JPH05340832A - 圧力マイクロセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内側空胴を規定するために、介挿された絶縁
層と、周辺で接触する３つのシリコンプレートのサンド
イッチによって形成される低い漂遊容量と高感度を有す
る圧力マイクロセンサを提供する。 【構成】 下部プレート（２）はダイヤフラムを形成す
るより薄い領域を、内側に含む。中間のプレート（１）
はシリコン酸化物層で上部および下部プレートに結合さ
れるフレームを形成する周辺領域、下部プレートのより
薄い領域上へ装着される第１の植込ボルト、下部プレー
トの厚い領域上へ装着される第２の植込ボルト、共振器
を形成しかつ上部プレート（３）の前で第１および第２
の植込ボルトの上部表面の間に配置されるシリコンビー
ムを含む。第１の電極は上部プレートに接続され、第２
の電極はフレームに接続され、第３の電極は第２の植込
ボルトに接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は容量型のシリコン圧力マイク
ロセンサに関する。

【０００２】

【関連分野の議論】過去数年にわたって、新規なシリコ
ンマイクロセンサは半導体電気部品の製造のために開発
されたシリコンエッチング技術を利用して開発されてき
た。はじめに、そのようなマイクロセンサは適当にエッ
チされたシリコンプレートと気密チャンバまたはシリコ
ンプレートの間に挿入される分離絶縁プレートとして役
に立つ薄いガラスプレートとの組合せによって形成さ
れ、そのようなガラスプレートは種々の金属電極パター
ンを有した。

【０００３】典型的な先行技術の圧力マイクロセンサは
出願人の名義で出願された仏国特許出願第９０／０９，
４６８号に説明された装置によって形成される。この先
行技術センサにおいて、能動素子は３つのシリコンプレ
ートのサンドイッチによって形成されるが、全体の構造
は制御された雰囲気領域を規定する２つの外側のガラス
プレートによって輪郭を描かれる。

【０００４】

【発明の概要】この発明の目的は、製造するのがより単
純で、そのすべての能動素子が気密空胴をもまた規定す
る３つのシリコンプレートによって形成される新規な圧
力マイクロセンサを提供することである。

【０００５】この発明の別の目的は、低い漂遊容量を有
する圧力マイクロセンサを提供することである。

【０００６】この発明の別の目的は、高感度の圧力マイ
クロセンサを提供することである。これらおよび他の目
的を達成するために、この発明は内側空胴を規定するた
めに、介挿された分離層と周辺で接触する３つのシリコ
ンプレートのサンドイッチによって形成される圧力マイ
クロセンサを提供する。下部プレートはその内側にダイ
ヤフラムを形成するより薄い領域を含む。中間プレート
は、シリコン酸化物層で上部および下部プレートと結合
されるフレームを形成する周辺領域、下部プレートのよ
り薄い領域に装着される第１の植込ボルト、下部プレー
トの厚い領域に装着される第２の植込ボルト、および上
部プレートの前で第１および第２の植込ボルトの上部表
面の間に配置されるシリコン信号ビームを含む。植込ボ
ルトはフレームから電気的に分離している。第１の電極
は上部プレートに接続され、第２の電極はフレームに接
続されかつ第３の電極は第２の植込ボルトに接続され
る。

【０００７】この発明の実施例に従って、第３の電極は
下部プレートにも接続される。この発明の実施例に従っ
て、第１の植込ボルトはダイヤフラムの長さのおおよそ
３分の１に対応する位置に配置され、第２の植込ボルト
はこのダイヤフラムから離れている。

【０００８】この発明の実施例に従って、第２の電極は
基準電圧に接続される。この発明の実施例に従って、上
部プレートは振動ビームと揃ったより厚い領域を含む。

【０００９】この発明の実施例に従って、第２の植込ボ
ルトへの電気的接続は下部プレートの開口および金属化
層を介して確実にされる。この金属化層は真空状態で形
成され得、かつ空胴をふさぐ。

【００１０】この発明の前述および他の目的、特徴、局
面および利点は、添付の図面とともに参照されると、こ
の発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【００１１】種々の図面において、種々の層の相対的な
厚さおよび種々のエレメントの横のサイズは同じ割合で
描かれておらず、図面の読みやすさを容易にするために
任意に描かれる。

