JP2006322935A

JP2006322935A - 圧力センサー

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Publication number: JP2006322935A
Application number: JP2006130489A
Authority: JP
Inventors: Raffaele Correale; コッレアーレラッファエーレ
Original assignee: Varian SpA
Current assignee: Varian SpA
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2006-11-30
Also published as: EP1722210A2; EP1722210A3; US7334481B2; US20060266124A1; ITTO20050316A1

Abstract

【課題】周辺環境における圧力変動に起因する、予想値からの、振動の周波数及び／又は振幅の偏差の直接検出を行うことを可能にする圧力センサーを提供する。
【解決手段】圧力センサーは、支持ベースに固定された振動マイクロアセンブリと、絶対真空条件下で既知の周波数及び振幅で前記支持ベースに対して前記マイクロアセンブリを振動させる制御装置と、既知の周波数及び／又は振幅からの、アセンブリの振動の周波数及び／又は振幅の偏差を検出する手段とを含み、制御装置は一定の周波数信号成分により駆動され、検出手段は、例えば光学的又は電気的手段により、偏差の直接検出を可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は圧力センサーに関する。
更に詳しくは、本発明は、振動部材の振動周波数及び振幅が、振動部材が設けられている環境の圧力条件によって影響され、従って、上記振動周波数及び振幅を周囲環境に於ける圧力変動を測定するために活用することが出来る、振動部材を含む圧力センサーに関する。

振動部材を使用した、例えば温度センサーや密度センサーと同様、圧力センサーも既に周知である。これらのセンサーは、振動部材の振動周波数及び振幅に対する、外部環境の圧力、温度、及び／又は密度条件の影響を活用するとともに、振動周波数及び振幅の予測値からの偏差を測定することにより、圧力、温度又は密度の変動を計算することを可能にするものである。

上記タイプのセンサーは、例えば、下記特許文献１〜３に開示されている。
微小電子機械装置（ＭＥＭｓ）の技術の最近の発達により、単一層又は複数層の振動マイクロアセンブリが形成されている基板からなる小型センサーを製造することが可能になった。基板及び振動マイクロアセンブリは例えば、シリコン、酸化ケイ素、モリブデン、アルミニウム等で形成されている。

微小電子機械装置の一例が図１に示されている。
微小電子機械装置１００は、支持ベース１０６内に形成された空洞１０４の上にぶら下げられた平面膜１０２により形成された振動マイクロアセンブリを含む。支持ベース１０６はシリコン基板又はウエハーであるのが好ましく、空洞１０４は従来のエッチング技術で形成される。膜１０２は、大略的に矩形であり、そして、膜１０２の短い方の辺に隣接する２つの矩形状固定領域１１０a、１１０ｂにて、支持ベース１０６の空洞１０４をとりまく周辺リム１０８に固定されている。膜１０２には更に、周辺リム１０８に部分的に重なるサイド延設部１１２が設けられて、これにより、対応する接触領域１１４が形成されている。金属製制御電極１１８は空洞１０４内部にその底部１１６に接して設けられており、そして、空洞１０４の側壁１２２に対して折り曲げられたサイド延設部１２０を有している。この延設部は部分的に支持ベース１０６の周辺リム１０８を覆うとともに、対応する接触領域１２４を形成している。制御電極１１８及び膜１０２それぞれに於ける前記領域１２４，１１４に対して、周期的に変調された励起電圧信号を印加することにより、制御電極１１８と膜１０２との間に可変電界を生成することができ、これにより、膜１０２は振動する。絶対真空条件下に於いて、適切に励起された膜１０２は、真空条件に対応する共振周波数及び振幅（固有の周波数及び振幅）で振動するか、又は、電圧信号が、周波数が共振周波数とは異なる正弦波信号である場合は、膜１０２は前記信号により与えられる周波数で振動することになる。理想的な絶対真空条件から出発する場合、膜を包囲する環境に於ける気体分子又は原子の存在が、膜振動の周波数及び振幅に影響を与えることになる。というのも、膜の自由振動は、原子及び分子との衝突により不安定になるからである。原子及び分子の数が増大するにつれ、センサーが設けられている環境の圧力はより高くなるとともに、影響はより強くなる。従って、適切な検出器により、膜１０２の振動の周波数及び／又は振幅の、予想値からの偏差を測定することにより、周囲環境に於ける圧力変動を測定することが出来る。膜１０２を製造するための適切な材料として、アルミニウム、モリブデン、SiO₂, Si₃N₄, Si（単結晶）を使用してもよい。更に、SiO₂及びSi₃N₄のような誘電体材料を用いる場合は、膜は、２つの誘電体層の間に金属層を挟んだサンドイッチ構造体（誘電体―金属―誘電体）となり、これにより、膜の振動を電界により制御することが出来る。

