KR20070102502A - 압전 저항 스트레인 집중기 - Google Patents

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Abstract

기계적 동작을 전기 출력으로 변환하는 압전 저항 스트레인 집중기 및 집중기를 제조하는 방법이 제공된다. 장치는 기판 내의 갭을 연결(span)하는 압전 저항 스트레인 감지 소자를 포함하는 스트레인 감지 구조물을 포함한다. 스트레인 감지 구조물은 갭의 베이스에서 단면까지 연장하는 수직벽들을 가지며 역시 갭을 연결하는 스트레인 집중 구조물 상에 지지되며, 두 구조물들은 기판으로부터 에칭된다. 스트레인 감지 소자를 위한 스트레인 집중 지지의 구조물은 DRIE(deep reactive ion etch)에 의하여 제조된다. 스트레인 감지 구조물은 이전의 스트레인 게이지 구조물들에 비하여, 증가된 감도, 낮은 게이지 인자 및 버클링 및 파손에 대한 증가된 저항성을 갖는다. 스트레인 감지 구조물들 중 몇 개는 브리지 회로의 시퀀스로 연결될 수 있다.
압전 저항 스트레인 집중기, 스트레인 감지 구조물, 수직 벽, DRIE,

Description

압전 저항 스트레인 집중기{PIEZORESISTIVE STRAIN CONCENTRATOR}
압력 및 가속도 센서들에서는, 매개물로부터 흡수된 비교적 적은 양의 에너지로부터 비교적 큰 신호 전력을 발생시키는 것이 요망된다. 이는 원하는 출력 신호를 생성하는데 필요한 기계적 에너지를 최소화시키는 것이다. 압력 센서에서는, 압력이 다이어프렘(diaphragm)을 편향시킴에 따라 매개물로부터 에너지가 흡수된다. 일반적으로, 바는 중심에서 깊게 노치되어(notched) 있고 그 단부는 다이어프렘을 가로질러 배치된다. 노치된 바닥들의 반대측 평면상에 게이지들이 배치된다. 벤딩바(bending bar)의 스트레인은 노치들의 바닥에 집중된다. 가속도 센서들에서, 지진 질량(seismic mass)이 그 기준 프레임에 대하여 편향됨에 따라 가속도 필드로부터 에너지가 흡수된다. 예를 들면, 사용되는 구조물은 탄성 힌지(elastic hinge)위에 기판이 없이 에칭되는 게이지들(소위 "자유로와진 게이지(freed-gage)")을 특징으로 한다. 힌지가 횡단 부하(transverse load)를 운반하고 게이지들이 힌지의 외측면들보다 벤딩 중심축으로부터 더 멀리 있는 경우 게이지들은 가장 크게 스트레인된 재료가 된다. 가속도 및 압력 센서 둘 다에서, 효율은 작은 물리적 크기를 통하여 높은 감도를 허용한다는 점에서 효율성이 있다.
스트레인된 표면의 큰 필드를 생성하고 보다 스트레인된 영역들에 편리한 크기의 스트레인 게이지들을 배치하기 위하여 트랜스듀서의 제조자들에 의한 공통의 접근이 있어왔다. 또한, 압전 저항들에 스트레인을 집중시키기 위한 구조물 수단이 이용되었다. 압전 저항 센서들에서, 전류에 의하여 발생된 하나 이상의 스트레인 감지 저항들의 저항을 변화시킴으로써 신호가 생성된다. 따라서, 게이지들이 임베드된 간단한 평면 다이어프렘 압력 센서에서, 주위부의 대부분과 중심부의 넓은 영역은 게이지들에서 신호를 제공하는데 필요한 스트레인의 상태가 된다. 게이지들은 가장 높은 스트레인의 영역에 배치되지만, 스트레인 에너지의 대부분은 스트레인 게이지들이 부족한 중심 영역들 및 주변부내에 확장된다.
