JP2009198337A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ装置に関する。 The present invention relates to a sensor device.
フレーム部の内側に薄膜状のダイヤフラムを形成すると共に、ダイヤフラム上にカーボンナノチューブ素子を形成したセンサ装置が知られている。このセンサ装置では、物量量の変化に応じてダイヤフラムが変位し、カーボンナノチューブ素子に歪みが発生する。この歪みによってカーボンナノチューブ素子の抵抗値は変化し、この抵抗値の変化によって、各種の物理量を検出することができる(特許文献1参照)。
センサ装置では、高感度化を図るためにダイヤフラムの変位量を大きくしてカーボンナノチューブ素子に加わる歪みを大きくする必要がある。このため、よりダイヤフラムを薄く形成する必要がある。しかし、従来のセンサ装置において、ダイヤフラムを薄くすると、ダイヤフラムの破壊耐圧が低下してしまうため、高感度化にも限界が生じてしまう。特に、車載関係などの分野では、センサ機能が停止してしまうことを避けるために、破壊耐圧を低下させるわけにもいかず、ダイヤフラムを薄くすることに限界があり、高感度化が一層困難となっている。 In the sensor device, in order to increase sensitivity, it is necessary to increase the amount of displacement of the diaphragm and increase the strain applied to the carbon nanotube element. For this reason, it is necessary to form a thinner diaphragm. However, in the conventional sensor device, if the diaphragm is thinned, the breakdown voltage of the diaphragm is lowered, so that there is a limit to increasing the sensitivity. In particular, in fields such as in-vehicle, there is a limit to making the diaphragm thinner in order to prevent the breakdown of the sensor function in order to avoid stopping the sensor function, making it more difficult to achieve high sensitivity. ing.
本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することが可能なセンサ装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a sensor device capable of suppressing a decrease in breakdown voltage while achieving high sensitivity. It is.
本発明に係るセンサ装置は、固定支持されたフレーム部と、物理量の変化に応じて変位する可動部と、フレーム部と可動部とに架け渡されるカーボンナノチューブ素子と、フレーム部と可動部とを連結すると共に蛇腹状に形成されたコルゲート部と、を備え、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、検出対象となる物理量を検出する。 A sensor device according to the present invention includes a frame portion that is fixedly supported, a movable portion that is displaced according to a change in physical quantity, a carbon nanotube element that spans between the frame portion and the movable portion, a frame portion, and a movable portion. And a corrugated portion formed in a bellows shape, and detects a physical quantity to be detected based on the amount of change in the resistance value of the carbon nanotube element.
このセンサ装置によれば、フレーム部と可動部とを連結する蛇腹状のコルゲート部を備えるため、蛇腹の伸縮によりフレーム部に対する可動部の変位量を大きくすることができると共に、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量についても大きくすることができる。よって、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量を大きくするために、可動部等を過度に薄膜化する必要が無く、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。 According to this sensor device, the bellows-like corrugated portion that connects the frame portion and the movable portion is provided, so that the displacement of the movable portion relative to the frame portion can be increased by the expansion and contraction of the bellows, and the resistance of the carbon nanotube element is increased. The amount of change in value can also be increased. Therefore, in order to increase the amount of change in the resistance value of the carbon nanotube element, it is not necessary to excessively reduce the thickness of the movable part and the like, and a reduction in breakdown voltage can be suppressed while achieving high sensitivity.
また、本発明に係るセンサ装置において、カーボンナノチューブ素子は、フレーム部から可動部に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子が可動部上において電気的に接続されていることが好ましい。 In the sensor device according to the present invention, it is preferable that a plurality of carbon nanotube elements are provided side by side from the frame part toward the movable part, and these carbon nanotube elements are electrically connected on the movable part.
このセンサ装置によれば、カーボンナノチューブ素子は、フレーム部から可動部に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子が可動部上において電気的に接続されているため、可動部の変位量を検出するために配線パターンと接続される電極を可動部上に設ける必要がなくなる。このため、可動部という変位する部材に配線することなく、フレーム部という安定的な部位に配線することができ、断線等を防止することができる。 According to this sensor device, a plurality of carbon nanotube elements are provided side by side from the frame part toward the movable part, and since these carbon nanotube elements are electrically connected on the movable part, the displacement amount of the movable part It is not necessary to provide an electrode connected to the wiring pattern on the movable part in order to detect the above. For this reason, it is possible to perform wiring to a stable part called the frame part without wiring to a member to be displaced called the movable part, and disconnection or the like can be prevented.
また、本発明に係るセンサ装置において、可動部は、コルゲート部によって全周に亘りフレーム部に支持され、可動部及びコルゲート部は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出することが好ましい。 In the sensor device according to the present invention, the movable part is supported by the corrugated part on the frame part over the entire circumference, and the movable part and the corrugated part are formed into a thin film to form a diaphragm part, and the resistance value of the carbon nanotube element It is preferable to detect the pressure difference between the front and back of the diaphragm portion based on the amount of change.
このセンサ装置によれば、可動部は、コルゲート部によって全周に亘りフレーム部に支持され、可動部及びコルゲート部は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出するため、本発明に係るセンサ装置を圧力センサとして用いることができる。 According to this sensor device, the movable part is supported by the frame part over the entire circumference by the corrugated part, and the movable part and the corrugated part are formed into a thin film to form a diaphragm part, and the amount of change in the resistance value of the carbon nanotube element Therefore, the sensor device according to the present invention can be used as a pressure sensor in order to detect the pressure difference between the front and back surfaces of the diaphragm portion.
また、本発明に係るセンサ装置において、可動部に設けられた重りをさらに備え、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、重りに付与される加速度を検出することが好ましい。 In the sensor device according to the present invention, it is preferable that the sensor device further includes a weight provided on the movable portion, and detects an acceleration applied to the weight based on a change amount of the resistance value of the carbon nanotube element.
このセンサ装置によれば、可動部に設けられた重りをさらに備え、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、重りに付与される加速度を検出するため、本発明に係るセンサ装置を加速度センサとして用いることができる。 According to this sensor device, the sensor device according to the present invention is further provided with a weight provided in the movable part, and the sensor device according to the present invention detects the acceleration applied to the weight based on the change amount of the resistance value of the carbon nanotube element. It can be used as a sensor.
また、本発明に係るセンサ装置において、カーボンナノチューブ素子は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられていることが好ましい。 In the sensor device according to the present invention, it is preferable that a plurality of carbon nanotube elements are provided in directions orthogonal to each other in a planar arrangement state.
このセンサ装置によれば、カーボンナノチューブ素子は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられているため、平面上において2次元方向の加速度を検出できると共に、平面に垂直な方向の加速度を検出することができる。従って、3次元方向の加速度を検出する加速度センサを提供することができる。 According to this sensor device, since a plurality of carbon nanotube elements are provided in a direction orthogonal to each other in the planar arrangement state, acceleration in a two-dimensional direction on the plane can be detected and acceleration in a direction perpendicular to the plane can be detected. can do. Therefore, an acceleration sensor that detects acceleration in a three-dimensional direction can be provided.
本発明によれば、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in breakdown voltage while achieving high sensitivity.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であって、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。センサ装置1は、シリコン基板を加工して形成したものであって、装置に加わる物理量を検出するものである。このセンサ装置1は、図1に示すように、フレーム部10と、可動部20と、複数のカーボンナノチューブ部30と、コルゲート部40とを備えている。なお、第1実施形態では、検出対象となる物理量として圧力差を検出するセンサ装置1を例に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a sensor device according to a first embodiment of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view. The
フレーム部10は、図1(b)に示すように、矩形枠状に形成され、例えばガラス製の台座に固定支持されたものである。可動部20は、センサ装置1に加わる物理量に応じて変位するものであって、裏面側から例えば異方性エッチングにより凹部が形成されることによって薄膜状に形成されている(図1(a)参照)。この可動部20は、図1(b)に示すように、フレーム部10の内側で全周に亘りコルゲート部40によって支持されている。
As shown in FIG. 1B, the
カーボンナノチューブ部30は、カーボンナノチューブ素子31によって構成されている。カーボンナノチューブ素子31は、変形に応じて導電率、すなわち抵抗値が変化する素子であって、フレーム部10と可動部20に架け渡されて配置されている。また、カーボンナノチューブ素子31は、図1(b)に示すように、フレーム部10から可動部20に向けて複数本(本実施形態では2本)並べて設けられており、それぞれのカーボンナノチューブ素子31の一端には電極32が設けられ、他端にはコンタクト部33が設けられている。具体的には、フレーム部10上の第1電極32aから可動部20に向けて第1カーボンナノチューブ素子31aが架け渡され、可動部20上のコンタクト部33に至り、コンタクト部33において折り返されるようにして、フレーム部10に向けて第2カーボンナノチューブ素子31bが架け渡され、フレーム部10上の第2電極32bに至る構成となっている。このように、複数本並べて設けられるカーボンナノチューブ素子31は、可動部20上において電気接続された構造となっている。
The
なお、本実施形態においてカーボンナノチューブ部30は、コンタクト部33を有しているが、これに限らず、コンタクト部33を有していなくともよい。
In the present embodiment, the
加えて、カーボンナノチューブ部30は、複数設けられており、第1カーボンナノチューブ部30aは、矩形状のフレーム部10の一端側から可動部20に向けて架け渡されている。また、第2カーボンナノチューブ部30bは、フレーム部10の他端側から可動部20に向けて架け渡されている。このように、カーボンナノチューブ部30は、フレーム部10の両側から可動部20へ架け渡された構成となっている。
In addition, a plurality of
コルゲート部40は、フレーム部10と可動部20とを連結するものであって、蛇腹状に構成されたものである。また、コルゲート部40は、薄膜形成されている。このため、可動部20及びコルゲート部40は、ダイヤフラム部を構成しており、可動部20は、ダイヤフラム部の表裏の圧力差に応じて、ダイヤフラム部の表裏方向に変位する構成となっている。
The
次に、本実施形態に係るセンサ装置1の動作を説明する。まず、図1(a)に示すように、ダイヤフラム部の裏側から表側よりも高い圧力が加わったとする。このとき、ダイヤフラム部が薄膜形成されているため、可動部20は、表側へ変位することとなる。これにより、カーボンナノチューブ部30のカーボンナノチューブ素子31も変形することとなり、カーボンナノチューブ素子31の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差が検出される。
Next, the operation of the
特に、本実施形態では、フレーム部10と可動部20との間に蛇腹状のコルゲート部40が設けられているため、蛇腹状でない場合と比較して可動部20の変位量は大きくなる。これにより、カーボンナノチューブ素子31も変形量が大きくなって、抵抗値の変化量についても大きくなる。よって、センサ装置1は、圧力差の検出感度が高められることとなる。
In particular, in the present embodiment, since the bellows-like
なお、圧力差の検出については、例えば、第1電極32aと第2電極32bとを配線パターンに接続して所定電圧を印加しておく。これにより、可動部20が変位してカーボンナノチューブ素子31の抵抗値が変化すると、電流値が変化してダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出することができる。
For detection of the pressure difference, for example, the
また、本実施形態では、カーボンナノチューブ素子31が複数本並べて設けられ、これらが可動部20上で電気接続されているため、可動部20の変位量を検出するために配線パターンと接続される電極32を可動部20上に設ける必要がなくなる。このため、可動部20という変位する部材に配線することなく、フレーム部10という安定的な部位に配線することができ、断線等を防止することができる。
Further, in the present embodiment, a plurality of
このようにして、第1実施形態に係るセンサ装置1によれば、フレーム部10と可動部20とを連結する蛇腹状のコルゲート部40を備えるため、蛇腹の伸縮によりフレーム部10に対する可動部20の変位量を大きくすることができると共に、カーボンナノチューブ素子31の抵抗値の変化量についても大きくすることができる。よって、カーボンナノチューブ素子31の抵抗値の変化量を大きくするために、可動部20等を過度に薄膜化する必要が無く、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。
As described above, according to the
また、カーボンナノチューブ素子31は、フレーム部10から可動部20に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子31が可動部20上において電気的に接続されているため、可動部20の変位量を検出するために配線パターンと接続される電極を可動部20上に設ける必要がなくなる。このため、可動部20という変位する部材に配線することなく、フレーム部10という安定的な部位に配線することができ、断線等を防止することができる。
Further, a plurality of
また、可動部20は、コルゲート部40によって全周に亘りフレーム部10に支持され、可動部20及びコルゲート部40は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、カーボンナノチューブ素子31の抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出するため、本実施形態に係るセンサ装置1を圧力センサとして用いることができる。
The
次に、第2実施形態に係るセンサ装置を説明する。第2実施形態に係るセンサ装置は、第1実施形態のものと同様であるが、構成が一部異なっている。以下、第1実施形態との相違点のみ説明する。 Next, a sensor device according to a second embodiment will be described. The sensor device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration is partially different. Hereinafter, only differences from the first embodiment will be described.
図2は、第2実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であって、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。図2に示すセンサ装置2は、検出対象となる物理量として加速度を検出するものであって、図1に示した構成に加えて、図2(a)に示すように、重り50を備えている。重り50は、エッチングによって形成された凹部内に位置するように、可動部20と一体的に設けられている。
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a sensor device according to the second embodiment, in which (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view. The sensor device 2 shown in FIG. 2 detects acceleration as a physical quantity to be detected, and includes a
また、カーボンナノチューブ部30は、平面配置状態で互いに直交する方向に複数(本実施形態では4つ)設けられている。具体的には、図2(b)に示すようにフレーム面と直交する方向にZ軸を想定し、フレーム面と平行に互いに直交関係にあるX軸及びY軸を想定した場合、第1及び第2カーボンナノチューブ部30a,30bがX軸に平行となるように配置されている。また、残り2つの第3及び第4カーボンナノチューブ30c,30dはY軸に平行となるように配置されている。これにより、センサ装置2は、3次元の加速度センサとして機能することができる。
A plurality (four in this embodiment) of the
次に、本実施形態に係るセンサ装置2の動作を説明する。図3は、第2実施形態に係るセンサ装置2の動作を示す断面図である。まず、X軸に対して正の向きに加速度が加わったとする。この場合、可動部20は、重り50の重心位置Gを中心に回転運動することとなる。このため、第1カーボンナノチューブ部30aは、Z軸に対して負の方向(可動部20の表側を正とする)に変位し、第2カーボンナノチューブ部30bはZ軸に対して正の方向に変位する。これにより、第1及び第2カーボンナノチューブ部30a,30bのカーボンナノチューブ素子31は、抵抗値が変化することとなる。また、この場合において、第3及び第4カーボンナノチューブ部30c,30dは捻れることとなり、第3及び第4カーボンナノチューブ部30c,30dのカーボンナノチューブ素子31についても抵抗値が変化することとなる。そして、抵抗値の変化量から、重り50に付与される加速度が検出されることとなる。
Next, the operation of the sensor device 2 according to this embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the operation of the sensor device 2 according to the second embodiment. First, it is assumed that acceleration is applied in a positive direction with respect to the X axis. In this case, the
一方、Z軸に対して正の向きに加速度が加わったとする。この場合、可動部20は、重り50の重心位置Gは、Z軸に対して正の方向に変位することとなる。このとき、第1〜第4カーボンナノチューブ部30a〜30dのカーボンナノチューブ素子31についても、Z軸に対して正の方向に変位することとなり、抵抗値が変化することとなる。そして、抵抗値の変化量から、重り50に付与される加速度が検出されることとなる。
On the other hand, it is assumed that acceleration is applied in a positive direction with respect to the Z axis. In this case, in the
なお、図3(a)では、X軸に対して正の向きに加速度が加わった場合を例示したが、X軸に対して負の向きに加速度が加わった場合、並びに、Y軸に対して正又は負の向きに加速度が加わった場合についても同様である。また、図3(b)では、Z軸に対して正の向きに加速度が加わった場合を例示したが、Z軸に対して負の向きに加速度が加わった場合も同様である。加えて、XYZ軸に沿わない方向から加速度が加わった場合、センサ装置2は、図3(a)及び図3(b)に示した例を複合することによって抵抗値の変化量から、重り50に付与される加速度を検出することができる。 FIG. 3A illustrates the case where acceleration is applied in the positive direction with respect to the X axis, but the case where acceleration is applied in the negative direction with respect to the X axis and the case where the acceleration is applied with respect to the Y axis. The same applies when acceleration is applied in a positive or negative direction. FIG. 3B illustrates the case where acceleration is applied in a positive direction with respect to the Z axis. However, the same applies to the case where acceleration is applied in a negative direction with respect to the Z axis. In addition, when acceleration is applied from a direction that does not follow the XYZ axes, the sensor device 2 combines the example shown in FIG. 3A and FIG. It is possible to detect the acceleration applied to.
