JP2017181439A - 応力センサ及びその製造方法 - 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の面上に配置された感応膜２０と、ダイヤフラム１０の面上に配置され、感応膜２０を囲う凸部３０と、ダイヤフラム１０において感応膜２０の外縁２１付近の領域に位置する検出部４０〜４３とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、応力センサ及びその製造方法に関する。

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及びその製造方法を提供することにある。

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た感応膜と、
前記ダイヤフラムの面上に配置され、前記感応膜を囲う凸部と、
前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する検出部と、を備える。

また、本発明の一実施形態に係る応力センサの製造方法は、
ダイヤフラム上に検出部を形成するステップと、
前記ダイヤフラムの面上に凸部を形成するステップと、
前記ダイヤフラムの面上の前記凸部に囲まれた領域に感応膜を形成するステップと、を含み、
前記検出部は、前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する。

本発明の一実施形態に係る応力センサ及びその製造方法によれば、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。 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、感応膜２０と、凸部３０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の上面において、凸部３０に囲まれた領域に配置される。応力センサ１は、感応膜２０が流体中の物質を吸着することにより、流体中の物質を検出する。本実施形態に係る応力センサ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、検出対象となる所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。ダイヤフラム１０は、例えば、ｎ型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が、形状はこれに限るものではなく、例えば円形状であってもよいし他の多角形の形状等でもよい。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、図２に示すように、中央部２０Ａと、中央部２０Ａよりも厚みが大きい外側部２０Ｂとを有する。

外側部２０Ｂの厚みを、中央部２０Ａの厚みよりも大きい形状とすることは、例えば、凸部３０を形成してから、凸部３０に囲まれた領域に感応膜材料を塗布して感応膜２０を形成することにより実現される。このように感応膜２０を形成すると、感応膜材料を塗布した際に、広がろうとする液体状の感応膜材料が凸部３０によって堰き止められるため、外側部２０Ｂが盛り上がる。そのため、感応膜２０は、外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも大きい形状となる。なお、凸部３０は、感応膜２０に接している。

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。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。

凸部３０は、ダイヤフラム１０の上面に配置される。凸部３０は、例えば、断面が略矩形状のリング状である。凸部３０は、例えば、感応膜２０が親水性の材料である場合は、疎水性の材料で形成してもよい。こうすると、応力センサ１の製造時において、凸部３０が感応膜２０をはじき、感応膜２０の外縁２１を、よりエッジが立った構成とすることができるからである。凸部３０の材料は、例えば、ＳｉＮなどである。なお、親水性とは、感応膜２０の材料の化学種や置換基が、水（Ｈ_２Ｏ）との間で水素結合などで結合することを指す。また、疎水性とは、感応膜２０の材料が、親水性と逆の極性を有していることを指す。

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、感応膜２０の変形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、感応膜２０の外縁２１付近の領域を含む。外縁２１付近の領域は、上面視において、外縁２１を基準に外縁２１よりも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、上面視において外縁２１に沿って等間隔に配置されている。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば帯状である。

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。

なお、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１に示す例では、上面視において外縁２１に沿って位置しているが、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、外縁２１の内側又は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。

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。

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。

次に、ダイヤフラム１０に生じる応力について、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。

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。ダイヤフラム１０の変形により、領域Ｄに応力が生じる。

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。この際、感応膜２０の外縁２１のエッジが急峻に立っている方がダイヤフラム１０の領域Ｄに生じる応力が高まる。本実施形態の感応膜２０は、外側部２０Ｂの厚みが中央部２０Ａの厚みよりも大きい構成である。そのため、通常の製造方法によって、外側の厚みが中央部の厚みよりも徐々に小さくなっていくように形成された感応膜と比較して、外縁２１のエッジが急峻に立っている。したがって、本実施形態の構成に係る感応膜２０を上面に形成したダイヤフラム１０は、通常の製造方法によって形成された感応膜を上面に形成したダイヤフラムよりも、領域Ｄに生じる応力が高くなる。

以上のように、本実施形態に係る応力センサ１では、通常の製造方法によって形成された感応膜を上面に形成したダイヤフラムに比較して、ダイヤフラム１０における外縁２１付近の領域に生じる応力が高くなる。そのため、外縁２１付近の領域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。そのため、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。

