JP2016075562A - 力学量センサおよび力学量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサのスティッキング現象を抑制すること。
【解決手段】本発明の実施形態における圧力センサは、導電性を有し、外力に応じて撓む可撓部と、可撓部に対向して配置され、可撓部と容量を形成する固定電極と、可撓部の固定電極側に配置されたストッパと、を備え、ストッパおよび固定電極は、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上の金属が表面に配置されていることを特徴とする。また、別の実施形態における圧力センサは、導電性を有し、外力に応じて撓む可撓部と、可撓部に対向して配置され、可撓部と容量を形成する固定電極と、固定電極の可撓部側に配置されたストッパと、を備え、ストッパは、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上の金属が表面に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は力学量センサに関する。

薄膜（以下、メンブレンという場合がある）によって隔てられた２つの空間の圧力差によって生じるメンブレンの撓みを電気信号に変換することによって、圧力を測定する圧力センサが知られている。例えば、特許文献１には、導電性を有するメンブレンをダイアフラムとして用い、このメンブレンに対向して設けられた固定電極とで形成される静電容量の変化から、メンブレンの撓み量を測定する技術が開示されている。

特開２００８−２５８０８８号公報

大気圧に比べて非常に低い圧力を測定するのに適した圧力センサは、圧力の測定を行う必要が無いときに大気圧に近い環境に曝されることがある。このような場合には、大気圧に押されてメンブレンが対向して設けられた固定電極に接触する程度まで撓む。圧力センサが再び低圧力の測定環境に戻された際に、メンブレンが固定電極から離隔すればよいが、張り付いたまま戻らない現象（以下、スティッキング現象という場合がある）が発生する場合もある。

そこで、スティッキング現象が起きにくくするため、メンブレン上にストッパを配置することで、メンブレンと固定電極とを接触させず、メンブレンと電極とがストッパを挟む構造になるようにして接触面積を低減することが試みられている。しかしながら、スティッキング現象は未だ残存しているため、さらなる改善が望まれている。

本発明の目的の一つは、力学量センサのスティッキング現象を抑制することにある。

本発明の一実施形態によると、導電性を有し、外力に応じて撓む可撓部と、前記可撓部に対向して配置され、前記可撓部と容量を形成する固定電極と、前記可撓部の前記固定電極側に配置されたストッパと、を備え、前記ストッパおよび前記固定電極は、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上の金属が表面に配置されていることを特徴とする力学量センサを提供する。これによれば、力学量センサのスティッキング現象を抑制することができる。

本発明の一実施形態によると、導電性を有し、外力に応じて撓む可撓部と、前記可撓部に対向して配置され、前記可撓部と容量を形成する固定電極と、前記固定電極の前記可撓部側に配置されたストッパと、を備え、前記ストッパは、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上の金属が表面に配置されていることを特徴とする力学量センサを提供する。この力学量センサによれば、力学量センサのスティッキング現象を抑制することができる。

前記ストッパは、前記可撓部の前記固定電極側にさらに配置され、前記固定電極に配置された前記ストッパと、前記可撓部に配置された前記ストッパとは、前記可撓部が前記固定電極側に所定量以上に撓んだ場合に、互いに接触してもよい。力学量センサによれば、硬い金属で形成されたストッパ同士で接触するため、力学量センサのスティッキング現象をさらに抑制することができる。

前記可撓部は、円の形状の膜であり、前記ストッパは、前記円の同心円の接線に沿った形状であり、前記ストッパは、前記可撓部が所定量で撓むときに第１変位量となる位置に対応して配置された第１ストッパ、および第２変位量となる位置に対応して配置された第２ストッパを含み、前記第１変位量が前記第２変位量よりも小さく、前記第１ストッパは、前記第２ストッパよりも設置面積が大きくてもよい。この力学量センサによれば、ストッパが対向する可撓部または固定電極と接触する際の衝撃による力を分散することができ、ストッパの破損を抑制することができる。

前記可撓部は、円の形状の膜であり、前記ストッパは、前記円の同心円の円弧に沿った形状であってもよい。この力学量センサによれば、ストッパが対向する可撓部または固定電極と接触する際の衝撃による力を分散することができ、ストッパの破損を抑制することができる。

前記ストッパは、前記可撓部が撓むときの最大変位量となる位置側において、面取りされた表面を有してもよい。この力学量センサによれば、ストッパが対向する可撓部または固定電極と接触する際の衝撃による力を分散することができ、ストッパの破損を抑制することができる。

前記ストッパは、高さが異なる複数の領域を有し、前記可撓部が撓むときの最大変位量となる位置側ほど、高さが低くなっていてもよい。この力学量センサによれば、ストッパが対向する可撓部または固定電極と接触する際の衝撃による力を分散することができ、ストッパの破損を抑制することができる。

前記可撓部は、周囲を固定された膜であり、前記外力は、前記膜の両面の圧力差によって生じてもよい。この力学量センサによれば、低い圧力を測定することができ、測定後に大気圧の環境下におかれていてもスティッキング現象の発生を抑制することができる。

