JPH04233280A - 圧力マイクロセンサ - Google Patents

圧力マイクロセンサ

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JPH04233280A
JPH04233280A JP3179571A JP17957191A JPH04233280A JP H04233280 A JPH04233280 A JP H04233280A JP 3179571 A JP3179571 A JP 3179571A JP 17957191 A JP17957191 A JP 17957191A JP H04233280 A JPH04233280 A JP H04233280A
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JP
Japan
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silicon
frame
diaphragm
plates
stud
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Pending
Application number
JP3179571A
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English (en)
Inventor
Isabelle Thomas
イザベル・トーマス
Pierre O Lefort
ピエール・オリビエ・ルフォール
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Thales Avionics SAS
Original Assignee
Thales Avionics SAS
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0019—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】この発明はダイヤフラムおよび振動ビー
ム圧力マイクロセンサに関し、さらに特定的に半導体構
成要素を製造するために近年開発されてきたシリコンエ
ッチング技術を使用することによって、感応素子が本質
的に得られるようなマイクロセンサに関する。
【０００２】この型のセンサは当該技術分野において既
知であるが、一般に様々な欠点を有する。特にそれらは
しばしば製造するのが困難であり、かつ接続するのが困
難である。
【０００３】したがって、活性シリコン素子を有する新
しい圧力マイクロセンサ構造を提供することはこの発明
の目的である。
【０００４】この発明の他の目的は製造するのに単純な
ような構造を提供することである。この発明の他の目的
は活性部分と外部とを接続することが特に単純であるよ
うな構造を提供することである。
【０００５】
【発明の概要】これらの目的を達成するために、この発
明は絶縁材料からなる２つのプレートの間に以下のもの
を含む圧力マイクロセンサを提供する、つまりベースを
形成する底シリコンプレートと、フレームによって取囲
まれるダイヤフラムを構成する中間シリコンプレートと
を含み、スタッドの第１の部分がダイヤフラムの偏心化
された位置に形成され、さらに中間プレートのフレーム
に対応するフレームを含む頂上シリコンプレートとを含
み、前記スタッドの第２の部分とシリコンブレードはス
タッドの頂上をフレームの高い領域に接続させる共振器
を構成する。測定間隔はダイヤフラムと底プレートとの
間に設けられ、この間隔はアクセスを含み、かつ２つの
絶縁プレートは３つのアセンブルされたシリコンプレー
トの境界と協働して閉の空洞を形成する。
【０００６】この発明の実施例に従って、シリコンプレ
ートは各々延長部によって中心部分に固定された外部フ
レームを含み、前記絶縁プレートは前記外部フレームの
まわりにシリコンプレートを取囲み、これらの絶縁プレ
ートとシリコンプレートの集団との間に自由な空間を残
す。
【０００７】この発明の実施例に従って、スタッドとフ
レームの別個の部分との間に共振器を形成して差動アセ
ンブリの達成を可能にする２枚のブレードが設けられる
。
【０００８】この発明の実施例に従って、スタッドは第
１の方向に従ってダイヤフラムの中心部分、および第１
の方向に直交する第２の方向に従ってダイヤフラムの長
さの３分の１のところに配置される。
【０００９】この発明の実施例に従って、スタッドは蝶
番を形成するダイヤフラムの畝によって中間シリコンプ
レートのフレームに固定される。
【００１０】この発明の実施例に従って、励起および検
波電極は共振器を形成する前記シリコンブレードに面す
る頂上絶縁プレートの底面上に形成され、かつこのブレ
ートを横断方向に励起するように形状される。
【００１１】この発明の第１の利点は製造の単純性にあ
り、それはシリコン構造が別個に製造および切断可能で
ある３つの部分によって構成されるという事実によるも
のである。シリコン対シリコン溶接方法によって一旦ア
センブルされると、３つのプレートのアセンブリはモノ
リシックな構造として作用する。
【００１２】この発明の他の利点は、３つのシリコンプ
レートからの製造によってエッチング停止瞬間を規定す
るためのオーバドープドシリコンゾーンを設けることが
