JP7101899B2 - Ｍｅｍｓセンサおよびｍｅｍｓセンサを動作させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、撓み可能に配置された機能層を含むＭＥＭＳセンサに関する。
さらに、本発明は、ＭＥＭＳセンサを動作させるための方法に関する。
本発明は、一般に、撓み可能に配置された機能層を有する任意のＭＥＭＳセンサに適用可能であるが、ＭＥＭＳ圧力センサを参照して述べる。

マイクロシステム技術で製造された圧力センサは、通常、シリコンから成るメンブレンを有し、メンブレンは、メンブレン表面の圧力が変化したときにメンブレンの撓みにより反応する。この撓み、またはそれに起因するメンブレン縁部の機械的応力を、ピエゾ抵抗器によって電気信号に変換することができる。例えば構造全体の膨張率による低温でのセンサ性能に対する悪影響を避けるために、センサの温度を特定の最低レベルまで上昇させることができる組込型のヒータを有する圧力センサが知られている。これらの圧力センサでは、追加のボンドパッドを介して接続される金属導体路または拡散型の半導体導体路内で、電流によりジュール熱が生成される。

一実施形態では、本発明は、撓み可能に配置された機能層と、機能層の撓みを電気信号に変換するための変換デバイスであって、少なくとも１つの電気素子を含む変換デバイスと、制御デバイスと、を含むＭＥＭＳセンサであって、少なくとも１つの電気素子が、第１の領域に少なくとも部分的に電気的に接続され、第１の領域が、第２の領域に少なくとも部分的に電気的に接続され、第１および第２の領域、ならびに／または第１の領域および少なくとも１つの電気素子が、逆方向および順方向で電気的に動作可能であり、制御デバイスが、少なくとも１つの電気素子および第１の領域、ならびに／または第１の領域および第２の領域を順方向で少なくとも部分的に動作させて、熱エネルギーを提供するように構成される、ＭＥＭＳセンサを提供する。

第１および第２の領域は、基板がドープされることによって基板の一部とすることができる。これにより、表面に近い第１および第２の領域を生成することができるが、より深い凹部も生成することができる。代替として、適切にドープされた面を基板に設けることで、これらの第１および第２の領域を画定することもできる。次いで、適切なドーピングによって、一方または両方の領域／凹部に少なくとも１つの電気および／または電子構成要素を導入することができる。したがって、ｎドープされた凹部にｐドープされたピエゾ抵抗器を導入することが考えられる。これにより、曲げによって生成されるピエゾ抵抗器での電流が、妨げなく基板に流れるのが防止される。

さらなる実施形態では、本発明は、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサを動作させる方法であって、制御デバイスによって、第１および第２の領域が、熱エネルギーを提供するために順方向に少なくとも部分的に動作される、方法を提供する。

これにより達成される利点の１つは、それによって別個の加熱デバイスが不要になり、したがって設置スペースを全体的に縮小することができることである。さらなる利点は、これにより製造コストを削減することができることである。

本発明のさらなる特徴、利点、およびさらなる実施形態は、以下の記述で述べる、または以下の記述により明らかになる。
有利な発展形態によれば、一方としての第１の領域および少なくとも１つの電気素子と、他方としての第１の領域および第２の領域とで、逆方向と順方向が逆である。この利点は、これにより、第１の領域から第２の領域へ、または第１の領域から少なくとも１つの電気素子への電流の流れが生じることであり、これは、一方では信号の読み出し、他方では加熱を行う簡単な動作を可能にする。

さらなる発展形態によれば、変換デバイスは、抵抗器の形での少なくとも４つの電気素子を有するホイートストンブリッジ回路を含む。これにより、機能層を撓ませるための電気信号を提供するための変換デバイスを簡単に提供することができる。

さらなる有利な発展形態によれば、電気抵抗器は、埋込型または拡散型のピエゾ抵抗器である。これにより達成される利点の１つは、これにより抵抗器がメンブレンと直接相互作用することができ、メンブレンの撓みが抵抗器によって直接検出可能であることである。

さらなる有利な発展形態によれば、制御デバイスは、第１および第２の領域を一時的に逆方向で、および一時的に順方向で動作させるように構成される。したがって、簡単に、一方では意図的に機能層の撓みのための電気信号を読み出すことができ、他方では、順方向でＭＥＭＳセンサに大電流を流すことができ、したがってＭＥＭＳセンサが加熱される。