微小電子機械装置を使用することにより得られる小型圧力センサーは、例えば下記特許文献４〜６に開示されている。
一般的に、従来技術のセンサーに於いて、微小電子機械部材は電子回路内に挿入され、圧力変動に関する、振動マイクロアセンブリの振動の周波数及び／又は振幅の変動は、回路の電気パラメータの変動から検出される。

従来装置の欠点は、振動マイクロアセンブリの振動の周波数及び／又は振幅の変動の測定が容量測定である、ということである。これにより、変動の直接検出がなされず、従って、精密で正確な測定がなされない。従来技術に於いて、振動マイクロアセンブリは、電気回路に属するコンデンサーのプレート間に配置されるか、又は、場合によっては、マイクロアセンブリはコンデンサープレートの１つを構成しており、これにより、その振動の周波数及び／又は振幅の変動が、静電容量の変動を引き起こしている。更に、振動マイクロアセンブリの振動動作の故に、それ自体既に可変となる静電容量の変動を測定することは極めて複雑であり、実際の動作において実現することは難しいので、振動動作の周波数及び／又は振幅の変動の直接検出は行われない。振動マイクロアセンブリが予想周波数及び振幅値で振動するとしたら持つであろう理論値に等しい静電容量の一定値を維持することが要求される。
米国特許第4,841,775号明細書米国特許第5,152,173号明細書米国特許第5,426,981号明細書米国特許第5,528,939号明細書米国特許第5,550,516号明細書米国特許第6,532,822号明細書

従って、本発明の目的は上記限界を克服することである。
本発明の更なる目的は、圧力値の広い範囲に於いて十分な信頼性で使用することができる圧力センサーを提供することにある。
本発明の更なる目的は、高い検出感度と再現性とを有する圧力センサーを提供することにある。

上記及び他の目的は、添付の特許請求範囲に記載の圧力センサーにより達成される。
本発明の圧力センサーは、周辺環境における圧力変動に起因する、予想値からの、振動の周波数及び／又は振幅の偏差の直接検出を行うことを可能にする、光学検出システムと振動マイクロアセンブリとを含む。
振動マイクロアセンブリの振動の周波数及び／又は振幅の変動の検出は、容量検出タイプではないので、本発明に基づくセンサーを使用することにより、周波数及び／又は振幅は、一定周波数信号成分で制御装置を駆動することにより自由に変化させる事ができ、前記振動の周波数及び振幅の変動を直接測定することが出来る。

好ましい実施形態に於いて、振動マイクロアセンブリの表面へ光ビームを送る光源の使用により、振動マイクロアセンブリの振動の周波数及び／又は振幅の変動の直接測定を、表面により反射された光ビームの特性を分析することにより、簡単且つ安価な方法で行うことが出来る。
第２の好ましい実施形態に於いて、電気回路と振動マイクロアセンブリとの協調により、振動マイクロアセンブリの振動の周波数及び／又は振幅の変動の直接検出を、電気回路の電気量、特に電流値、の変動を分析することにより、簡単且つ安価な方法で行うことが出来る。

第２の実施形態に於いて、電気回路を振動マイクロアセンブリの支持ベースへ少なくとも部分的に統合することは有利である。
非限定的な例としてあげた圧力センサーのいくつかの好ましい実施形態を、添付図面を参照に以下に詳細に記載する。