必要ではないという事実に存在する。これによって、ド
ープドシリコン領域を含まない最終構造が機械的により
安定する。
【００１３】この発明の前述のおよび他の目的、特徴お
よび利点は添付の図面を参照することによって、特定の
実施例についての以下の説明でより詳細に説明されるで
あろう。
【００１４】これらの図面は概略図であり、かつ一定の
比例に応じて描かれていないので、単にこの発明の理解
を助けるための役割を有するだけであるということに注
目されるであろう。
【００１５】
【好ましい実施例の説明】図１の断面図で表わされるよ
うに、この発明に従うマイクロセンサは絶縁材料の２つ
のプレート、伝統的にガラス４および５の間にアセンブ
リされた３つのシリコンプレート１、２および３を含む
。これらのプレートはシリコン対シリコンおよびガラス
対シリコン溶接という従来の技術によって、たとえば陽
極溶接によってアセンブリされる。
【００１６】図２はアセンブリされたプレート１および
２の斜視図を表わす。プレート２はフレーム１２によっ
て取囲まれる薄いダイヤフラム１１を含む。第２および
第３のシリコンプレートはその間に第１の空洞１３を形
成し、これは第３のシリコンプレートおよび第２のガラ
スプレートの開口部１４を介して測定される圧力と連通
しがちである。したがって、空洞１３に印加される圧力
の関数で、ダイヤフラム１１は反る。このダイヤフラム
１１はスタッドの第１の偏心化した部分１５を支える。 第１のプレート１はスタッドの第２の相補部分１６を支
え、かつフレーム１２に相補的なフレーム１７を含む。 この圧力センサの検出素子は表わされるように第１のプ
レートで形成され、かつスタッドからフレームへ伸長す
るシリコンブレード１８である。
【００１７】したがって、ダイヤフラム１１が印加圧力
下で反るとき、スタッドは傾き、かつブレード１８の張
力は変化する。このブレード１８は振動するビームまた
は共振器を構成し、これらは頂上ガラスプレート４上に
形成される第１の電極２０に与えられる交番電界によっ
て振動に励起することが可能であり、かつその共振周波
数はプレート４上に形成される第２の電極２１によって
検出可能である。この共振周波数はビームに印加される
応力のイメージを構成し、それゆえに測定対象の圧力の
イメージを構成する。第３の電極２２は振動ビーム１８
の電圧を確立する。
【００１８】この発明の１つの局面に従って、かつ図２
および図３に示されるように、プレート１、２および３
の各々は、外部フレーム２５−１、２５−２、２５−３
を含み、それらは伸長部分２６−１、２６−２、２６−
３によってプレートの中央部分に取付けられる。結果と
して、センサの活性部分に対応する３つのプレート１、
２および３の中央部分はガラスプレートと直接の機械的
接続を有せず、それらは外部振動に対する、および熱変
動によって生じるシリコンとガラスとの間の差動拡張現
象に対する免疫をセンサに与える。
【００１９】ガラスプレート４および５ならびにシリコ
ンプレート１、２および３の外部フレーム２５は制御さ
れた大気で満たされた空洞を形成する。
【００２０】図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは３つのシリコン
プレート１、２および３の展開図を表わす。
【００２１】図３Ａおよび３Ｂのプレート１および２は
以前に詳細に説明されている。図３Ｃに示されるプレー
ト３は中央領域２７を含み、その境界は図３Ａおよび３
Ｂのフレーム１２および１７の境界に対応する。図３Ｃ
の実施例において、この中央部分２７の上部表面は平面
状である。これは図３Ｂのダイヤフラム１１はフレーム
１２の底表面に対して僅かに収縮し、図１に示される空
洞１３のための場所を残すことを意味する。代替例とし
て、部分的に切取られた領域２７の中央部分を提供する
こともできる。さらに、図３Ｃはシリコンの異方性のエ
ッチングを介して得られたチャネル２８を表わし、それ
はアクセス孔１４と空洞１３との間の連通を可能にする
。
【００２２】非制限的な例として、以下の寸法を有する
センサを提供することができる。 プレート１、２、３の高さ：０．３ｍｍプレート４およ
び５の高さ：０．５ｍｍブレード１８の高さ：０．０２
−０．０４ｍｍダイヤフラム１１の高さ：０．０３−０
．０６ｍｍブレード１８の長さ：０．８−２ｍｍ ダイヤフラムの寸法：２ｘ２ｍｍ２　 振動周波数：３０から２００ＫＨｚ 図４はプレート１および２の非常に概略の拡大された断
面図を表わし、伸長部分２６および外部フレーム２５は
除く。スタッド１５はダイヤフラムの長さの３分の１で
、かつこのダイヤフラムの幅のほぼ中間に位置づけられ
ることに注目されるであろう。
【００２３】図５は、図４と同じ表現に従って、差動セ
ンサの獲得を可能にするこの発明の実現代替例を例示す
る。スタッド１５−１６の右に位置づけられた図５の部
分は、図４の部分と同一である。左側で、プレート２の
フレーム１２は外部の方へ広がり、かつその外部部分上
で共振器１８−２を形成する第２のシリコンブレードに
よってスタッド１６に接続されるフレーム１７を受入れ
る。ブレード１８および１８−２はたとえば同じ長さで
あろう。したがって、スタッドが傾くとき、振動ビーム
１８および１８−２は反対の応力にさらされ、かつ２つ
のビームの２つの共振周波数の間の差を測定することに
