JP2009537831A - 摩擦原理によるｍｅｍｓ真空センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、基板（５）と少なくとも１つの質量要素（１）を有する圧力測定用のセンサ素子であって、前記質量要素（１）は、前記基板（５）に対して間隔を置いて配置されており、かつ前記質量要素（１）は、前記基板（５）および／または前記基板（５）に対して相対的に不動の支持体（６）と振動可能であるように接続されており、前記質量要素（１）と前記基板（５）との間に空隙が形成されており、該空隙の幅は、前記質量要素（１）の振動によって変化するセンサ素子に関する。空隙を画定する基板（５）の面には少なくとも１つの凹部および／または少なくとも１つの貫通部が設けられており、これは質量要素を包囲するガスまたはプラズマによる、質量要素の振動の減衰を小さくするために用いられる。このセンサ素子は、真空領域の圧力を測定するための圧力センサに使用される。本発明のセンサ素子を圧力記録器として使用することにより、大気空気圧の領域までの最大圧を検出することができる。検出できる最低圧は10^-6 mbrの領域にある。

Description

真空圧の測定は技術的にますます重要になっている。とくにハイテクノロジーでは真空下でのプロセス実行が広く普及しており、例えば材料被覆およびコ―ティング、半導体技術、ならびに食品産業で普及している。本発明は、とりわけ真空領域での圧力を測定するためのセンサ素子に関するものである。

低圧、とりわけ真空領域で測定するためには、種々の測定原理および測定構造が使用される。真空センサのグループは、ガスの減衰特性が圧力に依存することを圧力の検出のために利用する。この種のセンサは、摩擦真空計と称される。

すべての摩擦真空計に対して典型的なのは、測定すべき真空中にある第１の移動体である。この移動体に、通例ごく近傍で第２の移動体または固定体が取り付けられ、両者の間に狭い空隙が生じるようにする。減衰作用が異なることにより第１の移動体の運動が減衰され、この減衰は圧力に依存する。減衰の検出は種々のやり方で行うことができる。

市場で例えば、MKS Instruments社のスピニングロータゲージ(SRG)が入手可能である。この摩擦真空計では、水平レベルに保持され、垂直軸を中心に回転する磁気円錐体が、これを包囲し、これと衝突するガス分子によって初期速度から所定の最終速度まで減速される時間が測定される。この時間は、測定すべき圧力に対する尺度である。この摩擦真空計の欠点は、構成が複雑で障害に脆弱であり、寸法が比較的大きく、測定可能な最大圧力値が１ｍｂａｒであることである。

ＷＯ ０２／０４９１１にはさらに、振動フォークの形態の摩擦真空計が記載されている。例えば振動質量が揺動懸架された別の実施形態(DE 43009893)と比較して、振動子の配置構成によって振動子の支持体に小さなエネルギー伝達ないしはエネルギー移動が生じ、これにより低圧が10^-3から100mbarの圧力領域に拡張される。この手段によっても、測定可能な圧力領域は満足できるものではない。

測定領域の拡張が、ＥＰ ０７３５３５４の構成では２つの別個の記録器または１つの記録器によって達成される。この記録器は、直交する２つの振動モードをそれぞれ低圧領域(1.33 10^-6 - 0.0133 mbar)と、高圧領域(0.00133 - 1330 mbar)に対して使用する。両方の構成で、２つの記録器の信号または２つのモードを評価しなければならず、このことは面倒な評価電子回路を必要とする。

WO 02/04911 EP 0735354

したがって本発明の基礎とする課題は、従来技術の欠点を克服し、測定領域と分解能が大きく、測定領域全体にわたって精度が保証される真空圧記録器を提供することである。

本発明によればこの課題は、請求項１記載のセンサ素子によって解決される。請求項２４は、本発明のセンサ素子による圧力の測定方法を開示する。

従属請求項には有利な改善形態が、請求項２５から２７には有利な使用法が記載されている。

本発明のセンサ素子は、とりわけ真空領域での圧力測定に適し、基板と少なくとも１つの質量要素とを有する。この質量要素は基板に対して離間して配置されており、基板および／またはこの基板に対して不動の支持体とエラスティックに結合されている。この配置構成から質量要素と基板との間に生じる空隙は、質量要素の振動によって幅が変化する。空隙を画定する基板の面には少なくとも１つの凹部および／または少なくとも１つの貫通部が設けられており、これは質量要素を包囲するガスまたはプラズマによる、質量要素の振動の減衰を小さくするのに適する。

