JP7084555B2 - マイクロメカニカルセンサ機構およびマイクロメカニカルセンサ機構の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロメカニカルセンサ機構およびマイクロメカニカルセンサ機構の製造方法に関する。

ダイアフラムベースのセンサ、例えば圧力センサを実現するため、ダイアフラム幾何形状、ダイアフラム配置、ダイアフラム選択、およびダイアフラムの接続に関する複数の形態可能性が知られている。

ここでの目標は、センサコア内でダイアフラム構成体として存在する複数のダイアフラムの配置および分布を達成することであり得る。
ＤＥ１０２０１６１０７２７５Ａ１では、ベース面内の複数の小さな圧力セルを含む圧力センサが説明されている。

さらに、長方形のダイアフラム、例えばダイアフラム長さとダイアフラム幅の比が３：１以上のアスペクト比をもつダイアフラムを備えた容量式圧力センサが知られている（米国特許第９，４４２，０３２（Ｂ２）号またはＥＰ２９９４７３３Ｂ１）。

本発明は、請求項１に従うマイクロメカニカルセンサ機構および請求項１０に従うマイクロメカニカルセンサ機構の製造方法を提供する。
好ましい変形形態は従属請求項の対象である。
本発明の利点
本発明の基礎となるアイデアは、１つまたは複数のダイアフラムを備えたセンサ機構を提示することにあり、この場合、ベース面内の複数のダイアフラムは分離可能および接続可能／連結可能であり得る。このセンサ機構が、信号ストローク（Signalhub）の上昇を特色とし得ることが有利である。

正方形のベース面内の長方形のダイアフラムおよび有利にはその連結体が、ベースキャパシタンスに関連した信号ストロークの大きさ（ΔＣ／Ｃ０）に基づいて挙動し得ることが有利である。

本発明によれば、マイクロメカニカルセンサ機構は、基板およびこの基板の上に配置されており、かつ基板上の内部領域を横で縁取っている周縁層；内部領域の上に張られており、かつ基板上の覆われた空洞を形成している少なくとも１つのダイアフラム；空洞内で基板とダイアフラムの間に配置されている少なくとも１つの支持部を含んでおり、かつダイアフラムが周縁層および／または少なくとも１つの支持部に固定されており、支持部はダイアフラムを、力の作用によって動く少なくとも１つの測定領域と力の作用によって動かない少なくとも１つの基準領域に分離し、かつ基板およびダイアフラムは、空洞内に、測定領域および基準領域内で互いに向き合う電極を含んでいる。

このようなセンサ機構は、ＭＥＭＳ部品内で、例えば圧力センサまたはダイアフラムベースのセンサ内で用いられ得る。
センサ機構の好ましい一実施形態によれば、ダイアフラムは、複数の長方形の、多角形の、または丸い測定領域を含んでいる。

センサ機構の好ましい一実施形態によれば、ダイアフラムは、相互にホイートストンブリッジとして接続されている同数の測定領域および基準領域を含んでいる。
センサ機構の好ましい一実施形態によれば、センサ機構は圧力センサとして実施されている。

センサ機構の好ましい一実施形態によれば、支持部は、基板の平面図では丸く、正方形に、長方形に、または多角形に成形されている。
センサ機構の好ましい一実施形態によれば、支持部は、測定領域の少なくとも１つを全体的に、および互いに対して１μｍ～１０μｍのそれぞれの間隔をあけて取り囲んでいる。

センサ機構の好ましい一実施形態によれば、周縁層および／または支持部はダイアフラムと同じ材料を含んでいる。
センサ機構の好ましい一実施形態によれば、周縁層および／または支持は酸化物で充填されている。