さらなる有利な発展形態によれば、第１の領域が凹部の形状に形成され、凹部内に少なくとも１つの電気素子が配置され、特に、凹部と少なくとも１つの電気素子とが異なるドーピングを有する。このようにして、電流が変換デバイスを通って流れずに、少なくとも１つの電気素子から流出するのを避けることができる。これにより、効率およびセンサ性能が改善される。「凹部」は、特に、丸みが付いた隅を有する本質的に３次元の体積を意味し、体積は、第１の材料によって側面まで画定され、残りの部分は第２の材料で完全に埋められる。

さらなる有利な発展形態によれば、第１および／または第２の領域に、それぞれ複数の接点、特に貫通接点によって電圧を印加することができる。これにより達成される利点の１つは、それにより電流を２つの領域間の接合部の大きな断面積にわたって分散させることができることであり、これは、２つの領域間の接合部での抵抗を小さく保つことができるので、高い均一な電流の流れを可能にし、高い加熱を保証することができる。

さらに有利な発展形態によれば、撓み可能に配置された機能層が第１の領域内に配置される。このようにして、少なくとも１つの電気素子によって、機能層の撓みを電気信号に直接変換することができる。この点で、設置スペースが縮小される。

さらなる有利な発展形態によれば、少なくとも１つの追加の周囲要素が、特に追加の凹部の形状で配置され、少なくとも１つの追加の周囲要素が、第１の領域および第２の領域を少なくとも部分的に取り囲むように構成される。これにより、さらに多くの熱エネルギーの提供が可能になる。

さらなる有利な発展形態によれば、少なくとも１つの領域に関して少なくとも１つの追加の接点が配置され、前記制御デバイスが、順方向での第１および第２の領域の動作によって熱エネルギーを提供し、時間的に並行して、変換デバイスから電気信号を提供することができるように変換デバイスを動作させるように構成される。このようにして、センサ性能がさらに改善される。

さらなる有利な発展形態によれば、温度測定素子、特にダイオードが配置され、制御デバイスが、熱エネルギーの提供のために温度測定素子を動作させるように構成される。これにより、熱エネルギーの出力の正確な調整または制御が可能になる。

本発明のさらなる重要な特徴および利点は、従属請求項、図面、および図面に基づく関連の図説から明らかになる。
当然、上述および後述の特徴は、それぞれ提示した組合せだけでなく、他の組合せでも、または単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができることを理解されたい。

本発明の好ましい構成および実施形態は、図面に示され、本明細書で以下により詳細に説明され、同じ参照符号は、同一、同様、または機能的に同一の構成要素または要素を表す。

本発明の一実施形態によるＭＥＭＳセンサを示す図である。 本発明の一実施形態によるＭＥＭＳセンサを示す図である。 本発明の一実施形態によるＭＥＭＳセンサを示す図である。

図１は、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳセンサを示す。
詳細には、図１には、ＭＥＭＳセンサ１が上面図で示されている。ここで、ＭＥＭＳセンサ１は、基板（参照符号なし）を含む。基板には、第１の領域１０および第２の領域１１が配置される。ここで、第１および／または第２の領域は、表面に近いドープされた領域として、またはより深いドープされた凹部として、基板に直接提供することができる。ここでは、２つの領域が異なるドーピングを施されることが特に企図される。代替として、マスキングおよびドーピングの使用など従来のマイクロメカニクス的方法によって、第１および第２の領域を画定するための第１および第２の面が基板に設けられることも企図することができる。さらに、変換デバイス２が配置され、変換デバイス２は、ピエゾ抵抗器９を第１の領域１０に有し、対応する電気接点４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂを第２の領域１１に有するホイートストンブリッジ回路１６を備える。さらに、第２の領域１１には、温度センサダイオード８用の電気接点７も配置される。さらに、ホイートストンブリッジ回路１６の接点４ａ、４ｂは、制御デバイス５に接続される。さらに、本質的に正方形の面上に本質的にＬ字形に形成された第２の領域１１に、２つの接点６ａおよび６ｂが配置される。ここで、接点４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂは、対応するメタライゼーション経路を介して、ピエゾ抵抗器９ならびに第１および第２の領域１０、１１などに接続される。

