JP6144540B2 - Pressure sensor - Google Patents
Pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP6144540B2 JP6144540B2 JP2013117176A JP2013117176A JP6144540B2 JP 6144540 B2 JP6144540 B2 JP 6144540B2 JP 2013117176 A JP2013117176 A JP 2013117176A JP 2013117176 A JP2013117176 A JP 2013117176A JP 6144540 B2 JP6144540 B2 JP 6144540B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- cantilever
- pressure sensor
- cavity
- flow rate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 31
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 24
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 6
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 47
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 30
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 28
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 26
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 26
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 20
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 20
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 19
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 10
- 241001125929 Trisopterus luscus Species 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
本発明は、圧力差に基づいて、微細な圧力変動を検出する圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor that detects minute pressure fluctuations based on a pressure difference.
従来、圧力変動を検出する圧力センサ(「差圧センサ」ともいう)として、例えば、透孔又は凹部を有する基板と、通気孔を有する収納容器と、収納容器内に配設され、透孔又は凹部内で振動可能に基板に片持ち支持された圧電素子と、を具備した圧力センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a pressure sensor for detecting pressure fluctuation (also referred to as “differential pressure sensor”), for example, a substrate having a through hole or a recess, a storage container having a vent hole, and a storage container disposed in the storage container, There is known a pressure sensor including a piezoelectric element that is cantilevered by a substrate so as to vibrate in a recess (see, for example, Patent Document 1).
上記構成の圧力センサによれば、通気孔を介して収納容器内に伝わる圧力変動と、伝わった圧力変動に遅れて追従する透孔又は凹部内部の圧力と、の差圧の大きさに応じて圧電素子が変形する。その結果、上記圧力センサは、圧電素子に生ずる電圧変化に基づいて、収納容器に伝わる圧力変動を検出することが可能となる。 According to the pressure sensor having the above configuration, according to the magnitude of the differential pressure between the pressure fluctuation transmitted through the ventilation hole into the storage container and the pressure inside the through hole or the recess following the transmitted pressure fluctuation. The piezoelectric element is deformed. As a result, the pressure sensor can detect a pressure fluctuation transmitted to the storage container based on a voltage change generated in the piezoelectric element.
ところで、この種の圧力センサ(特許文献1に開示された圧力センサを含む)では、その用途に応じて仕様が決定され、その仕様を満たすべくセンサが設計される。このとき、圧力センサの仕様を決定する要因としては、例えば、圧電素子の形状、透孔又は凹部の容積、圧電素子と透孔又は凹部との隙間の形状、透孔又は凹部内部と外部との間を出入りする流量等があげられる。 By the way, in this type of pressure sensor (including the pressure sensor disclosed in Patent Document 1), the specification is determined according to the application, and the sensor is designed to satisfy the specification. At this time, factors that determine the specifications of the pressure sensor include, for example, the shape of the piezoelectric element, the volume of the through hole or the recess, the shape of the gap between the piezoelectric element and the through hole or the recess, and the inside and outside of the through hole or the recess. The flow rate that goes in and out can be raised.
また、圧力センサの性能を定める一つの要素として、例えば、圧力変動を検知可能な周波数帯域がある。圧力センサが検出可能な圧力変動の上限周波数は、圧電素子の共振周波数近傍であると考えられる。一方、下限周波数については、透孔又は凹部の容積を大きく、また透孔又は凹部内部と外部との間を出入りする流量を小さくするほど、下限周波数を低周波数化しやすいことが分かっている。圧力センサは、透孔又は凹部の容積が大きく、また透孔又は凹部内部と外部との隙間を狭い構成にすると、透孔又は凹部外部の圧力変動に対して、透孔又は凹部内部の圧力変動の遅れ時間が長くなるためである。 Further, as one element that determines the performance of the pressure sensor, for example, there is a frequency band in which pressure fluctuation can be detected. The upper limit frequency of pressure fluctuation that can be detected by the pressure sensor is considered to be in the vicinity of the resonance frequency of the piezoelectric element. On the other hand, as for the lower limit frequency, it has been found that the lower limit frequency tends to be lowered as the volume of the through hole or recess is increased and the flow rate between the inside and outside of the through hole or recess is reduced. When the pressure sensor has a large volume of the through hole or the recess and the gap between the inside of the through hole or the recess and the outside is narrow, the pressure fluctuation in the through hole or the recess is in contrast to the pressure fluctuation outside the through hole or the recess. This is because the delay time becomes longer.
つまり、透孔又は凹部外部の圧力が非常にゆっくりと変動しても、この圧力変動以上に透孔又は凹部内部の圧力が遅れて変動する。このため、外部の圧力と透孔又は凹部内部の圧力との差圧が得られ、圧力センサの出力を得ることができる。
このように非常にゆっくりとした圧力変動を検出でき、かつ小型構成の圧力センサを実現するには、透孔又は凹部内部と外部との隙間を非常に狭く構成する必要があった。
That is, even if the pressure outside the through hole or the recess fluctuates very slowly, the pressure inside the through hole or the recess fluctuates more than this pressure fluctuation. For this reason, the differential pressure | voltage between an external pressure and the pressure inside a through-hole or a recessed part is obtained, and the output of a pressure sensor can be obtained.
In order to realize such a pressure sensor that can detect a very slow pressure fluctuation and has a small configuration, it is necessary to configure the gap between the through hole or the recess and the outside very narrow.
ところが、この透孔又は凹部内部と外部との隙間を非常に狭く構成するには、圧電素子と透孔又は凹部を有する基板とを非常に高い寸法精度で形成した後、非常に高い位置精度で相互を接着もしくは接合する必要がある。また、例えば、圧電薄膜等を用いて透孔又は凹部を有する基板と一体で形成する構成にすると、圧電薄膜で片持ち梁構成を形成時に、内部応力が残留し、厚さ方向に湾曲することが多い。このため、片持ち梁の表面方向における透孔又は凹部内部と外部との隙間は非常に小さくできても、厚さ方向の隙間が大きくなり、下限周波数を低周波数化できないという課題があった。 However, in order to form a very narrow gap between the inside and outside of the through hole or recess, the piezoelectric element and the substrate having the through hole or recess are formed with very high dimensional accuracy, and then with very high positional accuracy. It is necessary to bond or bond each other. For example, if the piezoelectric thin film or the like is used to form a single body with a substrate having a through hole or a recess, internal stress remains when the cantilever structure is formed with the piezoelectric thin film, resulting in bending in the thickness direction. There are many. For this reason, even if the gap between the inside or outside of the through hole or the recess in the surface direction of the cantilever can be made very small, the gap in the thickness direction becomes large and the lower limit frequency cannot be lowered.
