JP2014142323A - 感圧型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で圧力、音圧、加速度、ガスなどの情報を検出可能な感圧型センサを実現する。
【解決手段】カンチレバー２２と、前記カンチレバー２２の周囲に設けられ前記カンチレバー２２の基端を保持するフレーム２３と、前記カンチレバー２２と前記フレーム２３との間に形成されたギャップ２４と、前記ギャップ２４を密閉する液体２８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は感圧型センサに関し、特に、カンチレバーを利用して圧力を検出する感圧型センサに関する。

半導体集積回路の形成過程で用いられる微細加工技術を利用して、シリコン等からなる基板上に微細構造をもった構造体を形成することが可能であり、今後その技術の発展が期待されている。そのような構造体は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と称されている。今までにＭＥＭＳとして様々なセンサやアクチュエータが提案されている。

特許文献１には、カンチレバーを有する圧力センサが開示されている。カンチレバーは、固定端と自由端とを有する屈曲部材であり、片持ち梁とも称されている。その圧力センサにおいては、カンチレバーの下側に空気室が設けられており、カンチレバーの上側が外界（大気）となっている。カンチレバーは、ピエゾ抵抗効果を発揮するように製作されている。カンチレバーの周囲にはギャップ（隙間）が形成されており、そのギャップを介して空気室と外界とが繋がっている。つまり、ギャップを通じてエアが空気室と外界の間を流通し得る。カンチレバーの上側と下側の間に圧力差が生じると、カンチレバーが変形し、その変形がピエゾ抵抗値の変化として検出される。圧力差はギャップを通じたエアの移動により解消され、最終的に圧力平衡状態が生じる。この特許文献１に開示された構成によれば、ダイヤフラム型センサよりも高い感度を得られる。

特許文献２の図１５には、カンチレバーを有するバイオセンサが開示されている。カンチレバーの下側には空気室が設けられており、カンチレバーの上側には液体を収容したマイクロ流路が形成されている。カンチレバーの周囲には隙間としてのスリットが形成されている。そのスリットの内部には液体と気体の間の界面が形成されている。つまり、液体の表面張力等によって気体室への液体の入り込みが阻止されている。マイクロ流路内に存在する特定物質がカンチレバー表面に付着すると、カンチレバーの共振周波数が変化する。その共振周波数の変化がレーザードップラ計で計測されている。なお、特許文献２の図１に開示された構成では、カンチレバーの下側に開放空間（空気層）が存在している。

国際公開第２０１２／１０２０７３号（図１） 特開２０１２−１５００７４号公報（図１，図１５）

圧力、音圧、加速度、ガスなどの情報をより高感度で検出することができるセンサが求められている。

そこで本発明は、高感度で圧力、音圧、加速度、ガスなどの情報を検出可能な感圧型センサを提供することを目的とする。

本発明に係る感圧型センサは、カンチレバーと、前記カンチレバーの周囲に設けられ前記カンチレバーの基端を保持するフレームと、前記カンチレバーと前記フレームとの間に形成されたギャップと、前記ギャップを密閉する液体とを備えることを特徴とする。

また、感圧型センサは、前記ギャップに繋がった気体室を前記カンチレバーの裏面側に設けることとしてもよい。

感圧型センサにより検出される外界から作用する力の概念には、気圧、水圧、音圧等の外界圧力が含まれる。つまり感圧型センサは外界から作用する力を検出するものであり、力には振動、加速度等が含まれる。上記構成によれば、カンチレバー（固定端と自由端とを有する可動部材）が気体室を覆うように設けられており、カンチレバーの周囲に（具体的にはカンチレバーとフレームの間に）形成されたギャップが液体によって密閉される。これにより気体室が密閉される。外界圧力は、液体を介して間接的に、又は、液体を介さずに直接的に、カンチレバーに及ぶ。これにより、カンチレバーが変形する。例えば、カンチレバーの先端が気体室側へ（あるいは逆側へ）屈曲運動する。カンチレバーにおいて生じた変形は検出手段によって検出される。その変形は微小なものであってもよく、カンチレバーに応力が生じれば足りる。例えば、ピエゾ抵抗検出方式を採用した場合、外界圧力によってカンチレバーに応力が生じれば、カンチレバーにおけるピエゾ抵抗値が変化し、その抵抗値変化が検出される。気体室はギャップを除き閉じた空間として構成されるのが望ましいが、気体室に圧力設定機構を接続し、気体室内の圧力つまり基準圧力を可変設定するようにしてもよい。そのような構成においても、少なくとも圧力検出時には気体室に繋がっている配管上の弁が閉じられて気体室の密閉状態が形成される。

望ましくは、前記カンチレバーの変形に関係なく前記液体と前記気体との間の界面が前記ギャップの内部又は近傍に留まり、これにより前記密閉状態が維持される。すなわち、気体室からの気体の流出（気体リーク）及び気体室への液体の流れ込み（液体リーク）を生じさせない条件の下で、外界圧力がカンチレバーの変形として検出される。界面は通常、ギャップ内部に生じるが、圧力差の大きさ、液体の性質、カンチレバーの変形度合い等によって、ギャップ内部から外れたギャップ近傍に生じることもある。界面の形状は様々であり、典型的にはそれは凸面、凹面又は平面をなす。カンチレバーの運動に拘わらずリークを生じさせない条件が満たされるようにギャップサイズが選択される。

一般に、感圧部材として自由端を有するカンチレバーを用いれば、同じく感圧部材である固定された両端（あるいは固定された周縁）を有するダイヤフラムに比べて、感圧部材に大きな変形を生じさせることができるので、検出感度を高められる。上記構成においては、そのようなカンチレバーの下側に基本的に気体しか存在していないので、その下側に液体が存在している場合に比べて、カンチレバーに及ぶ負荷や抗力を軽減できる。これにより感度及び応答性の向上がもたらされる。しかも、上記構成においては、ギャップが液体によって密閉されているから、気体室の内部圧力を基準として、外界圧力を絶対圧として検出することが可能である。

気体室に収容される気体としては様々なものを利用できる。化学的に安定で取扱性の良好な気体を利用するのが望ましい。液体としても様々なものを利用可能である。但し、カンチレバーの運動によっても界面を十分に維持でき、かつ、カンチレバーの運動にあたってカンチレバーに大きな負荷を与えない液体を利用するのが望ましい。液体の概念には液状物質（例えばジェル）が含まれる。液体をセンサユニットの上面に液滴のように付着させる場合（液体を露出させる場合）、液体として蒸気圧が低く化学的に安定しているものを用いるのが望ましい。下側構造及び上側構造を有するセンサユニットを液体内に沈めて、その中で圧力を検出するようにしてもよい。その場合、センサユニットの液体内への配置と同時にその液体がギャップを密閉する。

望ましくは、上記感圧型センサが、前記下側構造及び前記上側構造を有するセンサユニットと、前記センサユニットからの信号を処理する検出回路と、を含み、前記カンチレバーは当該カンチレバーの変形によって電気的特性が変化する検出層を含み、前記検出回路は前記検出層の電気的特性の変化を検出する。

上記構成によれば、カンチレバーに検出層が付加されており又は組み込まれており、カンチレバーの変形が検出層の電気的特性（抵抗、電圧等）の変化として検出される。これによりセンサユニットそれ自体から変形度を表す信号が出力される。検出層はピエゾ抵抗層として構成されるのが望ましいが、圧電層として構成されてもよい。カンチレバーの変形を検出する他の手段として、光学的計測手段、静電容量検出手段、等があげられる。半導体基板上にセンサユニットの他、検出回路まで形成するようにしてもよい。感圧型センサの製造に際してはＭＥＭＳ技術を利用することが可能である。そのような技術を利用すれば、多数のセンサを同時に製造することが容易であり、製造コストを低減できる。

望ましくは、前記液体が前記カンチレバー及び前記ギャップを覆っており、前記外界圧力が前記液体を介して前記カンチレバーに伝わる。この構成によれば、ギャップのみならずカンチレバー全体が液体により覆われており、液体がギャップ密閉部材として及び圧力伝達媒体部材として機能する。一定量の液体をセンサユニットの上面に導入する方式、及び、センサユニットを液体中に沈める方式、のいずれも採用可能である。

望ましくは、前記上側構造体の上面に、前記カンチレバーの上面及び前記ギャップの上面を含む液体保持領域と、前記液体保持領域の周囲に設けられた液体排斥領域と、が設けられ、前記液体が前記液体保持領域に接している。この構成によれば、有限な範囲内に液体を閉じ込めた上で（流出しないようにして）、その液体を機能させることが可能である。液体排斥領域に対して液体排斥性を高める処理（水性液体を利用する場合、例えば疎水処理）を施すのが望ましい。液体保持領域に対して液体の保持性を高める処理（水性液体を利用する場合、例えば親水処理）を施すことも可能である。２つの領域間に隔壁等を設けるようにしてもよい。

望ましくは、前記液体を覆う可撓性を有する膜が設けられ、前記膜を介して前記外界圧力が前記液体へ伝達される。この構成によれば液体の流出や劣化を防止できる。液体選択の自由度を高められるという利点も得られる。膜としては圧力伝達性の良好なものを利用するのが望ましい。液体上に膜を直接形成する場合、その製造方法に適合する液体を利用するのが望ましい。膜で液体を閉じ込めたセンサユニットを液中に配置してもよい。その場合、圧力が外部液体から膜へ、膜から内部液体へ、更に内部液体からカンチレバーへ、伝わる。

望ましくは、前記液体が前記ギャップに局所的に設けられ、前記カンチレバーに対して前記外界圧力が直接的に伝わる。この構成によれば、液体量を少なくできるから、液体がカンチレバーに及ぼす負荷をかなり小さくでき、また、外界圧力をカンチレバーに対して直接的に伝えることが可能であるから、感度及び応答性をより向上できる。

