JP4467402B2 - センサ装置 - Google Patents
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Description
上記のセンサシステムでは、シリコン基板101にカンチレバー103を形成するための空洞102を設けることが必須であることから、シリコン基板101にMEMS領域112を確保するために必然的にトランジスタ領域111及び多層配線領域113が狭くなる。従って、トランジスタ領域111及び多層配線領域113を十分確保するには、センサシステムのサイズを大きくせざるを得ないという問題がある。センサシステムのサイズが大きくなると、当該センサシステムの搭載される各種電子機器の小型化が困難となるばかりでなく、センサシステムの収穫個数が減少することから、製造コストが上昇する。
本発明者は、簡素な構成により高感度に各種物理量を測定する構成として、図1(a)に示すように、基体1上に離間して設けられた一対の電極2,3と、電極2,3間に電圧又は電流を印加する電源4と、電極2,3間において、基体1上で当該電極2,3間の領域に林立する複数の棒状導電体5からなる棒状導電体群6と、棒状導電体群6の近傍又は少なくとも一部の棒状導電体5と接触するように設置されており、棒状導電体5を変形させ、棒状導電体5間の距離を変化させることを補助する変形補助機構7とを含むセンサ装置を提案する。図示の例では、棒状導電体群6の一端部分の棒状導電体5が電極2と、他端部分の棒状導電体5が電極3とそれぞれ接続されている。なお、図1(b)のように、電極2,3を基体1上から離間させるように形成しても良い。
CNTは、単結晶でその強度が強く、引っ張り強度が鋼鉄の約5倍とも言われる非常に強い材料である。一方で非常にしなやかであり、繊維のように柔軟に「しなる」ことが知られている。CNTは繰り返し変形させても、疲労したり弾性を失うことは無いと考えられる。CNTは、結晶の巻き方や(カイラリティと言う)、CNTの層数により、半導体から金属まで自由に物性を変えることが可能である。必要に応じて適宜、半導体から金属的なものまで、最適なCNTを使用することができる。金属的なものを利用すれば、通常配線として利用されるCuの場合の約1000倍もの電流輸送量があり、またバリステック電導をするので、抵抗が極めて低く、寄生抵抗を削除することができ、センサとして非常に有利である。更に、CNTの表面は当然炭素であり、金属のように表面に酸化膜が形成されて電極間の接触抵抗値が高くなる心配もない。
加速度・重量センサでは、変形補助機構7を加速度又は重量を感知するための錘状部材11とし、この錘状部材11は、前記基本構成における棒状導電体群6の少なくとも一部の棒状導電体5上に、当該棒状導電体5の上端部と共に可動とされた状態に載置固定される(図2(a))。錘状部材11に加速度が加わると、錘状部材11が複数の棒状導電体5上で当該棒状導電体5と共に移動する。この移動により棒状導電体5が変形し、当該加速度に応じて棒状導電体5間の距離が変化する。
図4(a)に示すように、センサ装置の初期状態では、2つの電極2,3の間に多くのCNT21が林立している。しかしながら、CNT21は互いに離散して形成されており、(距離d)電極2,3間には殆ど電流は流れない。CNT21に何らかの力が加わると、図4(b)に示すように、CNT21は全体的に変形し、CNT21間の距離が狭められて(距離d')、電流路が形成されるようになる。
図5(a)では、CNT群22の各CNT21の下端が固定され、上端が開放端(固定されていない)とされた場合を示す。具体的には、上記の流量センサが該当する。このCNT群22に横方向から外力が加わると、各CNT21は、あたかも風になびく稲穂のようにしなり、上端へ向かうほどCNT21間の間隔が狭くなる形状となる(下端付近のCNT21間の距離d>上端付近のCNT21間の距離d')。この結果、CNT群22の上端部分では、CNT21間を横断するような電流が流れ易くなり、CNT群22の電気抵抗値が低下する。なお、同じ外力が横方向から加わる場合でも、CNT21の長さが長いほど、先端部分のしなる距離が大きくなるため、隣接するCNT21同士の上端部分の重なり度合いも大きくなり、感度が向上する。この場合、CNT21が長いほど感度が高くなる。
R=R1+R2+・・・+Ri
となる。
ここで、CNT群22の電気抵抗値を測定する代わりにキャパシタ容量を測定するようにしても良い。この場合、CNT群22の容量Cは、各CNT21の容量C1,C2,・・・,Ciが直列接続されて、
C=1/C1+1/C2+・・・+1/Ci
となる。但しこの場合、最初のCNT21間の間隔を適切に設定しておくことが重要となる。なぜならば、CNT21間の多くにショートが形成され過ぎると、電極2,3間に多くのリーク電流が流れるので、キャパシタ容量の測定が困難になるからである。予めCNT21の動作範囲を予想し、CNT21間がショートし過ぎないように、CNT21間の間隔を広めに設定しておくことが必要となる。