また、圧電薄膜の変形がなくても、外部の圧力が上昇する場合と、低下する場合とでは、透孔又は凹部の側壁の有無により外部との空気流量が異なる。つまり、図17に示す圧力センサ100のように、圧電素子110は、外部の圧力が上昇すると透孔又は凹部120の内部方向へと変形し、圧力が低下すると反対側へと変形する。そして、圧力の変化幅が同じであれば、圧電素子110の先端は上下で同じだけ変位する。ただし、透孔又は凹部120と外気との流量は、例えば図17に示すように、透孔又は凹部120の側壁の有無により、圧力上昇時に比べて圧力低下時のほうが大きくなる。このため、図18(A)(B)に示すように、流量が大きいほど外気と透孔又は凹部120内部との差圧が維持される時間が短くなる。そして。圧力センサ110の出力は、外気と透孔又は凹部内部との差圧に比例するため、外気の圧力変化量が同じであっても、流量が大きいほど圧力センサの出力が小さくなる。このため、従来の圧力センサでは、外部の圧力が上昇する場合と低下する場合とでセンサ感度が異なるという課題もあった。
Even if there is no deformation of the piezoelectric thin film, the flow rate of air from the outside differs depending on the presence or absence of the through holes or the side walls of the recesses when the external pressure increases and when it decreases. That is, like the
そこで本発明は、検出可能な圧力変動の下限周波数を低周波数化でき、外部の圧力変動が上昇する場合と低下する場合とでセンサの検出感度を等しくできる小型の圧力センサを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has an object to provide a small pressure sensor that can lower the lower limit frequency of the detectable pressure fluctuation and can equalize the detection sensitivity of the sensor when the external pressure fluctuation rises and falls. And
上記課題を解決するため、本発明の圧力センサの第1の特徴は、圧力変動を検出する圧力センサであって、キャビティを有するセンサ本体と、前記キャビティを封止するように配置され、先端部が前記センサ本体との間に前記キャビティの内外に空気を流通させるためのギャップを形成するように片持ち状に支持され、前記キャビティの内外における圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、前記ギャップを流通する空気量が、前記カンチレバーの変形によって変化することを抑制するための流量制御部と、を有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、カンチレバーが変形しても、キャビティ内外の圧力伝達媒体の流量が急激に増加しないため、キャビティ内外の差圧を長時間維持でき、非常にゆっくりとした圧力変動でも高感度に検出することが可能となる。さらに、気圧変動が上昇時もしくは下降時でも、キャビティ内外を流通する圧力伝達媒体の流量を一定にできるため、気圧上昇時及び下降時の圧力センサの感度を一定にすることができる。さらに、大きな圧力変動が加わり、カンチレバーの変位が大きくなっても、圧力伝達媒体の流量の上昇を抑えられるため、広い範囲の圧力変動でセンサ出力信号の線形性を維持できる。
In order to solve the above-mentioned problem, a first feature of the pressure sensor of the present invention is a pressure sensor for detecting pressure fluctuations, which is arranged to seal the cavity with a sensor body having a cavity, and a tip portion. A cantilever that is supported in a cantilever shape so as to form a gap for allowing air to flow in and out of the cavity between the sensor body and the cantilever to bend and deform according to a pressure difference between the inside and outside of the cavity, and the cantilever The gist of the invention is to include a displacement measuring unit that measures a displacement according to the bending deformation of the gas, and a flow rate control unit for suppressing the amount of air flowing through the gap from being changed by the deformation of the cantilever.
According to this feature, even if the cantilever is deformed, the flow rate of the pressure transmission medium inside and outside the cavity does not increase abruptly, so the differential pressure inside and outside the cavity can be maintained for a long time, and high sensitivity can be achieved even with very slow pressure fluctuations. It becomes possible to detect. Furthermore, since the flow rate of the pressure transmission medium flowing inside and outside the cavity can be made constant even when the pressure fluctuation rises or falls, the sensitivity of the pressure sensor when the pressure rises and falls can be made constant. Furthermore, even if a large pressure fluctuation is applied and the displacement of the cantilever increases, the increase in the flow rate of the pressure transmission medium can be suppressed, so that the linearity of the sensor output signal can be maintained over a wide range of pressure fluctuations.
さらに、本発明の圧力センサの第2の特徴は、前記流量制御部は、前記キャビティの外部側かつ前記ギャップの外端近傍に設置され、前記カンチレバーの厚み方向に沿って延伸した側面を有する壁部からなることを要旨とする。
かかる特徴によれば、非常に簡易な構造で流量制御部を形成できるため、圧力センサを安価に製造できる。また、カンチレバーが製造時に上下どちらに変形していても、変形量に関わらず圧力伝達媒体の流量が大きく増加しないため、気圧の上昇もしくは下降時の圧力センサの感度を等しくすることができる。
Furthermore, a second feature of the pressure sensor according to the present invention is that the flow rate control unit is installed on the outer side of the cavity and in the vicinity of the outer end of the gap, and has a side wall extending along the thickness direction of the cantilever. The main point is that it consists of parts.
According to this feature, the flow rate control unit can be formed with a very simple structure, so that the pressure sensor can be manufactured at low cost. Even if the cantilever is deformed up and down at the time of manufacture, the flow rate of the pressure transmission medium does not increase greatly regardless of the amount of deformation, so that the sensitivity of the pressure sensor when the atmospheric pressure increases or decreases can be made equal.
さらに、本発明の圧力センサの第3の特徴は、前記壁部の側面は、前記キャビティの内部における圧力が外部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを特徴とすることを要旨とする。
かかる特徴によれば、カンチレバーの変形量に関わらず圧力伝達媒体の流量をほぼ一定に保つことができるため、気圧の上昇もしくは下降時の圧力センサの感度を等しくすることができる。
Furthermore, a third feature of the pressure sensor according to the present invention is that the side surface of the wall section is vertically cut along a trajectory due to deformation of the tip of the cantilever when the pressure inside the cavity is larger than the pressure outside. The gist of the invention is that it is formed in an arc shape in a plan view.
According to such a feature, the flow rate of the pressure transmission medium can be kept substantially constant regardless of the deformation amount of the cantilever, so that the sensitivity of the pressure sensor when the atmospheric pressure increases or decreases can be made equal.
さらに、本発明の圧力センサの第4の特徴は、前記カンチレバーは、一部に通気孔を有するカバー部で覆われてなることを要旨とする。
かかる特徴によれば、外部からの接触等によりカンチレバーの破損を防止することが可能となる。
Furthermore, the fourth feature of the pressure sensor according to the present invention is that the cantilever is covered with a cover part having a vent hole in a part thereof.
According to such a feature, it is possible to prevent the cantilever from being damaged by contact from the outside.
さらに、本発明の圧力センサの第5の特徴は、前記通気孔を覆うように防水透湿フィルムを設けることを要旨とする。
かかる特徴によれば、圧力センサ内部に水滴が侵入せず、水滴付着による破損、電気短絡による破損等を防止できる。また、圧力センサに水滴がかかる環境でも、圧力伝達媒体だけが圧力センサ内外を流動できるため、正確な圧力変化を検出することが可能となる。
Furthermore, the fifth feature of the pressure sensor of the present invention is that a waterproof and moisture permeable film is provided so as to cover the vent hole.
According to this feature, water droplets do not enter the pressure sensor, and damage due to adhesion of water droplets, damage due to electrical short-circuiting, and the like can be prevented. Further, even in an environment where water droplets are applied to the pressure sensor, only the pressure transmission medium can flow inside and outside the pressure sensor, so that an accurate pressure change can be detected.