望ましくは、前記下側構造及び前記上側構造を有するセンサユニットが液体槽の中に配置され、前記センサユニットが前記液体槽中の液体を伝わる圧力を検出する。この構成によれば、液体槽中の液体が圧力伝達作用の他、密閉作用を発揮する。但し、液体槽中の液体とは別にセンサユニット用液体を設けることも可能である。その場合、２つの液体を隔離する隔膜を設けるのが望ましい。

望ましくは、前記センサユニットは前記液体中を伝わる音波を検出するハイドロホンである。ハイドロホンも圧力（音圧）を検出するセンサであり、つまり感圧型センサの一態様である。

望ましくは、前記ハイドロホンは前記音波を前記カンチレバーへ案内する音響ガイドを有する。音響ガイドによれば集音作用によって感度を向上できる。また、ハイドロホンに指向性をもたせて観測音の選択性を良好にできる。音響ガイドの他に指向方向以外からの不要波を減衰する吸音材を配置するようにしてもよい。

望ましくは、上記感圧型センサにおいて、前記カンチレバーの温度特性を補償するための温度補償システムが設けられる。温度補償を行えば、様々な温度において正確に圧力を検出できる。電気的な補償システムを利用することも可能であるが、検知された温度に基づいてデータ処理によって温度補償を行うようにしてもよい。

望ましくは、前記温度補償システムは、前記カンチレバーが有する温度に対する抵抗変化特性と同様の特性を有する非変形型ダミーカンチレバーを有する。この構成によればダミーカンチレバーが有する温度に対する抵抗変化特性を用いて、本来のカンチレバーが有する温度に対する抵抗変化特性を補償することが可能であり、簡易な構成で高精度の温度補償を行える。

望ましくは、前記温度補償システムは、前記カンチレバー又はその付近に設けられ温度に応じた信号を出力する素子を有する。かかる素子は、例えば、温度センサ、カンチレバーと同様の電気的特性を有する素子、等である。

望ましくは、上記感圧型センサが、前記カンチレバーの変形を一定範囲内に制限することにより前記カンチレバーを保護する保護機構を含む。保護機構として、外界圧力が一定以上に大きくなった場合に外界圧力がカンチレバーに及ばないようにする機構、カンチレバーが一定範囲を超えて屈曲する場合にカンチレバーの動きを制止する機構、等を利用することが可能である。このような保護機構によればカンチレバーを保護できるから、その故障や破損を回避できる。

望ましくは、感圧型センサが、一次元又は二次元に配列された複数のセンサユニットからなるアレイを含み、前記各センサユニットは前記下側構造及び前記上側構造を有し、前記各センサユニットにおいて、前記ギャップを密閉する液体によって前記気体室内に気体が閉じ込められた密閉状態が形成される。この構成によれば、複数のセンサユニットによって圧力、圧力分布等が検出される。複数のセンサユニットにおいて単一のキャビティが共用されてもよい。

本発明に係る感圧型センサの使用方法は、上記下側構造と上記上側構造とを含む感圧型センサの使用方法であり、当該方法は、前記ギャップを液体で密閉することによって前記気体室内に気体が閉じ込められた密閉状態を形成する工程であって、前記カンチレバーの変形に関係なく前記液体と前記気体との間の界面が前記ギャップの内部又は近傍に留まり、これにより前記密閉状態が維持される工程と、前記密閉状態において外界圧力により生じる前記カンチレバーの変形を前記カンチレバーが有する電気的特性の変化として検出する工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る感圧型センサによれば、外界から作用する力を、液体を介してカンチレバーで検出することにより、従来に比べ高感度で圧力、音圧、加速度、ガスなどの情報を計測することができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサを示す斜視図である。 図１に示した圧力センサの断面図である。 図２の断面図中の一部を示す拡大図である。 図１に示した圧力センサが有するカンチレバーを示す図である。 圧力センサの組み立てを示す図である。 カンチレバー構造の製造プロセスを説明するための図である。 圧力センサの性能を試験するための実験系を示す模式図である。 検出回路の一例を示す回路図である。 液体漏れ試験の結果を示す図である。 分解能試験の結果を示す図である。 液体依存性試験の結果を示す図である。 ギャップサイズ依存性試験の結果を示す図である。 温度依存性試験の結果を示す図である。 ギャップに対して局所的に液体が設けられている圧力センサを示す斜視図である。 図１４に示した圧力センサの断面図である。 枠部材を有する圧力センサを示す断面図である。 膜を有する圧力センサを示す断面図である。 界面の第２例を示す図である。 界面の第３例を示す図である。 界面の第４例を示す図である。 温度補償機能を有する回路構成を示す図である。 温度補償素子を有するカンチレバー構造を有する図である。 本発明の他の実施形態として液中配置タイプの感圧型センサを示す斜視図である。 図２３に示したハイドロホンを示す斜視図である。 図２３に示したハイドロホンの使用例を示す模式図である。 実際に製作したハイドロホンを示す図である。 ハイドロホンが備えるセンサチップを示す図である。 ハイドロホンの性能を試験するための実験系を示す模式図である。 ハイドロホンの応答特性を示す図である。 ハイドロホンの周波数特性を示す図である。 ハイドロホンの他の周波数特性を示す図である。 集音構造を有するハイドロホンを示す模式図である。 複数のカンチレバーを有する圧力センサを示す断面図である。 湾曲形態を有するカンチレバーを有する圧力センサを示す平面図である。 カンチレバー保護機構の一例を示す断面図である。 図３５に示したカンチレバー保護機構の動作を示す図である。 カンチレバー保護機構の他の例を示す断面図である。 ウエアラブル聴診器を示す概念図である。 図３８に示した聴診器の模式的な断面図である。 本発明の第２実施形態に係るガスセンサを示す縦断面図である。 図４０に示したガスセンサの使用状態を示す縦断面図である。 液体表面における反応の様子を示す模式図であり、図４２Ａは反応前、図４２Ｂは反応後を示す図である。 第２実施形態の変形例に係るガスセンサを示す模式図である。 第２実施形態に係るガスセンサの特性を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るガスセンサを示す縦断面図である。 図４５に示したガスセンサの使用状態を示す縦断面図である。 第３実施形態に係るガスセンサの特性を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

１．第１実施形態
（１）圧力センサの基本的構成
図１に示す感圧型センサとしての圧力センサ１０は、下側構造１２及び上側構造１４を有する。圧力センサは、外界から作用する力として、気圧、水圧、音圧、応力等の外界圧力の検出に用いられ、より詳しくは、力、振動、加速度等の物理量を計測するものである。圧力センサは、一般計測、工業生産、自動車、医療等の様々な産業分野において利用可能である。本願明細書において「下側」及び「上側」は各部材を説明するための相対的概念に過ぎない。
下側構造１２は、エアキャビティ１７を有する容器１６を備えている。容器１６は、例えば樹脂、半導体その他の気密性を有する材料により構成される。エアキャビティ１７は気体室であり、その内部には後に詳述するようにエア（大気）が封入される。エアキャビティ１７は上方が開いた窪み形状あるいは立方体形状を有している。圧力センサ１０は、後述する検出回路に接続されている。

上側構造１４は、下側構造１２に対して一体化されている。上側構造１４は、可動部としてのカンチレバー２２と、水平方向においてカンチレバー２２を取り囲むフレーム２３とを有する。カンチレバー２２は、自由端と固定端とを有し、エアキャビティ１７を覆うように水平方向に伸長した弾性変形する部材である。カンチレバー２２の基端（固定端）側がフレーム２３によって保持されている。カンチレバーの先端（自由端）は自由に運動することが可能な端部を構成している。カンチレバー２２は２つの脚部２２Ａ，２２Ｂを有しており、それらがフレーム２３に連結されている。２つの脚部２２Ａ，２２Ｂは二股形態を構成しており、それらの間には上下方向に貫通した矩形の穴２６が形成されている。カンチレバー２２における２つの脚部２２Ａ，２２Ｂ以外の部分がカンチレバー本体２５を構成している。カンチレバー本体２５は外界からの圧力を受ける面状部分である。図示の例では、カンチレバー２２はその全体にわたって一定の厚みを有する。カンチレバー２２における固定端と自由端とを結ぶ水平方向をｘ方向とし、それに直交するもう１つの水平方向をｙ方向とし、垂直方向をｚ方向とした場合、カンチレバー２２の屈曲方向がｚ方向となる。カンチレバー２２はｘ方向及びｙ方向に広がった薄板である。

上側構造１４は積層構造を有しており、詳しくは、積層基板１８及び電極層２０からなる。積層基板１８の構成については後に説明するが、それは下層としてのシリコン層と上層としてのピエゾ抵抗層（ドープ層）とを含むものである。カンチレバー２２及びフレーム２３は、それぞれ積層基板１８の一部として構成されている。すなわち、カンチレバー２２はシリコン層及びピエゾ抵抗層により構成されている。積層基板１８におけるフレーム２３上には電極層２０が設けられている。電極層２０は、カンチレバー２２が有する２つの脚部２２Ａ，２２Ｂに対して電気的な接続を行うためのものである。電極層２０は第１電極２０Ａと第２電極２０Ｂとからなる。両者間には絶縁帯としての溝２１Ａ，２１Ｂが設けられている。フレーム２３において、溝２１Ａ，２１Ｂによってピエゾ抵抗層が分断されてもよい。

フレーム２３は上方から見て矩形の形態を有し、その内部は矩形の形態をもった開口２３Ａである。その開口２３Ａの内部において、カンチレバー２２が外部から伝達された圧力に応じて弾性的に変形する。具体的には、その先端をｚ方向に振らせる屈曲運動を行う。フレーム２３とカンチレバー２２との間、より詳しくはフレーム２３の内側面とカンチレバー２２の外側面の間にはギャップ２４が形成されている。ギャップ２４は上方から見て、２つの直角コーナーをもったＵ字のような形態を有している。ギャップ２４における各位置における幅（横幅）は同一である。ギャップ２４における角部分を丸く形成することも可能である。なお、図１においてはギャップ２４が誇張して大きく描かれている。

