JP6256619B2 - 改良された圧力センサ構造 - Google Patents

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構造および圧力センサに関する。

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、圧力センサである。

微小電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム；Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）、即ち、ＭＥＭＳは、小型化された機械的システム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使って作られるので、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片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例示的な構造を示す図である。微小電気機械の圧力センサは、基準圧力（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）で揮発性材料を含むギャップ（隙間）１２上に広げられた薄いダイアフラム１０を有していてもよい。ダイアフラムは、基準圧力とセンサの周りの周囲圧力（ａｍｂｉｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）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の圧力センサ構造は、材料のパターン化された層で形成されるのが典型的である。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の例示的な構造の側面図および上面図を示す。該例示的な圧力センサは、平面ベース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である。側壁層１３によって形成される複数の側壁は、平面ベース１１から遠ざかる方向に伸びて空洞を形成し、該空洞の深さは側壁層１３の厚さと一致する。この特定の種類の圧力センサ構造においては、空洞は、側壁層１３上に広がるダイアフラムプレート１６によって気密に密閉される。ギャップの周方向の開口（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｐｅｎｉｎｇ）上に広がるダイアフラムプレート１６の一部は、該開口によって定義される周縁（ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ）を有するダイアフラム１０を提供する。ダイアフラム１０は、一方の側においてギャップの基準圧力に曝され、他方の側において周囲圧力に曝される。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間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。

図１のセンサの１つの欠点は、側壁１３上に渡って並列静電容量（ｐａｒａｌｌｅｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を提供することである。追加の並列静電容量は、相対感度（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を減少させ、１／Ｃ関数の線形性を弱め、センサの温度依存性を強める傾向がある。また、この構造は、漏れ電流に通り道を提供し、側壁１３の外端（ｏｕｔｅｒ ｅｄｇｅ）上に浮遊静電容量（ｓｔｒａｙ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を提供する。この外端は、センサの外側表面上に位置し、実装や保護に使用する材料、湿度および化学的汚染等の外的条件による影響を受けることがある。これらの影響が、ダイアフラムプレート１６と平面ベース１１との間の総容量に可変部分をもたらすことがあり、それにより、センサの圧力計測値の決定時にエラーが生ずる。

発明の概要
本発明の目的は、上記の欠点の少なくとも１つを取り除く、あるいは軽減することができる圧力センサ構造を提供することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従う圧力センサ構造および圧力センサを用いて達成される。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、平面ベースと、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構造を定義する。側壁層は、平面ベースから遠ざかるように延びてダイアフラムプレートに接触する（ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）側壁を形成する。側壁層は、絶縁材料の第１の層と第２の層と、導電材料の第３の層との少なくとも３層から形成され、この第３の層は、第１の層と第２の層との間にある。

隔離側壁層（ｉｓｏｌａｔｉｎｇ ｓｉｄｅ ｗａｌｌ ｌａｙｅｒ）内の導電性の要素は、シールド電極として使用されて容量の測定結果に対する望ましくない影響を有意に減少させるようにしてもよい。

請求項に係る発明の特徴および利点、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の例示的な構造の側面図および上面図である。 図２Ａは、微小電気機械の圧力センサ構造の例示的な実施態様を示す図である。 図２Ｂは、微小電気機械の圧力センサ構造の例示的な実施態様を示す図である。 図３Ａは、例示的な容量変換回路の構成を示す図である。 図３Ｂは、例示的な容量変換回路の構成を示す図である。 図３Ｃは、例示的な容量変換回路の構成を示す図である。 図３Ｄは、例示的な容量変換回路の構成を示す図である。 図３Ｅは、例示的な容量変換回路の構成を示す図である。 図３Ｆは、例示的な容量変換回路の構成を示す図である。 図４は、微小電気機械の圧力センサ構造の他の実施態様を示す図である。 図５は、微小電気機械の圧力センサ構造の更なる実施態様を示す図である。 図６は、例示的なダイアフラムの相対的な曲げを示す図である。 図７は、絶対静電容量の変化の変動を寸法比の関数として示す図である。 図８は、相対静電容量の変化を同じ寸法比の関数として示す図である。 図９は、１／Ｃ特性の非線形性を同じ寸法比の関数として示す図である。 図１０は、微小電気機械の圧力センサ構造を含む微小電気機械の圧力センサを示す図である。

