JP2013234853A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】微小な圧力変動の検出を精度良く行うことができると共に、圧力変動の下限周波数を所望する値に設定でき、検出できる圧力変動の周波数帯域を任意に設定すること。
【解決手段】所定の周波数帯域の圧力変動を検出するセンサであって、キャビティ１０が形成されたセンサ本体３と、センサ本体に片持ち状に支持された状態で連通開口１１の内側に配設され、キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバー４と、カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、を備え、カンチレバーの外周縁と連通開口の開口端との間にはギャップ１３が形成され、周波数帯域における下限周波数ｆ_ＬＯＷ（Ｈｚ）は下記式（１）によって設定されている圧力センサを提供する。
ｆ_ＬＯＷ ＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）・・・（１）〔ｋは比例定数、Ｇはギャップの幅（μｍ）、Ｖはキャビティの容積（ｍｌ）である。〕
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力差に基づいて圧力変動を検出する圧力センサに関する。

従来、圧力変動を検出する圧力センサ（差圧センサ）として、例えば、透孔又は凹部を有する基板と、通気孔を有する収納容器と、収納容器内に配設され、透孔内又は凹部内で振動可能に基板に片持ち支持された圧電素子と、を具備した圧力センサが知られている（特許文献１参照）。
この圧力センサによれば、通気孔を介して収納容器内に伝わる圧力変動に反応して圧電素子が振動するので、この圧電素子の電圧変化に基づいて圧力変動を検出することが可能とされる。

特開平４−２０８８２７号公報

ところで、この種の圧力センサでは、その用途等に応じた周波数帯域内において圧力変動を検出することができるように設計がなされる。この際、圧力変動の検出感度としては、例えば上記特許文献１の圧力センサを例に挙げると、圧電素子の形状や、透孔又は凹部の容積や、透孔又は凹部と外気との間を出入りする流量等によって決定がなされ、特に圧電素子の形状によって大きく左右される。

しかしながら、圧電素子は圧電体の両面に電極膜等を具備する構成とされ、その構造上、薄型化を図り難く、変形量を大きく確保することが難しい。従って、圧力変動検出に限度があり、微小な圧力変動の検出を行う場合には不十分であった。

また、検出することができる圧力変動の上限周波数は、圧電素子の共振周波数近傍であると考えられるが、その一方、下限周波数については、設計指針が何ら得られていないのが現状である。そのため、ゆっくりと圧力変動した場合、どの程度のレベルまで測定することができるのか否かといったことを正確に把握することは困難であった。
よって、設計パラメータを変えたものを複数種類作製し、これらの結果を複数組み合わせることで、下限周波数を実測するしか手立てがなかった。従って、検出できる下限周波数を任意の値に設定するといったことは、実際上困難とされている。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、微小な圧力変動の検出を精度良く行うことができると共に、圧力変動の下限周波数を所望する値に設定でき、検出できる圧力変動の周波数帯域を任意に設定することができる圧力センサを提供することである。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
（１）本発明に係る圧力センサは、所定の周波数帯域の圧力変動を検出する圧力センサであって、キャビティと、該キャビティの内部と外部とを連通する連通開口と、が形成されたセンサ本体と、半導体材料により基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状に形成され、基端部が前記センサ本体に片持ち状に支持された状態で前記連通開口の内側に配設され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、を備え、前記カンチレバーの外周縁と前記連通開口の開口端との間には、該カンチレバーの外周縁に沿ってギャップが形成され、前記周波数帯域における下限周波数ｆ_ＬＯＷ（Ｈｚ）は、下記式（１）によって設定されていることを特徴とする。
ｆ_ＬＯＷ ＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）・・・（１）〔式中、ｋは比例定数、Ｇは前記ギャップの幅（μｍ）、Ｖは前記キャビティの容積（ｍｌ）である。〕

本発明に係る圧力センサによれば、センサ外部の圧力が変動すると、キャビティの外部と内部との間に圧力差が生じ、この圧力差に応じてカンチレバーが撓み変形する。また、この変形後、時間の経過と共にギャップを通じて圧力伝達媒体がキャビティの内部と外部との間を流動するので、キャビティの内部と外部との圧力が徐々に均衡状態となり、カンチレバーの撓みが徐々に小さくなって元の状態に復帰する。従って、変位測定部によるカンチレバーの変位測定（撓み変形測定）の結果に基づいて、圧力変動を検出することができる。
特に、シリコン等の半導体材料を利用して半導体プロセス技術によりカンチレバーを形成できるので、従来の圧電素子に比べて薄型化し易く、微小な圧力変動の検出を精度良く行うことができる。

