JP4569242B2 - Physical quantity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサに関するものである。 The present invention relates to a physical quantity sensor that detects a physical quantity to be detected as a change in resistance value due to strain of a gauge resistance.
従来からこの種の物理量センサとしては、半導体結晶に外力が加えられたときに抵抗値が変化するピエゾ抵抗をゲージ抵抗として用いた半導体圧力センサや半導体加速度センサなどが提供されている。 Conventionally, as this kind of physical quantity sensor, a semiconductor pressure sensor, a semiconductor acceleration sensor, and the like using a piezoresistor whose resistance value changes when an external force is applied to a semiconductor crystal as a gauge resistance have been provided.
これに対して、近年、ナノテクノロジーの分野で注目されているカーボンナノチューブをゲージ抵抗として用いた物理量センサが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
On the other hand, in recent years, physical quantity sensors using carbon nanotubes that have attracted attention in the field of nanotechnology as gauge resistance have been proposed (see, for example,
ここにおいて、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた圧力センサは、例えば、図12に示す構成を有している。 Here, the pressure sensor using carbon nanotubes as the gauge resistance has, for example, the configuration shown in FIG.
図12に示す構成の圧力センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜2を有するセンサ用構造体1と、センサ用構造体1の絶縁膜2上に配置されそれぞれ1本のカーボンナノチューブからなる2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4と、センサ用構造体1の他表面に固着されたガラス製の台座9とを備えている。
The pressure sensor having the configuration shown in FIG. 12 is formed by processing a silicon substrate by a micromachining technique and has a
センサ用構造体1は、矩形枠状のフレーム1aと、フレーム1aの内側でフレーム1aに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム1bとで構成されている。すなわち、センサ用構造体1は、フレーム1aの内側に位置し全周に亘ってフレーム1aに支持されたダイヤフラム1bが形成されており、ダイヤフラム1aの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラムが湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗R1,R3は、ダイヤフラム1aとフレーム1aとに跨るように配置されており、基準抵抗R2,R4は、フレーム1a上に配置されている。なお、センサ用構造体1は、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより他表面に凹所1cを設けることにより形成されている。一方、台座9には、センサ用構造体1の凹所1cへ流体を導入するための導入孔9aが厚み方向に貫設されている。
The
また、上述の2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4は、センサ用構造体1の上記一表面側において絶縁膜2上に形成された複数の金属配線4などにより図13に示すブリッジ回路を構成するように接続される。
The two gauge resistors R1 and R3 and the two reference resistors R2 and R4 described above are illustrated by a plurality of
各抵抗R1〜R4と各抵抗R1〜R4に電気的に接続される各金属配線4との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料(例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど)からなる電極5が介在しており、対となる電極5,5間に電圧を印加し且つセンサ用構造体1の上記一表面側に炭素を含む原料ガスを供給して対となる電極5,5間にカーボンナノチューブを成長させている。すなわち、各抵抗R1〜R4それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極5,5間に架け渡されている。
Between each resistance R1-R4 and each
したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Eを接続するとともに対角位置の他方の端子Vo1,Vo2間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム1bに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、上述の圧力センサでは、4つの金属配線4それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。
Therefore, if a suitable power supply E for detection is connected between one terminal at the diagonal position of the bridge circuit, the voltage between the other terminals Vo1 and Vo2 at the other diagonal position is detected, and appropriate correction is applied, the
次に、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた加速度センサの一例について、図14を参照しながら説明する。 Next, an example of an acceleration sensor using carbon nanotubes as gauge resistance will be described with reference to FIG.
