JP2017181438A - 応力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出能力を向上する。【解決手段】応力センサ１は、ダイヤフラム１０と、ダイヤフラム１０の面上に配置される感応膜２０と、ダイヤフラム１０上に配置されるピエゾ抵抗素子４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａと、ダイヤフラム１０下に配置されるピエゾ抵抗素子４０ｂ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂと、接続部３０，３１，３２，３３とを備える。ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａとピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂとは、接続部３０〜３３によって電気的に直列に接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、応力センサに関する。

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。

特開２０１５−１４３７１３号公報

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。

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。

本発明の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る感応膜と、
前記ダイヤフラム上に配置される第１検出部と、
前記ダイヤフラム下に配置される第２検出部と、
接続部と、を備え、
前記第１検出部と前記第２検出部は、前記接続部によって電気的に直列に接続されている。

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。

本発明の一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。 図１に示す応力センサのＬ−Ｌ線に沿った断面図である。 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。 本発明の一実施形態に係る応力センサの変形例の概略構成を示す上面図である。 本発明の一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。 本発明の一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。 本発明の一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。 本発明の一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。 本発明の一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。 本発明の一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。

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。

図１は、本発明の一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。

応力センサ１は、ダイヤフラム１０と、ダイヤフラム１０の上面に配置される感応膜２０と、接続部３０，３１，３２，３３と、ピエゾ抵抗素子（第１検出部）４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａと、ピエゾ抵抗素子（第２検出部）４０ｂ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂとを備える。ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａとピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂとは、それぞれ、接続部３０〜３３によって電気的に直列に接続され、４個の抵抗部４０，４１，４２，４３を構成する。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。

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。本実施形態に係るダイヤフラム１０は、単結晶のｎ型のＳｉ基板であり、図１及び図２では、図１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１０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、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。

感応膜２０は、本実施形態では、円形状である。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。

接続部３０は、例えば、ビア導体又は拡散配線等であり、ピエゾ抵抗素子４０ａとピエゾ抵抗素子４０ｂとを電気的に直列に接続させ、抵抗部４０を構成する。同様に、接続部３１〜３３も、例えば、ビア導体又は拡散配線等であり、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４１ａ〜４３ａと、ピエゾ抵抗素子４１ｂ〜４３ｂとを電気的に直列に接続させ、抵抗部４１〜４３を構成する。図２には、接続部３１によってピエゾ抵抗素子４１ａ，４１ｂを直列に接続させて構成される抵抗部４１と、接続部３３によってピエゾ抵抗素子４３ａ，４３ｂを直列に接続させて構成される抵抗部４３とが示されている。

ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａ，４０ｂ〜４３ｂ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４０ａ〜４３ａ，４０ｂ〜４３ｂは、ｐ型Ｓｉであり、ｎ型のＳｉ基板であるダイヤフラム１０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４０ａ〜４３ａは、ダイヤフラム１０上に配置される。なお、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４０ｂ〜４３ｂは、ダイヤフラム下に配置される。図１には上面側から見たときのピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂの形状が破線で示されている。なお、本明細書において、ダイヤフラム１０下に配置されるとは、平板状のダイヤフラム１０の下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の下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。

また、ピエゾ抵抗素子４０ａの長手方向とピエゾ抵抗素子４０ｂの長手方向は、互いに異なる方向であり、さらに、互いに直交する。同様に、ピエゾ抵抗素子４１ａ〜４３ａの長手方向とピエゾ抵抗素子４１ｂ〜４３ｂの長手方向も、それぞれ、互いに異なる方向であり、さらに、互いに直交する。図１の例では、ピエゾ抵抗素子４０ａの長手方向はｙ軸方向（第１方向）であり、ピエゾ抵抗素子４０ｂの長手方向はｘ軸方向（第２方向）である。また、ピエゾ抵抗素子４１ａの長手方向はｙ軸方向であり、ピエゾ抵抗素子４１ｂの長手方向はｘ軸方向である。また、ピエゾ抵抗素子４２ａの長手方向はｙ軸方向であり、ピエゾ抵抗素子４２ｂの長手方向はｘ軸方向である。また、ピエゾ抵抗素子４３ａの長手方向はｙ軸方向であり、ピエゾ抵抗素子４３ｂの長手方向はｘ軸方向である。

なお、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａ，４０ｂ〜４３ｂ中を流れる電流は、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａ，４０ｂ〜４３ｂの長手方向に沿って流れるものとする。すなわち、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａ中を流れる電流は第１方向に沿って流れ、ピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂ中を流れる電流は第２方向に沿って流れる。