センサ機構の好ましい一実施形態によれば、少なくとも１つの基準領域が少なくとも１つの測定領域を横で取り囲んでいる。
本発明によれば、マイクロメカニカルセンサ機構の製造方法では、周縁層を備えた基板の提供が行われ、この周縁層は基板の上に配置され、かつ周縁層が基板上の内部領域を横で縁取り；内部領域内の基板の上での少なくとも１つの支持部の配置が行われ、この少なくとも１つの支持部は基板上の少なくとも１つの測定領域および少なくとも１つの基準領域を定義し、かつ互いから分離し；ダイアフラムの周縁層および支持部での配置が行われ、これによりダイアフラムは、周縁層および／または支持部に固定され、かつ内部領域の上に張られ、かつ覆われた空洞が内部領域内でダイアフラムと基板の間に形成され、かつ支持部によりダイアフラムが、力の作用によって動く少なくとも１つの測定領域と力の作用によって動かない少なくとも１つの基準領域に分離される。

この方法が、既に圧力センサ機構に関連して挙げた特徴およびその利点も特色とし得ること、ならびにその逆であることが有利である。
力の作用は圧力であり得る。

方法の好ましい一実施形態によれば、空洞がガスで満たされ、または真空が生成される。
方法の好ましい一実施形態によれば、少なくとも１つの測定領域が、別の１つの測定領域より大きな厚さで成形される。

本発明の実施形態のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかである。
以下では、図面の概略図に提示した例示的実施形態に基づいて本発明をより詳しく解説する。

本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構の概略的な側面図である。 本発明のさらなる１つの例示的実施形態によるセンサ機構の概略的な側面図である。 本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構のダイアフラムの概略的な平面図である。 本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構の回路図である。 本発明のさらなる１つの例示的実施形態によるセンサ機構の概略的な側面図である。 本発明の１つの例示的実施形態によるダイアフラムの概略的な平面図および空洞の概略的な側面図である。 本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構の製造方法の概略的なブロック図である。

図では、同じ符号は同じまたは機能的に同じ要素を意味している。
図１ａは、本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構の概略的な側面図を示している。

圧力センサ機構１は、基板２およびこの基板２の上に配置されており、かつ基板２上の内部領域ＩＢを横で縁取っている周縁層３と、周縁層３に係止されており、かつ内部領域ＩＢの上に張られており、かつ基板２上の覆われた空洞Ｋを形成しているダイアフラム４と、有利には、空洞Ｋ内で基板２とダイアフラム４の間に配置されている支持部５とを含んでおり、支持部５はダイアフラム４を、圧力ｐによって動く少なくとも１つの測定領域ＭＢと圧力ｐによって動かない少なくとも１つの基準領域に分離し、かつ基板２およびダイアフラム４は、空洞Ｋ内に、測定領域ＭＢおよび基準領域内で互いに向き合う電極Ｅ１およびＥ２を含んでいる。周縁層は、周縁領域として成形することができ、かつ有利には複数の層を含むこともできる。

周縁層３が、内部領域を閉じられた空洞として、有利には密閉された空洞として形成することが有利である。
しかも周縁層３は、それ自体が複数の重なり合って配置された層を含むこともでき、かつ有利には鉛直に基板２から遠ざかるように延びており、したがって周縁層３は空洞の側壁を構成し得る。周縁層３は、空洞を横で全体的に取り囲むことができ、しかもそれ自体が貫通ビアとしてのコンタクト部Ｋｉを含むことができ、このコンタクト部Ｋｉと空洞内の電極Ｅ１およびＥ２が接続され得る。電極は、基板２での下側電極Ｅ２およびダイアフラム４での上側電極Ｅ１で構成され得る。支持部５は、ダイアフラム４の材料を含むことができ、かつ有利にはその内部に酸化物材料を含むことができる。支持部は、（例えば全体的に）ダイアフラム材料、例えばシリコン、ポリＳｉ、アモルファスシリコン、ＳｉＮ、シリコンリッチ窒化物から成り得る。

