JP2018013444A - 差圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定時のカンチレバーの変形時に、流体漏れが発生する隙間を小さくし、高精度で広い測定レンジで圧力を測定する差圧センサを提供する。【解決手段】差圧センサは、内部に流体を含む気体室の開口を塞ぐように外縁同士を近接させて、開口近傍に傾動可能に設けられた複数のカンチレバーからなるカンチレバー群と、カンチレバー上で前記開口との接続部近傍に形成された検知部を有し、気体室の内側又は外側へ傾動するカンチレバーの外縁間から流体が流通し、検知部がカンチレバーの開口に対する傾動量を検出し、検出した傾動量から気体室の内外の差圧を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力変動を測定する差圧センサに関する。

従来、簡素な構成で圧力変動を測定することができる圧力センサとして、例えば、特許文献１に記載されるカンチレバーを用いた差圧センサがある。この差圧センサは、内外を連通する開口が設けられた気体室を有するセンサ筐体と、開口に設けられた検知部とで構成される。検知部は、通常時（非測定時）には、矩形の開口を塞ぐように配置される矩形のカンチレバー部が設けられている。傾動によりカンチレバー部の歪む箇所には、ピエゾ抵抗素子が形成されている。開口を塞ぐカンチレバー部は、気体室の内外の圧力変動により傾動し、この変化をピエゾ抵抗素子で電気的に検出する構成である。この差圧センサは、ダイヤフラムを用いた圧力センサが気体室を密閉する必要があったのに比べて、より簡素な構成で圧力変動を測定することができる。

国際特許出願ＷＯ２０１２／１０２０７３Ａ１

前述した１つの矩形のカンチレバーを用いた差圧センサの構成では、カンチレバー部にかかる圧力が増大した場合、その変位が大きくなり、固定された開口と、傾動しているカンチレバー部との隙間が大きくなる。この結果、カンチレバー部の側方の隙間も大きくなり、圧力となるべき流体が側方に対しても抜けやすくなり、正確な圧力差を検出できなくなる。従って、カンチレバー部を圧力センサとして利用する場合、カンチレバー部の硬度を低圧力領域の精度を求めた設計を行えば、圧力が高くなるほど、傾動する角度が大きくなるため、高圧力領域の精度が悪くなる等、計測レンジ幅が制限される。

そこで本発明は、測定時のカンチレバーの変形時に、流体漏れが発生する隙間を小さくし、高精度で測定レンジの広い差圧センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態の差圧センサは、内部に気体を含む気体室及び、当該気体室の内外を連通する開口を形成する開口部が設けられるセンサ筐体と、前記センサ筐体の前記開口部に片持ち支持され、前記開口部を通過する前記気体の移動に従い傾動する、３つ以上となる複数のカンチレバーを有するカンチレバー群と、前記開口部から、前記複数のカンチレバーの各々の接続箇所に掛かるように形成された検知部と、を有し、前記カンチレバー群は、それぞれの前記カンチレバーを外縁同士が近接して前記開口を塞ぐように、前記開口の周囲に配置され、前記カンチレバーの一体的な傾動に伴って、前記外縁の間を含む隙間から前記気体が前記気体室の内外へ流通され、前記検知部は、前記気体室の内側又は外側へ傾動する前記カンチレバーの傾動量を検出し、検出した傾動量に基づいて前記気体室の内外の差圧を検出する。

