JP2017181147A - 圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力の検出精度を高めることができ、かつ、ダイアフラムの破損の可能性を低減することができる圧力センサー、この圧力センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供する。【解決手段】受圧により撓み変形するダイアフラムを有する基板と、前記ダイアフラムの変形を規制する変位規制部と、を有し、前記ダイアフラムが測定可能範囲内の圧力を受けている第１状態では、前記ダイアフラムと前記変位規制部とが離間し、前記ダイアフラムが前記測定可能範囲よりも高い圧力を受けている第２状態では、前記ダイアフラムと前記変位規制部とが接触することを特徴とする圧力センサー。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。

従来から、圧力を検出可能な圧力センサーとして、特許文献１に記載の構成が知られている。特許文献１の圧力センサーは、凹部を有し、凹部の底部が受圧により撓み変形するダイアフラムとなっているＳＯＩ基板と、凹部の開口を塞ぎ、そこに圧力基準室を形成するためにＳＯＩ基板に接合されているシリコン基板と、を有している。また、ダイアフラムにはピエゾ抵抗素子が配置されており、このピエゾ抵抗素子からダイアフラムの撓みに応じた検出信号を取り出し、この検出信号に基づいて受けた圧力を検出する構成となっている。

国際公開ＷＯ２００９／０４１４６３号公報

このような圧力センサーにおいて、より高精度に圧力を検出するために、圧力センサーからの出力（検出信号）のＳＮ比（信号雑音比）を高めることが求められている。ＳＮ比を高めるための手段としては、例えば、ダイアフラムを薄くして撓み易くすることで、単位圧力当たりのダイアフラムの変形量を大きくし、感度を高めることが考えられる。しかしながら、ダイアフラムを薄くすれば、ダイアフラムの機械的強度が低下して破損し易くなり、それに伴って、耐圧限界（ダイアフラムが機械的に耐えられる限界の圧力）が低下するため、検出可能圧力の上限が低くなる。

本発明の目的は、圧力の検出精度を高めることができ、かつ、ダイアフラムの破損の可能性を低減することができる圧力センサー、この圧力センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。

本発明の圧力センサーは、受圧により撓み変形するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの変形を規制する変位規制部と、を有し、
前記ダイアフラムが測定可能範囲内の圧力を受けている第１状態では、前記ダイアフラムと前記変位規制部とが離間し、
前記ダイアフラムが前記測定可能範囲よりも高い圧力を受けている第２状態では、前記ダイアフラムと前記変位規制部とが接触することを特徴とする。
これにより、圧力の検出精度を高めることができ、かつ、ダイアフラムの破損の可能性を低減することができる圧力センサーが得られる。

本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムとの間に圧力基準室を形成するように、前記ダイアフラムと対向して配置されている対向部を有し、
前記変位規制部は、前記ダイアフラムに対して前記対向部側に配置されていることが好ましい。
これにより、第２状態の際に、より確実にダイアフラムと変位規制部とが接触する。

本発明の圧力センサーでは、前記対向部は、前記変位規制部を兼ねていることが好ましい。
これにより、圧力センサーの構成が簡単となる。

本発明の圧力センサーでは、前記変位規制部は、前記対向部から前記ダイアフラム側に突出して設けられていることが好ましい。
これにより、ダイアフラムと対向部との離間距離（すなわち、圧力基準室の高さ）を自由に設計することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記第２状態では、前記ダイアフラムの中央部が前記変位規制部に接触することが好ましい。
ダイアフラム全体でその中央部の変位量が最も大きくなるため、第２状態の際に、より確実にダイアフラムと変位規制部とを接触させることができる。

本発明の圧力センサーでは、前記変位規制部は、前記ダイアフラムと前記対向部との間に位置していることが好ましい。
これにより、変位規制部の配置の自由度が増す。

本発明の圧力センサーでは、前記第２状態では、前記ダイアフラムの端部が前記変位規制部と接触することが好ましい。
ダイアフラムの変形時には、ダイアフラムの端部に比較的大きな応力が加わるため、この端部と変位規制部とが接触することで、端部に過度な応力が加わるのを低減することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記変位規制部の前記ダイアフラムと接触し得る部分には、前記ダイアフラムとの接触面積を低減させる接触面積低減処理が施されていることが好ましい。
これにより、ダイアフラムと変位規制部とが接触したまま離れなくなる、所謂「スティッキング」を低減することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記接触面積低減処理として、前記変位規制部の前記ダイアフラムと接触し得る部分に凹凸が形成されていることが好ましい。
これにより、簡単に接触面積を低減することができる。

