JP2015114108A - 共振センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、信頼性を向上させた共振センサを提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、起歪体２２に設けられ、起歪体２２に加えられた圧力を検出する共振センサ２１であって、絶縁材料からなる第１の基板２３と、第１の基板２３と積層し、導電材料からなる第２の基板２４を有し、第１の基板２３と第２の基板２４の間に気密封止された空隙２５が設けられ、第１の基板２３は、空隙２５に面する位置に駆動電極２６を有し、第２の基板２４は、駆動電極２６に対向し起歪体２２に圧力が加えられると共振周波数が変化する振動体を備えた構成とした。【選択図】図２

Description

本発明は、歪み、赤外線、各種ガス検出に用いられる共振センサに関する。

従来、歪みや赤外線、各種ガスの検出に容量電極を備え、静電容量の変化によって検出する共振センサが用いられていた。

図５、図６に従来の圧力センサを示す。

図５に示すように、従来の圧力センサは、第１絶縁体層１、シリコン層２及び第２絶縁体層３を貼り合わせた三層構造を有し、それぞれには容量電極４及び参照電極５、ダイヤフラム６、並びに通気口７が形成されている。また、シリコン層２には第１絶縁体基板１との間に非蒸発型ゲッタ８が設けられ、シリコン層２に形成された溝が圧力基準室９となっている。

通気口７を通して気体圧力がダイヤフラム６に加わると、気体圧力と圧力基準室９の圧力差に応じてダイヤフラム６は容量電極４側に変位する。これにより容量電極端子１０とダイヤフラムの電極端子１１間の静電容量は増加し、その増加量を電圧に変換・増幅する回路（不図示）で信号処理することによって圧力が出力される。なお、参照電極５及びその端子１２は、環境温度の変動によって圧力センサが機械的に歪み、その結果、静電容量が変化して発生する測定誤差を補正するために用いる。このような圧力センサは、圧力が所定値以上になると、ダイヤフラムが容量電極と接触してしまうため、比較的狭い圧力範囲の測定に用いられる。（特許文献１）。

また、図６に示す様に、従来の共振センサ１３は、サブストレート１４に、ビーム１５と、静電駆動電極１６と、センス電極１７が設けられている。静電駆動電極１６に駆動信号が入力され、ビーム１５が静電的にビーム１５の共振周波数で持続するように駆動して振動し、センス電極１７は、ビーム１５とセンス電極１７との間のキャパシタンスの変化を通してビーム１５の運動または振動を検出する。このとき、センス電極１７とビーム１５は、実際上、ビーム１５の振動時にビーム１５とセンス電極１７との間の距離に従って変化するキャパシタンスの電極を形成している。共振センサ１３にビーム１５と平行方向の圧縮あるいは伸張のさせる力が外部から加わると、ビーム１５のばね乗数が変化しビーム１５の共振周波数が変化する。この共振周波数変化を算出することで加えられた力を検出する（特許文献２）。

特許第４５４９０８５号公報 特許第３６９４０２８号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような従来の圧力センサでは、ダイヤフラムに直接圧力が加わる構造であるために大きな圧力を検出することができず、また、その検出精度が低いという課題があった。

また、共振センサを使用していると塵が振動部に付着し周波数が変化することにより感度が低下するため気密構造にする必要があるが、特許文献２に示されるような従来の共振センサでは、ビームの上下に静電駆動電極とセンス電極を設けているため、共振センサのみで気密封止することができず、気密構造を構成するために別の部材を設ける必要が有るため部材と製造工程が増え、生産性が低下するという課題を有していた。

上記課題を解決するために本発明は、起歪体に設けられ、導電材料からなる第２の基板と、前記第２の基板と積層され絶縁材料からなる第１の基板を有し、前記第１の基板は、前記振動部と接する部分に空隙が設けられ、前記第１の基板の、前記空隙に面している部分に電極が形成され、前記第２の基板の前記空隙に面する部分にダイヤフラムが形成された構造としている。

上記構成により本発明は、第２の基板と第１の基板の間に振動部を設け、振動部の振動数変化を検出することにより、精度よく起歪体に加えられた力を検出し、信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における共振センサの上面図 同共振センサの断面図 （ａ）〜（ｆ）同共振センサの製造方法を示す図 本発明の実施の形態２における共振センサの断面図 従来の圧力センサを示す図 従来の共振センサを示す図