第１の領域１０は、Ｌ字形の第２の領域１１の２つの辺の間に配置される。上述したように、第１の領域１０には、４つのｐドープされたピエゾ抵抗器９を有するホイートストンブリッジ回路１６が配置される。これらは、一方では、第２の領域１１に配置された電気信号を取り出すための接点６ａ、６ｂに接続され、他方では、同じく第２の領域１１に配置された２つの接点４ａ、４ｂに接続され、それらの接点４ａ、４ｂ間には制御デバイス５によって電圧を印加することができる。第１の領域１０は、ここでは凹部として形成され、ｎドープされる。それに対し、第２の領域１１は、ｐドープされる。さらに、ｐドープされたピエゾ抵抗器９は、ＭＥＭＳセンサ１の撓み可能なメンブレン３に接続され、例えばメンブレン３に組み込まれる、または埋め込まれる。メンブレン縁部が、参照符号３ａで示されている。メンブレン３が例えば圧力変化によって撓められる場合、それぞれのピエゾ抵抗器９が変化し、それに対応して変化した電気信号が、圧力またはその変化を測定するために接点６ａ、６ｂを介して提供される。

接点４ａ、４ｂへの印加時に、電流が、完全なホイートストンブリッジ回路１６を通って流れずにピエゾ抵抗器９から基板に流出するのを回避するために、これらのピエゾ抵抗器９は、凹部の形状を有する第１の領域１０内に配設または配置され、例えば、ｐドープされたピエゾ抵抗器９はｎドープされた凹部１０内に配設または配置される。ｐドープされたピエゾ抵抗器９の場合、一方では、ｐドープされたピエゾ抵抗９がｎドープされた凹部１０に接続され、他方では、ｎドープされた凹部１０が同様にｐドープされた第２の領域１１に逆方向で接続されるように、ｐドープされたピエゾ抵抗９はｎドープされた凹部１０よりも常に低い電位でなければならない。

制御デバイス５は、ここで、ｎドープされた凹部１０およびｐドープされたピエゾ抵抗器９を、一方では、メンブレン３の撓みによる圧力信号を読み出すことができるように意図的に逆方向に動作させ、他方では、ＭＥＭＳセンサ１を加熱する高い電流をＭＥＭＳセンサ１に導通することができるように意図的に順方向に動作させることを交互に行う。ここで、シーケンスまたはチェーン（「高電位」である接点４ａ、４ｂから、「低電位」である接点４ｂ、４ａへ）における最大抵抗は、順方向で動作されて２つの領域１０、１１、すなわちｐ型の領域１１／ｎ型の凹部１０によって形成されたダイオードであり、あるいはまた金属導体路または半導体導体路からの抵抗であり得る。また、逆に、ｎドープされた抵抗器９の場合、ｐドープされた凹部１０を使用することができる。

より高い加熱電流を達成するために、ｐドープされたピエゾ抵抗器９の代わりに、ｐドープされた凹部１１を使用することもできる。さらに、多数の密に配置された貫通接点６０ａ、６０ｂが示されており、貫通接点６０ａ、６０ｂは、２つの領域１０、１１のｐ／ｎ接合の大きな断面積に電流を分配することができる。例えば、ＭＥＭＳ圧力センサパッケージを通常の熱結合で１５℃加熱するためには、ＭＥＭＳセンサ１に１．６Ｖの供給電圧で１００Ω未満の加熱抵抗が必要とされ、したがって、１６ｍＡの電流の流れと３２ｍＷの電力出力が得られる。既知の圧力センサで一般的に使用されている温度ダイオードは、０．８Ｖで約１ｍＡの電流を通す。図１に示されるｐ／ｎ領域ダイオード１０、１１についても同じ挙動を仮定すると、必要な電流の通過を可能にするために必要な断面積は１６倍でよい。この断面積は、メンブレン３の周りに配設された領域１０、１１によって達成可能である。ここで、加熱出力の半分（０．８Ｖ）はダイオードで出力され、残りの半分（０．８Ｖ）は金属または半導体導体路で出力され、したがって、後者の導体路を適切に位置決めすることによって、チップ表面にわたって低い温度勾配を実現することができる。