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う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。

圧力センサ構造の実施態様は、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の例示的な構造を示し、このセンサ構造の側面図および上面図を示す。絶対圧センサは、典型的には、周囲環境から気密に密閉されたギャップを組み込んでいる。差圧センサにおいて、ダイアフラムは、２つの異なる圧力に曝される。他の圧力が大気圧であれば、その差圧センサは、過圧センサ（ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ）と呼ばれることがある。他の圧力が別の既知の基準圧力であれば、その差圧センサは、相関センサ（ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ ｓｅｎｓｏｒ）と呼ばれることがある。本発明は、請求項に記載の構成を含む、あらゆるタイプの絶対圧センサ構造および差圧センサ構造に適用することができる。

図１の例示的な圧力センサ構造は、絶対圧センサである。図の圧力センサ構造は、平面ベース１１と側壁層１３とによって形成される本体構造を有する。平面ベース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範囲内で適用してもよい。また、平面ベース１１は、材料の複数の層を有していてもよい。一例として、平面ベースの表面上の層は、容量センサの電極として作用するように導電性であってもよい。他の例として、平面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。平面ベース１１は、平面ベース１１の平面に本質的に沿って広がる第１の表面１４を有する。本明細書において、用語「本質的に（ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ）」とは、第１の表面がバンプや窪みのような小規模な表面構造を有していてもよいが、９０％を超える表面積は、許容誤差内で、平面ベース１１の平面に揃えられていることを意味する。

側壁層１３は、図１に示すように、不連続の層であって、第１の表面１４から遠ざかるように、有利には、第１の表面１４に垂直な方向に延びる側壁を提供する。第１の表面１４から最も遠い側壁層の表面は、側壁層の上面である。ギャップの反対側の側壁層の１つまたは複数の表面は、側壁層の外面（ｏｕｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ）である。側壁層１３は、平面ベース１１に堅固に（ｒｉｇｉｄｌｙ）固定されて、これにより、平面ベース１１上のオープンスペースを囲む。平面ベース１１とともに、側壁層１３の側壁は空洞を形成し、その深さは、側壁の高さと、側壁層１３の厚さとに一致する。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、または１ミクロンよりも小さくさえある。従来の側壁層は、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、点線よりも外向きに広がる矩形の外周を有して描かれている。点線は、側壁の内面を表し、これらの内面の上端は、平面ベース１１と側壁層１３とによって形成される空洞の周方向の開口を定義する。

この空洞は、側壁層１３上に広がるダイアフラムプレート１６によって気密に密閉されている。本明細書において、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、その周縁にて固定（ａｎｃｈｏｒ）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にて固定する。ダイアフラムプレート１６は、材料の１以上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、平面ベース１１の第１の表面１４に当初は平行な平面である第２の表面１８を通って側壁層１３に接続する。本明細書において、用語「当初（ｉｎｉｔｉａｌｌｙ）」は、センサ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、圧力センサの動作中に、各部品が当初の平坦な形状から変形し得ることを理解する。

図１の構造において、平面ベース１１、側壁層１３およびダイアフラムプレート１６は、第１の表面１４、第２の表面１８および側壁１３の内面が、基準圧力で揮発性材料を含む気密に密閉されたギャップ１２を形成するように互いに固定（ａｔｔａｃｈ）される。ギャップ１２は、少量の残留ガスだけを含むような真空にされていてもよいが、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。

周方向の開口上をギャップ１２に向かって広が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義されるダイアフラム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、ピエゾ抵抗またはこれに類似する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当分野において開示されており、従って、当業者によく知られているので、本明細書においては詳細には言及しない。