前記ストッパは、単層構造であってもよい。この力学量センサによれば、力学量センサのスティッキング現象を抑制することができる。

前記ストッパは、２層以上の構造であってもよい。この力学量センサによれば、力学量センサのスティッキング現象を抑制することができる。

複数の前記ストッパは、当該複数のストッパの分布の中心と可撓部の重心とが異なる位置になるように配置されていてもよい。この力学量センサによれば、可撓部に不均一な力が加わるため、力学量センサのスティッキング現象をさらに抑制することができる。

本発明の一実施形態によると、上記記載の力学量センサと、前記可撓部と前記固定電極とが前記ストッパを挟んだ状態において、前記可撓部と前記固定電極とに前記ストッパを介して流れる電流が抑制されるように制御する制御部と、を備えることを特徴とする力学量測定装置を提供する。この力学量測定装置によれば、力学量センサのスティッキング現象を抑制することができる。また、可撓部と固定電極とにストッパを介して流れる電流を制御することができる。

本発明によると、圧力センサのスティッキング現象を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構造および外部圧力に応じた動作を説明するための断面構造の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。 本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第２基板を第１基板側から見た平面図である。 圧力センサのスティッキング現象を説明するための断面構造の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第１基板の製造方法を説明するための断面構造の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第２基板の製造方法を説明するための断面構造の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る第１基板と第２基板とが接合された後の圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態に係る圧力センサを用いた圧力測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構造を説明するための断面構造の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構造を説明するための断面構造の模式図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。 本発明の第５実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。 本発明の第６実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。 本発明の第７実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。 本発明の第８実施形態に係る圧力センサのストッパの他の断面形状の例を説明するための断面構造の模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係る圧力センサについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号（数字の後にＡ、Ｂ等を付しただけの符号）を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。

［圧力センサ１の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構造および外部圧力に応じた動作を説明するための断面構造の模式図である。圧力センサ１は、第１基板１０および第２基板２０を組み合わせて形成されている。この例では、第１基板１０はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。第２基板２０はガラス基板である。

第１基板１０は、ＢＯＸ層１３、活性層１５および支持層１７を備える。ＢＯＸ層１３は酸化シリコンであり、活性層１５および支持層１７はシリコンである。活性層１５は、導電性を有し、中央部分が薄く形成されている。この薄く形成された部分を可撓部１５１という。可撓部１５１は、周囲が固定されたメンブレンである。可撓部１５１を固定している部分を固定部１６０という。

可撓部１５１の第２基板２０側の面（以下、第１面１５１１という）には、密閉された内部空間１１０が形成されている。可撓部１５１の第２面１５１２は、外部空間１０００に面している。そのため、第２室１２０が形成されている。内部空間１１０と圧力センサ１の外部空間１０００とは、可撓部１５１を介して隔てられている空間になっている。

内部空間１１０は、大気圧よりも低い所定の圧力に保たれるように、第１基板１０と第２基板２０とで密閉されている。この例では、内部空間１１０は、高真空状態に保たれている。そのため、外部空間１０００が内部空間１１０よりも高い圧力である場合、図１（ｂ）に示すように、可撓部１５１は、内部空間１１０の体積を縮小するように第２基板２０側に撓む。一方、外部空間１０００が内部空間１１０よりも低い圧力である場合、図１（ｃ）に示すように可撓部１５１は、内部空間１１０の体積を拡大するように第２基板２０とは反対側に撓む。

可撓部１５１の第１面１５１１側には、ストッパ１５５が配置されている。ストッパ１５５は、ビッカース硬さ（Ｖｉｃｋｅｒｓ Ｈａｒｄｎｅｓｓ）が０．５ＧＰａ以上の金属が、少なくとも接触面（電極２５５側の面）に配置された構造である。このような金属としては、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ（Ｓ４５Ｃ）、ＳＵＳ３０４、Ａｇなどがある。望ましくは、ストッパ１５５のビッカース硬さは、１．０ＧＰａ以上の金属であり、この場合には、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｆｅ（Ｓ４５Ｃ）、ＳＵＳ３０４などである。また、複数の金属を組み合わせたものであってもよい。なお、Ａｕは、ビッカース硬さが０．２５ＧＰａ程度であり、上記の金属と比べて柔らかい。

また、ストッパ１５５は、この例では、上記の金属単層であるが、２層以上で形成されていてもよい。例えば、２層であれば、可撓部１５１と接触する側の層において、可撓部１５１との密着性を向上させるための金属層であってもよいし、絶縁層であってもよい。このように、ストッパ１５５が積層構造である場合、接触面に配置された金属以外は、必ずしも、接触面の材料に求められる特性（ビッカース硬さを含む）を有していなくてもよいが、積層の全てにおいて接触面と同等のビッカース硬さを有していることが望ましい。

第２基板２０には、基板を貫通する貫通電極２１３、２１５が形成されている。第２基板２０の内部空間１１０側には、電極２５３、２５５が形成され、外部空間１０００側には電極２３３、２３５が形成されている。

