JP2017181430A

JP2017181430A - Stress sensor

Info

Publication number: JP2017181430A
Application number: JP2016072660A
Authority: JP
Inventors: 阿部　真一; Shinichi Abe; 真一阿部; 久坂井; Hisashi Sakai; 涼上野; Ryo Ueno; 篤臣福浦; Atsumi Fukuura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP6691414B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stress sensor having high detection capability.SOLUTION: A stress sensor 1 comprises a diaphragm 10, a sensitive membrane 20 disposed on a surface of the diaphragm 10 and provided with a perforated area 30 formed through a portion thereof, and piezoresistive elements 41 and 43 provided in stress varying areas of the diaphragm 10 where stress variation caused by the perforated area 30 arises.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、応力センサに関する。 The present invention relates to a stress sensor.

従来、ダイヤフラムを用いて圧力又は応力等を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラムに加えられる圧力を、ダイヤフラムの撓みに基づいて検出する圧力センサが開示されている。 Conventionally, a sensor for detecting pressure or stress using a diaphragm is known. For example, Patent Document 1 discloses a pressure sensor that detects a pressure applied to a diaphragm based on the deflection of the diaphragm.

特開２０１５−１４３７１３号公報JP2015-143713A

しかしながら、ダイヤフラムを用いた応力センサにおいて、応力の検出能力が必ずしも高くない場合がある。 However, a stress sensor using a diaphragm may not necessarily have a high ability to detect stress.

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、検出能力を向上できる応力センサを提供することにある。 An object of the present invention made in view of such a point is to provide a stress sensor capable of improving detection ability.

本発明の一実施形態に係る応力センサは、
ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置され、一部に貫通領域を有する感応膜と、
前記ダイヤフラムにおいて、前記貫通領域による応力変化が生じる応力変化領域に位置する検出部と、を備える。 The stress sensor according to one embodiment of the present invention is:
The diaphragm,
A sensitive membrane disposed on the surface of the diaphragm and partially having a penetrating region;
The diaphragm includes a detection unit positioned in a stress change region in which a stress change due to the penetration region occurs.

本発明の一実施形態に係る応力センサによれば、検出能力を向上できる。 According to the stress sensor according to the embodiment of the present invention, the detection capability can be improved.

本発明の第１の実施形態に係る応力センサの概略構成を示す上面図である。It is a top view which shows schematic structure of the stress sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図１に示す応力センサのＬ−Ｌ線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the LL line of the stress sensor shown in FIG. ガス分子が感応膜に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a range A shown in FIG. 2 when gas molecules are adsorbed on a sensitive film. 本発明の第１の実施形態に係る応力センサの変形例を示す上面図である。It is a top view which shows the modification of the stress sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る応力センサの概略構成を示す上面図である。It is a top view which shows schematic structure of the stress sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係る応力センサの変形例を示す上面図である。It is a top view which shows the modification of the stress sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the SOI substrate used for manufacture of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the stress sensor which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention.

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る実施形態では、ダイヤフラムの面上に配置された膜（感応膜）への物質の吸着によって、ダイヤフラムが変形し、ダイヤフラムに応力が生じるものとして説明する。また、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment according to the present invention, the description will be made on the assumption that the diaphragm is deformed by the adsorption of the substance to the film (sensitive film) disposed on the surface of the diaphragm, and stress is generated in the diaphragm. In addition, the drawings used in the following description are schematic.

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る応力センサ１の概略構成を示す上面図であり、図２は、図１に示す応力センサ１のＬ−Ｌ線に沿った断面図である。なお、本明細書では、ｚ軸正方向が上側、ｚ軸負方向が下側であるとして、以下説明する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a top view showing a schematic configuration of the stress sensor 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line LL of the stress sensor 1 shown in FIG. . In the present specification, the following description will be made assuming that the positive z-axis direction is the upper side and the negative z-axis direction is the lower side.

応力センサ１は、ダイヤフラム１０と、貫通領域３０を有する感応膜２０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１，４２，４３とを備える。感応膜２０は、ダイヤフラム１０の上面に配置される。応力センサ１は、感応膜２０が流体中の特定の物質を吸着することにより、特定の物質を検出する。応力センサ１には、例えば上面側から気体が吹きかけられる。応力センサ１は、吹きかけられた気体中に、検出対象となる特定のガス分子が含まれるか否かを検出できる。応力センサ１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて製造される。応力センサ１の製造方法の一例については後述する。 The stress sensor 1 includes a diaphragm 10, a sensitive film 20 having a through region 30, and four piezoresistive elements (detecting units) 40, 41, 42, and 43. The sensitive film 20 is disposed on the upper surface of the diaphragm 10. The stress sensor 1 detects a specific substance by the sensitive film 20 adsorbing the specific substance in the fluid. For example, gas is blown onto the stress sensor 1 from the upper surface side. The stress sensor 1 can detect whether a specific gas molecule to be detected is included in the sprayed gas. The stress sensor 1 is manufactured using, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate. An example of the manufacturing method of the stress sensor 1 will be described later.

