JP2767057B2 - 圧力センサー - Google Patents
圧力センサーInfo
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- JP2767057B2 JP2767057B2 JP1075566A JP7556689A JP2767057B2 JP 2767057 B2 JP2767057 B2 JP 2767057B2 JP 1075566 A JP1075566 A JP 1075566A JP 7556689 A JP7556689 A JP 7556689A JP 2767057 B2 JP2767057 B2 JP 2767057B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体分野などの微小なガスの制御流量・
ガス圧・真空圧等の圧力を測定する圧力センサー及び加
速度センサー、変位センサーに用いられる。
ガス圧・真空圧等の圧力を測定する圧力センサー及び加
速度センサー、変位センサーに用いられる。
本発明は、探針表面に形成された第１の電極と該第１
の電極に相対向して設けられた第２の電極との間隙を1n
m程度とすることによりトンネル電流が流れ、かつ、該
間隙の変化に対しトンネル電流値が指数関数的に変化す
ることを利用するものであり、流体の圧力変位を、第１
及び第２の電極間の間隙に連動せしめ、トンネル電流の
変化として流体の圧力変化を検出するものである。
の電極に相対向して設けられた第２の電極との間隙を1n
m程度とすることによりトンネル電流が流れ、かつ、該
間隙の変化に対しトンネル電流値が指数関数的に変化す
ることを利用するものであり、流体の圧力変位を、第１
及び第２の電極間の間隙に連動せしめ、トンネル電流の
変化として流体の圧力変化を検出するものである。
従来、変位を検出する場合、電気抵抗がひずみによっ
て顕著に変化する金属材料を使用し、圧力の検知を行う
方法、もしくは半導体に加えられる力によって変化する
現象を利用する方法、可動部の動きを電気信号に変換し
て力学量を検出する方法等がある。しかし、より微小な
変位量の検出力の向上が望まれる。従来のセンサーは、
第４図に示されるように、固定台７上にダイヤフラム５
が搭載され、ダイヤフラム５に歪ゲージが設けられてい
る。ここで圧力が印加すると、ダイヤフラム５が変形
し、歪ゲージ６に歪が発生する。このため、歪ゲージ６
には圧電体抵抗効果により大きな変化が起こり、圧力に
比例したブリッジ出力が得られる方法がとられていた。
て顕著に変化する金属材料を使用し、圧力の検知を行う
方法、もしくは半導体に加えられる力によって変化する
現象を利用する方法、可動部の動きを電気信号に変換し
て力学量を検出する方法等がある。しかし、より微小な
変位量の検出力の向上が望まれる。従来のセンサーは、
第４図に示されるように、固定台７上にダイヤフラム５
が搭載され、ダイヤフラム５に歪ゲージが設けられてい
る。ここで圧力が印加すると、ダイヤフラム５が変形
し、歪ゲージ６に歪が発生する。このため、歪ゲージ６
には圧電体抵抗効果により大きな変化が起こり、圧力に
比例したブリッジ出力が得られる方法がとられていた。
また、トンネル効果を利用したセンサーとしては還元
性ガスセンサーとして特開昭59−131152号公報にセンサ
ーの構造が開示されているが、ガスの吸脱着による仕事
関数の変化により検出するもので、圧力・変位・加速度
の検出は不向きである。
性ガスセンサーとして特開昭59−131152号公報にセンサ
ーの構造が開示されているが、ガスの吸脱着による仕事
関数の変化により検出するもので、圧力・変位・加速度
の検出は不向きである。
しかし、従来のセンサーでは半導体センサーでも自動
車・飛行機等の加速度を検出する等の用途が多かったが
近年、半導体の分野ではたとえばCVDによる膜付けには
微量のガス流量の制御を高精度に行う必要が生じてお
り、微小な圧力・変位を高精度に検出する方法が望まれ
ていた。
車・飛行機等の加速度を検出する等の用途が多かったが
近年、半導体の分野ではたとえばCVDによる膜付けには
微量のガス流量の制御を高精度に行う必要が生じてお
り、微小な圧力・変位を高精度に検出する方法が望まれ
ていた。
そこで、微小な圧力・変位を高精度に検出することの
可能なセンサーを目的としている。
可能なセンサーを目的としている。