さらに、本発明の圧力センサの第6の特徴は、通気孔は、前記カンチレバーの直上からずれた位置に設けられることを要旨とする。
かかる特徴によれば、外部から浮遊する塵などが圧力センサ内部に侵入し、気圧計測用カンチレバーの破損や、塵等の付着による感度低下を防止することが可能となる。
Furthermore, the sixth feature of the pressure sensor of the present invention is summarized in that the vent hole is provided at a position shifted from directly above the cantilever.
According to such a feature, it is possible to prevent dust floating from the outside from entering the inside of the pressure sensor, preventing damage to the atmospheric pressure measurement cantilever and lowering of sensitivity due to adhesion of dust or the like.
さらに、本発明の圧力センサの第7の特徴は、前記壁部は、前記キャビティの内部側へ延伸した第2の側面を有し、当該第2の側面は、前記キャビティの外部における圧力が内部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを要旨とする。
かかる特徴によれば、キャビティの外部における圧力が内部における圧力よりも大きい場合における圧力伝達媒体の流量が、カンチレバーの変形量によらず一定量となるので、圧力センサの感度を一層高めることができる。
Further, according to a seventh feature of the pressure sensor of the present invention, the wall portion has a second side surface extending to the inner side of the cavity, and the second side surface has an internal pressure outside the cavity. The gist of the present invention is that it is formed in an arc shape in a longitudinal sectional view along a trajectory due to deformation of the tip of the cantilever when the pressure is larger than the pressure at the top.
According to such a feature, since the flow rate of the pressure transmission medium when the pressure outside the cavity is larger than the pressure inside the cavity is constant regardless of the amount of deformation of the cantilever, the sensitivity of the pressure sensor can be further increased. .
本発明は、検出可能な圧力変動の下限周波数を低周波数化でき、外部の圧力変動が上昇する場合と低下する場合とでセンサの検出感度を等しくできる小型の圧力センサを提供できる。 The present invention can provide a small pressure sensor that can reduce the lower limit frequency of the detectable pressure fluctuation, and can equalize the detection sensitivity of the sensor when the external pressure fluctuation increases and decreases.
以下、本発明に係る圧力センサの実施形態について図面を参照して説明する。
(第一の実施形態)
(全体構成)
図1は本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ1の構成を示す平面図である。図2は、図1中に示すA−A線に沿った圧力センサ1の断面図である。
Hereinafter, embodiments of a pressure sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
(overall structure)
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a
第一の実施形態の圧力センサ1は、図1及び図2に示すように、所定の周波数帯域(例えば、0.05Hz〜10kHz)の圧力変動を検出するセンサであって、センサ本体3と、センサ本体3の上部に配設された気圧計測用カンチレバー4と、一端が気圧計測用カンチレバー4と対向するように配設された蓋部12と、気圧計測用カンチレバー4の変位を測定するための変位測定部5と、蓋部12の上部に配設された流量制御部11と、を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
センサ本体3は、内部に空隙部分であるキャビティ10の形成された箱状の部材である。センサ本体3は、例えば、キャビティ10を構成する樹脂材よりなる第1の部分31と、第1の部分31上に配置され、かつ後述のシリコン支持層2a、及びシリコン酸化膜等の酸化層2bよりなる第2の部分32と、を有する。
The sensor
気圧計測用カンチレバー4は、例えば、シリコン支持層2a、シリコン酸化膜等の酸化層2b、及びシリコン活性層2cを熱的に張り合わせたSOI基板2を加工することで形成される。具体的には、気圧計測用カンチレバー4は、気圧計測用カンチレバー4は、SOI基板2を構成するシリコン活性層2cよりなり、平板状のシリコン活性層2cより、平面視コ字状に形成されたギャップ13を切り出した形状からなる。
これにより、気圧計測用カンチレバー4は、基端部4aを固定端とし、蓋部12と対向する側の端部である先端部4bを自由端とした片持ち梁構造となる。
The atmospheric
As a result, the atmospheric
また、気圧計測用カンチレバー4は、センサ本体3に形成されたキャビティ10の上面を囲うよう配置される。つまり、気圧計測用カンチレバー4は、キャビティ10の開口を略閉塞している。
気圧計測用カンチレバー4は、基端部4aを介してセンサ本体3に第2の部分32上に対して一体的に固定されることで、片持ち支持される。これにより、気圧計測用カンチレバー4は、基端部4aを中心としてキャビティ10の内部と外部との圧力差に応じた撓み変形が可能となる。
The atmospheric
The atmospheric
気圧計測用カンチレバー基端部4aには、気圧計測用カンチレバー4が撓み変形しやすいように、平面視コ字状の貫通孔15が形成される。ただし、この貫通孔15の形状は、気圧計測用カンチレバー4の撓み変形を容易にする形状ならば、上記コ字状に限定されるものではない。
蓋部12は、キャビティ10の上方に位置し、ギャップ13を介して、気圧計測用カンチレバー4の周囲に配置される。当該蓋部12は、シリコン活性層2cで構成される。
A through-
The
流量制御部11(壁部)は、蓋部12上面かつギャップ13外周近傍に配置される。流量制御部11は、平面視コ字状の形状をしており、特にコ字内側の側壁は蓋部12の表面に対して略垂直の側面(気圧計測用カンチレバー4の厚み方向に亘って延伸した形状)を有する。つまり、コ字内側の側壁流量制御部11は、絶縁性の高アスペクトを実現できるMEMS用レジスト(例えば、ドライフィルムやSU−8等)で構成されている。
The flow control unit 11 (wall portion) is disposed on the upper surface of the
変位測定部5は、気圧計測用カンチレバー4の撓み量(変位量)に応じて電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗20と、この電気抵抗値変化を取り出す検出回路22から構成されている。図1に示すように、ピエゾ抵抗20は、気圧計測用カンチレバー4の短手方向において、貫通孔15を挟んだ両側に対となって配置されている。
これら一対のピエゾ抵抗20は、導電性材料からなる配線部21を介して相互に電気的に接続されている。
The
The pair of
この配線部21及びピエゾ抵抗20を含む全体的な形状は、例えば図1に示すように平面視U字状とすることができるが、別の配置形状としても勿論よい。また、ピエゾ抵抗20には、ピエゾ抵抗20の電気抵抗値変化に基づいて気圧計測用カンチレバー4の変位を測定する検出回路22が電気的に接続されている。
The overall shape including the
上記構成とされた変位測定部5において、検出回路22を通じてピエゾ抵抗20に所定電圧が印加された際に発生する電流は、貫通孔15を回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗20から配線部21を経由して他方のピエゾ抵抗20に流れる。