本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムと前記変位規制部との離間距離をＤとし、
前記第１状態での前記ダイアフラムの前記変位規制部側への変位量をα１とし、
前記第２状態での前記ダイアフラムの前記変位規制部側への変位量をα２としたとき、
α１＜Ｄ≦α２
の関係を満足していることが好ましい。
これにより、より確実に、第１状態においてダイアフラムと変位規制部とを離間させ、第２状態においてダイアフラムと変位規制部とを接触させることができる。

本発明の圧力センサーでは、前記ダイアフラムは、中央部の厚さが端部の厚さよりも薄いことが好ましい。
これにより、ダイアフラムの機械的強度の低下を抑えつつ、ダイアフラムがより撓み易くなる。

本発明の高度計は、本発明の圧力センサーを有していることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い高度計が得られる。

本発明の電子機器は、本発明の圧力センサーを有していることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。

本発明の移動体は、本発明の圧力センサーを有していることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの断面図である。 図１に示す圧力センサーが第１状態にある場合の断面図である。 図１に示す圧力センサーが第２状態にある場合の断面図である。 図１に示す圧力センサーが有するダイアフラムの拡大断面図である。 図１に示す圧力センサーが有するセンサー部を示す平面図である。 図５に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサーの断面図である。 図７に示す圧力センサーが第１状態にある場合の断面図である。 図７に示す圧力センサーが第２状態にある場合の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサーの断面図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力センサーの断面図である。 図１１に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１１に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１１に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１１に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１１に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。 本発明の第５実施形態に係る圧力センサーの断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る圧力センサーについて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの断面図である。図２は、図１に示す圧力センサーが第１状態にある場合の断面図である。図３は、図１に示す圧力センサーが第２状態にある場合の断面図である。図４は、図１に示す圧力センサーが有するダイアフラムの拡大断面図である。図５は、図１に示す圧力センサーが有するセンサー部を示す平面図である。図６は、図５に示すセンサー部を含むブリッジ回路を示す図である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」とも言う。また、基板２の平面視（図１中の上側から見た平面視）を単に「平面視」とも言う。

図１に示す圧力センサー１は、受圧により撓み変形するダイアフラム２５と、ダイアフラム２５の変形を規制する変位規制部５と、を有している。そして、このような圧力センサー１は、ダイアフラム２５が測定可能範囲内の圧力を受けている第１状態では、図２に示すように、ダイアフラム２５と変位規制部５とが離間し、ダイアフラム２５が測定可能範囲よりも高い圧力を受けている第２状態では、図３に示すように、ダイアフラム２５と変位規制部５とが接触するように構成されている。

このような構成によれば、第１状態では、ダイアフラム２５の撓み変形が変位規制部５によって制限されず、受けた圧力に応じてダイアフラム２５が変形し、圧力を精度よく検出することができる。また、第２状態では、ダイアフラム２５が変位規制部５と接触するため、ダイアフラム２５の過度な変形が抑制される。そのため、ダイアフラム２５の破損（破断限界以上の変形）の可能性を低減することができると共に、耐圧限界（ダイアフラム２５が機械的に耐えられる限界の圧力）の低下を抑制しつつ、ダイアフラム２５を薄くし、撓み易くすることができる（すなわち、単位圧力当たりのダイアフラムの変形量を大きくすることができる）。その結果、圧力センサー１から出力される検出信号のＳＮ比が高まり、圧力センサー１の感度が向上する。以下、このような圧力センサー１について、詳細に説明する。

このような圧力センサー１は、基板２と、基板２に配置されているセンサー部３と、基板２に接合されているベース基板４と、基板２とベース基板４との間に形成されている圧力基準室Ｓ（空洞部）と、を有している。

［基板］
基板２は、ＳＯＩ基板２１（すなわち、第１シリコン層２１１、酸化シリコン層２１２および第２シリコン層２１３がこの順で積層されている基板）と、ＳＯＩ基板２１の上面に配置され、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）で構成されている第１絶縁膜２２と、第１絶縁膜２２の上面に配置され、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で構成されている第２絶縁膜２３と、を有している。第１絶縁膜２２は、センサー部３が有する後述するピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の界面順位を安定化し、第２絶縁膜２３は、センサー部３を水分や埃から保護する。

