JP2023156122A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度な圧力測定が可能であり、かつ小型化が可能な圧力センサを提供する。【解決手段】基板と、基板に設けられたキャビティと、基板の上に設けられてキャビティを封止するキャップと、基板を通り、キャビティの内部で中空に保持された圧力導管と、を含む圧力センサであって、圧力導管は、管状の絶縁層と、絶縁層の内面に設けられ、内部に空洞部を有する圧電材料層とを含み、キャビティの内部で端部は閉じられ、基板の外部に他端は開放され、基板の外部とキャビティの内部との圧力差による圧力導管の変形を、圧電材料層の電圧変化として検出する。【選択図】図１
Description
本発明はＭＥＭＳ構造の圧力センサに関し、特に圧電材料を圧力導管に使用した圧力センサに関する。
ＭＥＭＳ構造を用いた圧力センサでは、シリコン基板上に形成されて内部が封止されたキャビティ内に、管状の圧力導管が配置されている。圧力導管は、キャビティ内の中空に保持され、圧力導管の内部は圧力センサの外部と連通している。そしてキャビティ内の圧力と外部の圧力との圧力差によって生じる圧力導管の変形を、圧力導管に接続されたトランスデューサで検出することにより、周囲の圧力変化を検出する（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、トランスヂューサは、対向配置された電極からなるコンデンサ構造を備え、電極の間隔の変化をコンデンサの容量変化として検出するものであり、一般には複数の電極対を含む。このため圧力センサの専有面積が大きくなるという問題があった。また、トランスヂューサは加速度が働いた場合にも電極の間隔が変化するため、加速度が働くような環境下では正確な圧力変化を検出できないという問題もあった。
そこで、本発明は、高精度な圧力測定が可能であり、かつ小型化が可能な圧力センサの提供を目的とする。
即ち、本発明の第１の態様は、
基板と、基板に設けられたキャビティと、基板の上に設けられてキャビティを封止するキャップと、基板を通り、キャビティの内部で中空に保持された圧力導管と、を含む圧力センサであって、
圧力導管は、管状の絶縁層と、絶縁層の内面に設けられ、内部に空洞部を有する圧電材料層とを含み、
キャビティの内部で端部は閉じられ、基板の外部に他端は開放され、
基板の外部とキャビティの内部との圧力差による圧力導管の変形を、圧電材料層の電圧変化として検出する圧力センサに関する。
基板と、基板に設けられたキャビティと、基板の上に設けられてキャビティを封止するキャップと、基板を通り、キャビティの内部で中空に保持された圧力導管と、を含む圧力センサであって、
圧力導管は、管状の絶縁層と、絶縁層の内面に設けられ、内部に空洞部を有する圧電材料層とを含み、
キャビティの内部で端部は閉じられ、基板の外部に他端は開放され、
基板の外部とキャビティの内部との圧力差による圧力導管の変形を、圧電材料層の電圧変化として検出する圧力センサに関する。
以上のように、本発明では、小型で高精度の圧力測定が可能な圧力センサの提供が可能となる。
＜実施の形態１＞
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの概略を示す平面図である。圧力センサ１００は、例えばシリコンからなる基板１を含む。基板１には、凹部形状のキャビティ２０が設けられている。
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの概略を示す平面図である。圧力センサ１００は、例えばシリコンからなる基板１を含む。基板１には、凹部形状のキャビティ２０が設けられている。
圧力センサ１００は、固定部分１０ａと可動部分１０ｂとを備えた圧力導管（ブルドン管）１０を有する。固定部分１０ａはキャビティ２０の周囲の基板１中に設けられ、可動部分１０ｂはキャビティ２０内で中空に浮いた状態で保持される。図１では、可動部分１０ｂを略円形としたが、後述するように圧力差により可動部分１０ｂが変形する構造であれば、半円形状等、他の湾曲形状でも良い。固定部分１０ａは、抵抗の少ない直線が好ましいが、湾曲していても構わない。