図１のセンサ構造の１つの欠点は、側壁１３に関連する定数静電容量が大きい傾向があることである。側壁１３は、ダイアフラムプレートの外周縁に位置しているので、その面積は、センサのコンデンサの圧力に敏感な部分を形成する曲げダイアフラム１０の面積に比べて大きい。また、側壁１３の絶縁材料は、側壁１３に関連する静電容量に乗ずる有意な相対誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有する（二酸化ケイ素の場合は４）。この側壁静電容量は、センサ静電容量に電気的に並列に接続され、かつ、ダイアフラムプレート１６と平面ベース１１との間の静電容量の評価時にこれに加算される。これは、相対感度（圧力ゼロにおける静電容量に対する、印加された名目上のフルスケール圧力による静電容量の変化の比率）を効果的に減少させ、かつ、１／Ｃ（逆静電容量）特性を圧力の関数として、まさに非線形な状態にする。

また、センサ構造の外面は、多くの場合、抵抗漏れまたは容量漏れ、およびその他の迷走効果（ｓｔｒａｙ ｅｆｆｅｃｔｓ）を容量測定結果に及ぼすかもしれない周囲条件に曝されている。

これらの効果が、側壁層が集積シールド電極を有する構造を用いて効果的に低減できることが、いまや探知された。これに基づき、側壁は、絶縁材料の第１の層と第２の層、及びそれらの層の間の導電材料の第３の層の、少なくとも３層から形成されている。第３の層は、その構造のための集積シールド電極を提供する。図２Ａおよび図２Ｂは、そのような構造の例示的な実施態様を示す図である。図２Ａは、上述した構造の側面図であり、図２Ｂは、同構造の上面図である。

図２Ａおよび図２Ｂの微小電気機械の圧力センサ構造は、図１を参照して説明したように、平面ベース２１とダイアフラムプレート２０とを有する。例示的な絶対圧センサ構造は、また、平面ベース２１とダイアフラムプレート２０とに接続される側壁２３を有し、基準圧力で揮発性材料を含む、気密に密閉されたギャップ２２を形成する。なお、差圧センサ構造において、基準圧力は、例えば、平面ベース２１内のチャネルを通ってギャップ２２に導かれてもよい。図２の構造において、ダイアフラムプレート２０の少なくとも一部は、基準圧力とセンサ構造の周りの周囲圧力との間の差によって変形する。ダイアフラムプレート２０の変位は、容量センシングを用いて電気信号に変換されてもよい。静電容量は、平面ベース２１の第１の表面２４とダイアフラムプレート２０の第２の表面２５との間に形成される。また、側壁２３がギャップ２２を密閉するので、ギャップ２２とセンサの外側との間で一切の流体移動が不可能となる。

側壁層２３は、少なくとも３層を含む多層構造であり、そのうちの２層２７，２８は電気絶縁材料、好ましくは二酸化ケイ素の層であり、その間の層２９は導電材料、好ましくは多結晶シリコンの層である。第１の層２８の一方の表面は、平面ベース２１上の第１の表面２４に接続され、第１の層の他方の表面は、第３の層２７に接続されている。第２の層２９の一方の表面は、ダイアフラムプレート上の第２の表面２５に接続され、第２の層の他の表面は、第３の層２７に接続されている。このようにして、側壁層２３を形成する、絶縁する第１の層２８と、シールド電極を提供する第３の層２７と、第２の層２９とが、少なくとも部分的に互いが重なるように、互いの上に積層される。ギャップ２２の高さは、第１の層２８、第２の層２９および第３の層２７の厚さの和によって決定される。

上述の側壁の多層構造により、側壁２３に関連する追加の並列静電容量は、今や、ダイアフラムプレート２６と平面ベース２１との間ではなく、ダイアフラムプレート２６と第３の層２７によって提供されるシールド電極との間に存在するよう配置されている。後述するように、ダイアフラムプレート２６と平面ベース２１との間の測定静電容量に対するこの追加の静電容量の影響は、容量変換回路を用いて最小限に抑えることができ、相対感度と線形性に対する側壁の有害な影響が、このようにして実質的に取り除かれる。