図14に示す構成の加速度センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜12を有するセンサ用構造体11と、センサ用構造体11の絶縁膜12上に配置されそれぞれ1本のカーボンナノチューブからなる2個のゲージ抵抗R11,R12および2個の基準抵抗R13,R14と、センサ用構造体11の他表面に固着されたガラス製のカバー19と、センサ用構造体11の一表面側に固着されたガラス製のカバー(図示せず)とを備えている。
The acceleration sensor configured as shown in FIG. 14 includes a
センサ用構造体11は、矩形枠状のフレーム11aを備え、フレーム11aの内側にフレーム11aから離間して配置された重り部11bの周囲の1辺がフレーム11aよりも薄肉である2つの撓み部11cを介してフレーム11aに連続一体に連結された構造を有している。すなわち、センサ用構造体11は、フレーム11aの内側に位置し加速度に感応する重り部11bが2つの撓み部11cを介してフレーム11aに支持されており、重り部11bの周囲には撓み部11cを除いてフレーム11aとの間にスリット11dが形成されている。また、撓み部11cは重り部11bの1辺に沿う方向に離間して2箇所に形成されている。
The
なお、重り部11bは、例えば、シリコン基板においてスリット11dに対応する部位を裏面側(上記他表面側)からアルカリ系溶液を用いて異方性エッチングを行った後、スリット11dに対応する部位をシリコン基板の一表面側からエッチングすることで形成してある。また、センサ用構造体11の他表面側のカバー19におけるセンサ用構造体11との対向面には、重り部11bの揺動空間を確保するための凹所19bが形成されている。同様に、センサ用構造体11の一表面側のカバーにおけるセンサ用構造体11との対向面にも、重り部11bの揺動空間を確保するための凹所が形成されている。
For example, the
また、上述の2個のゲージ抵抗R11,R12および2個の基準抵抗R13,R14は、センサ用構造体11の上記一表面側において絶縁膜12上に形成された金属配線14などによりブリッジ回路を構成するように接続される(なお、センサ用構造体11の厚み方向において重なる金属配線14,14間には図示しない層間絶縁膜を介在させてある)。
The two gauge resistors R11 and R12 and the two reference resistors R13 and R14 described above form a bridge circuit by the
上述の加速度センサでは、センサ用構造体11の厚み方向の成分を含む外力(加速度)が重り部11bに作用すると、重り部11bの慣性によってフレーム11aと重り部11bとがセンサ用構造体11の厚み方向へ相対的に変位し、結果的に撓み部11cが撓んでゲージ抵抗R11,R12が変形し、ゲージ抵抗R11,R12の抵抗値が変化することになる。これに対して、フレーム11aに重なるように配置されている基準抵抗R13,R14は、重り部11bが変位したとしても抵抗値が変化しない。
In the above-described acceleration sensor, when an external force (acceleration) including a component in the thickness direction of the
したがって、ゲージ抵抗R11,R12の抵抗値の変化を検出することにより、センサ用構造体11に作用した加速度を検出することができる。言い換えれば、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、重り部11bに作用する加速度に比例する電圧を得ることができるのである。なお、ゲージ抵抗R11,R12は、撓み部11cの延長方向を長手方向として配置されており、撓み部11cと同じように変形する。
ところで、上述のようにゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた物理量センサでは、ゲージ抵抗のゲージ率の向上による高感度化が期待されている。 By the way, in the physical quantity sensor using the carbon nanotube as the gauge resistance as described above, high sensitivity is expected by improving the gauge ratio of the gauge resistance.
しかしながら、本願発明者らが、図15の一点鎖線で示すように長さLが5μmのカーボンナノチューブCNTを実線で示すように曲げ角度βで曲げたときの曲げ角度βとゲージ率との関係について調べたところ、図16に示すように、曲げ角度βが172°〜179°の範囲ではゲージ率が120程度であり、シリコンのピエゾ抵抗について同様の関係について調べたところ、曲げ角度βによらずゲージ率が略120であるという知見が得られた。 However, regarding the relationship between the bending angle β and the gauge factor when the inventors bent the carbon nanotube CNT having a length L of 5 μm at the bending angle β as shown by the solid line as shown by the one-dot chain line in FIG. As a result, as shown in FIG. 16, when the bending angle β is in the range of 172 ° to 179 °, the gauge factor is about 120, and when the same relationship is investigated with respect to the piezoresistance of silicon, it is not dependent on the bending angle β. The finding that the gauge factor was approximately 120 was obtained.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化が可能な物理量センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a physical quantity sensor capable of increasing the sensitivity as compared with the prior art.