大気空気圧までの比較的高い圧力では、圧搾作用が本来の圧力に依存するパラメータである。この圧搾作用は、大きな側方広がりを備えているプレートであって、相互に運動するプレート間の狭い空隙に空気が押し込み、圧縮されることにより発生する作用であり、２つの成分から合成される。この２つの成分とは圧搾剛性、すなわち圧搾作用に起因する付加的なばね定数と、圧搾減衰度である。この作用の圧力依存性を、大気空気圧まで拡げるためには、通常はμｍ領域の小さな空隙幅が必要である。真空領域での低圧では、分子減衰（ガス分子が運動ないし振動する質量要素と衝突することによる）が圧力に依存する優勢な作用である。この減衰作用は、振動する質量要素の運動方向に対して垂直の面積が大きければ大きいほど顕著である。しかしそのために、低圧での測定に必要な質量要素の大きな面積が、比較的高い圧力に対して必要な狭い空隙幅との関連でさらに大きく増大し、振動する質量要素の振動係数Ｑがとりわけ比較的高い圧力では自由振動の評価が不可能になるほど小さくなってしまうという問題がある。振動係数（Ｑ）は減衰に対する尺度であり、振動周期ごとの初期エネルギーとエネルギー損失との商から得られる。ここで商は２πと乗算される。

この理由から本発明のセンサ素子では、空隙を画定する基板の面内に少なくとも１つの凹部および／または少なくとも１つの貫通部が設けられており、これによりとりわけ比較的高い圧力での減衰が縮小される。これによって大気空気圧領域での最大圧力まで振動係数が１以上となり、とりわけ有利には１０以上であることが達成される。

とりわけ減衰度ないしは圧力を、前もって変位された後に自由減衰する振動質量要素の時間経過から検出する場合、すなわち自由減衰振動の消滅関数を検出する場合、満足な精度を保証するためには最少数の振動周期ないしは評価すべき振幅極値が必要であり、ひいては所定の最小振動係数が必要である。

振動係数が１より小さいと、この条件がもはや満たされない。この場合は減衰度の検出、ひいては圧力の検出を他の検出方法により実現しなければならない。例えば圧力に依存する減衰度は、周波数が一定の共振信号の振幅を測定し、振動する質量要素の変位振幅が圧力領域にわたって一定に留まるように制御することによって検出することができる。この場合、共振信号の圧力に比例する振幅が圧力に対する尺度である。ここに述べたセンサでは、１０回の圧力変化ごとに共振信号が同様に約１０分の一だけ変化することを考慮すると、この検出方法は非常に制限された圧力領域に対してだけ適するものである。

振動係数の増大により評価可能な測定値が得られる。これによって、確率的信号が圧力測定に精度に及ぼす影響が低減される。振動係数が１０以上であれば、最大可能な精度に実際上近似して到達できる。それよりも大きな振動係数は、わずかな精度向上をもたらすだけである。したがって測定は、振動が完全に消滅する前に中断することができる。

本発明のセンサ素子の有利な構成では、少なくとも１つの質量要素が穿孔されている。とりわけ凹部ないしは貫通部の縁部のすぐ上にある質量要素の領域を所期のように穿孔するのが有利である。これによって、凹部ないしは貫通部の製造に起因する幾何的公差が減衰度に及ぼす影響を最小にすることができる。

基板と質量要素との間の空隙の幅は有利には２０μｍ以下であり、とくに有利には１０μｍ以下である。これにより、圧力に依存する圧搾作用を比較的高い圧力でも利用することができ、測定領域は大気空気圧まで拡張される。

できるだけ低い圧力でも測定することができるようにするため、振動質量要素の減衰面はできるだけ大きくすべきである。この観点から、質量要素をプレート状に構成するのがとくに有利である。この関連で「プレート状」とは、質量要素の側方寸法、ないしは質量要素の減衰をもっぱら行う面が、これに直交する寸法に対して格段に大きいことを意味する。質量および材料を節約するために、直交する寸法は通常次のように最小にされる。すなわちプレート状の質量要素が十分な捻れ剛性を有し、励起される所望の振動モード（動作モード）が質量要素の捻れ振動によって影響を受けない程度に最小にされる。