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における共振センサ２１について図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１の共振センサ２１の上面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。図１、図２に示すように本発明の実施の形態１の共振センサ２１は、起歪体２２に接続され、ＳｉＯ２等の絶縁材料を主成分とした第１の基板２３と、Ｓｉ等の導電材料を主成分とした第２の基板２４が積層され、第２の基板２４の第１の基板２３との間には空隙２５が設けられている。第２の基板２４の空隙２５に面した部分には駆動電極２６と検出電極２７が設けられ、駆動電極２６と検出電極２７は貫通電極２８に接続されている。第１の基板２３の下部に空隙２５が設けられており、第１の基板２３の空隙２５に面した部分にダイヤフラム形状に形成された振動部２９が設けられ、第１の基板２３と第２の基板２４の間に設けられた空隙２５が気密構造となっている。

なお、本発明の実施の形態１の共振センサ２１は第２の基板２４に空隙２５が形成されているがこの限りではなく、第２の基板２４の振動部２９と第１の基板２３の間に空隙２５が設けられていればよく、例えば、第１の基板２３の内部に空隙２５が設けられていてもよく、第２の基板２４と第１の基板２３の両方に空隙２５が設けられていてもよい。

共振センサ２１は信号取り出し電極３０と接続され、貫通電極２８を介して駆動電極２６に駆動電圧が印加される。振動部２９と駆動電極２６で容量が形成されており、信号取り出し電極３０より駆動電極２６に駆動電圧が印加されると、振動部２９が共振周波数Ｆで共振駆動する。

共振センサ２１が設けられた起歪体２２に力が加わると、振動部２９が伸縮する。振動部２９がＸ軸方向に伸縮することにより振動部２９の共振周波数が変化し、例えば、振動部２９がＸ軸方向に延びることにより、振動部２９が硬化しＦ＋ΔＦへと変化する。この共振周波数ΔＦの変化を検出電極２７により検出することにより、共振センサ２１が設けられた起歪体２２に加えられた力を検出することができる。一方、起歪体２２に振動部２９が縮む方向に起歪体２２に力が加えられると、振動部２９が軟化し、振動部２９の共振周波数ＦがＦ−ΔＦへと変化し、上記振動部２９が伸びた場合と同様に、このΔＦの変化を検出電極２７で検出することにより、起歪体２２に加えられた力を検出することができる。

次に、本発明の実施の形態１における共振センサ２１の製造方法を説明する。

図３は本発明の実施の形態１における共振センサ２１の第２の基板２４の製造方法を示した図である。

まず、図３（ａ）に示すように、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液を用いたウェットエッチングにより、予め準備しているボロン（Ｂ）がドープされたＳｉからなる第２の基板２４の上面に空隙２５を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液を用い、第２の基板２４の下面から第２の基板２４の酸化膜層までエッチングすることにより、第２の基板２４の下面に空隙３１を形成することにより、ダイヤフラムを形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、第２の基板２４の上面の空隙２５に熱酸化により絶縁膜３２を形成する。また、第２の基板２４の下面の空隙２５にＳｉＮからなる表面保護膜（図示せず）を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、絶縁膜３２上にＡｌを成膜することにより、駆動電極２６と貫通電極２８を接続する電極３３を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２よりなる予め準備している第１の基板２３をエッチングし、第１の基板２３の下面にＡｌを成膜し、駆動電極２６と検出電極２７を形成する。

次に、図３（ｆ）に示すように、真空接合により、第２の基板２４の上面と第１の基板２３の下面とを接合し、スパッタすることによりＡｌによる貫通電極２８を形成し、共振センサ２１を形成する。

本発明の実施の形態１において、上記製造方法により共振センサ２１を形成することにより、共振センサ２１を形成すると同時に、振動部２９と第１の基板２３の間の空隙２５を気密封止することができるため、共振センサ２１を形成した後に、気密構造を別に設ける必要がないため、製造工程を減らすことができ、共振センサ２１の生産性を向上させることができる。

また、上記工程で製造された本発明の実施の形態１における共振センサ２１は、振動部２９と電極によって容量結合が形成されている空隙２５が気密構造となっていることにより、塵の振動部２９への付着を防止することができるため信頼性を向上させつつ、小型化することができている。さらに、振動部２９である振動部２９がＳｉＯ２からなる第１の基板２３で覆われていることにより、薄膜等で振動体を覆い気密構造を形成するよりも頑丈にすることができ、起歪体２２に共振センサ２１を接合するときに、大きな押圧力を印加することができるため、より強固に取り付けることができる。