本発明は、測定時のカンチレバーの変形時に、流体漏れが発生する隙間を小さくし、高精度で測定レンジの広い差圧センサを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る差圧センサの断面構成を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態の差圧センサを正面から見た外観構成を示す図である。 図３Ａは、圧力測定時にカンチレバー部が傾動した状態を示す断面図である。 図３Ｂは、圧力測定時にカンチレバー部が傾動した状態を斜め上から見た概念的な状態を示す図である。 図４（ａ）乃至（ｊ）は、差圧センサの製造プロセスを示すプロセス工程図である。 図５Ａは、片持ち支持された矩形形状を成して傾動状態のカンチレバー部を有する差圧センサの断面構成を示す断面図である。 図５Ｂは、１つの矩形形状のカンチレバー部が傾動した状態を斜め上から見た外観構成を示す図である。 図６は、本実施形態のカンチレバー部と１つのカンチレバー部における、傾動量に対する開口中央の隙間の関係の比較例を示す図である。 図７は、第２の実施形態の差圧センサを正面から見た外観構成を示す図である。 図８は、第２の実施形態のカンチレバーの変形例を示す図である。 図９は、第３の実施形態の差圧センサにおける１つのカンチレバーの構成例を示す図である。 図１０Ａは、第４の実施形態の差圧センサにおける１つのカンチレバーの構成例を示す図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＢ−Ｂにおけるカンチレバーの断面構成を示す断面図である。 図１１は、第５の実施形態の差圧センサにおける１つのカンチレバーの構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１乃至図３Ｂを参照して、第１の実施形態に係る差圧センサについて説明する。図１は、第１の実施形態に係る差圧センサの断面構成を示す断面図、図２は、本実施形態の差圧センサを正面から見た外観構成を示す図である。図３Ａは、圧力測定時にカンチレバーが傾動した状態を示す断面図、図３Ｂは、圧力測定時にカンチレバーが傾動した状態を斜め上から見た概念的な状態を示す図である。尚、本実施形態の差圧センサは、測定対象を気体とした例について説明するが、液体においても測定可能であるため、以下の説明においては、流体と称して説明している。

差圧センサ１は、内外を連通する開口部２ｂが形成された気体室（空気室）２ａを有するセンサ筐体２と、その開口部２ｂを覆う同じ形状の４つのカンチレバー部（又は、カンチレバーチップ）６を備える。尚、本実施形態では、立方体形状の気体室２ａと、矩形形状の開口部２ｂを有するセンサ筐体２を例として説明するが、これらの形状は限定されるものではなく、開口部２ｂの中央を中心として、３つの以上のカンチレバー５ａが回転対称に配置可能であれば、気体室２ａは、水平断面が多角形の立体形状、円筒形状又は球体形状であってもよく、また、開口部２ｂにおいても、開口形状が円形や多角形であってもよい。さらに、カンチレバー５ａは、４つ以上の偶数であった場合には、点対称の配置としてもよい。これらのカンチレバー５ａは、それぞれの形状において、開口部の中央を中心として対称な形状（同じ形状）であり、又は、カンチレバー５ａは、全てが同一形状又は、対向するカンチレバー毎に同一形状である。

また、以下の説明において、３つ以上の複数のカンチレバー５ａをカンチレバー群と称する。さらに、これらのカンチレバー５ａは、必ずしも全てが同じ形状である必要は無い。例えば、形状には関わらず、気体室２ａにおける気体の流通、即ち、気体室２ａから気体の流出又は、気体室２ａへの気体の流入によるカンチレバー５ａの傾き加減となる傾動量を揃えれば、同じ形状で形成したカンチレバー５ａと同様な検出結果を得ることができる。カンチレバー５ａの形状が異なった構成においては、適切な材質や厚みを適宜、選択又は変えることによって、それぞれのカンチレバーの傾動量を揃えることができる。

以下の説明において、カンチレバー部６は、５角形所謂、ホームベース形状のカンチレバー層５の矩形部分に積層構造を形成する箇所をカンチレバー基部５ｂと称し、また、検知部となるピエゾ抵抗層（ピエゾ抵抗素子）７を形成したカンチレバー層５の三角形部分をカンチレバー５ａと称している。これらのカンチレバー５ａは、それぞれの尖端が開口部２ｂの中央Ｏを回転対称となるように配置されている。本実施形態では、開口中央Ｏを挟み対向するように２対のカンチレバー部６が配置された例を示している。また本実施形態おいては、カンチレバー５ａの形状おいても、開口中央Ｏを中心として対称な形状を一例としている。

また、三角形のカンチレバー５ａと、矩形形状のカンチレバー基部５ｂとの付け根部分は、後述する傾動の支持箇所ｎ１となる。さらに、カンチレバー部６は、差圧センサの構成部品として、カンチレバーチップ６と称してもよい。