【００１２】さらに種々の図面において、種々のシリコ
ンプレートの横の表面は斜めにエッチされているように
示される、なぜならこれは一旦面（１，１，１）に沿っ
たシリコン異方性エッチングが実行されるた場合の横の
表面の局面であるからである。しかしながら一方で、こ
の発明のこの特定の局面は限定として意図されず、他方
で、図面に示される角度は任意であることが注目される
であろう。典型的な実際の角度はおおよそ５５°であ
る。

【００１３】

【詳細な説明】図１はこの発明に従ったセンサの全体の
構造を概略的に示す断面図である。このセンサは３つの
シリコンプレート、つまり中間シリコンプレート１、下
部シリコンプレート２および上部シリコンプレート３に
よって形成される。

【００１４】中間シリコンプレート１は２つの部分、つ
まりフレームを形成する周辺部分１１および中央部分１
２に分けられる。中央部分１２は第１の植込ボルト１
３、第２の植込ボルト１４、および植込ボルト１３と１
４とを架橋する薄いビーム１５を含む。中央部分はフレ
ーム部分１１から電気的に切断される。例示された実施
例において、中央部分は部分１１から電気的にかつ機械
的に切断される。機械的にはフレームに結合されるが、
プレート全体に横断方向にわたるシリコン酸化物領域の
ような絶縁領域によってそこから分離される植込ボルト
１４が提供され得る。

【００１５】下部プレート２はダイヤフラムを形成する
より薄い領域２１を含む。下部プレート２は、中間プレ
ートのフレームと下部プレートとの間、および各植込ボ
ルト１３と１４との下に配置されるシリコン酸化物層２
４を介して中間のプレートに接触する。植込ボルト１３
は、ダイヤフラム２１を形成するより薄い部分に接しか
つ植込ボルト１４はプレート２の厚い領域に接する。前
述の出願で示されるように、植込ボルト１３は好ましく
はダイヤフラム２１のおおよそ３分の１に対応する位置
に配置される。もしダイヤフラム２１が長方形ならば、
植込ボルト１３はその接触領域で、好ましくはダイヤフ
ラムを３分の１および３分の２で分離する線に沿ってそ
の最も長い軸が延在する細長い形を有する。

【００１６】上部プレート３は中間プレート１のフレー
ム１１に対して接し、シリコン酸化物層２５によってそ
こから分離される。

【００１７】このように、上部および下部プレートの組
合せは、フレーム１１で、制御された雰囲気、好ましく
は真空状態、を有する空胴２７を規定する。外部圧力が
変化すると、ダイヤフラム２１は変形され、植込ボルト
１３は傾く傾向にあり、かつ振動ビーム１５の応力は変
化し、それは振動ビームを修正する。

【００１８】電極３１は植込ボルト１３および１４なら
びにビーム１５のアセンブリに電気的に接続される。示
されるように、電極３１はプレート２を通過して植込ボ
ルト１４の下部表面に接触する開口に形成され得る。示
された実施例において、電極３１は、植込ボルト１４お
よびプレート２の接触を可能にする金属化層によって形
成される。さらに、金属化層およびプレート２の絶縁が
提供され得る。電極３２は上部プレート３に接続され、
かつ電極３３は中間プレートのフレーム１１に接続され
る。ビーム１５および上部プレート３は与えられた圧力
の関数として変化する共振周波数を備えた容量性共振器
を形成する。

【００１９】図２はこの発明に従ったセンサに採用され
たキャパシタンス測定回路の従来の図を概略的に示す。
電極３１および３２の間で、変化するコンデンサＣ１は
ビーム１５およびプレート３で形成されるコンデンサに
対応する。この構造は、各外側プレートおよびフレーム
の間のコンデンサに主に対応する漂遊容量によって害さ
れる。容量Ｃｐ１の誘電体は酸化物層２５であり、容量
Ｃｐ２の誘電体は酸化物層２４である。