有利な構成で本発明のセンサ素子は、質量要素の慣性主軸を中心にする回転モードを動作モードとして使用する。

摩擦真空計はその作用原理から、外部の障害量、例えば震動および振動に対して敏感であり、とくに低温において、減衰が小さい場合に外部からもたらされるエネルギーが付加的な振動励起の原因となるから、回転モードを動作モードとして選択するのが有利である。とりわけ回転軸が慣性主軸の１つにある回転モードによって、このような障害の影響が最小となる。なぜなら、外部からの力は制限的にしかモーメントに作用せず、したがって励起された振動を制限的にしか障害しないからである。さらに回転軸を慣性主軸の１つに位置決めすることによって、不平衡による影響が回避される。

動作モードの固有周波数を選定する際には、障害は通常、低周波数領域で影響することを考慮すべきである。障害が入力結合するのを困難にするため、動作モードの固有周波数はできるだけ高周波であるように設定すべきである。減衰度ないしは圧力を、振動する質量要素の消滅関数から検出する場合、動作モードの固有周波数を比較的に高くすることによって、さらに多くの評価可能な振動周期が１つの時間インターバルに入るようになる。しかし格段に高い固有周波数は比較的剛性の懸架が前提であり、比較的大きな力、通常は比較的高い電圧が質量要素を変位させるために必要である。

妥協として動作モードの固有周波数に対する適切な領域は、約１ｋＨｚから１０ｋＨｚの間、有利には２ｋＨｚから２．５ｋＨｚの間である。

とくに有利な構成では動作モードの固有周波数は２．２ｋＨｚである。

通常、最初の動作モードは、低周波数振動モードによる障害入力結合を阻止するための最低周波数振動モードである。さらにこの動作モードに続く高周波振動モードの固有周波数は理想的には、前記動作モードの固有周波数の１０倍である。この周波数差によって、障害入力結合は高周波振動モードによっても低減される。

動作モードとしてとりわけ、懸架要素が捻れによってのみ負荷される回転モード（捻れモード）が適する。したがって本発明のセンサ素子の有利な構成では、質量要素が共通の長手軸にあるエラスティックな２つの懸架要素に固定されており、振動はこの懸架要素の長手軸を中心に実行される。懸架要素が捻れによって純粋に負荷されれば、エネルギー伝達が小さくなり、ひいてはシステムの固有減衰ないしは残留減衰も小さいくなる。残留減衰が小さく、したがって圧力に依存する減衰成分の比が小さければ小さいほど低圧での測定が可能である。

本発明のセンサ素子の別の有利な変形実施例では、２つの質量要素が相互にエラスティックに接続されている。そして１つまたは２つの質量要素が基板と、または基板に対して相対的に不動の支持体とエラスティックに接続している。有利には一方の質量要素が励起される振動の検出のために使用される。他方の質量要素は減結合素子の機能を有している。この減結合素子によって検出のための質量要素が基板および／または支持体から機械的に分離され、ひいては基板および／または支持体への、懸架ないしは張架箇所（懸架要素の固定箇所）を介するエネルギー伝達（内部エネルギー損失）が低減される。エネルギー伝達は、電圧により誘発された原子の位置交換過程によって、粒界での転位ならびに交互作用の移動によって、そして熱圧縮（機械的エネルギーが、結晶格子の機械的引っ張り負荷および機械的圧縮負荷により熱に変換される）により行われる。熱圧縮は、とりわけ単結晶材料（例えば単結晶シリコン）ではドミナントに影響する。これらの過程は減衰メカニズムであり、システムの固有減衰ないしは残留減衰（外部から減衰に影響するものがない場合の減衰）を引き起こす。エネルギー伝達の大きさは、材料、負荷および構造の形状によって決定される。減結合素子を使用することによって、エネルギー伝達およびシステムの残留減衰が低下され、測定領域が低圧へ拡張される。

センサ素子をできるだけコンパクトに構成するために、質量要素は中央でカスケードされる（入れ子構造）。このために少なくとも１つの質量要素がフレーム状に構成され、プレート状またはフレーム状に構成された別の質量要素が前記フレームの内部に配置される。