カンチレバー基部５ｂには、支持層３及びＢＯＸ層（熱酸化膜）４が形成され、積層構造を成している。カンチレバー基部５ｂの積層構造により、カンチレバー５ａが補強され、さらに、支持層３がセンサ筐体２へ固定されて、カンチレバー５ａは、片持ち支持により傾動可能となる。尚、この様な積層構造において、支持層３はシリコンに限定されず、ＢＯＸ層４は、シリコン酸化膜以外の絶縁体による絶縁層を用いてもよい。

これら４つのカンチレバー５ａは、互いの２辺（外縁とする）との間に、上下を連通する貫通溝であるスリットＳをあけて開口中央Ｏを中心とする回転対称（点対称でもよい）に近接して配置されている。本実施形態において、片持ち支持されたカンチレバー５ａは、多角形であった場合、一辺が傾動の支持箇所ｎ１となり、残りの辺が外縁となる。例えば、３角形状であれば、一辺が傾動の支持箇所ｎ１又は接続箇所となり、残りの２辺が外縁となる。基本的に傾動が発生すると、接続箇所がある幅で変形して、外縁が傾動する。尚、傾動とは、通常状態（基準としている圧力状態又は０とする）から気体等の圧力変化により、傾き動くことを意味し、傾動量とは傾く度合い、即ち、カンチレバーの傾動に伴って、カンチレバー先端が通常状態の位置から変位する量とする。また、これらのカンチレバー５ａは、カンチレバー群として、圧力が掛かると全てのカンチレバー５ａが同時に同じ傾動量、即ち、一体的に傾動する。

また、前述したスリットＳの幅Ｓ１は、１μｍ以下になるように配置しており、これらのわずかな隙間以外、気体室２ａの開口部２ｂは、４つのカンチレバー部６で、ほぼすべて塞さがれている。図２に示すように、スリットＳで区切られたカンチレバー５ａの傾動の支持箇所ｎ１の開口部ｎは、気体室２ａの開口部２ｂよりも小さくなっている。尚、この隙間は、製造上の精度や周囲環境の温度変化に対応するものであり、熱膨張等による外縁の重なりを防止し、且つ、最小の幅であることが望ましい。

カンチレバー層５は、シリコン（Ｓｉ）材料で形成され、厚さは、０．１〜１μｍ程度の薄膜である。尚、この厚さは、カンチレバー５ａの剛性を決める要素となる。即ち、カンチレバー５ａは、厚さが薄い方が大きい傾動量となり、作用する圧力差（又は、差圧）によって、傾動する度合いが異なる。従って、カンチレバー５ａの厚さは、検知したい圧力の測定レンジによって、適宜設定される。但し、複数のカンチレバー５ａを用いて１つの差圧センサを構成する場合、すべてのカンチレバー５ａの厚さは同一であり、同じ特性となるように形成する必要がある。

また、図２に示すように、カンチレバー５ａ上面は平坦面であり、カンチレバー５ａの付け根部分となる傾動の支持箇所ｎ１から先端側に向かうように、キャップ（逆Ｕ字形）形状のピエゾ抵抗素子７が埋め込み形成され、そのＵ形状の両端は、それぞれ電極層８の一端が接続するように形成される。これらの電極層８は、カンチレバー基部５ｂ上に配線として形成される。カンチレバー５ａの傾動により、付け根部分が変形するので、ピエゾ抵抗素子７にひずみが生じ、ピエゾ抵抗値が変化する。

電極層８の他端は、カンチレバー基部５ｂ上でパッド部を形成し、このパッド部は、ワイヤボンディングによる接続方式で、図示しない信号処理部やピエゾ抵抗素子７に電流を供給する電源供給部が形成された基板へ接続されている。
この差圧センサ１の構成において、カンチレバー５ａは、気体室２ａの内外で生じた圧力差により上下に傾動する場合、正確に圧力を検出するためには、図３Ａ、図３Ｂに示すように、付け根の部分となる傾動の支持箇所ｎのみで変形することが好ましい。さらに、圧力差を無駄に損失しないように、カンチレバー５ａは、撓まずに直線性を維持する必要がある。そこで、後述する第２乃至第５の実施形態において、カンチレバー５ａの付け根の部分となる傾動の支持箇所ｎ１のみで変形しやすくなる構成例を示し説明する。