図１では、有利には、領域１０、１１が逆方向に動作される圧力センサ信号読み出しモードにおいて領域１０、１１のバリア層によって生じ得る漏れ電流がセンサ信号に影響を与えないように、ホイートストンブリッジ回路１６の信号線用ではなく電圧供給用の接点４ａ、４ｂが、対応する金属導体路またはメタライゼーションを介して多数のバイアまたは貫通接点６０ａ、６０ｂに接続される。ホイートストンブリッジ回路１６またはその接点４ａ、４ｂの外部電圧制御を行う場合には、ホイートストンブリッジ回路１６を通る電流は、漏れ電流が変化しても大きく変化しない。

電気信号を読み出すために、第１の接点４ａは接地され、第２の接点４ｂには電圧Ｖ_ＤＤが印加される。したがって、第２の領域１１は、第１の領域１０よりも低い電位にあり、そのようにして２つの領域１０、１１の間に形成されたダイオードは、逆方向に動作される。電流は、ホイートストンブリッジ回路１６を通って流れる。熱エネルギーを提供するためには、接点４ｂが接地され、制御デバイス５によって接点４ａに電圧Ｖ_ＤＤが印加される。これにより、第２の領域１１は、第１の領域１０よりも高い電位を有し、したがって、２つの領域１０、１１の間に形成されたダイオードは順方向で動作される。電流は、第２の領域１１から第１の領域１０へ方向５０に流れ、ダイオードによって形成される抵抗器は加熱抵抗器である。

さらなる実施形態では、第１の領域１０での貫通接点６０ｂ間の距離は、第２の領域１１での貫通接点６０ａに比べて大きくすることができる。さらなる代替実施形態では、貫通接点６０ａ、６０ｂは、図１に示されているのとは異なり、接点４ａ、４ｂに接続することはできず、少なくとも部分的に、特に完全に、接点６ａ、６ｂに接続される信号線に接続することができる。

図２は、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳセンサを示す。
図２には、本質的に、図１によるＭＥＭＳセンサ１が示されている。図１によるＭＥＭＳセンサ１とは異なり、図２によるＭＥＭＳセンサ１では、ここでは２つの追加の異なるドーピングを有する凹部１４、１５が配置されており、したがって、本質的に、内から外に以下の配置となる：内側にはｎドープされた凹部１０が配置され、ｎドープされた凹部１０は、ｐドープされたピエゾ抵抗器９を有するホイートストンブリッジ回路１６を含む。このｎドープされた凹部１０は、第２の凹部１１によって取り囲まれ、第２の凹部１１はｐドープされ、第２の領域１１に対応し、ホイートストンブリッジ回路１６用の接点４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂを有する。さらに、ここでは、さらなるｎドープされた凹部１４が配置されており、ｎドープされた凹部１４は、２つの凹部１０、１１を含み、さらにｐドープされた凹部１５内に配置される。ホイートストンブリッジ回路１６の電気信号を読み出し、熱エネルギーを提供するための動作は、ここでも以下の通りであり、電流の流れ５０は、加熱モードで凹部１０から追加の凹部１４に向かう。加熱モードでの電流の流れ５０は、本質的に内から外に向かう。さらに、追加の接点１２が配置され、この接点１２は、接点４ｂと同じ電位にあり、貫通接点６０ａに電圧を均一に印加できるようにする。

図３は、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳセンサを示す。
詳細には、図３には、図２によるＭＥＭＳセンサ１が示されている。図２によるＭＥＭＳセンサ１とは異なり、図３によるＭＥＭＳセンサ１では追加の接点１３が配置され、接点１３は、接点４ａ、４ｂのそれぞれの電圧印加に依存せずに、加熱と測定とを並行して行うことを可能にする。このために、例えば、供給電圧Ｖ_ＤＤを接点４ａに印加することができ、接点４ｂを接地することができ、追加の接点１３に負の供給電圧－Ｖ_ＤＤを印加することができる。

さらなる実施形態では、領域１０、１１、１４、１５によって形成されるダイオードの代わりに、またはそれに加えて、別個の温度センサダイオード８または温度センサＭＯＳＦＥＴを使用することができる。これは、低電流では温度センサとして使用することができ、高電流では代替または追加の加熱素子として動作させることができる。