また、本実施形態に係る応力センサ１は、凸部３０を有しているため、例えば感応膜２０が膨張しようとした場合、凸部３０が感応膜２０から力を受ける。このとき、凸部３０はダイヤフラム１０に接続していることから、凸部３０の内側面とダイヤフラム１０の上面との交点を回転軸として、モーメントが働く。したがって、ダイヤフラム１０に生じる応力を向上させることができる。

また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、感応膜２０と凸部３０との境界の直下に位置していてもよい。その結果、応力センサ１の感度を向上させることができる。

また、凸部３０のヤング率は、感応膜２０のヤング率よりも大きくてもよい。その結果、感応膜２０から力を受けたときに、凸部３０自体の変形を低減することができる。

また、凸部３０のヤング率は、ダイヤフラム１０のヤング率よりも大きくてもよい。その結果、凸部３０にモーメントが働いたときに、凸部３０自体の変形を低減しつつ、ダイヤフラム１０に生じる応力を向上させることができる。

なお、本実施形態において、凸部３０の高さは、凸部３０の幅よりも大きい。なお、凸部３０の高さは、ｚ軸方向の長さである。また、凸部３０の幅は、凸部３０を図２のように切断したときに、平面方向の長さである。また、本実施形態において、凸部３０の高さは、感応膜２０の高さよりも低く設定されている。

（応力センサの製造工程）
次に、本発明の一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４〜図１０を参照して説明する。なお、図４〜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４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４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。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。

（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図４に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図５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。

（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図５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６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。

（４）金属配線の形成
図６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７（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７（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７（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。

（５）凸部の形成
図７（ｃ）に示すマスクパターン２０２を除去した後、凸部３０を形成する。凸部３０は、図８に示すように、第１基板１１０上に、例えば、疎水性の材料により形成される。凸部３０は、例えば、図７（ａ）〜（ｃ）に示した方法と同様の方法により、スパッタにより堆積させた疎水性の材料を、マスクパターンにしたがってエッチングすることにより形成することができる。

（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を形成する。

（７）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上における凸部３０に囲まれた領域に塗布した後、乾燥させて感応膜２０を形成する。このように、凸部３０に囲まれた領域に感応膜材料を塗布すると、広がろうとする液体状の感応膜材料が凸部３０によって堰き止められるため、外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも大きい形状となる。

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。

上記の説明では、感応膜２０の外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも大きい例を説明した、本発明はこの場合に限られない。例えば、感応膜２０の外側部２０Ｂの厚みが、中央部２０Ａの厚みよりも小さくてもよい。具体的には、感応膜２０はドーム状であってもよい。また、感応膜２０は、平坦であってもよい。なお、平坦とは、感応膜２０の全てが平坦であってもよいし、外縁近傍を除いて感応膜２０の大部分が平坦な領域であってもよい。なお、感応膜２０の形状は、種々の条件等を調整することによって、調整することができる。

１，１ａ応力センサ
２ ガス分子
１０ ダイヤフラム
２０ 感応膜
２０Ａ 中央部
２０Ｂ 外側部
２１ 外縁
３０ 凸部
４０，４１，４２，４３ ピエゾ抵抗素子（検出部）
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ 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た感応膜と、
   前記ダイヤフラムの面上に配置され、前記感応膜を囲う凸部と、
   前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する検出部と、を備える応力センサ。
2. 前記感応膜は、中央部と、該中央部の外側に位置し該中央部よりも厚みが大きい外側部とを有する、請求項１に記載の応力センサ。
3. 前記凸部は、疎水性の材料で形成されている、請求項１又は２に記載の応力センサ。
4. 前記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３の何れか一項に記載の応力センサ。
5. ダイヤフラム上に検出部を形成するステップと、
   前記ダイヤフラムの面上に凸部を形成するステップと、
   前記ダイヤフラムの面上の前記凸部に囲まれた領域に感応膜を形成するステップと、を含み、
   前記検出部は、前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁付近の領域に位置する、応力センサの製造方法。
   

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