ダイヤフラム１０は、変形可能な部材である。ダイヤフラム１０は、例えば、薄い基板である。ダイヤフラム１０は、例えば、ｎ型のＳｉ基板とすることができる。ダイヤフラム１０は、図１に示すように、上面側から見て矩形状としてもよい。ダイヤフラム１０は、その周囲において、ダイヤフラム１０よりも厚い基板と一体として構成されている。ダイヤフラム１０は、上面に配置された感応膜２０が変形すると、感応膜２０の変形の度合いに応じて変形する。 The diaphragm 10 is a deformable member. The diaphragm 10 is, for example, a thin substrate. The diaphragm 10 can be an n-type Si substrate, for example. As shown in FIG. 1, the diaphragm 10 may have a rectangular shape when viewed from the upper surface side. The diaphragm 10 is integrally formed with a substrate thicker than the diaphragm 10 around the diaphragm 10. When the sensitive film 20 disposed on the upper surface of the diaphragm 10 is deformed, the diaphragm 10 is deformed according to the degree of deformation of the sensitive film 20.

感応膜２０は、一部に貫通領域３０を有する。本実施形態では、感応膜２０は、円形状であり、中央部に貫通領域３０を有する。感応膜２０は、検出対象となる物質がその表面に吸着されると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、伸縮等して変形する。感応膜２０には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。ダイヤフラム１０及び感応膜２０の厚さは、感応膜２０に用いられる材料、検出対象となる物質等を考慮して適宜選択することができる。一例として、感応膜２０の材料は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレート又はニトロセルロース等が挙げられる。 The sensitive film 20 has a through region 30 in part. In the present embodiment, the sensitive film 20 has a circular shape and has a through region 30 in the center. When a substance to be detected is adsorbed on the surface of the sensitive film 20, the sensitive film 20 is deformed by expansion and contraction due to physical contact with the substance or chemical reaction with the substance. A material corresponding to a substance to be detected is used for the sensitive film 20. The thicknesses of the diaphragm 10 and the sensitive film 20 can be appropriately selected in consideration of the material used for the sensitive film 20, the substance to be detected, and the like. As an example, examples of the material of the sensitive film 20 include polystyrene, chloroprene rubber, polymethyl methacrylate, nitrocellulose, and the like.

貫通領域３０は、図１に示すように、上面側から見ると円形状である。本実施形態において、貫通領域３０は、感応膜２０の中央部に位置する。応力センサ１では、貫通領域３０の存在に起因して、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際にダイヤフラム１０に生じる応力が、貫通領域３０の境界３１の近辺で大きくなる。この原理の詳細については、後述する。 As shown in FIG. 1, the through region 30 has a circular shape when viewed from the upper surface side. In the present embodiment, the penetrating region 30 is located at the center of the sensitive film 20. In the stress sensor 1, due to the presence of the penetrating region 30, the stress generated in the diaphragm 10 when a substance to be detected is adsorbed on the sensitive film 20 increases near the boundary 31 of the penetrating region 30. Details of this principle will be described later.

ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、自身が受ける応力によって抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えばｐ型Ｓｉである。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０がｎ型Ｓｉである場合には、ボロン（Ｂ）を拡散させて形成したものであってもよい。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０上に配置される。本明細書において、ダイヤフラム１０上に配置されるとは、平板状のダイヤフラム１０の上面に配置された状態と、図２に示すようにダイヤフラム１０の上面側においてダイヤフラム１０に埋め込まれた状態とを含む。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０上において、応力変化領域に位置する。ここで、応力変化領域とは、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、貫通領域３０の存在に起因したダイヤフラム１０の変形に伴い応力が大きく変化する領域である。応力変化領域は、例えば、貫通領域３０の境界３１及び境界３１の近辺を含む。境界３１の近辺は、上面視において、境界３１を基準に、貫通領域３０の内側の領域と外側の領域とを含む。応力変化領域は、後述する図３において、一例として領域Ｄとして示されている。本実施形態では、図１に示すように、４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３は、上面視において境界３１よりも貫通領域３０の内側の領域に、境界３１に沿って等間隔に配置されている。なお、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば、帯状である。 The resistance values of the piezoresistive elements 40 to 43 change depending on the stress that they receive. The piezoresistive elements 40 to 43 are, for example, p-type Si. The piezoresistive elements 40 to 43 may be formed by diffusing boron (B) when the diaphragm 10 is n-type Si. The piezoresistive elements 40 to 43 are disposed on the diaphragm 10. In this specification, being arranged on the diaphragm 10 means a state in which it is arranged on the upper surface of the flat diaphragm 10 and a state in which it is embedded in the diaphragm 10 on the upper surface side of the diaphragm 10 as shown in FIG. Including. The piezoresistive elements 40 to 43 are located in the stress change region on the diaphragm 10. Here, the stress change region is a region where the stress greatly changes with the deformation of the diaphragm 10 due to the existence of the through region 30 when the substance to be detected is adsorbed to the sensitive film 20. The stress change region includes, for example, the boundary 31 of the penetrating region 30 and the vicinity of the boundary 31. The vicinity of the boundary 31 includes an inner region and an outer region of the penetrating region 30 with respect to the boundary 31 in a top view. The stress change region is shown as a region D as an example in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the four piezoresistive elements 40 to 43 are arranged at equal intervals along the boundary 31 in a region inside the penetrating region 30 with respect to the boundary 31 in a top view. Yes. Note that the piezoresistive elements 40 to 43 have, for example, a band shape.