電極２５３は活性層１５と電気的に接続される。貫通電極２１３は、電極２５３と電極２３３とを電気的に接続する。貫通電極２１５は、電極２５５と電極２３５とを電気的に接続する。電極２５５と可撓部１５１とは容量を形成する。電極２５５は固定電極である。一方、可撓部１５１が撓むことにより、電極間の距離が変化し、容量の大きさも撓み量に応じて変化する。

電極２５５は、ストッパ１５５と同様に、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上、望ましくは１．０ＧＰａ以上の金属が、少なくとも接触面（ストッパ１５５側の面）に配置された構造である。また、複数の金属を組み合わせたものであってもよい。なお、電極２５５が、積層構造である場合、接触面に配置された金属以外は、必ずしも、接触面の材料に求められる特性（ビッカース硬さを含む）を有していなくてもよいが、積層の全てにおいて接触面と同等のビッカース硬さを有していることが望ましい。

電極２３３と電極２３５とを測定装置に接続することによって、この容量値が測定される。測定された容量値に基づいて可撓部１５１の撓み量を測定することができる。そして、可撓部１５１の撓み量に基づいて外部空間１０００の圧力（または、内部空間１１０と外部空間１０００との圧力差）を測定することができる。

なお、可撓部１５１と容量を形成する固定電極は、電極２５５の他にも存在してもよい。例えば、温度、湿度等の環境変化に応じた容量変化を補正するための参照用電極が、可撓部１５１と容量を形成する固定電極として設けられていてもよい。

内部空間１１０の真空度を高めるために、非蒸発型ゲッタ（ＮＥＧ）などのゲッタ材２６０が配置されてもよい。ゲッタ材２６０を設けることにより、第１基板１０と第２基板２０とを陽極接合で接合したときに発生するガス等を捕獲して、内部空間１１０の真空度を高めることができる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第２基板を第１基板側から見た平面図である。図２に示すように、活性層１５に形成された略正方形を底面とするキャビティの存在により、内部空間１１０が形成されている。また、電極２５３は、領域２５３Ｚにおいて活性層１５と接触している。

また、可撓部１５１は固定部１６０に周囲を固定された円形状の膜である。可撓部１５１の円の複数の同心円に沿ってストッパ１５５が配置されている。さらに、この例では、円中心に配置されたストッパ１５５Ｘから放射状に各ストッパ１５５が配置されている。可撓部１５１は、大きく撓んだときに、第２基板２０の表面と接触する可能性もある。そのため、図２に示すように、ストッパ１５５は、可撓部１５１の範囲のうち、少なくとも電極２５５に対向する領域２５５Ｚよりも外側まで拡がる領域ＳＡに分散して配置されていることが望ましい。

第２基板２０には、中央部分に電極２５５が配置され、周辺部にゲッタ材２６０が配置されている。上述したように、固定電極として参照用電極がさらに設けられる場合には、参照用電極は、例えば、電極２５５の周囲を囲むように配置される。

［スティッキング現象］
続いて、スティッキング現象について、図２を用いて説明する。

図４は、圧力センサのスティッキング現象を説明するための断面構造の模式図である。圧力センサ１の外部空間１０００の圧力測定が終了した後、外部空間１０００が大気圧に開放される場合、その圧力によって可撓部１５１は第２基板２０側に大きく撓む。その結果、図４（ａ）に示すように、可撓部１５１は、電極２５５との間にストッパ１５５を挟んだ状態まで撓むことになる。なお、図４（ａ）においては、可撓部１５１が第２基板２０の表面との間でストッパ１５５を挟む状態には至っていない例を示しているが、可撓部１５１と第２基板２０との間でストッパ１５５を挟む状態になるまで、可撓部１５１がさらに撓む場合もある。

その後、次の圧力測定が開始される際には、外部空間１０００が減圧環境となる。その際に、再び図１に示す状態に可撓部１５１が戻れば、測定には問題がない。一方、図４（ｂ）に示すように、外部空間１０００が減圧環境になったにもかかわらず、ストッパ１５１と電極２５５（または、ストッパ１５１と第２基板２０）が貼り付いたまま分離しない現象、すなわちスティッキング現象が発生する場合がある。このような状態になると、外部空間１０００の圧力が変化しても、その圧力変化に対して可撓部１５１の撓み量が追従しなくなるため、圧力測定ができなくなる。

ストッパ１５５は、一般的に、酸化シリコンが用いられることが多いが、本願の発明者は、スティッキング現象が生じる原因を取り除くためには、ストッパ１５５および電極２５５を所定の硬さを備えた金属で形成することが望ましいことを突き止めた。そして、ストッパ１５５が０．５ＧＰａ以上、望ましくは１．０ＧＰａ以上のビッカース硬さを有する金属材料であると、効果的にスティッキング現象を抑制することができることが確認された。

スティッキング現象が生じる原因の一部として、ストッパ１５５と電極２５５とが静電引力で結合したり、分子間力で結合したり、電極２５５にストッパ１５５が食い込んだりすることが考えられている。

