JPH08504032A - 測定装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ファブリ−ペロ共振器タイプの測定装置の製造方法に関する。また本発明は、その方法を用いて製造された測定装置にも関する。この測定装置は、特に、エンジンシリンダ内部の圧力測定用に考案されており、空洞（６）、第一の部分（２）、および第二の部分（３）を備えており、かつ、この空洞（６）はこれら二つの部分によって挟まれる。少なくとも、シリコンから成る第一の部分（２）は、熱酸化によって形成された二酸化シリコンから成るスペーサ層（４）を支えている。エッチングによって部分的に除去されるこのスペーサ層（４）は、直接接合（ＳＤＢ）として知られている技術を用いて第二の部分（３）に結合される。

Description

【発明の詳細な説明】 測定装置の製造方法 本発明は、添付の請求の範囲１の前提部に規定している種類の測定装置の製造 方法に関する。本発明はまた、この方法に従って製造される測定装置にも関する 。 本発明による装置は、主として燃焼式エンジンシリンダ内の圧力の測定に適用 される。エンジンの効率を最適化するためには、シリンダ圧縮室内の排気ガスの 圧力を瞬時に測定できることが望ましい。自動車の現存する点火システムおよび 撚焼噴射システムに、このような目的で考案された装置を備え付けることは利益 のあることであり、適切な構造を有する電子的手段を援用すれば、結果的に、燃 焼噴射条件のより慎重な制御が可能になり、より有利な燃焼プロセスが可能にな る。したがって、発火点のさらなる最適化とより完全な燃料燃焼の達成が可能に なり、それに伴ってエンジンの効率も必然的に改善されることになる。 シリンダ内に位置づけられた圧力センサは、高圧・高温、および深刻な電気的 妨害に代表される特に極限的な環境条件に曝される。それに加えて、このような タイプの圧力センサは、製造プロセスとの関連上、連続的に大量に製造される多 数の自動車に備え付けられることがあり、したがって、自動車の電気システムの 一構成要素として内蔵されることがある。したがって、このような種類の圧力セ ンサは、その製造プロセスにおいて、正確さ、信頼性、とりわけ低い製造コスト お よび十分な再現性に関して厳しい要求に対応できるものでなければならない。 シリンダ内の環境条件を考慮すれば、電気諸量への直接変換に基づいて圧力を 測定することは困難である。一つの解決策としてファイバーオプティクスに基づ く方法がある。この方法によれば、センサ本体は主にシリコンから構成され、ま た、信号は圧力から機械的な量へと変換され、その量はさらに光ファイバーによ り伝えられる光学的な量へと変換される。このような方法によれば、測定上の諸 問題の解決に要求される利点が得られる。しかしながら、製造上・経済上の点か ら受け入れられるコストであり、かつ上記環境条件に耐えられるセンサは、今日 に至るまでなかった。 このような分野に関連する装置としては、周囲の圧力によってセンサ内に形成 されている空洞の厚さが影響を受け、また、光ファイバーを通して入射光が空洞 の面に達した時に、その空洞の内面に光学干渉が発生するという原理に基づく圧 力センサがある。この方法は、一般にファブリ−ペロ共振器として知られている 種類の共振器の使用に基づいている。この特性をもつ圧力測定用のファイバーオ プティクスによる装置は、ドイツ特許明細書DE 3611852により公知である。この 従来技術による装置は、光ファイバーの端部に位置づけられるファブリ−ペロ共 振器を備えている。ファイバーに与えられた光信号は、ファブリ−ペロ共振器に より反射され、その時の強度はこの共振器に影響を及ぼす圧力に応じて変化する 。 しかしこのドイツ特許による装置は、主に人体内の血圧測定用に考案されてい る。そのためこの装置は、比較的低い圧力、即ち１bar程度の圧力、および２０ 〜４０℃の範囲、即ち室温に近い範囲の温度で使用されるようにつくられている 。一方、燃焼式エンジンシリンダ内で測定される圧力は、通常の運転温度２５０ ℃において２００barに達する。