この構造において、第１の層２８、中間の第３の層２７、および第２の層２９は、第１の絶縁層２８が第３の層２７を超えて水平に広がり、かつ、第３の層２７が第２の絶縁層２９を超えて水平に広がるように、配置され、かつパターン形成されてもよい。換言すれば、センサ構造の構造層に垂直な（例えば、第１の表面２４の平面に垂直な）平面で形成する断面において、第１の層２８の外周縁は第３の層２７の外周縁よりもギャップからより遠くにあり、第３の層の外周縁は第２の層の外周縁よりもギャップからより遠くにある。対応して、同断面において、第１の層２８の向かい合う内周縁の間の距離（即ち、ギャップの幅）は、第３の層２７の向かい合う内周縁の間の距離Ｗ_１よりも小さくてもよく、第３の層の向かい合う内周縁の間の距離Ｗ_１は、第２の層２９の向かい合う内周縁の間の距離Ｗ_２よりも小さくてもよい。

図２Ｂに示すように、上から見た時は、第１の絶縁層２８の周縁は、上述の通り、第３の層２７の縁の外に見ることができ、第３の層２７の周縁は、第２の層２９の縁の外に見ることができる。有利には、第２の層の外周縁もまた、ダイアフラムプレート２６の外に延びているので、第２の層２９の周縁がダイアフラムプレート２６の縁の外に見ることができる。仮に、ダイアフラムプレートがなくて側壁が上から見えるとすると、３つの層２３、２７および２８の内周縁と外周縁の両方の全ての位置において、第１の層２８の部分が第３の層２７の外端の外側に延びて見えるはずであり、第３の層２７の部分が側壁層２３の外端の外側に延びて見えるはずである。その結果、抵抗性電流または容量性電流がダイアフラムプレート２６と平面ベース２１との間を通るための短絡の通り易い経路が実質的に存在しないので、外部漏れ電流と浮遊静電容量の影響は、最小限に抑えられる。センサの周縁を囲む全ての位置において、この経路を延長し、かつ遮断するシールド層２７が存在している。

上記の構造において、閉ループ演算増幅器を有する容量変換回路を用いて、浮遊静電容量と並列静電容量を除去または少なくとも有意に減少させることができる。この配列において、測定された静電容量は、平面ベース２１と第３の層２７によって作られるシールド電極がない領域（上面図においてシールド電極に覆われていない領域）上のダイアフラムプレート２６との間の静電容量に起因するものである。平面ベース２１とシールド電極２７との間の静電容量、ダイアフラムプレート２６とシールド電極２７との間の静電容量の影響も、端部２３上の浮遊静電容量と漏れ抵抗の影響も、効果的に除去することができる。図２のセンサ構造において、演算増幅器回路が、ダイアフラムプレート２０または平面ベース２１のいずれかの電極と同一の電位にシールド電極２７を保つように配置されている場合、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の中央部分と平面ベースとの間の静電容量だけを示すようにすることができる。ダイアフラムプレートからシールド電極２７まで、およびシールド電極２７から平面ベース２１までの絶縁表面上の並列静電容量および生じ得る漏れ電流の効果は、このようにして、演算増幅器の開ループ利得の因子によって減少させることができる。

センサが適切に動作するために、シールド電極２７は、一定電位、好ましくはセンサに接続されている電気回路の接地（グラウンド）あるいは仮想接地、またはダイアフラムプレート２６とシールド電極２７との間および平面ベース２１とシールド電極２７との間を流れる電流と、ダイアフラムプレート２６と平面ベース２１との間を流れる電流とを分離することができるその他の電位のいずれかに接続されてもよい。換言すれば、ダイアフラムプレート２６と第３の層２７との間の電気インピーダンスと、平面ベース２１と第３の層２７との間の電気インピーダンスとが、ダイアフラムプレート２６と平面ベース２１との間で測定される静電容量に影響しないように用いられてもよい。