上記の通り、ストッパ１５５と電極２５５とをそれぞれ金属で形成することにより、帯電を防止し、静電引力での結合を抑制することができる。また、ストッパ１５５と電極２５５とを硬い材料で形成することにより、それぞれが変形しにくくなるため、それぞれの表面の凹凸がつぶれて接触面の密着面積が増加してしまったり、電極２５５にストッパ１５５が食い込んだりすることを抑制することができる。密着面積の増加を抑えれば、分子間力による結合力が弱まる。その結果、スティッキング現象が抑制される。

［圧力センサ１の製造方法］
圧力センサ１は、第１基板１０と第２基板２０とが接合されて形成される。第１基板１０および第２基板２０のそれぞれは、以下に説明する所定の製造工程を経てから接合される。

［第１基板１０に対する製造工程］
図５は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第１基板の製造方法を説明するための断面構造の模式図である。まず、図５（ａ）に示す第１基板１０を準備する。第１基板１０は、シリコンの活性層１５および支持層１７を備え、さらに、これらに挟まれた酸化シリコンのＢＯＸ層１３を備えるＳＯＩ基板である。少なくとも活性層１５は導電性を有している。

活性層１５の一部をエッチングしてキャビティ１５０１を形成する（図５（ｂ））。このとき、ＢＯＸ層１３が露出しない程度に所定の厚さの膜が残るように活性層１５をエッチングする。例えば、活性層１５の表面に形成した酸化シリコン膜（熱酸化膜等）のうち、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経てキャビティ１５０１に対応する部分を開口させ、この酸化シリコン膜をマスクとしてＴＭＡＨを用いたウエットエッチングで活性層１５をエッチングすればよい。エッチング時間は、残存させる膜厚から求められるエッチング量と活性層１５のエッチングレートとに基づいて決められる。

キャビティ１５０１において残存する活性層１５は、その一部が可撓部１５１となる部分である。したがって、残存させる膜厚は、圧力センサ１の使用環境に合わせて適宜設定される。例えば、測定環境（外部空間１０００）の圧力変動が小さい場合には、小さい圧力変動で可撓部１５１が撓む必要があるため、残存させる膜が薄くなるように設定される。逆に、測定環境の圧力変動が大きい場合には、残存させる膜が厚くなるように設定される。

例えば、可撓部１５１の直径が７．６ｍｍ程度である場合には、圧力センサ１のフルスケールに応じて、可撓部１５１の膜厚および活性層１５のキャビティ深さ（可撓部１５１表面から第２基板２０の表面までの距離）が設定される。これらのパラメータは、例えば、以下の通り設定される。

フルスケールが１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の場合、活性層１５の膜厚が３１．５μｍの第１基板１０を使用し、可撓部１５１の膜厚が２１．５μｍ、キャビティ深さが１０μｍで設定される。フルスケールが１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）の場合、活性層１５の膜厚が５９μｍの第１基板１０を使用し、可撓部１５１の膜厚が４９μｍ、キャビティ深さが１０μｍで設定される。フルスケールが１３３００Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）の場合、活性層１５の膜厚が１０７μｍの第１基板１０を使用し、可撓部１５１の膜厚が９０μｍ、キャビティ深さが１７μｍで設定される。フルスケールが１３３０００Ｐａ（１０００Ｔｏｒｒ）の場合、活性層１５の膜厚が２１９μｍの第１基板１０を使用し、可撓部１５１の膜厚が２０２μｍ、キャビティ深さが１７μｍで設定される。

次に、活性層１５上に導電層１５０５を形成する（図５（ｃ））。導電層１５０５は、スパッタ、蒸着等で形成されたビッカース硬さ０．５ＧＰａ以上の金属であり、例えば、Ｃｒである。その後、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、キャビティ１５０１内にストッパ１５５を形成する（図５（ｄ））。そのため、導電層１５０５の膜厚が、ストッパ１５５の高さを規定することになり、例えば、１〜５μｍで設定される。なお、ストッパ１５５は、めっき工程によって成長された導電層を用いて形成されてもよい。具体的には、シード層をスパッタで形成し、ネガレジストによるフォトリソグラフィ工程、露出したシード層からめっき層（導電層）を成長させる電解めっき工程、レジスト剥離工程、および不要なシード層を除去する工程を経て、ストッパ１５５を形成する。

［第２基板２０に対する製造工程］
図６は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの第２基板の製造方法を説明するための断面構造の模式図である。図６（ａ）に示すように、第２基板２０には、導電材料（例えば、タングステン等）の貫通電極２１３、２１５が形成されている。この貫通電極２１３、２１５は、ガラス基板に貫通孔を形成し、導電材料を貫通孔に埋め込むことにより形成される。

次に、貫通電極２１３に接続された電極２５３、および貫通電極２１５に接続された電極２５５が形成される（図６（ｂ））。電極２５３、２５５は、例えば、貫通電極と接触するＡｕと、Ａｕ上に形成されたＣｒの積層構造をスパッタ、蒸着等で形成し、その後、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て形成される。上述したとおり、Ｃｒは、ビッカース硬さ０．５ＧＰａ以上の金属の一例である。なお、上述のストッパ１５５の形成方法でも説明したとおり、これらの電極ついても、めっき工程によって成長された導電層を用いて形成されてもよい。また、ゲッタ材２６０が形成される。