したがって前述した製造効率の面の要求に加え て、この種のセンサは、材料、製造技術および信頼性の面についても困難な要求 に対応できなければならない。DE 3611852に開示されているセンサは、そのよう な要求に対応できていない。 前述の装置に固有な他の欠点としては、その装置が備えている光ファイバーを センサ本体へ取り付ける特性に関する欠点が挙げられる。センサ本体は、クラン ピング法によりファイバーに結合されることになっている。しかし、この固定法 も、接着などによるより永続的な固定法と同様、本発明の目指している種類の用 途のために考案された装置が満たすべき要求を達成するには、圧力および温度に 対して充分堅牢ではなく、これら条件に対して耐えうるものではない。さらに、 光ファイバーをセンサ本体に接着するために生じる接着剤の層が、センサ本体に 入射し、およびセンサ本体から出射する光線の光路に悪影響を与える。 本発明は、高圧・高温、かつ厳しい電気的妨害を受ける環境下で圧力を測定す る装置の製造方法に関する。さらに、本発明による装置は低コストで製造され、 据え付けることがで きる。これらの目的は、請求の範囲１および４の特徴部にその固有の特徴が規定 されている方法および装置によって達成される。 マウントまたは固定の問題は、本発明によれば、「シリコン直接接合」（Sili con Direct Bonding、以下ＳＤＢという）として知られる方法で解決される。こ の方法は、1986年以来（Lasky、Applied Physics Letters Vol. 48、78頁、1986 年）知られており、この方法によって、シリコンをシリコンに、シリコンを二酸 化シリコンに、また、二酸化シリコンを二酸化シリコンに接合することが可能に なる。この固有の接合法は、前述したいずれかの物質の組み合わせを用い、その 両方の物質を表面研磨して接触させることにより、７００℃〜１０００℃の温度 範囲で行われる（BengtssonおよびEngstrom、Journal of Applied Physics、Vol . 66、1231頁、1989年、およびJournal of Electrochemical Society、137、2297 頁、1990年）。このようにしてつくられた接合は、温度に対する耐力がきわめて 高い接合材料自体の強度に対応する抗張力を有する。 本発明によれば、ファイバーオプティクスによる圧力センサを機械的製造プロ セスにおいて製造することが可能になる。センサ本体がシリコンから作られるた め、プリント回路の製造で用いられる高度に発達したシリコン技術を、センサ本 体の一括製造にも有効に利用できる。 本発明の付随的性格および具体的な特徴は、従属する請求 の範囲、および添付の図面を参照して以下に述べる本発明のさまざまな実施態様 により明らかにする。 図１はファブリ−ペロ共振器の構成を示す図である。 図２は本発明による圧力センサを示す図である。 図３は、本発明による装置を援用して行われる測定により得られた結果の例を 示す図である。 図４および図５は、本発明の別の実施態様を示す図である。 図６は本発明の目的とする装置の製造方法を示す図である。 図７は、圧力測定システムを模式的に示す図である。 図８は、測定装置をエンジンシリンダにマウントするための可能な方法を示す 図である。 図１は、ファブリ−ペロ共振器の動作原理を示しており、この原理自体は公知 である。空洞１に入射した光は、その内部の両方の表面により反射される。空洞 １の幅ｄが入射光の半波長の倍数に等しい時（ｄ＝（λ／２）×ｎ、ここでｎ＝ ０、１、２、…）、共振が発生する。この場合は、空洞１から光は反射されない 。ｄの値を変動させることにより、反射光の強度は、幅ｄと光の波長との間の関 係に依存して、最大値および最小値の間で変動する。この原理は圧力測定の目的 に使用できる。なぜなら、ｄは空洞１の周辺の圧力ｐに依存すると仮定できるか らである。 図２は、本発明の好ましい実施態様を示している。