本発明のセンサ素子の有利な構成では、最初の２つの振動モードは回転モードであり、２つの質量要素の共通の慣性主軸を中心にして行われる。２つの振動モードの一方では、２つの質量要素が逆相に振動する。これにより張架箇所でのエネルギー損失、ひいては支持体材料でのエネルギー損失を最小にすることができ、システムの残留減衰をさらに最適化することができる。

回転モード、とりわけ捻れモードを動作モードとして使用する場合、２つの質量要素は２つの第１のエラスティックな懸架要素を介して接続されており、この２つの第１の懸架要素は１つの共通の長手軸にある。このように接続された質量要素は２つの第２の懸架要素を介してエラスティックに基板と、および／または基板に対して不動の支持体と接続される。ここで前記２つの第２の懸架要素は前記２つの第１の懸架要素と共通の長手軸を有する。構造に起因するすべての懸架要素の捻れ負荷によるエネルギー伝達を最小にするには減結合素子を使用するのがとくに有利である。

本発明のセンサ素子に対するとくに適切な材料は、その機械的および電気的特性、ならびに良好な技術的操作性の点でシリコンである。

機械的振動の励振に必要な力は、種々異なるやり方で発生することができる。ここでは磁気作用、圧電作用、または静電作用を使用することができる。本発明のセンサ素子では、有利には静電的振動励起が使用される。このために少なくとも１つの質量要素が少なくとも部分的に導電性に構成され、これによりこの質量要素は電極として機能することができる。基板が前記質量要素の導電領域に少なくとも部分的に向くように構成されており、別の導電領域をこの基板に実現することによって対向電極が形成される。静電励起の利点は、構成が簡単であり、コスト的な利点があるほかに、電極ペアを励起に対しても、励起された振動の検出に対しても同時に使用することができることである。このことは励起電圧に、支持体信号として機能し、振動による電極間のキャパシタンス変化によって変調された高周波電気信号を重畳することによって行うことができる。引き続き、支持体信号を復調することによって、励起された振動が再現される。

静電励起のさらなる利点は、電気エネルギーを容量的にも本発明のセンサ素子に伝達できることである。これにより、真空への電気的貫通接続が不要になる。

本発明のセンサ素子を使用する、本発明の圧力検出方法は以下のステップを有する：
・少なくとも１つの質量要素を撓ませ、この質量要素の自由減衰振動を形成するステップ、
・この振動の時間的経過を測定し、振動振幅に発生する極値を検出するステップ、
・前記極値の振動振幅値を近似することにより決定された、振動振幅の極値と時間との関係から消滅定数を検出するステップ、
・前記消滅定数と圧力との既知の依存関係から圧力を検出するステップ。
本発明の方法は本発明のセンサ素子を使用し、とくに真空領域での圧力の検出に適する。ここで圧力は、自由減衰振動の消滅関数ないしは消滅定数から求められる。この消滅関数ないしは消滅定数は減衰に対する尺度である。振動能力のある質量要素は、変位された後に自由に任されると自由振動し、平衡状態に戻るまで振動する（または減衰が臨界ないしは臨界超過の場合はクリープする）。この自由振動の周波数は、振動能力のある質量要素の減衰性の固有周波数である。

消滅関数を評価することによって、減衰度を超低圧でも、およびこれに結び付いて振動する質量要素の振動係数が高い場合でも、確実に検出することができる。なぜなら振動係数に起因する遅延時間はこの検出方法では実際上、わずかな影響しか有していないからである。

遅延時間とは、システム入口での変化とシステム出口での応答との間の時間である。ここでは、システム入口での変化とシステム出口での応答の終了との間の時間が問題となる。例えばシステム入口でパラメータが跳躍関数によって変化し、これによりシステム出口での値が緩慢に上昇する場合、入力パラメータの跳躍的変化と出口パラメータの上昇の終了との間の時間が遅延時間である。減衰度ないしは圧力を励起信号の周波数制御によって検出する場合、すなわち本体が圧力に依存する共振周波数に常に励振される場合、遅延時間はとりわけ低圧では無視できない影響を有する。この検出方法では励起周波数が、測定すべき圧力に対する尺度である。低圧であり、これに結び付いて振動係数が高い場合に、システムは極端に緩慢に、すなわち励起信号の変化に大きな遅延を以て応答する。そこから、数秒の制御時間を得ることはできず、制御することは実際上不可能となる。とりわけ関係が非線形となる。なぜなら共振周波数が一方では減衰度によって、しかし他方では圧力に依存する圧搾作用によって影響されるからである。

