JP5674167B2 - 差圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、差圧センサに関するものである。

圧力変動を計測する差圧センサとして、例えば、ダイヤフラムの変形による電気容量変化を用いる圧力センサが開示されている（例えば、特許文献１）。上記特許文献１に開示されている圧力センサは、ダイヤフラム層で覆われている補助層内に該ダイヤフラム層内の空隙を通して空洞を形成し、これらの空隙をダイヤフラム層上の遮蔽層の一部を満たすことなく閉鎖してダイヤフラムに所望の変形性をもたせるように仕上げられている。

特開平８−２３３６７２号公報

上記特許文献１に係る圧力センサにおいては、ダイヤフラムの下部に設けた空洞を密閉する必要があり、またダイヤフラムの変形量が小さいため、圧力変動を測定するための電気容量変化の計測構造が複雑化し、かつ、ノイズの影響を受けやすくなるという問題があった。
そこで、本発明は、簡素な構成で圧力変動を測定することができる差圧センサを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、空気室と、当該空気室の内外を連通する開口とが形成された本体と、前記開口に設けられた検知部とを備え、前記検知部は、前記開口を塞ぐように傾動可能に設けられたカンチレバー部を有し、前記カンチレバー部はピエゾ抵抗層が形成され、前記カンチレバー部の外縁と、前記開口の間に形成された隙間から、前記空気室の内外へ気体が流通するように構成されており、前記隙間は当該隙間を通って外部から前記空気室内に流入する気体の分子の平均自由行程の100倍以下であり、前記ピエゾ抵抗層の抵抗変化から、前記空気室の内外の差圧を検出することを特徴とする。

本発明によれば、開口を塞ぐように傾動可能に設けられたカンチレバー部により空気室の内外の圧力変動を検出する構成としたから、ダイヤフラムを用いて空気室を密閉する必要がある従来に比べ、簡素な構成で圧力変動を測定することができる。

本実施形態に係る差圧センサの全体構成を示す縦断面図である。 本実施形態に係る検知部の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る検知部の製造工程を段階的に示す縦断面図であり、（Ａ）ピエゾ抵抗層を積層した状態、（Ｂ）隙間を形成した状態、（Ｃ）電極を形成した状態、（Ｄ）連通路を形成しカンチレバー部を形成した状態を示す図である。 本実施形態に係る差圧センサの使用状態（１）を示す縦断面図である。 本実施形態に係る差圧センサの使用状態（２）を示す縦断面図である。 本実施形態に係る差圧センサの内圧p_c(t)と外圧p_bar(t)との圧力差p(t)と時間との関係を模式的に示すグラフである。 本実施形態に係る差圧センサの評価を行った実験装置の構成を示す模式図である。 本実施形態に係る差圧センサの評価結果（１）を示すグラフである。 本実施形態に係る差圧センサの評価結果（２）を示すグラフである。 本実施形態に係る差圧センサの評価結果（３）を示すグラフである。 本実施形態に係る差圧センサの評価結果（４）を示すグラフである。 圧力差と、抵抗変化率の関係を調べた結果を示すグラフである。 感度特性とカンチレバー部の外縁と連通路内腔との間に形成された隙間との関係を示すグラフである。 周波数特性を調べる際に用いた装置の全体構成を示す模式図である。 差圧センサの周波数特性を示すグラフである。

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に示す差圧センサ１は、空気室２と、開口３とが形成された本体４と、前記開口３に設けられた検知部５とを備えている。この差圧センサ１は、前記空気室２の内と外の圧力差を、前記検知部５により検出し得るように構成されている。本実施形態の場合、本体４はSi基板からなる第１層４Ａに形成されており、検知部５はSOIからなる第２層５Ａに形成されている。差圧センサ１は、第１層４Ａと第２層５Ａとを積層して構成されている。

本体４は、開口３を除いて閉塞されており、開口３以外から空気室２内に空気が行き来できないように構成されている。検知部５は、本体４の表面６に固定され、開口３に連通する連通路７と、当該連通路７（および開口３）を塞ぐように傾動可能に設けられたカンチレバー部８を有する。連通路７は、開口３と相似形状に形成されている。

検知部５は、基板２０と、絶縁層２１と、シリコン（Ｓｉ）層２２と、ピエゾ抵抗層２３と、金属層２４とからなり、シリコン層２２と、ピエゾ抵抗層２３とにより、カンチレバー部８が形成されている。当該カンチレバー部８は、空気室２の内と外の間に生じる圧力差により、ヒンジ部１１を中心に弾性変形し得るように構成されている。電極１４は、図示しないが、ピエゾ抵抗層２３に電流を供給する電源と、ピエゾ抵抗層２３の抵抗値の変化を検出する信号変換部に電気的に接続されている。

カンチレバー部８は、図２に示すように、平板状の受圧部１０と当該受圧部１０の一側面に一体に形成された一対のヒンジ部１１とを有し、当該ヒンジ部１１において、本体４に固定されている。カンチレバー部８は、連通路７内腔の一側面を除いて、外縁１２と連通路７内腔との間に隙間１３が形成されている。カンチレバー部８の外縁１２と連通路７内腔との間に形成される前記隙間１３は、空気室２の内と外とを空気が流通しにくい大きさに形成される。ヒンジ部１１は、電極１４に電気的に接続されている。

前記隙間１３は、当該隙間１３を通って外部から空気室２内に流入する気体（例えば、Ｎ_２や空気など）の分子の平均自由行程（70nm）の約100倍以下（7μm以下）であることが好ましい。隙間１３が気体の分子の平均自由行程（70nm）の100倍より大きいと、差圧センサ１は圧力変化に対する感度が低下するからである。

差圧センサ１は、カンチレバー部８が変形してカンチレバー部８の先端のたわみ角が0.01degreeとなったとき、抵抗値の変化を検出することができる。例えば、カンチレバー部の大きさ（縦×横×厚さ）を100μm×100μm×0.3μmとした場合、10Paの圧力差のときのたわみ角は計算により1degreeとなるから、この場合の分解能は0.1Paと算出される。

たわみ角の上限を1degreeとしてカンチレバー部８の厚さを選定する。カンチレバー部８の大きさ（縦×横×厚さ）が20μm×20μm×0.03μmのとき、1degreeのたわみ角を生じさせる圧力差は1Paなので、分解能は0.01Paとなる。また、カンチレバー部８の大きさ（縦×横×厚さ）が500μm×500μm×3μmのとき、1degreeのたわみ角を生じさせる圧力差は100Paなので、分解能は1Paとなる。以上より、カンチレバー部８の厚さは、0.03μm〜3μmとするのが好ましい。さらに、製作の容易さから、カンチレバー部８の厚さは、0.1μm〜1μmとするのがより好ましい。なお、カンチレバー部８の厚さは、SEM（走査型電子顕微鏡、Scanning Electron Microscope）で測定することができる。
次に、検知部５の製造方法について、図３を参照して説明する。

まず、Siからなる基板２０上にSiO₂からなる絶縁層２１を形成し、さらに、その絶縁層２１の上部にSiからなるシリコン層２２を形成することにより、基板２０と絶縁層２１とシリコン層２２からなる積層構造のSOIを形成する。次いで、シリコン層２２上に不純物をドーピングしてシリコン層２２の一部をN型もしくはP型半導体としたピエゾ抵抗層２３を形成する（図３（Ａ））。

次に、SOI上のピエゾ抵抗層２３の上に金属層２４をパターン形成し、その後、シリコン層２２とピエゾ抵抗層２３の一部をエッチングすることにより、上述したカンチレバー部８のヒンジ部１１を除いた外縁１２と連通路７内腔との間の隙間１３を形成する（図３（Ｂ））。なお、このとき、金属層２４の上面には、さらにレジスト（図示しない）を一部に対して形成しておく。

その後、金属層２４をさらにパターン形成し、レジスト（図示しない）が形成されていない部分を除去し、その後にレジストも除去することによって電極１４を形成する（図３（Ｃ））。そして、底面側から基板２０と絶縁層２１をエッチングして連通路７を形成することにより、カンチレバー部８を形成する（図３（Ｄ））。

このように形成された検知部５は、連通路７を開口３に合わせて、本体４の表面６に固定される（図１）。この場合、検知部５の連通路７と本体４の開口３とは一体となる。また、カンチレバー部８は、連通路７（および開口３）を流通する空気の流れを妨げるように、本体４に固定される。これにより、本体４に検知部５が固定された差圧センサ１は、カンチレバー部８の周縁と、連通路７内腔の間に形成された隙間１３を通じて、空気室２の内外に空気が流通し得る。

次に、上記のように構成された本実施形態に係る差圧センサ１の作用および効果について説明する。なお、以下の説明において、空気室２内の圧力を内圧（p_c）、本体４の外の圧力を外圧（p_bar）と呼ぶこととする。

まず、内圧（p_c）と外圧（p_bar）とが等しい場合、例えば、差圧センサ１が高さ方向において所定位置に一定時間保持されている場合、カンチレバー部８は変形しない（図１）。この場合の内圧（p_c）および外圧（p_bar）の圧力を基準圧（P₀）とする。

次いで、差圧センサ１を高さ方向に移動した場合、例えば、鉛直下方に移動させた場合、外圧（p_bar）は基準圧（P₀）に対し大きくなる。そうすると、内圧（p_c）と外圧（p_bar）の間に圧力差が生じる。すなわち、外圧（p_bar）が内圧（p_c）に対し大きくなる。したがって、圧力センサが鉛直方向に移動したとほぼ同時に、カンチレバー部８は、ヒンジ部１１を中心として下方に変形する（図４）。