本発明は、上記問題点を解決するために、圧力微小変
位検出方法を、探針表面に形成された第１の電極と、該
第１の電極と相対向して設けられた第２の電極との間隙
を、予めトンネル電流の流れる領域に保持し、流体の圧
力の変化を、該電極間の間隙の変化に連動せしめ、トン
ネル電流の変化として流体の圧力微小変位を検出するも
のとし、センサーを鋭利な先端形状を有する探針と、該
探針表面に形成された第１の電極と、第１の電極と相対
向して設けられた第２の電極と、流体の圧力の微小変位
を第１の電極と第２の電極との間隔の変位に連動する圧
力感応部と、第１の電極と第２の電極との間隔を制御す
る間隙制御機構とからなる圧力微小変位検出機構を具備
する構成とした。
位検出方法を、探針表面に形成された第１の電極と、該
第１の電極と相対向して設けられた第２の電極との間隙
を、予めトンネル電流の流れる領域に保持し、流体の圧
力の変化を、該電極間の間隙の変化に連動せしめ、トン
ネル電流の変化として流体の圧力微小変位を検出するも
のとし、センサーを鋭利な先端形状を有する探針と、該
探針表面に形成された第１の電極と、第１の電極と相対
向して設けられた第２の電極と、流体の圧力の微小変位
を第１の電極と第２の電極との間隔の変位に連動する圧
力感応部と、第１の電極と第２の電極との間隔を制御す
る間隙制御機構とからなる圧力微小変位検出機構を具備
する構成とした。
本発明によれば、間隙制御機構により、探針もしくは
第２の電極を移動せしめ、第１の電極と第２の電極との
間に微小電圧を印加してトンネル電流の流れる電極間間
隙に維持し、圧力感応部により、流体の圧力変化を、第
２の電極もしくは探針に連動させ、電極間間隙を変化さ
せ、トンネル電流を変化させるものである。
第２の電極を移動せしめ、第１の電極と第２の電極との
間に微小電圧を印加してトンネル電流の流れる電極間間
隙に維持し、圧力感応部により、流体の圧力変化を、第
２の電極もしくは探針に連動させ、電極間間隙を変化さ
せ、トンネル電流を変化させるものである。
間隙制御機構は、電極間間隙を微調整するものであ
り、特に、PZT,BaTiO3,LiNbO3等の圧電体が適当であ
る。
り、特に、PZT,BaTiO3,LiNbO3等の圧電体が適当であ
る。
この圧電体は、電圧の印加方向に対し、垂直、水平、
又は斜め方向に伸縮する特性があり、かつ印加電圧値と
伸縮量との相関があり、探針もしくは第２の電極を移動
量を制御でき、電極間間隙の微調整が達成される。
又は斜め方向に伸縮する特性があり、かつ印加電圧値と
伸縮量との相関があり、探針もしくは第２の電極を移動
量を制御でき、電極間間隙の微調整が達成される。
圧力感応部は、表裏の圧力差により形状が変形するも
のであり、流体の圧力変化に伴い圧力感応部の裏面に形
成された探針もしくは第２の電極を移動するものであ
る。
のであり、流体の圧力変化に伴い圧力感応部の裏面に形
成された探針もしくは第２の電極を移動するものであ
る。
この圧力感応部は薄い金属板、薄いシリコン板等のダ
イヤフラムが用いられる。更に、探針と第２の電極は相
対向して配置され、圧力感応部の裏面に一方が配置され
るものであり、又探針が金属材料で構成される場合に
は、探針よりトンネル電流を検出する電極を設けること
により、特に第１の電極を形成する必要はない。
イヤフラムが用いられる。更に、探針と第２の電極は相
対向して配置され、圧力感応部の裏面に一方が配置され
るものであり、又探針が金属材料で構成される場合に
は、探針よりトンネル電流を検出する電極を設けること
により、特に第１の電極を形成する必要はない。
このように、本発明によればトンネル電流は鋭利な先
端形状を有する探針表面に形成された第１の電極と第２
の電極との間隙を1nm程度にすることにより流れ、かつ
電極間間隙の変化に対して指数関数的に変化することか
ら、流体の圧力変位を電極間間隙の変化に連動すること
により、流体の微小圧力変位をトンネル電流変化として
とらえ、高精度に検出することができる。
端形状を有する探針表面に形成された第１の電極と第２
の電極との間隙を1nm程度にすることにより流れ、かつ
電極間間隙の変化に対して指数関数的に変化することか
ら、流体の圧力変位を電極間間隙の変化に連動すること
により、流体の微小圧力変位をトンネル電流変化として
とらえ、高精度に検出することができる。
以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例） 第１図、第２図、第３図において、本発明のセンサー