図２を参照に、圧力センサーの第１実施形態を示す。
第１実施形態に於いて、圧力センサー１０１は、支持ベース１０７に一端部１０５aにて固定された（取り付けられた）振動マイクロアセンブリ１０５を有する微小電子機械装置１０３を含む。振動マイクロアセンブリ１０５は、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲の長さと、４０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲の幅と、１マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲の厚みとを有する角材（梁）として形成されることが好ましい。支持ベース１０７は、プレート形状又はディスク形状の圧電部材１０９と接合されて、振動マイクロアセンブリ１０５が既知の周波数及び振幅で振動することを許容する。接着剤で支持ベース１０７と圧電部材１０９とを接合してもよい。圧電部材１０９は、既知の且つ一定の周波数成分で圧電部材１０９を駆動する電気信号を発生する関数発生器（図示せず）に接続されている。この所定の周波数は、絶対真空条件の下での振動マイクロアセンブリの理論的共振周波数(固有周波数)を含むが、関数発生器により与えられる他の周波数であってもよい。

本発明のこの第１実施形態に於いて、周囲環境に於ける圧力変動に起因する、振動マイクロアセンブリ１０５の振動周波数及び／又は振幅の偏差を検出する手段は、光学検出システム１１１を含む。
光学検出システム１１１は、支持ベース１０７へ固定された一端部１０５aと反対の自由端部１０５ｂ付近で、振動マイクロアセンブリ１０５の表面に入射光ビーム１１５を向ける光源１１３を含む。光源１１３は固体レーザダイオード１１７と集束レンズ１１９とを含み、入射光ビーム１１５を振動マイクロアセンブリ１０５の自由端部１０５ｂ上に焦点を合わせることを可能にする。レーザダイオード１１７は、約６７０nmの波長で赤色スペクトル領域に於いて放射線を放射するものであることが好ましい。

光学検出システム１１１は更に、振動マイクロアセンブリ１０５により反射された光ビーム１１５’を受光するように構成された表面を有するセンサー１２１を含む。
振動マイクロアセンブリ１０５の振動周波数及び／又は振幅が変動すると、センサー１２１の表面１２３上での反射光ビーム１１５’の入射点の位置が変動する事は明白である。振動周波数及び／又は振幅のこのような変動を検出するために、センサー１２１は、表面１２３上の前記反射光ビーム１１５’の入射点の位置に依存して変動する電流値を提供する電気回路（図示せず）と、適切に接続されている。

前記電気回路は更に、電流値を、センサー１２１の表面１２３上の反射光ビーム１１５’の入射点の位置に依存して変動する電圧値へ変換するために、差動及びトランス抵抗増幅器を含んでいるのが有利である。
また、電気回路は更に、差動及びトランス抵抗増幅器の下流側に、振動マイクロアセンブリの振動の共振周波数を中心とする極めて狭い周波数帯域の通過を許容する帯域通過フィルタを備えた増幅器を含んでいてもよい。

振動マイクロアセンブリ１０５の振動周波数及び／又は振幅の変動の故に、反射光ビーム１１５’は異なる長さの光路を通過して、センサー１２１の表面１２３に作用することが理解されよう。光ビーム１１５’の減衰の故に、センサー１２１の代替物として、入射点の位置ではなく、反射光ビーム１１５’の強度に依存して変動する電流値を供給することが出来るセンサーを使用することも可能であろう。

図３及び図４は、センサー１０１の周囲の環境に於ける圧力の関数として、振動周波数の変動（△f/f₀）及び品質係数（Ｑ）それぞれのグラフを示している。
各グラフは、表１に示すように、マイクロメータで与えられた異なるサイズの角材として形成された振動マイクロアセンブリに対応する異なる曲線を含む。

図３を参照して、圧力p（単位：ミリバール）の関数として、下記のように定義される圧力変動の挙動を示している。
△f/f₀＝ [f(p) − f₀]/f₀
ここで、f(p)は圧力pでの共振周波数であり、f₀は固有周波数である。

「固有周波数」という用語で、固有圧力領域に於ける（即ち、１０^-3mbarよりも低い圧力値での）共振周波数が想定されており、ここで、共振周波数は周囲環境条件に依存することはない。換言すれば、固有周波数は、絶対真空条件下で想定される共振周波数とみなしてもよい。
図３のグラフは、全ての考慮された試料について、１mbar〜１０³mbarの間の圧力範囲に於いて、圧力に対する圧力変動の増加量（絶対値）を明白に示している。他方、１mbar以下の圧力のオーダーでは、f(p) ＝ f₀であり、従って、△fは迅速に０になる傾向にある。かくして、共振周波数変動のみの測定に依存することにより、本発明の圧力センサーは１mbarよりも高い圧力で使用する場合に信頼性がある。