次いで、空気室２内には、隙間１３を通じて外部から空気が流入し、内圧（p_c）が時間経過と共に上昇する。内圧（p_c）の上昇に伴い、カンチレバー部８の変形量が小さくなる。やがて内圧（p_c）が外圧（p_bar）と等しくなると、カンチレバー部８は元の変形していない状態へ戻る（図５）。

上記した時間経過に伴う内圧p_c(t)と外圧p_bar(t)との圧力差p(t)をグラフにしたのが図６である。まず、差圧センサ１が高さ方向において所定位置に一定時間保持されている状態を図６中Ａ（図１）とすると、p(t)=0となる。次いで、時間0において圧力センサを鉛直下方に移動させると、p(t)は上昇し、時間t₀において図６中Ｂとなる（図４）。そして、隙間１３を通じて外部から空気室２内へ空気が流入し、時間t₁において内圧（p_c）と外圧（p_bar）とが略等しくなりp(t)はほぼ0となる（図６中Ｃ、図５）。

本発明者らは、内圧（p_c）と外圧（p_bar）との圧力差ΔＰは、本図におけるp(t)=C_p×ΔR(t)/R（C_pは定数）で表される曲線と横軸とで囲まれた面積に相当し、数１により算出し得ることを見出した。

なお、ΔR(t)/Rはカンチレバー部８の抵抗変化率、Kは空気室２の容積とC_pに比例する定数である。

上記のように、本実施形態に係る差圧センサ１は、カンチレバー部８が連通路７内腔との間に隙間１３を設けて本体４に固定される構成としたから、ダイヤフラムを用いて空気室２を密閉する必要がある従来に比べ、簡素な構成で圧力変動を測定することができる。

また、本体４に形成された空気室２の内外を連通する連通路７内腔を塞ぐように設けられたカンチレバー部８により、空気室２内外の圧力差を検出するように構成したから、微少な圧力差でも容易にカンチレバー部８が変形するので、従来に比べ格段と分解能を向上することができる。具体的には、本実施形態に係る差圧センサ１は、0.1Pa以上の分解能を得ることができる。

このような本実施形態に係る差圧センサ１は、例えば、自動車用ナビゲーション装置に適用することができる。例えば、一般道路を走行している自動車が、当該一般道路から、当該一般道路上に設置された高架高速道路へ移った場合、一般道路と高架高速道路の高低差に基づく差圧を計測することにより、一般道路と高架高速道路のどちらを走行しているのかを判別し、ナビゲーション結果に反映させることができる。

また、本実施形態に係る差圧センサ１は、その他にも携帯電話用ナビゲーション装置に適用することにより、当該携帯電話を所持しているユーザの行動履歴を記録することができる。また、差圧センサ１は、マイクロホンに適用することもできる。マイクロホンとしては、携帯電話に適用することができ、この場合、ノイズキャンセラ用マイク及び音声用マイクにそれぞれ差圧センサ１を適用することができる。

差圧センサ１は、例えばドアの開閉や窓ガラスの破壊などに伴う室内の気圧変化を検出することも可能であることから、家や車の防犯装置として適用することができる。また、血圧測定器に適用することもできる。

（実施例１）
実際に、長さ200μm、幅160mm、厚さ0.3μmのカンチレバー部８を製造し、評価を行った。なお、ヒンジ部１１は、長さ40μm、幅25μmとした。このカンチレバー部８の共振周波数は、3.75kHzであった。このカンチレバー部８を図７に示す実験装置３０に設置した。

実験装置３０は、シリンダー３１と、当該シリンダー３１とカンチレバー部８を挟んで連通された第１のチャンバー３２と、当該第１のチャンバー３２とバルブ３３を介して連通された第２のチャンバー３４と、当該第２のチャンバー３４に圧縮空気を供給する圧縮機３５とを備える。第１のチャンバー３２および第２のチャンバー３４は、いずれも容積が3.5×10⁶mm³である。シリンダー３１には、ピストン３６が挿通されており、カンチレバーとの間の空気室２Ａの容積を適宜変更し得るように構成されている。カンチレバー部８は、隙間１３を10μmとした。

バルブ３３を閉じた状態における、空気室２Ａおよび第１のチャンバー３２内の圧力を基準圧とする。この状態で、第２のチャンバー３４に圧縮機３５から所定の圧力の空気を供給する。第２のチャンバー３４内の圧力が所定の圧力P1に達したら、バルブ３３を開く。これにより、第１のチャンバー３２内の圧力を、第２のチャンバー３４から供給された圧縮空気により上昇させ、圧力差ΔＰを生じさせる。