以下、この感度の制御原理について図8を用いて説明する。図8において、実線で囲まれた領域がCNT群等の棒状導電体群の形成領域Sを、破線で囲まれた領域がCNT等の棒状導電体の形成領域であり、隣接する棒状導電体と接触(導通)可能である領域Bをそれぞれ示す。即ち、隣接する領域B間に重畳部分が存在すれば、隣接する棒状導電体間で導通可能となる。また、電極2,3間の距離をL、電極2,3の当該電極2,3間を結ぶ方向と交差する方向の幅をWとする。
P=p×p×p×p×・・・・・×p(乗するpの数は電極2,3間に存在する領域Bの数)
となり、Lが大きくなるほど、電極2,3間に連続した電流路が形成される可能性は少なくなる。
Q=p+p+p+p+・・・・・+p(加えるpの数は電極2,3間に存在する領域Bの数)
となり、Wが大きくなるほど電流路が形成され易くなる。
このように、W,Lを最適化することにより、センサ装置の感度を調整することができる。
図9は、本発明によるセンサ装置の基本構成の製造方法1を工程順に示す概略断面図である。
先ず、基体上に一対の電極を形成する。
具体的には、図9(a)に示すように、基体1上に電極材をスパッタ、蒸着等の方法で形成した後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより電極材を加工し、一対の電極2,3をパターン形成する。その他、印刷法で導電性材料のパターンを形成する方法、インクジェットで導電性インクを飛ばす方法等を適用して、電極2,3を形成することも可能である。
具体的には、図9(b)に示すように、基体1の表面でCNTの形成に必要な箇所のみを開口するレジストマスク101を形成し、核となる微粒子102を全面に形成する。その他、例えば、直接必要な箇所のみに光又は帯電粒子を照射する等して帯電させておき、帯電部分にのみ微粒子を付着させる方法や、印刷により必要な箇所に微粒子インクを付けてパターンを印刷する方法、必要な箇所に微粒子を含むインクを飛ばす方法等、適宜選択することができる。その後、レジストマスク101及びレジストマスク101上の微粒子102をリフトオフ法で除去し、レジストマスク101の開口部内にのみ微粒子102を残す。
具体的には、図9(c)に示すように、例えばCVD法により、微粒子102からCNT21を成長させ、複数のCNT21からなるCNT群22を形成する。
図10は、本発明によるセンサ装置の基本構成の製造方法2を工程順に示す概略断面図である。
先ず、基体表面にCNTを成長させる。
具体的には、図10(a)に示すように、基体1上の全面に、核となる微粒子102を形成する。そして、図10(b)に示すように、例えばCVD法により、微粒子102からCNT21を成長させ、複数のCNT21からなるCNT群22を形成する。
具体的には、図10(c)に示すように、CNT群22上に電極材をスパッタ、蒸着等の方法で形成した後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより電極材を加工し、一対の電極2,3をパターン形成する。
以上の工程により、本発明によるセンサ装置の基本構成を完成させる。そして、製造するセンサ装置に応じて、CNT群22及び電極2,3上や前記基本構成の近傍等に種々の変形補助機構を配置する。
[第1の実施形態]
本実施形態では、本発明を種々の物理量センサに適用した具体例について説明する。
(1)二軸加速度センサ(X軸一方向、Z軸二方向)
この二軸加速度センサは、図11の例では、X軸に沿った左右方向の加速度量と、Z軸に沿った上下方向の加速度量及び加速度の正負(上方向又は下方向)とを測定するものである。また、図12の例では、X軸に沿った右方向の加速度量及び加速度の正負(右方向又は左方向)と、Z軸に沿った上下方向の加速度量及び加速度の正負(上方向又は下方向)とを測定するものである。
この二軸加速度センサは、図16に示すように、X軸に沿った左右方向の加速度量及び加速度の正負(右方向又は左方向)と、Z軸に沿った上下方向の加速度量及び加速度の正負(上方向又は下方向)とを測定するものである。
この三軸加速度センサは、図17に示すように、X軸に沿った左右方向の加速度量及び加速度の正負(X軸における右方向又は左方向)と、Y軸に沿った左右方向の加速度量及び加速度の正負(Y軸における右方向又は左方向)と、Z軸に沿った上下方向の加速度量及び加速度の正負(上方向又は下方向)とを測定するものである。
図9の製造方法1による基本構成を利用する場合には、図9(a)〜(c)の工程を経て基本構成を完成させた後、図18(a)に示すように、CVD法、スパッタ法、塗布法等で全面に絶縁膜を形成した後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜を加工し、CNT群22上に絶縁膜を残して錘状部材51を形成する。