［第１基板１０と第２基板２０との接合］
このように形成された第１基板１０と第２基板２０とは、第１基板１０のストッパ１５５と第２基板２０の電極２５５とを、真空雰囲気下で対向させて接合される。第１基板１０がシリコンであり、第２基板２０がガラスであるため、この接合は、例えば、陽極接合が用いられる。この接合によって、導電部１５５と電極２５５とが接触する。

［第１基板１０と第２基板２０との接合後の圧力センサ１の製造工程］
図７は、本発明の第１実施形態に係る第１基板１０と第２基板２０とが接合された後の圧力センサ１の製造方法を説明するための断面図である。図７（ａ）は、第１基板１０と第２基板２０とが接合された後の圧力センサ１を示している。電極２５３は、活性層１５と接触し導通している。電極２５５とストッパ１５５とは対向して配置されている。キャビティ１５０１が第２基板２０で覆われて、内部空間１１０が形成される。

次に、第２基板２０の外面側（内部空間１１０とは反対側）に電極２３３、２３５を形成する（図７（ｂ））。電極２３３、２３５は、半田用の電極パッドとなるものであって、例えば、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ等の積層構造として形成される。これらの電極についても、上述のストッパ１５５、電極２５３、２５５等と同様に、蒸着等およびエッチングにより形成されてもよいし、めっき工程によって成長された導電層を用いて形成されてもよい。電極２３３は、貫通電極２１３と接続される。電極２３５は貫通電極２１５と接続される。なお、電極２３３と貫通電極２１３は、直接的に接続される場合に限られず、別の金属配線を介して電気的に接続されていてもよい。電極２３５と貫通電極２３５との関係についても同様である。

次に、支持層１７をエッチングし、さらにＢＯＸ層１３をエッチングして、活性層１５を露出させることによって、可撓部１５１を形成する（図６（ｃ））。例えば、フォトリソグラフィを用いたエッチングを行う際に、ＢＯＸ層１３をエッチングストッパとして支持層１７をエッチングし、その後、活性層１５をエッチングストッパとしてＢＯＸ層１３をエッチングする。このエッチングはドライエッチングが用いられてもよいし、ウエットエッチングが用いられてもよい。このようにして露出された可撓部１５１の面は、外部空間１０００に曝されることになる。

上述した圧力センサ１は、図においては、１つのセンサとして説明したが、実際の製造工程においては、一基板上に複数の圧力センサ１が同時に形成されている。したがって、それぞれの圧力センサ１を個片化するためにダイシングを行う。なお、上述した製造方法における各構成の材料、エッチング方法等の各種条件については一例であって、様々な条件に設定可能である。以上が、圧力センサ１の製造方法についての説明である。

［圧力測定装置］
続いて、圧力センサ１を用いて外部空間１０００の圧力を測定する圧力測定装置１００について図８を用いて説明する。

図８は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサを用いた圧力測定装置の構成を示すブロック図である。圧力測定装置１００は、外部空間１０００の圧力を測定する装置であって、圧力センサ１と制御部２を備えている。制御部２は、圧力センサ１の電極２３３、２３５に対して測定用の信号を供給して容量を測定し、容量の測定結果に所定の演算を施して、外部空間１０００の圧力を算出して、圧力測定値として出力する。

上述したように、ストッパ１５５は導電性を有する金属である。そのため、ストッパ１５５と電極２５５とが接触して、ストッパ１５５が可撓部１５１と電極２５５とに挟まれた状態になると、電極２３３、２３５間がショートする。そのため、制御部２は、圧力センサ１がこのような状況になる場合には、電極２３３、２３５間への電流供給を停止する。圧力センサ１において、電極２３３、２３５間がショート状況については、電極２３３、２３５間の抵抗が所定値より低くなった場合として検知されればよい。

以上、本実施形態における圧力センサ１は、ストッパ１５５および電極２５５において、少なくとも、これらの接触面に硬い金属が配置されている。そのため、この圧力センサ１においては、スティッキング現象が発生しにくくなっている。ストッパ１５５を、ビッカース硬さで０．５ＧＰａ以上、望ましくは１．０ＧＰａ以上である金属で形成することで、スティッキング現象を大幅に抑制することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態においては、ストッパが第２基板２０側に配置されている圧力センサ１Ａについて説明する。

図９は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構造を説明するための断面構造の模式図である。ストッパ１５５Ａは、第２基板２０に配置された電極２５５Ａ上に配置されている。また、ストッパ１５５Ａは、電極２５５Ａ以外の領域に、さらに配置されていてもよい。

ストッパ１５５Ａは、第１実施形態と同様に、ビッカース硬さで０．５ＧＰａ以上、望ましくは１．０ＧＰａ以上である金属で形成されている。一方、電極２５５は、可撓部１５１Ａと直接的に接触するものではないため、第１実施形態とは異なり、必ずしも、ビッカース硬さで０．５ＧＰａ以上、望ましくは１．０ＧＰａ以上である金属で形成されている必要はない。