図１に示されるように、上側構造１４における上面にはドーム状の形態を有する液体２８が設けられている。液体２８は、もっぱらギャップ２４を密閉するために設けられており、図１に示す構成例では、更に外界圧力の伝達作用も発揮する。液体２８の導入により、ギャップ２４の内部又は近傍に、液体とエアの間の界面（ブリッジ）が生じる。ギャップ２４が微小間隙であることを前提として、界面は、液体の表面張力、液体の粘性、内部気体圧、等によって形成され、維持される。カンチレバー２２の運動により、界面の形状変化や界面の移動が生じたとしても、界面自体は維持され、つまりギャップ２４の密閉状態（エアキャビティ１７の密閉状態）が維持される。液体の性質にもよるが、界面は変形したカンチレバー２２に対してカンチレバー２２を戻す力も及ぼすものと考えられる。圧力センサ１０において液体保持性を高め又は界面形成を操作するために、カンチレバー２２の表面、フレーム２３の内面及びエアキャビティ１７の内面における必要な部分に液体を排斥する表面処理を施すようにしてもよい。

上記のように、液体２８は、ギャップ２４を密閉するものであるから、液体２８としては、表面張力が大きく、ある程度の粘性を有し、化学的に安定なものを選択するのが望ましい。更に、液体２８が密閉されずに露出して設けられる場合、蒸気圧が低く、取扱性が良好な液体を選択するのが望ましい。液体に要求される様々な条件を考慮して、使用する液体を選択するのが望ましい。液体２８の例として、水、シリコーンオイル、イオン性液体等をあげることが可能である。ジェルのような液状物質を利用することも可能である。水を利用する場合、その蒸発や流出を防止するため、それを封入する膜を別途設けるのが望ましい。そのようなカプセル化については後に図１７を用いて説明する。

エアキャビティ１７内には本実施形態においてエアが収容されているが、他の気体を収容するようにしてもよい。他の気体としては、化学的に安定で、液体２８に対して性質が変化しことが望ましく、例えば窒素等の不活性ガスを利用することができる。エアキャビティ１７は本実施形態においてギャップ２４を除き、閉空間として構成されている。つまり、ギャップ２４が液体２８によって密閉された場合、エアキャビティ１７は密閉された空間となる。下側構造１２と上側構造１４は完全に密着しており、両者間においてエアリーク及び液体リークは生じない。

エアキャビティ１７に対して配管を介して圧力可変装置（図示しない）を接続するようにしてもよい。そのような構成によれば、エアキャビティ１７の圧力（基準圧力）を変えることができる。そのような構成の場合でも、圧力測定時には例えば上記配管上に設けられた弁が閉止状態となり、これによりエアキャビティ１７の密閉状態が形成される。

ギャップ２４のサイズ（横幅）は、使用する液体の性質、使用する液体の量、ギャップの形状、フレーム２３の内面の性質等の諸条件を考慮して設定されるのが望ましい。いずれにしても、ギャップ２４は、ギャップ２４での液体リーク及び気体リークが生じないように十分に小さなサイズで形成されるのが望ましい。後述する実験の結果によれば、使用する液体にもよるが、ギャップサイズは０μｍよりも大きく１０μｍ以下に設定され、望ましくは、５μｍ以下に設定され、更に望ましくは３μｍ以下に設定される。但し、密閉作用の高い液体を用いればｍｍオーダーのサイズを設定することも可能と考えられる。もちろん、ｎｍオーダーのサイズを設定することも可能である。

図１に示す構成例では、カンチレバー２２がドープ層としてのピエゾ抵抗層を備えており、カンチレバー２２の変形がピエゾ抵抗値の変化として検出される。ピエゾ抵抗値の変化量を増大するために、カンチレバー２２に細い２つの脚部２２Ａ，２２Ｂが設けられており、それらの間に絶縁エリアとしての矩形の穴２６が形成されている。よって、一方の脚部２２Ａからカンチレバー本体２５を回って他方の脚部２２Ｂへ回り込むＵ字状経路に沿ったピエゾ抵抗値が観測されることになる。ピエゾ抵抗方式に代えて、圧電特性を利用した方式を採用してもよい。あるいは、レーザー変位計測方式、静電容量計測方式等を採用することも可能である。但し、ピエゾ抵抗方式を採用すれば、カンチレバーの変形を直接的かつ簡易に検出できる。また、カンチレバーは容易に製造できる。

カンチレバー２２及び液体２８の重量は極めて小さく、それらに作用する重力をほとんど無視できる。つまり、圧力センサを様々な方向に向けて、例えば下に向けて、使用することが可能である。但し、感圧型センサを加速度センサとして構成する場合、カンチレバーを重りとして機能させることになる。

図２には、図１に示した圧力センサの縦断面図が示されている。上述したように、圧力センサは、下側構造１２と上側構造１４とに大別される。下側構造１２はエアキャビティ１７を有する容器１６を有している。容器１６の一部又は全部がシリコン基板によって構成されてもよい。容器１６の一部又は全部が樹脂（ＰＤＭＳ等）で構成されてもよい。上側構造１４は、積層基板１８と電極層２０とを有している。積層基板１８は、本図において、下側から上側にかけて設けられた、絶縁層（ＳｉＯ_２層）３０、シリコン層（非ドープ層としてのＳｉ層）３２、及び、ドープ層としての抵抗層（ｎ型層）３４、を有している。抵抗層３４はピエゾ抵抗層である。つまり応力によってその抵抗値が変化する薄膜状の層である。抵抗層３４がｐ型層として構成されてもよい。カンチレバー２２は、シリコン層３２及び抵抗層３４により構成されている。

図示の構成例では、フレーム２３も、シリコン層３２及び抵抗層３４により構成されている。但し、フレーム２３内において抵抗層を形成する必要はなく、また抵抗層を形成してもそれは機能しない。図示の構成例では、カンチレバー２２の基端においてカンチレバー２２がフレーム２３と一体化されているので、カンチレバー２２の強度を容易に確保することができる。上記の構成に代えて、フレーム２３は、不純物を有しないシリコン基板だけで構成してもよい。積層基板１８上に設けられた電極層２０は具体的には下地層としてのＣｒ層と導電層としてのＡｕ層とからなる。フレーム２３内において正極と負極とが抵抗層３４を介して短絡しないように抵抗層に対する溝入れその他の措置が施されるのが望ましい。

液体２８を露出させる方式を採用した場合、液体表面３６Ａは表面張力によって定まる形態になる。上側構造１４の上面に液体２８が盛られると、ギャップ２４が液体２８によって密閉される。具体的には、図示の例では、ギャップ２４内に界面（ブリッジ）３６Ｂが生じており、液体２８のリーク及びエアのリークの両方が防止されている。界面３６Ｂは液体の性質とりわけ表面張力あるいは粘性に起因して生じるものである。界面３６Ｂにはエアキャビティ１７側からの反力等も及んでいるものと考えられる。図２は界面３６Ｂの第１例を示すものである（他の例については図１８乃至図２０を用いて後に説明する）。界面３６Ｂの形態及びそれが生じる位置は、液体の性質、液体の量、ギャップサイズ、ギャップ形状、フレーム内面の性質、等に依存すると考えられる。

外界圧力（外圧）（図２においてＰ２）は、符号４０で示すように、液体２８を介してカンチレバー２２の上面に作用する。これにより、カンチレバー２２は、図２に示すように弾性変形する。その時点でのエアキャビティ１７内のエア圧力（内圧）が図２においてＰ１で示されている。外界圧力Ｐ２によってカンチレバー２２の表面に作用する力と、内圧Ｐ１やカンチレバー２２の復元力等による反力と、が均衡した時点で、カンチレバー２２の変形が止まり、その状態が維持される。カンチレバー２２の運動に際して、界面３６Ｂが移動したとしても、界面３６Ｂそれ自体は維持される。正確には、それが維持されるように、液体が選択され、またギャップ２４のサイズ等が選択される。つまり、カンチレバー２２の変形や運動に関係なく、ギャップ２４の密閉状態が維持され、つまりギャップ２４を通じての液体リーク及び気体リークが生じないように、諸条件が定められる。なお、そのようなリークを検知する手段を付加してもよい。例えば、エアキャビティ１７の内面に、液体の接触によって抵抗値が変化する素子を形成しておき、その素子の抵抗値の変化をもって液体リーク、つまり密閉状態の崩れを判定するようにしてもよい。

上記構成によれば、密閉されたエアキャビティ１７の内圧Ｐ１を基準として、外界圧力Ｐ２を検出することが可能である。つまり、本実施形態の構成によれば、圧力の変化すなわち相対圧ではなく、絶対圧を検出することが可能である。

圧力センサ１０は、外界圧力Ｐ２を、液体２８を介してカンチレバー２２で検出することにより、従来に比べ高感度で力、振動、加速度等の物理量を計測することができる。一般に、カンチレバー方式によれば、ダイヤフラム方式に比べて、検出感度を高められるが、カンチレバー周囲のギャップを介してエアが流通してしまうので、圧力の変化すなわち相対圧しか検出できない。これに対し、上記構成では、ギャップ２４を液体２８によって密閉することが可能であるから、絶対圧を検出することが可能である。その場合、密閉手段が流動性ある液体なので、カンチレバー２２に対して及ぶ負荷は非常に小さい。しかも、カンチレバー２２の下側には基本的にエアしか存在していないので、カンチレバー２２の運動時にカンチレバー２２に対して生じる抗力を非常に小さくできる。よって、本実施形態の構成によれば、簡易な構成でありながら、絶対圧を高感度で検出可能な圧力センサを実現できる。