ダイアフラムに１つまたは複数のスペーサ（当止め構造、当止めコブ、または当止めストッパ）が配置されていて、空洞Ｋ内へ延びていることができる（示されていない）。スペーサは、ダイアフラムの材料または別の材料を含むことができ、かつむき出しになっているかまたは上側電極Ｅ１で覆われ得る。ダイアフラム４も、複数の重なり合って配置された層を含むことができ、または１種の材料、例えばシリコンから成り得る。図１では、圧力センサ機構１が、内部領域ＩＢ内に、測定領域間の支持部５によって分離された複数の測定領域ＭＢを含んでおり、かつこの複数の測定領域ＭＢは複数のダイアフラム領域の連結に相応し得る。空洞上のダイアフラム全体として成形され得る１つのダイアフラムに対し、複数のダイアフラム領域（測定領域）は全部で単一ダイアフラムのベース面より小さな全体面を有し得る。この場合、確かに単一ダイアフラム（単一キャパシタンス）の場合より小さなキャパシタンス面が生じ得るが、ただし空洞Ｋおよびダイアフラムの区分けにより、複数の測定領域ＭＢが、１つの空洞およびその有利には密閉された体積を分け合うことができ、それにより、空洞Ｋ内の封入された圧力の、ガス放出に対するまたは温度変化に対する安定性に関する利点が達成可能であり得る。空洞内には、ガス、製造プロセスからの残留ガス、または真空が存在し得る。この配置での複数の測定領域（ダイアフラム領域）は、１つの密閉された空洞を、とりわけ、基板と、側壁（周縁層）と、上側のダイアフラム層とによって形成され得る正確に１つの空洞を分け合うことができる。

個々のダイアフラム、例えば測定領域（ダイアフラム領域）は、この全体配置内で、点状に基板をダイアフラムと結合し得る支持部の相応の配置によって実現され得る（支持部により、ダイアフラム領域が互いから分離され得る）。支持部の補剛作用が、１つの密閉空間内での複数の個々のダイアフラム（測定領域、ダイアフラム領域）を可能にする。

支持部５は、それぞれ同じまたは異なる形状を有し得る。しかも支持部５はそれ自体が長方形に、例えば直方体として、例えば大きさの異なる直方体の組合せとして形成することができ（示されていない）、コアおよびシェル材料、例えばシェルとしてのダイアフラム材料を含むことができ、または１種の材料だけから製造され得る。さらに、その他の形状、例えば水平断面では丸い形状（円形、楕円形）、長方形、多角形、三角形、もしくはさらなる形状、例えば十字形を、または鉛直方向では上もしくは下へのある特定の開き角度での錐形もしくは円錐形を形成することもでき、したがって、支持部の側面とダイアフラムおよび／または基板とは直角でなくてよい。支持部は、測定領域ＭＢを横で部分的にまたは全体的に取り囲み得る。測定領域は、少なくとも１つの側で、側壁としての周縁層３によっても囲まれおよび画定され得る。

測定領域ＭＢが成形可能である内部領域ＩＢ内のダイアフラム４のベース面は、例えば３５０×３５０μｍであり得る。そのようなベース面内では、様々なダイアフラム配置が可能であり、例えば、長方形もしくは丸であり得る単一の測定領域または同様に丸もしくは長方形であり得る複数の測定領域が可能であり、例えば、辺の長さが最大約１６０×１６０μｍの、測定領域内の幾つかの正方形のダイアフラム領域；または直径が最大３５０μｍの１つの丸い測定領域、または直径がそれぞれ最大約１６０μｍの複数の丸い測定領域、または辺の長さが最大約３２０μｍで辺の長さの比が２：１より大きい複数の長方形の測定領域が可能である。これに加え、同様に多くの基準領域ＲＢがさらに存在し得る。

ダイアフラム４は、例えばシリコン（またはポリＳｉ、アモルファスＳｉ）を含み得る。ダイアフラム４は、絶縁性のシリコンリッチ窒化物層（ＳｉＲｉＮ）と導電性のポリＳｉ電極層から成る組合せを含むこともできる。ポリシリコンの場合、有利にはポリで結晶成長を意味しており、これに対しアモルファスまたは単結晶Ｓｉの場合はまた別である。

ダイアフラム４は、測定領域ＭＢ上で、この領域内のダイアフラム４を自由にし得るために、少なくとも１つまたは複数のエッチング孔を含み得る。
図１ｂは、本発明のさらなる１つの例示的実施形態によるセンサ機構の概略的な側面図を示している。