消滅関数を評価することにより減衰度を検出することの別の利点は、この方法は、振動する質量要素の固有周波数ないしは共振周波数の変化に依存しないことである。この変化は温度変動によっても生じ得る。

本発明の第１のステップでは、センサ素子の懸架された振動能力のある質量要素が、例えば電圧（励起信号）の印加により静電的に変位される。ここで励起信号は、質量要素ができるだけ短時間で安定した静止位置（初期変位状態）に達し、振動能力のある質量要素の固有周波数は励起されないように十分に最適化されている。励起信号の上昇エッジは例えばｓｉｎ^２関数の経過にしたがうことができ、振動能力のある質量要素の第１固有周波数の振動期間の２０倍から３０倍の領域にある時間インターバルにわたって伸長している。これにより静止位置に接近するときの過励振が最小になるか、または阻止される。

初期変位状態は、できるだけ大きな測定信号を保証するためにできるだけ大きい方がよい。とりわけ質量要素が基板にぶつかること、およびこれと結び付いた高い短絡電流によるセンサ素子の破壊を回避すべきである。したがって励起信号ないし電圧は、プルイン電圧の値よりも低くすべきである。プルイン電圧とは、電気的力とばねの機械的力との間で、可能な変位領域にわたって平衡状態が生じないような電圧値である。したがってこのときに質量要素は最大に、すなわち制限部にぶつかるまで変位される。

この静止位置から出発して、例えば電極と対向電極との間の電位差が０Ｖになるまで電圧が跳躍的に変化することによって、質量要素の自由減衰振動が形成される。この自由減衰振動は、質量要素を取り囲む圧力に依存して異なる大きさで消滅する。

第２のステップで、振動の時間経過が測定ないしは走査される。この検出は例えば容量的に、または光学的に行うことができる。高い分解能と精度を達成するために、励起された動作モードの周波数の少なくとも２０倍の周波数である信号によりサンプリングされる。サンプリングにより検出された振動の振幅値に、振動振幅の発生する極値を検出するためのアルゴリズムが施される。

このアルゴリズムの後、目下の測定値が先行の測定値と比較される。付加的に、測定信号が下降しているか、または上昇しているかを記述する変数もある。測定信号は上昇しており、目下の測定値が先行の測定値よりも大きいと前提にすれば、測定信号はさら上昇する。目下の測定値が先行の測定値よりも小さければ、先行の測定値が最大である。この場合、先行の測定値が所属の時間とともに記憶される。さらに測定信号のノイズを考慮しなければならない。これは、２つの測定値がノイズ限界より上の最小絶対値だけ異なっている場合にだけ、最大値が記録されることを意味する。そうでない場合、目下の測定値は破棄され、次の測定値が１つ前の測定値と比較される。最小値の検出も同様にして行われる。測定値の比較はリアルタイムで行われる。

極値の絶対値が所定の閾値を下回るか、または設定された持続時間を越えると、測定が中断される。測定中に発生するすべての振動極値を考慮することによって、測定領域全体にわたって高い測定精度が達成される。

振動振幅の求められた極値から、さらなる方法ステップで消滅定数が求められる。ここで典型的には、極値の絶対値の自然対数が形成される。この対数値は、時間について示せば理想的には直線である。したがってこの関係を分析的に記述するために一般的な線形方程式がアプローチとして用いられる。近似値をできるだけ良好に測定値に適合するために、最小二乗誤差法が使用される。この方法によれば、測定値の近似値からの偏差は種々異なって重み付けされ、比較的大きな偏差は小さい偏差よりも近似値に大きな影響を与える。この近似法から２つの方程式が得られる。この方程式の１つにより、求める減衰度ないしは消滅定数に相当する直線勾配の計算が可能である。直線勾配ないしは消滅定数を求めるために、相応の方程式で５つの合計項が相互に計算される。これらの合計項は、対数値と所属の時間値から計算される。さらなる極値を求めるたびに、合計項の展開指数が１だけ高まる。消滅定数を計算するためには相応にして、５つの合計項の値と検出された極値（すべてではなく）を所属の時間値とともに記憶すればよい。このことは所要のメモリスペースを低減し、したがってコストの節約になる。