図３は図２に示したギャップ２４の拡大図である。原姿勢（水平姿勢）にあるカンチレバーが符号２２ａで示されている。Ｄはギャップ２４の横幅つまりギャップサイズを示している。符号２２ｂは中程度に変形したカンチレバーを示している。符号２２ｃは大きく変形したカンチレバーを示している。通常、カンチレバーの変形度（屈曲度）により界面の位置が変化する（符号３６ｂ，３６ｃを参照）。カンチレバーの運動によっても、界面それ自体は維持され、つまり液体リーク及びエアリークは生じない。界面を安定して形成するために表面張力の高い液体を利用するのが望ましい。カンチレバーの裏面、フレームの内面、等に液体排斥作用を生じさせる処理を施すようにしてもよい。そのような構成によれば界面が崩れる可能性を低減できる。

図４は、実際に製作されたカンチレバー２２を示す図である。カンチレバー２２は例えば３００ｎｍの厚みを有する。カンチレバー２２の周囲にギャップ２４が形成されており、カンチレバー２２が有する一対の脚部の間にある穴２６がカバー４２によって部分的に覆われている。穴２６のサイズが大きいと、そこでの液体リーク等が危惧されるため、ギャップサイズ以下の隙間だけが生じるように蓋としてのカバー４２が設けられている。カバー４２は例えばカンチレバー２２と同じ積層体として構成される。一対の脚部に対して一対の電極２０Ａ，２０Ｂが接続されている。それらの間には絶縁帯としての溝２１Ａ，２１Ｂが存在している。

（２）圧力センサの製造方法
図５には、圧力センサの組み立てが模式的に示されている。カンチレバー６０を有する第１部分５８が、第２部分を構成する配線基板（ベース基板）６２の中央部に接合固定される。配線基板６２には一対の電極６６Ａ，６６Ｂが形成されている。配線基板６２の上面には、中央部としての液体保存領域６８と、周辺部としての液体排斥領域７０と、が形成されている。液体が水性であれば、液体保存領域６８は例えば親水領域であり、液体排斥領域７０は例えば疎水領域である。液体排斥領域７０は疎水加工が施された領域である。液体保存領域６８に対して親水処理を施すようにしてもよい。配線基板６２の下側には、エアキャビティ４８を有する容器４６としての第３部分が接合固定される。第１部分５８が上記の上側構造を構成し、第２部分（配線基板６２）と第３部分が上記の下側構造を構成する。第１部分から第３部分までを接合させることにより組立体７２が製作され、その組立体７２の上面に液体７４が設けられる。その場合、液体７４は液体保存領域内に留まることになる。以上により、圧力センサ７６が構成される。

図６にはカンチレバーの製造プロセスの一例が示されている。本図Ａに示すように、まずＳＯＩ構造をもった基板体７８が用意される。基板体７８は、Ｓｉ基板８０、絶縁層（ＳｉＯ_２層）８２及びＳｉ層８４を有する。Ｓｉ層８４に対してドープ材料のドーピングを行うことにより抵抗層８４Ａが形成される。ドーピングによりＳｉ層８４における表層の抵抗率が下がり、電荷の移動が許容されるようになり、その表層が抵抗層８４Ａとして機能することになる。Ｓｉ層８４における抵抗層８４Ａ以外の部分が非ドープ層としてのＳｉ層８４Ｂとなる。次に、本図Ｂに示すように、抵抗層８４Ａの上側にレジスト層８６が形成され、その後、それに対して電子ビーム等を用いた露光を行った上でエッチング処理を施す。その上で、本図Ｃに示すように、Ｃｒ層８８及びＡｕ層９０が形成される。その際、上記エッチングで残留したレジスト部分８６Ａ上にはＣｒ層８８Ａ及びＡｕ層９０Ａが堆積する。その後、本図Ｄに示すように、リフトオフ処理を行って溝９２を形成し、更に本図Ｅに示すように、上側から所定パターンをもってエッチングを行うと、深い溝９６が形成され、またカンチレバーの上側の電極層が除去される（符号９４参照）。次に、本図Ｆにおいて、符号９８で示すように、まずＳｉ基板に対して裏面側からの反応性イオンエッチングが実施され、続いてＨＦを用いて絶縁層（ＳｉＯ_２層）が除去される。これにより、カンチレバー１００及びギャップ１０２が完成する。壁１０４はエアキャビティの容器を構成するものである。以上のように、圧力センサはＭＥＭＳ技術によって製作でき、これにより、多数の圧力センサを同時に安価に製造することが可能である。

（３）特性の評価
図７には、上述した圧力センサを試験するための実験系が示されている。実験対象として用いた圧力センサ１０Ａは、例えば図５に示した構成において、上側構造だけを取り出したものであり、閉空間としてのエアキャビティを有していないものである。圧力センサ１０Ａの上側には圧力室１０８Ａが設けられており、圧力センサ１０Ａの下側には圧力室１０８Ｂが事実上、設けられている。この圧力室１０８Ｂがエアキャビティに相当する。図７に示す実験系においては、圧力室１０８Ａと圧力室１０８Ｂのそれぞれの内圧Ｐ１，Ｐ２を独立して制御するため、圧力室１０８Ａ、１０８Ｂに圧力コントローラ１０６が接続されている。圧力コントローラ１０６によって、圧力差ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）を自在に設定することが可能である。圧力センサ１０Ａは検出回路１１０に接続されており、検出回路１１０の出力信号が図７に示す例においてオシロスコープ１１２に入力されている。

図８には図７に示した検出回路１１０の構成例が示されている。圧力センサと共に実際に用いられる検出回路の一例が図８に示す検出回路１１０である。検出回路１１０は、ブリッジ回路１１４を有している。ブリッジ回路１１４は抵抗Ｒ１，抵抗Ｒ２，抵抗Ｒ３を有し、更に、抵抗Ｒ４＋ΔＲとしての圧力センサ１０を有している。ここで、Ｒ４は原姿勢にあるカンチレバーのピエゾ抵抗値（初期値）を表しており、ΔＲはピエゾ抵抗値の初期値に対する変化分を示している。ブリッジ回路１１４に対しては図示されていない電源から電圧Ｖｓが与えられている。ブリッジ回路１１４の出力が差動アンプ１１６から電圧ΔＶoutとして出力されている。その信号がオシロスコープに与えられている。すなわち、図８に示す検出回路１１０によれば、ピエゾ抵抗値の変化分ΔＲを電圧ΔＶoutとして取り出せる。もちろん、図８に示す回路構成は一例に過ぎないものである。

図９には液体漏れ試験の結果が示されている。この液体漏れ試験は図７に示した実験系を用いず、図５に示した圧力センサ単体を利用して行われたものである。なお、この試験は摂氏２３度の下、エアキャビティ内の圧力と外界圧力の差が無い状態で行われたものである。符号１１８に示すように、互いにギャップサイズの異なる４つの圧力センサが試験対象となっている。ギャップサイズとしては、１μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍの４つが選択されている。そのような４つのギャップサイズに対して、符号１２０、１２２、１２４で示すように、３種類の液体が適用されている。符号１２０で示す第１液体は信越化学工業株式会社により製造されたシリコーンオイルHIVAC F-5であり、第２液体１２２は同社により製造されたシリコーンオイルHIVAC F-4である。第３液体１２４は水（water）である。

図９に示されるように、水を利用した場合、ギャップサイズが１０μｍであってもリークは生じていない。一方、第１液体１２０を利用した場合、５μｍ及び１０μｍにおいてリークが生じているが、３μｍではリークが生じていない。第２液体１２２を用いた場合、１０μｍにおいてリークが生じているものの、５μｍにおいてはリークが生じていない。第１液体１２０と第２液体１２２はほぼ同様の表面張力を有するものであると認められ、それらの間においてリークが生じ始めるギャップサイズの大きさが相違していることの原因としては、表面張力以外の要因及び誤差の可能性を指摘できるが、いずれにしても第１液体１２０及び第２液体１２２のようなシリコーンオイルの場合には、ギャップサイズを３又は５μｍ以下に設定するのが望ましいと言える。一方、水の場合にはギャップサイズを１０μｍ以下に設定するのが望ましく、場合によっては、それ以上に設定することも可能である。様々な液体について試験を行い、それによって得られた結果に基づき使用する液体を選択し、またギャップサイズを選択するのが望ましい。

図１０乃至図１３には、参考までに、図７に示した実験系を用いた試験の結果が示されている。

図１０には分解能試験の結果が示されている。この実験では圧力差ΔＰとして２０Ｐａが設定されている。この試験では、液体として上記の第１液体が利用されており、また１μｍのギャップサイズをもった圧力センサが用いられている。試験を行った温度は２５度である。なお、試験中において液体リークは認められていない。符号１２６が圧力印加の開始タイミングを示しており、符号１２８が圧力印加の終了タイミングを示している。なお、横軸は時間軸であり、縦軸は電圧を示している。図１０に示されるオシロスコープの波形において、２０Ｐａを与えた場合におけるノイズに対するシグナルの比から、分解能として０．９Ｐａが算出される。すなわち、本実施形態の圧力センサによれば極めて高い分解能を得ることが可能である。

図１１には、液体依存性試験の結果が示されている。横軸は圧力を示しており、縦軸はピエゾ抵抗値の変化率（ΔＲ／Ｒ）を示している。ちなみに、この試験ではギャップサイズ３μｍの圧力センサが用いられている。符号１３０は第１液体の特性を示しており、符号１３２は第２液体の特性を示しており、符号１３４は第３液体の特性を示している。ちなみに、第１液体の動的粘性（動的粘度）は１６０ｍｍ^２／ｓであり、第２液体の動的粘性は３７ｍｍ^２／ｓであり、第３液体すなわち水の動的粘性は１ｍｍ^２／ｓである。それらの数値はいずれも摂氏２５度の場合のものである。この図１１に示されるように、高い動的粘性を持った液体の方が感度が高いことを理解できる。