図３は、本発明に係る圧力センサーは、振動マイクロアセンブリの共振周波数の変動を直接測定することが出来ることを明白に示している。マイクロアセンブリは、圧力が変動しても制御装置の駆動周波数を一定に維持しながら、周囲環境に於ける圧力により設定される周波数及び振幅で、自由に振動することが許容される。
図３のグラフの曲線の分析から、周波数変動曲線の傾斜に関して、圧力センサーの感度は、マイクロアセンブリの厚みが低減するにつれて、増大することが証明される。このことは、試料Ｔ３及びＴ４に関する曲線の比較から明白である。更に、厚みが一定の場合、マイクロアセンブリ表面積が増大するにつれて、感度は増大している。このことは、試料Ｔ２に関する曲線の、試料Ｔ１，Ｔ４、Ｔ５に関する曲線との比較から明白である。

図４を参照して、共振ピークでの周波数値と共振曲線それ自体のハーフハイト幅との間の比率として定義される、圧力ｐ（単位ミリバール）の関数としての品質係数Ｑの挙動が示されている。図４のグラフは、殆ど全ての対象となる試料に対して、１〜１０^-3の圧力範囲に於いて圧力が低減する場合の品質係数Ｑの増分を明白に示している。１０^-3mbarを下回る圧力では、上記固有領域に入り、従って、品質係数の更なる増加は発生しない。かくして、共振周波数の変動と品質係数の変動との組み合わせ測定により、本発明に係る圧力センサーは、１０³〜１０^-3mbarの圧力範囲に於いて良好な信頼性で利用可能である。

図４に示すグラフの曲線の分析から、品質係数曲線の傾斜に関しても、圧力センサーの感度は、マイクロアセンブリ厚みが低減するにつれて、増大していることが証明される。このことは、試料Ｔ１及びＴ６に関する曲線の比較から明白である。更に、厚みが一定の場合、マイクロアセンブリの表面積が増大するにつれて、感度は増大している。このことは、試料Ｔ３に関する曲線の、試料Ｔ１、Ｔ５に関する曲線との比較から明白である。

図５を参照して、本発明に係る圧力センサーの第２の実施形態が示されている。この第２実施形態に於いて、圧力センサー２０１は、支持ベース２０７に一端部２０５aにて固定された振動マイクロアセンブリ２０５を含む微小電子機械装置２０３を含んでいる。振動マイクロアセンブリ２０５は、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲の長さと、４０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲の幅と、１マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲の厚みとを有する角材として形成されることが好ましい。

支持ベース２０７は、電極２０９とともに、マイクロアセンブリ２０５が既知の周波数及び振幅で振動することを許容する。電極２０９は、前記既知の周波数で電気信号を発生させる電圧発生装置（図示せず）に接続されている。更に詳しくは、本発明によれば、電圧発生装置は一定の周波数成分で電極２０９を駆動する。既知で且つ一定の周波数成分は、絶対真空条件の下で振動マイクロアセンブリの理論的共振周波数（固有周波数）を含むが、電圧発生装置により与えられる他の周波数であってもよい。

本発明のこの第２実施形態によれば、周囲環境に於ける圧力変動に関する振動マイクロアセンブリ２０５の振動周波数及び／又は振幅の偏差を検出する手段は、電気回路２１１を含む。電気回路２１１に於いて、振動マイクロアセンブリ２０５はＭＯＳＦＥＴトランジスター２１３のゲートＧとして使用される。周知のように、例えばＮチャンネルタイプのＭＯＳＦＥＴトランジスターは、２つの高ドーピングＮ領域（ソースＳ及びドレインＤとして表現される）が形成された低ドーピングＰシリコン基板を含む。制御電極、所謂ゲートＧは、上記領域にわたって位置する。ゲートＧに印加される電圧を変動させることにより、ソースＳとドレインＤとの間の下方に位置する基板領域に於ける電荷分布及び密度は、電界効果により変動させられ、これにより、所謂チャンネルを生成する。上述の場合、Ｐタイプの基板であるので、チャンネルはＮタイプとなる、即ち、電子電流が流れることが許容される。Ｎタイプの基板の場合、ゲートＧの電位により生成されるチャンネルにより、ホール電流が流れることが許容されることになる（Ｐタイプチャンネル）。かくして、ＭＯＳＦＥＴは、そこを流れる電流Ｉ_Dを制御する装置であり、第３の極であるゲートＧの適切なバイアスにより、この電流はソースＳで流入し、ドレインＤで流出する。