図３Ａ〜図３Ｆは、センサ構造における望ましくない効果を減少させるのに適する例示的な容量変換回路の構成を示す図である。これらの構成は、演算増幅器３０、平面ベース電極のための端末入力３１、ダイアフラムプレート電極のための端末入力３６、シールド電極への端末入力３２、電圧源３４または電流源３５、および基準インピーダンス３７を含む。これらの構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）が接続されて、側壁層上の並列静電容量からの、および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注目に値する（ｎｏｔｉｃｉａｂｌｅ）影響を受けることなく、ダイアフラムプレートと平面ベースとの間の静電容量を示す電圧出力が得られる。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３Ａ〜図３Ｄ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ている例示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３８を生ずる。

図３Ａにおいて、シールド電極は、平面ベースと同じ電位に配置されている。図３Ａに示すように、平面ベース端子３１は増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、かつ、シールド電極端子３２は接地電位である。このため、シールド電極と平面ベースとの間の電圧と電流は無視できるものであり、平面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に影響を及ぼさない。ダイアフラムプレート端子３６は、シールド電極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面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３４に接続される。シールド電極と平面ベースとの間の静電容量は、接地と仮想接地３８との間に接続され、ダイアフラムプレートと平面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、平面ベース端子３１とダイアフラムプレート端子３６との間の静電容量をＣ_Ｓとし、平面ベース端子３１とシールド電極端子３２との間の静電容量をＣ_Ｌとする。また、電圧源３４を実効電圧ＵｉのＡＣ電圧源と仮定し、フィードバック回路要素３７をＣ_Ｆに等しい静電容量のコンデンサと仮定し、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、Ｃ_Ｌ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３６とシールド電極端子３２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供給できる電圧源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３Ｂにおいて、シールド電極は、ダイアフラムプレートとほぼ同じ電位に配置されている。図３Ｂに示すように、ダイアフラムプレート端子３６は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、シールド電極端子３２は接地電位である。このため、シールド電極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、平面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に影響を及ぼさない。平面ベース端子３１は、シールド電極と平面ベースとの間の電流がダイアフラムプレートと平面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３４に接続される。シールド電極と平面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、従って、ダイアフラムプレートと平面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３Ｃにおいて、シールド電極もまた、ダイアフラムプレートとほぼ同じ電位に配置されている。図３Ｃに示すように、ダイアフラムプレート端子３６は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、シールド電極端子３２は、接地電位である。このため、シールド電極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、平面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に影響を及ぼさない。平面ベース端子３１は、シールド電極と平面ベース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面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３０の出力に接続される。シールド電極と平面ベースとの間の静電容量は、接地と増幅器３０の出力との間に接続されるので、従って、ダイアフラムプレートと平面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３Ｄにおいて、シールド電極も同じく、平面ベースとほぼ同じ電位に配置されている。図３Ｄに示すように、平面ベース端子３１は、増幅器の反転入力の仮想接地電位に接続し、シールド電極端子３２は、接地電位である。このため、シールド電極と平面ベースとの間の電圧と電流は無視できるものであり、平面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に影響を及ぼさない。ダイアフラムプレート端子３６は、シールド電極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面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３０の出力に接続される。シールド電極と平面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、従って、ダイアフラムプレートと平面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３Ａ〜図３Ｄにおいて、シールド電極端子は、接地電位に接続されている。平面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、センサの端子の１つは、増幅器回路の仮想接地に接続されている。これにより、シールドを通る電流とダイアフラムプレート端子を通る電流とを互いから隔離しつつ、シールド電極端子とセンサの端子の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３Ａ〜図３Ｄ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３Ｅおよび図３Ｆは、例示的な非反転演算増幅器回路を示す図である。演算増幅器３０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ている。反転入力の電位は、非反転入力の電位にほぼ等しい。

図３Ｅにおいて、シールド電極は、ダイアフラムプレートとほぼ同じ電位に配置されている。図３Ｅに示すように、ダイアフラムプレート端子３６は、予め定められたまたは既知である電流で電流源３５に接続されている。また、電流源３５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い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シールド電極とは、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。シールド電極と平面ベースとの間で生じ得る漏れまたは容量性電流は、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、これもまた、ダイアフラムプレートまたは平面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、平面ベース端子３１とダイアフラムプレート端子３６との間の静電容量をＣ_Ｓとし、増幅器の反転（−）入力と非反転（＋）入力との間の静電容量をＣ_ｉ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３６とシールド電極端子３２との間の静電容量の両方を含む。また、電流源３５を周波数ｆにおける実効電流Ｊ_ｉのＡＣ源と仮定し、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Ｕ_ｏは、次のように表される。