자유로와진 게이지 구조물에서 오직 압전 저항 재료만이 풀 레벨의 스트레인을 알 수 있으며, 힌지 및 힘을 모으는 구조물들은 보다 적게 스트레인된다. 자유로와진 스트레인 게이지는 이전의 스트레인 게이지들에 비하여 향상되었지만, 여전히 스트레인을 검출하기에 최적의 구조물은 아니다. 제조 공차(manufacturing tolerances)는 자유로와진 게이지 상에 최소 단면을 부과하므로, 요구된 신호 전력에 대하여, 재료의 일부 최소량이 스트레인되어야 한다. 제조 프로세스는 또한 자유로와진 게이지내의 저항률(resistivity)에 상한을 부과하며, 이것은 게이지 인자(gage factor), 즉 게이지의 감도를 제한한다. 또한, 열소모는 장치의 길이를 제한하므로, 필요한 저항을 제공하는데 충분한 전체 길이가 존재할 때까지 힌지 위의 갭에 걸쳐 전후로 게이지가 스티치되어야(stitched back and forth) 한다. 따라서, 자유로와진 게이지 구조물의 결점을 극복하는 스트레스 집중 구조물(stress concentrating structure)에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
발명의 개요
본 발명은 적어도 두개의 상대적인 가동부들(relatively movable parts)의 기계적 동작을 감지하고 그 동작을 전기 출력으로 변환시키는 장치에서 사용하기 위한 스트레인 감지 소자에 관한 것이다. 상기 장치는 실리콘 결정 재료로 이루어진 기판을 포함한다. 기판은 그 일부에 걸쳐 연장하는 갭 및 갭에 걸쳐 연장하는 단면을 포함하여, 상대적인 가동부들을 규정한다. 적어도 하나의 스트레인 감지 소자가 실리콘 기판상에 제공되어, 두 개의 단부들 및 갭에 걸쳐 연장하는 목 부분을 갖는다. 스트레인 감지 소자의 목 부분은 역시 갭에 걸쳐 연장하는 스트레인 집중 구조물 상에 지지된다. 스트레인 집중 구조물은 갭의 베이스에서의 단면까지 연장하는 수직벽들을 구비하며 기판과 동일한 재료로 만들어진다. 목 부분(neck portion)이 기판부들의 상대적인 동작으로부터 발생되는 스트레인 감지 소자를 통과하는 전류의 방향의 스트레스를 받는 경우, 단부들 사이의 전기 저항의 변화를 감지하기 위하여 단부들에 전기적으로 접속된 전극 수단이 제공된다. 일 실시예에서, 실리콘 기판은 (110)면에서 배향되며 n형 불순물을 포함하며 스트레인 감지 소자는 [111] 방향으로 배향되고 p형 불순물을 포함한다. 다른 실시예에서, 실리콘 기판은 (100)면에서 배향되고 p형 불순물을 포함하며 스트레인 감지 소자는 [001] 방향으로 정렬되고 n형 불순물을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서는, 직렬로 연결된 적어도 두개의 스트레인 감지 소자들이 실리콘 기판상에 제공되며, 적어도 두 개의 상대적인 가동부들의 기계적 동작을 감지하고 그 동작을 전기 출력으로 변환하는 장치의 대응하는 스트레인 집중 구조물들에 의하여 지지된다. 다른 실시예에서, 직렬로 연결된 6개의 스트레인 감 지 소자들이 실리콘 기판 상에 제공되며 대응하는 스트레인 집중 구조물들에 의하여 지지된다. 스트레인 감지 소자들은 고농도로 도핑되며 작은 단면 폭을 갖는다.
다른 실시예에서, 본 발명의 장치는 (110) 평면에서 배향된 n형 반도체 재료로부터 도출된 실리콘 기판으로부터 만들어진다. 기판의 한 표면은 트리플-보스된(triple-bossed) 다이어프렘을 포함한다. 기판의 다른 표면은 상대적인 가동부들 및 유연한 단면을 규정하는 기판의 일부에 걸쳐 연장하는 4개의 갭들을 포함한다. 상기 갭들 주위의 실리콘 기판상에 4개의 스트레인 감지 소자 쌍들이 제공되며, 각각의 스트레인 감지 소자는 상기 갭에 걸쳐 연장하는 중간 목 부분에 의하여 상호연결된 2개의 단부들을 갖는다. 각각의 목 부분은 기판과 동일한 재료로부터 도출되고 상기 갭의 베이스에서의 단면으로 연장하는 수직벽들을 갖는 상기 갭에 걸쳐 연장하는 대응하는 스트레인 집중 구조물상에 지지된다. p형 반도체 재료로부터 도출되고 [111] 방향으로 배향된 4개의 스트레인 감지 소자 쌍들이 브리지 회로로서 연결된다. 바람직한 일 실시예에서, 브리지 회로는 휘트스톤 브리지 회로이다. 스트레인 감지 소자들을 통과하는, 기판 부분들의 상대적 동작으로 인하여 발생한 전류의 방향으로 목 부분들이 스트레스를 받는 경우 단부들 사이의 전기 저항의 변화를 검출하기 위하여 특히 단부에 전기적으로 연결된 전극 수단이 제공된다. 스트레인 감지 소자의 레벨에서 기판상의 절연된 크로스오버는 브리지 회로 시퀀스로 스트레인 감지 소자들을 연결하여 브리지의 인접 레그들이 스트레인의 반대되는 감각들을 갖는다.