また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。応力センサ１は、ピエゾ抵抗素子４０〜４３で構成されたホイートストンブリッジ回路から、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、検出対象となる物質の感応膜２０への吸着を検出できる。なお、ホイートストンブリッジ回路は、必ずしも４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３の全てを用いて構成する必要はなく、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いて構成してもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いてホイートストンブリッジ回路を構成する際には、応力センサ１は、ホイートストンブリッジ回路に用いられる個数のピエゾ抵抗素子を、ダイヤフラム１０上に備えるようにしてもよい。 The piezoresistive elements 40 to 43 form a Wheatstone bridge circuit. The stress sensor 1 detects a change in the resistance value of the piezoresistive elements 40 to 43 as an electric signal from the Wheatstone bridge circuit constituted by the piezoresistive elements 40 to 43, and thereby to the sensitive film 20 of the substance to be detected. Can be detected. Note that the Wheatstone bridge circuit does not necessarily need to be configured using all four piezoresistive elements 40 to 43, and is configured using any one, two, or three of the piezoresistive elements 40 to 43. May be. Further, when a Wheatstone bridge circuit is configured using any one, two or three of the piezoresistive elements 40 to 43, the stress sensor 1 includes the number of piezoresistive elements used in the Wheatstone bridge circuit. It may be provided on the diaphragm 10.

ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、貫通領域３０の内側に位置する部分の方が、貫通領域３０の外側に位置する部分よりも大きくてもよい。本実施形態では、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１に示すように、上面視において貫通領域３０の内側のみに位置している。なお、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は貫通領域３０の内側のみに位置している場合に限られず、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は応力変化領域に位置していればよい。従って、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、貫通領域３０の境界又は貫通領域３０の外側に位置していてもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１及び図２では、ダイヤフラム１０の上面側に位置しているが、ダイヤフラム１０の内部又は下面側に位置していてもよい。 In the piezoresistive elements 40 to 43, the portion located inside the through region 30 may be larger than the portion located outside the through region 30. In the present embodiment, the piezoresistive elements 40 to 43 are located only inside the penetrating region 30 in a top view as shown in FIG. Note that the piezoresistive elements 40 to 43 are not limited to being located only inside the penetrating region 30, and the piezoresistive elements 40 to 43 may be located in the stress change region. Therefore, the piezoresistive elements 40 to 43 may be located at the boundary of the through region 30 or outside the through region 30. Moreover, although the piezoresistive elements 40 to 43 are located on the upper surface side of the diaphragm 10 in FIGS. 1 and 2, they may be located inside or on the lower surface side of the diaphragm 10.

また、本実施形態では、応力センサ１は４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３を備えるが、応力センサ１が備えるピエゾ抵抗素子の個数は４個に限られない。応力センサ１は、検出対象となる物質を検出可能な任意の個数のピエゾ抵抗素子を備えていればよい。 Moreover, in this embodiment, although the stress sensor 1 is provided with the four piezoresistive elements 40-43, the number of the piezoresistive elements with which the stress sensor 1 is provided is not restricted to four. The stress sensor 1 only needs to include an arbitrary number of piezoresistive elements capable of detecting a substance to be detected.

また、ダイヤフラム１０に生じる応力を検出する検出部として、ピエゾ抵抗素子の代わりに、他の圧電素子が用いられてもよい。 In addition, other piezoelectric elements may be used in place of the piezoresistive element as a detection unit for detecting the stress generated in the diaphragm 10.

次に、貫通領域３０とダイヤフラム１０に生じる応力との関係について、図３を参照して説明する。図３は、ガス分子２が感応膜２０に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。なお、ガス分子２は、応力センサ１を用いて検出する対象のガス分子を模式的に示すものである。 Next, a relationship between the penetrating region 30 and the stress generated in the diaphragm 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an enlarged view of the range A shown in FIG. 2 when the gas molecules 2 are adsorbed on the sensitive film 20. The gas molecule 2 schematically shows a gas molecule to be detected using the stress sensor 1.

図３に示すように、ガス分子２が感応膜２０に吸着されると、感応膜２０が変形する。感応膜２０の変形に伴い、ダイヤフラム１０において感応膜２０が配置された領域も変形する。一方、ダイヤフラム１０における貫通領域３０には、感応膜２０が配置されていないため、感応膜２０による変形が生じにくい。このように、境界３１を基準に貫通領域３０の内側（図３の領域Ｂ）と外側（図３の領域Ｃ）とで、感応膜２０の影響を受けやすい領域Ｃと受けにくい領域Ｂとが形成される。 As shown in FIG. 3, when the gas molecules 2 are adsorbed on the sensitive film 20, the sensitive film 20 is deformed. As the sensitive film 20 is deformed, the region of the diaphragm 10 where the sensitive film 20 is disposed is also deformed. On the other hand, since the sensitive film 20 is not disposed in the penetration region 30 in the diaphragm 10, deformation due to the sensitive film 20 hardly occurs. As described above, the region C that is easily affected by the sensitive film 20 and the region B that is not easily affected by the inner side (region B in FIG. 3) and the outer side (region C in FIG. 3) of the penetrating region 30 with reference to the boundary 31. It is formed.