このように、ストッパ１５５Ａが、圧力変化により撓み量が変化する可撓部１５１に配置されているのではなく、圧力変化によっても固定されている第２基板２０側に配置されていても、スティッキング現象の発生を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、第１、第２実施形態をまとめ、第１基板１０側および第２基板２０側の双方にストッパが設けられている圧力センサ１Ｂについて説明する。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構造を説明するための断面構造の模式図である。第１基板１０側には、可撓部１５１Ｂにストッパ１５５Ｂ１が配置されている。第２基板２０側においても、電極２５５Ｂにストッパ１５５Ｂ２が配置されている。また、ストッパ１５５Ｂ２は、電極２５５Ｂ以外の領域に、さらに配置されていてもよい。

ストッパ１５５Ｂ１、１５５Ｂ２は、共にビッカース硬さで０．５ＧＰａ以上、望ましくは１．０ＧＰａ以上である金属で形成されている。ストッパ１５５Ｂ１、１５５Ｂ２は、可撓部１５１Ｂが所定量以上に大きく撓んだときに、ストッパ１５５Ｂ１と、対向して配置されているストッパ１５５Ｂ２とが接触するように、それぞれの位置が決められている。

このように、ストッパが第１基板１０側および第２基板２０側の双方に配置されていると、硬い金属で形成されたストッパ同士で接触することで、スティッキング現象の発生をさらに抑制することができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態では、可撓部１５１に配置されるストッパの位置関係が、第１実施形態とは異なっている圧力センサ１Ｃについて説明する。

図１１は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。第１実施形態においては、図２に示すように、可撓部１５１の円の複数の同心円に沿ってストッパ１５５が配置され、さらに円中心に配置されたストッパ１５５Ｘから放射状に各ストッパ１５５が配置されていた。一方、圧力センサ１Ｃは、図１１に示すように、可撓部１５１Ｃにおいて、格子状にストッパ１５５Ｃが配置されている。図１１においては、ストッパ１５５Ｃは、Ｘ方向（図左右方向）およびＹ方向（図上下方向）のいずれも等間隔に並んで配置されているが、一方の方向が他方の方向よりもストッパ間隔が広くてもよい。

＜第５実施形態＞
第５実施形態では、可撓部１５１に配置されるストッパの位置関係が、第１実施形態とは異なっている圧力センサ１Ｄについて説明する。

図１２は、本発明の第５実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。ストッパ１５５Ｄは、可撓部１５１Ｄの領域ＳＡにおいて偏りを持って分散して配置されている。すなわち、ストッパ１５５Ｄの分布の中心と、可撓部１５１Ｄの重心（この例では円の中心）とが異なる位置になるように、ストッパ１５５Ｄが配置されている。この例では、ストッパ１５５Ｄの密度が、第１領域ＨＡ１において高く、第２領域ＨＡ２において低くなっている。そのため、分布の中心が可撓部１５１Ｄ１の重心（円の中心）よりも領域ＨＡ１側にずれている。なお、分布の中心とは、例えば、ＸＹ座標系において、Ｘ座標の中央値、Ｙ座標の中央値であればよい。

このように、可撓部１５１Ｄにおいて、偏りをもつようにストッパ１５５Ｄを配置することによって、可撓部１５１Ｄに不均一な応力等を発生させる。この不均一な応力が生じると、可撓部１５１Ｄと電極２５５とでストッパ１５５Ｄを挟んでいる状態になっても、不均一な力、すなわち局所的に大きくなる力が可撓部１５１Ｄにかかりやすくなるため、ストッパ１５５Ｄと電極２５５とが分離しやすくなる。したがって、スティッキング現象の発生が抑制される。

＜第６実施形態＞
第６実施形態においては、ストッパの大きさ（この例では、可撓部と接触する面積、以下、設置面積という）が異なっている圧力センサ１Ｅについて説明する。

図１３は、本発明の第６実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。図１３に示すように、可撓部１５１Ｅの中心に配置されたストッパ１５５ＥＸと、可撓部１５１Ｅの周辺部に配置されたストッパ１５５ＥＥとは、設置面積が異なっている。この例では、周辺部に配置されているほど、設置面積が大きい。可撓部１５１Ｅが撓むときには中心部において変位量が最大となり、周辺部において変位量が小さい。したがって、言い換えると、この例におけるストッパの形状は、位置によって異なり、可撓部１５１Ｅが撓むときに、変位量が小さいほど（周辺部）設置面積が大きい。

また、この例では、中心以外のストッパの形状が略直方体の形状である。このような形状にすることで、可撓部１５１Ｅが撓んでストッパが電極２５５に接触する際に、ストッパの各辺のうち、可撓部１５１Ｅの中心に近い側の辺が線接触をしやすくなる。

ストッパの形状が円である場合、可撓部１５１Ｅの中心に近い側において点接触をすることになる。点接触の場合には、接触時の衝撃による力が集中してしまうため、ストッパの破損を防止する程度に硬い材料が要求される。一方、この例のように線接触をすることで衝撃による力を分散させ、弱まった状態でストッパに伝えることができる。