ここで、図４（ａ）乃至図４（ｊ）に示すプロセス工程図を参照して、差圧センサ１の製造プロセスについて、簡単に説明する。
本実施形態の差圧センサ１に用いているカンチレバー部６は、シリコン薄膜を活性層とするＳＯＩ基板に対して、ＭＥＭＳ加工技術及び半導体製造技術による微細加工を用いて作製する。例えば、厚さ１μｍのカンチレバー部６を形成する場合には、Ｓｉ活性層とＢＯＸ層とＳｉ基板層の積層構造のＳＯＩ基板を用いる。本実施形態に用いるＳＯＩ基板は、活性層Ｓｉの厚さ１μｍ、ＢＯＸ層の厚さ１μｍ、Ｓｉ基板層の厚さ３００μｍの仕様であり、市販されているため容易に入手することができる。

図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、ＳＯＩ基板２０の表面側のＳｉ活性層（カンチレバー層５）２１の表面上に、フォトレジストを塗布して露光し、ピエゾ抵抗素子７を形成する領域を抜いたレジストパターン２４:を作製する。ここでは、図２に示すように、上から見るとカンチレバー５ａの付け根部分となる傾動の支持箇所ｎから先端側に向かうキャップ形状（逆Ｕ形）の領域となる。このレジストパターン２４を形成した後、イオン注入法を用いて不純物をドーピングする。

図４（ｂ）に示すように、イオン注入後、レジストパターン２４を除去し、９００℃で熱処理を施し、ピエゾ抵抗素子７を形成する。不純物の種類は、ホウ素ＢやガリウムＧａやリンＰ又はヒ素Ａｓ等の中から選択可能である。カンチレバー５ａの傾動をピエゾ抵抗値の変化として検知するためには、ピエゾ抵抗素子７をカンチレバー層５の表面から埋め込む構造に形成することが望ましい。例えば、不純物に、ヒ素Ａｓを用いた場合には、深さ１５０ｎｍ程度のＮ型ピエゾ抵抗層が形成できる。

図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ活性層２１上に電極層８となるメタル層２５を蒸着法やスパッタリング法を用いて積層形成する。メタル材料としては、金ＡｕやアルミニウムＡｌを用いることができる。次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、メタル層２５上に、貫通溝であるスリットＳ及び、電極層（メタル配線及びパッド部）８を形成するためのレジストパターン２６を作製する。

図４（ｄ）に示すように、メタル層２５をドライエッチング等でエッチングして溝２７を形成し、配線及びパッド部を形成する。引き続き、Ｓｉ活性層２１をエッチングしてＢＯＸ層２２を露出させて、それぞれのカンチレバー層（カンチレバー５ａ及びカンチレバー基部５ｂ）５が分離状態となるように形成する。この時、溝２７によりスリットＳが形成されている。

図４（ｅ）電極層（メタル配線及びパッド部）８上にレジストパターン２８を作製し、カンチレバー５ａ及びピエゾ抵抗素子７が露出するように、メタル層２５をエッチングにより除去した後、図４（ｆ）に示すように、レジストパターン２８を除去する。

図４（ｇ）に示すように、ＳＯＩ基板２０の裏面側のＳｉ基板層２３に、支持層３を形成するためのレジストパターン２９を作製し、ドライエッチングを行い、図４（ｈ）に示すように、Ｓｉ基板層２３をエッチングを行い、開口部ｎ部分を除去して、支持層３を形成する。

続いて、図４（ｉ）に示すように、開口部ｎに露出しているＢＯＸ層２２をエッチングで除去して、Ｓｉ活性層２１の裏面側、即ち、カンチレバー５ａを露出させる。このようなプロセス工程により、図４（ｊ）に示すカンチレバーチップ６が形成される。