다른 실시예에서, 장치는 기준 압력을 포착하는 기준 공동(reference cavity)을 포함하며, 유압을 측정하기 위한 카테터(catheter)상에 놓여지도록 적응된다.
본 발명은 또한 기계적 입력을 감지하고 적어도 두 개의 상대적인 가동부들의 기계적 동작을 전기 출력으로 변환하는 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 다이어프렘과 스트레인 감지 소자들이 제조되는 센서 웨이퍼 및 센서 웨이퍼의 기계적 강도를 위한 지지 웨이퍼를 제조하는 단계; 센서와 지지 웨이퍼들을 정렬 및 본딩하는 단계; 및 다이어프렘 및 스트레인 감지 소자 영역들을 DRIE(deep reactive ion etching)하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 센서 웨이퍼는 n형 불순물의 단일 실리콘 결정으로부터 만들어지고 주표면이 (110) 배향을 가지며, [111] 방향이 식별되고 양쪽 표면상에 열적으로 성장된 산화물을 갖는 두 개의 편평한 연마된 면들을 갖는다.
센서 웨이퍼를 제조하는 방법은, 센서 표면상의 도전 영역들에 p형 붕소를 고농도로 확산시키는 단계; 표면을 포토패터닝(photopatterning)하여 스트레인 감지 소자들로의 링크들을 오픈하는 단계; 표면에 오픈된 영역들을 통하여 스트레인 감지 소자들에 p형 붕소를 저농도로 확산시키는 단계; 및 스트레인 감지 소자들을 지지하는 구조물들 및 다이어프렘들을 형성하기 위하여 포토패터닝된 영역을 DRIE하는 단계를 포함한다.
본 발명의 전술된 및 다른 목적, 특징 및 장점은, 동일한 참조 부호들이 상이한 도면들에 걸쳐 동일한 부분들을 의미하는 첨부도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들의 이하의 보다 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
도 1a는 단일의 스트레인 감지 소자 및 스트레인 집중 지지 구조물이 기판 상에 묘사된 본 발명에 따른 압전 저항의 원근도.
도 1b는 장치의 고정된 측에 양쪽 전기 접속을 갖는 도 1a의 실시예의 원근도.
도 2는 직렬 연결된 두 개의 스트레인 감지 소자들 및 그들의 대응하는 스트레인 집중 지지 구조물들이 기판에 묘사되는 본 발명의 제2 실시예의 원근도.
도 3a는 4쌍의 스트레인 감지 소자들 및 그들의 대응하는 스트레인 집중 지지 구조물들이, 기판을 연결하고 브리지 회로로 연결되는 4개의 갭들에 걸쳐서 각각 연장하는 본 발명의 제3 실시예의 원근도.
도 3b는 3B 라인을 따른 도 3a의 실시예의 측단면도.
도 3c는 3C 라인을 따른 도 3a의 실시예의 측단면도.
도 4a-4f는 센서 웨이퍼를 제조하는 순차 공정을 도시하는 원근도.
도 5a는 유압을 측정하는 압력 센서의 특징을 이루는 카테터(catheter)의 본 발명의 제4 실시예의 단면도.
도 5b는 도 5a의 실시예의 후부 단면을 도시하는 도면.
도 6은 직렬로 연결된 6개의 스트레인 감지 소자들 및 그들의 대응하는 스트레인 집중 지지 구조물들이 기판에 묘사되는 본 발명의 일 실시예의 측부 단면도.
본 발명의 바람직한 실시예의 설명이 후속된다. 도 1a를 참조하면, 상대적 가동형인(relatively movable) 기판 단부들(12 및 13)을 분리하는 갭(2)을 구비한 실리콘 기판(1)을 갖는, 본 발명을 나타내는, 압전 저항(piezoresistive) 장치(10)가 도시된다. 갭(2) 내부에는 갭(2)을 연결하는 유연한 단면(flexible cross-section, 3)이 규정된다. 도 1a에서 알 수 있는 바와 같이, 스트레인 감지 소자(14)의 목 부분(4)은 스트레인 집중 구조물(5)상에 지지되어, 갭(2) 위에서 연장한다. 스트레인 감지 소자(14)는 p-n 접합에 의하여 기판의 벌크로부터 분리된다. 스트레인 감지 소자(14)는 약 2 마이크로미터와 같은 적절한 깊이까지 예를 들면, 붕소로 저농도 도핑될 수 있다. 스트레인 감지 소자(14)의 목 부분(4)은 각각의 단부에서 전기 패드(6 및 9)에 연결된다. 대안적으로, 도 1b에서는 양쪽 전기 접속들이 장치의 고정된 단부인, 기판 단부(12)상에 있다. 저항 접촉(7 및 11)은 각각 기판 단부(12 및 13)의 말단 근처에 있고, 그들 사이에 기판의 전도성(conductivity)을 갖는다. 기판의 가동형 단부인, 기판 단부(13)에는, 압전 저항(14)이 인접하는 저항 접촉(8)에 연결된다. 압전 저항(14)로의 기능적 접속들(functional connections)은 그 후 기판 단부(13) 상에서 저항 접촉들(11 및 8)이 된다.