具体的には、ダイヤフラム１０の領域Ｃは、感応膜２０の中心側が上側に盛り上がった凸形状に変形する。一方、ダイヤフラム１０の領域Ｂは、感応膜２０の変形の影響をあまり受けないため、変形しにくく、例えばｘｙ平面に対してほぼ平行なままである。このとき、領域Ｃと領域Ｂとの境界付近に存在する領域Ｄでは、図３に示すように、ダイヤフラム１０が大きく変形する。そのため、領域Ｄでは、ダイヤフラム１０の変形の度合いが大きくなり、当該箇所に生じる応力が大きくなる。そして、このように大きな応力が生じやすい領域Ｄにピエゾ抵抗素子４０〜４３が配置されているため、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際におけるピエゾ抵抗素子４０〜４３の変形も大きくなる。そのため、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値も、大きく変化しやすくなる。 Specifically, the region C of the diaphragm 10 is deformed into a convex shape in which the center side of the sensitive film 20 is raised upward. On the other hand, the region B of the diaphragm 10 is not so much affected by the deformation of the sensitive film 20, and thus is not easily deformed, for example, remains substantially parallel to the xy plane. At this time, in the region D existing near the boundary between the region C and the region B, the diaphragm 10 is greatly deformed as shown in FIG. For this reason, in the region D, the degree of deformation of the diaphragm 10 increases, and the stress generated in the portion increases. And since the piezoresistive elements 40-43 are arrange | positioned in the area | region D in which such a big stress tends to generate | occur | produce, the deformation | transformation of the piezoresistive elements 40-43 when the substance used as a detection target is adsorb | sucked to the sensitive film | membrane 20 also. growing. Therefore, the resistance values of the piezoresistive elements 40 to 43 are also likely to change greatly.

以上のように、第１の実施形態に係る応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、応力変化領域におけるダイヤフラム１０の変形の度合いが、感応膜２０が貫通領域３０を有しない場合と比較して、より大きくなる。そのため、応力変化領域に生じる応力もより大きくなる。従って、応力変化領域である境界３１の近辺に位置するピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値の変化もより大きくなる。これにより、応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、ダイヤフラム１０に生じる応力の検出能力を向上させることができる。従って、応力センサ１では、検出対象となる物質の検出能力を向上させることができる。 As described above, in the stress sensor 1 according to the first embodiment, when the substance to be detected is adsorbed to the sensitive film 20, the degree of deformation of the diaphragm 10 in the stress change region is penetrated by the sensitive film 20. Compared with the case where the region 30 is not provided, the size becomes larger. Therefore, the stress generated in the stress change region is also increased. Therefore, the change in the resistance value of the piezoresistive elements 40 to 43 located in the vicinity of the boundary 31 that is the stress change region also becomes larger. Thereby, in the stress sensor 1, when the substance used as a detection target is adsorbed by the sensitive film | membrane 20, the detection capability of the stress which arises in the diaphragm 10 can be improved. Therefore, in the stress sensor 1, the detection capability of the substance to be detected can be improved.

（第１の実施形態の変形例）
次に、第１の実施形態に係る応力センサ１の変形例について説明する。 (Modification of the first embodiment)
Next, a modification of the stress sensor 1 according to the first embodiment will be described.

図４は、本発明の第１の実施形態に係る応力センサ１の変形例（応力センサ１ａ）を示す上面図である。なお、図４に示す各構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 4 is a top view showing a modification (stress sensor 1a) of the stress sensor 1 according to the first embodiment of the present invention. In addition, in each component shown in FIG. 4, the same component as the component shown in FIG. 1 is attached | subjected, and the description is abbreviate | omitted.

応力センサ１ａは、ダイヤフラム１０と、貫通領域３０ａを有する感応膜２０ａと、ピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１，４２，４３とを備える。貫通領域３０ａは、図４に示すように、上面側から見ると矩形状であり、境界３１ａも矩形状である。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、第１の実施形態における応力センサ１と同様に、応力変化領域に配置されている。本例では、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、貫通領域３０ａの角部の周辺に配置されている。 The stress sensor 1a includes a diaphragm 10, a sensitive film 20a having a penetrating region 30a, and piezoresistive elements (detecting units) 40, 41, 42, and 43. As shown in FIG. 4, the penetration region 30a is rectangular when viewed from the upper surface side, and the boundary 31a is also rectangular. The piezoresistive elements 40 to 43 are arranged in the stress change region, similarly to the stress sensor 1 in the first embodiment. In this example, the piezoresistive elements 40 to 43 are disposed around the corners of the through region 30a.

このような応力センサ１ａであっても、第１の実施形態に係る応力センサ１と同様の効果を得ることができる。なお、貫通領域は、円形状及び矩形状以外にも、他の任意の形状とすることができる。 Even if it is such a stress sensor 1a, the effect similar to the stress sensor 1 which concerns on 1st Embodiment can be acquired. The penetrating region can have any other shape besides the circular shape and the rectangular shape.

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る応力センサ１ｂの概略構成を示す上面図である。なお、図５に示す構成要素において、図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。 (Second Embodiment)
FIG. 5 is a top view showing a schematic configuration of the stress sensor 1b according to the second embodiment of the present invention. In the constituent elements shown in FIG. 5, the same constituent elements as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

応力センサ１ｂは、ダイヤフラム１０ｂと、貫通領域３０を有する感応膜２０ｂと、ピエゾ抵抗素子４０，４１，４２，４３とを備える。 The stress sensor 1b includes a diaphragm 10b, a sensitive film 20b having a penetrating region 30, and piezoresistive elements 40, 41, 42, and 43.