最後の方法ステップで、求められた消滅定数と圧力との既知の関係性から、例えば前もって求められた較正曲線から測定すべき圧力値が求められる。

有利には圧力記録器としての本発明のセンサ素子は、10^-6mbarから1000mbarの圧力に対して使用される。これに基づく圧力センサにより、表示される値の５％以下の測定誤差が達成される。これに対して従来技術では１５％が通例である。

ガラス基板を使用し、シリコンを質量要素および懸架要素ならびに支持体に使用し、アルミニウムまたは金を基板電極および線路に使用することによって、このセンサ素子は３５０℃までの使用温度で動作できる。所要の評価電子回路および制御電子回路はコンパクトに構成され、センサ素子と電子回路との導電接続は１ｍまでは測定信号に誤差を引き起こさない
一般性を制限せずに本発明を、図示の実施例を用いて詳細に説明する。

図１は、２つの懸架要素２に固定された質量要素１を備える本発明のセンサ素子を示す概略図である。 図２は、測定素子１に穿孔７を備えた本発明のセンサ素子を示す概略図である。 図３は、相互に結合された２つの質量要素１，８からなる本発明のセンサ素子を示す概略図である。

図１に示した本発明のセンサ素子は、プレート状の質量要素１からなる。この質量要素は、対向する２つの懸架要素２を介して支持体６と接続されており、支持体６は基板５と固定的に結合されている。ことに大気空気圧領域での比較的高い圧力における減衰を少なくするために、基板５には質量要素１の下側に貫通部４が設けられている。凹部ないしは貫通部４の製造に起因する幾何的公差が減衰に及ぼす影響を最小にするため、図２に示されているように、質量要素１を穿孔することができる。

図３に示した本発明のセンサ素子は、第１のフレーム状の質量要素８（減結合素子−内寸：長さ３．７６ｍｍ、幅３．２ｍｍ、深さ２５μｍ、外寸：長さ５．８ｍｍ、幅５．７ｍｍ、深さ２５μｍ）、およびフレーム内の中央に配置されたプレート状の第２の質量要素１（検出質量：長さ２．６ｍｍ、幅２．５ｍｍ、深さ２５μｍ）からなる。両質量要素１，８は、共通の長手軸上に位置している、対向し合った２つの第１の懸架要素２（第１の懸架要素の寸法：長さ５００μｍ、幅３０μｍ、深さ２５μｍ）を介して相互にエラスティックに接続されている。懸架要素２の長手軸は同時に、両質量要素１，８の共通の慣性主軸を形成する。この構成は、２つの別の懸架要素９（長さ２５０μｍ、幅５０μｍ、深さ２５μｍ）を介して支持体６とエラスティックに接続されている。２つの別の懸架要素９は第２の懸架要素であり、２つの第１の懸架要素２と共通の長手軸を有する。懸架部材２，９および質量要素１，８と同様にシリコンからなる支持体６は、ガラス基板５と固定して結合されている。

懸架要素２，９は、バー状のばねによって形成されている。測定のために励起された振動（動作モード）は、懸架要素２，９の長手軸を中心にする捻れ振動である。

フレーム状の質量要素８は減結合素子として機能し、検出質量１の懸架に起因して生じるエネルギー伝達を低減するために用いられる。

実施例の構成で、第１の振動モードは懸架要素２，９の長手軸を中心にする捻れモードであり、このモードでは２つの質量要素１，８が相互に同相に運動する。このモードの固有周波数は約１１００ Ｈｚである。（次に高周波の）第２の振動モードは、同様に懸架要素２，９の長手軸を中心にする揺動モードである。第１の振動モードとは異なり、ここでは２つの質量要素１，８は約２２００ Ｈｚで相互に逆相に運動する。この構成によって支持体６へのとくに効率的な結合が達成される。

検出質量１の下方には、これに対してセンタリングされた貫通部４（寸法：長さ３．８ ｍｍ、幅１．９ ｍｍ）が配置されている。この貫通部は基板５を貫通しており、とりわけ大気空気圧領域での比較的高圧における減衰を少なくするために用いられる。この貫通部４は、これが検出質量１の一部だけをカバーするように構成されている。検出質量１のカバ―されない領域は、非変位状態で基板５から５μｍの間隔を有する。