なお、ＳＯＩ基板２１に替えて、例えば、シリコン基板を用いてもよい。また、第１絶縁膜２２や第２絶縁膜２３は、同様の効果を発揮することができれば、異なる材料（例えば、ＳｉＯＮ等）で構成されていてもよい。また、第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

また、基板２には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイアフラム２５が設けられている。ＳＯＩ基板２１には、その下面に開放する有底の凹部２６が形成されており、この凹部２６の底部にダイアフラム２５が形成されている。そして、ダイアフラム２５の上面が受圧面２５１となる。なお、本実施形態では、ダイアフラム２５の平面視形状が略正方形であるが、ダイアフラム２５の平面視形状としては、特に限定されず、例えば、円形であってもよい。

本実施形態では、凹部２６は、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングで形成されている。具体的には、ＳＯＩ基板２１の下面側から等方性エッチング、保護膜成膜および異方向性エッチングという工程を繰り返して、第１シリコン層２１１を掘ることで凹部２６を形成する。この工程を繰り返し、エッチングが酸化シリコン層２１２まで達すると酸化シリコン層２１２がエッチングストッパーとなってエッチングが終了し、凹部２６が得られる。前述した工程の繰り返しによって、図４に示すように、凹部２６の内壁側面には掘り方向に周期的な凹凸が形成される。

そのため、ダイアフラム２５は、中央部の厚さが端部の厚さよりも薄い。具体的には、ダイアフラム２５は、端部から中央部に向けて厚さが漸減している。ダイアフラム２５をこのような形状とすることで、ダイアフラム２５の平均厚さを薄くすることができる。そのため、単位圧力当たりのダイアフラム２５の撓み量が増し、その分、圧力検出感度が向上する。また、ダイアフラム２５の端部の機械的強度の低下を低減することができる。受圧によりダイアフラム２５が撓み変形すると、ダイアフラム２５の中央部よりも端部に大きな応力が加わるため、ダイアフラム２５の端部を厚くしておくことで、ダイアフラム２５の破損の可能性を低減することができる。

なお、ダイアフラム２５の形成方法としては、上記の方法に限定されず、例えば、ウェットエッチングによって形成してもよい。

このようなダイアフラム２５の厚さ（平均厚さ）としては、特に限定されないが、１μｍ以上、１０μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上、１０μｍ以下であることがより好ましい。さらに、１μｍ以上、５μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上、５μｍ以下であることがより好ましい。さらに、１μｍ以上、３μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上、３μｍ以下であることが、より好ましい。このような範囲を満足することで、機械的な強度を保ちつつ、十分に薄く、受圧により撓み変形し易いダイアフラム２５が得られる。

［センサー部］
センサー部３は、図５に示すように、ダイアフラム２５に設けられている４つのピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４を有している。また、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、配線３５等を介して、互いに電気的に接続され、図６に示すブリッジ回路３０（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。ブリッジ回路３０には駆動電圧ＡＶＤＣを供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、ブリッジ回路３０は、ダイアフラム２５の撓みに基づくピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の抵抗値変化に応じた検出信号（電圧）を出力する。そのため、この出力された検出信号に基づいてダイアフラム２５が受けた圧力を検出することができる。

特に、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、ダイアフラム２５の外縁に沿って配置されている。前述したように、受圧によりダイアフラム２５が撓み変形すると、ダイアフラム２５の端部に大きな応力が加わるため、当該端部にピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４を配置することで、前述した検出信号を大きくすることができ、圧力検出感度が向上する。なお、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４の配置としては、特に限定されず、例えば、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４がダイアフラム２５の外縁を跨いで配置されていてもよい。

ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４は、それぞれ、例えば、ＳＯＩ基板２１の第２シリコン層２１３にリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。また、配線３５は、例えば、ＳＯＩ基板２１の第２シリコン層２１３に、ピエゾ抵抗素子３１、３２、３３、３４よりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）することで構成されている。

［ベース基板］
ベース基板４は、ダイアフラム２５との間に圧力基準室Ｓを形成するように、ダイアフラム２５と対向して配置されている。具体的には、ベース基板４は、凹部２６の開口を塞ぐように、基板２の下面（第１シリコン層２１１の表面）に接合されている。なお、以下では、ベース基板４の圧力基準室Ｓを介してダイアフラム２５と対向している部分を対向部４１とも言う。このようなベース基板４としては、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。また、ベース基板４の厚さとしては、特に限定されないが、１００μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。これにより、対向部４１の変形（特に、圧力基準室Ｓ内の圧力と外圧との差圧に起因する撓み）を抑制することができる。