図１ｂの実施形態は、センサ機構、有利には圧力センサ機構１が、内部領域を２つのダイアフラム領域／測定領域（ＭＢ）に区分けし得る１つだけの支持部５を含むことにおいてのみ、図１ａの実施形態とは異なっている。したがってダイアフラム４は、周縁領域３にある外側領域（周縁）で固定されて、もう一方の側で、つまり空洞内で支持部５に固定されることができる。ダイアフラム４は、少なくとも１つのダイアフラムとして成形でき、かつ例えば一続きの層として成形され得る。周縁層は、横の外周縁でのダイアフラム保持部６であることができ、ダイアフラム保持部６は、基板２と固定的に結合され得る。ダイアフラムにスペーサがあることができ（示されていない）、またはスペーサはなくすことができる。

図２は、本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構のダイアフラムの概略的な平面図を示している。
図２は、４つの長方形の領域へのダイアフラム４の分割の可能なレイアウトを示しており、そのうちの２つは測定領域ＭＢとして、およびそのうちの２つは基準領域ＲＢとして形成することができ、かつ周縁層３内のダイアフラム４より小さなベース面を有し得る。図２によれば、測定領域が、測定領域内では圧力ｐによって湾曲し得る自由にされたダイアフラムを有しており、かつ基準領域が、犠牲層または別の材料によって裏張りされ得ることにより、測定領域と基準領域が異なり得る。基準領域および測定領域での上側電極Ｅ１は、外部のコンタクトＡおよびＢによって接触でき（例えば導線として）、かつ周縁層３を介して導かれ得る。基準領域および測定領域での下側電極Ｅ２は、外部のコンタクトＣおよびＤによって接触でき、かつ周縁層３を介して導かれ得る。支持部５は、測定領域ＭＢを互いから、および基準領域ＲＢから分離でき、かつ周縁層３の２つの向かい合う側壁の間で、平行なラインに沿って走り得る。支持部は互いに対してそれぞれ１０μｍ～５０μｍの距離ｄを有し得る。両方の測定領域ＭＢは、直接的に互いに隣接することができ、かつ空洞Ｋを分け合うことができる。測定領域または基準領域のダイアフラム面は、例えばそれぞれ３００μｍ×８０μｍおよび１５μｍの範囲の半幅（Halbbreite）を含み得る。

図の下の部分には、センサ機構１の相応の側面図を示している。
図３は、本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構の回路図を示している。
測定領域ＭＢおよび基準領域ＲＢがホイートストンブリッジ内で相互に接続され得ることが有利である。このために、同数の測定領域ＭＢおよび基準領域ＲＢが存在しており、これらの領域がすべて、実質的に同じキャパシタンスを有し得ることが有利である。外部電極Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、例えば図２に相応しており、測定領域ＭＢおよび基準領域ＲＢの割当ても同様である。外部電極Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤならびに測定領域および基準領域ＭＢおよびＲＢによる接続は、下側の図で示したように、他のやり方でもよい。

図４は、本発明のさらなる１つの例示的実施形態によるセンサ機構の概略的な側面図を示している。
図４は、図３（下側または上側の図に従うような回路で）の配置の側面図を示しており、測定領域ＭＢはそれぞれ、例えばエッチング法に基づいて自由にされたダイアフラム４を含んでおり、かつ基準領域ＲＢは、ダイアフラムを自由にしないことができ、したがって実質的に、ダイアフラム４での、測定領域ＭＢを変位し得る圧力では動かないでいられる。外部電極Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、例えば図２に相応しており、測定領域ＭＢおよび基準領域ＲＢの割当ても同様である。２つの隣り合う測定領域ＭＢは、空洞の体積も分け合うことができ、その際、支持部５の間での結合が存在し得る（示されていない）。

ダイアフラムは、例えば３２０μｍ×８０μｍのベース面およびＳｉＲｉＮから成る層を含み得る。その代わりにダイアフラムは、シリコン、ポリＳｉ、またはその他の材料、例えばＳｉＮ、ＳｉＯとの組合せから成る少なくとも１つの層を含むこともできる。