の製造方法を説明する。探針１の製作は、シリコン基板
4a上にピラミッド構造の探針１を作る。探針１の製造方
法は酸化シリコン（SiO2）をマスクとして、異方性エッ
チングで形成する。エッチング液としては、水酸化カリ
ウム（KOH）を用い酸化シリコン（SiO2）を取り除きピ
ラミッド構造ができる。ピラミッド構造に導通を持たせ
るため第１の電極としての電極3cを被覆する。製造方法
としてはCVD等の膜付け装置で金・白金等をシリコン基
板4aの表面に付ける。
の製造方法を説明する。探針１の製作は、シリコン基板
4a上にピラミッド構造の探針１を作る。探針１の製造方
法は酸化シリコン（SiO2）をマスクとして、異方性エッ
チングで形成する。エッチング液としては、水酸化カリ
ウム（KOH）を用い酸化シリコン（SiO2）を取り除きピ
ラミッド構造ができる。ピラミッド構造に導通を持たせ
るため第１の電極としての電極3cを被覆する。製造方法
としてはCVD等の膜付け装置で金・白金等をシリコン基
板4aの表面に付ける。
また、第２図に示すように圧力を受ける部分の応答性
を良好にするため円形上にエッチングで抜き４箇所ブリ
ッジを付けた圧力感応部としてのダイヤフラム５を作製
する。さらに応答性をよくするためダイヤフラム５をエ
ッチングし薄くする。
を良好にするため円形上にエッチングで抜き４箇所ブリ
ッジを付けた圧力感応部としてのダイヤフラム５を作製
する。さらに応答性をよくするためダイヤフラム５をエ
ッチングし薄くする。
次に、シリコン基板4b上に圧電体の製作方法について
説明する。シリコン基板4bを、溝加工を行う。その溝部
分に、金・白金等の金属薄膜をスパッタ等により膜付け
を行い圧電体２の電極3bとする。電極は外部電源より電
圧をかけられるようにする。さらに圧電材料（PZT）を
膜付けし圧電体２を作製する。圧電体２上に金・白金等
の金属薄膜を膜付けし圧電体２の電極3aとし間隙制御機
構を作製する。厚みについては、探針と溝の深さをモニ
タリングしながら、圧電体の動作によりトンネル領域に
入るようにする。ここで、電極3aは、トンネル電流を検
出する一方の電極である第２の電極として使用される。
シリコン基板4a,4bを探針１と圧電体２が向き合うよう
にマイクロ接合しセンサーを作製する。
説明する。シリコン基板4bを、溝加工を行う。その溝部
分に、金・白金等の金属薄膜をスパッタ等により膜付け
を行い圧電体２の電極3bとする。電極は外部電源より電
圧をかけられるようにする。さらに圧電材料（PZT）を
膜付けし圧電体２を作製する。圧電体２上に金・白金等
の金属薄膜を膜付けし圧電体２の電極3aとし間隙制御機
構を作製する。厚みについては、探針と溝の深さをモニ
タリングしながら、圧電体の動作によりトンネル領域に
入るようにする。ここで、電極3aは、トンネル電流を検
出する一方の電極である第２の電極として使用される。
シリコン基板4a,4bを探針１と圧電体２が向き合うよう
にマイクロ接合しセンサーを作製する。
センシング動作について第３図により説明する。電極
3a,3bに電圧をかけると圧電効果により歪が生じ、電極
−圧電体２−電極が伸縮することにより、探針との間を
トンネル領域にする。図の上部より圧力が加わると電極
3a−圧電体２−電極3bと探針１の距離が変化し電流値に
変化を生じる。
3a,3bに電圧をかけると圧電効果により歪が生じ、電極
−圧電体２−電極が伸縮することにより、探針との間を
トンネル領域にする。図の上部より圧力が加わると電極
3a−圧電体２−電極3bと探針１の距離が変化し電流値に
変化を生じる。
探針１と圧電体２の指数関数的なトンネル電流値の変
化により、微小な変位を検出できるセンサーが可能とな
る。
化により、微小な変位を検出できるセンサーが可能とな
る。
（第２実施例） 第５図は本発明のセンサーの他の実施例を示す断面図
である。
である。
探針１は、白金線を機械研磨した後、硫酸、硝酸、リ
ン酸の混合液にて電解研磨し、鋭利な先端形状を形成
し、金属板からなる支持板９上に接合される。
ン酸の混合液にて電解研磨し、鋭利な先端形状を形成
し、金属板からなる支持板９上に接合される。
シリコン基板4bは、溝加工により凹部を形成され、凹
部底面に金・白金等をスパッタにより被覆して圧電体の
電極3bとし、さらに圧電材料（BaTiO3）を膜付けし圧電