このように、Ｃ_ｉの影響は、増幅器開ループ利得Ａの量によって減少する。平面ベース端子３１とシールド電極端子３２との間の静電容量も、増幅器の出力端子と接地端子との間に接続され出力電圧にほとんど影響を及ぼさないので、これもまた、出力電圧に影響を及ぼさない。

図３Ｆにおいて、シールド電極は、平面ベースとほぼ同じ電位に配置されている。図３Ｆに示すように、平面ベース端子３１は、予め定められたまたは既知である電流で電流源３５に接続されている。平面ベースとシールド電極とは、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。シールド電極とダイアフラムプレートとの間で生じ得る漏れまたは容量性電流は、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面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３Ｅおよび図３Ｆにおいて、シールド電極端子は、増幅器の出力に接続され、センサの端子の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、シールド電極端子とセンサの端子の１つの間の電流を無視できるものに保つ。この原理を図３Ｅおよび図３Ｆ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３Ａ〜図３Ｆのすべての実施例は、フィードバック構成にある増幅器を使用しており、シールド電極端子の電位をセンサの端子の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。

図２Ａおよび図２Ｂのセンサ構造において、ギャップ２２の高さは、第１の層２８、第２の層２９および第３の層２７の厚さの和によって決定される。これにより、ごく小さな（例えば、１ミクロン以下のオーダーの）ギャップの高さが要求されるような、応用における非実際的に小さな層の厚さに導くことができる。図４は、そのような応用により適切な更なる実施態様の側面図である。この構造の上面図は、図２Ｂにおける上面図に対応する。この実施態様において、第１の層２８は、平面ベース２１の第１の表面上に広がり、かつ、その最上部に内部電極層４００を有している。内部電極層４００は、第３の層２７のシールド電極によって外周が囲まれた第１の絶縁層２８上に広がっている。内部電極層は、有利には、シールド電極内のほぼ全領域を満たすように広がるが、第３の層２７のシールド電極から（例えば、細い溝４０２によって）電気的に隔離されている。内部電極層の範囲は、構造層を通る断面において、第１の層上の内部電極層４００の幅と第３の層２７の幅が、溝４０２のような電気的に隔離する領域の幅の数倍（少なくとも１０倍）となるように、配置されてもよい。内部電極層のために、誘電ギャップが、内部電極層４００とダイアフラムプレート２０との向かい合う表面の間に効果的に形成される。その結果、センサの静電容量は、このようにして、もはや第１と第３の層２８、２７の厚さではなく、第２の層２９の厚さのみによって決定される。

有利には、内部電極層４００は、シールド層２７と同じ厚さであり、同じ導電材料で形成されている。電気的に隔離する領域が溝の場合、図４に示すように、第３の層のみを通って伸びていてもよく、あるいは、第３の層と第１の層を通って平面ベースにまで達していてもよい。いずれの場合でも、ダイアフラム２０と内部電極層４００との間で測定された静電容量が、内部電極層４００と平面ベース２１との間の一定の静電容量に逐次結合されるようになる。いくつかの場合においては、これは、実装に複雑さを追加することになる。図５は、電極層が接触開口５０１を通って平面ベース２１と電気的に接触するように用いられる、更なる実施態様を示す図である。有利には、接触開口は小さく、即ち、断面において、内部電極層４００の幅は、接触開口５０１の幅の数倍（少なくとも１０倍）である。本発明の技術的範囲内において、より大きな接触開口を使用することも可能であるが、これは側壁層の製造工程を複雑にする傾向がある。