ところで、ギャップの幅が大きい場合には、キャビティの内部と外部との圧力差が得られ難くなるので、圧力変動の下限周波数が上昇する傾向にある。これに対してギャップの幅が小さい場合には、キャビティの内部と外部との圧力差を維持しておき易いので、微小な圧力変動であっても検出し易く、圧力変動の下限周波数が低下する傾向にある。
また、キャビティの容積が小さい場合には、ギャップの幅が大きい場合と同様に、キャビティの内部と外部との圧力差が得られ難くなるので、圧力変動の下限周波数が上昇する傾向にある。これに対してキャビティの容積が大きい場合には、ギャップの幅が小さい場合と同様に、キャビティの内部と外部との圧力差を維持しておき易いので、圧力変動の下限周波数が低下する傾向にある。

そして、本発明者らは、これらの一般的な関係をさらにつきつめて、下限周波数と、ギャップの幅と、キャビティの容積と、の関係が上記式（１）の関係式を満たすことを見出した。これにより、ギャップの幅及びキャビティの容積の値を変化させるだけの簡便な設計で、従来ではなしえなかった圧力変動の下限周波数を所望する値に設定することが可能となる。従って、検出することができる圧力変動の周波数帯域を任意に設定することができ、各種の用途に幅広く対応でき、最適な性能を発揮し易い高品質な圧力センサとすることができる。

（２）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記比例定数ｋは、０．００５〜０．０２の範囲内とされていることが好ましい。

この場合には、ギャップの幅が１μｍ〜１０μｍの範囲内で、且つキャビティの容積が０．５ｍｌ〜５ｍｌの範囲内において、下限周波数をより正確に所望する値に設定することが可能となる。

（３）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記下限周波数ｆ_ＬＯＷは、下記式（２）を満たすことが好ましい。
ｆ_ＬＯＷ ＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）＞ｆ_{ｎｏｉｓｅ}・・・（２）
〔式中、ｆ_{ｎｏｉｓｅ}は、ノイズ周波数（Ｈｚ）である。〕

この場合には、圧力変動の下限周波数をノイズカットしたい周波数よりも高くすることができるので、例えば大気圧変動の影響を受け難い圧力センサとすることができ、検出対象の圧力変動を集中して検出でき、センサとしての価値をさらに高めることができる。

（４）上記本発明に係る圧力センサにおいて、前記変位測定部は、前記カンチレバーの基端部に形成されたピエゾ抵抗を備えることが好ましい。

この場合には、ピエゾ抵抗を利用するので自己変位検出型のカンチレバーとすることができ、圧力変動の検出をさらに高精度に検出することが可能である。

本発明に係る圧力センサによれば、微小な圧力変動の検出を精度良く行うことができると共に、圧力変動の下限周波数を所望する値に設定でき、検出できる圧力変動の周波数帯域を任意に設定することができる。

本発明に係る実施形態を示す図であって、圧力センサの平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサの断面図である。 図１に示す圧力センサの出力の一例を示す図である。 図１に示す圧力センサの動作の一例を示す図である。 図１に示す圧力センサにおいて、外気圧と、内気圧と、外気圧と内気圧との差圧と、の関係を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第１検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第２検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第３検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第４検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第５検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第６検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第７検証試験の結果を示す図である。 図１に示す圧力センサを利用した第８検証試験の結果を示す図である。 本発明に係る圧力センサの変形例を示す平面図である。 図１４に示す検出回路の構成図である。

以下、本発明に係る圧力センサの実施形態について図面を参照して説明する。
＜圧力センサの構成＞
図１及び図２に示すように、本実施形態の圧力センサ１は、所定の周波数帯域の圧力変動を検出するセンサであって、例えばシリコン支持層２ａ、シリコン酸化膜等の酸化層２ｂ、及びシリコン活性層２ｃを熱的に張り合わせたＳＯＩ基板２を利用して形成され、センサ本体３と、カンチレバー４と、変位測定部５と、を備えている。