振動マイクロアセンブリ２０５をゲートＧとして使用するとともにこのアセンブリを一定電圧Ｖ_Gでバイアスすると、その結果得られる電圧信号は、一定のＤＣ信号と周波数信号との重畳となる。これは、ゲートチャンネル延設部は振動アセンブリの振動の周波数及び振幅に依存して変動するからである。
従って、振動マイクロアセンブリの振動中、電流Ｉ_Dの大きさ及び周波数は、前記振動の振幅及び周波数の変動に比例して変動するとともに、電流変動の測定により、振動マイクロアセンブリ２０５の振動の周波数及び振幅の変動と、それ故、前記アセンブリを取り巻く環境の圧力変動とを直接取得することが可能となる。

図５に示す回路に於いて、振動マイクロアセンブリ２０５がゲートＧを形成するＭＯＳＦＥＴ２１３のドレインＤは、第１ＭＯＳＦＥＴ２１３と同一であるが非可変ゲートを有する第２ＭＯＳＦＥＴ２１５のドレインに接続されている（並列接続）。ＭＯＳＦＥＴ２１３，２１５のソースは、第３及び第４ＭＯＳＦＥＴ２１７，２１９のドレインにそれぞれ接続されている（直列接続）。前記第３及び第４ＭＯＳＦＥＴ２１７，２１９は同一であり、安定化抵抗器として作用し、これにより、回路を更に安定させる。

ＭＯＳＦＥＴ２１３、２１５、２１７、２１９に加えて、電気回路２１１は、センサー２０１の感度を増大させるために、出力電流を増幅させる増幅器２２１を含んでいるのが好ましい。
電気回路２１１は、センサー２０１の全体の寸法を更に低減するために、支持ベース２０７に少なくとも部分的に、統合（一体化）されているのが有利であろうことは理解されよう。更に詳しくは、ＭＯＳＦＥＴ２１３、２１５，２１７、２１９と、増幅器２２１との両方を支持ベース２０７に統合してもよい。

図６に、圧力センサー２０１の振動マイクロアセンブリ２０５と電極２０９とを詳細に示す。支持ベース２０７に接合された振動マイクロアセンブリ２０５と、電極２０９とはウエハー２２３で形成され、このウエハー２２３は相互に平行に設けられた第１、第２シリコン層２２３a、２２３ｂと、酸化ケイ素の中間層２２３ｃとで構成されている。
電極２０９はウエハー２２３の第１シリコン層２２３aの一部分により形成されている。振動マイクロアセンブリ２０５は、第１シリコン層２２３aの一部分の付近に形成されており、第１及び第２シリコン層２２３a、２２３ｂに対して垂直な平面に設けられたシリコン角材として形成されている。これは、ウエハー２２３の周囲部分を除去することにより形成され、これにより、マイクロアセンブリ２０５と電極２０９との間に空洞２２４を形成しており、この空洞２２４内部で、マイクロアセンブリは、一旦励起されると、自由に振動することが出来る。