【００２０】従来、ｄ．ｃ．およびａ．ｃ．電圧の重ね
合わせは電極３２に適用され、電極３１は演算増幅器３
５の第１の入力に接続され、その第２の入力は基準電
圧、通常は接地、に接続される。演算増幅器３５の出力
はインピーダンス３６を介してその第１の入力に接続さ
れる。このように演算増幅器の第１の入力３１はフロー
ティング電圧で、接地電圧に対応している。この発明の
局面に従って、電極３３は演算増幅器３５の第２の入力
と同じ基準電圧（接地）に接続される。このように、漂
遊容量Ｃｐ１およびＣｐ２の有害な効果は排除される
（なぜなら容量Ｃｐ２はその２つの端子を同じ電圧に有
するからである）。これは、装置の構造のため、漂遊容
量Ｃｐ１およびＣｐ２は通常コンデンサＣ１より実質的
に大きい値を有するので、なおさら不可欠である。たと
えば、コンデンサＣ１がおおよそ０．１ｐＦ±１０％の
値を有し、一方で容量Ｃｐ１およびＣｐ２がおおよそ５
０ｐＦの値を有する。

【００２１】このように、この発明は漂遊容量の影響か
ら逃れることを可能にする。これらの漂遊容量は周囲の
雰囲気および製造パラメタの関数として変動する値を有
するかもしれないためなおさら利点となる。

【００２２】センサの内側部分は大気圧下の区域である
ということが上に示されてきた。この真空を得るため
に、当業者は種々の方法を使用し得る。たとえば、プレ
ートは真空チャンバで組立てられ得、または一旦プレー
トが組立てられると、ポンピングが達成され得る。さら
に、プレートは焼きなましによってシリコンによって吸
収されることが可能である酸素のようなガスで満たされ
得る。

【００２３】図３は空胴２７の真空状態での封止を得る
ための特定の態様を例示する図１の部分の断面図であ
る。図３は下部プレート２の部分および第２の植込ボル
ト１４を示す。プレート２が植込ボルト１４のベースと
揃った開口２２を含むようにプレートは組立てられる。
植込ボルト１４は絶縁層２４を介してプレート上に装着
され、チャネル１７は開口２２に面する領域まで第２の
植込ボルトの下部表面に与えられる。このシステムで、
プレートは普通の大気下で組立てられ得る。それから、
真空のような、選択された雰囲気下で、同時にチャネル
１７を密閉しかつ空胴２７を封止するために、植込ボル
ト１４およびプレート２をショートする接触材料３１を
生成することが可能である。

【００２４】図４はこの発明の実施例の断面図であり、
図１のエレメントと同じエレメントは同じ参照数字で示
される。図４は連続的プレートで形成される開口を介し
て電極３１、３２、３３にアクセスするモードをより特
定的に例示する。この具体例において、植込ボルト１４
への接触領域はプレート２の部分で形成され、プレート
２の部分および上に述べられた金属化層３１を介して植
込ボルト１４へ電気的に接続される。図４は、上部プレ
ート３がビーム１５の前でのみ突出した領域４１を残す
ために、組立てられる前にエッチされるということもま
た示す。この動作は植込ボルト１３および１４の上部表
面とプレート３の内側表面との間の漂遊容量を減ずるこ
とを可能にする。

【００２５】さらに、図１および図４において植込ボル
ト１３はダイヤフラム２１の端縁に配置されるのではな
く、後者に関して明らかに後退している。この配列は、
センサの感度を改良するためにその最大程度まで共振ビ
ーム１５を長くするために、意図される。

【００２６】図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）
はこの発明に従った圧力センサの構造を理解するのに役
に立つ斜視図である。これらの図において、３つのプレ
ートは遠近法で示されるように積み重ねられ、酸化物層
および金属化層は表示されない。プレート１および２上
で図面の右側にノッチが与えられ、下部プレートの金属
化層との接触を可能にするということが注目されるであ
ろう。

【００２７】この発明に従った装置を製造する方法にお
いて、プレート２および３は上に説明されたように最初
に処理される。しかしながらプレート１は上に説明され
たように一般的な構造を有するように処理されるが、そ
れに加えて、中間部分１３、１４、１５にフレーム１１
を機械的に接続するために薄いシリコンストリップを含
む。中間のプレートはシリコン／シリコン酸化物溶接が
実行される下部プレートの上で生成される。それから、
シリコンは接続ストリップを排除するために化学的にエ
ッチされる。もちろん、種々の厚さが前もって決定され
ており、最後のエッチングは予め定められた厚さを種々
の能動素子のために適所に残すことを確実にする。

【００２８】当業者にとって明らかなように、種々の変
形および修正が上に開示された好ましい実施例に対して
なされ得る。たとえば一旦３つのプレートが組立てられ
ると、外側プレートの外側表面は酸化されかつシールド
を形成する金属層でめっきされ得、かつ寄生過電圧から
装置を保護するために接地され得る。