ダイヤフラム１０ｂは、単結晶のｎ型のＳｉ基板であり、図５では、図５に示すｘｙ平面に平行な面（ｚ軸に垂直な面）がＳｉ（１００）面となる。また、ダイヤフラム１０ｂにおいて、ｘ軸方向は［１１０］方向、ｙ軸方向は［１−１０］方向及びｚ軸方向は［００１］方向である。ダイヤフラム１０は、その外周部に４個の切欠き部５０〜５３を有する。 Diaphragm 10b is a single crystal n-type Si substrate. In FIG. 5, a plane parallel to the xy plane shown in FIG. 5 (a plane perpendicular to the z-axis) is a Si (100) plane. In the diaphragm 10b, the x-axis direction is the [110] direction, the y-axis direction is the [1-10] direction, and the z-axis direction is the [001] direction. The diaphragm 10 has four cutout portions 50 to 53 on the outer peripheral portion thereof.

感応膜２０ｂは、ダイヤフラム１０ｂ上に配置され、その中央部に貫通領域３０を有する。さらに、感応膜２０ｂは、その外周部に４個の切欠き部５０〜５３を有する。本実施形態において、ダイヤフラム１０と感応膜２０ｂとの切欠き部５０〜５３は、同一の形状に切り欠かれている。すなわち、図５に示すように、上面視において、ダイヤフラム１０ｂと感応膜２０ｂとの切欠き部５０〜５３の切欠き線は、一致する。ただし、ダイヤフラム１０と感応膜２０ｂとの切欠き部は、それぞれ異なる形状であってもよい。 The sensitive film 20b is disposed on the diaphragm 10b and has a through region 30 at the center thereof. Furthermore, the sensitive film 20b has four notches 50 to 53 on the outer periphery thereof. In the present embodiment, the cutout portions 50 to 53 of the diaphragm 10 and the sensitive film 20b are cut into the same shape. That is, as shown in FIG. 5, the notch lines of the notch portions 50 to 53 of the diaphragm 10b and the sensitive film 20b coincide with each other when viewed from above. However, the notches of the diaphragm 10 and the sensitive film 20b may have different shapes.

本実施形態において、切欠き部５０〜５３は、図５に示すように、上面側から見ると、くさび形状である。なお、くさび形状とは、先端に向かうにつれて幅が小さくなる形状を指している。本実施形態では、くさび形状は、三角形である。 In the present embodiment, the notches 50 to 53 have a wedge shape when viewed from the upper surface side, as shown in FIG. Note that the wedge shape refers to a shape whose width decreases toward the tip. In the present embodiment, the wedge shape is a triangle.

ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ｐ型Ｓｉであり、例えば、ｎ型のＳｉ基板であるダイヤフラム１０ｂにボロン（Ｂ）を拡散させることで形成される。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、［−１１０］方向、［−１−１０］方向［１−１０］方向及び［１１０］方向（以下、まとめて「〈１１０〉方向」と表記する）に配置される。 The piezoresistive elements 40 to 43 are p-type Si, and are formed, for example, by diffusing boron (B) into the diaphragm 10b which is an n-type Si substrate. The piezoresistive elements 40 to 43 are arranged in the [−110] direction, the [−1-10] direction [1-10] direction and the [110] direction (hereinafter collectively referred to as “<110> direction”). The

ここで、ピエゾ抵抗係数（ピエゾ抵抗素子が受ける応力と、その応力によって変化するピエゾ抵抗素子の抵抗値との間の比例係数）は、結晶方位に依存する。さらに、Ｓｉ（１００）面において、ｐ型Ｓｉのピエゾ抵抗係数は、〈１１０〉方向で最大となり、〈１００〉方向（〈１００〉方向は、［−１００］方向、［０−１０］方向、［１００］方向及び［０１０］方向を含む方向）で最小となる。従って、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、受ける応力によって変化する抵抗値が最大となるように、ピエゾ抵抗係数が最大となる方向に配置される。すなわち、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば図５に示すように、それぞれｘ軸又はｙ軸に沿った方向、すなわち、ダイヤフラム１０ｂの〈１１０〉方向に沿って設けられる。 Here, the piezoresistance coefficient (proportional coefficient between the stress received by the piezoresistive element and the resistance value of the piezoresistive element changed by the stress) depends on the crystal orientation. Further, in the Si (100) plane, the piezoresistance coefficient of p-type Si is maximum in the <110> direction, and the <100> direction (the <100> direction is the [-100] direction, the [0-10] direction, [100] direction and direction including [010] direction). Accordingly, the piezoresistive elements 40 to 43 are arranged in the direction in which the piezoresistance coefficient is maximized so that the resistance value that changes depending on the stress received is maximized. That is, the piezoresistive elements 40 to 43 are provided along the direction along the x-axis or the y-axis, that is, along the <110> direction of the diaphragm 10b, for example, as shown in FIG.

このように、ダイヤフラム１０ｂの〈１００〉方向に切欠き部５０〜５３を設けることで、物質が感応膜２０ｂに吸着された際、ダイヤフラム１０ｂは、〈１１０〉方向に沿って主に変形するようになる。そのため、物質が感応膜２０ｂに吸着された際、ダイヤフラム１０ｂは、中央部分（つまり貫通領域３０付近）の変形の度合いが、外周部分より大きくなる。これにより、応力変化領域におけるダイヤフラム１０の変形の度合いがより大きくなり、応力変化領域に生じる応力もより大きくなる。 Thus, by providing the notches 50 to 53 in the <100> direction of the diaphragm 10b, the diaphragm 10b is deformed mainly along the <110> direction when the substance is adsorbed to the sensitive film 20b. become. Therefore, when the substance is adsorbed on the sensitive film 20b, the diaphragm 10b has a greater degree of deformation in the central portion (that is, in the vicinity of the through region 30) than in the outer peripheral portion. As a result, the degree of deformation of the diaphragm 10 in the stress change region is increased, and the stress generated in the stress change region is also increased.