このため、検出回路22は、気圧計測用カンチレバー4の変位(撓み変形)に応じて変化するピエゾ抵抗20の電気抵抗値変化を、電気的な出力信号として取り出すことが可能となる。
In the
For this reason, the
したがって、変位測定部5は、検出回路22の出力信号(センサ出力)に基づいて、気圧計測用カンチレバー4の変位を測定することが可能である。つまり、変位測定部5は、キャビティ10の内部と外部との差圧に基づいて気圧計測用カンチレバー4が変形するため、キャビティ10外部の気圧変化を出力信号として取り出すことができる。
なお、上記ピエゾ抵抗20は、例えば、イオン注入法や拡散法等の各種方法により、リン等のドープ剤(不純物)をシリコン活性層2cにドーピングすることで形成される。
Therefore, the
The
また、一対のピエゾ抵抗20は、配線部21のみで電気的導通するよう構成されている。このため、図示していないが、気圧計測用カンチレバー4の周囲に位置するシリコン活性層2cは、配線部21以外でピエゾ抵抗20双方が導通しないようにエッチングされている。
なお、上記ピエゾ抵抗20に替えて、圧電薄膜を用いてもよい。この場合、気圧計測用カンチレバー4の基端部4bに加わる応力に応じて起電力が発生し、この起電力を検出することで、気圧計測用カンチレバー4の変位を検出することが可能となる。
In addition, the pair of
Note that a piezoelectric thin film may be used instead of the
(圧力センサの動作)
次いで、図3及び図4を用いて本実施形態に係る圧力センサ1が微小な圧力変動を検出した際の当該圧力センサ1の動作について説明する。ここで、図3は、図1に示す圧力センサ1の出力の一例を模式的に示す図であり、(A)はキャビティ内外の圧力の経時変化を、(B)は圧力センサの出力の経時変化をそれぞれ表す。また、図4は、図1に示す圧力センサの動作の一例を模式的に示す断面図であり、(A)は初期状態の圧力センサの断面図を、(B)はキャビティ外部の圧力が内部の圧力より高い場合の圧力センサの断面図を、(C)はキャビティ内外の圧力が同じに戻ったときの圧力センサの断面図をそれぞれ表す。なお、図4において、圧力センサ1を構成する検出回路22の図示を省略する。
(Pressure sensor operation)
Next, the operation of the
初めに、図3(A)に示す期間Aのように、キャビティ10外部の圧力(以下、「外圧Pout」)と、キャビティ10内部の圧力(以下、「内圧Pin」)との差がゼロである場合には、図4(A)に示すように、気圧計測用カンチレバー4は撓み変形しない。
ここで、図3(A)に示す時刻t1以降の期間Bのように、例えば、外圧Poutがステップ状に上昇すると、キャビティ10外部と内部との間に差圧が生じるため、図4(B)に示すように、気圧計測用カンチレバー4はキャビティ10内部に向けて撓み変形する。
First, as in period A shown in FIG. 3A, the difference between the pressure outside the cavity 10 (hereinafter “external pressure Pout”) and the pressure inside the cavity 10 (hereinafter “internal pressure Pin”) is zero. In some cases, as shown in FIG. 4A, the
Here, as in the period B after time t1 shown in FIG. 3A, for example, when the external pressure Pout rises stepwise, a differential pressure is generated between the outside and the inside of the
気圧計測用カンチレバー4の撓み変形に応じてピエゾ抵抗20に歪が生じ、電気抵抗値が変化するので、図3(B)に示すように、圧力センサ1の出力信号が増大する。
また、外圧Poutの上昇以降において、ギャップ13を介してキャビティ10の外部から内部へと圧力伝達媒体が徐々に流動する。このため、図3(A)に示すように、内圧Pinは時間の経過とともに、外圧Poutに遅れながら、かつ外圧Poutの変動よりも緩やかな応答で上昇する。
Since the
Further, after the increase of the external pressure Pout, the pressure transmission medium gradually flows from the outside to the inside of the
その結果、内圧Pinが外圧Poutに徐々に近づくので、キャビティ10の外部と内部との圧力が均衡状態になり、気圧計測用カンチレバー4の撓みが徐々に小さくなり、図3(B)に示すように上記出力信号が徐々に低下する。
そして、図3(A)に示す時刻t2以降の期間Cのように、内圧Pinが外圧Poutと同じになると、図4(C)に示すように、気圧計測用カンチレバー4の撓み変形が解消されて元の状態に復帰する。さらに、図3(B)に示すように、圧力センサ1の出力信号もゼロに回帰する。
As a result, the internal pressure Pin gradually approaches the external pressure Pout, so that the pressure between the outside and the inside of the
When the internal pressure Pin becomes the same as the external pressure Pout as in the period C after time t2 shown in FIG. 3A, the bending deformation of the atmospheric
このように、気圧計測用カンチレバー4の変位に基づいた出力信号の変動をモニタすることで、キャビティ10外部の圧力変動を検出することができる。
特に、SOI基板2のシリコン活性層2cを利用して半導体プロセス技術により気圧計測用カンチレバー4を形成できるので、従来の圧電素子に比べて薄型化(例えば数十から数百nm厚)しやすい。したがって、微小な圧力変動の検出を精度よく行うことができる。
Thus, by monitoring the fluctuation of the output signal based on the displacement of the atmospheric
In particular, since the barometric
(流量制御部の機能)
次に、流量制御部11の機能について以下に説明する。
図5は、ギャップ13内外の差圧と、差圧によってキャビティ10内外を流動する圧力伝達媒体の流量と、の関係を示す図である。ここで、図5の横軸は差圧=外圧Pout−内圧Pin、縦軸はキャビティ10内に流れ込む圧力伝達媒体の単位時間当たりの容積(流量)を示している。また、図5において、実線は圧力センサに流量制御部11が備わる場合(本実施形態に係る圧力センサ1)、破線は圧力センサに流量制御部11を設けない場合(従来の圧力センサ)、の差圧と流量の関係を示す。
(Function of flow control unit)
Next, the function of the
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure difference inside and outside the
図5に示すように、流量制御部11の有無に関わらず、キャビティ10内外を流動する圧力伝達媒体の流量は、差圧がゼロから離れるほど大きくなり、徐々に飽和する曲線を描く。ただし、その差圧に対する流量の増加傾向は、流量制御部11の有無により異なる。具体的には、流量制御部11を設けない構成の場合、キャビティ10外に流れ出す流量は、差圧が負方向に大きくなる方が、差圧が正方向に大きくなる場合に比較して、非常に大きくなる。これは、図6(A)に示すように、気圧計測用カンチレバー4の変形によるものである。つまり、差圧が負方向(Pout<Pin)の場合、気圧測定用カンチレバー4はキャビティ10外側に変形し、差圧が正方向(Pout>Pin)の場合、キャビティ10内側に変形する。そして、正方向の差圧が発生する場合(気圧測定用カンチレバー4がキャビティ10内側方向へ変形する場合)、キャビティ10内壁と気圧測定用カンチレバー4との間を抜けて圧力伝達媒体が流動する。一方、負方向の差圧が発生する(気圧測定用カンチレバー4がキャビティ10外側へ変形する)場合、圧力伝達媒体は、気圧計測用カンチレバー4と蓋部12との間を流動する。ここで、キャビティ10内外を流動する圧力伝達媒体の流量は、正方向の差圧が発生する場合、キャビティ10内壁に阻まれて急激に増加することはないが、負方向の差圧が発生する場合、気圧計測用カンチレバー4と蓋部12との隙間が開くにしたがって、急激に増加することとなる。つまり、流量制御部11の備わる圧力センサ1では、たとえしたがって、差圧の正負によりキャビティ10内外を流動する圧力伝達媒体の流量が異なるため、差圧の正負で圧力センサの感度が異なることとなる。
As shown in FIG. 5, regardless of the presence or absence of the flow