この実験装置３０において、空気室２Ａの容積を10³mm³に保持した状態で、第１のチャンバー３２に加える圧力P1を変化させ、圧力差ΔＰにおけるピエゾ抵抗層２３の抵抗変化と時間経過との関係を測定した（図８）。この結果から、本実施形態に係る差圧センサ１は、2.5Pa〜20Paまでの圧力差を検出できることが確認できた。

次いで、第１のチャンバー３２に一定の圧力P1を加えて圧力差ΔＰを10Paとし、空気室２Ａの容積を1×10³mm³〜10×10³mm³に変化させた場合の、ピエゾ抵抗層２３の抵抗変化と時間経過との関係を測定した（図９）。この結果から、本実施形態に係る差圧センサ１は、空気室２Ａの容積によってもピエゾ抵抗層２３の抵抗変化が変わり得ることが確認できた。これは、差圧センサ１の最適設計をする際の指針となり得る。

図１０は、空気室２Ａの体積を10³mm³とした場合の計測値から算出した値と、実際に加えた圧力差ΔＰとの関係を示すグラフである。この結果から、本実施形態に係る差圧センサ１では、定数Kが1.76×10³Paであることが確認できた。

図１１に、本実施形態に係る差圧センサ１を保持した状態で、１段の高さが180mmの階段を１１段昇ったときのピエゾ抵抗層２３の抵抗変化を測定した結果を示す。この結果から、本実施形態に係る差圧センサ１は、１１段全てにおいて、１段毎に大気圧の変化、すなわち差圧を検出可能であることを確認できた。

（実施例２）
厚さ0.3μmのカンチレバー部を有する差圧センサを作製し、圧力差ΔＰと、カンチレバー部の外縁と連通路内腔との間に形成された隙間毎の抵抗変化率を調べた（図１２）。差圧センサは、隙間がそれぞれ異なる、167.3μm、85.1μm、24.6μm、13.2μm、4.5μmの４種を用意した。この結果から、隙間が大きくなるにつれ、抵抗変化率が小さくなることが分かった。

図１３は上記図１２の結果に基づき、隙間と感度特性との関係を示す。ここで、感度特性は、測定される抵抗変化率を圧力差ΔＰで除した値とする。本図から、隙間が大きくなるにつれ、感度特性が低下することが分かった。

次に、各隙間毎に周波数特性を測定した。測定には図１４に示す実験装置４０を用いた。実験装置４０は、ネットワークアナライザ４１と、当該ネットワークアナライザ４１に接続されたアンプ回路４２、スピーカ４３、マイク４４とを備える。測定に用いる差圧センサ１は、アンプ回路４２を介してネットワークアナライザ４１に接続する。ネットワークアナライザ４１で生成した特定の周波数の音波をスピーカ４３から放音した。差圧センサ１は、スピーカ４３から放音された音波によってカンチレバー部８が振動し、抵抗が変化する。本装置４０では、アンプ回路４２によって抵抗の変化を増幅し、ネットワークアナライザ４１で測定した。同時に、スピーカ４３から放音された音波をマイク４４で測定した。

その結果を図１５に示す。本図に示すように、隙間１３が小さくなるにつれて周波数特性が平坦になることが確認できた。具体的には、差圧センサは、隙間１３が44.7μm以下であれば、100Hz〜7kHzの周波数特性が平坦になるといえ、マイク４４の測定結果と比較しても当該周波数の範囲内でマイクとして使用できることが確認できた。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

例えば、上記実施形態では、検知部５が本体４の表面６に固定されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、検知部５を本体４の上面を構成する部材と一体に形成することとしても良い。この場合、本体４の開口は、検知部５の連通路となる。

１ 差圧センサ
２ 空気室
３ 開口
４ 本体
５ 検知部
８ カンチレバー部
１２ 外縁
１３ 隙間
２３ ピエゾ抵抗層

Claims (5)

1. 空気室と、当該空気室の内外を連通する開口とが形成された本体と、
   前記開口に設けられた検知部と
   を備え、
   前記検知部は、前記開口を塞ぐように傾動可能に設けられたカンチレバー部を有し、
   前記カンチレバー部はピエゾ抵抗層が形成され、
   前記カンチレバー部の外縁と、前記開口の間に形成された隙間から、前記空気室の内外へ気体が流通するように構成されており、
   前記隙間は当該隙間を通って外部から前記空気室内に流入する気体の分子の平均自由行程の100倍以下であり、
   前記ピエゾ抵抗層の抵抗変化から、前記空気室の内外の差圧を検出する
   ことを特徴とする差圧センサ。
2. 前記隙間は7μm以下であることを特徴とする請求項１記載の差圧センサ。
3. 前記カンチレバー部の厚さが、0.03μm〜3μmであることを特徴とする請求項１又は２記載の差圧センサ。
4. 前記本体が形成された第１層と、前記検知部が形成された第２層とを積層して構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の差圧センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の差圧センサを備えたことを特徴とするマイク。