体２をし形成し、圧電体２上に金・白金等をスパッタに
より被覆して電極3aを形成し、間隙制御機構とした。
部底面に金・白金等をスパッタにより被覆して圧電体の
電極3bとし、さらに圧電材料（BaTiO3）を膜付けし圧電
体２をし形成し、圧電体２上に金・白金等をスパッタに
より被覆して電極3aを形成し、間隙制御機構とした。
次に、探針１を配した支持板９を、圧電体２上の電極
3aに接着した。ここでは、トンネル電流の検出するため
の一方の電極である第１の電極は、探針１及び支持体９
が導体で形成されていることから形成しなかった。
3aに接着した。ここでは、トンネル電流の検出するため
の一方の電極である第１の電極は、探針１及び支持体９
が導体で形成されていることから形成しなかった。
シリコン基板4aは、中央部をエッチングにより薄板化
し、圧力感応部としてのダイヤフラム５を形成し、ダイ
ヤフラム５の裏面に金・白金等をスパッタにより被覆
し、第２の電極としての電極８を形成した。これらのシ
リコン基板4a,4bをマイクロ接合してセンサーを作製し
た。
し、圧力感応部としてのダイヤフラム５を形成し、ダイ
ヤフラム５の裏面に金・白金等をスパッタにより被覆
し、第２の電極としての電極８を形成した。これらのシ
リコン基板4a,4bをマイクロ接合してセンサーを作製し
た。
ここで、センシング動作について説明する。まず、圧
電体２に対して電極3a,3b間に電圧を印加し、探針１を
移動させることにより、探針１と電極８との間隙をトン
ネル電流の流れる領域に保持する。この時、電極８と探
針１との間に微小電圧を印加し、トンネル電流を検知し
ている。
電体２に対して電極3a,3b間に電圧を印加し、探針１を
移動させることにより、探針１と電極８との間隙をトン
ネル電流の流れる領域に保持する。この時、電極８と探
針１との間に微小電圧を印加し、トンネル電流を検知し
ている。
次にダイヤフラム５の表面に接する流体の圧力が変化
すると、ダイヤフラム５が変位し、電極８と探針１との
間隙が変化し、トンネル電流に変化を生じさせる。この
トンネル電流は、間隙の変化に対して指数関数的な変化
を起こすことから、微小な変位を検出できるセンサーが
可能となる。
すると、ダイヤフラム５が変位し、電極８と探針１との
間隙が変化し、トンネル電流に変化を生じさせる。この
トンネル電流は、間隙の変化に対して指数関数的な変化
を起こすことから、微小な変位を検出できるセンサーが
可能となる。
以上のように本発明によれば、圧電体の動作により探
針と圧電体間をトンネル領域に入れるという簡単な構造
で、外部要因によりトンネル電流値が変化し微小な変位
を検出できるという効果がある。
針と圧電体間をトンネル領域に入れるという簡単な構造
で、外部要因によりトンネル電流値が変化し微小な変位
を検出できるという効果がある。
第１図は本発明のセンサーの一実施例を示す断面図、第
２図は本発明のセンサーの一実施例を示す平面図、第３
図は本発明の探針・圧電体の関係を示す断面図、第４図
は従来の圧力センサーの基本構造を示す断面図、第５図
は本発明のセンサーの他の実施例を示す断面図である。 １……探針 ２……圧電体 3a……電極（圧電体） 3b……電極（圧電体） 3c……電極（探針） 4a……シリコン基板（上側） 4b……シリコン基板（下側） ５……ダイヤフラム ６……歪ゲージ ７……固定台
２図は本発明のセンサーの一実施例を示す平面図、第３
図は本発明の探針・圧電体の関係を示す断面図、第４図
は従来の圧力センサーの基本構造を示す断面図、第５図
は本発明のセンサーの他の実施例を示す断面図である。 １……探針 ２……圧電体 3a……電極（圧電体） 3b……電極（圧電体） 3c……電極（探針） 4a……シリコン基板（上側） 4b……シリコン基板（下側） ５……ダイヤフラム ６……歪ゲージ ７……固定台
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01D 5/14 G01L 9/04 101 H01L 29/84
Claims (6)
- 【請求項１】ダイヤフラムと、 前記ダイヤフラム上にあり、第１の電極となる鋭利な先
端形状を有する探針と、 該第１の電極と相対向して設けられた第２の電極と、 圧力変化を該第１の電極と該第２の電極との間隔の変化
に連動する圧力感応部と、 該第１の電極と該第２の電極との間隔を制御する間隔制