よって、各々のビームのゼロ圧力時の周波数ドリフトの
ために結果としておこるエラーは回避される。これらの
ドリフトは原点としてマイクロセンサに対するあらゆる
外部影響を有する（温度、加速、など）。明らかに、頂
上プレート４はビーム１８−２の振動とビーム１８に関
連する電極を励起しかつ検出するために適した電極を含
む。
【００２４】図６はこの発明の他の代替例を例示する。 この図は外部フレーム２５が表わされなかったことを除
いては、図２の表示と類似の表示で頂上プレート１およ
び中間プレート２を表わす。図６の実施例と図２の実施
例との間の主要な違いは、プレート２の部分を形成する
スタッド１５の底部部分が、振動ビーム１８の方向に垂
直にフレーム１２に蝶番３２によって付着されていると
いう事実である。したがって、ダイヤフラム１１が圧力
によって反らされるとき、スタッド１５−１６は蝶番３
０に関してのみ回転し、ダイヤフラムに直交して移動し
ない。
【００２５】実験の示すところによれば、蝶番の存在は
センサの感応性とダイヤフラムの厚さとの間の依存性を
より少なくさせる。したがって、図６の代替の実施例に
おけるセンサの感応性はある製造パラメータに対する依
存性を克服する。
【００２６】図７はこの特徴を示す。この図において、
水平軸の値はダイヤフラムの厚さ（ｅ）をマイクロメー
タで表わし、垂直軸の値は感応性（Ｓ）を任意の大きさ
で表わす。１０ないし６０マイクロメータのダイヤフラ
ムの厚さの範囲で、感応性は蝶番がない（グラフＡ）場
合に変化の重要な要因となり、蝶番がある（グラフＢ）
図６の場合にずっと小さな要因となる。
【００２７】図８Ａおよび図８Ｂは振動ビーム１８の励
起に関連するこの発明の実施例を示すことを意図する。 実際に装置の感応性、特に共振器と他の感応素子との間
のよいデカップリングの獲得は、もしビーム１８がダイ
ヤフラムと直交する平面で振動する代わりに、ダイヤフ
ラムと平行な横断平面で振動すればよりよくなる。この
ことを達成するために、頂上ガラスプレート４上に形成
される電極２０および２１は図８Ａに示される横断する
振動を生じさせる形状を与えられることが可能である。
【００２８】図８Ｂは図８Ａの線Ｂ−Ｂに従って切取ら
れた断面図である。図８Ａで参照符２３はフレーム１７
上に形成されるメタライゼーション、伸長部２６−１お
よびフレーム２５−１を示し、これは図１に示される接
続部２２へのよりよい接触を確立するようになっている
。ビームでは伝導はシリコンそれ自体の導電率によって
確実にされる。しかしながら、付加的なメタライゼーシ
ョンは装置の動作に影響を及ぼしがちであるにもかかわ
らず、供給されることがある。ブレード１８はフレーム
上で（そして第２のスタッド上ではなく）終結するとい
う事実がその接続を容易にすることが注目に値するであ
ろう。
【００２９】前述のような構造の製造、特にプレート１
、２および３のエッチングは、半導体構成要素の従来の
製造方法によって達成される。エッチングは写真平板お
よび化学エッチング方法によって、従来どおり実現され
るであろう。この発明のセンサの比較的単純な形状は、
特定の問題点を生じさせない。
【００３０】当業者はこの発明は集合的な製造方法を利
用でき、プレート１、２および３の各々は非常に多数の
同一のプレートを含むシリコンウエーハの一部であるこ
とに気付くであろう。当業者はこの発明の製造および構
造におけるさまざまな修正が可能であることに気付くで
あろう。つまり共振器の形状は単純なブレードより複雑
であることが可能である。たとえば、この共振器には直
交の延長部を設けることができ、適合された電極が設け
られると、ねじり振動することが可能である。フレーム
上の付着点をずらすことによって、ダイヤフラム以上の
長さになることも可能である。装置の形状を、様々な圧
力範囲に最適化することも可能である。
【００３１】共振器の振動の検出は、容量性手段以外の
手段によっで達成可能であり、たとえば応力ゲージをビ
ームがフレームに固定されるエリアの近くに置くことに
よって達成される。
【００３２】ビームの励起はビーム上に伝導体を生成す
ることによる電磁力、ビームの一部上に圧電性物質を生
成することによる圧電性力または熱励起方法によるよう
な他の方法によって達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従う圧力マイクロセンサの実施例の
概略の断面図である。
【図２】図１のセンサの２つのプレートのアセンブリの
斜視図である。
【図３】３つのシリコンプレートの１つを表わす図であ
る。
【図４】３つのシリコンプレートの１つを表わす図であ
る。
【図５】３つのシリコンプレートの１つを表わす図であ
る。
【図６】図２の実施例に対応するプレートのうちの２つ
の単純化された断面図である。
【図７】図６に例示された構造の代替物の単純化された
断面図である。
【図８】図２に表された構造の代替物の斜視図である。
【図９】図２の実施例と図８の実施例との間の感応性差
を示すグラフである。
【図１０】Ａは電極構造の実施例を示す底面図である。 Ｂは電極構造の実施例を示す部分的断面図である。
【符号の説明】
１　　頂上シリコンプレート ２　　中間シリコンプレート ３　　底シリコンプレート ４　　絶縁プレート ５　　絶縁プレート １１　　ダイヤフラム