二つの異なるシリコン部材 ２および３が、パターンをなして配列される二酸化シリコンの層４を用いて接合 される。このように して製造されたセンサ要素は、さらに、ＳＤＢ法を用いて光ファイバーの端部に 結合される。これらのシリコン部材の一方である２は、その面積のごく一部がシ リコンにより覆われているだけなので、接合後シリコン部材２および３の中間に は空洞６が形成され、その空洞６の幅ｄは、二酸化シリコンのコーティング４の 厚さによって決定される。もちろん、二酸化シリコンのコーティング４を他方の シリコン部材３に適用してもよいし、パターン化された二酸化シリコンを両方の シリコン部材２および３に適用してもよい。図２ａは結合前の装置を示しており 、一方、図２ｂは結合プロセス後の結果を示している。この空洞の幅ｄは非常に 重要であり、製造プロセスにおいて再現可能なセンサ本体を得るためには、干渉 する光の波長λの数分の１のオーダーの精度がなければならない。この理由によ り、二酸化シリコン層４は熱酸化によって得るのが望ましい。このプロセスは半 導体の技術分野では周知であり、二酸化シリコン層４の厚さを十分に正確に予測 するのに適している。また、シリコン表面に酸化物をパターン状に配置する方法 も、半導体の技術分野では日常的に行われていることであるので、パターン測定 に関しては極めて正確に行うことができる。ＳＤＢ法を用いた接合は、オーブン 内で１０００℃程度の温度で行われる。圧力感度は、二つのシリコン部材の一方 の２の厚さｂにより決定される。この厚さｂは、半導体の技術分野で用いられ確 立しているエッチング法により正確に決定できる。 図３は、図２に示す方法に基づいて製造されたセンサから得られた測定結果を 示している。この場合、光の波長λはおよそ１．４μｍであり、空洞６の幅も同 じ大きさである。したがって、圧力ｐ＝０の時に、ファイバー内部で反射された 光信号の最小値が示されており、およそ圧力ｐ＝４．５barのときに、最大値が 示されており、また、圧力が９barのときに空洞６の幅が半減し、再び共振が発 生する。このような種類のセンサは、０〜４barの圧力範囲内で用いるのが最も 適している。この圧力範囲は、シリコン部材２の厚さｂを修正することにより容 易に変更できる。 図２による圧力センサには、空洞６により形成される共振器の内側に用いられ る光をシリコン部材３に透過させることができなければならないという欠点があ る。このため使用可能な光の波長の範囲が制限される。光の透過を可能にするた めには、光の有する光子エネルギーがシリコンのバンドギャップよりも小さくな ければならない。言い換えれば、１．１μｍより大きい光の波長だけを使用でき る。しかし、このような波長範囲に対して商業的に利用可能な光源および検出器 は比較的高価である。この問題を避けるための一つの方法としては、用いる光の 浸透深さと同じオーダーの厚さを有するシリコン部材３を用いる方法がある。商 業的に利用可能なガリウム砒素からなる発光ダイオードの波長に対応する光の波 長０．９μｍについては、浸透深さはおよそ１０μｍである。この厚さのシリコ ン本体３を製造することは、利用可能なエ ッチング法を用いれば十分可能である。 本発明の別の実施態様によれば、より短い波長の光に対して透過性を有し、か つＳＤＢ法を用いた二酸化シリコンとの接合に適している別の物質をシリコン部 材３の代わりに用いて、この問題は解決される。このような種類の物質としては 、例えば、水晶またはサファイアが挙げられる。 図４はさらに別の解決法を示している。それによれば、二酸化シリコン層４を マウントしたシリコン本体２は、ＳＤＢ接合法を用いて光ファイバー５に直接結 合される。この場合、空洞６は光ファイバー５の表面とシリコン部材２の内部表 面との間に形成されるので、任意の波長の光に利用可能である。 可能なその他の実施態様によれば、熱酸化二酸化シリコン以外の物質が幅ｄを 決定する層として用いられる。例えば、化学的方法（化学蒸着法ＣＶＤとして知 られている方法）により設けられた二酸化シリコン、窒化シリコン、多結晶シリ コンまたは非晶質シリコンなどが挙げられる。