図２Ａ、図２Ｂは、圧力導管１０の可動部分１０ｂをＡ－Ａ方向、およびＢ－Ｂ方向に見た場合の断面図を示す。図２Ａ、２Ｂに示すように、圧力導管１０は、内部が空洞部６の管からなる。具体的には、圧力導管１０は、環状の絶縁層４と、その内壁を覆う圧電材料層５を含む。圧電材料層５の内部は空洞部６となっている。絶縁層４は、例えばシリコン酸化物やシリコン窒化物からなる。また、圧電材料層５は、例えばホウ素やアルミニウムをドープした多結晶シリコンからなるが、他の半導体材料を用いても良いし、酸化亜鉛、チタン酸バリウム鉛等の圧電材料を用いても良い。
圧力導管１０の固定部分１０ａの端部は基板１の側面まで延びて、空洞部６は外部雰囲気と連通している。一方、圧力導管１０の可動部分１０ｂの端部は閉じており、キャビティ２０の内部とは連通していない。また、図２Ｂに示すように、可動部分１０ｂの端部近傍では、絶縁層４の上部が開口され、開口内にコンタクト７が設けられている。コンタクト７は、例えば金やアルミニウムからなり、圧電材料層５と電気的に接続される。同様に、圧力導管１０の固定部分１０ａの端部近傍にも、圧電材料層５と電気的に接続するコンタクト１７が設けられている。
キャビティ２０の外側の基板１の上には、２つの引出配線１５、１６が設けられている。引出配線１５、１６は、例えば金やアルミニウムからなり、引出配線１５は、圧力導管１０の固定部分１０ａのコンタクト１７に接続されている。一方、引出配線１６はインシュレーションジョイント（ＩＪ）２１の上を通り、フレックスリード１１に接続されている。フレックスリード１１は、圧力導管１０の変形に伴って、自身も変形する。フレックスリード１１は、例えば金やアルミニウムからなり、キャビティ２０内で中空に保持される。
基板１の上には、例えばシリコン基板からなるキャップ（図示せず）が被せられ、キャップと基板１とでキャビティ２０の内部が密封される。キャビティ２０の内部は真空状態が好ましい。このように、圧力導管１０の可動部分１０ｂおよびフレックスリード１１は、密封されたキャビティ２０内で中空に保持される。
次に、圧力センサ１００の動作原理について説明する。上述のように、ＭＥＭＳ構造の圧力導管１０は、固定部分１０ａの端部が開口し、可動部分１０ｂの端部が封止された管状構造を有する。このため、圧力導管１０の内部は圧力センサ１００の周囲の圧力と等しくなり、真空状態に封止されたキャビティ２０内の圧力との間で圧力差が生じる。この圧力差が大きいほど、即ち、外部の圧力がキャビティ２０内の圧力（真空）より高くなるほど、湾曲した圧力導管１０の可動部分１０ｂが延びるように変形する。
ここで、圧力導管１０の内側に設けられた、圧電材料層５は、歪に応じて電圧が発生する圧電効果を有するため、圧力導管１０の可動部分１０ｂが延びるように変形した場合、圧力導管１０に設けられた２つのコンタクト７、１７の間の電圧が変化する。このため、例えば引出配線１５、１６の間の電圧を検出することにより、圧力センサ１００の周囲の圧力変化を検出することが可能となる。
このように、本発明の実施の形態にかかる圧力センサ１００では、圧力導管１０の中に設けた圧電材料層５を用いて圧力導管１０の変形を検出できるため、圧力導管の外部に設けたトランスデューサで圧力導管の変形を検出していた従来構造に比較して構造が簡単になる。また、トランスデューサが不要なため、小型化も可能となる。
さらに、トランスデューサのような加速度変化の影響を受ける構成を有さないため、高精度の圧力検出が可能となる。このことは、加速度センサ（慣性センサ）との集積化を可能とする。
続いて、圧力センサ１００の製造方法を簡単に説明する。図３Ａ～３Ｆは、実施の形態１にかかる圧力センサ１００の製造方法を示し、図３Ａ～３Ｆ中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。製造方法は以下の工程１～７を含む。
工程１：図３Ａに示すように、例えばシリコンからなる基板１を準備し、フォトリソグラフィ技術を用いて基板１の表面にフォトレジストマスク２を形成する。続いて、フォトレジストマスク２をエッチングマスクに用いて、基板１をエッチングして溝部３を設ける。溝部３は、図１に示す圧力導管１０の位置に形成する。基板１のエッチングは、例えばＳＦ６ガスを用いたプラズマエッチングで行う。溝部３は、表面から深さ方向に向かって開口幅が広くなるようにエッチングする。
工程２：図３Ｂに示すように、有機溶剤等を用いてフォトレジストマスク２を除去した後、基板１の熱酸化を行う。この結果、基板１の表面および溝部３の壁面を覆うように、例えば二酸化シリコンからなる絶縁層４が連続して形成される。
