧（hydrostatischemDruck）を計算することができる。

１つの変形実施例によれば、この検知素子は抵抗パターン（複数）および導電部（複数）を備える。これらの抵抗パターンは、たとえば圧力および／または流量測定のための圧電抵抗性測定ブリッジを形成する。好ましくはこの検知素子、とりわけシリコンチップにおいては、これらの抵抗パターンおよび導電部は、埋め込まれている。

１つの変型実施例によれば、この測定ブリッジは、追加の機能層（複数）によって形成される。これらの機能層は、たとえば蒸着またはスパッタリングを用いて上記の検知素子上あるいはメンブレン上に取り付けられていてよい。

もう１つの変形実施例によれば、上記の担体は、ガラスを備えるか、またはガラスから成っている。さらにこの担体は、シリコンを備えるか、またはシリコンから成っていることも可能である。

もう１つの変型実施例によれば、上記のキャップは、ガラスを備えるか、またはガラスから成っている。さらにこのキャップは、シリコンを備えるか、またはシリコンから成っていることも可能である。

もう１つの変型実施例によれば、本発明の測定素子の測定媒体に暴露されている部分、たとえばキャップおよび／または担体、あるいはキャップ／およびまたは担体の部分は、ボロシリケートガラス，シリコン，および／またはＬＰＣＶＤ窒化シリコンを備え、またはこれらの材料の１つから成っている。これによってこの測定素子は、湿性媒体および／または腐食性媒体に適合している。

以下に、微小機械測定素子の実施形態例を、図１〜３を参照して説明する。

これらの実施形態例および図では、同等もしくは同等の機能の部分はそれぞれ同じ参照番号が付けられている。表示された素子およびそれらの互いの大きさの関係は、基本的に寸法通りとはなっていない。むしろたとえば層、部品および領域などの個々の要素をより見易くするため、および／またはより理解し易くするために誇張した厚さまたは大きさの寸法で示してある。

第１の実施形態例による微小機械測定素子の概略断面図であり、ここで第１の開口部は検知素子および担体を貫通して延在している。 もう１つの実施形態例による微小機械測定素子の概略断面図であり、ここで第１の開口部がキャップに形成されており、第２の開口部が担体に形成されている。 もう１つの実施形態例による微小機械測定素子の概略断面図であり、ここで第２の開口部が検知素子に形成されている。

図１は、微小機械測定素子１を断面概略図で示している。この微小機械測定素子１は、圧電抵抗性測定素子として実装されており、メンブレン２１を含む検知素子２を備える。この検知素子２は、シリコンウェハから製造されたシリコンチップである。このメンブレン２１は、下面２１１および上面２１２を備える。

この微小機械測定素子１は、さらに担体６およびキャップ３を備える。図示された実施形態例においては、この担体６およびキャップ３はガラスを備え、上記の検知素子２と共にシリコン−ガラス接続体を形成する。キャップ３は検知素子２と直接接続しており、これによってキャップ３はチップ面に接続されている。この際この検知素子２およびキャップ３は、第１の小室４を形成し、ここでこの第１の小室４は、第１の開口部５を備える。この第１の開口部５は、上記の検知素子２の開裂部および担体６の開裂部によって形成される。上記のメンブレン２１の上面２１２は、この第１の開口部５によって第１の媒体が到達可能となっている。こうしてこの第１の媒体は、印加された圧力をメンブレン２１に伝達することができる。

上記の検知素子２は、上記のキャップに向いていない面が直接担体６に接続されている。この際この検知素子２および担体６は、第２の小室７を形成する。この第２の小室７は、第２の開口部８を備える。これらの第１および第２の開口部５，８は、たとえばレーザードリル加工を用いて生成される。上記のメンブレン２１の下面２１１は、この第２の開口部８によって第２の媒体が到達可能であり、これによりこの第２の媒体は、印加された圧力をメンブレン２１に伝達することができる。これらの第１および第２の開口部５，８によって、このメンブレン２１の両面への導入部が形成されている。

一方の面での媒体接続部の配設、すなわち一方の面での第１および第２の開口部５，８の配設は、図示された実施形態例においては、シリコン−ガラス接続体における２つの貫通孔によって実現される。公知の測定素子と比較して、図１に示す測定素子１の製造においては、単に１つの追加エッチングステップが必要なだけであり、ここで隣接する測定素子のそれぞれのメンブレンは、１つの追加エッチングステップによって貫通エッチング（durchgeatzt）される。これはいわゆるバッチプロセスで実現することができる。

本発明の微小機械測定素子１は、さらにコンタクト面９を備え、このコンタクト面はいわゆるコンタクトパッドとして実装され、測定素子１の電気的コンタクト部の役割を果たす。このコンタクト面９は、検知素子２上に配設され、上記の第１の小室４の外側および上記の第２の小室７の外側にある。この検知素子２の電気的接続部は、媒体接続部から分離されている。以上によりコンタクト面９が第１または第２の小室４，７に存在する媒体と接触することが無いことを保証することができ、これによりこのコンタクト面９が、たとえば腐食性媒体による媒体浸食に対して効果的に保護される。コンタクト面やボンディングワイヤ等の電気的導電部の腐食は、この図示された測定素子では既にチップ面で防止することができる。図１に示す実施形態による測定素子の製造の際には、この電気的コンタクト方向は、上記の検知素子２の取り付け方向と一致する。