次に、センサ筐体２の形成について説明する。
センサ筐体２は、気体室２ａ内部の気体または液体を側壁及び底部から透過せず、また検知する圧力で形状が変形しない材料で形成されることが必要であり、例えば、金属材料、金属合金材料、セラミックス材料又は、硬質樹脂材料を用いることができる。カンチレバーチップ６と同様に、シリコン基板を微細加工して作製することも可能である。

例えば、厚さ５００μｍのシリコン基板に、気体室２ａの開口部２ｂの大きさの窓を設けたレジストパターンを作製し、ドライエッチングを用いて、深さ３００〜４００μｍの気体室を形成する。このシリコン基板をダイシングにより切り離し、気体室２ａが設けられたセンサ筐体２を作製できる。

カンチレバーチップ６をセンサ筐体２の気体室２ａの開口部２ｂを覆うように接着剤等を使用して固定し、差圧センサ１を形成することができる。この差圧センサ１は、配線基板上に実装する。カンチレバーチップ６のパッド部と配線基板はワイヤボンド等の配線方法で接続する。

図３Ａ、図３Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ及び図６を参照して、このように形成された差圧センサ１の動作及び効果について説明する。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、外部から差圧センサ１に圧力が加わった場合（気体室と外気との間で圧力差（差圧）が生じた場合、カンチレバー５ａが傾動されて、気体室２ａと外気との間で気体が隙間を通過する。カンチレバー５ａの傾動により、付け根部分に配置したピエゾ抵抗素子７の抵抗値が変化する。予め、圧力と抵抗値との関係を明らかにして検量線を作成しておけば、この抵抗値変化から圧力を算出することができる。前述したように、カンチレバー５ａの形状及び材質は、４つともすべて同一であり、開口部２ｂの中央Ｏで回転対称（又は、点対称）に配置されているため、圧力（圧力差）による傾動量は、４つのカンチレバー５ａとも同じである。図３Ａに示すように、カンチレバー５ａが気体室２ａの外側へ向かい傾動する、即ち、気体室２ａの外側の圧力が低下した場合、カンチレバー５ａは、気体室２ａから外側に向かって傾動する。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、差圧センサ１００が１つのカンチレバー１０１で構成されていた場合、圧力によりカンチレバー１０１が、外側に向かい傾動すると、レバー先端とセンサ筐体１０２の間の隙間ｔ１だけでなく、両側面においても外部と繋がる隙間ｔ２が増大する。これに比べて、本実施形態における４つのカンチレバー部６で構成される差圧センサ１の場合、図３Ｂに示すように、それぞれのカンチレバー５ａが同様に傾動するため、カンチレバー５ａ間の隙間Ｓの増大が抑制される。

即ち、１つのカンチレバー１０１で構成されていた差圧センサ１００における隙間は、固定されたセンサ筐体２の開口部と可動するカンチレバーとの隙間になる。これに対して、本実施形態の差圧センサ１においては、互いに同じ傾動を行う、カンチレバーの一辺と、隣接するカンチレバーの一辺との隙間Ｓとなる。

図６には、例えば、カンチレバーの長さが１００μｍ、それぞれの隙間Ｓの幅が１μｍ（可動前）である場合の傾動量と隙間の関係の計算結果を示す。
カンチレバーが圧力を受けて、カンチレバーの傾動量が５μｍ傾動した場合、図５Ａのように、傾動できるカンチレバー１０１が１つであれば、隙間ｔ１が５．１３μｍになり、傾動前の１μｍから５倍以上に大きく変化する。一方、本実施形態の４つのカンチレバー５ａが同様に傾動する場合は、隙間Ｓは１．２５μｍと計算できる。

本実施形態の構成では、カンチレバー５ａの傾動量が増大しても隙間の増大が抑制されていることが分かる。カンチレバー５ａの傾動により、付け根部分の隙間も増大するが、隙間の増大量は先端のそれよりは小さいので、影響は小さい。結果的には、気体室２ａから流出又は流入する流体の移動（もれ）を低減することができ、圧力差の変動を抑制することができる。これにより、従来の構成の差圧センサと比較して、より高圧力領域でも精度よく圧力差を測ることができる。