請求項1の発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面上に形成された対となる電極間に架け渡されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の一表面側に、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部に当接し少なくともセンサ用構造体に力が働いたときに前記力に起因した当該カーボンナノチューブの変形とは別に当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、少なくともセンサ用構造体に力が働いたときに前記力に起因したカーボンナノチューブの変形とは別にカーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えているので、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。 According to the present invention, since the bias portion that bends the intermediate portion of the carbon nanotube apart from the deformation of the carbon nanotube caused by the force when at least a force is applied to the sensor structure, the gauge resistance is provided. Compared with a conventional physical quantity sensor using carbon nanotubes, it is possible to increase the gauge factor of carbon nanotubes constituting the gauge resistance, and it is possible to achieve higher sensitivity than in the past.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部には、対となる電極の並設方向に並んだ複数のバイアス部が当接していることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a plurality of bias portions arranged in parallel with the pair of electrodes are in contact with an intermediate portion of the carbon nanotube constituting the gauge resistance. And
この発明によれば、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率をバイアス部が1つである場合と同程度の値としながらも、バイアス部によるカーボンナノチューブの中間部の曲げ角度を小さくすることができ、カーボンナノチューブの折損や、対となる電極の破損が起こりにくくなり、信頼性が向上する。 According to the present invention, it is possible to reduce the bending angle of the intermediate portion of the carbon nanotube by the bias portion while making the gauge ratio of the carbon nanotube constituting the gauge resistance the same value as the case where there is one bias portion. In addition, breakage of the carbon nanotubes and breakage of the paired electrodes are less likely to occur, and reliability is improved.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、バイアス部は、センサ用構造体に前記力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧しカーボンナノチューブの曲げ角度を172°とするように、センサ用構造体の前記一表面との相対的な位置関係が設定されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the bias portion presses an intermediate portion of the carbon nanotubes constituting the gauge resistance in a state where the force is not applied to the sensor structure, thereby adjusting the bending angle of the carbon nanotubes. The relative positional relationship with the one surface of the sensor structure is set so as to be 172 °.
この発明によれば、センサ用構造体に前記力が作用したときに前記力が小さくてもゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの曲げ角度が172°よりも小さくなってゲージ率が高くなるので、より高感度化を図ることができる。 According to this invention, when the force is applied to the sensor structure, even if the force is small, the bending angle of the carbon nanotubes constituting the gauge resistance is smaller than 172 ° and the gauge factor is increased. High sensitivity can be achieved.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、センサ用構造体は、前記一表面において対となる電極の形成部位の間に凹部が形成されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, the sensor structure is characterized in that a recess is formed between the pair of electrode forming portions on the one surface.
この発明によれば、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部をバイアス部により折曲させやすくなり、凹部が形成されていない場合に比べて高感度化を図れる。 According to this invention, it becomes easy to bend the intermediate part of the carbon nanotube which comprises gauge resistance with a bias part, and can achieve high sensitivity compared with the case where the recessed part is not formed.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、センサ用構造体が、前記一表面とは反対側の他表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラムを有する圧力センサ用の構造体であり、ゲージ抵抗は、ダイヤフラムの中央部に配設されてなることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is the pressure sensor for the pressure sensor according to any one of the first to fourth aspects, wherein the sensor structure has a diaphragm formed by providing a recess on the other surface opposite to the one surface. The structure is characterized in that the gauge resistance is arranged at the center of the diaphragm.
この発明によれば、前記力である圧力によるダイヤフラムの変位量の大きな中央部にゲージ抵抗を配設しているので、前記力である圧力によるダイヤフラムの変位量の小さな周部にゲージ抵抗を配設している場合と同じ感度であれば、ダイヤフラムの厚みを厚くすることができ、センサ用構造体の機械的強度を高めることができる。 According to the present invention, since the gauge resistance is arranged at the central portion where the displacement of the diaphragm due to the pressure as the force is large, the gauge resistance is arranged at the peripheral portion where the displacement of the diaphragm due to the pressure as the force is small. If the sensitivity is the same as that provided, the thickness of the diaphragm can be increased, and the mechanical strength of the sensor structure can be increased.
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5の発明において、センサ用構造体が、前記一表面とは反対側の他表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラムを有する圧力センサ用の構造体であり、ダイヤフラムの周部の肉厚が中央部の肉厚に比べて厚く設定され、ゲージ抵抗は、ダイヤフラムにおける前記一表面側とは反対側に形成された段差部とダイヤフラムの厚み方向において重複する部位に配設されてなることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the pressure sensor for the pressure sensor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the sensor structure has a diaphragm formed by providing a recess on the other surface opposite to the one surface. The thickness of the peripheral portion of the diaphragm is set to be thicker than the thickness of the central portion, and the gauge resistance is a step formed on the opposite side of the diaphragm from the one surface side and the thickness direction of the diaphragm It is arrange | positioned in the site | part which overlaps in.
この発明によれば、ダイヤフラムの厚みが一定であってダイヤフラムの周部にゲージ抵抗が配設されている場合に比べて、前記力である圧力によるダイヤフラムの変形によってゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブへより大きなひずみを与えることができ、高感度化を図ることができる。 According to this invention, compared to the case where the thickness of the diaphragm is constant and the gauge resistance is disposed around the diaphragm, the carbon nanotube constituting the gauge resistance is formed by the deformation of the diaphragm due to the pressure as the force. Greater strain can be applied and higher sensitivity can be achieved.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the invention, there is provided the cover according to any one of the first to sixth aspects, further comprising a cover fixed to the one surface side of the sensor structure, and the bias portion from the surface of the cover facing the sensor structure. It is characterized by being projected.
この発明によれば、センサ用構造体の前記一表面側にカバーを固着することにより、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブへバイアス部を当接させることができる。 According to the present invention, the bias portion can be brought into contact with the carbon nanotube constituting the gauge resistance by fixing the cover to the one surface side of the sensor structure.
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、バイアス部は、センサ用構造体の前記一表面側においてゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブに交差するようにパターニングされた絶縁体膜からなることを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、センサ用構造体の前記一表面側に別部材であるカバーを固着することなく、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブへバイアス部を高い位置精度で当接させることができるので、請求項8の発明に比べて低コスト化および薄型化を図ることができる。
According to the present invention, since the bias portion can be brought into contact with the carbon nanotube constituting the gauge resistance with high positional accuracy without fixing a cover which is another member on the one surface side of the sensor structure, Compared with the invention of
請求項1の発明では、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となるという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, compared with a conventional physical quantity sensor using carbon nanotubes as a gauge resistance, it becomes possible to increase the gauge ratio of the carbon nanotubes constituting the gauge resistance, and to achieve higher sensitivity than in the past. There is an effect that it becomes possible.