工程３：図３Ｃに示すように、例えばホウ素がドープされた多結晶シリコンからなる圧電材料層５を等方向に形成する。圧電材料層５は、例えばＳｉＨ４ガスを用いた熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法で作製する。ホウ素のドーピングには、例えばＢ２Ｈ６ガスを用いる。溝部３は表面から深さ方向に向かって開口幅が広くなっているため、圧電材料層５は、内部に空洞部６を残した状態で、溝部３の開口部を閉じるように形成される。
工程４：図３Ｄに示すように、絶縁層４をストッパに用いた選択エッチングにより、絶縁層４の上の圧電材料層５を除去する。続いて、溝部３の上部の開口部の圧電材料層５を、例えば熱酸化により酸化する。この結果、溝部３の中では、空洞部６を囲むように圧電材料層５が形成され、更に圧電材料層５を囲むように絶縁層４が形成される。
工程５：図３Ｅに示すように、所定の位置で、圧電材料層５の上の絶縁層４を除去し、コンタクト７を形成する。続いて、蒸着法を用いて、フレックスリード１１を形成する。更に、コンタクト１７に接続された引出配線１５、およびフレックスリード１１と接続された引出配線１６を、例えば蒸着法により形成する。コンタクト７、１７、フレックスリード１１、引出配線１５、１６は、例えば金やアルミニウムからなる
工程６：図３Ｆに示すように、キャビティ形成領域において、溝部３の上を除いて表面の絶縁層４を除去する。続いて、残った絶縁層４をエッチングマスクに用いて基板１を選択的にエッチングしてキャビティ２０を形成する。基板１の選択エッチング工程において、周囲が絶縁層４で囲まれた圧力導管１０はエッチングされず、キャビティ２０の内部に、圧力導管１０とフレックスリード１１が中空に浮いた状態で保持される。
工程７：最後に図示しないキャップを基板１の上に接合して、キャビティ２０の内部を封止する。キャップの接合工程を真空中で行うことで、キャビティ２０の内部は真空状態になる。
以上の工程で、基板１に埋め込まれた固定部分１０ａと、キャビティ２０内で中空に保持された可動部分１０ｂとを有する圧力導管１０を備えた圧力センサ１００が完成する。
＜実施の形態２＞
図４は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの概略を示す平面図である。また、図５Ａ、５Ｂは、図４の圧力導管１０をＣ－Ｃ方向およびＤ－Ｄ方向に見た場合の断面図である。図４～５Ｂ中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
図４は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの概略を示す平面図である。また、図５Ａ、５Ｂは、図４の圧力導管１０をＣ－Ｃ方向およびＤ－Ｄ方向に見た場合の断面図である。図４～５Ｂ中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
圧力導管１０の可動部分１０ｂの端部のコンタクト７と引出配線１６との間を、上述の圧力センサ１００ではフレックスリード１１を用いて接続したが、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサ２００では、圧力導管１０の上に設けられた配線層２７で接続する。他の構造は圧力センサ１００と同じである。
図５Ａに示すように、配線層２７は、圧力導管１０の上部の絶縁層４の上に、圧力導管１０に沿って設けられる。配線層２７は、例えば金やアルミニウムからなり、蒸着法等で形成される。また、図５Ｂに示すように、圧力導管１０の可動部分１０ｂの端部において、配線層２７は、コンタクト７を介して圧電材料層５に接続されている。
圧力センサ２００では、例えば引出配線１５、１６の間の電圧を検出することにより、圧力センサ２００の周囲の圧力変化を検出することが可能となる。
特に、フレックスリード１１に代えて圧力導管１０の上に設けた配線層２７を用いるため、圧力センサ２００をより小型化が可能となり、また構造を簡略化できる。
＜付記＞
本開示は、
基板と、基板に設けられたキャビティと、基板の上に設けられてキャビティを封止するキャップと、基板を通り、キャビティの内部で中空に保持された圧力導管と、を含む圧力センサであって、
圧力導管は、管状の絶縁層と、絶縁層の内面に設けられ、内部に空洞部を有する圧電材料層とを含み、
キャビティの内部で端部は閉じられ、基板の外部に他端は開放され、
基板の外部とキャビティの内部との圧力差による圧力導管の変形を、圧電材料層の電圧変化として検出する圧力センサである。かかる構成により、小型で高精度の圧力測定が可能な圧力センサの提供が可能となる。