上記センサ本体３は、例えばＳＯＩ基板２におけるシリコン支持層２ａ及び酸化層２ｂによって、上方に開口する有底筒状に形成されている。センサ本体３の内部空間は、キャビティ（空気室）１０として機能し、上方に開口した部分はキャビティ１０の内部と外部とを連通する連通開口１１として機能する。
なお、図示の例では、センサ本体３は平面視長方形状に形成されているが、この形状に限定されるものではない。

上記カンチレバー４は、センサ本体３の長手方向に沿いながら基端部４ａから自由端とされた先端部４ｂに向けて一方向に延びる板状に形成されており、基端部４ａがセンサ本体３に片持ち状に支持された状態で連通開口１１の内側に配設されている。

より具体的には、このカンチレバー４は、例えばＳＯＩ基板２におけるシリコン活性層２ｃからなり、基端部４ａを介してセンサ本体３における周壁部３ａの一部の上面に一体的に固定されることで、片持ち支持されている。この際、カンチレバー４のサイズとしては、連通開口１１の開口端に近接する平面視長方形状とされており、連通開口１１を略閉塞している。これにより、カンチレバー４は、基端部４ａを中心としてキャビティ１０の内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能とされる。

なお、センサ本体３における周壁部３ａの残りの部分の上面には、ＳＯＩ基板２におけるシリコン活性層２ｃからなる枠部１２が一体的に固定されている。また、カンチレバー４の外周縁と連通開口１１の開口端との間には、カンチレバー４の外周縁に沿って幅Ｇのギャップ１３が平面視コの字状に形成されている。

なお、図示の例では、センサ本体３の長手方向側の幅と、短手方向側の幅と、が共に同じ幅Ｇで形成されたギャップ１３を例にしているが、例えば、長手方向側の幅と、短手方向側の幅と、が異なる幅となるようにギャップ１３を形成しても良いし、幅寸法が適宜変化するようにギャップ１３を形成しても構わない。
この場合、最も幅広とされた部分の幅寸法を幅Ｇとして、後述する式（１）で用いれば良い。

カンチレバー４の基端部４ａには、平面視コの字状の貫通孔１５が形成されており、該カンチレバー４が撓み変形し易い設計とされている。但し、この貫通孔１５の形状は、上記形状に限定されるものではない。また、この貫通孔１５は、必須なものではなく、形成されていなくても構わない。

更に、カンチレバー４の基端部４ａには、該カンチレバー４の撓み量（変位量）に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗２０が、貫通孔１５をセンサ本体３の短手方向から挟み込むように形成されている。これらピエゾ抵抗２０には、導電性材料からなる配線部２１が接続されており、この配線部２１及びピエゾ抵抗２０を含む全体的な形状が平面視Ｕ字状とされている。また、ピエゾ抵抗２０には、該ピエゾ抵抗２０の抵抗値変化に基づいてカンチレバー４の変位を測定する検出回路２２が接続されている。

これにより、検出回路２２を通じて一方のピエゾ抵抗２０に所定電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、貫通孔１５を回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗２０から配線部２１を経由して他方のピエゾ抵抗２０に流れる。
そのため、検出回路２２は、カンチレバー４の変位（撓み変形）に応じて変化するピエゾ抵抗２０の抵抗値変化を電気的な出力信号として取り出すことが可能とされている。従って、この出力信号（センサ出力）に基づいてカンチレバー４の変位を測定でき、圧力変動を検出することが可能となる。

なお、上記ピエゾ抵抗２０は、例えばリン等のドープ剤（不純物）をイオン注入法や拡散法等の各種の方法によりドーピングされることで形成されている。また、ピエゾ抵抗２０及び配線部２１上には、図示しない絶縁膜が保護膜として被膜されており、外部との電気的な接触の防止がなされている。
また、上記したピエゾ抵抗２０、配線部２１及び検出回路２２は、カンチレバー４の変位を測定する変位測定部５として機能する。

（圧力センサの作動）
次に、上述した圧力センサ１を利用して、圧力変動を検出する場合について説明する。
はじめに、図３（Ａ）に示す期間Ａのように、キャビティ１０の外部の圧力（以下、外気圧Ｐ_ｏｕｔと称する）と、キャビティ１０の内部の圧力（以下、内気圧Ｐ_ｉｎと称する）との圧力差がゼロである場合には、図４（Ａ）に示すように、カンチレバー４は撓み変形することがない。