代替として、本発明の測定素子１は、この測定素子１あるいは検知素子２の接続のための複数のコンタクト面を備えることができる。

さらに本発明の測定素子１は、検知素子２に埋め込まれている抵抗パターン２２および導電部２３を備える。これらの抵抗パターン２２および導電部２３は、圧力測定のための測定ブリッジを形成する。

本発明の微小機械測定素子１は、図示された実施形態例においては、相対圧センサまたは差圧センサとして実装されており、ここでチップ面への媒体導入部が実現されており、この媒体はこの測定素子の下面、すなわちこの測定素子のキャップにむいていない面から導入される。

図２には、もう１つの実施形態例による微小機械測定素子１の概略断面図が示されている。図１に示す実施形態例とは異なり、第１の開口部５は、キャップ３に形成されている。この第１の開口部５および第２の開口部８は、好ましくはキャップ３および担体６へのレーザ照射によってそれぞれ穴がドリル加工されることによって、形成される。

図２に示す実施形態例においても、コンタクト面９はこれを媒体が充填された小室４，８の外側に配設することによって、測定媒体との接触の好ましくない影響から保護される。図１に示す実施形態と異なり、電気的コンタクト方向は、上記の検知素子２の取り付け方向に対し直角となっている。

本発明の微小機械測定素子１は、図示された実施形態においては、相対圧センサまたは差圧センサとして実装されており、ここでチップ面への媒体導入部が実現されており、測定素子の上面および下面を接続する媒体がこの測定素子の一方の面から導入される。ここでこの下面は、測定素子のキャップに向いていない面で定義され、上面は、この測定素子のキャップに向いた面で定義されている。

図３は、もう１つの実施形態例による微小機械測定素子の概略断面図を示す。図２に示す実施形態例とは異なり、第２の開口部８は、検知素子に形成されている。図示された実施形態例においては、第１の開口部５および第２の開口部８は、レーザードリル加工を用いてキャップ３あるいは検知素子２に実現されている。

同様にこの微小機械測定素子１は、図示された実施形態例においては、相対圧センサまたは差圧センサとして実装されており、ここでチップ面への媒体導入部が実現されており、ここでもこの測定素子の下面と上面とを接続する媒体は、この測定素子の一方の面から導入される。

本発明は、これらの実施形態例を参照した記載によって、これらに限定されず、あらゆる新たな特徴およびこれらの特徴のあらゆる組み合わせを包含するものである。

これはとりわけ請求項における特徴のあらゆる組み合わせを含んでいる。また、特徴またはこれらの組み合わせ自体が請求項または実施形態例に顕わに示されていない場合も含んでいる。

１ ： 測定素子
２ ： 検知素子
２１ ： メンブレン
２１１ ： 下面
２１２ ： 上面
２２ ： 抵抗パターン
２３ ： 導電部
３ ： キャップ
４ ： 第１の小室
５ ： 第１の開口部
６ ： 担体
７ ： 第２の小室
８ ： 第２の開口部
９ ： コンタクト面

Claims (4)

1. 担体（６）と、
   前記担体（６）上に配設された、下面（２１１）と上面（２１２）とを有するメンブレン（２１）を備えた検知素子（２）と、
   前記検知素子（２）に直接接続されたキャップ（３）と、
   前記検知素子（２）の電気的接続のための少なくとも１つのコンタクト面（９）と、
   を備えた微小機械測定素子（１）であって、
   前記検知素子（２）および前記キャップ（３）は、第１の小室（４）を形成し、
   前記第１の小室（４）は、第１の開口部（５）を備え、
   前記第１の開口部（５）は、前記キャップ（３）に形成され、
   前記第１の開口部（５）は、前記キャップ（３）自身を貫通し、かつ当該第１の開口部（５）は前記キャップ（３）の横方向側部を介して外部と連通し、
   前記少なくとも１つのコンタクト面（９）は、前記検知素子（２）の前記キャップ（３）に向いた面上で少なくとも部分的に前記キャップ（３）の外側に配設されており、
   前記検知素子（２）は、前記キャップ（３）に向いていない面が直接前記担体（６）と接続されており、
   前記検知素子（２）および前記担体（６）によって、第２の小室（７）が形成されており、
   前記第２の小室（７）は、前記担体（６）または前記検知素子（２）を貫通して延在する第２の開口部（８）を備え、
   前記第１の開口部（５）は、前記第２の開口部（８）にほぼ平行な方向に延在し、
   前記微小機械測定素子（１）は、複数の外面を備え、
   前記第１の開口部（５）および前記第２の開口部（８）は、同じ外面に配設されている、
   ことを特徴とする、微小機械測定素子。
2. 前記メンブレン（２１）の前記上面（２１２）は、前記第１の開口部（５）によって第１の媒体が到達可能となっており、
   前記メンブレン（２１）の前記下面（２１１）は、前記第２の開口部（８）によって第２の媒体が到達可能となっている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の微小機械測定素子。
3. 前記第２の開口部（８）は、前記担体（６）に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小機械測定素子。
4. 前記第２の開口部（８）は、前記検知素子（２）に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小機械測定素子。

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