＜第７実施形態＞
第７実施形態においては、第６実施形態の構成のストッパの形状を円弧状に変更した圧力センサ１Ｆについて説明する。

図１４は、本発明の第７実施形態に係る圧力センサの第１基板を第２基板側から見た平面図である。図１４に示すように、ストッパ１５５ＦＥは、可撓部１５１Ｆの円と同心円に沿った円弧に沿った形状である。そのため、可撓部１５１Ｆが撓んでストッパが電極２５５と接触する際に、第６実施形態の場合に比べて、さらに線接触する範囲が大きくなる。したがって、接触時の衝撃による力をより分散させることができる。

＜第８実施形態＞
第８実施形態においては、ストッパの断面形状の例を説明する。

図１５は、本発明の第８実施形態に係る圧力センサのストッパの他の断面形状の例を説明するための断面構造の模式図である。まず、上記の各実施形態においては、図１５（ａ）に示すように、ストッパ１５５の断面形状は、長方形である。すなわち、第１実施形態のストッパ１５５は、円柱形状である。

この構造の場合、可撓部１５１の中心にあるストッパ１５５Ｘについては、可撓部１５１の撓み（点線部分、この実施形態において以下同じ）によって、ストッパ１５５Ｘの上面が電極２５５に接触する。一方、それ以外のストッパ１５５については、ストッパ１５５Ｘ側の角部Ｃから電極２５５に接触する。第６、７実施形態でも説明したとおり、この角部Ｃにおいては、接触時の衝撃による力が集中して伝達されるため、破損しやすい。ストッパは硬い材料で形成され、また、脆性材料ではなく延性材料である金属で形成されているため、簡単には破損しない構成であるが、できるだけ破損する可能性を抑えることが望ましい。

破損する可能性を抑えた構造について図１５（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。図１５（ｂ）に示す構造では、角部Ｃに対応する部分が面取りされたストッパ１５５Ｇが可撓部１５１Ｇに配置されている。このように面取りされていることで、ストッパ１５５Ｇの破損を抑制することができる。

なお、図１５（ｂ）においては、中心側のみならず外周側の角についても面取りされているが、外周側については必ずしも面取りされていなくてもよい。また、中心のストッパ１５５ＧＸについても面取りされていなくてもよい。

図１５（ｃ）に示す構造では、角部Ｃに対応する部分が２段階の角部Ｃ１、Ｃ２を有し、高さの異なる２つの領域を有するように形成されたストッパ１５５Ｈが可撓部１５１Ｈに配置されている。可撓部１５５Ｈが撓んで、ストッパ１５５Ｈが電極２５５に接触するときに、２段階の角部Ｃ１、Ｃ２がほぼ同時に電極２５５に接触するように形成されていてもよい。このように高さが異なる多段階の角部Ｃ１、Ｃ２を備えていることにより、これらで衝撃による力を分散し、ストッパ１５５Ｈの破損を抑制することができる。なお、２段階ではなく、さらに多段階の角部を有するようにしてもよい。一方、可撓部１５１Ｈの中心に配置されたストッパ１５５ＨＸは、２段階の角部を有していなくてもよい。

＜その他の実施形態＞
上記の各実施形態において、ストッパの平面形状（ストッパと可撓部とが接触する部分の形状）は、円、長方形、円弧形を例として説明したが、他の形状であってもよい。例えば、楕円であってもよいし、三角形、正方形、台形、ひし形等の多角形であってもよいし、曲線と直線とで囲まれた図形であればどのような形状であってもよい。

ストッパは円柱、角柱等の柱形状のみならず、円錐、角錐等の錐形状であってもよい。錐形状の場合、ストッパと電極との接触面積を小さくすることができ、スティッキング現象をさらに抑制することができる。

可撓部１５１は円形であったが、楕円形であってもよいし、正方形、長方形等の多角形であってもよい。また、内部空間１１０を形成する第１基板１０（活性層１５）のキャビティ１５０１に関しても、正方形に限らず、長方形等の多角形であってもよいし、円形、楕円形であってもよい。どのような形状であっても、上述したストッパの様々な配置態様を適用することができる。可撓部の形状の対称性を低くすることにより、可撓部の撓みを不均一にして、スティッキング現象の発生を抑制するようにしてもよい。電極２５５についても、可撓部の形状に応じて対応させた形状（可撓部の形状の相似形）であることが望ましいが、異なる形状（相似形以外の形状）であってもよい。ただし、電極２５５の面積は圧力を算出する容量値に影響があるため、面積を計算して形状を決定する必要がある。異なる形状であっても、容量値が同じになるようにすれば、圧力センサとしての汎用性を持たせることができる。例えば、異なる形状の電極を有する圧力センサに交換する場合、圧力センサが接続される測定装置等の計算パラメータ（圧力を算出するためのパラメータ）を変更しなくもよい。また、電極の形状は変えられるが、面積値を充分確保することが望ましく、可撓部形状も電極形状と同じであることが望ましい。キャビティ形状は電極部より大きい面積であればよい。