先ず、基板上にCNTを成長させる。
具体的には、図19(a)に示すように、錘状部材となる絶縁性の基板52上の全面に核となる微粒子を形成し、CVD法等により当該微粒子からCNT21を成長させ、複数のCNT21からなるCNT群22を形成する。この基板52は、図19(b)に示すように、上下を反転させて用いる。
具体的には、図19(c)に示すように、基体1上に絶縁膜53を形成し、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより電極形状の一対の溝54を形成する。そして、溝54を埋め込むように絶縁膜53上に電極材をスパッタ、蒸着等の方法で形成し、化学機械研磨法により電極材を研磨して平坦化し、溝54を充填する電極2,3を形成する。ここでは、電極材の表面をなるべく平坦にするため、電極材を研磨して表面を平坦化しているが、電極材の表面の平坦化は必ずしも必要ではない。電極の厚さが薄く、電極による凸形状を無視できる場合には、はじめから電極材を形成し、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより一対の電極を形成するようにしても良い。また、例えばAlのような導電膜を全面に形成した後、電極以外の部分を陽極酸化して、アルミナからなる絶縁膜に置換し、アルミナ電極に埋め込まれた一対のAl電極を形成しても良い。このような方法でも、比較的表面が平坦な電極を形成することができる。
具体的には、図19(d)に示すように、基板52のCNT群22の先端部を導電性の接着材料55により電極2,3上に固定する。この場合、接着材料55を用いずに、例えば熱処理による熱反応でCNT21と基板52とを接合するようにしても良い。
図12の二軸加速度センサの構成に適用するには、電極の端部に対して錘状部材の端部を正確に位置決めすることが必要である。この場合、以下のような方法を用いることで容易に精度良く位置合わせすることができる。
具体的には、先ず図20(a)に示すように、基体1上に電極材をスパッタ、蒸着等の方法で形成した後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより電極材を加工し、一対の電極2,3をパターン形成する。その後、電極2,3を覆うように基体1上にCVD法等により絶縁膜56を形成する。続いて、絶縁膜56上に電極材をスパッタ、蒸着等の方法で形成した後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより電極材を加工し、絶縁膜56上の電極2,3間の領域に一対の電極8,9をパターン形成する。
具体的には、図20(c)に示すように、基体1の表面でCNTの形成に必要な箇所のみを開口するレジストマスク101を形成し、核となる微粒子102を全面に形成する。その後、レジストマスク101及びレジストマスク101上の微粒子102をリフトオフ法で除去し、レジストマスク101の開口部内にのみ微粒子102を残す。
具体的には、図20(d)に示すように、例えばCVD法により、微粒子102からCNT21を成長させ、複数のCNT21からなるCNT群22を形成する。このとき、電極2,3間におけるCNT21の上端が電極2,3上におけるCNT21の上端よりも高く位置するように、段差Sが形成される。即ち、絶縁膜56の段差Sが反映して、CNT群22のうち、電極2,3上に形成された部分22cに対して、絶縁膜56上に形成された部分22dが凸状に突出することになる。
具体的には、図20(e)に示すように、絶縁材料からなる錘状部材59をCNT群22のうちの部分22d上のみに接合し、CNT群22のうちの部分22cを当該部分22cにおけるCNT21の上端が錘状部材59と接触しない非接触領域として、加速度センサを完成させる。
ここでは、圧力・気圧・指紋センサの具体的構成をその製造方法と共に説明する。
先ず、図9(a)〜(c)の工程を経て、図21(a)に示す基本構成を完成させる。
具体的には、図21(d)に示すように、CVD法やSOG法により、全面に絶縁膜61を堆積する。絶縁膜61の材料としては、シリコン酸化膜等の他、プラスチックのような有機系の材料を用いることも可能である。CNT21間の間隔は非常に狭く、絶縁膜61がこの隙間に完全に回りこむことは困難である。このため、CNT群22の表面が絶縁膜61で覆われ、内部には空洞62が形成される。そして、必要に応じて(下部でLSIに接続するような場合には上部に引き出す配線は不要である。)、絶縁膜61に電極2,3の表面の一部を露出させる開口63を形成する。
音センサでは、CNT群の表面に音波により振動する集音部材を押し当てれば、音波に応じてCNT群に圧力が加わり、CNTが変形を受け、CNT間の間隔が変化し、電極間の電気抵抗値が変化する。