ここで、図３（Ａ）に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、例えば外気圧Ｐ_ｏｕｔがステップ状に上昇すると、キャビティ１０の外部と内部との間に圧力差が生じるので、図４（Ｂ）に示すようにカンチレバー４はキャビティ１０の内部に向けて撓み変形する。
すると、カンチレバー４の撓み変形に応じてピエゾ抵抗２０に歪が生じ、抵抗値が変化するので、図３（Ｂ）に示すように上記出力信号が増大する。

また、外気圧Ｐ_ｏｕｔの上昇以降、ギャップ１３を介してキャビティ１０の外部から内部へと圧力伝達媒体が流動するので、図３（Ａ）に示すように、内気圧Ｐ_ｉｎが時間の経過と共に外気圧Ｐ_ｏｕｔよりも遅れながら、且つ外気圧Ｐ_ｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。
これにより、内気圧Ｐ_ｉｎが外気圧Ｐ_ｏｕｔに徐々に近づくので、キャビティ１０の外部と内部との圧力が均衡状態になりはじめ、カンチレバー４の撓みが徐々に小さくなり、図３（Ｂ）に示すように上記出力信号が徐々に低下する。

そして、図３（Ａ）に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように、内気圧Ｐ_ｉｎが外気圧Ｐ_ｏｕｔに等しくなると、図４（Ｃ）に示すように、カンチレバー４の撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、図３（Ｂ）に示すように上記出力信号が再びゼロになる。

このように、カンチレバー４の変位に基づいた出力信号の変動をモニタすることで、圧力変動を検出することができる。
特に、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃを利用して半導体プロセス技術によりカンチレバー４を形成できるので、従来の圧電素子に比べて薄型化（例えば数十〜数百ｎｍ）し易い。従って、微小な圧力変動の検出を精度良く行うことができる。

そして、本実施形態の圧力センサ１は、以下の各種用途に適用することができる。
例えば、自動車用ナビゲーション装置に適用することが可能である。この場合、例えば圧力センサ１を利用して高低差に基づく気圧差を検出できるので、高架道路と高架下道路とを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。
また、携帯用ナビゲーション装置に適用することも可能である。この場合、例えば圧力センサ１を利用して高低差に基づく気圧差を検出できるので、ユーザが建物内の何階に位置しているのかを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。
更には、室内の気圧変化を検出することが可能であるので、例えば建物や自動車の防犯装置に適用することも可能である。

このように、圧力センサ１を各種用途に適用することが可能であるが、本実施形態の圧力センサ１によればその用途に応じて、検出することができる圧力変動の周波数帯域（Ｈｚ）を予め設定しておくことが可能である。この点、以下に詳細に説明する。

はじめに、上限周波数については、カンチレバー４の最大共振周波数とすることができるので、例えばカンチレバー４のサイズ、材質や厚み等により振動特性を適宜変化させることで、所望する値に設定することが可能である。

次いで、下限周波数の設定について説明する。
まず、ギャップ１３の幅Ｇが大きい場合には、キャビティ１０の内部と外部との圧力差が得られ難くなるので、圧力変動の下限周波数が上昇する傾向になる。これに対して、ギャップ１３の幅Ｇが小さい場合には、キャビティ１０の内部と外部との圧力差を維持しておき易いので、微小な圧力変動であっても検出し易く、圧力変動の下限周波数が低下する傾向にある。

また、キャビティ１０の容積Ｖが小さい場合には、ギャップ１３の幅Ｇが大きい場合と同様に、キャビティ１０の内部と外部との圧力差が得られ難くなるので、圧力変動の下限周波数が上昇する傾向になる。これに対して、キャビティ１０の容積Ｖが大きい場合には、ギャップ１３の幅Ｇが小さい場合と同様に、キャビティ１０の内部と外部との圧力差を維持しておき易いので、圧力変動の下限周波数が低下する傾向にある。

ここで、本発明者らは、上記した一般的な関係をさらにつきつめて、下限周波数と、ギャップ１３の幅Ｇと、キャビティ１０の容積Ｖと、が下記式（１）の関係式を満たすことを見出した。

下限周波数（ｆ_ＬＯＷ ）＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）・・・（１）
式中、Ｇはギャップ１３の幅（μｍ）、Ｖはキャビティ１０の容積（ｍｌ）である。また、ｋは比例定数であって、例えば０．００５〜０．０２の範囲内で選択される。