尚、この例では、４つのカンチレバー５ａで構成された差圧センサ１を例としたが、これらのカンチレバー５ａは、３つ以上であれば、同等の効果がある。これは、差圧センサにカンチレバー部６が配置される際に、開口部の中央Ｏに向かい、隣接するカンチレバーの辺どうしが隣接する配置であり、カンチレバーの可動する辺が固定されたセンサ筐体と隣接しない配置であればよい。

また、この例では、４つのカンチレバー５ａのそれぞれに検知部を設けた構成を示しているが、ピエゾ抵抗値の変化を検出するカンチレバーは少なくとも１つでよい。ひずみに対するピエゾ抵抗値の変化量は、シリコンＳｉの結晶方位によって異なる。

圧力により４つのカンチレバー５ａが傾動した場合、ひずみの量は同じであるが、ピエゾ抵抗値の変化量は、カンチレバー５ａ毎で異なる。これらの中で、より大きな変化量を示すカンチレバー５ａの検出結果を用いた方が精度よく圧力差を算出することができる。
また、差圧センサ１が、４つ以外の構成であっても、偶数個のカンチレバーを有する構成であれば、対向する位置の一対のカンチレバーは、形成されたピエゾ抵抗層におけるシリコン結晶方向が同一となる。つまり、対向配置された一対のカンチレバーにおいては、ピエゾ抵抗値の変化量も同じとなるため、２つの変化量の平均値を求めることができる。これにより、何れか１つの検出値を選択しなければならない奇数個のカンチレバーによるセンサ構成よりも、ショットノイズによる影響を低減し、精度よく圧力差を算出することができる。さらに、ひずみによる抵抗値の変化量の異なる隣のカンチレバーからの出力は、温度変化の補正等の信号補正に用いることもできる。

次に図７を参照して、第２の実施形態の差圧センサについて説明する。
図７は、第２の実施形態の差圧センサを正面から見た外観構成を示す図である。
本実施形態は、差圧センサ１のカンチレバー部６のカンチレバー５ａの付け根の部分となる傾動の支持箇所ｎ１のみが変形しやすくなる構成例である。

図７に示すように、カンチレバー５ａ内の両側に、支持箇所ｎ１と直交する方向で辺に繋がる２つの切り込み溝１１ａが形成される。また、カンチレバー５ａ内の中央には、支持箇所ｎ１から直交する方向でピエゾ抵抗素子まで延びる貫通穴１１ｂが形成される。

さらに、それぞれの切り込み溝１１ａと貫通穴１１ｂの間には、支持箇所ｎ１に向かう角括弧形状の２つの貫通穴１１ｃが形成される。これらの切り込み溝１１ａ及び貫通穴１１ｂ，１１ｃを形成することにより、カンチレバー５ａの付け根部分のカンチレバー基部５ｂとの繋がり幅ｐ（この例では、開口部ｎと同じ長さ）が、より狭くなる。

従って、これらの切り込み溝１１ａと貫通穴１１ｂ、１１ｃを設けることにより、カンチレバー５ａが傾動しやすくなり、カンチレバー５ａの面の直線性を保ちながら、付け根部分のみの曲がりで傾動させることができる。また、同じ圧力であっても、カンチレバー５ａが傾動しやすいため、傾動量を大きくすることができる。これらの切り込み溝１１ａ及び貫通穴１１ｂ，１１ｃを設けた場合でも、近接するカンチレバー５ａの辺どうしのスリットＳの関係は変わらないため、前述した第１の実施形態と同様に、傾動による隙間の増大は抑制される。