一方、圧力センサ1に流量制御部11を設けた場合、図6(B)に示すように、負方向の差圧が発生する場合(気圧計測用カンチレバー4がキャビティ10外側へ変形する場合)では、気圧測定用カンチレバー4と蓋部12の上部に設けられた流量制御部11との間を抜けて、圧力伝達媒体が流動することとなる。つまり、流量制御部11を備える圧力センサ1は、気圧計測用カンチレバー4がキャビティ10外側へ変形するにつれて、蓋部12と気圧計測用カンチレバー4との間隙が増大したとしても、流量制御部11により圧力伝達媒体の流動量を規制することができるので、図5に示されるように流量制御部11を有さない圧力センサに比べて流量の増大を防止することができる。このため、本実施形態に係る圧力センサ1では、差圧が正負どちらでも、圧力伝達媒体の流量に大きな変化を生じさせないので、差圧が正負何れであっても圧力センサの感度を維持することができる。
On the other hand, when the flow
さらに、圧力センサ1は、流量制御部11を設けることで、図5の実線で示されるように、差圧と流量とが線形性を保つ差圧範囲が広くなる。このため、圧力センサ1は、感度が線形性を有する差圧範囲を広くすることができる。
また、圧力センサ1は、製造上の理由で、差圧がゼロでも気圧測定用カンチレバー4が平坦はなく、変形している場合においても、差圧に対する流量の増加が抑えられるため、差圧が正負どちらに変化しても、感度を等しく維持できる。
Furthermore, the
Further, the
(製造方法)
次いで、上述の圧力センサ1の製造方法について説明する。ここで、図7は、図1に示す圧力センサ1の製造工程を模式的に示す図である。
まず、SOI基板2のシリコン活性層2c表面にリンM1をイオン注入法でドーピングする。このとき、リンM1は、シリコン活性層2cの不要な領域をマスクされた状態で注入される。さらに、リンM1は、シリコン活性層2cの厚さ方向に一様の濃度となるよう注入されるのではなく、シリコン活性層2cの表面近傍が最も濃度が高くなるよう注入される(図7(A))。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
First, phosphorus M1 is doped on the surface of the silicon active layer 2c of the
次に、シリコン活性層2c上面にクロム及び金M2を蒸着し、パターニングする(図7(B))。
次に、図7(B)にてパターニングしたクロム及び金M2をマスクとして、シリコン活性層2cをエッチングする(図7(C))。
Next, chromium and gold M2 are vapor-deposited on the upper surface of the silicon active layer 2c and patterned (FIG. 7B).
Next, the silicon active layer 2c is etched using the chromium and gold M2 patterned in FIG. 7B as a mask (FIG. 7C).
次に、シリコン活性層2c表面のクロム及び金M2の不要な領域をエッチングする(図7(D))。
次に、シリコン活性層2c上面に、ドライレジストフィルムM3を貼付し、現像、露光し、気圧計測用カンチレバー周囲のギャップ外周内部を取り除いた構造を作製する(図7(E))。
Next, unnecessary regions of chromium and gold M2 on the surface of the silicon active layer 2c are etched (FIG. 7D).
Next, a dry resist film M3 is pasted on the upper surface of the silicon active layer 2c, developed, and exposed to produce a structure in which the inner periphery of the gap around the cantilever for atmospheric pressure measurement is removed (FIG. 7E).
その後、シリコン支持層2a表面にレジストM4を塗布し、現像及び露光処理を行い、シリコン支持層2aと酸化層2bをエッチングする(図7(F))。これにより、気圧計測用カンチレバー4が形成される。
さらに、ドライレジストフィルムM3上面のレジストを除去し、センサ本体3の第一の部分31に形成された凹部との位置合わせを行い、センサ本体3の第一の部分31と接合もしくは接着する(図示省略)。
最後に、SOI基板2上に形成された気圧計測用カンチレバー4と変位測定部5とを電気的に接続することで、圧力センサ1が形成される(図示省略)。
Thereafter, a resist M4 is applied to the surface of the silicon support layer 2a, development and exposure processing are performed, and the silicon support layer 2a and the oxide layer 2b are etched (FIG. 7F). Thereby, the
Further, the resist on the upper surface of the dry resist film M3 is removed, alignment with the concave portion formed in the
Finally, the
上記製造方法により、圧力センサ1を製造することで、気圧計測用カンチレバー4の裏面側にキャビティを設け、かつ気圧計測用カンチレバー4の周囲に非常に狭い寸法でギャップを構成できる。その上、ギャップの外周近傍に垂直壁構造を有する流量制御部11を形成することができるため、広い圧力範囲で線形性の高い出力信号を得ることができる。また、製造プロセス時に生じる内部応力により、気圧計測用カンチレバー4を平坦に形成できなくとも、気圧の上昇もしくは下降時において、同じ感度特性での出力信号を得ることが可能となる。
By manufacturing the
なお、製造工程において、不純物はリンM1に限られるものではなく、不純物半導体に用いる不純物、例えば、ホウ素、ヒ素であってもよい。また、SOI基板全面に不純物を注入して、周囲の適切な領域に電極を形成することで、必要な領域のみがピエゾ抵抗として機能するようにしてもよい。この場合、ピエゾ抵抗同士が導通しないよう、シリコン活性層2cに溝16を形成する必要がある。
In the manufacturing process, the impurity is not limited to phosphorus M1, but may be an impurity used for the impurity semiconductor, such as boron or arsenic. Alternatively, impurities may be implanted into the entire surface of the SOI substrate and electrodes may be formed in appropriate surrounding areas so that only necessary areas function as piezoresistors. In this case, it is necessary to form the
そして、第一の実施形態の圧力センサ1は、以下の各種用途に適用することができる。第一の実施形態の圧力センサ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可能である。この場合、自動車用ナビゲーション装置は、例えば、圧力センサ1を利用して高低差に基づく圧力差を検出することが可能となるので、自動車用ナビゲーション装置が搭載された自動車が高架道路と高架下道路との何れを走行中であるかを正確に判断できる。つまり、圧力センサ1を備える自動車用ナビゲーション装置は、上記判断をナビゲーション結果に反映させることで、一層正確なナビゲーション情報をユーザに提供することができる。
And the
さらに、第一の実施形態の圧力センサ1は、例えば、携帯用ナビゲーション装置に適用することも可能である。この場合、上記圧力センサ1を用いた携帯用ナビゲーション装置は、例えば、圧力センサ1を利用して高低差に基づく圧力差を検出することができるので、装置携帯者が建物内の何階に位置しているのかを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。また、携帯用ナビゲーション装置は、階数移動にエレベーターを利用したか、階段を利用したか等の詳細な上下動も圧力変化から判別できる。このため、携帯用ナビゲーション装置は、階数移動による装置携帯者の消費エネルギーを正確に測定することが可能となる。
Furthermore, the
また、携帯用ナビゲーション装置は、エレベーターの移動のような大きな圧力変化でも、階段昇降移動のような微小な圧力変化でも、精度よく高低差を検出することができる。
このように、第一の実施形態の圧力センサ1は、各種用途に適用することが可能であり、気圧変動の上下動によらず、線形性の高い出力信号を得ることができる。
In addition, the portable navigation device can detect the level difference with high accuracy even with a large pressure change such as movement of an elevator or a small pressure change such as moving up and down stairs.