流量センサは、図23((a):起立するCNT21と直交する平面による断面図、(b):起立するCNT21と平行な平面による断面図)に示すように、CNTを用いた本実施形態のセンサ装置の基本構成(基体1上の一対の電極2,3と電源4、及びCNT群22)に加えて、内部に気体の流路71aが形成された絶縁部材71を備え、この絶縁部材71の流路71a内に前記基本構成が収められて構成されている。
例えば、先ず、全面に所望の導電性材料の膜を、スパッタ法、メッキ法、CVD法、蒸着法、塗布法等により形成する。続いて、所望の断面形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして導電性材料の膜を異方性エッチングする。以上の工程により、所定の断面形状を有するアスペクト比が1以上の棒状導電体を林立させることができる。
本実施形態では、第1の実施形態のセンサ装置をLSI上に集積してなるセンサシステムについて説明する。
このセンサシステムは、図24(a)に示すように、単結晶のシリコン基板の表層に種々の半導体素子が形成されてなるトランジスタ領域81と、トランジスタ領域81上に積層された多層配線領域82と、多層配線領域82上に積層された第1の実施形態のセンサ装置、例えば加速度センサ83とを備えて構成されている。
前記一対の電極間に電圧又は電流を印加する電源と、
前記一対の電極間の領域に林立する複数の棒状導電体と、
複数の前記棒状導電体の近傍又は少なくとも一部と接触するように設置されており、前記棒状導電体の変形及び前記棒状導電体間の距離の変化の少なくとも一方を補助する変形補助機構と
を含むことを特徴とするセンサ装置。
各前記一対の電極において、複数の前記棒状導電体が当該電極間の領域に林立してなることを特徴とする付記1〜3のいずれか1項に記載のセンサ装置。
前記他の電極上を含む前記段差物上に形成された前記棒状導電体の上端が、前記一対の電極上に形成された前記棒状導電体の上端よりも高く位置し、
前記変形補助機構は、前記他の電極上を含む前記段差物上に形成された前記棒状導電体上に接続されていることを特徴とする付記5又は6に記載のセンサ装置。
前記基板の上方に設けられ、前記半導体素子の一部と接続されてなる付記1〜12のいずれか1項に記載のセンサ装置と
を含むことを特徴とするセンサシステム。
前記センサ装置は、前記多層配線層上に設けられ、前記多層配線構造を介して前記半導体素子の一部と接続されていることを特徴とする付記13に記載のセンサシステム。
2,3,8,9,31〜35 電極
4 電源
5 棒状導電体
6 棒状導電体群
7 変形補助機構
11,12,23,36,51,59,97 錘状部材
13,71 絶縁部材
16,98 集音部材
17 筒状部材
21 CNT
22 CNT群
22a〜22d 部分
37〜39 領域
41,42 センサ構造
43 電極パッド
52 基板
53,56,61,94 絶縁膜
54 溝
55 接着材料
57,58,63 開口
62 空洞
71a 流路
81 シリコン基板
82 トランジスタ領域
83 多層配線領域
84 加速度センサ
85 MOSトランジスタ
86 音センサ
91 ゲート絶縁膜
92 ゲート電極
93 ソース/ドレイン
95 配線
96 ビア
Claims (5)
- 一対の電極と、
前記一対の電極間に電圧又は電流を印加する電源と、
前記一対の電極間の領域に林立する複数の棒状導電体と、
複数の前記棒状導電体の近傍又は少なくとも一部と接触するように設置されており、前記棒状導電体の変形及び前記棒状導電体間の距離の変化のうち少なくとも一方を補助する変形補助機構と
を含むことを特徴とするセンサ装置。 - 前記変形補助機構は、複数の前記棒状導電体の少なくとも一部の上部に物理的に接続されており、前記棒状導電体の上端部と共に可動とされた錘状部材であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記変形補助機構は、複数の前記棒状導電体を覆い外部と遮断された内部空間を形成する気密性の絶縁部材であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記変形補助機構は、複数の前記棒状導電体の下端部が接続されており、伸縮又は屈曲自在の基体部材であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記変形補助機構は、少なくとも複数の前記棒状導電体を覆い、両端が開口してなる筒状部材であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。
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