図８は、第２の実施形態のカンチレバー５ａの変形例を示す図である。
前述した図７に示した切り込み溝１１ａ及び貫通穴１１ｂ，１１ｃの幅や形状を変更することで、カンチレバー５ａの傾動しやすさを変更させることもできる。従って、カンチレバー５ａは、切り込み溝１１ａ及び貫通穴１１ｂ，１１ｃの幅を拡げることで、より低圧力領域の圧力差を検知することができる。反対に、切り込み溝１１ａ及び貫通穴１１ｂ，１１ｃの幅を狭くすることで、高圧力領域側を検知することができる。

次に、図９を参照して、第３の実施形態の差圧センサについて説明する。
図９は、第３の実施形態の差圧センサにおける１つのカンチレバーの構成例を示す図である。本実施形態は、差圧センサ１のカンチレバー５ａ自体の剛性を高めた構成例である。

図９に示すように、カンチレバー５ａの付け根部分の支持箇所ｎ１近傍を含む領域以外で、シリコン薄膜からなるカンチレバー５ａの表面上に、メタル又は樹脂等の薄膜からなる補強膜１２を成膜する。補強膜１２は、カンチレバー５ａの両面に形成してもよいし、いずれの片面に形成してもよい。また、膜厚は、補強膜１２上に均一な膜厚であってもよいし、先細りの先端側に向かう従い剛性が高くなるため、逆に膜厚先端側に向かうに従い徐々に薄くしていってもよい。また、メタルは蒸着法等により所望する膜厚に形成することができる。また、樹脂において、スプレー等による噴霧により所望する膜厚に形成することができる。

これらの補強膜１２は、カンチレバー５ａを形成する際に、Ｓｉ活性層２１を通常よりも薄くした後に、補強膜１２を形成することで、支持箇所ｎ１に傾動性を持たせながら、付け根部分以外の剛性を高めることができる。
本実施形態においては、カンチレバー５ａに貫通穴や切り込み等を形成していないため、圧力測定に寄与しない流体の漏れが少なくなり高圧力領域で精度よく圧力計測ができる。

次に、図１０Ａ，１０Ｂを参照して、第４の実施形態の差圧センサについて説明する。図１０Ａは、第４の実施形態の差圧センサにおける１つのカンチレバーの構成例を示す図、図１０Ｂは、図１０ＡのＢ−Ｂにおけるカンチレバーの断面構成を示す断面図である。
本実施形態は、前述した第２の実施形態における切り込み溝１１ａと貫通穴１１ｂ，１１ｃのうちの角括弧形状の２つの貫通穴１１ｃを、図１０Ｂに示すような測定する流体による圧力及び傾動による破れが生じない程度の膜厚の溝底を有する有底溝１３に変更した例である。

図１０に示すように、有底溝１３を付け根部分の支持箇所ｎ１と平行する方向に長く取ることで、支持箇所ｎ１のみが変形しやすくなる構成例である。本実施形態の差圧センサは、貫通していない有底溝１３を用いているため、流体の漏れはなく、正確な計測ができる。また、カンチレバー５ａの傾動に係る変化の度合いと強度についても、有底溝１３の底の厚みと幅を変えることで容易に調整することができる。

次に、図１１を参照して、第５の実施形態の差圧センサについて説明する。
図１１は、第５の実施形態の差圧センサにおける１つのカンチレバーの構成例を示す図である。
本実施形態は、差圧センサ１のカンチレバー部６のカンチレバー５ａの付け根の部分となる傾動の支持箇所ｎ１のみが変形しやすくなる構成例である。図１１に示すように、カンチレバー５ａ内で支持箇所ｎ１より先端側に、長丸（トラック形状）の貫通孔１４を支持箇所ｎ１の長手方向に沿って、２列で千鳥配置した例である。

本実施形態の千鳥配置の貫通孔１４は、前述した第２の実施形態の切り込み溝１１ａと貫通穴１１ｂ、１１ｃと同様に、カンチレバー５ａが傾動しやすくなり、カンチレバー５ａの面の直線性を保ちながら、付け根部分のみの曲がりで傾動させることができる。

さらに、貫通孔１４を千鳥配置しているため、支持箇所ｎ１に対して、平行な方向と直交方向において、均等に曲がるため、傾動するカンチレバー５ａに対して流体による圧力が均等に分散して、カンチレバー５ａにおける捻れが防止できる。カンチレバー５ａが傾動しやすいため、傾動量を大きくすることができる。