図１２には、ギャップサイズ依存性試験の結果が示されている。図１２において、横軸は圧力を示しており、縦軸がピエゾ抵抗値の変化率を示している。使用した液体は上記第２液体である。符号１３６はギャップサイズ１μｍの場合の特性を示しており、符号１３８はギャップサイズ３μｍの場合の特性を示しており、符号１４０はギャップサイズ５μｍの場合の特性を示している。なお、第２液体において、ギャップサイズ１０μｍの場合にはリークが生じたため、その特性は示されていない。図１２に示されるように、より小さなギャップの方が安定性が良好であることを理解できる。

図１３には温度依存性試験の結果が示されている。図１３において横軸は温度を示しており、縦軸はピエゾ抵抗値の変化率を示している。使用した液体は第２液体であり、試験においてはギャップサイズ３μｍの圧力センサが用いられている。圧力センサに加えた圧力差ΔＰは１００Ｐａである。ちなみに各温度において３回の測定を行っており、曲線１４２はそれらの平均値を結んだものである。図１３に示されるように、温度によって抵抗値が変化することが認められる。よって、後に説明するように温度補償システムを組み合わせて用いるのが望ましいといえる。

（４）圧力センサの変形例
（ａ）変形例１
図１４には、ギャップに対して局所的に液体が設けられた圧力センサの構成例が示されている。圧力センサ１５０は、液体を局所的に設ける点を除き、基本的に、図１に示した圧力センサ１０と同様の構成を有している。すなわち、圧力センサ１５０は、下側構造１５２と上側構造１５４とからなり、下側構造１５２はエアキャビティ１５７を有する容器１５６を備えている。上側構造１５４は、カンチレバー１６２及びその周囲に設けられたフレーム１６１を有する。カンチレバー１６２とフレーム１６１との間にはギャップ１６４が生じている。カンチレバー１６２が有する２つの脚部の間には穴１６６が生じている。図１０に示される圧力センサ１５０においては、ギャップ１６４及び穴１６６の内部に液体１６８が局所的に設けられている。すなわち、それらの開口部分が液体１６８によって密閉されている。液体１６８はカンチレバー１６２の上面まで設けられていない。同様に液体１６８はフレーム１６１の上面にも設けられていない。この結果、極めて少量の液体１６８を利用して、局所的な密閉しかも効果的な密閉を行える。

図１５には、図１４に示した圧力センサの断面が示されている。カンチレバー１６２とフレーム１６１の間に形成されたギャップ１６４に液体１６８が保持されており、これによりギャップ１６４が液体１６８によって密閉されている。液体１６８の上面は外界と液体１６８の間の界面１７０Ａであり、液体１６８の下面はエアキャビティ１５７内のエアと液体１６８との間の界面１７０Ｂである。それらの界面１７０Ａ，１７０Ｂには液体１６８の表面張力が働いている。

図１５に示されるように、カンチレバー１６２が変形したとしても、液体１６８はそれに追従して移動あるいは変形することになり、ギャップ１６４の密閉状態が常に維持される。そのような状態において、エアキャビティの内圧Ｐ１を基準として、外部の圧力Ｐ２に応じてカンチレバー１６２が変形し、その変形がピエゾ抵抗値の変化として電気的に検出される。その場合、ギャップ１６４は液体１６８によって密閉されており、液体リーク及びエアリークが生じることはない。図１５に示す構成例では、液体１６８がカンチレバー１６２の上面に載っていないため、外部の圧力Ｐ２がカンチレバー１６２に対して直接的に及ぶことになるから、応答性を向上できる。またカンチレバー１６２の下面のみならず上面においても液体が存在していないために、カンチレバー１６２の運動時に生じる抗力が極端に小さいので、感度及び応答性をより向上できるという利点を得られる。

図１６には液体を保持する枠部材を有する圧力センサが示されている。図１６はその断面を示すものである。圧力センサ１７２は、図１に示した圧力センサと同様の上側構造１７４を有し、すなわちその上側構造１７４はカンチレバー１７５を有している。上側構造１７４の上側には円形あるいは矩形の形状を持った枠部材１７６が設けられている。枠部材１７６の内部に液体１７８が導入されている。この様に、液体１７８の上面１８０の形状については枠部材１７６等を利用することにより適宜変更することが可能である。いずれにしても、液体１７８は、ギャップ１７９を十分に密閉できるように種類、保持形態、量等を適宜選択するのが望ましい。

図１７には、上側構造の上面に膜を有する圧力センサの例が示されている。圧力センサ１８２は、図１に示した圧力センサと同様の上側構造１８４を有し、その上側構造１８４はカンチレバー１８６を有している。上側構造１８４の上面には液体１９０が設けられている。ただし、液体１９０は外界に露出しておらず、液体１９０は膜１９２の内部に収容されている。膜１９２が可撓性を有する材料で構成されるのが望ましく、外部からの圧力を十分に伝達するために、それを薄膜として構成するのが望ましい。膜１９２を構成する材料としてはパラキシレン系ポリマーを挙げることができる。ただし、他の樹脂や樹脂以外の材料によって膜１９２を構成するようにしてもよい。

以上の通り、図１７に示す構成例では、膜１９２と液体１９０とからなる液体部１８８が構成される。このような液体部１８８によれば、蒸気圧が高い液体１９０を利用してもその蒸発という問題を防止できるという利点が得られる。よって液体選択の自由度を広げることができる。また液体１９０が密閉空間に保持されているために、その劣化を防止又は軽減できるという利点も得られる。もっとも、膜１９２を液体１９０上に形成するにあたっては、その成膜条件を満たすように液体１９０の種類を選定し、また膜１９２の材料を選定するのが望ましい。

図１８乃至図２０には、様々な界面が例示されている。それらは図２に示した界面の第１例に対して第２例乃至第４例をなすものである。図１８に示す第２例において、カンチレバー１９４の先端面をなす外側面１９４Ａと、開口の内側面１９６との間の間隙がギャップ２００である。そのギャップ２００内には界面１９８が生じている。界面１９８はギャップ２００における比較的上方に位置しており、下側に凸の形態をもっている。図１９に示す第３例においては、ギャップ２００を超えてギャップ下側近傍まで液体がはみ出ており、これによりギャップ２００の下側を越えて下側に凸の形態をもって膨らむ界面２０２が生じている。このようにギャップ近傍に界面２０２が及んでも、この界面２０２を維持できる限りにおいて、上記の密閉作用を得ることが可能である。図２０に示す第４例において、ギャップ２００内における中間位置に上側に凸型（下側に凹型）を有する界面２０４が生じている。液体の性質及び各壁面の組成によっては、このような形態の界面２０４が生じることも考えられる。また圧力差によっては図２０に示す界面２０４がギャップ２００の上側を越えて生じることも考えられる。このように諸条件によって各種の位置に各種の形態をもって界面が生じ得る。このことは図１７に示した局所的に液体を設ける場合においても同様である。いずれにしても、カンチレバー１９４の運動に関係なく、液体がギャップ２００を確実に密閉し、ギャップ２００において液体リーク及び気体リークが生じないように、諸条件を設定するのが望ましい。

図２１には温度補償機能を有する回路構成例が示されている。検出回路４０６はブリッジ回路４０８を有している。ブリッジ回路４０８における１つの抵抗に相当するものとして圧力センサ４１０が設けられており、また、他の１つの抵抗に相当するものとしてダミーセンサ４１２が設けられている。ダミーセンサ４１２は外部の圧力によっても運動をしないダミーカンチレバーを有するものである。そのダミーカンチレバーは、圧力センサ４１０が有するカンチレバーと同一の温度特性を有するものである。すなわち、カンチレバー及びダミーカンチレバーにおける温度に対する抵抗の変化率は互いに等しい。これにより、両者を用いて温度変動の影響をキャンセルすることが可能である。ダミーセンサ４１２においては、エアキャビティは格別設ける必要がない。

図２２には温度補償用の素子を有するカンチレバー構造が示されている。圧力センサ４１４は、カンチレバー４１６を有し、その周囲にはギャップ４１８が生じている。カンチレバー４１６が有する２つの脚部の間には素子４２２が設けられている。その素子４２２は温度に依存した抵抗を生じるものであり、例えば温度センサであってもよい。素子４２２とカンチレバー４１６との間には開口４２０が生じている。素子４２２が有する二股の脚部間にも開口４２８が生じている。符号４２４Ａ及び符号４２４Ｂはカンチレバー４１６に接続される一対の電極を示しており、符号４２６Ａ及び符号４２６Ｂは素子４２２に接続される一対の電極を示している。上記の素子をカンチレバーの一部として構成することも可能である。例えば３００ｎｍの厚みを有するカンチレバーにおいて、それが有する一対の脚部の間の部分に対して、ピエゾ抵抗層を確実に除去できる程度の例えば２００ｎｍの深さをもった窪みを形成し、残りの１００ｎｍの厚さをもった部分を上記温度補償用素子として用いるようにしてもよい。また、上記の素子をフレームの一部として設けてもよく、また、エアキャビティ内に設けるようにしてもよい。

このような温度依存性素子を有する圧力センサ４１４を利用することにより、カンチレバー４１６の温度に応じた信号を素子４２２に出力させ、その信号を利用して、カンチレバー４１６が有するピエゾ抵抗値に対して温度補償を行うことが可能である。例えば、カンチレバー４１６における温度特性を予め求めておき、温度センサで実際の温度を検出し、その検出値に基づいて検出ユニットからの出力信号に対して温度補償用の補正演算を適用することも可能である。

（ｂ）変形例２
（ｉ）全体構成
図２３には、圧力センサの応用例としてのハイドロホン２０６が示されている。このハイドロホン２０６は水中において圧力（音）を検出するユニットである。