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　絶縁材料からなる２つのプレートの間
    に、ベースを形成する底シリコンプレート（３）と、フ
    レーム（１２）によって取囲まれるダイヤフラム（１１
    ）を構成する中間シリコンプレート（２）とを含み、ス
    タッドの第１の部分（１５）はダイヤフラムの偏心化さ
    れた位置で形成され、さらに中間プレートのフレームに
    対応するフレーム（１７）を含む頂上シリコンプレート
    （１）とを含み、前記スタッドの第２の部分（１６）と
    シリコンブレード（１８）はスタッドの頂上をフレーム
    の高い領域に接続させる共振器を構成し、測定間隔（１
    ０）はダイヤフラムと底プレートとの間に設けられ、こ
    の間隔はアクセス（１４、２８）を含み、かつ２つの絶
    縁プレート（４、５）は３つのアセンブリされたシリコ
    ンプレートの境界と協働して閉の空洞を形成する、圧力
    マイクロセンサ。
  2. 【請求項２】　　シリコンプレートは各々伸長部分によ
    ってその中央部分に固定される外部フレーム（２５）を
    含み、前記絶縁プレートはシリコンプレートを前記外部
    フレームのまわりに封じ込め、これらの絶縁プレートと
    シリコンプレートの集団との間に自由空間を残す、請求
    項１に記載のマイクロセンサ。
  3. 【請求項３】　　スタッドとフレームの別個の部分との
    間に共振器を形成して差動アセンブリの達成を可能にす
    る２つのブレード（１８、１８−２）を含む、請求項１
    に記載のマイクロセンサ。
  4. 【請求項４】　　スタッドは第１の方向に従うダイヤフ
    ラムの中央部分に、および第１の方向と直交する第２の
    部分に従うダイヤフラムの長さの３分１のところに配置
    される、請求項１に記載のマイクロセンサ。
  5. 【請求項５】　　スタッドは蝶番（３０）を形成するダ
    イヤフラムの畝によって中間シリコンプレートのフレー
    ムに固定される、請求項１に記載のマイクロセンサ。
  6. 【請求項６】　　励起および検波電極は共振器を形成す
    る前記シリコンブレードに面する頂上絶縁プレートの底
    面上に形成され、かつ横断方向にこのブレードを励起す
    るように形状される、請求項１に記載のマイクロセンサ
    。
JP3179571A 1990-07-20 1991-07-19 圧力マイクロセンサ Pending JPH04233280A (ja)

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FR9009468A FR2664979B1 (fr) 1990-07-20 1990-07-20 Micro-capteur de pression.
FR90/09468 1990-07-20

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JPH04233280A true JPH04233280A (ja) 1992-08-21

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EP (1) EP0467811B1 (ja)
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DE (1) DE69104430T2 (ja)
FR (1) FR2664979B1 (ja)

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