図５は、本発明の１つの例示的実施形態によるダイアフラムの概略的な平面図および空洞の概略的な側面図を示している。
基準領域および測定領域ＭＢ内のダイアフラム４の別の区分けによれば、基準領域ＲＢは、測定領域ＭＢを横で、例えば全体的に取り囲み得る。ダイアフラム４の外側領域は、周辺層に接するまたは周縁層の外側のランドと結合していることができ、一般的に、ダイアフラムの中央の領域より少ししかたわむことができず、これにより、測定領域を横で取り囲む基準領域の配置は、ダイアフラム幾何形状に関係なく支持部によって可能であり得る（周りを取り囲むキャパシタンス領域が測定領域を囲み得る）。したがって支持部５は、基準領域ＲＢの機械的補強であり得る。支持部は、例えば２μｍ～２０μｍの直径を有することができ、かつ例えば丸いことができる。その代わりに支持部は、辺の長さが１μｍ～２０μｍの範囲内の直方体または長方形（平面図）を含むこともできる。支持部はその内部に、酸化物から成るコアを含み、かつこのコアを被覆することができる。支持部の例示的な直径が２μｍの一重に充填された支持部または支持部の例示的な直径が８μｍの二重に充填された支持部。基準領域ＲＢは、測定領域とは異なるキャパシタンスを有することもできる。図５では上の領域で、測定領域ＭＢと周縁層３の結合を示している。これに関し、結合は電極のレベルだけであってよく、ダイアフラムとしての基準領域は、それでもなお電極の上で測定領域を全体的に取り囲み得る（示していない）。図５の下の領域は圧力センサ機構１の側断面図を示しており、この側断面図では、支持部５が基準領域ＲＢと測定領域ＭＢを互いから分離し得る。この場合、周縁層３は、空洞および基準領域に、横で外側へとつながり得る（下側の図では示されていない）。基準領域ＲＢ内および測定領域内ではそれぞれ、基板２に下側電極Ｅ２が、およびダイアフラム４に上側電極Ｅ１が配置され得る。この場合にも、空洞Ｋ内で有利には密閉封入された体積が拡大され得る。しかしダイアフラムの外側の周縁層も空洞を有し得る。よってこの場合にも、封入された圧力の、ガス放出に対する安定性に関するまたは温度変化に対する安定性についての利点が達成され得る。

図６は、本発明の１つの例示的実施形態によるセンサ機構の製造方法の概略的なブロック図を示している。
センサ機構（有利には圧力センサ機構）の製造方法では、周縁層を備えた基板の提供Ｓ１が行われ、この周縁層は基板の上に配置され、かつ周縁層が基板上の内部領域を横で縁取り；内部領域内の基板の上での支持部の配置Ｓ２が行われ、この支持部は基板上の少なくとも１つの測定領域および少なくとも１つの基準領域を定義し、かつ互いから分離し；ダイアフラムの周縁層および支持部での配置Ｓ３が行われ、これによりダイアフラムは、周縁層で係止され、かつ内部領域の上に張られ、かつ覆われた空洞が内部領域内でダイアフラムと基板の間に形成され、かつ支持部によりダイアフラムが、圧力（力の作用）によって動く少なくとも１つの測定領域と圧力によって動かない少なくとも１つの基準領域に分離される。

本発明を好ましい例示的実施形態に基づいて上で全体的に説明してきたが、本発明は、この例示的実施形態に限定されるのではなく、多種多様なやり方で改変可能である。

Claims (9)

1. － 基板（２）および前記基板（２）の上に配置されており、かつ前記基板（２）上の内部領域（ＩＢ）を横で縁取っている周縁層（３）と、
   － 前記内部領域（ＩＢ）の上に張られており、かつ前記基板（２）上の覆われた空洞（Ｋ）を形成している少なくとも１つのダイアフラム（４）と、
   － 前記空洞（Ｋ）内で前記基板（２）と前記ダイアフラム（４）の間に配置されている少なくとも１つの支持部（５）と、を含んでおり、かつ前記ダイアフラム（４）が前記周縁層（３）および前記少なくとも１つの支持部（５）に固定されており、前記支持部（５）が前記ダイアフラム（４）を、力の作用（ｐ）によって動く少なくとも１つの測定領域（ＭＢ）と前記力の作用（ｐ）によって動かない少なくとも１つの基準領域（ＲＢ）に分離し、かつ前記基板（２）および前記ダイアフラム（４）が、前記空洞（Ｋ）内に、前記測定領域（ＭＢ）および基準領域（ＲＢ）内で互いに向き合う電極（Ｅ１；Ｅ２）を含んでおり、
   前記ダイアフラム（４）が、複数の長方形の、多角形の、または丸い測定領域（ＭＢ）を含んでおり、
   前記ダイアフラム（４）が、相互にホイートストンブリッジとして接続されている同数の測定領域（ＭＢ）および基準領域（ＲＢ）を含んでおり、
   前記支持部（５）が、前記測定領域（ＭＢ）の少なくとも１つを全体的に、および互いに対して１μｍ～１０μｍのそれぞれの間隔（ｄ）をあけて取り囲んでいる、マイクロメカニカルセンサ機構（１）。
2. 前記基板（２）に対して垂直の方向から見た場合の前記支持部（５）の形状が、丸い形状、正方形、長方形、または多角形である、請求項１に記載のセンサ機構（１）。
3. 前記周縁層（３）および／または前記支持部（５）が前記ダイアフラム（４）と同じ材料を含んでいる、請求項１または２に記載のセンサ機構（１）。
4. 前記周縁層（３）および／または前記支持部（５）が酸化物で充填されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ機構（１）。
5. 少なくとも１つの基準領域（ＲＢ）が前記少なくとも１つの測定領域（ＭＢ）を横で取り囲んでいる、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ機構（１）。
6. 圧力センサとして実施されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ機構（１）。
7. － 周縁層（３）を備えた基板（２）を提供し（Ｓ１）、前記周縁層（３）が前記基板（２）の上に配置され、かつ前記周縁層（３）が前記基板（２）上の内部領域（ＩＢ）を横で縁取るステップと、
   － 前記内部領域（ＩＢ）内の前記基板（２）の上に少なくとも１つの支持部（５）を配置し（Ｓ２）、前記少なくとも１つの支持部（５）が前記基板（２）上の少なくとも１つの測定領域（ＭＢ）および少なくとも１つの基準領域（ＲＢ）を定義し、かつ互いから分離するステップと、
   － ダイアフラム（４）を前記周縁層（３）および前記支持部（５）に配置し（Ｓ３）、これにより前記ダイアフラム（４）が、前記周縁層（３）および／または前記支持部（５）に固定され、かつ前記内部領域（ＩＢ）の上に張られ、かつ覆われた空洞（Ｋ）が前記内部領域（ＩＢ）内で前記ダイアフラム（４）と前記基板（２）の間に形成され、かつ前記支持部（５）により前記ダイアフラム（４）が、力の作用（ｐ）によって動く少なくとも１つの測定領域（ＭＢ）と前記力の作用（ｐ）によって動かない少なくとも１つの基準領域（ＲＢ）に分離されるステップと、を含み、
   前記基板（２）および前記ダイアフラム（４）の、前記測定領域（ＭＢ）および基準領域（ＲＢ）内で互いに向き合う電極（Ｅ１、Ｅ２）が含まれ、
   前記ダイアフラム（４）の複数の長方形の、多角形の、または丸い測定領域（ＭＢ）が含まれ、かつ
   前記ダイアフラムの、同数の相互にホイートストンブリッジとして接続されている測定領域（ＭＢ）および基準領域（ＲＢ）が含まれ、
   前記支持部（５）が、前記測定領域（ＭＢ）の少なくとも１つを全体的に、および互いに対して１μｍ～１０μｍのそれぞれの間隔（ｄ）をあけて取り囲んでいる、マイクロメカニカルセンサ機構（１）の製造方法。
8. 前記空洞（Ｋ）がガスで満たされ、または真空が生成される、請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも１つの測定領域（ＭＢ）が、別の１つの測定領域（ＭＢ）より大きな厚さで成形される、請求項７または８に記載の方法。

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