さらに、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、応力変化領域のピエゾ抵抗係数が最大となる〈１１０〉方向に配置されている。これにより、ピエゾ抵抗素子４０〜４３が受ける応力によって変化する抵抗値を最大化することができ、ダイヤフラム１０に生じる力の検出能力を向上させることができる。すなわち、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の長手方向は、ダイヤフラム１０ｂの〈１１０〉方向に沿って設けられる。 Furthermore, the piezoresistive elements 40 to 43 are arranged in the <110> direction where the piezoresistance coefficient in the stress change region is maximized. Thereby, the resistance value which changes with the stress which the piezoresistive elements 40-43 receive can be maximized, and the detection capability of the force which arises in the diaphragm 10 can be improved. That is, the longitudinal direction of the piezoresistive elements 40 to 43 is provided along the <110> direction of the diaphragm 10b.

加えて、応力センサ１ｂでは、感応膜２０ｂにも、その外周部に切欠き部５０〜５３が設けられている。これにより、検出対象となる物質が上面側から応力センサ１に対して吹きかけられた際、感応膜２０ｂに吸着されなかった物質は切欠き部５０〜５３を通過する。そのため、応力センサ１ｂによれば、感応膜２０ｂに吸着されなかった被検物が、応力センサ１ｂの上面に滞ることを防ぐことができる。 In addition, in the stress sensor 1b, the sensitive film 20b is also provided with notches 50 to 53 on the outer periphery thereof. Thereby, when the substance to be detected is sprayed on the stress sensor 1 from the upper surface side, the substance that has not been adsorbed to the sensitive film 20b passes through the notches 50-53. Therefore, according to the stress sensor 1b, it can prevent that the test object which was not adsorb | sucked by the sensitive film | membrane 20b stagnates on the upper surface of the stress sensor 1b.

加えて、応力センサ１ｂにおいて、ダイヤフラム１０ｂの感応膜２０ｂが配置されない下面上に、第２感応膜が配置されてもよい。これにより、切欠き部５０〜５３を通過した検出対象となる物質がダイヤフラム１０ｂの下面側に流れ込み、第２感応膜に吸着され得る。第２感応膜が、検出対象となる物質を吸着した際に、上面側の感応膜２０とは反対方向に変形する性質を有する場合には、ダイヤフラム１０ｂの変形の度合いがより大きくなる。 In addition, in the stress sensor 1b, a second sensitive film may be disposed on the lower surface of the diaphragm 10b where the sensitive film 20b is not disposed. Thereby, the substance to be detected that has passed through the notches 50 to 53 flows into the lower surface side of the diaphragm 10b and can be adsorbed to the second sensitive film. When the second sensitive film has a property of deforming in the direction opposite to the sensitive film 20 on the upper surface side when the substance to be detected is adsorbed, the degree of deformation of the diaphragm 10b becomes larger.

第２の実施形態に係る応力センサ１ｂにおいて、その他の構成及び効果は、第１の実施形態に係る応力センサ１と同様である。 In the stress sensor 1b according to the second embodiment, other configurations and effects are the same as those of the stress sensor 1 according to the first embodiment.

（第２の実施形態の変形例）
次に、第２の実施形態に係る応力センサ１ｂの変形例について説明する。 (Modification of the second embodiment)
Next, a modification of the stress sensor 1b according to the second embodiment will be described.

図６は、本発明の第２の実施形態に係る応力センサの変形例（応力センサ１ｃ）を示す上面図である。なお、図６に示す各構成要素において、図５に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 6 is a top view showing a modification (stress sensor 1c) of the stress sensor according to the second embodiment of the present invention. In addition, in each component shown in FIG. 6, the same component as the component shown in FIG. 5 is attached | subjected the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted.

応力センサ１ｃは、ダイヤフラム１０ｂと、貫通領域３０ｃを有する感応膜２０ｃと、ピエゾ抵抗素子４０，４１，４２，４３とを備える。貫通領域３０ｃは、図６に示すように、上面側から見ると、矩形状であり、境界３１ｃも矩形状である。 The stress sensor 1c includes a diaphragm 10b, a sensitive film 20c having a through region 30c, and piezoresistive elements 40, 41, 42, and 43. As shown in FIG. 6, the through region 30 c is rectangular when viewed from the upper surface side, and the boundary 31 c is also rectangular.

このような応力センサ１ｃであっても、第２の実施形態に係る応力センサ１ｂと同様の効果を得ることができる。 Even if it is such a stress sensor 1c, the effect similar to the stress sensor 1b which concerns on 2nd Embodiment can be acquired.

（第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程）
次に、本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造工程の一例について、図７〜図１３を参照して説明する。なお、図７〜図１３に示す各構成要素において、同一の構成要素には同一符号を付す。 (Manufacturing process of the stress sensor according to the first and second embodiments)
Next, an example of the manufacturing process of the stress sensor according to the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, in each component shown in FIGS. 7-13, the same code | symbol is attached | subjected to the same component.