이해되는 바와 같이, 유연한 단면(3)은 기판(1)에 평행한 탄력적 힌지(elastic hinge, 15)를 규정하고 가동형 기판 단부들(12 및 13)의 유연성의 방향을 결정한다. 기판(1)에 평면적으로 인가된 힘은 기판 단부들(12 및 13)이 단면(3)의 힌지(15)에 대해 서로에 대하여 기울어지게 하여, 스트레인 감지 소자(14)의 목 부분(4)에 전달되고 전기 패드(6 및 9)를 통하여 전기적으로 감지되는 스트레인을 스트레인 집중 구조물(5)에 생성한다. 특히, 목 부분이 상기 부분들의 상대적인 동작을 발생시키는 스트레인 감지 소자를 통과하는 전류 방향의 스트레스를 받을 때 전기 저항의 변화들이 검출된다.
도 2를 참조하여, 전술된 것과 유사한 방식으로 배치된 두 개의 스트레인 감지 소자들(23)을 갖는 압전 저항 장치(16)이 도시된다. 스트레인 감지 소자들(23)에 의해 연결된 갭(20)을 갖는 기판(17)은 탄력적 힌지(25)를 규정하는 유연한 단면(21)에 수직인 스트레인 집중 구조물들(24)에 의해 지지된다. 양쪽 스트레인 감지 소자들(23)은 약 2 마이크로미터의 깊이까지 저농도로 도핑될 수 있다. 이중 스트레인 감지 소자들(23)은 각각 기판 단부(18)상의 전기 패드(26) 및 기판 단부(19)상의 전기 패드(29)를 갖는다. 전기 패드들(26)은 그 위에 전기 접촉 단자들(27)을 갖는 한편 전기 패드(29)는 전기 접촉 단자(28)를 포함한다. 전기 접촉 단자(28 및 27)는 금속으로 이루어질 수 있다.
도 6은 6개의 스트레인 감지 소자들(75)로 도시되는 압전 저항 장치(73)의 단면을 도시한다. 각각의 스트레인 감지 소자는 대응하는 스트레인 집중 구조물(74)상에서 지지된다. 본 실시예에서, 스트레인 감지 소자들(75)은 대략 0.3 마이크로미터의 깊이까지 붕소로 고농도 도핑되어, 스트레인 감지 소자가 예를 들면, 약 4 마이크로미터의 매우 작은 단면 폭 C2를 갖게 하는 것이 바람직하다.
압전 저항 장치들(10, 16, 및 73)에서 실리콘 기판은 (110) 평면에서 배향되고 n형 불순물을 포함할 수 있으며, 스트레인 감지 소자는 [111]방향으로 정렬되고 p형 불순물을 포함할 수 있다. 대안적으로, 장치들의 실리콘 기판은 (100) 평면에서 배향되고 p형 불순물을 포함할 수 있으며, 스트레인 감지 소자는 [001] 방향으로 정렬되고 n형 불순물을 포함할 수 있다.
이제 도 3a-3c를 참조하여, 실리콘 기판(31)으로 만들어진 장치에 의해 예시된 압전 저항 스트레스 집중기(30)가 도시된다. 기능적으로, 스트레인 집중기(30)는 압력 센서에 통합되어 있는 도 2에 도시된 유형의 4개의 스트레스 집중기들을 포함한다. 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 기판(31)의 일 측에는 트리플-보스된(triple-bossed) 다이어프렘(50)이 새겨지며, 이것은 중심 보스(central boss, 33) 및 두 개의 외측 보스들(34 및 35)을 포함한다. 4개의 갭들이 기판(31)의 일 부분에 걸쳐 연장하여, 외측 갭(36)은 외측 보스(35)의 외부에 있고, 내측 갭(37)은 외측 보스(35)와 중심 보스(33) 사이에 있고, 내측 갭(38)은 중심 보스(33)와 외측 보스(34) 사이에 있으며 외측 갭(39)은 외측 보스(34)의 외부에 있다. 토션 바 도통 경로들(tortion bar conduction pates, 48)은 외측 보스들(34 및 35)를 따라, 다이어프렘(50)에 걸쳐 연장하는 림(rim, 32)상의 단자들까지 진행한다. 일 표면에 인가된 압력에 응하여, 다이어프렘(50)은, 중심 보스(33)가 림(32)에 평행한 면을 이동하고 외측 보스들(34 및 35)은 림(32)에 대하여 기울어지면서 편향될 것이다. 도 3a를 참조하여, 각각의 갭 내부에는 유연한 단면들(flexible cross-sections, 40)이 규정된다. 갭들(36, 37, 38 및 39) 주위의 기판(31)의 표면에는 각각 4개의 스트레인 감지 소자 쌍들(41, 42, 43 및 44)이 제공되며, 상기 쌍의 내부의 각각의 스트레인 감지 소자는 스트레스 집중 구조물(45)상에 지지된다. 각각의 스트레인 감지 소자는, 바람직하게는 입방 센티미터당 대략 3×1018의 레벨까지 붕소로 도핑될 수 있다. 스트레인 감지 소자 쌍들은 휘트스톤 브리지와 같은 전자 브리지 회로 시퀀스로 연결되며, 내측 스트레인 감지 소자들(42 및 43)은 토션 바 도통 경로(48)를 통하여 기판(31)의 코너들에서 단자들(47)에 연결되어 브리지의 이웃하는 레그들은 저항의 변화 및 스트레인의 반대 감각들(opposite senses)을 갖는다. 절연된 크로스오버(46)는 브리지 회로의 형성에 관련하는 경우 장치의 물리적 외형을 수용한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 트렌치들(49)은 도 3c에 도시된 두께 T1을 남기는 깊이까지 도통 경로의 양측에서 커트된다. 스트레스 집중기는 지지부에 접합되고 회로에 연결될 수 있거나, 또는 단자 표면에 적용된 단일의 복잡한 구조물(single complex structure)에 의하여 지지 및 접속 기능들이 제공될 수 있다.
압력이 평면에 인가되면, 다이어프렘의 보스들의 편향이 전술된 바와 같이 발생하여, 외측 스트레인 감지 소자들(41 및 44)이 압축되도록 하고 내측 스트레인 감지 소자들(42 및 43)이 스트레스되도록하며, 이것은 압전 저항 스트레인 감지 소자들이 저항의 변화로서 검출하는 기계적 동작이다. 밸런스된 브리지 회로에서, 편향(deflection)으로 인한 저항 변화는 브리지를 언밸런스시켜 전기출력 신호를 제공한다.
이제 도 4a-4f를 참조하여, 압전 저항 스트레스 집중기(30)의 센서 웨이퍼부를 제조하는 단계들의 시퀀스가 도시된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 단결정 n형 실리콘 기판(51)은 (110) 배향의 주면, [111] 방향의 두 개의 평탄 연마된 측부들(54)을 가지며 상부면 상의 열산화층(52) 및 하부면 상의 산화층(53)을 형성하였다. 일 실시예에서, 센서 웨이퍼의 전체 두께 변동은 약 2 마이크로미터이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 센서 표면에서 도체들로서 기능을 하게 될 영역들(53)에는 p형 붕소의 예비적인 고동도 확산이 이루어진다. 도 4c는 표면의 포토패터닝 및 스트레인 감지 소자들(56)상으로의 붕소의 저농도 확산을 위한 산화물의 오프닝을 도시한다. 일 실시예에서, 스트레인 감지 소자들(56)은, 스퀘어당 265 옴 및 약 1.1 마이크로미터의 깊이까지, 적어도 3×1018 붕소로 저농도 확산될(lightly diffused) 수 있다. 도 4d에서, 기판(51)의 표면은 스퍼터링된 알루미늄(60)으로 DRIE(deep reactive ion etching)에 대하여 마스크되며, 알루미늄에서 DRIE 패턴이 오픈되어 도통 경로(55)의 한쪽 측에 다이어프렘, 스트레인 감지 소자들(56)을 지지하는 스트레스 집중 구조물들(57), 유연한 단면부들(58) 및 트렌치들(59)을 형성한다. 기판(51)은 원래의 웨이퍼 두께의 약 28 퍼센트인 최종 깊이까지 DRIE로 에칭된다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 도 4d로부터 스퍼터링된 알루미늄(60)이 제거되고 얇은 산화물(61)이 표면에 성장된다. 도통 경로(62)가 포토패터닝되고 컨택트홀들이 산화물을 통하여 오픈된다. 도 4f에서, 약 0.7 마이크로미터의 깊이까지 기판(51)의 표면에 알루미늄(63)이 피착되고 상기 표면은 포토패터닝되어 전기적 트레이스들(65) 및 열압착 사이트들(thermocompression bonding sites, 64)을 규정한다.