本実施形態では２列の千鳥配置された貫通孔１４を例としているが、２列に限定されるものではなく、１列又は３列以上であってもよい。但し、貫通孔１４の数や面積を大きくすると、カンチレバー５ａを抜ける流体の量が増加するため、測定対象や圧力差を考慮して、適宜設計することが好ましい。
この第５の実施形態の変形例として、貫通孔１４を有底溝に変更することにより流体の漏れを無くしてもよい。有底溝に変更することで、流体の漏れが無く正確な計測ができる。

また、カンチレバー５ａの傾動に係る変化の度合いと強度についても、有底溝の底の厚みと幅を変えることで容易に調整することができる。本変形例においては、カンチレバー５ａに貫通穴や切り込み等を形成していないため、圧力測定に寄与しない流体の漏れが少なくなり高圧力領域で精度よく圧力計測ができる。以上のことから、測定時のカンチレバーの変形時に、流体漏れが発生する隙間を小さくし、高精度で広い測定レンジで圧力を測定する差圧センサを提供することができる。

１…差圧センサ、２…センサ筐体、２ａ…気体室、２ｂ…開口部、３…支持層、４…ＢＯＸ層、５…カンチレバー層、５ａ…カンチレバー、５ｂ…カンチレバー基部、６…カンチレバー部（カンチレバーチップ）、７…ピエゾ抵抗素子（ピエゾ抵抗層）、８…電極層、１１ａ…切り込み溝、１１ａ，１１ｂ…貫通穴、１２…補強膜、１３…有底溝、１４…貫通孔、有底溝、２０…ＳＯＩ基板、２１…Ｓｉ活性層、２２…ＢＯＸ層、２３…Ｓｉ基板層、２４…レジストパターン、２５…メタル層、２６…レジストパターン、２７…溝、２８，２９…レジストパターン、１００…差圧センサ、１０１…カンチレバー、１０２…センサ筐体。

Claims (8)

1. 内部に気体を含む気体室及び、当該気体室の内外を連通する開口を形成する開口部が設けられるセンサ筐体と、
   前記センサ筐体の前記開口部に片持ち支持され、前記開口部を通過する前記気体の移動に従い傾動する、３つ以上となる複数のカンチレバーを有するカンチレバー群と、
   前記開口部から、前記複数のカンチレバーの各々の接続箇所に掛かるように形成された検知部と、
   を有し、
   前記カンチレバー群は、それぞれの前記カンチレバーを外縁同士が近接して前記開口を塞ぐように、前記開口の周囲に配置され、
   前記カンチレバーの一体的な傾動に伴って、前記外縁の間を含む隙間から前記気体が前記気体室の内外へ流通され、
   前記検知部は、前記気体室の内側又は外側へ傾動する前記カンチレバーの傾動量を検出し、検出した傾動量に基づいて前記気体室の内外の差圧を検出する差圧センサ。
2. 前記複数のカンチレバーは、前記センサ筐体の前記開口の中央を中心として回転対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載の差圧センサ。
3. 前記複数のカンチレバーは、それぞれの前記傾動により、前記カンチレバーの接続箇所が変形し、先端側は直線性が維持されることを特徴とする請求項１に記載の差圧センサ。
4. 前記複数のカンチレバーは、気体又は液体の流通による傾動量による位置の変動がすべて同じであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の差圧センサ。
5. 前記検知部は前記複数のカンチレバーのそれぞれの表面に形成されたピエゾ抵抗層からなることを特徴とする請求項１に記載の差圧センサ。
6. 前記複数のカンチレバーの材質及び剛性は、互いにほぼ同じであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れか１つに記載の差圧センサ。
7. 前記カンチレバー群は、前記開口の中央を中心として対称な形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れか１つに記載の差圧センサ。
8. 前記複数のカンチレバーは、全てが同一形状又は、対向するカンチレバー毎に同一形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちの何れか１つに記載の差圧センサ。