（１）ＳＯＩ基板の準備
まず、応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板を準備する。図７に、本発明の第１及び第２の実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す。図７に示すように、ＳＯＩ基板１００は、第１基板１１０と、ＳｉＯ_２層１１１と、第２基板１１２とを備える。第１基板１１０及び第２基板１１２は、Ｓｉ基板である。第１基板１１０は、ダイヤフラムとして機能させるものであり、第２基板１１２よりも薄い。ＳＯＩ基板１００では、第２基板１１２上にＳｉＯ_２層１１１が配置され、ＳｉＯ_２層１１１上に第１基板１１０が配置されている。ＳＯＩ基板１００は、例えばいわゆる貼り合わせ法によって製造される。なお、以下では、第１基板１１０はｎ型であるとする。 (1) Preparation of SOI substrate First, an SOI substrate used for manufacturing a stress sensor is prepared. FIG. 7 shows a schematic structure of an SOI substrate used for manufacturing the stress sensor according to the first and second embodiments of the present invention. As shown in FIG. 7, the SOI substrate 100 includes a first substrate 110, a SiO ₂ layer 111, and a second substrate 112. The first substrate 110 and the second substrate 112 are Si substrates. The first substrate 110 functions as a diaphragm and is thinner than the second substrate 112. In the SOI substrate 100, the SiO ₂ layer 111 is disposed on the second substrate 112, and the first substrate 110 is disposed on the SiO ₂ layer 111. The SOI substrate 100 is manufactured by, for example, a so-called bonding method. In the following, it is assumed that the first substrate 110 is n-type.

（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図７に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図８に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２００を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２００の開口部に高濃度のボロン（Ｂ）を注入し、拡散配線４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂを形成する。 (2) Formation of Diffusion Wiring (Highly Doped Layer) Next, a diffusion wiring is formed on the SOI substrate 100 shown in FIG. As shown in FIG. 8, after the mask pattern 200 is formed on the first substrate 110, boron (B) at a high concentration is implanted into the opening of the mask pattern 200 by an ion implantation method, and the diffusion wirings 41a, 41b, 43a. , 43b.

（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図８に示すマスクパターン２００を除去した後、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。図９に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２０１を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２０１の開口部に低濃度のボロン（Ｂ）を注入し、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。 (3) Formation of Piezoresistive Element (Low Doped Layer) After removing the mask pattern 200 shown in FIG. 8, piezoresistive elements 40 to 43 are formed. As shown in FIG. 9, after forming the mask pattern 201 on the first substrate 110, boron (B) at a low concentration is implanted into the opening of the mask pattern 201 by ion implantation, and the piezoresistive elements 40 to 43 are formed. Form.

（４）金属配線の形成
図９に示すマスクパターン２０１を除去し、所定のパターンの絶縁層３１０ａ，３１０ｂを積層した後、アルミニウム等の金属配線を形成する。図１０（ａ）に示すように、第１基板１１０上の全面にスパッタによって金属（例えばアルミニウム）を堆積させ、金属層３００（例えばアルミニウム層）を形成する。次に、図１０（ｂ）に示すように、金属層３００上にマスクパターン２０２を形成する。その後、図１０（ｃ）に示すように、マスクパターン２０２により保護されていない金属層３００をエッチングすることにより、金属配線３００ａ，３００ｂを形成する。金属配線３００ａ等及び拡散配線４１ａ等による接続によって、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。 (4) Formation of Metal Wiring After removing mask pattern 201 shown in FIG. 9 and laminating insulating layers 310a and 310b having a predetermined pattern, metal wiring such as aluminum is formed. As shown in FIG. 10A, a metal (for example, aluminum) is deposited on the entire surface of the first substrate 110 by sputtering to form a metal layer 300 (for example, an aluminum layer). Next, as illustrated in FIG. 10B, a mask pattern 202 is formed on the metal layer 300. Thereafter, as shown in FIG. 10C, the metal wiring 300a, 300b is formed by etching the metal layer 300 that is not protected by the mask pattern 202. The piezoresistive elements 40 to 43 constitute a Wheatstone bridge circuit by connection using the metal wiring 300a and the like and the diffusion wiring 41a and the like.

（５）切欠き部の形成
図１０（ｃ）に示すマスクパターン２０２を除去した後、第２の実施形態に係る応力センサの場合は、切欠き部５０〜５３を形成する。まず、図１１（ａ）に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２０３を形成する。その後、図１１（ｂ）に示すように、マスクパターン２０３を介したドライエッチングにより切欠き部５０〜５３を形成した後、マスクパターン２０３を除去する。なお、この際、ＳｉＯ_２層１１１がストップ層の役割を果たすように、予めドライエッチングの条件を設定する。なお、応力センサが切欠き部を有さない場合には、この工程を飛ばして、次の工程に進んでもよい。 (5) Formation of Notch Portions After removing the mask pattern 202 shown in FIG. 10C, the notch portions 50 to 53 are formed in the case of the stress sensor according to the second embodiment. First, as shown in FIG. 11A, a mask pattern 203 is formed on the first substrate 110. Thereafter, as shown in FIG. 11B, after the notches 50 to 53 are formed by dry etching via the mask pattern 203, the mask pattern 203 is removed. At this time, dry etching conditions are set in advance so that the SiO ₂ layer 111 serves as a stop layer. If the stress sensor does not have a notch, this step may be skipped and proceed to the next step.