これらすべての物質は半導体の技 術分野で周知である。 図５に示すように、別の実施態様によれば、シリコン部材７のかたまりに空洞 を直接形成することで空洞６の幅ｄの制御が可能である。この場合、シリコン部 材７は中間層（図２および図４の層４を参照）なしに光ファイバー５に直接結合 される。この実施態様によれば、空洞６は、図６より明らかな方法により製造さ れる。シリコンディスク８は酸化されて、そのディスクの全表面にわたって比較 的厚い二酸化シリコン の層を生成する。図６ａに示すように、標準的な半導体技術を用いて開口部１０ が二酸化シリコン内にエッチングされる。その後、ディスクはさらに熱酸化され る。すると、新たに二酸化シリコン層１１が開口部１０の内側に成長する（図６ ｂ）。シリコンの熱酸化によって、二酸化シリコンとシリコンとの間の界面が、 シリコンの当初の表面からある距離を隔てたところに形成される。その距離は二 酸化シリコン層１１のおよそ半分の厚さに対応する。二酸化シリコン層９はシリ コン表面の残りの部分の酸化を防止するマスクとして作用するので、二酸化シリ コン／シリコンの界面は、ディスクのそれ以外の部分の二酸化シリコン／シリコ ンの界面よりも、開口部１０においては深いレベルに位置することになる。ひき 続き、選択的に作用し、かつ酸化物のみをエッチングするエッチング剤（ＨＦな ど）を用いてディスクをエッチングすることにより、ピット１２を備えた純粋な シリコン表面が得られる。ピット１２の深さは、開口部１１において成長した酸 化物の厚さによって決定される（図６ｃ）。このようにして、隆起部１３がピッ ト１２の周囲に形成される。ピット１２の深さは前もって非常に精密に決定する ことができる。なぜなら、二酸化シリコン層の厚さを非常に正確に予測すること が可能であり、また、その深さは、図５による実施態様における空洞６と同様に 用いることができるからである。 さらに別の実施態様によれば、シリコン部材７（図５による）をシリコン部材 ３に接合することができる。それによっ て、このようにして製造されたセンサ本体は光ファイバー５の端部に結合される 。 図７は、上記センサ要素１８のいずれかを備えた圧力測定システムを模式的に 示している。このシステムは、電流源１５に接続された発光ダイオード１４のか たちをとる光源を備えている。この発光ダイオードは、分岐された光ファイバー １７の一つの枝１６に接続されている。ダイオード１４からの光は、上述のよう にファイバー中を伝送されセンサ要素１８に至り、その後、ファイバー１７を通 り再び伝送されて戻ってくる。戻ってくる光の一部は、感光部材２０に接続され ているファイバーの枝１９の中に入る。この部材２０は、フォトダイオードまた はフォトトランジスタでよい。部材２０は変調された光信号を検出し、それを電 気信号に変換する。変換された電気信号は増幅器２１によって増幅され、増幅器 の出力には電気信号Ｕ_outがあらわれる。ファイバーを通る戻ってくる光の強度 は、センサ要素１８にかかる圧力ｐに依存しているので、増幅器からの電気信号 Ｕ_outは、圧力ｐの尺度となる。反射されずにセンサ要素１８によって変調され る光もある。図３から明らかなように、光強度の変調部分は、少なくとも全光量 のおよそ４０％に達する。このため、圧力ｐがどのように変動しても、その圧力 は容易に検出できる。 圧力測定システム１３には、ファイバー１７の湾曲の結果生ずる強度の変動を 補償できる手段が備えられていない。しかし、必要な場合にはいつでも、例えば スウェーデン公開公 報SE 431259に開示されている先行技術の方法を用いてこのような補償測定を行 い、かつ測定システム１３に備え付けることができる。 明らかに、この測定増幅器は、自動車の現存する点火システムおよび／または 燃料噴射システムに接続することができ、あるいはそれと一体化することができ る。したがって、本発明による装置からの圧力信号をこれらのシステムのパラメ ータの一つとして使用できる。 