質量要素１，８と懸架要素２，９および支持体６のシリコンはドーピングされており、これにより導電性に構成されている。空隙を制限する基板面には、アルミニウムまたは金からなる導電性領域が基板電極３，１０として、２つの質量要素１，８に向いて配置されている。前記の実施例では、それぞれ２つの基板電極３，１０が検出質量１の下方と、フレーム状質量要素８の下方に設けられている。ここで基板電極３，１０は、２つの基板電極３、１０と、対向電極として機能する質量要素１、８との間に電圧を印加することによって、力作用ないしはトルクが懸架要素２，９の長手軸を中心に形成されるように配置されている。

検出質量１の下方の基板電極３は、励起と、励起された振動の検出の両方に用いられる。このことは電気励起信号に、支持体信号として機能し、基板電極３と検出質量１（対向電極）と間の、振動によるキャパシタンス変化によって変調された高周波電気信号を重畳することによって行うことができる。支持体信号の復調によって、検出質量１の時間的振動経過が求められる。

フレーム状質量要素８の下方にある基板電極１０は、フレーム状質量要素８が基板５と接触するような場合に対して接触したままであることを阻止する。さらにこの基板電極１０は、固有周波数の微調整ないしは補正のために使用することができる。

１ 第１の質量要素、例えば検出質量
２ 第１の懸架要素
３ 励起および／または検出のための基板電極
４ 貫通部ないし凹部
５ 基板
６ 支持体
７ 穿孔
８ 第２の質量要素、例えば結合素子
９ 第２の懸架要素
１０ 制御のための基板電極

Claims (27)