기계적 강도 및 전기적 접속에 필요한 지지 웨이퍼가 또한 제조된다. 지지 웨이퍼는 n형 불순물의 단일 실리콘 결정을 포함한다. 완전한 압전 저항 장치를 형성하기 위하여, 센서 웨이퍼는 지지 웨이퍼와 정렬되며 두 웨이퍼들은 열압착 본딩된다.
도 5a 내지 5b를 참조하면, 압전 저항 압력 센서(72)를 이용하는 카테터(66)가 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 기준 압력 튜브(71)는 압력 센서(72)에 에폭시 밀봉된다(epoxy-sealed). 실리콘 엘라스토머(silicone elastomer, 69)는 또한 기준 튜브(71)에 압력 센서(72)를 밀봉한다. 은도금 구리 와이어(70)는 압력 센서(72)의 단자들에 연결된다. 압력 센서(72)의 표면은 탄탈륨의 박막으로 코팅될 수 있다. 지지 웨이퍼는 단자들을 위한 전기적 비아들 및 기준 튜브(71)를 위한 플러밍 비아(plumbing via) 모두를 제공하는 압력 센서(72)에 본딩될 수 있다.
전술된 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 본 발명은 기계적 동작을 감지하여 그 동작을 스트레인 감지 소자를 지지하는 스트레인 집중 구조물을 통하여 전기 출력으로 변환시키는 장치 및 그 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명은 몇 가지 방식들에 있어서 종래의 게이지 구조물들에 비하여 개선된다. 예를 들면, 스트레인 집중 지지 구조물 상에 스트레인 감지 소자가 지지되도록 하는 것은 저항률(resistivity)에 대한 프로세스 제한(process constraint)을 제거하여, 저항율이 스트레인 감지 소자의 적절한 열동작(thermal behavior)에 의하여만 제한되도록 한다. 지지된 스트레인 감지 소자는 자유로와진(freed) 게이지 구조물의 경우의 레벨의 10분의 1 이하에서 붕소로 도핑되어 스트레인에 대하여 보다 높은 감도를 발생시킬 수 있다. 자유로와진 게이지 구조물과 달리, 지지된 스트레인 감지 소자 상의 재료는 에칭에 저항할 필요가 없으므로, 높은 게이지 인자 및 저항과 게이지 인자의 매칭된 온도 계수들과 같은 보다 원하는 특성들에 대하여 선택될 수 있다. 따라서, 지지된 스트레인 감지 소자는 그 지지부에 의하여 방열되고(heat-sunk); 소자에서 발생된 저항열은 소자의 길이를 따라서 뿐만 아니라, 지지부 내로 내려가는 방향으로 운반된다. 최종적으로, 스트레인 감지 소자의 스트레인 집중 구조물은 압축 부하에서 자유로와진 게이지 구조물보다 버클링(buckling)에 대하여 보다 저항력이 있어서 파손이 적게 된다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 의하여 포함된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부사항들의 다양한 변화가 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (31)

  1. 기계적 입력을 감지하고 적어도 두 개의 상대적 가동부들(relatively movable parts)의 기계적 동작을 전기 출력으로 변환하는 장치로서,
    실리콘 기판;
    상기 상대적 가동부들을 규정하는 기판의 일부에 걸쳐 연장하는 갭, 및 상기 상대적 가동부들 사이에서 연장하는 유연한 단면부 - 상기 단면부는 상기 기판과 동일한 재료로 만들어짐 - ;
    상기 실리콘 기판의 표면에 제공된 적어도 하나의 스트레인 감지 소자 - 상기 스트레인 감지 소자는 중간의 목 부분에 의하여 상호 접속된 두 개의 단부들을 갖고, 상기 목 부분은 스트레인을 집중시키는 구조물들 상에서 지지되고, 상기 구조물들은 상기 갭에 걸쳐 연장하고 상기 갭의 단면부까지 연장하는 수직 벽들을 가지며 상기 구조물은 상기 기판과 동일한 재료로 만들어짐 - ; 및
    상기 목 부분이 상기 기판 부분들의 상대적 동작으로부터 발생한, 상기 스트레인 감지 소자를 통과하는 전류의 방향으로 스트레스를 받을 때, 상기 단부들 사이의 전기 저항의 변화를 감지하기 위하여 상기 단부들에 전기적으로 연결된 전극 수단
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 (110) 평면에서 배향되고 n형 불순물을 포함하며 상기 스트레인 감지 소자는 [111] 방향으로 정렬되고 p형 불순물을 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 (100) 평면에서 배향되고 p형 불순물을 포함하며 상기 스트레인 감지 소자는 [001] 방향으로 정렬되고 n형 불순물을 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단면부는 상기 기판에 평행한 탄성 힌지를 규정하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 상대적 가동부들은 상기 단면부의 탄성 힌지부에 대해 서로에 대하여 기울어지는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자는 약 2 마이크로미터의 깊이까지 저농도 도핑된 붕소를 포함하는 장치.