これにより、ギャップ１３の幅Ｇ及びキャビティ１０の容積Ｖの値を変化させるだけの簡便な設計で、従来ではなしえなかった圧力変動の下限周波数を所望する値に設定することが可能となる。
従って、上限周波数及び下限周波数の両方を自在に設定でき、検出することができる圧力変動の周波数帯域を任意に設定することができ、各種の用途に幅広く対応でき、且つ最適な性能を発揮し易い高品質な圧力センサ１とすることができる。

以下、上記式（１）の根拠について、その検証試験結果と共に説明する。
まず、上述したように圧力変動が生じた際、カンチレバー４は撓み変形するが、その変形は、図３からも明らかなように外気圧Ｐ_ｏｕｔと内気圧Ｐ_ｉｎとの差（差圧）に比例する。このとき、外気圧Ｐ_ｏｕｔの変動が遅くなるほど（周波数が小さいほど）、カンチレバー４の撓み変形は小さくなると共に、外気圧Ｐ_ｏｕｔに対してカンチレバー４の撓み変形の位相が進んで、その位相差は大きくなる。
図５に、外気圧Ｐ_ｏｕｔの周波数を変化させた場合における、外気圧Ｐ_ｏｕｔと、内気圧Ｐ_ｉｎと、（外気圧Ｐ_ｏｕｔ−内気圧Ｐ_ｉｎ）と、の関係を示す。

図５に示すように、上記位相差は外気圧Ｐ_ｏｕｔの周波数が１Ｈｚの場合が最も小さく、外気圧Ｐ_ｏｕｔの周波数が０．５Ｈｚ、０．１Ｈｚと小さくなるにつれて大きくなっていることが明らかに認められる。この点は、ギャップ１３の幅Ｇ及びキャビティ１０の容積Ｖの値に関係なく、共通して認められる現象である。

次いで、ギャップ１３の幅Ｇ及びキャビティ１０の容積Ｖの値をそれぞれ変化させた場合における、検証試験結果について、図６〜図１３を参照して説明する。
具体的には、ギャップ１３の幅Ｇ及びキャビティ１０の容積Ｖの値をそれぞれ変化させた場合における、外気圧Ｐ_ｏｕｔと、外気圧Ｐ_ｏｕｔと内気圧Ｐ_ｉｎとの差圧（センサ出力）と、の関係について検証を行った。
図６〜図１３における各図において、
（Ａ）は、外気圧Ｐ_ｏｕｔの周波数を変化させた場合における、外気圧Ｐ_ｏｕｔと内気圧Ｐ_ｉｎとの差圧の振幅をプロットしたものであり、
（Ｂ）は、外気圧Ｐ_ｏｕｔの周波数を変化させた場合における、位相差をプロットしたものである。

（検証試験１）
キャビティ１０の容積Ｖを０．５ｍｌとし、ギャップ１３の幅Ｇが１μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。この際、外気圧Ｐ_ｏｕｔを１．２ｐａで周期的に変動させた。なお、各圧力センサは、ギャップ１３の幅Ｇが異なるだけで、その構成は上記実施形態の圧力センサ１と同一である。

その結果、図６（Ａ）に示すように、ギャップ１３の幅Ｇが小さいほど、検出することができる外気圧Ｐ_ｏｕｔの圧力変動の下限周波数が実際に低下することが確認できた。また、図６（Ｂ）に示すように、特定の位相差において、外気圧Ｐ_ｏｕｔの圧力変動の下限周波数はギャップ１３の幅Ｇの２乗にほぼ比例していることが確認できた。

具体的には、図６（Ｂ）に示すように、例えば位相差４５ｄｅｇとなる下限周波数は、ギャップ１３の幅Ｇが１μｍの場合に比べて、１０μｍの方が１００倍程度大きいことが認められる。また、ギャップ１３の幅Ｇが５μｍの場合に比べて、１０μｍの方が４倍程度大きいことが認められる。

（検証試験２）
次いで、キャビティ１０の容積Ｖを１ｍｌに変更し、ギャップ１３の幅Ｇが１μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。その結果、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この場合であっても検証試験１と同様の結果を得ることができた。

（検証試験３）
次いで、キャビティ１０の容積Ｖを２ｍｌに変更し、ギャップ１３の幅Ｇが１μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。その結果、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この場合であっても検証試験１と同様の結果を得ることができた。

（検証試験４）
次いで、キャビティ１０の容積Ｖを４ｍｌに変更し、ギャップ１３の幅Ｇが１μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。その結果、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この場合であっても検証試験１と同様の結果を得ることができた。

（検証試験５）
次いで、ギャップ１３の幅Ｇを１μｍとし、キャビティ１０の容積Ｖを０．５ｍｌ、１ｍｌ、２ｍｌ、４ｍｌとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。この際、外気圧Ｐ_ｏｕｔを１．２ｐａで周期的に変動させた。なお、各圧力センサ１は、ギャップ１３の幅Ｇが異なるだけで、その構成は上記実施形態の圧力センサ１と同一である。

その結果、図１０（Ａ）に示すように、キャビティ１０の容積Ｖが大きくなるほど、検出することができる外気圧Ｐ_ｏｕｔの圧力変動の下限周波数が実際に低下することが確認できた。また、図１０（Ｂ）に示すように、特定の位相差において、気圧Ｐ_ｏｕｔの圧力変動の下限周波数はキャビティ１０の容積Ｖにほぼ反比例していることが確認できた。

具体的には、図１０（Ｂ）に示すように、例えば位相差４５ｄｅｇとなる下限周波数は、キャビティ１０の容積Ｖが４ｍｌ、２ｍｌ、１ｍｌ、０．５ｍｌの順に小さくなるにつれて、それぞれ２倍程度大きくなることが認められる。

（検証試験６）
次いで、ギャップ１３の幅Ｇを３μｍに変更し、キャビティ１０の容積Ｖが０．５ｍｌ、１ｍｌ、２ｍｌ、４ｍｌとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。その結果、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この場合であっても検証試験５と同様の結果を得ることができた。

（検証試験７）
次いで、ギャップ１３の幅Ｇを５μｍに変更し、キャビティ１０の容積Ｖが０．５ｍｌ、１ｍｌ、２ｍｌ、４ｍｌとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。その結果、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この場合であっても検証試験５と同様の結果を得ることができた。

（検証試験８）
次いで、ギャップ１３の幅Ｇを１０μｍに変更し、キャビティ１０の容積Ｖが０．５ｍｌ、１ｍｌ、２ｍｌ、４ｍｌとされた４つの圧力センサについて検証試験を行った。その結果、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、この場合であっても検証試験５と同様の結果を得ることができた。

以上の各検証試験の結果から、圧力変動の下限周波数は、特定の位相差において、ギャップ１３の幅Ｇの２乗に比例し、且つキャビティ１０の容積Ｖに反比例することが認められた。このことにより、上記式（１）を見出すことができた。

なお、比例定数ｋは、下限周波数の補正値であり、０．００５〜０．０２の範囲内で選択されることが好ましい。特に、ギャップ１３の幅Ｇが１μｍ〜１０μｍの範囲内で、且つキャビティ１０の容積Ｖが０．５ｍｌ〜５ｍｌの範囲内において、下限周波数をより正確に所望する値に設定し易い。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態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において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態において、圧力変動の下限周波数を設定する際に、下記式（２）に基づいて設定することが好ましい。
ｆ_ＬＯＷ ＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）＞ｆ_{ｎｏｉｓｅ}・・・（２）
式中、ｆ_{ｎｏｉｓｅ}は、ノイズ周波数（Ｈｚ）である。
こうすることで、圧力変動の下限周波数をノイズカットしたい周波数よりも高くすることができるので、例えば大気圧変動の影響を受けにくい圧力センサとすることができ、センサとしての価値をさらに高めることができる。

また、上記実施形態では、ピエゾ抵抗２０を利用してカンチレバー４の変位を測定する構成としたが、例えば、カンチレバー４に検出光を照射し、その反射光の受光位置に基づいてカンチレバー４の変位を測定する方式（いわゆる光てこ方式）であっても構わない。
但し、上記実施形態のように、ピエゾ抵抗２０を利用することで自己変位検出型のカンチレバーとすることができるので、外光等の影響を受けることなく、圧力変動の検出を高精度に行い易い。