かくして、振動マイクロアセンブリ２０５は、振動マイクロアセンブリ２０５と電極２０９との間に発生させられた電界の故に、第１及び第２シリコン層２２３a、２２３ｂと平行な方向に於いて、そして、最終的に、電極２０９と平行な方向に於いて、振動する。
図７は、第１変更例に係る圧力センサー２０１の振動マイクロアセンブリ２０５と電極２０９との詳細を示し、この実施形態では、マイクロアセンブリ２０５が前記電極２０９に対して垂直な方向に振動するという点において、図６に示す実施形態と異なっている。支持ベース２０７に接合された振動マイクロアセンブリ２０５と、電極２０９とは、相互に平行に設けられた第１及び第２シリコン層２２５a、２２５ｂと酸化ケイ素の中間層２２５ｃとで構成された、ウエハー２２５で形成されている（ＳＯＩウエハー）。電極２０９は、ウエハー２２５の第１シリコン層２２５aの一部分により形成され、振動マイクロアセンブリ２０５は、ウエハー２２５の第２シリコン層２２５ｂの対応部分で形成されており、この部分は前記電極の上に設けられている。ウエハー２２５の中間酸化ケイ素層２２５ｃは対応して除去されて、これにより、振動マイクロアセンブリ２０５が自由に振動することが可能になるように、振動マイクロアセンブリ２０５の下に空洞２２７を形成している。電極２０９と振動マイクロアセンブリ２０５とはいずれも、電気回路、更に詳しくは図２に示す回路２１１のような電気回路に接続するため、接触領域２２９と接触領域２３１とがそれぞれ設けられている。

この変更例に於いても、振動マイクロアセンブリ２０５は支持ベース２０７に一端部で固定された角材として形成されている。然しながら、この実施形態に於いて、前記角材は第１及び第２シリコン層２２５a、２２５ｂと平行な面に設けられるとともに、これらの第１及び第２シリコン層２２５a、２２５ｂに対して垂直な方向に、そしてひいては、前記電極２０９に対して垂直な方向に、振動する。

図８は、第２変更例に係る圧力センサー２０１の振動マイクロアセンブリ２０５と電極２０９との詳細を示し、この実施形態では、マイクロアセンブリ２０５と電極２０９とが２つの異なるウエハー上に形成されているという点において、図７に示す実施形態と異なっている。支持ベース２０７に接合された振動マイクロアセンブリ２０５は、相互に平行に設けられた第１及び第２シリコン層２３３a、２３３ｂと酸化ケイ素の中間層２３３ｃとで構成されたウエハー２３３で形成されている（ＳＯＩウエハー）。更に詳しくは、振動マイクロアセンブリ２０５は、ウエハー２３３の第２シリコン層２３３ｂの一部分で形成されている。ウエハー２３３の中間酸化ケイ素層２３３ｃは対応して除去されて、これにより、振動マイクロアセンブリ２０５が自由に振動することが可能になるように、振動マイクロアセンブリ２０５の下に空洞２３７を形成している。この変更例に於いて、パイレックス（登録商標）ウエハー２３９は（接着により）ＳＯＩウエハー２３３に、更に詳しくはこのウエハーの第２シリコン層２３３ｂに接合されている。マイクロアセンブリ２０５に対応して位置するパイレックス（登録商標）ウエハー２３９の一部は除去されて、これにより、マイクロアセンブリが自由に振動するのを許容するようにマイクロアセンブリの上に空洞２４１を形成している。電気回路、更に詳しくは図５に示す回路２１１のような回路に接続するために、電極２０９の接触領域２４３が空洞２４１内部、更に詳しくは前記マイクロアセンブリ２０５の上の壁内に設けられている。類似の接触領域２４５が、マイクロアセンブリ２０５の電極２０９と対向する面に同様に設けられている。図７に示す変更例のように、この第２変更実施形態でも、角材として形成された振動マイクロアセンブリ２０５は、電極２０９に対して垂直な方向に振動する。

上述の実施形態や変更例のいずれかに基づき形成された本発明のセンサーが、設定された目的を達成するものであることは明白である。実際のところ、振動マイクロアセンブリの振動周波数及び／又は振幅の変動の検出は容量検出ではないので、周囲環境に於ける圧力変動による、予想値からの振動周波数及び振幅の偏差の直接検出を行うことが可能である。

また、極めてサイズが小さく、満足すべき感度であり、広い圧力範囲（１０³mbar〜１０^-3mbar）で動作が可能であるので、本発明のセンサーは種々の用途に於いて有利に使用することができることも明白である。
非限定的な例として、真空ポンプの分野において、特に、ポンピング効果を得るために協働する回転子と固定子とを含む真空ポンプに於いて、本発明のセンサーは、そのサイズの故に、サイズに起因する問題もなく且つ顕著な摂動の発生もなく、真空ポンプ内部に導入されるとともに固定子と回転子との間に設けることが出来よう。

圧力センサーに於いて使用することができる従来技術の微小電子機械装置（ＭＥＭ）の斜視図である。本発明に係る圧力センサーの第１実施形態の概略斜視図である。異なるサイズの振動マイクロアセンブリについての、図２に示す圧力センサーに於ける、圧力に対する振動周波数の変動の挙動を示すグラフである。異なるサイズの振動マイクロアセンブリについての、図２に示す圧力センサーに於ける、圧力に対する品質係数の挙動を示すグラフである。本発明に係る圧力センサーの第２実施形態を概略示す。図５に示すセンサーの振動マイクロアセンブリ及び制御装置の概略斜視図である。図５に示すセンサーの振動マイクロアセンブリ及び制御装置の別の例の概略断面図である。図５に示すセンサーの振動マイクロアセンブリ及び制御装置の更に別の概略断面図である。

Claims

支持ベース（１０７）に取り付けられた振動マイクロアセンブリ（１０５）と、
所定の周波数成分の信号により駆動される制御装置（１０９）であって、絶対真空条件下で前記マイクロアセンブリを、既知の周波数と振幅とで前記支持ベースに対して振動させる制御装置（１０９）と、
前記既知の周波数及び／又は振幅からの、前記マイクロアセンブリの前記振動の周波数及び／又は振幅の偏差を検出する手段（１１１）であって、光学検出システム（１１１）を含む手段（１１１）と
を含む圧力センサー（１０１）。
前記光学検出システム（１１１）は、
前記振動マイクロアセンブリ（１０５）の表面へ入射光ビーム（１１５）を向ける光源（１１３）と、
前記振動マイクロアセンブリ（１０５）により反射された反射光ビーム（１１５’）を受光するよう構成された表面（１２３）と、前記表面（１２３）に作用するときの前記反射光ビーム（１１５’）の強度、又は前記表面（１２３）への前記反射光ビーム（１１５’）の入射点の位置に依存して変動する電流値を供給する少なくとも１つの電気的接点とを有するセンサー（１２１）と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサー（１０１）。
前記光源は固体レーザダイオード（１１７）であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサー（１０１）。
前記制御装置（１０９）は、前記振動マイクロアセンブリ（１０５）の前記支持ベース（１０７）に接続された圧電部材を含むことを特徴とする請求項３に記載の圧力センサー（１０１）。
前記振動マイクロアセンブリ（１０５）は、２００マイクロメータ〜８００マイクロメータの範囲の長さと、４０マイクロメータ〜１００マイクロメータの範囲の幅と、１マイクロメータ〜５０マイクロメータの範囲の厚みとを有する角材として形成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサー（１０１）。
前記制御装置（１０９）を駆動する信号の前記周波数成分は、前記振動マイクロアセンブリ（１０５）の固有周波数と等しいことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサー（１０１）。
支持ベース（１０７）へ取り付けられた振動マイクロアセンブリ（１０５）を設ける工程と、
周囲環境圧力に依存する周波数及び振幅で支持ベースに対して前記マイクロアセンブリを振動させる制御装置（１０９）であって、一定の周波数信号成分により駆動される制御装置（１０９）を設ける工程と、
光ビーム（１１５）を発生させる光源（１１３）を設ける工程と、
前記振動マイクロアセンブリの表面に前記光ビームを向ける工程と、
前記振動マイクロアセンブリにより反射された前記光ビームを受光するよう構成された表面と、前記反射された光ビームの入射点の位置及び／又は前記表面での強度に依存して変動する電気パラメータ値を供給する少なくとも１つの電気的接点とを有するセンサー（１２１）を設ける工程と、
前記電気パラメータの変動を測定して、前記振動マイクロアセンブリの周波数及び／又は振幅の変動を得る工程と
を含む圧力検出方法。
前記変動を測定する前に、前記電気パラメータの変動を増幅する工程を更に含み、前記電気パラメータは電流又は電圧であることを特徴とする請求項７に記載の圧力検出方法。
支持ベース（２０７）に固定された振動マイクロアセンブリ（２０５）と、
所定の周波数成分の信号により駆動される制御電極（２０９）であって、絶対真空条件下で前記マイクロアセンブリを、既知の周波数及び振幅で前記支持ベースに対して振動させる制御電極（２０９）と、
前記既知の周波数及び／又は振幅からの、前記マイクロアセンブリの前記振動の周波数及び／又は振幅の偏差を検出する手段（２１１）であって、少なくとも１つの電気パラメータが、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）の前記振動周波数及び／又は振幅に依存して可変であるところの電気回路（２１１）を含む手段（２１１）と