  7. 기계적 입력을 감지하고 적어도 두 개의 상대적 가동부들의 기계적 동작을 전기 출력으로 변환하는 장치로서,
    실리콘 기판;
    상기 상대적 가동부들을 규정하는 기판의 일부에 걸쳐 연장하는 갭, 및 상기 상대적 가동부들 사이에서 연장하는 유연한 단면부 - 상기 단면부는 상기 기판과 동일한 재료로 만들어짐 - ;
    직렬로 연결되어 상기 실리콘 기판의 표면에 제공된 적어도 두 개의 스트레인 감지 소자들 - 상기 스트레인 감지 소자들의 각각은 중간의 목 부분에 의하여 상호 접속된 두 개의 단부들을 갖고, 각각의 목 부분은 스트레인을 집중시키는 대응 구조물들 상에 지지되고, 상기 구조물들은 상기 갭에 걸쳐 연장하고 상기 갭의 단면부까지 연장하는 수직 벽들을 가지며 상기 구조물은 상기 기판과 동일한 재료로 만들어짐 - ; 및
    상기 목 부분들이 상기 기판 부분들의 상대적 동작으로부터 발생한, 상기 스트레인 감지 소자들을 통과하는 전류의 방향으로 스트레스를 받을 때, 상기 단부들 사이의 전기 저항의 변화를 감지하기 위하여 상기 단부들에 전기적으로 연결된 전극 수단
    을 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 (110) 평면에서 배향되고 n형 불순물을 포함하며 상기 스트레인 감지 소자들은 [111] 방향으로 정렬되고 p형 불순물을 포함하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 (100) 평면에서 배향되고 p형 불순물을 포함하며 상기 스트레인 감지 소자들은 [001] 방향으로 정렬되고 n형 불순물을 포 함하는 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 단면부는 상기 기판에 평행한 탄성 힌지를 규정하는 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 상대적 가동부들은 상기 단면부의 탄성 힌지부에 대해 서로에 대하여 기울어지는 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자 각각은 약 2 마이크로미터의 깊이까지 저농도 도핑된 붕소를 포함하는 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 표면 상에 직렬로 연결된 6개의 스트레인 감지 소자들이 제공되는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자 각각은 약 0.3 마이크로미터의 깊이까지 고농도로 도핑된 붕소를 포함하는 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자 각각은 약 4 마이크로미터의 작은 폭을 갖는 장치.