また、ピエゾ抵抗素子４０ａ及びピエゾ抵抗素子４０ｂの一部は、上下方向に重なっている。同様に、ピエゾ抵抗素子４１ａ〜４３ａ及びピエゾ抵抗素子４１ｂ〜４３ｂの一部も、それぞれ、上下方向に重なっている。

抵抗部４０は、ピエゾ抵抗素子４０ａとピエゾ抵抗素子４０ｂとを電気的に直列に接続させて構成される。同様に、抵抗部４１〜４３も、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４１ａ〜４３ａと、ピエゾ抵抗素子４１ｂ〜４３ｂとを電気的に直列に接続させて構成される。このように構成することで、抵抗部４０〜４３の抵抗値は、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａの抵抗値と、ピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂの抵抗値とを足し合わせた値になる。また、本実施形態では、抵抗部４０〜４３は、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａとピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂとをＬ字型に接続させて構成されている。

また、抵抗部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、抵抗部４０〜４３で構成されたホイートストンブリッジ回路から、抵抗部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個の抵抗部の全てを用いて構成する必要はなく、抵抗部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、抵抗部の何れか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抵抗部を、ダイヤフラム１０が備えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、応力センサ１は４個の抵抗部４０〜４３を備えるが、応力センサ１が備える抵抗部の個数は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抵抗部を備えていればよい。

次に、感応膜２０に検出対象となる物質が吸着された際にダイヤフラム１０に生じる応力について説明する。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。

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が変形し、この変形に伴い、ダイヤフラム１０も変形する。このとき、ダイヤフラム１０では、例えばダイヤフラム１０の上面側が伸び、かつダイヤフラム１０の下面側が縮むことで、ダイヤフラム１０の上面側とダイヤフラム１０の下面側とにおいて、互いに異なる向きの応力が生じる。図３の例では、ダイヤフラム１０の上面側では、ダイヤフラム１０の中央部を向く応力σ１が生じ、ダイヤフラム１０の下面側では、ダイヤフラム１０の周辺部を向く応力σ２が生じている。このとき、応力σ１のｘ軸方向の応力成分である応力σ１ｘと、応力σ２のｘ軸方向の応力成分であるσ２ｘとは、ｘ軸方向において逆向きの応力となる。

ここで、ダイヤフラム１０に生じる応力と、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量ΔＲとの関係について説明する。本実施形態では、ダイヤフラム１０は、その表面をＳｉ（１００）とする単結晶Ｓｉであり、また、ダイヤフラム１０に生じる応力は、平面応力とみなすことができる。この場合、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量ΔＲは、σｘをｘ軸方向の応力及びσｙをｙ軸方向の応力とすると、（σｘ−σｙ）に比例する。従って、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量ΔＲの正負は、ｘ軸方向の応力であるσｘの向きに依存する。

図３の説明に戻ると、ダイヤフラム１０の上面側と下面側とでは、ｘ軸方向において、互いに向きの異なる応力σ１ｘ，σ２ｘが生じている。従って、ダイヤフラム１０の上下に配置するピエゾ抵抗素子の長手方向をｙ軸方向に揃えると、ダイヤフラム１０の上下に配置するピエゾ抵抗素子において、一方の抵抗値の変化量ΔＲは正の値になり、他方の抵抗値の変化量ΔＲは負の値になる。この場合、ダイヤフラム１０の上下に配置するピエゾ抵抗素子を直列に接続させて直列抵抗を構成すると、直列抵抗の抵抗値の変化量は、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量ΔＲの正負が反対になって打ち消し合うため、低減してしまう。

これに対し、本実施形態では、ダイヤフラム１０の上に配置するピエゾ抵抗素子４１ａの長手方向はｙ軸方向であり、ダイヤフラム１０の下に配置するピエゾ抵抗素子４１ｂの長手方向はｘ軸方向である。従って、ピエゾ抵抗素子４１ａ，４１ｂを直列に接続させて抵抗部４１を構成しても、抵抗部４１に影響するｘ軸方向の応力は、ピエゾ抵抗素子４１ａが受ける応力σ１ｘのみである。さらに、本実施形態では、抵抗部４１は、長手方向をｘ軸方向とするピエゾ抵抗素子４１ｂのｙ軸方向の応力による抵抗値の変化量も得ることができる。これにより、抵抗部４１は、ピエゾ抵抗素子４１ａ，４１ｂの抵抗値の変化量を足し合わせた、より大きな抵抗値の変化量を得ることができる。