（６）ダイヤフラムの形成
ＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、ダイヤフラムを形成する。図１２（ａ）に示すように、第２基板１１２上にマスクパターン２０４を形成した後、マスクパターン２０４により保護されていない第２基板１１２を、ドライエッチングして凹部４００を形成する。このとき、ＳｉＯ_２層１１１がストップ層の役割を果たすように、予めドライエッチングの条件を設定する。その後、ドライエッチングの条件を変更し、図１２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２層１１１を除去してダイヤフラム１０Ａを形成する。なお、第１及び第２の実施形態において多様なダイヤフラムについて説明したが、図１２（ｂ）では、ダイヤフラム１０Ａと表記している。 (6) Formation of Diaphragm After the SOI substrate 100 is turned upside down, the diaphragm is formed. As shown in FIG. 12A, after forming a mask pattern 204 on the second substrate 112, the second substrate 112 not protected by the mask pattern 204 is dry-etched to form a recess 400. At this time, dry etching conditions are set in advance so that the SiO ₂ layer 111 serves as a stop layer. Thereafter, the dry etching conditions are changed, and as shown in FIG. 12B, the SiO ₂ layer 111 is removed to form the diaphragm 10A. Various diaphragms have been described in the first and second embodiments, but in FIG. 12B, they are denoted as a diaphragm 10A.

（７）感応膜の形成
図１２（ｂ）に示すマスクパターン２０４を除去し、さらにＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、感応膜２０Ａを形成する。図１３に示すように、感応膜材料をダイヤフラム１０Ａ上に塗布した後、乾燥させて感応膜２０Ａを形成する。なお、第１及び第２の実施形態において多様な感応膜について説明したが、図１３では、感応膜２０Ａと表記している。 (7) Formation of Sensitive Film After the mask pattern 204 shown in FIG. 12B is removed and the SOI substrate 100 is turned upside down, the sensitive film 20A is formed. As shown in FIG. 13, the sensitive film material is applied on the diaphragm 10A and then dried to form the sensitive film 20A. Although various sensitive films have been described in the first and second embodiments, they are indicated as a sensitive film 20A in FIG.

なお、ここでは第１基板１１０がｎ型であるとして説明したが、例えば第１基板１１０がｐ型である場合には、上記（２）拡散配線（高ドープ層）の形成及び（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成において、ボロン（Ｂ）に替えてリン（Ｐ）を注入する。 Here, the first substrate 110 is described as being n-type. However, for example, when the first substrate 110 is p-type, (2) formation of the diffusion wiring (highly doped layer) and (3) piezo-electricity. In forming the resistance element (lowly doped layer), phosphorus (P) is implanted instead of boron (B).

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and corrections based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each component, each step, etc. can be rearranged so that there is no logical contradiction, and multiple components, steps, etc. can be combined or divided into one It is.

１，１ａ，１ｂ，１ｃ応力センサ
２ガス分子
１０，１０Ａ，１０ｂダイヤフラム
２０，２０Ａ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ感応膜
３０，３０ａ，３０ｃ貫通領域
３１，３１ａ，３１ｃ境界
４０，４１，４２，４３ピエゾ抵抗素子（検出部）
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ拡散配線
５０，５１，５２，５３切欠き部
１００ＳＯＩ基板
１１０第１基板
１１１ＳｉＯ_２層
１１２第２基板
２００，２０１，２０２，２０３，２０４マスクパターン
３００金属層
３００ａ，３００ｂ金属配線
３１０ａ，３１０ｂ絶縁層
４００凹部 1, 1a, 1b, 1c Stress sensor 2 Gas molecule 10, 10A, 10b Diaphragm 20, 20A, 20a, 20b, 20c Sensitive membrane 30, 30a, 30c Penetration region 31, 31a, 31c Boundary 40, 41, 42, 43 Piezo Resistive element (detector)
41a, 41b, 43a, 43b Diffusion wiring 50, 51, 52, 53 Notch 100 SOI substrate 110 First substrate 111 SiO ₂ layer 112 Second substrate 200, 201, 202, 203, 204 Mask pattern 300 Metal layer 300a, 300b Metal wiring 310a, 310b Insulating layer 400 Recess

Claims

The diaphragm,
A sensitive membrane disposed on the surface of the diaphragm and partially having a penetrating region;
A stress sensor comprising: a detection unit located in a stress change region in which stress change due to the penetration region occurs in the diaphragm.

The stress sensor according to claim 1, wherein the sensitive film has a notch in an outer peripheral portion.

The stress sensor according to claim 2, wherein the notch portion of the sensitive film has a wedge shape.

The stress sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the diaphragm has a notch in an outer peripheral portion.

The stress sensor according to claim 4, wherein the notch portion of the diaphragm has a wedge shape.

The stress sensor according to claim 4, further comprising a second sensitive film disposed on another surface different from the surface on which the sensitive film is disposed in the diaphragm.

The stress sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the stress change region is a region including a boundary of the penetrating region and a vicinity of the boundary.

The stress sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the detection unit is configured such that a portion located inside the penetrating region is larger than a portion located outside the penetrating region.

The stress sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the detection unit includes a piezoresistive element.