図８は、燃焼エンジン２３の上部を示しており、このエンジン２３は、従来の 方法に従ってピストン２４、スパークプラグ２５ならびにバルブ２６および２７ を備えている。エンジン２３には電子式燃料噴射システムを備えることができる 。センサ要素１８は、その外側の端が燃焼室２８の壁２９と実質的に同じ高さに なるように、エンジン２３の燃焼室２８に隣接して配置される。この目的のため に、センサ要素１８およびそれに結合された光ファイバー５は、シリンダの壁２ ９に据え付けられたニップルボルト３０を用いてスルーホールの中に配置される 。センサ要素１８は、その大きさを非常に小さくして作ることができ、それによ って、スパークプラグおよびバルブなどの他のシリンダ引込要素の中のチャネル 、あるいはその要素に隣接しているチャネルの内側にこのセンサ要素を取り付け ることができる。 本発明によるセンサ要素は、例えば装置の中で二つ以上の領域について測定す る必要がある場合には、二つ以上の空洞 を備えることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年６月３日 【補正内容】請求の範囲 １．ファブリ−ペロ共振器タイプの空洞（６）、第一の部分（２）および第二の 部分（３）を備えた圧力測定用の装置の製造方法であって、該二つの部分（２、 ３）は、それらの間に該空洞（６）を挟んでおり、少なくとも該第一の部分（２ ）はシリコンから成り、該部分（２、３）の間にスペーサ部（４）が配置され、 該空洞（６）周囲の圧力（ｐ）が、該空洞（６）に光を向け、その後空洞（６） から戻ってくる光を検出することによって測定される装置を製造する方法であっ て、分子層を形成する方法を用い、該スペーサ部（４）を少なくとも該第一の部 分（２）に配置し、かつエッチング法によって該スペーサ部（４）の一部を除去 することによって該空洞が形成されることを特徴とし、かつ、「直接接合」（Si licon Direct Bonding(SDB)）として知られている方法を用いて該スペーサ部（ ４）が該第二の部分（３）に結合されることを特徴とする方法。 ２．前記第一の部分（２）が熱酸化され、それにより形成された二酸化シリコン 層がエッチングによって部分的に除去され、かつ、残りの二酸化シリコンの部分 （４）と前記第二の部分（３）との間に前記直接接合（ＳＤＢ）が行われること を特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記第一の部分（８）が熱酸化され、その後それにより形成された前記二酸 化シリコン層（９）の一部（１０）がエ ッチングによって除去され、該二酸化シリコン層（９）に設けられた該第一の部 分（８）に、少なくとも一つの隆起部（１３）が該第一の部分（８）に形成され る第二の熱酸化プロセスが施され、それにより形成された二酸化シリコン層（９ 、１１）がエッチングにより除去され、かつ、該隆起部（１３）と前記第二の部 分（３）との間に前記直接接合（ＳＤＢ）が行われることを特徴とする請求項１ に記載の方法。 ４．空洞（６）、第一の部分（２）および第二の部分（３）を備えており、該部 分（２、３）はその間に該空洞（６）を挟んでおり、かつ、少なくとも該第一の 部分（２）がシリコンから成る請求項１の方法によって製造された圧力測定用の 装置であって、分子層を形成する方法およびエッチング法を用いて製造されるス ペーサ部（４）とともに該第一の部分（２）が形成され、かつ「直接接合」（Si licon Di-rect Bonding(SDB)）として知られている方法を用いて該スペーサ部が 該第二の部分（３）に結合されることを特徴とする装置。 ５．前記第二の部分（５）が光ファイバーの端部であることを特徴とする請求項 ４に記載の測定装置。 ６．前記第二の部分が、可視光に対して透過性を有する物質から成ることを特徴 とする請求項４に記載の測定装置。 ７．前記第二の部分が、水晶、サファイア、あるいはその他の透明な物質から成 ることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。 ８．