【００２９】この発明に従ったマイクロセンサを製造す
ることが概略的に説明されかつ示されてきた。実際、こ
の製造は集合的なプロセスの結果生じ、各プレートは最
初はシリコンウエハの部分で、個々のセンサへの分離
は、組立動作が終わった後、かつもし必要であるならば
接触動作の後なされるということが当業者にとって明ら
かとなるであろう。

【００３０】例として、特定の装置は以下のサイズを有
し、 − プレートのサイズ：８×５ｍｍ、 − ビーム１５およびプレート３の間の距離：１０μ
ｍ、 − 植込ボルト１３のベースでの寸法：０．２×０．６
ｍｍ、 − ダイヤフラム２１の厚さ：１５μｍ、 − ダイヤフラムの横のサイズ：１．６×１．６ｍｍで
ある。

【００３１】このようにこの発明の特定の実施例を説明
してきたが、種々の変更、修正および改良が当業者にと
ってたやすく起こるであろう。この開示によって明らか
にされるそのような変更、修正、および改良はここには
っきりと述べられていないけれども、この開示の一部で
あると意図され、この発明の精神および範囲内であると
意図される。したがって、前述の説明は例としてのみで
あり、限定としては意図されない。この発明は前掲の特
許請求の範囲およびそれに相当するものに規定されるよ
うにのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従った圧力センサの概略断面図であ
る。

【図２】この発明に従ったセンサの、検出システムと結
合された種々の容量を概略的に示す電気図である。

【図３】この発明の実施例の製造の詳細を示す図であ
る。

【図４】この発明に従ってセンサの別の実施例の断面図
である。

【図５】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は一旦組立てられ
た場合にこの発明に従ったセンサの実施例を構成する３
つのプレートの断面図および斜視図である。

【符号の説明】

１ 中間のプレート ２ 下部プレート ３ 上部プレート １１ フレーム １３ 植込ボルト １４ 植込ボルト １５ ビーム ２１ ダイヤフラム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内側空胴を規定するために、介挿された
   絶縁層と周辺で接触する３つのシリコンプレートのサン
   ドイッチによって形成された圧力マイクロセンサであっ
   て、 下部プレート（２）はその内側にダイヤフラムを形成す
   るより薄い領域（２１）を含み、 中間プレート（１）はシリコン酸化物層（２４、２５）
   で上部および下部プレートに結合されるフレームを形成
   する周辺領域（１１）と、前記下部プレートのより薄い
   領域上へ装着される第１の植込ボルト（１３）と、前記
   下部プレートの厚い領域上へ装着される第２の植込ボル
   ト（１４）と、共振器を形成するシリコンビーム（１
   ５）とを含み、前記シリコンビームは上部プレート
   （３）の前で前記第１および第２の植込ボルトの上部表
   面の間に配置され、植込ボルトはフレームから電気的に
   絶縁しており、 第１の電極（３２）は前記上部プレートに接続され、第
   ２の電極（３３）はフレームに接続され、かつ第３の電
   極（３１）は第２の植込ボルトへ接続される、圧力マイ
   クロセンサ。
2. 【請求項２】 前記第３の電極は前記下部プレートにも
   接続される、請求項１に記載の圧力マイクロセンサ。
3. 【請求項３】 前記第１の植込ボルトはダイヤフラムの
   おおよそ３分の１に対応する位置で配置され、前記第２
   の植込ボルトは前記ダイヤフラムから離れている、請求
   項１に記載の圧力マイクロセンサ。
4. 【請求項４】 前記第２の電極は基準電圧に接続され
   る、請求項１に記載の圧力マイクロセンサ。
5. 【請求項５】 前記上部プレート（３）は共振器ビーム
   （１５）と揃ったより厚い領域（４１）を含む、請求項
   １に記載の圧力マイクロセンサ。
6. 【請求項６】 第２の植込ボルトへの電気的接続は前記
   下部プレートの開口および金属化層を介して確実にされ
   る、請求項１に記載の圧力マイクロセンサ。
7. 【請求項７】 前記金属化層は真空状態で形成され、前
   記空胴をふさぐ、請求項６に記載の圧力マイクロセン
   サ。