ハイドロホン２０６は、基本的には、図１に示した圧力センサと同様の構造を有している。すなわち、ハイドロホン２０６は、下側構造２１２及び上側構造２１６を有している。下側構造２１２はエアキャビティ２１５を有する容器２１４を備えている。上側構造２１６はカンチレバーユニット２１８を有している。カンチレバーユニット２１８はカンチレバー２２０とその周囲のフレーム２２８とを有するものである。後に図２４で示されるように、カンチレバーユニット２１８は容器２１４の上面２１４Ａ上に接合固定されている。

図２３に示されるように、ハイドロホン２０６は初期状態で液体を有しておらず、ハイドロホン２０６が水槽２０８の中に配置された時点で、ギャップ２３０が密閉される。集音性を向上させるために、またカンチレバーユニット２１８の保護のために、上面２１４Ａ上には枠体２１７が設けられている。図示例においては、円筒形状をもった枠体２１７が設けられている。水槽２０８内には液体（具体的には水）２１０が入れられており、ハイドロホン２０６を水槽２０８の内部に設けた場合、液体２１０によって図１等に示した構成例と同様にギャップ２３０が密閉されることになる。

図２４には、図２３に示したハイドロホン２０６が斜視図として示されている。下側構造２１２において、容器内にはエアキャビティ２１５が形成され、下側構造２１２の上面には円形の開口部２２６が形成されている。上面２１４Ａ上にカンチレバーユニット２１８が接合固定される。具体的には、カンチレバー２２０が開口部２２６を覆うように設けられる。カンチレバー２２０とフレーム２２８との間がギャップ２３０である。

図２５には図２３に示したハイドロホン２０６の使用例が模式図として示されている。水槽２０８の中には液体２１０としての水が収容されている。水槽２０８の下部にはハイドロホン２０６が上向きで固定的に設置されている。枠体２１７の内部に液体２１０が進入しており、カンチレバー２２０の上側には液体２１０が存在している。液体２１０とエアキャビティ２１５内の気体との間のギャップ２３０内には界面２３２が形成されている。ギャップ２３０内に進入した液体によりギャップ２３０が密閉されている。

水槽２０８の上部にはスピーカ２３４が設けられる。スピーカ２３４で音を出力すると、その音が液体２１０を伝藩し、カンチレバー２２０を周期的に運動させる。その際においては界面２３２が維持され、ギャップ２３０の密閉状態が保たれる。カンチレバー２２０の運動がピエゾ抵抗値の変化として検出され、これによって音を検出することが可能である。

図２３乃至図２５に示したハイドロホン２０６によれば、水槽内の水をそのまま使用してギャップ２３０を密閉することができるので、使用にあたって液体を別途用意する必要がなく、極めて簡便にギャップ２３０を密閉することが可能である。図１に示した実施形態と同様に、このハイドロホン２０６においてもカンチレバー２２０の下側にエアキャビティ２１５を有するため、カンチレバー２２０の運動時に生じる抗力は小さく、これによって良好な感度及び良好な応答性を得られる。

図２６には、実際に製作したハイドロホンが示されている。また、図２７には、図２６に示したハイドロホンが有するセンサチップが示されている。シリコン結晶方向に対して４５度を傾斜した角度をもってカンチレバーが形成されている。そのような構成は一般的なものである。

（ｉｉ）特性の評価
図２８には、ハイドロホンの性能を試験するために使用した実験系が示されている。液体として水を収容した水槽２０８の内部にはスピーカ２３４が上向きで設けられている。水槽２０８の上部には図２３に示したハイドロホン２０６が下向きで設置されている。それと横並びでリファレンスとしてのマイクロホン２３６が下向きで設置されている。マイクロホン２３６としてＢ＆Ｋ社製のハイドロホン（タイプ８１０３）が用いられた。ちなみに、スピーカ２３４としてFostex US300が用いられた。

図２９には本実施形態のハイドロホンの応答特性が示されている。上段に示す波形はスピーカからの出力信号（周波数１ｋＨz）を表している。横軸は時間軸であり、縦軸は電圧値としての振幅を表している。図２９の下段に示す波形は、本実施形態に係るハイドロホンによって検出された信号を示している。図２９に示されるように、送信された波形が忠実に再現されており、応答特性も良好である。

図３０はハイドロホンの周波数特性（周波数−音圧の関係）を示す図である。横軸は周波数を表しており、縦軸は音響的な圧力を示している。符号２３８は本実施形態に係るハイドロホンの周波数特性を示しており、符号２４０はリファレンスとしてのハイドロホン（上記Ｂ＆Ｋ社製のハイドロホン）の周波数特性を示している。図示されるように、１００Hz〜２０KHzの範囲にわたって本実施形態のハイドロホンにおいて、リファレンスと同様の良好な周波数特性が得られている。

図３１にはハイドロホンの周波数特性（周波数−単位圧力当たりの抵抗値変化率の関係）が示されている。横軸は周波数を表しており、縦軸は単位圧力当たりの抵抗値変化率を表している。符号２４２は本実施形態に係るハイドロホンの特性を示しており、符号２４４は比較例の特性を示している。比較例は、実施形態のハイドロホンと同じ構造をもったハイドロホンにおいて、そのエアキャビティ内に液体を充満させたものである。図示されるように、１００Hz〜５KHzの範囲内にわたって、本実施形態のハイドロホンは比較例に比べて約５倍の感度を得ている。

（ｃ）変形例３
図３２には、ハイドロホンの変形例が示されている。ハイドロホン２４６は下側構造２５０を有し、その内部のエアキャビティを覆うようにカンチレバー２５２が設けられている。ハイドロホン２４６の上部構造は音響ガイド２５４を有している。その音響ガイド２５４は上方に広がったパラボラ形状を有し、上方から来る音をカンチレバー２５２側へ反射又は誘導する作用を発揮する。これによって集音効率を高め、指向方向について感度を高めることが可能である。

図３３には複数のカンチレバーを有する圧力センサ２５６が示されている。圧力センサ２５６は本体２５５を有し、その内部は共用エアキャビティ２６２である。本体２５５の上部には線対称関係をもって２つのカンチレバー２５８，２６０が互いに逆向きで設けられている。それらを跨ぐように液体２６４が設けられている。このような構成において、第１カンチレバー２５８と第２カンチレバー２６０との間にギャップ２５９が形成され、そのギャップ２５９が液体２６４によって密閉される。符号２６６は密閉されたギャップ２５９における界面を表している。第１カンチレバー２５８と第２カンチレバー２６０は基本的に同一の構造を有しているので、外部からの圧力がそれらに生じると、２つのカンチレバー２５８，２６０は同様に変形する。それに伴い界面２６６も運動することになる。ただし、液体２６４による密閉状態は維持される。本体２５５の内部には共用エアキャビティ２６２が設けられており、これにより構造が簡略化されている。３つあるいはそれ以上のカンチレバーを配置して圧力センサを構成することも可能である。

図３４には非矩形型カンチレバーを有する圧力センサが示されている。圧力センサ２６８は、上方から見て馬蹄形を有するカンチレバー２７２を有している。そのような形態により、２つの脚部２７４Ａ，２７４Ｂの長さを増大でき、ピエゾ抵抗値の変化をより大きくすることが可能である。またカンチレバー２７２の外側に生じる外側ギャップ２８０及びカンチレバー２７２の内側に生じる内側ギャップ２８２がそれら全体として丸みを帯びているため、ギャップの角部分で生じる液体不安定性を軽減又は解消できるという利点が得られる。

ちなみに、カンチレバー２７２の下側にはエアキャビティ２７０が設けられている。エアキャビティ２７０は、上方から見て２つの脚部２７４Ａ，２７４Ｂの間の形状に沿って内側へ突出した突出壁２７０Ａを有している。これにより２つの脚部２７４Ａ，２７４Ｂの間での液体リーク等を効果的に防止できる。ちなみに、符号２７８Ａ，２７８Ｂは２つの脚部２７４Ａ，２７４Ｂに接続された取出電極を示している。この構成によれば、外側ギャップ２８０及び内側ギャップ２８２の両者を液体によって確実に密閉することができる。図３４に示したカンチレバー２７２の形態はもちろん一例であり、用途等に応じてカンチレバー２７２の形態を適宜定めるのが望ましい。エアキャビティ２７０についても、カンチレバー２７２の形態に応じてその形状を適宜定めることが可能である。

（ｄ）変形例４
更に変形例について説明する。図３５にはカンチレバー保護機構を有する圧力センサ２８４が断面図として示されている。圧力センサ２８４はエアキャビティを有する下側構造を有し、またカンチレバー２９０を有する上側構造を有する。カンチレバーの周囲にはフレーム２９２が設けられている。上側構造は枠体に相当する容器２９４を有し、その内部には液体２９６が収容されている。図３５に示す状態では、カンチレバー２９０が原姿勢にある。液体２９６は容器２９４の内容積よりも多く収容されており、その一部が容器２９４の上面レベルよりも上側にはみ出ている。そのはみ出た部分にフロート板３００が載せられている。はみ出た部分の内でフロート板３００より下側においては符号２９６Ａで示すように液体の表面張力が働いており、液体２９６が水平方向に流出することはない。カンチレバー２９０とフレーム２９２との間のギャップ２９３は液体２９６によって密閉されており、そこに界面２９８が生じている。

図３６には上記圧力センサ２８４に対して大きな圧力が及んだ場合の様子が模式的に示されている。外界圧力によってカンチレバー２９０が下側へ屈曲変形すると、界面２９８が変形し、また液体２９６の上面レベルが下方へ移動する。これに伴い、フロート板３００も下方に運動する。フロート板３００は、下面側周縁が容器２９４の上面２９４Ａに密着すると、カンチレバー２９０へ及ぶ圧力がそれ以上に大きくならないので、圧力弁のように機能する。したがって圧力センサ２８４は、カンチレバー２９０の過度の変形を防止することができる。上記構成において、フロート板３００と容器２９４の上面２９４Ａとが十分に密着するように構成するのが望ましい。また、フロート板３００が平行移動するようにその昇降を案内するガイドを設けるのが望ましい。