前記第二の部分が、直接接合（ＳＤＢ）を用いて光ファイバー（５）に結合 されるシリコン部材（３）から成ることを特徴とする請求項４に記載の測定装置 。 ９．前記第二の部分が、可視光に対して透明であり、かつ、直接接合（ＳＤＢ） を用いて光ファイバー（５）に結合されることを特徴とする請求項４に記載の測 定装置。 １０．前記第二の部分が水晶またはサファイアから成ることを特徴とする請求項 ９に記載の測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＺ， ＦＩ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＫ ，ＵＡ，ＵＳ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．空洞（６）、第一の部分（２）および第二の部分（３）を備えたファブリ− ペロ共振器タイプの測定装置の製造方法であって、該二つの部分により該空洞（ ６）が間に挟まれており、かつ、少なくとも該第一の部分（２）がシリコンから 成る製造方法であって、少なくとも該第一の部分（２）に該スペーサ部（４）を 、分子層を形成する方法およびエッチング法を用いて設けることによって該空洞 （６）が形成されること、および「直接接合」（Silicon Direct Bonding(SDB) ）として知られている接合技術を用いて該第二の部分（３）が該スペーサ部（４ ）に結合されることを特徴とする製造方法。 ２．前記第一の部分（２）が熱酸化され、それによって形成された二酸化シリコ ン層がエッチングによって部分的に除去されること、および残りの二酸化シリコ ンの部分（４）と前記第二の部分（３）との間に前記直接接合（ＳＤＢ）が行わ れることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記第一の部分（８）が熱酸化されること、その後それによって形成された 前記二酸化シリコン層（９）の一部（１０）がエッチングによって除去されるこ と、該二酸化シリコン層（９）に設けられた該第一の部分（８）に、少なくとも 一つの隆起部（１３）が該第一の部分（８）に形成される第二の熱酸化プロセス が施されること、それにより形成された二酸化シリコン層（９、１１）がエッチ ングにより除去され、 かつ該隆起部（１３）と前記第二の部分（３）との間に前記直接接合（ＳＤＢ） が行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ４．空洞（６）、第一の部分（２）および第二の部分（３）を備えており、該二 つの部分によって該空洞（６）が間に挟まれており、かつ、少なくとも該第一の 部分（２）がシリコンから成る請求項１の方法によって製造されたファブリ−ペ ロ共振器タイプの測定装置であって、分子層を形成する方法およびエッチング法 を用いて製造されるスペーサ部（４）とともに該第一の部分（２）が形成され、 かつ、「直接接合」（Silicon Direct Bonding(SDB)）として知られている方法 を用いて該スペーサ部が該第二の部分（３）に結合されることを特徴とする装置 。 ５．前記第二の部分（５）が光ファイバーの端部であることを特徴とする請求項 ４に記載の測定装置。 ６．前記第二の部分が、可視光に対して透過性を有する物質から成ることを特徴 とする請求項４に記載の測定装置。 ７．前記第二の部分が、水晶、サファイア、あるいはその他の透明な物質から成 ることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。 ８．前記第二の部分が、直接接合（ＳＤＢ）を用いて光ファイバー（５）に結合 されるシリコン部材（３）から成ることを特徴とする請求項４に記載の測定装置 。 ９．前記第二の部分が、可視光に対して透明であり、かつ、 直接接合（ＳＤＢ）を用いて光ファイバー（５）に結合されることを特徴とする 請求項４に記載の測定装置。 １０．前記第二の部分が水晶またはサファイアから成ることを特徴とする請求項 ９に記載の測定装置。