  16. 기계적 입력을 감지하고 적어도 두 개의 상대적 가동부들의 기계적 동작을 전기 출력으로 변환하는 장치로서,
    (110) 평면에서 배향된 n형 반도체 재료로부터 만들어진 실리콘 기판;
    상기 기판의 일 측에 새겨진 트리플-보스된(triple-bossed) 다이어프렘 - 상기 트리플-보스된 다이어프렘은 림, 상기 림에 걸쳐 연장하는 다이어프렘, 중심 보스, 및 상기 림의 내부와 상기 중심 보스의 한쪽 측 상의 두 개의 외측 보스들을 포함함 - ;
    상기 상대적 가동부들을 규정하는 기판의 일부에 걸쳐 연장하는 4개의 갭들, 및 상기 갭들 중 2개는 상기 외측 보스들의 외부에 위치되고 상기 갭들 중 2개는 중심 보스의 어느 한쪽 측 및 어느 한쪽의 외부 보스의 내부에 위치되도록 대응하는 갭들 사이에서 연장하는 유연한 단면부들;
    상기 갭들의 주위에서 상기 실리콘 기판의 표면 상에 제공된 4개의 스트레인 감지 소자쌍들 - 상 쌍들의 각각은 직렬로 연결된 두 개의 스트레인 감지 소자들을 포함하고, 상기 스트레인 감지 소자 각각은 중간의 목 부분에 의하여 상호 접속된 두 개의 단부들을 갖고, 상기 목 부분은 스트레인을 집중시키는 대응 구조물에서 지지되고, 상기 구조물은 상기 갭에 걸쳐 연장하며 상기 대응하는 갭 내의 단면부로 연장하는 수직벽들을 갖고, 상기 스트레인 감지 소자들은 p형 반도체 재료로부터 만들어지고 [111] 방향으로 배향되며, 상기 4개의 스트레인 감지 소자 쌍들은 브리지 회로로서 연결됨 - ; 및
    상기 목 부분들이 상기 기판 부분들의 상대적 동작으로부터 발생한, 상기 스 트레인 감지 소자들을 통과하는 전류의 방향으로 스트레스를 받을 때, 상기 단부들 사이의 전기 저항의 변화를 감지하기 위하여 상기 스트레인 감지 소자들의 상기 단부들에 전기적으로 연결된 전극 수단
    을 포함하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 단면부는 상기 기판에 평행한 탄성 힌지를 규정하는 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 상대적 가동부들은 상기 단면부의 탄성 힌지부에 대해 서로에 대하여 기울어지는 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자들이 브리지 회로 시퀀스로 상기 림의 코너들에서 단자들에 연결되어 상기 브리지의 이웃하는 레그들이 스트레인의 반대의 감각들을 가지도록 상기 기판에서 게이지 레벨의 절연된 크로스오버를 더 포함하는 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 기울어지는 보스로부터 상기 림 상의 단자들에 이르는 토션 바 도통 경로를 더 포함하는 장치.
  21. 제16항에 있어서, 기준 압력을 포착하기 위하여 열압착(thermocompression bonds)에 의해 밀봉된 단자 블록 내의 기준 공동(reference cavity)를 더 포함하는 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자들은 열압착에 의하여 표면 마운트 단자에 밀봉되는 장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자 각각은 입방 센티미터당 약 3×1018의 레벨까지 도핑된 붕소를 포함하는 장치.
  24. 제16항에 있어서, 유압을 측정하기 위한 카테터 상에 피착되도록 구성된 장치.
  25. 기계적 입력을 감지하고 적어도 두 개의 상대적 가동부들의 기계적 동작을 전기 신호로 변환시키는 장치를 제조하는 방법으로서,
    센서 웨이퍼 및 지지 웨이퍼를 제조하는 단계;
    다이어프렘들 및 스트레인 감지 소자들이 제조되는 감지 웨이퍼를 센서의 기계적 강도 및 그에 대한 전기적 접속을 위해 상기 지지 웨이퍼와 정렬시키는 단계;
    상기 정렬된 지지 웨이퍼 및 감지 웨이퍼들을 본딩하는 단계; 및
    상기 다이어프렘 및 스트레인 감지 소자 영역들을 DRIE(deep reactive ion etching)하는 단계
    를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 감지 웨이퍼는 n형 불순물을 포함하는 단일 실리콘 결정이며, [111]방향으로 식별된 (110) 배향을 갖는 주면을 갖고, 양쪽 표면들 상에 열성장된 산화물을 갖는 두 개이 편평한 연마 면들을 갖는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 센서 웨이퍼를 제조하는 단계는,
    센서 표면 상의 도전 영역들에 p형 붕소를 고농도로 확산시키는 단계;
    상기 표면을 포토패터닝하고 스트레인 감지 소자들로의 링크를 오픈하는 단계;
    상기 표면 상에 오픈된 영역들을 통하여 상기 스트레인 감지 소자들 위에 p형 붕소를 저농도로 확산시키는 단계; 및
    포토패터닝된 영역들을 DRIE하여 상기 다이어프렘들 및 상기 스트레인 감지 소자들을 지지하는 구조물들을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 웨이퍼의 전체 두께 변동은 약 2 마이크로미터인 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 스트레인 감지 소자들은 약 1.1 마이크로미터 깊이 및 스퀘어당 265 옴까지, 대략 3×1018 붕소로 확산되는 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 실리콘은 상기 웨이퍼 두께의 약 28 퍼센트인 최종 잔존물까지 DRIE로 에칭되는 방법.
  31. 제27항에 있어서, 약 0.7 마이크로미터의 두께로 상기 센서 표면 상에 알루미늄이 피착되고 상기 표면은 전기적 트레이스들 및 열압착 본딩 사이트들로 포토패터닝되는 방법.
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