図３７には、他のカンチレバー保護機構を有する圧力センサ３０２が示されている。圧力センサ３０２の上側構造は液体３１０を収容した容器３０８を備えている。カンチレバー３０６とフレーム３１４との間にはギャップ３１５が形成されており、そのギャップ３１５内には界面３１２が形成されている。エアキャビティ３０４内には、エアの流通を妨げない形態を有するストッパ３１６が設けられている。また、容器３０８内には、液体３１０の流通を妨げない形態を有するストッパ３１８が設けられている。カンチレバー３０６が下側へ一定程度屈曲すると、カンチレバー３０６の下面がストッパ３１６の上端に当たり、カンチレバー３０６におけるそれ以上の屈曲が制限される。カンチレバー３０６が上側へ一定程度屈曲すると、カンチレバー３０６の上面がストッパ３１８の下端に当たり、カンチレバー３０６におけるそれ以上の屈曲が制限される。つまり、上下両方向においてカンチレバーの屈曲範囲に制限が設けられている。このような直接的な屈曲制限によって過度の圧力が生じた場合におけるカンチレバー３０６の破損等を効果的に防止することが可能である。カンチレバー保護機構としては上記であげたもの以外にも各種の機構が考えられる。いずれにしてもカンチレバー保護機構を設ければ圧力センサ３０２の動作信頼性を高められる。

（ｅ）変形例５
変形例としてのセンサアレイについて説明する。同じ方向を向いた又は異なる方向を向いた複数のハイドロホンを配列し、それらによって水中において音を検出することも可能である。それをソナーとして利用してもよい。また、複数の圧力センサをアレイ状に配列して聴診器を構成することも可能である。聴診器は、循環器からの音、内臓からの音、筋肉からの音、その他の生体組織からの音を検出するものである。いずれにしても複数の圧力センサからの信号の総和により、微弱音を高感度で検出することが可能である。以上のようなセンサアレイ又は圧力センサ単体をウエアラブルに構成してもよい。

また、特性の異なる複数の圧力センサを配置し、それらの出力を総合することにより圧力を判定することも可能である。上述した実施形態においてはエアキャビティが液体によって完全に密閉されていたが、エアキャビティに対して図７に示した圧力コントローラを接続することにより、基準圧力を変化させて任意の絶対圧を高感度で検出することも可能である。その場合においても、エアキャビティの密閉状態が構築される。

（ｆ）変形例６
図３８は変形例としてのウエアラブル聴診器（以下、「聴診器」という）３２０を示す概念図である。聴診器３２０は、例えば人体に装着され、筋肉からの音、内臓からの音、循環器からの音等を検出するものである。そのような音は例えば１００Ｈｚ以下の周波数をもっており、そのような低い周波数の音を感度良く検出するものとして聴診器３２０が構成されている。図３８に示すように、聴診器３２０は、この例では手に巻き付けられたシート状部３２２と、それに対してアレイ状に設けられた複数のセンサ（音圧センサ）３２４と、を有している。

図３９には、聴診器３２０の模式的な断面が示されている。シート状部３２２は中空部材として構成されており、その内部は複数の圧力センサ３２４において共用されるキャビティ３３０である。そこには例えばエアが封入されている。図３９においてシート状部３２２の上面（通常、生体接触面）側には複数の圧力センサ３２４が設けられている。各圧力センサ３２４は、カンチレバー３２６と、その上面側に設けられた液体３２８と、を有し、図示の例では、更に液体３２８を覆う膜３３２が設けられている。カンチレバー３２６に音圧が到達する限りにおいて、膜を設けない構成を採用することも可能である。例えば、液体としてゲル状の部材を設けてもよい。それは生体表面に塗布されたものであってもよい。生体内からの音が、生体表面から膜３３２及び液体３２８を介して、カンチレバー３２６へ到達し、それを振動させる。その振動がピエゾ抵抗値の変化として検出される。

上記の膜３３２が生体表面に密着するように構成するのが望ましいが、膜と生体表面との間に音響整合層等を設けることも可能である。複数の圧力センサ３２４からの出力信号に基づいて音圧の二次元分布を計測することが可能である。また、複数の圧力センサ３２４からの出力信号間で位相差や時間差を計測して音源位置を特定することも可能である。上記のような聴診器は手以外の各種の部位に装着可能であり、例えば、心臓計測時には胸部に装着され、呼吸音計測時には胸部や背中に装着される。装着部位に適合した治具を用いるのが望ましい。

２．第２実施形態
（１）全体構成
次に、第２実施形態に係る感圧型センサとしてのガスセンサ４５１について図を参照して説明する。なお、上記第１実施形態に係る圧力センサと同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。図２に対応して同様の符号を付した図４０に示すガスセンサ４５１は、下側構造４５２及び上側構造１４を有する。ガスセンサ４５１は、検出対象のガスや化学物質（以下、「ガス成分」という）、例えばアセトン、エタノール、二酸化炭素などの検出に用いることができる。

下側構造４５２は、エアキャビティ４５４を有する容器４５６を備えている。容器４５６は、例えば樹脂、半導体その他の気密性を有する材料により構成される。エアキャビティ４５４は、上方が開いたくぼみ形状あるいは立方体形状を有し、底部に貫通穴４５８が形成されている。前記貫通穴４５８は、フィルター４６０が設けられている。フィルター４６０は、検出対象のガス成分を除く気体が流通し得るように形成されている。フィルター４６０は、例えば二酸化炭素には酸化カルシウムを、また多くのガスに汎用的に使うには活性炭を用いることができる。これにより検出対象のガス成分を除く気体が、フィルター４６０を通して外部とエアキャビティ４５４内の間を自由に流通する。

上側構造１４におけるフレーム２３の表面には液体排斥領域７０が形成されている。これにより上側構造１４の上面に設けられた液体４６２は、ドーム状の液体表面４６４を有する。液体４６２は、ギャップ２４を密閉するとともに、検出対象のガス成分を吸着する。

液体４６２は、ギャップ２４を密閉する観点において、表面張力が大きく、化学的に安定なものを選択するのが望ましい。蒸気圧が低く、取扱性が良好な液体４６２を選択するのが望ましい。液体４６２は、検出対象のガス成分を吸着する観点において、検出対象のガス成分を吸着する吸着分子を含み、当該吸着分子が液体表面４６４に集まりやすい性質を有することが望ましい。液体４６２は、全体に前記吸着分子を含むこととしてもよいし、液体表面４６４を前記吸着分子を含む他の液体でコーティングしてもよい。

上記のような観点から、液体４６２は例えば、検出対象のガス成分がアセトン蒸発ガス及びエタノール蒸発ガスの場合にはシリコーンオイルを、検出対象のガス成分が二酸化炭素ガスの場合にはイオン性液体を用いることができる。

（２）製造方法
本実施形態に係るガスセンサ４５１において、上側構造１４は上記第１実施形態と同様に製造することができる。上側構造１４と下側構造４５２を接合固定することにより、ガスセンサ４５１を得ることができる。

（３）動作及び効果
次に上記のように構成されたガスセンサ４５１の動作及び効果について説明する。ガスセンサ４５１は、エアキャビティ４５４内に外部の気体（検出対象のガス成分を除く）が自由に流通するように構成されているので、エアキャビティ４５４内の圧力と外界圧力はＰ_０で同じである。また液体４６２は、上述のとおり重量が極めて小さいため、液体４６２に作用する重力は無視できる。したがってガスセンサ４５１は、液体４６２の内圧Ｐ_１と外界圧力Ｐ_０が均衡を保つことによってカンチレバー２２が原姿勢に保持される。このときのカンチレバー２２のピエゾ抵抗値を初期値とする。

次に図４１に示すように、外界圧力Ｐ_０を変えずに、ガスセンサ４５１を検出対象のガス成分を含む雰囲気中に設置する。そうすると、液体４６２は、検出対象のガス成分を吸着する。

図４２を参照してより詳細に説明する。液体４６２は、液体表面４６４に吸着分子４６６が集まっている（本図Ａ）。前記吸着分子４６６は、検出対象のガス成分と結合し得る末端４６８を有する。これにより吸着分子４６６は、検出対象のガス成分の分子４７０が末端４６８と結合することにより、検出対象のガス成分を吸着する（本図Ｂ）。これにより液体４６２は表面張力が変化する。本実施形態の場合、検出対象のガス成分を吸着することにより変化する表面張力が、外界から作用する力である。

液体４６２は、液体表面４６４が球の一部の形状になるように設けられている。また、カンチレバー２２の変形量は、微小で液体表面４６４の形状に影響しないとすると、液体表面４６４の表面張力γは、Young-Laplace方程式により、ΔＰ＝２・γ・Ｈで表される。ΔＰは液体４６２の内圧Ｐ_１と外界圧力Ｐ_０の圧力差である。Ｈは、液体表面４６４の曲率であり、液体表面４６４が球の一部の形状である場合、Ｈ＝１／Ｒである（Ｒは球の半径）。したがって、液体４６２の内圧Ｐ_１と外界圧力Ｐ_０の差（ΔＰ）と表面張力（γ）は比例する。

上記のとおり、液体４６２は、吸着分子４６６が検出対象のガス成分を吸着することにより表面張力が変化することに伴い内圧Ｐ_１が変化する。外界圧力Ｐ_０は一定であるから、カンチレバー２２は液体４６２の内圧Ｐ_１によって弾性変形する（図４１）。カンチレバー２２の変形量は、ピエゾ抵抗値の初期値に対する変化分として検出回路で測定することができる。このように、表面張力は、検出対象のガス成分の種類、吸着した量によって変化し、その変化量をカンチレバー２２の変形量として検出回路で測定することができる。したがってガスセンサ４５１は、外界の物理情報である検出対象のガス成分を、液体４６２を介してカンチレバー２２で検出することにより、高感度で検出、測定することができる。