なお、本発明の実施の形態１における共振センサ２１では、検出電極２７を設けているが、検出電極２７を設けずに駆動電極２６で共振周波数の変化を検出しても良い。

また、本発明の実施の形態１の共振センサ２１は、起歪体２２に取り付けることにより、起歪体２２に加えられた圧力を検出することができるが、絶縁材料からなる第１の基板２３を透明なＳｉＯ２で形成することにより、赤外線が第１の基板２３を透過するようにして使用し、赤外線センサとして用いることもできる。赤外線が第１の基板２３を透過すると赤外線により振動部２９が加熱され、振動部２９の共振周波数が変化をする。この共振周波数の変化を検出することにより、赤外線を検出することができる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における共振センサを図面を用いて説明する。

本発明の実施の形態２の共振センサの構造において、本発明の実施の形態１と同じ部分については本発明の実施の形態１と同じ符号を付し、本発明の実施の形態１と異なる点について説明する。

図４に本発明の実施の形態２の共振センサ４１を示す。図４に示すように、本発明の実施の形態２の共振センサ４１は、起歪体２２に接続され、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる第１の基板２３と、Ｓｉ等の導電材料からなる第２の基板２４が積層され、第２の基板２４の第１の基板２３との間には空隙４２が設けられている。第２の基板２４の空隙４２に面した部分には駆動電極２６と検出電極２７が設けられ、駆動電極２６と検出電極２７は貫通電極２８に接続されている。空隙４２には、Ｘ軸方向に延在し両端が第１の基板に接続されたビーム形状の振動部４３が設けられて気密構造となっており、空隙４２が振動部４３の上下でつながっている点で本発明の一実施の形態と異なっている。

共振センサ４１が設けられた起歪体２２に力が加わると、振動部４３振動部４３が延在している方向に伸縮する。振動部４３がＸ軸方向に伸縮することによりビームの共振周波数が変化し、例えば、振動部４３がＸ軸方向に延びることにより、振動部４３が硬化しＦ＋ΔＦへと変化する。この共振周波数ΔＦの変化を検出電極２７により検出することにより、共振センサ４１が設けられた起歪体２２に加えられた力を検出することができる。一方、起歪体２２に振動部４３が縮む方向に起歪体２２に力が加えられると、振動部４３が軟化し、振動部４３の共振周波数ＦがＦ−ΔＦへと変化し、上記振動部４３が伸びた場合と同様に、このΔＦの変化を検出電極２７で検出することにより、起歪体２２に加えられた力を検出することができる。

本発明の実施の形態２の共振センサ４１は、振動部４３をビーム形状としているため、振動部４３と第１の基板２３とで気密構造にすることができないため、図４に示すように、第２の基板２４の上面をエッチングし、空隙を形成するときに、第２の基板２４の下部まで振動部４３残すようにエッチングすることにより空隙４２を形成することに形成することができる。

このように、振動部４３をビーム形状とすることにより、振動部４３を形成するときに第２の基板２４の下部から空隙を形成する必要がなく、工数を少なくすることができるため、より生産性を向上させることができる。

本発明の共振センサは、起歪体に加えられた圧力を検出する共振センサの信頼性と生産性を向上させることができるため、各種制御機器や情報機器制御、自動車エンジン制御、サスペンション制御等に有用である。

２１、４１ 共振センサ
２２ 起歪体
２３ 第１の基板
２４ 第２の基板
２５、３１、４２ 空隙
２６ 駆動電極
２７ 検出電極
２８ 貫通電極
２９、４３ 振動部
３０ 信号取り出し電極
３２ 絶縁膜
３３ 電極

Claims (4)

1. 絶縁材料を主成分とした第１の基板と、
   前記第１の基板と積層し、導電材料を主成分とした第２の基板と、を有し、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に気密封止された空隙が設けられ、
   前記第１の基板は、前記空隙に面する位置に駆動電極を有し、
   前記第２の基板は、前記駆動電極に対向する振動部を備えた共振センサ。
2. 前記駆動電極と前記振動部とで静電容量を形成し、
   前記静電容量により前記振動部の周波数変化を検出する請求項１に記載の共振センサ。
3. 前記振動部がダイヤフラム形状に形成されている請求項１に記載の共振センサ。
4. 前記振動部が空隙中に設けられ、
   前記振動部がビーム形状に形成されている請求項１に記載の共振センサ。