As described above, the
(第二の実施形態)
以下、本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ1について説明する。
なお、前述の第一の実施形態に係る圧力センサ1と同等の構成及び機能については符号を同一とし、説明を省略する。
図8は、本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ1の構成を示す断面図である。
(Second embodiment)
Hereinafter, the
In addition, about the structure and function equivalent to the
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the
圧力センサ1は、図8に示すように、キャビティ10を有するセンサ本体3、気圧計測用カンチレバー4、変位測定部5、流量制御部11から構成されている。
本実施形態に係る圧力センサ1の第一の実施形態との相違点は、センサ本体3内部に気圧計測用カンチレバー4を設けた点である。
As shown in FIG. 8, the
The difference of the
センサ本体3は、略凹状の形状を有する第1の部分31と、SOI基板の酸化層2b及びシリコン支持層2aからなる第2の部分32と、配線基板33とを有する。また、このセンサ本体3で略閉塞された空間がキャビティ10を構成する。
また、圧力センサ1は、上述の第一の実施形態と同様に、気圧計測用カンチレバー4周囲のギャップ13外周近傍に、凹状の側壁を有する流量制御部11を備える。
The
Moreover, the
ここで、気圧計測用カンチレバー4を形成したSOI基板は、配線基板33上に実装され、基板上に構成された配線3eと接続される。同様に、配線基板33上に実装された検出回路22と、この配線3eを経由して気圧計測用カンチレバー4とが電気的に接続されている。
Here, the SOI substrate on which the atmospheric
なお、配線基板33には、当該配線基板33を貫通する通気孔34が設けられており、この通気孔34の上方に気圧計測用カンチレバー4を構成するSOI基板2を設置している。さらに、通気孔34とSOI基板2との間には、防水透湿フィルム35が設けられる。
The
防水透湿フィルム35は、多孔質の樹脂フィルムであり、水滴は透過しないが、水蒸気や圧力伝達媒体に対して透過性を有する素材で構成されている。そのため、この防水透湿フィルム35と気圧計測用カンチレバー4周囲のギャップ13を経由して、圧力伝達媒体がキャビティ10内外を流通できるため、前述の第一の実施形態と同様に、圧力センサ1は、キャビティ10外部の圧力変動を検出することができる。
The waterproof and moisture
さらに、前述の第一の実施形態と同様、流体制御部11により、気圧計測用カンチレバー4が上下どちらに変形しても、ギャップ13を移動する圧力伝達媒体の流量が大きく変化しない。このため、広い圧力範囲でも線形性の高い出力信号を得ることができる。
なお、凹状の側壁を有する流体制御部11は、半導体プロセス等で製造しにくい形状であるため、樹脂等で成形した部材を、気圧計測用カンチレバー4を形成したSOI基板2に接着もしくは接合してもよい。
Further, as in the first embodiment described above, the flow rate of the pressure transmission medium moving through the
Since the
また、圧力センサ1は、防水透湿フィルム35が設けられることで、圧力センサ1外部に水滴が付着するような使用環境下にあっても、水がキャビティ内部に侵入することなく、気圧計測用カンチレバー4の破損や変位測定部5の短絡等を防止することができる。 また、気圧計測用カンチレバー4は、防水透湿フィルム35等で覆われた構造となっているため、外部からの接触などにより、気圧計測用カンチレバー4の破損を防止することができる。
Further, the
(変形例1)
第二の実施形態に係る圧力センサ1は、配線基板33の通気孔34と気圧計測用カンチレバー4を同一直線上に配置しない構成も可能である。ここで、当該同一直線上に配置しない構成からなる圧力センサ1の例(変形例1)を図9に示す。図9に示す圧力センサ1において、気圧計測用カンチレバー4と通気孔34とは、上下方向にわたって非直線上に配置されてなる。また、図9に示す圧力センサ1において、流量制御部11は、正方向の差圧が発生する際のカンチレバー4の変形時における先端部の軌跡に沿って、断面視円弧状に加工されている。そのため、圧力センサ1は、このような構成にすることで、防水透湿フィルムを設けなくとも、キャビティ10外部を浮遊する塵等は、直接気圧計測用カンチレバー4に接触する前に、シリコン支持層2aに設けた孔や溝の側壁と衝突することで、気圧計測用カンチレバー4の破損や塵の付着による感度低下を抑制することができる。また、流量制御部11が上記のような形状からなるので、気圧計測用カンチレバー4が差圧により変形しても、気圧計測用カンチレバー4と流量制御部11との隙間を一定に保つことができる。このため、キャビティ10内外を流動する流量を一定にできる差圧範囲を広い範囲にできるため、気圧変化に対する出力信号の線形性を広範囲で保証することが可能となる。
(Modification 1)
The
以上、本実施形態又は変形例1に係る圧力センサ1によると、気圧変化に対する出力信号の線形性を保つと同時に、製造時に生じる気圧計測用カンチレバーの変形があっても、気圧の上昇と下降時で同感度に維持できる。
As described above, according to the
(第三の実施形態)
以下、本発明の第三の実施形態に係る圧力センサ1について説明する。
なお、前述の第一及び第二の実施形態に係る圧力センサ1と同等の構成及び機能については符号を同一とし、説明を省略する。
本実施形態に係る圧力センサ1が上記第一及び第二の実施形態に係る圧力センサと異なる点は、SOI基板2を覆うカバー部36を設けた点である。
(Third embodiment)
Hereinafter, a
In addition, about the structure and function equivalent to the
The
図10は、本発明の第三の実施形態に係る圧力センサ1の構成を示す断面図である。
圧力センサ1は、キャビティ10を有するセンサ本体3と、気圧計測用カンチレバー4と、変位測定部5と、流量制御部11とから構成されている。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the
The
センサ本体3は、略凹状の形状を有する第1の部分31と、SOI基板2の酸化層2b及びシリコン支持層2aと、配線基板33とからなり、これらの部材で略閉塞された空間がキャビティ10を構成する。さらに、配線基板33のうち第1の部分31を設置した面と対向する面には、略凹状のカバー部36が設置される。そして、当該カバー部36の凹形状内部に、気圧計測用カンチレバー4が設置される。
The
カバー部36は、略凹状に形成された金属もしくは樹脂材からなり、上端の一部に通気孔36aが設けられている。当該カバー部36は光透過性が低く、熱伝導率が低い材質で構成するのが望ましい。このため、カバー部36は、圧力センサ1の外部との意図せぬ接触などによる気圧計測用カンチレバー4の破壊を防止することができる。さらに、圧力伝達媒体は、通気孔36aを経由して出入りすることができるため、キャビティ外部の圧力変動が通気孔36aを経由して気圧計測用カンチレバー4に伝わる。そして、上記第一及び第二の実施形態と同様、加圧計測用カンチレバー4に伝達された圧力変動は、検出回路22の出力信号へと変換される。また、検出回路22の出力信号は、基板33上に設けられた電気配線3e、端子3fを経由して外部へと出力される。
The
さらに、前述の第一及び第二の実施形態と同様、流体制御部11により、気圧計測用カンチレバー4が上下どちらに変形しても、ギャップ13を移動する圧力伝達媒体の流量が大きく変化しない。このため、広い圧力範囲でも線形性の高い出力信号を得ることができる。
Furthermore, as in the first and second embodiments described above, the flow rate of the pressure transmission medium that moves through the
また、本実施形態に係る圧力センサ1において、前述の第二の実施形態と同様に、通気孔36aに防水透湿フィルムを設ける構成にしてもよい。このような構成にすると、水滴等の侵入を防止できるため、水滴付着による基板33上に設けられた検出回路22や電気配線3eの短絡、気圧計測用カンチレバー4の破損等を防止することができる。
なお、通気孔36aを通じて圧力伝達媒体だけではなく塵等も出入りするため、通気孔36aは、気圧計測用カンチレバー4直上からずらした位置に設けたほうがよい。
Further, in the
Since not only the pressure transmission medium but also dust and the like enter and exit through the vent hole 36a, the vent hole 36a is preferably provided at a position shifted from directly above the atmospheric
(変形例2)