以上のように、本実施形態に係る応力センサ１では、ダイヤフラム１０上に配置されるピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａと、ダイヤフラム１０下に配置されるピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂとを直列に接続させることで、抵抗部４０〜４３を構成している。これにより、抵抗部４０〜４３の抵抗値は、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａの抵抗値と、ピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂの抵抗値とを足し合わせた値となる。そのため、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、抵抗部４０〜４３の抵抗値の変化を、抵抗部４０〜４３をピエゾ抵抗素子の直列抵抗として構成しない場合と比較して、大きくすることができる。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。

（本実施形態の変形例）
次に、本発明の一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。

図４は、本発明の一実施形態に係る応力センサ１の変形例（応力センサ１ａ）の概略構成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。

応力センサ１ａは、ダイヤフラム１０と、ダイヤフラム１０の上面に配置される感応膜２０と、接続部３０，３１，３２，３３と、ピエゾ抵抗素子４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａと、ピエゾ抵抗素子４０ｂ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂとを備える。ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａとピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂとは、それぞれ、接続部３０〜３３によって電気的に直列に接続され、４個の抵抗部４４，４５，４６，４７を構成する。

抵抗部４４は、ピエゾ抵抗素子４０ａとピエゾ抵抗素子４０ｂとを電気的に直列に接続させて構成される。同様に、抵抗部４５〜４７も、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４１ａ〜４３ａと、ピエゾ抵抗素子４１ｂ〜４３ｂとを電気的に直列に接続させて構成される。このように構成することで、抵抗部４４〜４７の抵抗値は、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａの抵抗値と、ピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂの抵抗値とを足し合わせた値になる。また、変形例では、抵抗部４４〜４７は、それぞれ、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａとピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂとを十字型に接続させて構成されている。

このような応力センサ１ａであっても、本発明の一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。

（本実施形態に係る応力センサの製造工程）
次に、本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５〜図１０を参照して説明する。なお、図５〜図１０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。

（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５に、本発明の一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５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。なお、第１基板１１０の下面には、予めピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂを形成しておく。

（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図５に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図６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，４３Ａを形成する。なお、拡散配線４０Ａ〜４３Ａは、それぞれ、第１基板１１０の下面に形成されたピエゾ抵抗素子４０ｂ〜４３ｂに接続するよう形成する。

（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図６に示すマスクパターン２００を除去した後、ピエゾ抵抗素子４０ａ〜４３ａを形成する。図７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４０ａ〜４３ａを形成する。

（４）金属配線の形成
図７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８（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８（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８（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、抵抗部４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。

（５）ダイヤフラムの形成
図８（ｃ）に示すマスクパターン２０２を除去し、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９（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９（ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２層１１１を除去してダイヤフラム１０を形成する。

（６）感応膜の形成
図９（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２０を形成する。図１０に示すように、感応膜材料をダイヤフラム１０上に塗布した後、乾燥させて感応膜２０を形成する。

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。

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。

１，１ａ 応力センサ
２ ガス分子
１０ ダイヤフラム
２０ 感応膜
３０，３１，３２，３３ 接続部
４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７ 抵抗部
４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ ピエゾ抵抗素子（第１検出部）
４０ｂ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ ピエゾ抵抗素子（第２検出部）
４０Ａ，４１Ａ，４２Ａ，４３Ａ 拡散配線
１００ ＳＯＩ基板
１１０ 第１基板
１１１ ＳｉＯ_２層
１１２ 第２基板
２００，２０１，２０２，２０４ 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

Claims (5)

1. ダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの面上に配置される感応膜と、
   前記ダイヤフラム上に配置される第１検出部と、
   前記ダイヤフラム下に配置される第２検出部と、
   接続部と、を備え、
   前記第１検出部と前記第２検出部は、前記接続部によって電気的に直列に接続されている、応力センサ。
2. 前記第１検出部及び前記第２検出部の一部又は全部が、上下方向に重なっている、請求項１に記載の応力センサ。
3. 前記第１検出部の長手方向は第１方向であり、前記第２検出部の長手方向は、該第１方向に直交する第２方向である、請求項１又は２に記載の応力センサ。
4. 前記接続部は、ビア導体である、請求項１から３の何れか一項に記載の応力センサ。
5. 前記第１検出部及び前記第２検出部は、ピエゾ抵抗素子を含んで構成される、請求項１から４の何れか一項に記載の応力センサ。
   

Images