このようにして、第2実施形態に係るセンサ装置2によれば、第1実施形態と同様に、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。 Thus, according to the sensor device 2 according to the second embodiment, as in the first embodiment, it is possible to suppress a decrease in the breakdown voltage while achieving high sensitivity.
さらに、第2実施形態によれば、可動部20に設けられた重り50をさらに備え、カーボンナノチューブ素子31の抵抗値の変化量に基づいて、重り50に付与される加速度を検出するため、本実施形態に係るセンサ装置2を加速度センサとして用いることができる。
Further, according to the second embodiment, the
また、カーボンナノチューブ素子31は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられているため、平面上において2次元方向の加速度を検出できると共に、平面に垂直な方向の加速度を検出することができる。従って、3次元方向の加速度を検出する加速度センサを提供することができる。
In addition, since a plurality of
以上、本発明に係るセンサ装置を実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。 The sensor device according to the present invention has been described above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to this, and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施形態においてカーボンナノチューブ部30は、2本のカーボンナノチューブ素子31を有しているが、これに限らず、1本又は3本以上であってもよい。
For example, although the
また、上記実施形態においてカーボンナノチューブ部30は、2つ又は4つであるが、これに限らず、1つ、3つ又は5つ以上であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
さらに、第2実施形態に係るセンサ装置2は、可動部20の全周に亘ってコルゲート部40が設けられてフレーム部10に支持されているが、これに限らず、可動部20の全周に亘ってコルゲート部40が設けられていなくともよい。
Furthermore, in the sensor device 2 according to the second embodiment, the
1,2 センサ装置
10 フレーム部
20 可動部
30 カーボンナノチューブ部
31 カーボンナノチューブ素子
40 コルゲート部
50 重り
DESCRIPTION OF
Claims (5)
物理量の変化に応じて変位する可動部と、
前記フレーム部と前記可動部とに架け渡されるカーボンナノチューブ素子と、
前記フレーム部と前記可動部とを連結すると共に蛇腹状に形成されたコルゲート部と、を備え、
前記カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、検出対象となる物理量を検出する
ことを特徴とするセンサ装置。 A fixedly supported frame portion;
A movable part that is displaced according to a change in physical quantity;
A carbon nanotube element bridged between the frame part and the movable part;
A corrugated portion that connects the frame portion and the movable portion and is formed in a bellows shape;
A sensor device that detects a physical quantity to be detected based on a change amount of a resistance value of the carbon nanotube element.
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。 2. The carbon nanotube elements are provided side by side from the frame part toward the movable part, and these carbon nanotube elements are electrically connected on the movable part. Sensor device.
前記可動部及び前記コルゲート部は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、
前記カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、前記ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載のセンサ装置。 The movable part is supported by the frame part over the entire circumference by the corrugated part,
The movable part and the corrugated part are formed into a thin film to form a diaphragm part,
The sensor device according to claim 1, wherein a pressure difference between the front and back of the diaphragm portion is detected based on a change amount of a resistance value of the carbon nanotube element.
前記カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、前記重りに付与される加速度を検出する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載のセンサ装置。 A weight provided on the movable part;
The sensor device according to claim 1, wherein an acceleration applied to the weight is detected based on a change amount of a resistance value of the carbon nanotube element.
ことを特徴とする請求項4に記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 4, wherein a plurality of the carbon nanotube elements are provided in directions orthogonal to each other in a planar arrangement state.
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