第１と第３の層２７、２８の厚さを選択する自由度と、層２９の厚さを増加させる可能性とは、側壁層の製造を容易にする。さらに、誘電層２８および２９の厚さを増加させることができるので、シールド電極２７と平面ベース２１との間、およびシールド電極２７とダイアフラムプレート２６との間の静電容量は減少する。これは、ノイズ利得を減少させ、そしてこれにより、センサ構造においてシールド電極に用いる閉ループ増幅器回路による電気的なノイズを減少させる。

図１のセンサ構造の更なる欠点は、曲げダイアフラム１０と平面ベース１１との間の静電容量が、側壁１３における支持部付近であって、加えられた圧力によるダイアフラムの曲げが有意でない、ダイアフラム１０の端部に関連する部分を有することである。

図２Ａと図２Ｂの（図４および図５においてもまた適用される）例示的な実施態様は、側壁２３の層を更に配置して、この欠点も軽減されるようにする方法を示している。図２Ａにおいて、Ｗ２は、ダイアフラムの幅を示し、周囲圧力の変化に応答して、実質的に変位するダイアフラムプレート２０の部分を意味している。図２ＡのＷ２は、側壁の上面においてこれら側壁がダイアフラムプレート２０に接続する部分のダイアフラムの断面の幅（即ち、第２の層の向かい合う側壁の対応する２点の間の距離）に対応する。Ｗ１は、ダイアフラムのシールドされていない幅または容量幅（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｗｉｄｔｈ）を示す。図２ＡのＷ１は、センサ構造の同じ断面から決定される、対応する断面の第３の層におけるギャップの幅（即ち、外周を囲む第３の層２７の向かい合う内周縁の間の距離）に対応する。Ｗ２がＷ１よりも大きい時は、第３の層２７の一部は、ダイアフラムプレート２０の曲げダイアフラムと平面ベース２１との間にある。これは、曲げダイアフラム２０と平面ベース２１との間の曲げがごく僅かである、ダイアフラムの一部２５の静電容量が、測定されたセンサ静電容量から除かれることを意味する。

図６〜図９は、長方形のダイアフラムのサイズが０．２ｘ１ｍｍ、ダイアフラムプレートの厚さが５μｍ、かつ、ギャップ（側壁）の高さが０．５μｍである、例示的な試験用センサ構造を用いて行ったシミュレーションの結果を示す。図６は、向かい合う側壁の間に広がるダイアフラムの幅に沿う相対的な曲げの例を示す。図７は、絶対静電容量の変化の変動を比率Ｗ_１／Ｗ_２の関数として示す図である。図８は、相対静電容量の変化を比率Ｗ_１／Ｗ_２の関数として示す図である。より具体的には、図８は、静電容量の変化と圧力ゼロにおける静電容量との間の比率の変化を示している。図９は、１／Ｃ特性の非線形性を比率Ｗ_１／Ｗ_２の関数として示す図である。

図６〜図９は、端部付近の領域において生成された静電容量の部分が絶対感度（圧力毎の静電容量の変化）に対してほとんど値を加算しないことを示し、かつ、センサの相対感度（圧力毎の、圧力ゼロにおける静電容量毎の静電容量の変化）に対して悪影響を与えることを示している。図６は、側壁付近のダイアフラムの部分において、ダイアフラムの曲げがごく僅かであることを示している。図７は、Ｗ_１／Ｗ_２＝０．４の時、静電容量の変化が、Ｗ_１／Ｗ_２＝１における最大値のまだ約８０％（〜２．５／３．２）であることを示している。図８から、同じ比率Ｗ_１／Ｗ_２＝０．４を用いて、相対静電容量の変化が、約２（〜１．７５／０．９）倍改善されたことが見て取れる。図９から、同じ比率Ｗ_１／Ｗ_２＝０．４を用いて、非線形性誤差が、６％を超える値から０．６％にまで減少したことが見て取れる。この結果、比率Ｗ_１／Ｗ_２を１未満に減少させることによって、達成し得る絶対的な静電容量の変化を有意に損なうことなく、相対感度と線形性とを制御可能に改善することができる。