御機構を有することを特徴とする圧力センサー。 - 【請求項２】該間隔制御機構が圧電体であることを特徴
とする請求項１記載の圧力センサー。 - 【請求項３】ダイヤフラムと、 前記ダイヤフラム上にあり、第１の電極となる鋭利な先
端形状を有する探針と、 該第１の電極と相対向して設けられた第２の電極と、 加速度を該探針と該第２の電極との間隔の変化に連動す
る感応部と、、 該第１の電極と該第２の電極との間隔を制御する間隔制
御機構を有することを特徴とする加速度センサー。 - 【請求項４】該間隔制御機構が圧電体であることを特徴
とする請求項３記載の加速度センサー。 - 【請求項５】ダイヤフラムと、 前記ダイヤフラム上にあり、第１の電極となる鋭利な先
端形状を有する探針と、 該第１の電極と相対向して設けられた第２の電極と、 変位を該探針と該第２の電極との間隔の変化に連動する
感応部と、、 該第１の電極と該第２の電極との間隔を制御する間隔制
御機構を有することを特徴とする変位センサー。 - 【請求項６】該間隔制御機構が圧電体であることを特徴
とする請求項５記載の変位センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1075566A JP2767057B2 (ja) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | 圧力センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1075566A JP2767057B2 (ja) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | 圧力センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02253117A JPH02253117A (ja) | 1990-10-11 |
| JP2767057B2 true JP2767057B2 (ja) | 1998-06-18 |
Family
ID=13579860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1075566A Expired - Fee Related JP2767057B2 (ja) | 1989-03-28 | 1989-03-28 | 圧力センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2767057B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0579940A (ja) * | 1991-09-24 | 1993-03-30 | Sharp Corp | 真空包装体の真空度測定方法 |
| JPH0651906U (ja) * | 1992-11-27 | 1994-07-15 | 日本タイラン株式会社 | 歪みゲージを利用したマスフローコントローラ |
| CN104714672B (zh) * | 2013-12-11 | 2019-04-09 | 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司 | 压敏型显示屏触控单元、触摸屏及其制造方法 |
| CN107997768A (zh) * | 2018-01-02 | 2018-05-08 | 北京津发科技股份有限公司 | 一种穿戴式呼吸测量装置和呼吸测量方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0817243B2 (ja) * | 1988-04-25 | 1996-02-21 | 横河電機株式会社 | 半導体圧力センサ |
| JPH01165433U (ja) * | 1988-05-13 | 1989-11-20 |
-
1989
- 1989-03-28 JP JP1075566A patent/JP2767057B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02253117A (ja) | 1990-10-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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