1. 基板（５）と少なくとも１つの質量要素（１）を有する圧力測定用のセンサ素子であって、
   前記質量要素（１）は、前記基板（５）に対して間隔を置いて配置されており、
   かつ前記質量要素（１）は、前記基板（５）および／または前記基板（５）に対して相対的に不動の支持体（６）と振動可能であるように接続されており、
   前記質量要素（１）と前記基板（５）との間に空隙が形成されており、
   該空隙の幅は、前記質量要素（１）の振動によって変化するセンサ素子において、
   前記空隙を画定する基板（５）の面内に、少なくとも１つの凹部および／または少なくとも１つの貫通部（４）が設けられており、
   該凹部および／または貫通部（４）は、前記質量要素（１）の振動の減衰を小さくするために設けられており、
   前記振動の減衰は、前記質量要素（１）を包囲するガスまたはプラズマによって生じる、ことを特徴とするセンサ素子。
2. 請求項１記載のセンサ素子において、
   少なくとも１つの凹部および／または貫通部（４）は、大気空気圧の領域にある最大圧力まで１以上の振動係数を保証するように構成されている、ことを特徴とするセンサ素子。
3. 請求項２記載のセンサ素子において、
   少なくとも１つの凹部および／または貫通部（４）は、大気空気圧の領域にある最大圧力まで１０以上の振動係数を保証するように構成されている、ことを特徴とするセンサ素子。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
   前記少なくとも１つの質量要素（１）は穿孔されている、ことを特徴とするセンサ素子。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
   前記空隙の幅は、前記質量要素（１）が変位されない状態で２０μｍ以下である、ことを特徴とするセンサ素子。
6. 請求項５記載のセンサ素子において、
   前記空隙の幅は、前記質量要素（１）が変位されない状態で１０μｍ以下である、ことを特徴とするセンサ素子。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
   前記少なくとも１つの質量要素（１）はプレート状に構成されている、ことを特徴とするセンサ素子。
8. 請求項１から７までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
   動作モードは、前記質量（１）の慣性主軸を値威信にして行われる回転モードである、ことを特徴とするセンサ素子。
9. 請求項８記載のセンサ素子において、
   前記動作モードの固有周波数は、１０００Ｈｚから１００００Ｈｚの間である、ことを特徴とするセンサ素子。
10. 請求項９記載のセンサ素子において、
    前記動作モードの固有周波数は、２０００Ｈｚから２５００Ｈｚの間である、ことを特徴とするセンサ素子。
11. 請求項１０記載のセンサ素子において、
    前記動作モードの固有周波数は２２００Ｈｚである、ことを特徴とするセンサ素子。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    前記動作モードに続く高周波振動モードの固有周波数は、少なくとも前記動作モードの固有周波数の１０倍である、ことを特徴とするセンサ素子。
13. 請求項８から１２までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    前記動作モードは捻れモードである、ことを特徴とするセンサ素子。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    前記少なくとも１つの質量要素（１）は、共通の長手軸にある２つのエラスティックな懸架要素（２）に固定されている、ことを特徴とするセンサ素子。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    前記質量要素（１）は、少なくとも１つの別の質量要素（８）とエラスティックに接続されており、
    前記質量要素（１）および／または前記別の質量要素（８）は、前記基板（５）および／または該基板に対して不動の支持体（６）と接続されている、ことを特徴とするセンサ素子。
16. 請求項１５記載のセンサ素子において、
    前記質量要素の１つ（１）は励起される振動を検出するためのものであり、
    それぞれ別の質量要素（８）は、前記検出のための質量要素（１）を前記基板（５）ないしは支持体（６）から機械的に減結合するために用いられる、ことを特徴とするセンサ素子。
17. 請求項１６記載のセンサ素子において、
    前記別の質量要素の１つ（８）はフレーム状に構成されており、
    当該質量要素（８）内にプレート状またフレーム状に構成された前記質量要素（１）が配置されている、ことを特徴とするセンサ素子。
18. 請求項１７記載のセンサ素子において、
    最初の２つの振動モードは、前記両質量要素（１，８）の共通の慣性主軸を中心にする回転モードであり、
    前記２つの振動モードの少なくとも１つは、前記両質量要素（１，８）は逆相に運動する動作モードである、ことを特徴とするセンサ素子。
19. 請求項１８記載のセンサ素子において、
    前記動作モードは捻れモードである、ことを特徴とするセンサ素子。
20. 請求項１９記載のセンサ素子において、
    前記両質量要素（１，８）は、共通の長手軸にあるエラスティックな２つの第１の懸架要素（２）を介して接続されており、
    このように接続された前記両質量要素（１，８）は、前記２つの第１の懸架要素（２）と共通の長手軸を有する２つの第２の懸架要素（９）を介して、前記基板（５）および／または該基板に対して不動の支持体（６）とエラスティックに接続されている、ことを特徴とするセンサ素子。
21. 請求項１から２０までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    前記センサ素子はシリコンを含有するか、またはシリコンからなる、ことを特徴とするセンサ素子。
22. 請求項１から２１までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    前記質量要素（１，８）の少なくとも１つは導電性材料を含有するか、または導電性材料からなり、
    前記空隙を画定する基板面には少なくとも１つの基板電極（）３，１０）が、前記質量要素（１，８）に少なくとも部分的に向いて配置されており、
    前記質量要素（１，８）と前記基板電極（３，１０）との間に電圧を印加することによって、前記質量要素（１，８）は静電的に変位し、および／または該変位により惹起された機械的振動を測定することができる、ことを特徴とするセンサ素子。
23. 請求項１から２２までのいずれか一項記載のセンサ素子において、
    センサ素子または支持体（６）は容器の壁と、前記少なくとも１つの質量要素（１，８）の振動を励起するためのエネルギーが前記容器の壁を介して前記センサ素子または支持体（６）に容量的に伝達されるように接続されている、ことを特徴とするセンサ素子。
24. 請求項１から２３までのいずれか一項記載のセンサ素子を使用する圧力の検出方法において、以下のステップを有する：
    ・少なくとも１つの質量要素（１，８）を変位させ、該質量要素（１，８）の自由減衰振動を形成するステップ、
    ・前記振動の時間的経過を測定し、振動振幅に発生する極値を検出するステップ、
    ・前記極値の振動振幅値を近似することにより決定された、振動振幅の極値と時間との関係から消滅定数を検出するステップ、
    ・前記消滅定数と圧力との既知の依存関係から圧力を検出するステップ、を有することを特徴とする検出方法。
25. 請求項１から２３までのいずれか一項記載のセンサ素子の使用法であって、
    10^-6 mbrから1000 mbrの圧力に対する圧力記録器として使用する使用法。
26. 請求項２５記載のセンサ素子の使用法であって、圧力センサに使用し、
    測定偏差は実際の値の５％以下である使用法。
27. 請求項１から２３までのいずれか一項記載のセンサ素子の使用法であって、
    圧力記録器として、３５０℃までの温度で使用する使用法。

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