本実施形態では、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサの一例である圧力センサを、図1〜図6を参照しながら説明する。 In the present embodiment, a pressure sensor that is an example of a physical quantity sensor that detects a physical quantity to be detected as a change in resistance value due to strain of a gauge resistance will be described with reference to FIGS.
本実施形態の圧力センサは、半導体基板であるシリコン基板(以下、第1のシリコン基板と称す)をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜2を有するセンサ用構造体1と、センサ用構造体1の上記一表面側に配置されそれぞれカーボンナノチューブCNTからなる2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4と、センサ用構造体1とは別のシリコン基板(以下、第2のシリコン基板と称す)をマイクロマシンニング技術により加工して形成されセンサ用構造体1の上記一表面側に固着されたカバー7とを備えている。なお、各抵抗R1〜R4それぞれを構成するカーボンナノチューブCNTの本数は特に限定するものではなく、1本でも複数本でもよい。また、カバー7は、第2のシリコン基板に限らず、ガラス基板により形成してもよい。
The pressure sensor of the present embodiment is a sensor having an insulating
センサ用構造体1は、矩形枠状のフレーム1aと、フレーム1aの内側でフレーム1aに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム1bとで構成されている。すなわち、センサ用構造体1は、フレーム1aの内側に位置し全周に亘ってフレーム1aに支持されたダイヤフラム1bが形成されており、ダイヤフラム1aの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラムが撓んで湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗R1,R3は、センサ用構造体1の上記一表面側でダイヤフラム1aの周部に対応する部位においてダイヤフラム1aとフレーム1aとの境界に直交する方向を長手方向として配設されており、基準抵抗R2,R4は、センサ用構造体1の上記一表面側でフレーム1aに対応する部位においてダイヤフラム1aとフレーム1aとの境界に直交する方向を長手方向として配設されている。すなわち、ゲージ抵抗R1,R3は、ダイヤフラム1bの湾曲変形に伴う抵抗値の変化量が大きくなるようにダイヤフラム1bの外周(ダイヤフラム1bとフレーム1aとの境界)を構成する4辺のうちの2辺それぞれに略直交する方向に配設され、基準抵抗R2,R4はダイヤフラム1bが湾曲変形しても抵抗値が変化しないようにフレーム1aに対応する部位に配設されている。
The
なお、センサ用構造体1は、例えばKOH(水酸化カリウム)、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)などのアルカリ系溶液などを用いた異方性エッチングによって第1のシリコン基板の裏面(センサ用構造体1の他表面)に凹所1cを設けることにより形成されている。
Note that the
ここにおいて、半導体基板としての第1のシリコン基板の代わりに、厚み方向の中間に埋込酸化膜(シリコン酸化膜)からなる絶縁層が形成された所謂SOI基板(表面側のシリコン層と裏面側のシリコン基板との間に上記絶縁層が介在した基板)を採用すれば、裏面側からのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、ダイヤフラム1bの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。
Here, in place of the first silicon substrate as the semiconductor substrate, a so-called SOI substrate (front surface side silicon layer and back surface side) in which an insulating layer made of a buried oxide film (silicon oxide film) is formed in the middle in the thickness direction. If the substrate having the insulating layer interposed between the silicon substrate and the silicon substrate is used, the thickness of the
また、上述の2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4は、センサ用構造体1の上記一表面側において絶縁膜2上に形成された複数の金属配線(図示せず)などにより上述の図13に示すブリッジ回路を構成するように接続される。なお、各抵抗R1〜R4と各抵抗R1〜R4に電気的に接続される各金属配線との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料(例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど)からなる電極(図示せず)が介在しており、対となる電極間に金属配線を介して電圧を印加し且つセンサ用構造体1の上記一表面側に炭素を含む原料ガス(例えば、炭化水素を含むC2H2ガス、C2H4ガス、CH4ガスなど)を供給してCVD法によって対となる電極5,5間にカーボンナノチューブを成長させている。すなわち、各抵抗R1〜R4それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極5,5間に架け渡されている。
The two gauge resistors R1 and R3 and the two reference resistors R2 and R4 are a plurality of metal wires (not shown) formed on the insulating
したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Eを接続するとともに対角位置の他方の端子Vo1,Vo2間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム1bに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態の圧力センサにおいても、4つの金属配線それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。
Therefore, if a suitable power supply E for detection is connected between one terminal at the diagonal position of the bridge circuit, the voltage between the other terminals Vo1 and Vo2 at the other diagonal position is detected, and appropriate correction is applied, the
ところで、センサ用構造体1は、上記一表面において対となる電極間の形成部位の間に凹部6が形成されている。本実施形態では、各抵抗R1〜R4毎に対となる電極を備えているので、センサ用構造体1には、凹部6が4箇所に形成されている。ここで、凹部6の開口形状は、センサ用構造体1の上記一表面において対となる電極の並設方向に交差する方向を長手方向とする細長の長方形状であって、凹部6の断面形状は、深さ方向において開口幅が略一定となる形状となっている。したがって、凹部6は、センサ用構造体1の上記一表面側における凹部6の形成予定部位を所定深さまでドライエッチングすることにより形成すればよい。ここに、凹部6の形状が上述のように深さ方向において開口幅が略一定となる形状となっていることにおり、凹部6の両側に位置した対となる電極間に成長させるカーボンナノチューブCNTは直線状に成長する。なお、図示した例では、所定深さを絶縁膜2の厚み寸法と一致するように設定してあるが、絶縁膜2の厚み寸法よりも小さく設定してもよい。
By the way, as for the
一方、カバー7は、矩形板状であって、センサ用構造体1との対向面に、センサ用構造体1のダイヤフラム1aの変位空間を確保するための凹所7aが形成されている。なお、カバー7は、センサ用構造体1の上記一表面側の上記各パッドを露出させることができるように、センサ用構造体1よりも図1(a)における左右方向の寸法を短く設定してある。
On the other hand, the
ここに、カバー7における凹所7aの内底面には、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部に当接しセンサ用構造体1に力(ここでは、圧力)が働いたときに上記力に起因した当該カーボンナノチューブCNTの変形(湾曲変形)とは別に当該カーボンナノチューブCNTの中間部を折曲させる突起状の2つのバイアス部7bが突設されている。バイアス部7bは、断面が細長の長方形状であって、凹所7aの内底面から離れるにつれて断面積が徐々に大きくなる形状に形成されており、図2に示すようにバイアス部7bの先端面の外周縁の全周にわたってセンサ用構造体1における凹部6の周縁との間に隙間が形成されるようになっている。
Here, when a force (here, pressure) is applied to the
ここにおいて、センサ用構造体1のダイヤフラム1bに圧力が加えられていない状態では図6(a)に示すようにバイアス部7bの先端面がカーボンナノチューブCNTに当接しているもののカーボンナノチューブCNTは折曲されていないが、センサ用構造体1のダイヤフラム1bに図6(a)の下方から圧力が加えられると、ダイヤフラム1bが図6(b)中に二点鎖線で示すように湾曲変形する一方で、カーボンナノチューブCNTの中間部は、バイアス部7bによってダイヤフラム1bの変位方向とは反対側に凸となるV字状の形状に折曲され凹部6の内側に入り込む。要するに、バイアス部7bは、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部に当接しセンサ用構造体1に圧力が働いたときに圧力に起因した応力とは別の応力をカーボンナノチューブCNTの中間部に付加する機能を有している。
Here, when no pressure is applied to the
しかして、本実施形態の圧力センサでは、センサ用構造体1に圧力が働いたときに圧力に起因したカーボンナノチューブCNTの変形とは別にカーボンナノチューブCNTの中間部を折曲させるバイアス部7bを備えているので、センサ用構造体1に圧力が働いたときにゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部が図6(b)のように折曲されてゲージ抵抗R1,R3のゲージ率が高くなるので、従来の圧力センサと比較して、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。また、センサ用構造体1の上記一表面において対となる電極の形成部位の間に凹部6が形成されているので、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部をバイアス部7bにより折曲させやすくなり、凹部6が形成されていない場合に比べて高感度化を図れる。
Thus, the pressure sensor according to the present embodiment includes the
ところで、センサ用構造体1に圧力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部を図8に示すようにバイアス部7bが押圧して中間部を折曲させるようにしてもよい。この場合には、カーボンナノチューブCNTの曲げ角度βを172°とするように、バイアス部7bとセンサ用構造体1の上記一表面との相対的な位置関係を設定しておけば、センサ用構造体1に圧力が作用したときに圧力が小さくてもゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの曲げ角度が172°よりも小さくなってゲージ率が高くなるので、より高感度化を図ることができる。
Incidentally, the
上述の例では、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部に1つのバイアス部7bが当接しているが、図7に示すように、カーボンナノチューブCNTの中間部に、上述の対となる電極の並設方向に並んだ複数のバイアス部7b,7bが当接するようにカバー7を形成すれば、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTのゲージ率をバイアス部7bが1つである場合と同程度の値としながらも、バイアス部7bによるカーボンナノチューブCNTの中間部の曲げ角度(個々のバイアス部7bによるカーボンナノチューブCNTの曲げ角度)を小さくすることができ、カーボンナノチューブCNTの折損や、対となる電極の破損が起こりにくくなり、信頼性が向上する。
In the above example, one
なお、センサ用構造体1の上記一表面に形成する凹部6を図9(a)に示すように断面V字状として開き角度(凹部6の内面であって互いに傾斜した2つの面のなす角度)αを172°に設定すれば、対となる電極間(凹部6を挟んで対向する電極間)に上述のCVD法による成長によって架け渡されるカーボンナノチューブCNTは、図9(b)に示すように凹部6の内面であって互いに傾斜した2つの面に沿った形状に折れ曲がっており、この時のカーボンナノチューブCNTの曲がり角度βは略172°となる。しかして、センサ用構造体に圧力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTを中間部が172°の角度で曲がった状態とすることができ、より一層の高感度化を図ることができる。ここにおいて、上述の図16における曲げ角度とゲージ率との関係から、凹部6の開き角度αを172°よりも小さくすることで凹部6の内面に沿って成長するカーボンナノチューブCNTのゲージ率を高くすることができる。ただし、開き角度αを小さくしすぎると、カーボンナノチューブCNTが凹部6の内面に沿って成長しなくなる。
Note that the
ところで、本実施形態では、センサ用構造体1が圧力センサ用の構造体を構成しており、センサ用構造体1のダイヤフラム1bにおける周部にゲージ抵抗R1,R3を配設してあるが、圧力によるダイヤフラム1bの変位量の大きな中央部にゲージ抵抗R1,R3を配設すれば、圧力によるダイヤフラム1bの変位量の小さな周部にゲージ抵抗R1,R3を配設している場合と同じ感度であれば、ダイヤフラム1bの厚みを厚くすることができ、センサ用構造体1の機械的強度を高めることができる。
By the way, in this embodiment, the
また、図10に示すように、ダイヤフラム1bの周部の肉厚を中央部の肉厚に比べて厚く設定してダイヤフラム1bにおける上記一表面側とは反対側に段差部1dを形成しておき、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTを、ダイヤフラム1bにおける段差部1dとダイヤフラム1bの厚み方向(図10の上下方向)において重複する部位に配設すれば、図1の構成のようにダイヤフラム1bの厚みが一定であってダイヤフラム1bの周部にゲージ抵抗R1,R3が配設されている場合に比べて、圧力によるダイヤフラム1bの変形によってゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTへより大きなひずみを与えることができ、高感度化を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 10, the thickness of the peripheral portion of the
また、図1に示した例では、センサ用構造体1の上記一表面側に固着されるカバー7におけるセンサ用構造体1との対向面からバイアス部7bが突設されており、第1のシリコン基板からなるセンサ用構造体1の上記一表面側に第2のシリコン基板あるいはガラス基板からなるカバー7を周知の接合方法により固着することにより、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTへバイアス部7bを当接させることができる。
Further, in the example shown in FIG. 1, a
このようにバイアス部7bを形成したカバー7をセンサ用構造体1の上記一表面側に固着する代わりに、図11に示すように、センサ用構造体1の上記一表面側においてゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTに交差する(直交する)ようにパターニングされた絶縁体膜(例えば、SiO2膜、Si3N4膜、ポリイミド膜など)からなり上記バイアス部7bと同様の機能を有するバイアス部8を設けてもよい。このようにパターニングされた絶縁体膜からなるバイアス部8は、例えば、センサ用構造体1の上記一表面側に各抵抗R1〜R4を構成するカーボンナノチューブCNTを生成した後、センサ用構造体1の上記一表面側の全面に絶縁体膜を成膜し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁体膜をパターニングすればよい。したがって、このようなバイアス部8を採用すれば、センサ用構造体1の上記一表面側に別部材であるカバー7を固着することなく、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTへバイアス部8を高い位置精度で当接させることができるので、図1の構成に比べて、低コスト化および薄型化を図ることができる。
Instead of fixing the
なお、上述の実施形態では、物理量センサの一例として圧力センサについて説明したが、本願発明の技術思想は、圧力センサに限らず、例えば、ゲージ抵抗を利用した他の物理量センサ(例えば、加速度センサ、ジャイロセンサなど)にも適用することができる。 In the above-described embodiment, the pressure sensor has been described as an example of the physical quantity sensor. However, the technical idea of the present invention is not limited to the pressure sensor, for example, other physical quantity sensors using a gauge resistance (for example, an acceleration sensor, It can also be applied to a gyro sensor or the like.
1 センサ用構造体
1a フレーム
1b ダイヤフラム
1c 凹所
2 絶縁膜
6 凹部
7 カバー
7a 凹所
7b バイアス部
CNT カーボンナノチューブ
R1,R3 ゲージ抵抗
R2,R4 基準抵抗
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