ガスセンサ４５１は、液体４６２の表面張力が変化することによってカンチレバー２２を変形させることで検出対象のガス成分を検出、測定することとした。液体４６２は、検出対象のガス成分が液体全体に浸透する必要はなく、液体表面４６４で検出対象のガス成分を吸着することにより表面張力が変化する。したがってガスセンサ４５１は、検出対象のガス成分に対して速く応答することができる。

ガスセンサ４５１は、フィルター４６０が検出対象のガス成分を吸収することによりエアキャビティ４５４内に検出対象のガス成分が流入することを防ぐ構成とした。これによりギャップ２４における液体４６２の界面は表面張力が変化しない。したがってガスセンサ４５１は、界面の表面張力が液体表面４６４における表面張力の変化を打ち消してしまうことを防ぐことができるので、測定の感度、精度、効率を向上することができる。

また、ガスセンサ４５１は、液体４６２を加熱することにより、液体４６２に吸着した検出対象のガス成分を液体表面４６４から分離することができるので、容易に繰り返して使用することができる。

（４）変形例
本実施形態の場合、液体表面４６４は、球の一部の形状になるように設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図４３に示すように、楕円体の一部の形状になるように設けることとしてもよい。

フィルター４６０は、検出対象のガス成分を除く気体が流通し得るように形成されている場合について説明したが、検出対象のガス成分は１種に限られず２種以上であってもよい。この場合フィルター４６０は、検出対象のガス成分に対応した複数の層を重ねて形成することができる。

本実施形態の場合、ガスセンサ４５１は、一つの下側構造４５２及び上側構造１４を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、一つの下側構造４５２及び上側構造１４をアレイ状に配置して形成してもよい。ガスセンサ４５１は、アレイに配置することにより、検出対象のガス成分に対する成分分解能や、検出対象のガス成分が複数ある場合に特定のガス成分に対する選択性を向上することができる。

（５）特性の評価
評価に用いたガスセンサは、図４０に示した構成である。液体表面にのみ検出対象のガス成分を供給し得るように構成した。ガスセンサは、ギャップを１μｍ、液体を信越化学工業株式会社により製造されたシリコーンオイルHIVAC F-4、検出対象のガス成分をアセトンの液滴を蒸発させて得たアセトン蒸発ガスとした。ガスセンサは、図８に示す検出回路に接続されている。

図４４にガスセンサの評価結果を示す。本図において横軸は時間（秒）、縦軸はピエゾ抵抗値の変化率（ΔＲ／Ｒ）を示している。本図に示すように、アセトン蒸発ガスにガスセンサを近づけるとピエゾ抵抗値の変化率が上昇し（図中1.8秒付近及び3.8秒付近のピーク）、アセトン蒸発ガスからガスセンサを離すとピエゾ抵抗値の変化率が下がった。この結果から、ガスセンサは、検出対象のガス成分を高感度で検出できることが確認できた。

３．第３実施形態
（１）全体構成
次に、第３実施形態に係る感圧型センサとしてのガスセンサについて説明する。なお、上記第２実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。図４０に対応して同様の符号を付した図４５に示すガスセンサ４８０は、下側構造のみが上記第２実施形態と異なる。本実施形態に係るガスセンサ４８０は、下側構造が基台４８２で構成されている。基台４８２は、エアキャビティを有しておらず、したがってカンチレバー２２の表面及び裏面は、同じ環境に曝される。本実施形態の場合、液体表面４６４の表面積がギャップ２４の面積に比べ十分に小さくなるように形成されている。液体表面４６４の表面積とギャップ２４の面積の比は、液体４６２の種類、例えば１００：１程度以上であることが好ましい。

（２）製造方法
本実施形態に係るガスセンサ４８０において、上側構造１４は上記第１実施形態と同様に製造することができるので説明を省略する。

（３）作用及び効果
本実施形態に係るガスセンサ４８０は、液体４６２の表面張力が変化することによってカンチレバー２２が変形する（図４６）。これによりガスセンサ４８０は、検出対象のガス成分を検出、測定することとしたので、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

また本実施形態に係るガスセンサ４８０は、液体表面４６４の表面積がギャップ２４の面積に比べ十分に小さいので、ギャップ２４における界面の表面張力が液体表面４６４における表面張力の変化に与える影響を無視できる程度に小さくすることができる。したがってガスセンサ４８０は、エアキャビティ、貫通穴、及びフィルターを省略しても検出対象のガス成分を検出、測定することができるので、その分構成を簡略化することができる。

（４）変形例
本実施形態の場合、ガスセンサとして適用する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、加速度や音圧などを計測する圧力センサとして適用することもできる。この場合、圧力センサは、外部の振動を液体がカンチレバーに伝達するので、エアキャビティを有していなくとも加速度や音圧などを計測することができる。

（５）特性の評価
評価に用いたガスセンサは、図４５に示した構成である。これにより、カンチレバーの表面及び裏面は、同じ環境に曝される。ガスセンサは、ギャップを１μｍ、液体を信越化学工業株式会社により製造されたシリコーンオイルHIVAC F-4、検出対象のガス成分をアセトンの液滴を蒸発させて得たアセトン蒸発ガスとした。ガスセンサは、図８に示す検出回路に接続されている。

図４７にガスセンサの評価結果を示す。本図において横軸は時間（秒）、縦軸はピエゾ抵抗値の変化率（ΔＲ／Ｒ）を示している。本図に示すように、アセトン蒸発ガスにガスセンサを近づけるとピエゾ抵抗値の変化率が上昇し（図中3.5秒付近及び5.2秒付近のピーク）、アセトン蒸発ガスからガスセンサを離すとピエゾ抵抗値の変化率が下がった。この結果から、ガスセンサは、検出対象のガス成分を高感度で検出できることが確認できた。

以上説明したように、上記実施形態に係る感圧型センサによれば、液体の密閉作用を巧妙に利用して、ギャップの密閉（気体の閉じ込め）を簡便に行うことができ、しかもカンチレバーに及ぶ負荷を小さくできるので、感度及び応答性を極めて向上することが可能である。そのような感圧型センサは産業における各種の分野において様々な用途において用いることが可能である。

１０ 圧力センサ、１２ 下側構造、１４ 上側構造、１７ エアキャビティ、２２ カンチレバー、２３ フレーム、２４ ギャップ、２８ 液体

Claims (16)

1. カンチレバーと、
   前記カンチレバーの周囲に設けられ前記カンチレバーの基端を保持するフレームと、
   前記カンチレバーと前記フレームとの間に形成されたギャップと、
   前記ギャップを密閉する液体と
   を備えることを特徴とする感圧型センサ。
2. 前記カンチレバーの変形に関係なく前記液体によって前記ギャップが密閉した状態に保持されることを特徴とする請求項１記載の感圧型センサ。
3. 前記カンチレバーの表面と前記ギャップとを含む液体保持領域と、前記液体保持領域の周囲に形成された液体排斥領域とが設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の感圧型センサ。
4. 前記ギャップに繋がった気体室が前記カンチレバーの裏面側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の感圧型センサ。
5. 前記液体を覆う可撓性を有する膜が設けられ、前記膜を介して外界圧力が前記液体へ伝達されることを特徴とする請求項４記載の感圧型センサ。
6. 前記液体が前記ギャップに対して局所的に設けられ、前記カンチレバーに対して前記外界圧力が直接的に伝わることを特徴とする請求項４又は５記載の感圧型センサ。
7. 液体槽の中に配置され、前記液体槽中の液体を伝わる圧力を検出することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の感圧型センサ。
8. 前記液体中を伝わる音波を検出するハイドロホンであることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項記載の感圧型センサ。
9. 前記ハイドロホンは前記音波を前記カンチレバーへ案内する音響ガイドを有することを特徴とする請求項８記載の感圧型センサ。
10. 前記カンチレバーの変形を一定範囲内に制限することにより前記カンチレバーを保護する保護機構を含む請求項４〜９のいずれか１項記載の感圧型センサ。
11. 前記液体は、検出対象のガス成分を吸着する吸着分子を液体表面に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の感圧型センサ。
12. 前記ギャップを通じて気体が流通し得るように前記カンチレバーの裏面側に形成された気体室と、
    前記気体室内と外部とをつなぐ貫通穴と
    前記貫通穴に設けられ、検出対象のガス成分を除く気体が通過することができるフィルターと
    を有することを特徴とする請求項１１記載の感圧型センサ。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の感圧型センサを一次元又は二次元に配列したことを特徴とするセンサアレイ。
14. 前記カンチレバーの温度特性を補償するための温度補償システムが設けられた請求項１〜１２のいずれか１項記載の感圧型センサ。
15. 前記温度補償システムは、前記カンチレバーが有する温度に対する抵抗変化特性と同様の特性を有する非変形型ダミーカンチレバーを有する請求項１４記載の感圧型センサ。
16. 感圧型センサの使用方法であって、
    前記感圧型センサは、
    カンチレバーと、前記カンチレバーの周囲に設けられ前記カンチレバーの基端を保持するフレームと、前記カンチレバーと前記フレームとの間に形成されたギャップと
    を含み、
    当該使用方法は、
    前記ギャップを液体で密閉することによって、前記カンチレバーの変形に関係なく前記ギャップにおける前記液体の界面が前記ギャップの内部又は近傍に留まり、これにより前記ギャップの密閉状態が維持される工程と、
    前記密閉状態において外界から作用する力により生じる前記カンチレバーの変形を前記カンチレバーが有する電気的特性の変化として検出する工程と、
    を含むことを特徴とする感圧型センサの使用方法。