要約すると、本発明の実施形態の少なくとも１つは、以下の利点のうちの少なくとも１つを有する。
・設置スペースの縮小
・コストの削減
・ＭＥＭＳセンサのチップ面積の縮小
・容易な実装
本発明を好ましい例示的実施形態に基づいて述べてきたが、本発明は、それらの例示的実施形態に限定されるものではなく、様々に変更可能である。

Claims (13)

1. 第１の領域（１０）に配置され、撓み可能に配置された機能層（３）と、
   前記機能層（３）の撓みを電気信号に変換するための変換デバイス（２）であって、少なくとも１つの電気素子（９）を含む変換デバイス（２）であって、前記少なくとも１つの電気素子（９）が少なくとも４つのピエゾ抵抗器から成る、変換デバイス（２）と、
   制御デバイス（５）と、を含むＭＥＭＳセンサ（１）であって、
   前記少なくとも１つの電気素子（９）が、前記第１の領域（１０）に少なくとも部分的に電気的に接続され、前記第１の領域（１０）が、第２の領域（１１）に少なくとも部分的に電気的に接続され、前記第１および第２の領域（１０、１１）、ならびに／または、第１の領域（１０）および前記少なくとも１つの電気素子（９）が、逆方向および順方向で電気的に動作可能であり、
   前記制御デバイス（５）が、前記少なくとも１つの電気素子（９）および前記第１の領域（１０）、ならびに／または、前記第１の領域（１０）および前記第２の領域（１１）を順方向で少なくとも部分的に動作させて、熱エネルギーを提供するように構成される、
   ＭＥＭＳセンサ。
2. 一方としての第１の領域（１０）および少なくとも１つの電気素子（９）と、他方としての第１の領域（１０）および第２の領域（１１）とで、逆方向と順方向が逆である、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
3. 前記少なくとも４つのピエゾ抵抗器は、ホイートストンブリッジ回路を構成する、請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサ。
4. 前記少なくとも４つのピエゾ抵抗器が、埋込型または拡散型のピエゾ抵抗器である、請求項３に記載のＭＥＭＳセンサ。
5. 前記制御デバイス（５）が、前記第１および第２の領域（１０、１１）を一時的に逆方向で、および一時的に順方向で動作させるように構成される、請求項１から４の少なくとも１つに記載のＭＥＭＳセンサ。
6. 前記第１の領域（１０）が凹部の形状に形成され、前記凹部内に少なくとも１つの電気素子（９）が配置され、前記凹部（１０）と前記少なくとも１つの電気素子（９）とが異なるドーピングを有する、請求項４または５に記載のＭＥＭＳセンサ。
7. 前記第１の領域（１０）および前記第２の領域（１１）を順方向で少なくとも部分的に動作させて、熱エネルギーを提供する際に、前記第１および／または第２の領域（１０、１１）に、それぞれ複数の接点（６０ａ、６０ｂ）によって電圧を印加し、前記複数の接点を通って流れる電流が、前記電流のためのより広い断面積にわたってｐ／ｎ接合によって分散される、請求項１から６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
8. 前記複数の接点（６０ａ）は、少なくとも前記第１の領域（１０）を囲むように配置される、請求項７に記載のＭＥＭＳセンサ。
9. 前記第１の領域（１０）は、Ｌ字形に構成された前記第２の領域（１１）の２つの辺の間に配置される、請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
10. 少なくとも１つの追加の周囲要素（１４、１５）が、追加の凹部の形状で配置され、前記少なくとも１つの追加の周囲要素（１４、１５）が、前記第１の領域（１０）および前記第２の領域（１１）を少なくとも部分的に取り囲むように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
11. 少なくとも１つの追加の接点（１２、１３）が配置され、前記制御デバイス（５）が、順方向での前記第１および第２の領域（１０、１１）の動作によって熱エネルギーを提供し、時間的に並行して、前記変換デバイス（２）から電気信号を提供することができるように変換デバイス（２）を動作させるように構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
12. 温度測定素子（８）が配置され、前記制御デバイス（５）が、熱エネルギーの提供のために前記温度測定素子（８）を動作させるように構成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ（１）を動作させる方法であって、前記制御デバイス（５）によって、前記第１および第２の領域（１０、１１）が、熱エネルギーを提供するために順方向に少なくとも部分的に動作される、方法。

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