を含む圧力センサー（２０１）。
前記電気回路はＭＯＳＦＥＴトランジスター（２１３）を含み、前記振動マイクロアセンブリは前記ＭＯＳＦＥＴトランジスターの制御電極即ちゲート（Ｇ）として作用することを特徴とする請求項９に記載の圧力センサー（２０１）。
前記振動マイクロアセンブリ（２０５）をゲートとして含む前記ＭＯＳＦＥＴトランジスター（２１３）は、第２ＭＯＳＦＥＴトランジスター（２１５）と並列接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサー（２０１）。
前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴトランジスター（２１３，２１５）は、第３及び第４ＭＯＳＦＥＴトランジスター（２１７，２１９）とそれぞれ直列接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の圧力センサー（２０１）。
前記電気回路（２１１）は、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）の前記支持ベース（２０７）に少なくとも部分的に統合されていることを特徴とする請求項１２に記載の圧力センサー（２０１）。
前記振動マイクロアセンブリ（２０５）は、前記制御電極（２０９）と平行な方向に振動することを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサー（２０１）。
前記圧力センサー（２０１）は、相互に平行に設けられた第１及び第２シリコン層（２２３a、２２３ｂ）と、酸化シリコンの中間層（２２３ｃ）とを含むウエハー(２２３)を含み、前記制御電極（２０９）は前記第１シリコン層（２２３a）の一部分から形成され、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）は、前記第１及び第２シリコン層（２２３a、２２３ｂ）に対して垂直な平面上に設けられたシリコン角材として前記第１シリコン層（２２３a）の前記一部分付近に形成され、前記ウエハー(２２３)の周囲部分は、前記マイクロアセンブリが自由に振動することを許容するために、前記マイクロアセンブリ（２０５）と前記電極（２０９）との間に空洞（２２４）を形成するように除去されていることを特徴とする請求項１４に記載の圧力センサー（２０１）。
前記振動マイクロアセンブリ（２０５）は、前記制御電極（２０９）に対して垂直方向に振動することを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサー（２０１）。
前記圧力センサー（２０１）は、相互に平行に設けられた第１及び第２シリコン層（２２５a、２２５ｂ）と、酸化シリコンの中間層（２２５ｃ）とを含むウエハー(２２５)を含み、前記制御電極（２０９）は前記第１シリコン層（２２５a）の一部分から形成され、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）は、前記第１層の前記一部分に面する前記第２シリコン層（２２５ｂ）の一部分から形成され、前記中間酸化シリコン層（２２５ｃ）は、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）が自由に振動することを許容するために、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）の下に空洞（２２７）を形成するよう除去されていることを特徴とする請求項１６に記載の圧力センサー（２０１）。
前記圧力センサー（２０１）は、相互に平行に設けられた第１及び第２シリコン層（２３３a、２３３ｂ）と酸化シリコンの中間層（２３３ｃ）とを含む第１ウエハー(２３３)を含み、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）は、前記第１ウエハーの前記第２シリコン層（２３３）の一部分から形成され、前記の酸化シリコンの中間層（２２５ｃ）は、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）の下に空洞（２３７）を形成するよう除去されており、
前記圧力センサー（２０１）は更に、前記第１ウエハー（２３３）の前記第２シリコン層（２３３ｂ）に重ねあわされた第２ウエハー(２３９)含み、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）が自由に振動することを許容するために、前記振動マイクロアセンブリ（２０５）に対応して、前記第２ウエハー(２３９)に空洞（２４１）が設けられ、前記制御電極（２０９）は前記第２ウエハー(２３９)の前記空洞(２４１)内部に設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の圧力センサー（２０１）。