本開示は、
基板と、基板に設けられたキャビティと、基板の上に設けられてキャビティを封止するキャップと、基板を通り、キャビティの内部で中空に保持された圧力導管と、を含む圧力センサであって、
圧力導管は、管状の絶縁層と、絶縁層の内面に設けられ、内部に空洞部を有する圧電材料層とを含み、
キャビティの内部で端部は閉じられ、基板の外部に他端は開放され、
基板の外部とキャビティの内部との圧力差による圧力導管の変形を、圧電材料層の電圧変化として検出する圧力センサである。かかる構成により、小型で高精度の圧力測定が可能な圧力センサの提供が可能となる。
本開示では、圧電材料層は、一端が第１の引出配線に接続され、他端がキャビティの内部で中空に保持されたフレックスリードを介して第２の引出配線に接続され、第１の引出配線と第２の引出配線との間の電圧変化が検出される圧力センサでも良い。かかる構成により、小型で高精度の圧力測定が可能な圧力センサを提供できる。
本開示では、圧電材料層は、一端が第１の引出配線に接続され、他端が圧力導管の上に設けられた配線層を介して第２の引出配線に接続され、第１の引出配線と第２の引出配線との間の電圧変化が検出される圧力センサでも良い。かかる構成により、より小型で高精度の圧力測定が可能な圧力センサを提供できる。
本開示では、圧力導管は、キャビティの内部で、中空に保持された湾曲部分を有する圧力センサでも良い。かかる構成により、高精度の圧力測定が可能となる。
本開示では、絶縁層は、シリコン酸化物からなり、圧電材料層は、多結晶シリコンからなる圧力センサでも良い。かかる構成により、製造工程が容易になる。
本発明にかかる圧力導管を備えたＭＥＭＳ構造の圧力センサは、周辺の気圧を測定する圧力センサ、加速度センサと集積化した圧力センサ等に適用できる。
１ 基板
２ フォトレジストマスク
３ 溝部
４ 絶縁層
５ 圧電材料層
６ 空洞部
７、１７ コンタクト
１０ 圧力導管
１０ａ 固定部分
１０ｂ 可動部分
１１ フレックスリード
１５、１６ 引出配線
２０ キャビティ
２７ 配線層
２１ インシュレーションジョイント
１００、２００ 圧力センサ
２ フォトレジストマスク
３ 溝部
４ 絶縁層
５ 圧電材料層
６ 空洞部
７、１７ コンタクト
１０ 圧力導管
１０ａ 固定部分
１０ｂ 可動部分
１１ フレックスリード
１５、１６ 引出配線
２０ キャビティ
２７ 配線層
２１ インシュレーションジョイント
１００、２００ 圧力センサ
Claims (5)
- 基板と、前記基板に設けられたキャビティと、前記基板の上に設けられて前記キャビティを封止するキャップと、前記基板を通り、前記キャビティの内部で中空に保持された圧力導管と、を含む圧力センサであって、
前記圧力導管は、管状の絶縁層と、前記絶縁層の内面に設けられ、内部に空洞部を有する圧電材料層とを含み、
前記キャビティの内部で端部は閉じられ、前記基板の外部に他端は開放され、
前記基板の外部と前記キャビティの内部との圧力差による前記圧力導管の変形を、前記圧電材料層の電圧変化として検出する圧力センサ。 - 前記圧電材料層は、一端が第１の引出配線に接続され、他端がキャビティの内部で中空に保持されたフレックスリードを介して第２の引出配線に接続され、前記第１の引出配線と前記第２の引出配線との間の電圧変化が検出される請求項１に記載の圧力センサ。
- 前記圧電材料層は、一端が第１の引出配線に接続され、他端が前記圧力導管の上に設けられた配線層を介して第２の引出配線に接続され、前記第１の引出配線と前記第２の引出配線との間の電圧変化が検出される請求項１に記載の圧力センサ。
- 前記圧力導管は、前記キャビティの内部で、中空に保持された湾曲部分を有する請求項１～３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
- 前記絶縁層は、シリコン酸化物からなり、前記圧電材料層は、多結晶シリコンからなる請求項１～４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
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| US20230324243A1 (en) | 2023-10-12 |
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