また、上記実施形態において、図１４に示すように、レファレンス用のカンチレバー３０をさらに備え、検出回路２２が２つのカンチレバー４、３０の出力の差分を検出するように構成しても構わない。
上記レファレンス用のカンチレバー３０は、カンチレバー４と構成が同一とされ、例えばセンサ本体３に一体的に片持ち支持された状態で固定されている。但し、このレファレンス用のカンチレバー３０は、外気に対して開放状態とされており、外気圧Ｐ_ｏｕｔの圧力変動に起因して撓み変形しない構成とされている。

また、この場合の検出回路２２は、例えば図１５に示すように、ブリッジ回路３１（ホイートストンブリッジ回路）と、基準電圧発生回路３２と、作動増幅回路３３と、出力回路３４と、を備えている。

ブリッジ回路３１は、カンチレバー４のピエゾ抵抗２０〔以下、第１ピエゾ抵抗４０（抵抗値Ｒ１）と称する〕、及び、レファレンス用のカンチレバー３０のピエゾ抵抗〔以下、第２ピエゾ抵抗４１（抵抗値Ｒ２）と称する〕が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４２（抵抗値Ｒ３）と固定抵抗４３（抵抗値Ｒ４）とが直列接続されてなる枝辺と、が基準電圧発生回路３２に対して並列に接続されている。

なお、ブリッジ回路３１において、第１ピエゾ抵抗４０と第２ピエゾ抵抗４１との接続点は作動増幅回路３３の反転入力端子に接続され、固定抵抗４２、４３同士の接続点は作動増幅回路３３の非反転入力端子に接続されている。

基準電圧発生回路３２は、ブリッジ回路３１に対して所定の基準電圧Ｖｃｃを印加する。作動増幅回路３３は、ブリッジ回路３１における２つの固定抵抗４２、４３同士の接続点と、第１ピエゾ抵抗４０と第２ピエゾ抵抗４１との接続点と、の間の電位差を検出し、その電位差を所定増幅率にて増幅して出力する。
なお、上記電位差は、第１ピエゾ抵抗４０の抵抗値と第２ピエゾ抵抗４１の抵抗値との差分（Ｒ１−Ｒ２）、つまりカンチレバー４と、レファレンス用のカンチレバー３０と、の出力の差分に応じた値となる。

このように検出回路２２を構成することで、温度変化等の環境変化や、振動等の外乱に起因する出力変動分（ノイズ分）を相殺することができ、外気圧Ｐ_ｏｕｔの圧力変動に応じた出力信号だけを取り出すことが可能となる。従って、所望の周波数帯域の圧力変動をさらに精度良く検出することが可能となる。

１…圧力センサ
３…センサ本体
４…カンチレバー
４ｂ…カンチレバーの先端部
４ａ…カンチレバーの基端部
５…変位測定部
１０…キャビティ
１１…連通開口
２０…ピエゾ抵抗

Claims (4)

1. 所定の周波数帯域の圧力変動を検出する圧力センサであって、
   キャビティと、該キャビティの内部と外部とを連通する連通開口と、が形成されたセンサ本体と、
   半導体材料により基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状に形成され、基端部が前記センサ本体に片持ち状に支持された状態で前記連通開口の内側に配設され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
   前記カンチレバーの変位を測定する変位測定部と、を備え、
   前記カンチレバーの外周縁と前記連通開口の開口端との間には、該カンチレバーの外周縁に沿ってギャップが形成され、
   前記周波数帯域における下限周波数ｆ_ＬＯＷ（Ｈｚ）は、下記式（１）によって設定されていることを特徴とする圧力センサ。
   ｆ_ＬＯＷ ＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）・・・（１）
   〔式中、ｋは比例定数、Ｇは前記ギャップの幅（μｍ）、Ｖは前記キャビティの容積（ｍｌ）である。〕
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記比例定数ｋは、０．００５〜０．０２の範囲内とされていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項２に記載の圧力センサにおいて、
   前記下限周波数ｆ_ＬＯＷ は、下記式（２）を満たすことを特徴とする圧力センサ。
   ｆ_ＬＯＷ ＞ｋ・（Ｇ²／Ｖ）＞ｆ_{ｎｏｉｓｅ}・・・（２）
   〔式中、ｆ_{ｎｏｉｓｅ}は、ノイズ周波数（Ｈｚ）である。〕
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記変位測定部は、前記カンチレバーの基端部に形成されたピエゾ抵抗を備えることを特徴とする圧力センサ。

Images