図１０は、請求項に記載の微小電気機械の圧力センサ構造９１を含む微小電気機械の圧力センサ９０の実施態様を示す図である。圧力センサは、また、電気回路部９２も有している。センサ構造９１と電気回路部９２とは、異なるダイであってもよい。電気回路部９２は、電導線９３によって、平面ベース、保護端子層、およびダイアフラムプレートに接続されていてもよい。電気回路は、また、図２Ａ、図２Ｂ、図４、図５および図３Ａ〜図３Ｆを参照して説明したように、シールド電極を平面ベースまたは第１の平面層のいずれかと同じ電位に保ち、かつ、これらの端子を通るそれぞれの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おける演算増幅器も有していてもよい。

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、当業者に自明である。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うるものである。

Claims (13)

1. 微小電気機械の圧力センサ構造であって、当該微小電気機械の圧力センサ構造は、平面ベースと、側壁層と、ダイアフラムプレートとを有し、
   前記側壁層が、前記平面ベースから遠ざかるように延びて前記ダイアフラムプレートに接触する側壁を形成し、
   前記側壁層が、絶縁材料の第１の層と第２の層と、導電材料の第３の層との少なくとも３層から形成され、前記第３の層が、前記第１の層と前記第２の層との間にあり、
   前記第１の層が前記第３の層を超えて水平に広がり、かつ、前記第３の層が前記第２の層を超えて水平に広がり、
   断面において、前記第１の絶縁層の外周縁が前記第３の層の外周縁を超えて水平に広がり、かつ、前記第３の層の外周縁が前記第２の絶縁層の外周縁を超えて水平に広がり、
   断面において、前記第１の層の向かい合う内周縁の間の距離が、前記第３の層の向かい合う内周縁の間の距離よりも小さく、かつ、前記第３の層の向かい合う内周縁の間の距離が、前記第２の層の向かい合う内周縁の間の距離よりも小さい
   ことを特徴とする、
   前記微小電気機械の圧力センサ構造。
2. 前記側壁層に接触していない前記ダイアフラムプレートの部分がダイアフラムを提供し、
   前記第３の層のレベルにおけるギャップの断面の幅の、前記ダイアフラムの対応する断面の幅に対する比率が、１未満である
   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構造。
3. 前記比率が０．３〜０．７の範囲であ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構造。
4. 前記比率が０．４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構造。
5. 前記第１の層および／または前記第２の層が二酸化ケイ素から作られていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械の圧力センサ構造。
6. 前記側壁によって囲まれた、導電性の材料の内部電極層を有し、前記内部電極層が、前記第３の層から電気的に隔離されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小電気機械の圧力センサ構造。
7. 前記電気的な隔離が、前記内部電極層の外周を囲む電気的に隔離する領域によって提供されることを特徴とする、請求項６に記載の微小電気機械の圧力センサ構造。
8. 電気的に隔離する領域が、前記内部電極層と前記第１の層とを通って前記平面ベースにまで達する溝であ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構造。
9. 前記内部電極層が、接触開口を通って前記平面ベースに電気的に接触していることを特徴とする、請求項６、７または８に記載の微小電気機械の圧力センサ構造。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧力センサ構造を有する、圧力センサ。
11. 前記圧力センサが、前記平面ベースへの電導線と、シールド電極への電導線と、前記ダイアフラムプレートへの電導線とに接続されている電気回路を有し、
    前記電気回路が、フィードバック構成にある演算増幅器であって、前記シールド電極を前記平面ベースまたは前記ダイアフラムプレートのいずれかの電位と同じ電位に保つように、かつ、前記シールド電極を通る電流経路と前記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前記演算増幅器を有する
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の圧力センサ。
12. 前記圧力センサが、前記平面ベースへの電導線と、前記導電性の材料の第３の層への電導線と、前記ダイアフラムプレートへの電導線とに接続されている電気回路を有し、
    前記電気回路が、フィードバック構成にある演算増幅器であって、前記導電性の材料の第３の層を前記平面ベースまたは前記ダイアフラムプレートのいずれかの電位と同じ電位に保つように、かつ、前記導電性の材料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前記演算増幅器を有する
    ことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の圧力センサ。
13. 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１１または１２に記載の圧力センサ。

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