第三の実施形態に係る圧力センサ1は、カバー部36と流量制御部11とが一体的に構成されてもよい。当該一体的な構成からなる圧力センサ1の例(変形例2)を図11に示す。図11に示す圧力センサ1において、流量制御部11と一体的に構成されたカバー部36は、第2の部分32及び蓋部12の外周を覆うように形成される。さらに、本変形例に係る圧力センサ1では、通気孔36aを通じて流入する塵等を防ぐため、カバー部36に設けられた通気孔36aを防水透湿フィルム35で覆う構成とした。これにより、圧力センサ1は、流量制御部11の形成工程と、SOI基板2と流量制御部11との実装工程と、SOI基板を実装した基板とカバー部との実装工程と、を一工程化することができるので、安価に製造することが可能となる。
(Modification 2)
In the
(変形例3)
第三の実施形態に係る圧力センサ1において、カバー部36は光透過性が低く熱伝導率が低い材質で構成するのが望ましいものとしたが、仮にカバー部36を要求される仕様等により上記の材質で構成できない場合、ピエゾ抵抗20は、温度変化、光照射によって電気抵抗値が変化することとなる。このため、温度変化や光照射を圧力変動と誤認することとなる。
(Modification 3)
In the
そこで、上記材質を用いないカバー部36からなる圧力センサ1(変形例3に係る圧力センサ1)では、例えば、図12(a)(b)に示すように、気圧計測用カンチレバー4近傍にリファレンス用カンチレバー41及び当該リファレンス用カンチレバー41と接続されたピエゾ抵抗20aを設ける。リファレンス用カンチレバー41は、気圧計測用カンチレバー4と異なり裏面の酸化層2b及びシリコン支持層2aを取り除かない構成からなり、差圧によって変形しないようになっている。このため、リファレンス用カンチレバー41のピエゾ抵抗20aは、気圧計測用カンチレバー4とほぼ同時に、温度変化や光照射のみで電気抵抗値が変化することとなる。
Therefore, in the pressure sensor 1 (the
そして図13に示すように、本変形例に係る圧力センサ1では、この気圧計測用カンチレバー4のピエゾ抵抗20と、リファレンス用カンチレバー41のピエゾ抵抗20aとでホイートストンブリッジ回路を構成する。このホイートストンブリッジ回路の出力は、温度変化や光照射によるピエゾ抵抗20の抵抗値変化とピエゾ抵抗20aの抵抗値変化との差分を出力するため、差圧による応力変化を抵抗値変化として出力することが可能となる。
As shown in FIG. 13, in the
したがって、本変形例に係る圧力センサ1では、このような構成とするため、外部からの光や熱によりピエゾ抵抗の抵抗値が変化しても、出力から光や熱による影響を除去でき、差圧により気圧計測用カンチレバー4の変位によるピエゾ抵抗の抵抗値変化のみを取り出すことが可能となる。
Therefore, since the
以上により、第三の実施形態及び変形例2,3に係る圧力センサ1によれば、流量制御部11をギャップ13外周部近傍に設けることで、ゆっくりとした圧力変動を高感度で検出できると同時に、広い圧力範囲で出力信号の線形性を維持できる。また、第三の実施形態及び変形例2,3に係る圧力センサ1では、製造工程でカンチレバーに微小な変形が生じても、気圧変化の上昇時もしくは下降時の感度をほぼ等しく維持することができる。さらに、第三の実施形態及び変形例2,3に係る圧力センサ1では、気圧計測用カンチレバー4と流量制御部11を半導体プロセスで一括製造することも可能であるため、高い寸法精度で安価に製造することが可能となる。
As described above, according to the
(変形例4)
上記実施形態に係る圧力センサ1において、流量制御部11は、蓋部12の上部に別体として設けることとしたが、例えば、図14や図15に示すように構成してもよい(変形例4)。具体的には、図14に示す圧力センサ1の場合、流量制御部11は、カンチレバー4を形成する高さ位置がギャップ13を介して対向するセンサ本体3の壁部(センサ本体3のシリコン活性層2cのうち酸化層2bと当接する位置の近傍)となるように設けられる。つまり、図12に示す圧力センサ1では、センサ本体3(のシリコン活性層2c)が流量制御部11として機能する。
(Modification 4)
In the
また、図15に示す圧力センサ1の場合、カンチレバー4が差圧の無い状態(外圧と内圧が等圧の状態)で、先端がキャビティ10の底面に向けて傾斜するように設けられる。つまり、図15に示す圧力センサ1では、センサ本体3(のSOI基板2)が流量制御部11として機能する。
そのため、本変形例に係る圧力センサ1では、センサ本体3(のSOI基板2)が流量制御部11として機能するので、流量制御部を別体として設ける手間が省ける分、製造工程が簡素化するとともに小型化を実現できる。
In the case of the
Therefore, in the
(変形例5)
上記実施形態に係る圧力センサ1では、流量制御部11を設けることで負方向の差圧が発生する(気圧測定用カンチレバー4がキャビティ10外側へ変形する)場合の圧力伝達媒体の流量を低減させる構成を例示したが、正方向の差圧が発生する場合の圧力伝達媒体の流量を一定化させる構成をさらに設けても良い(変形例5)。具体的には、本変形例に係る圧力センサ1では、図16に示すように、ギャップ13を介してカンチレバー4の先端と対向するSOI基板2(第2の側面)が、正方向の差圧が発生する際のカンチレバー4の変形時における先端部の軌跡に沿って、断面視円弧状に加工されてなる。
そのため、圧力伝達媒体の流量が、圧力センサ1の正方向の差圧による変形量によらず一定量となるので、圧力センサ1の感度を一層高めることができる。
(Modification 5)
In the
Therefore, the flow rate of the pressure transmission medium becomes a constant amount regardless of the amount of deformation due to the differential pressure in the positive direction of the
1、100 圧力センサ
2 SOI基板
3 センサ本体
4 気圧計測用カンチレバー(カンチレバー)
5 変位測定部
11 流量制御部
12 蓋部
13 ギャップ
20 ピエゾ抵抗
22 検出回路
35 防水透湿フィルム
36 カバー部
110 圧電素子
120 透孔又は凹部内部
1, 100
5
Claims (6)
キャビティを有するセンサ本体と、
前記キャビティを封止するように配置され、先端部が前記センサ本体との間に前記キャビティの内外に空気を流通させるためのギャップを形成するように片持ち状に支持され、前記キャビティの内外における圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、
前記ギャップを流通する空気量が、前記カンチレバーの変形によって変化することを抑制するための流量制御部と、を有し、
前記流量制御部は、前記キャビティの外部側かつ前記ギャップの外端近傍に設置され、前記カンチレバーの厚み方向に沿って延伸した側面を有する壁部からなり、
前記ギャップを介して前記カンチレバーと対向して一端が配置され、前記壁部の側面に対して略垂直の表面を有する蓋部を備えることを特徴とする圧力センサ。 A pressure sensor for detecting pressure fluctuations,
A sensor body having a cavity;
The cavity is disposed so as to seal, and the tip is supported in a cantilever shape so as to form a gap for circulating air into and out of the cavity between the sensor body and the inside and outside of the cavity. A cantilever that bends and deforms according to the pressure difference;
A displacement measuring unit for measuring displacement according to the bending deformation of the cantilever;
The amount of air flowing through the gap, have a, a flow control unit for preventing the change by the deformation of the cantilever,
The flow rate control unit is installed on the outer side of the cavity and in the vicinity of the outer end of the gap, and includes a wall portion having a side surface extending along the thickness direction of the cantilever,
A pressure sensor comprising: a lid portion having one end disposed opposite the cantilever through the gap and having a surface substantially perpendicular to a side surface of the wall portion .