ストッパの膜を所定値以上の圧縮応力にすることにより、可撓部が弛んでしわができやすいようにしてもよい。このようにして可撓部の撓みを不均一にして、スティッキング現象の発生を抑制するようにしてもよい。

第２基板２０は、ガラス基板であったが、高抵抗（１ｋΩｃｍ以上）のシリコン基板であってもよい。この場合、第１基板１０との接合は、陽極接合ではなく、常温接合で行うことができる。常温接合の場合、陽極接合時のガス発生もないことから、ゲッタ材２６０を用いなくてもよい。

ストッパの表面のうち、可撓部の撓みによってストッパと電極（または可撓部）とが接触する面については、表面粗度を向上させる処理が施されていてもよい。

圧力測定装置１００は、圧力センサ１に対して超音波振動を与える振動装置を含んでいてもよい。スティッキング現象を解除するための補助として、この振動を用いることができる。超音波振動は、圧力の測定開始前に与えられるようにすればよい。超音波振動が与えられる時間は、予め決められた時間であってもよいし、電極２３３、２３５間のショートが解除されるまで時間であってもよい。

また、圧力測定装置１００は、圧力センサ１の外形を歪ませて、第１基板１０をわずかに歪ませることで、可撓部を変形させるように、力を付与する力付与部を含んでいてもよい。スティッキング現象を解除するための補助として、この力を用いることができる。この力は、圧力の測定開始前に与えられるようにすればよい。力が与えられる時間は、予め決められた時間であってもよいし、電極２３３、２３５間のショートが解除されるまで時間であってもよい。

上記の各実施形態においては、圧力センサとして説明したが、加速度センサなどにも適用できる。すなわち、本発明は、外力が加わることにより撓む可撓部を有し、可撓部と固定電極とで容量が形成され、撓み量で容量が変化する構成を有する力学量センサ全般に適用することができる。したがって、圧力測定装置は力学量測定装置として適用することもできる。なお、加速度センサ等の場合、上記実施形態の内部空間１１０のような密閉空間がなくてもよいため、可撓部の周囲全体が固定されていなくてもよい。したがって、可撓部が片持ち梁のようなものであってもよい。

上記の各実施形態は、それぞれ独立して適用される構成ではなく、重複して適用されてもよい。

１…圧力センサ、２…制御部１０…第１基板、１３…ＢＯＸ層、１５…活性層、１７…支持層、２０…第２基板、１００…圧力測定装置、１１０…内部空間、１５１…可撓部、１５５…ストッパ、１６０…固定部、２１３，２１５Ｃ…貫通電極、２３３，２３５，２５３，２５５…電極、１０００…外部空間、１５０１…キャビティ、１５０５…導電層

Claims (12)

1. 導電性を有し、外力に応じて撓む可撓部と、
   前記可撓部に対向して配置され、前記可撓部と容量を形成する固定電極と、
   前記可撓部の前記固定電極側に配置されたストッパと、
   を備え、
   前記ストッパおよび前記固定電極は、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上の金属が表面に配置されていることを特徴とする力学量センサ。
2. 導電性を有し、外力に応じて撓む可撓部と、
   前記可撓部に対向して配置され、前記可撓部と容量を形成する固定電極と、
   前記固定電極の前記可撓部側に配置されたストッパと、
   を備え、
   前記ストッパは、ビッカース硬さが０．５ＧＰａ以上の金属が表面に配置されていることを特徴とする力学量センサ。
3. 前記ストッパは、前記可撓部の前記固定電極側にさらに配置され、
   前記固定電極に配置された前記ストッパと、前記可撓部に配置された前記ストッパとは、前記可撓部が前記固定電極側に所定量以上に撓んだ場合に、互いに接触することを特徴とする請求項２に記載の力学量センサ。
4. 前記可撓部は、円の形状の膜であり、
   前記ストッパは、前記円の同心円の接線に沿った形状であり、
   前記ストッパは、前記可撓部が所定量で撓むときに第１変位量となる位置に対応して配置された第１ストッパ、および第２変位量となる位置に対応して配置された第２ストッパを含み、
   前記第１変位量が前記第２変位量よりも小さく、
   前記第１ストッパは、前記第２ストッパよりも設置面積が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
5. 前記可撓部は、円の形状の膜であり、
   前記ストッパは、前記円の同心円の円弧に沿った形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
6. 前記ストッパは、前記可撓部が撓むときの最大変位量となる位置側において、面取りされた表面を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
7. 前記ストッパは、高さが異なる複数の領域を有し、前記可撓部が撓むときの最大変位量となる位置側ほど、高さが低くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
8. 前記可撓部は、周囲を固定された膜であり、
   前記外力は、前記膜の両面の圧力差によって生じることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
9. 前記ストッパは、単層構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
10. 前記ストッパは、２層以上の構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
11. 複数の前記ストッパは、当該複数のストッパの分布の中心と可撓部の重心とが異なる位置になるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサ。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の力学量センサと、
    前記可撓部と前記固定電極とが前記ストッパを挟んだ状態において、前記可撓部と前記固定電極とに前記ストッパを介して流れる電流が抑制されるように制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする力学量測定装置。
    
    
    
    
    

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