このように、ベース基板４によって凹部２６を気密的に封止することで、圧力基準室Ｓが形成される。圧力基準室Ｓは、真空（例えば、１０Ｐａ以下程度）であることが好ましい。これにより、圧力センサー１を、真空を基準として圧力を検出する所謂「絶対圧センサー」として用いることができる。そのため、利便性の高い圧力センサー１となる。ただし、圧力基準室Ｓは、一定の圧力（ただし、温度変化による圧力変動は考慮しない。）に保たれていれば、真空状態でなくてもよい。

［変位規制部］
変位規制部５は、ダイアフラム２５に対してベース基板４側に配置されている。このような配置とすることで、前述したように、第２状態において、より確実にダイアフラム２５と変位規制部５とを接触させることができる。特に、本実施形態では、図１に示すように、ベース基板４の対向部４１が変位規制部５を兼ねている。そのため、ベース基板４の他に変位規制部５を別途設けなくてもよく、圧力センサー１の構成が簡単となる。

また、本実施形態では、第２状態においてダイアフラム２５の中央部が変位規制部５に接触する。ダイアフラム２５全体で中央部の変位量が最も大きくなるため、このような構成によれば、第２状態において、より確実にダイアフラム２５と変位規制部５とを接触させることができる。

このような変位規制部５は、前述したように、ダイアフラム２５が測定可能範囲内の圧力を受けている第１状態ではダイアフラム２５と接触せず、ダイアフラム２５が測定可能範囲よりも高い圧力を受けている第２状態ではダイアフラム２５と接触する。ここで、前記「測定可能範囲」について説明すると、測定可能範囲とは、圧力を一定の精度以上で検出できることができる範囲（言い換えると、圧力センサー１の製造者や提供者が検出精度を保証している、あるいは使用を推奨している圧力範囲。例えば圧力センサー１の仕様書に記載されている、検出圧力の精度保証範囲である。また、最大定格や絶対最大定格の圧力範囲であって、圧力センサー１が繰り返し正常動作が可能な圧力範囲を含んでもよい。）を言い、この範囲は、圧力センサー１毎に設定されている。ちなみに、近年では、１０気圧程度（すなわち、水深１００ｍ程度）まで検出可能な圧力センサーの需要が高まっている。そのため、このような測定可能範囲としては、０気圧以上、５気圧以下であることが好ましく、０気圧以上、８気圧以下であることがより好ましく、０気圧以上、１０気圧以下であることがさらに好ましいと言える。

ここで、第２状態でダイアフラム２５と変位規制部５とが接触すれば、実際に接触が生じる圧力は特に限定されないが、なるべく低い圧力（すなわち、測定可能範囲の上限を超えて、上限により近い圧力）でダイアフラム２５と変位規制部５との接触が生じることが好ましい。具体的には、測定可能範囲の上限から＋１気圧以内の圧力を受けると、ダイアフラム２５と変位規制部５との接触が生じることが好ましい。これにより、ダイアフラム２５の過度な変形がより効果的に抑制され、ダイアフラム２５の破損の可能性をより効果的に低減することができる。ただし、ダイアフラム２５と変位規制部５との接触が生じる圧力が測定可能範囲の上限に近過ぎると、圧力センサー１の使用環境温度や個体差によっては、測定可能範囲の上限以下の圧力（すなわち、第１状態）でダイアフラム２５と変位規制部５との接触が生じるおそれがある。そこで、測定可能範囲の上限から少なくとも＋０．１気圧以内の圧力では、ダイアフラム２５と変位規制部５との接触が生じないことが好ましい。言い換えると、ダイアフラム２５と変位規制部５との接触が生じる圧力よりも０．１気圧以上低い圧力を測定可能範囲の上限に設定することが好ましい。

また、外圧が圧力基準室Ｓの圧力と等しい状態でのダイアフラム２５と変位規制部５との離間距離（すなわち、圧力基準室Ｓの高さ）をＤとし、第１状態でのダイアフラム２５の変位規制部５側への変位量をα１とし、第２状態でのダイアフラム２５の変位規制部５側への変位量をα２としたとき、圧力センサー１は、α１＜Ｄ≦α２の関係を満足している。このような関係を満足することで、より確実に、第１状態ではダイアフラム２５と変位規制部５とを離間させ、第２状態ではダイアフラム２５と変位規制部５とを接触させることができる。

なお、圧力センサー１が受ける圧力をＰとし、ダイアフラム２５の幅（本実施形態ではダイアフラム２５が略正方形であるため一辺の長さ）をａとし、ダイアフラム２５の厚さをｔ０とし、ダイアフラム２５のヤング率をＥ０としたとき、圧力Ｐに起因するダイアフラム２５の変位規制部５側への変形量Ｚは、下記式（１）で表すことができる（ただし、各値の単位は、ＳＩ単位である）。そのため、圧力Ｐに第１状態の圧力を代入すれば、変形量Ｚとして上述のα１が求まり、同様に、圧力Ｐに第２状態の圧力を代入すれば、変形量Ｚとして上述のα２が求まる。

なお、ベース基板４は、十分に厚く形成されているため実質的に変形しないとし、上記の説明では外圧に起因した変位規制部５（対向部４１）のダイアフラム２５側への撓みを考慮していない。仮に、外圧に起因して変位規制部５がダイアフラム２５側へ撓む場合には、第１状態での変位規制部５のダイアフラム２５側への変位量をβ１とし、第２状態での変位規制部５のダイアフラム２５側への変位量をβ２としたとき、α１＋β１＜Ｄ≦α２＋β２の関係を満足すればよい。

また、変位規制部５のダイアフラム２５と接触し得る部分（すなわち、変位規制部５の上面）には、ダイアフラム２５との接触面積を低減させる接触面積低減処理が施されている。そのため、第２状態においてダイアフラム２５と変位規制部５とが接触した際に、そのままダイアフラム２５と変位規制部５とが離れなくなる、所謂「スティッキング」の発生の可能性を低減することができる。特に、本実施形態では、接触面積低減処理として、変位規制部５のダイアフラム２５と接触し得る部分に凹凸を形成している。これにより、簡単に接触面積を低減することができる。なお、前記凹凸は、変位規制部５の下面に複数の凹部５９を形成することで得られる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る圧力センサーについて説明する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサーの断面図である。図８は、図７に示す圧力センサーが第１状態にある場合の断面図である。図９は、図７に示す圧力センサーが第２状態にある場合の断面図である。

以下、第２実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第２実施形態の圧力センサーは、変位規制部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。

図７に示すように、本実施形態の圧力センサー１では、ダイアフラム２５の下面から酸化シリコン層２１２が除去されている。このような構成とすることで、例えば、前述した第１実施形態の構成と比べて、ダイアフラム２５を薄くすることができる。そのため、より感度の高い圧力センサー１が得られる。

本実施形態では、前述した第１実施形態と同様にしてシリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングによって凹部２６を形成し、その後、等方性のウェットエッチングによって、凹部２６の底部にある酸化シリコン層２１２を除去することでダイアフラム２５を形成している。このウェットエッチングによって酸化シリコン層２１２がサイドエッチングされるため、酸化シリコン層２１２が第１シリコン層２１１よりも外側まで除去される。そのため、ダイアフラム２５と第１シリコン層２１１との間に隙間Ｇが形成されている。

このような構成では、第１シリコン層２１１の隙間Ｇを介してダイアフラム２５と対向している部分が変位規制部５を構成している。したがって、図８に示すように、第１状態ではダイアフラム２５と変位規制部５とが離間し、図９に示すように、第２状態ではダイアフラム２５と変位規制部５とが接触する。そのため、本実施形態の圧力センサー１によっても、前述した第１実施形態と同様に、圧力の検出精度を高めることができ、かつ、ダイアフラム２５の破損の可能性を低減することができる。

このような本実施形態では、変位規制部５は、対向部としてのベース基板４と別体として設けられており、ダイアフラム２５とベース基板４との間に位置している。このように、変位規制部５をダイアフラム２５とベース基板４との間に配置することで、変位規制部５の配置の自由度が増す。また、ベース基板４とダイアフラム２５との離間距離（すなわち、圧力基準室の高さ）を自由に設定することができる。また、図９に示すように、第２状態では、ダイアフラム２５の端部が変位規制部５と接触するようになっている。前述したように、ダイアフラム２５の変形時には、ダイアフラム２５の端部に比較的大きな応力が加わるため、この端部と変位規制部５とが接触することで、ダイアフラム２５端部に過度な応力が加わるのを低減することができる。そのため、ダイアフラム２５の破損の可能性をより効果的に低減することができる。

このような第２実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、本実施形態では、ベース基板４から前述した第１実施形態で説明したような凹部５９は省略されている。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図１０は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサーの断面図である。

以下、第３実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第３実施形態の圧力センサーは、変位規制部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。

図１０に示すように、本実施形態の圧力センサー１では、変位規制部５は、対向部としてのベース基板４からダイアフラム２５側（圧力基準室Ｓ内）に突出して設けられている。これにより、ダイアフラム２５とベース基板４との離間距離（すなわち、圧力基準室Ｓの高さ）を自由に設計することができる。

本実施形態では、変位規制部５とベース基板４とがＳＯＩ基板４０で一体的に形成されている。すなわち、ＳＯＩ基板４０は、第１シリコン層４０Ａ、酸化シリコン層４０Ｂおよび第２シリコン層４０Ｃを積層した基板であり、これら３つの層のうちの第２シリコン層４０Ｃおよび酸化シリコン層４０Ｂから変位規制部５が形成され、第１シリコン層４０Ａからベース基板４が形成されている。このような構成によれば、半導体プロセスを用いて比較的簡単に変位規制部５を形成することができる。なお、変位規制部５の構成としては、上記の構成に限定されず、例えば、ベース基板４と別体で用意した変位規制部５を接着剤等を介してベース基板４に接合した構成となっていてもよい。

このような第３実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、変位規制部５の上面（ダイアフラム２５と接触し得る部分）には、第１実施形態で説明したような接触面積低減処理が施されていてもよい。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る圧力センサーについて説明する。

図１１は、本発明の第４実施形態に係る圧力センサーの断面図である。図１２ないし図１６は、それぞれ、図１１に示す圧力センサーの製造方法を説明する断面図である。

以下、第４実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図１１に示す圧力センサー１Ａは、基板２と、センサー部３と、周囲構造体６と、圧力基準室Ｓ（空洞部）と、を有している。基板２、センサー部３および圧力基準室Ｓの構成は、それぞれ、前述した第１実施形態と同様であるため、以下では、主に、周囲構造体６について説明する。

［周囲構造体］
周囲構造体６は、基板２との間に圧力基準室Ｓを形成している。このような周囲構造体６は、基板２上に配置されている層間絶縁膜６１と、層間絶縁膜６１上に配置されている配線層６２と、配線層６２および層間絶縁膜６１上に配置されている層間絶縁膜６３と、層間絶縁膜６３上に配置されている配線層６４と、配線層６４および層間絶縁膜６３上に配置されている表面保護膜６５と、配線層６４および表面保護膜６５上に配置されている封止層６６と、を有している。

配線層６２は、圧力基準室Ｓを囲んで配置されている枠状の配線部６２１と、センサー部３の配線３５と接続されている配線部６２９と、を有している。同様に、配線層６４は、圧力基準室Ｓを囲んで配置されている枠状の配線部６４１と、配線３５と接続されている配線部６４９と、を有している。そして、センサー部３は、配線部６２９、６４９によって周囲構造体６の上面に引き出されている。

また、配線層６４は、圧力基準室Ｓの天井に位置する被覆層６４４を有している。また、被覆層６４４には圧力基準室Ｓの内外を連通する複数の貫通孔６４５が配置されている。このような被覆層６４４は、配線部６４１と一体形成されており、圧力基準室Ｓを挟んでダイアフラム２５と対向配置されている。なお、複数の貫通孔６４５は、後述する製造方法で説明するように、圧力基準室Ｓにエッチング液を侵入させるリリースエッチング用の孔である。また、被覆層６４４上には封止層６６が配置されており、この封止層６６によって貫通孔６４５が封止されている。

このような構成では、被覆層６４４および封止層６６の積層体の圧力基準室Ｓを介してダイアフラム２５と対向する部分が対向部６９を構成し、さらに、この対向部６９が変位規制部５を兼ねている。そのため、第２状態では、圧力基準室Ｓ側に変形したダイアフラム２５の中央部が、対向部６９（変位規制部５）に接触する。

表面保護膜６５は、周囲構造体６を水分、ゴミ、傷などから保護する機能を有している。このような表面保護膜６５は、被覆層６４４の貫通孔６４５を塞がないように、層間絶縁膜６３および配線層６４上に配置されている。

このような周囲構造体６のうち、層間絶縁膜６１、６３としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層６２、６４としては、例えば、アルミニウム膜等の金属膜を用いることができる。また、封止層６６としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜、シリコン酸化膜等を用いることができる。また、表面保護膜６５としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜などを用いることができる。

次に、圧力センサー１Ａの製造方法について説明する。圧力センサー１Ａの製造方法は、基板２上に犠牲層６８を配置する犠牲層配置工程と、犠牲層６８を除去して圧力基準室Ｓを形成する圧力基準室形成工程と、ダイアフラム２５を形成するダイアフラム形成工程と、を有している。

［犠牲層配置工程］
まず、図１２に示すように、ＳＯＩ基板２１を用意し、ＳＯＩ基板２１にリン、ボロン等の不純物を注入することで、センサー部３を形成する。次に、ＳＯＩ基板２１上に第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３をスパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて順に成膜する。これにより、ダイアフラム２５が形成されていない基板２が得られる。

次に、図１３に示すように、基板２上に、層間絶縁膜６１、配線層６２、層間絶縁膜６３および配線層６４、表面保護膜６５をスパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて順に形成する。これにより、配線部６２１、６４１で囲まれた犠牲層６８と、犠牲層６８を上方から被覆する被覆層６４４と、が形成される。

［圧力基準室形成工程］
次に、図示しないレジストマスクで表面保護膜６５を保護した上で、基板２を例えばバッファードフッ酸等のエッチング液に晒す。これにより、貫通孔６４５を介して犠牲層６８が除去され、図１４に示すように、圧力基準室Ｓが形成される。次に、圧力基準室Ｓを真空状態とし、図１５に示すように、被覆層６４４上に、封止層６６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いて成膜して圧力基準室Ｓを封止する。これにより、変位規制部５を兼ねた対向部６９が得られる。

［ダイアフラム形成工程］
次に、図１６に示すように、基板２の下面に、シリコンディープエッチング装置を用いたドライエッチングによって凹部２６を形成してダイアフラム２５を形成する。以上により圧力センサー１Ａが得られる。

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る圧力センサーについて説明する。
図１７は、本発明の第５実施形態に係る圧力センサーの断面図である。

以下、第５実施形態の圧力センサーについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第５実施形態の圧力センサーは、変位規制部の構成が異なること以外は、前述した第４実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には同一符号を付してある。

図１７に示す圧力センサー１Ａでは、第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３がダイアフラム２５上に設けられていない。すなわち、第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３は、ダイアフラム２５の上面を除くように配置されている。このような構成とすることで、例えば、前述した第４実施形態の構成と比べてダイアフラム２５を薄くすることができる。そのため、より感度の高い圧力センサー１Ａが得られる。

また、圧力センサー１Ａは、第２絶縁膜２３上に配置され、圧力基準室Ｓ内に突出して設けられている環状（リング状）の変位規制部５を有している。そして、変位規制部５の圧力基準室Ｓ側の端部５１は、第１、第２絶縁膜２２、２３によって形成された隙間Ｇを介してダイアフラム２５の端部と対向している。そのため、第２状態では、圧力基準室Ｓ側に変形したダイアフラム２５の端部が、変位規制部５の端部５１に接触する。なお、変位規制部５の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ポリシリコンを用いることができる。ポリシリコンを用いることで、前述した第４実施形態のような半導体プロセスを用いた製造方法によって変位規制部５を簡単に形成することができる。

以上のような第５実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、本実施形態の変形例として、例えば、配線部６２１の圧力基準室Ｓ内に突出している部分を変位規制部５としてもよい。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態に係る高度計について説明する。

図１８は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
図１８に示す高度計２００は、腕時計のように手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には前述した圧力センサー１が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、現在地の気圧等を表示することができる。なお、この表示部２０１には、他にも現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。このような高度計２００は、検出精度に優れる圧力センサー１を有しているため、高い信頼性を発揮することができる。なお、高度計２００は、圧力センサー１の替りに圧力センサー１Ａを備えていてもよい。

なお、このような高度計２００は、防水性を備えていれば、例えば、ダイビング、フリーダイビング用の水深計としても利用可能となる。

＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態に係る電子機器について説明する。

図１９は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
図１９に示す電子機器は、前述した圧力センサー１を備えたナビゲーションシステム３００である。ナビゲーションシステム３００は、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、圧力センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１と、を備えている。

このナビゲーションシステム３００によれば、取得した位置情報に加えて、圧力センサー１によって高度情報を取得することができる。そのため、一般道路から高架道路へ進入する（またはこの逆）ことによる高度変化を検出することで、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかを判断でき、実際の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。このようなナビゲーションシステム３００は、検出精度に優れる圧力センサー１を有しているため、高い信頼性を発揮することができる。なお、ナビゲーションシステム３００は、圧力センサー１の替りに圧力センサー１Ａを備えていてもよい。

なお、本発明の圧力センサーを備える電子機器は、上記のナビゲーションシステムに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、ウェアラブル端末、時計（スマートウォッチを含む）、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

＜第８実施形態＞
次に、本発明の第８実施形態に係る移動体について説明する。

図２０は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図２０に示す移動体は、前述した圧力センサー１を備えた自動車４００である。自動車４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような自動車４００は、検出精度に優れる圧力センサー１を有しているため、高い信頼性を発揮することができる。なお、自動車４００は、圧力センサー１の替りに圧力センサー１Ａを備えていてもよい。

以上、本発明の圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

また、前述した実施形態では、センサー部としてピエゾ抵抗素子を用いたものについて説明したが、圧力センサーとしては、これに限定されず、例えば、フラップ型の振動子を用いた構成や、櫛歯電極等の他のＭＥＭＳ振動子や、水晶振動子等の振動素子を用いることもできる。

１、１Ａ…圧力センサー、２…基板、２１…ＳＯＩ基板、２１１…第１シリコン層、２１２…酸化シリコン層、２１２ａ…湾曲凹面、２１３…第２シリコン層、２２…第１絶縁膜、２３…第２絶縁膜、２５…ダイアフラム、２５１…受圧面、２６…凹部、３…センサー部、３０…ブリッジ回路、３１、３２、３３、３４…ピエゾ抵抗素子、３５…配線、４…ベース基板、４０…ＳＯＩ基板、４０Ａ…第１シリコン層、４０Ｂ…酸化シリコン層、４０Ｃ…第２シリコン層、５…変位規制部、５１…端部、５９…凹部、６…周囲構造体、６１…層間絶縁膜、６２…配線層、６２１…配線部、６２９…配線部、６３…層間絶縁膜、６４…配線層、６４１…配線部、６４４…被覆層、６４５…貫通孔、６４９…配線部、６５…表面保護膜、６６…封止層、６８…犠牲層、６９…対向部、２００…高度計、２０１…表示部、３００…ナビゲーションシステム、３０１…表示部、４００…自動車、４０１…車体、４０２…車輪、Ｇ…隙間、Ｓ…圧力基準室

Claims (14)

1. 受圧により撓み変形するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの変形を規制する変位規制部と、を有し、
   前記ダイアフラムが測定可能範囲内の圧力を受けている第１状態では、前記ダイアフラムと前記変位規制部とが離間し、
   前記ダイアフラムが前記測定可能範囲よりも高い圧力を受けている第２状態では、前記ダイアフラムと前記変位規制部とが接触することを特徴とする圧力センサー。
2. 前記ダイアフラムとの間に圧力基準室を形成するように、前記ダイアフラムと対向して配置されている対向部を有し、
   前記変位規制部は、前記ダイアフラムに対して前記対向部側に配置されている請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記対向部は、前記変位規制部を兼ねている請求項２に記載の圧力センサー。
4. 前記変位規制部は、前記対向部から前記ダイアフラム側に突出して設けられている請求項３に記載の圧力センサー。
5. 前記第２状態では、前記ダイアフラムの中央部が前記変位規制部に接触する請求項３または４に記載の圧力センサー。
6. 前記変位規制部は、前記ダイアフラムと前記対向部との間に位置している請求項２に記載の圧力センサー。
7. 前記第２状態では、前記ダイアフラムの端部が前記変位規制部と接触する請求項６に記載の圧力センサー。
8. 前記変位規制部の前記ダイアフラムと接触し得る部分には、前記ダイアフラムとの接触面積を低減させる接触面積低減処理が施されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧力センサー。
9. 前記接触面積低減処理として、前記変位規制部の前記ダイアフラムと接触し得る部分に凹凸が形成されている請求項８に記載の圧力センサー。
10. 前記ダイアフラムと前記変位規制部との離間距離をＤとし、
    前記第１状態での前記ダイアフラムの前記変位規制部側への変位量をα１とし、
    前記第２状態での前記ダイアフラムの前記変位規制部側への変位量をα２としたとき、
    α１＜Ｄ≦α２
    の関係を満足している請求項５に記載の圧力センサー。
11. 前記ダイアフラムは、中央部の厚さが端部の厚さよりも薄い請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の圧力センサー。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の圧力センサーを有していることを特徴とする高度計。
13. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の圧力センサーを有していることを特徴とする電子機器。
14. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の圧力センサーを有していることを特徴とする移動体。

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