当該第2の側面は、前記キャビティの外部における圧力が内部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧力センサ。 The wall has a second side surface extending to the inside of the cavity,
The second side surface is formed in an arc shape in a longitudinal sectional view along a locus due to deformation of a tip portion of the cantilever when a pressure outside the cavity is larger than a pressure inside the cavity. Item 3. The pressure sensor according to Item 1 or 2 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013117176A JP6144540B2 (en) | 2013-06-03 | 2013-06-03 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013117176A JP6144540B2 (en) | 2013-06-03 | 2013-06-03 | Pressure sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014235095A JP2014235095A (en) | 2014-12-15 |
JP6144540B2 true JP6144540B2 (en) | 2017-06-07 |
Family
ID=52137916
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013117176A Active JP6144540B2 (en) | 2013-06-03 | 2013-06-03 | Pressure sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6144540B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019056666A (en) * | 2017-09-22 | 2019-04-11 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure change measuring device |
JP2019056667A (en) * | 2017-09-22 | 2019-04-11 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure change measuring device |
JP2020134364A (en) * | 2019-02-21 | 2020-08-31 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure sensor, method for driving pressure sensor, and method for carrying pressure sensor |
JP2020180847A (en) * | 2019-04-24 | 2020-11-05 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure sensor |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6167003B2 (en) * | 2013-10-03 | 2017-07-19 | 株式会社フジクラ | Flow sensor element and flow sensor module |
EP3154099A1 (en) * | 2015-10-09 | 2017-04-12 | Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia | Flexoelectric device |
JP6785689B2 (en) * | 2017-03-07 | 2020-11-18 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure sensor |
JP7113487B2 (en) * | 2018-02-15 | 2022-08-05 | 国立大学法人 東京大学 | pulse wave sensor |
JP2020136800A (en) * | 2019-02-15 | 2020-08-31 | 新日本無線株式会社 | Piezoelectric element |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3142762B2 (en) * | 1995-12-18 | 2001-03-07 | 株式会社山武 | Explosion-proof case |
JPH1090099A (en) * | 1996-09-13 | 1998-04-10 | Tokin Corp | Pressure sensor |
EP1821076A1 (en) * | 2004-12-09 | 2007-08-22 | Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. | Flow rate measurement device |
KR100908124B1 (en) * | 2007-07-09 | 2009-07-16 | 삼성전자주식회사 | Pressure sensor for measuring blood pressure and manufacturing method thereof |
EP2669648A4 (en) * | 2011-01-28 | 2017-03-01 | The University of Tokyo | Differential pressure sensor |
-
2013
- 2013-06-03 JP JP2013117176A patent/JP6144540B2/en active Active
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019056666A (en) * | 2017-09-22 | 2019-04-11 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure change measuring device |
JP2019056667A (en) * | 2017-09-22 | 2019-04-11 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure change measuring device |
JP2020134364A (en) * | 2019-02-21 | 2020-08-31 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure sensor, method for driving pressure sensor, and method for carrying pressure sensor |
JP7156969B2 (en) | 2019-02-21 | 2022-10-19 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure sensor driving method |
JP2020180847A (en) * | 2019-04-24 | 2020-11-05 | セイコーインスツル株式会社 | Pressure sensor |
JP7237711B2 (en) | 2019-04-24 | 2023-03-13 | セイコーインスツル株式会社 | pressure sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014235095A (en) | 2014-12-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6144540B2 (en) | Pressure sensor | |
JP5778619B2 (en) | Pressure sensor | |
KR102207406B1 (en) | System and method for a wind speed meter | |
US9995642B2 (en) | Cantilever pressure sensor with division portions for dividing lever resistance and having piezoresistor element | |
EP3118597B1 (en) | Pressure sensor | |
US20050274193A1 (en) | Monolithic multi-functional integrated sensor and method for fabricating the same | |
JP6168952B2 (en) | Pressure sensor | |
JP6236117B2 (en) | Micro mechanical measuring element | |
TW201610404A (en) | Pressure sensor having cap-defined membrane | |
JP6184006B2 (en) | Pressure sensor | |
JP2020180972A (en) | Sensor assemblies with multiple range construction | |
JP2005321257A (en) | Capacitance type pressure sensor | |
JP2006200980A (en) | Capacitance type pressure sensor and capacitance type actuator | |
KR101598257B1 (en) | MEMS Sensor Module and MEMS Sensor Package Module | |
CN115165174B (en) | MEMS piezoresistive pressure sensor and preparation method thereof | |
US9733139B2 (en) | Vertical membranes for pressure sensing applications | |
JP2019203740A (en) | Pressure sensor | |
US11530959B2 (en) | Pressure sensing element and pressure sensor having a diaphragm that includes a trench and a plurality of beams | |
JP4963069B2 (en) | Pressure sensor | |
JP6294083B2 (en) | Electronics | |
JP2010014572A (en) | Pressure sensor | |
JP6521441B2 (en) | Pressure sensor | |
JP2008020243A (en) | Acceleration sensor | |
EP2584332A1 (en) | Pressure sensor | |
JP2021039043A (en) | Pressure sensing element and pressure sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160411 |
|
RD05 | Notification of revocation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425 Effective date: 20161026 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170117 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170118 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170314 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170425 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170511 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6144540 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |