JP6403007B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
こ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の変動と、この圧力の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振動する。その結果、圧力センサは、圧電素子に生じる電圧変化に基づいて収容容器に伝わる圧力変動を検出することが可能とされる。
また、上記従来の圧力センサは、例えば、インピーダンスを高くして時定数を大きくすることにより低周波帯域に対応させていた。そのため、上記従来の圧力センサは、外部からの電磁ノイズや温度変化の影響を受けやすく、感度が低いため、微小な信号を検出することが困難であった。
以下、本発明の第1の実施形態による圧力センサについて図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態による圧力センサ1の一例を示す平面図である。また、図2は、図1に示すA−A線に沿った圧力センサ1の断面図であり、図3は、図1に示すB−B線に沿った圧力センサ1の断面図である。
また、SOI基板5は、図2に示すように、シリコン支持層5a、シリコン酸化膜等の電気的絶縁性を有する絶縁層5b、及びシリコン活性層5cを熱的に張り合わせた基板とされている。
具体的には、センサ本体2は底壁部2a及び周壁部2bを有し、上方に開口する中空の有底筒状に形成されている。センサ本体2の内部空間は、キャビティ(空気室)10として機能し、上方に開口した部分がキャビティ10の内部と外部とを連通する連通開口11として機能する。すなわち、中空のセンサ本体2は、内部にキャビティ10が形成され、キャビティ10の内部と外部とを連通する連通開口11を有する。
シリコン活性層5cは、センサ本体2を上方から塞ぐように絶縁層5b上に形成されている。このシリコン活性層5cには、該シリコン活性層5cを厚さ方向に貫通する平面視コ形状(C形状)のギャップ12が形成されている。これにより、シリコン活性層5cには、環状の枠部13とカンチレバー3とが形成されている。
なお、枠部13は、絶縁層5b上に全周に亘って環状に形成されているとともに、一部が連通開口11を覆うように周壁部2bよりもカンチレバー3側に突出している。これにより、枠部13の一部は連通開口11を覆っている。
カンチレバー3は、レバー本体20と、該レバー本体20を片持ち状態で支持する2つのレバー支持部21A、21Bと、を備えている。そして、カンチレバー3は、基端部3bを中心としてキャビティ10の内部と外部との圧力差(すなわち、ギャップ12を介してキャビティ10の内部と外部との間を流通可能な圧力伝達媒体による圧力の差)に応じて撓み変形する。すなわち、カンチレバー3は、レバー本体20と、レバー本体20とセンサ本体2とを接続するとともにレバー本体20を片持ち状態で支持する複数のレバー支持部21とを有し、連通開口11を覆うように配置され、且つキャビティ10とセンサ本体2の外部との圧力差に応じて撓み変形する。
なお、レバー支持部21A及びレバー支持部21Bは、同一の構成であり、以下の説明において、カンチレバー3が備える任意のレバー支持部を示す場合、又は特に区別しない場合には、レバー支持部21として説明する。
なお、2つのレバー支持部21A、21Bの短手方向L2に沿った支持幅は、同等とされている。従って、カンチレバー3が撓み変形した際、一方のレバー支持部21Aに作用する単位面積当たりの応力と、他方のレバー支持部21Bに作用する単位面積当たりの応力とは同等とされている。
なお、レバー抵抗部31及びレバー抵抗部32は、後述するホイートストンブリッジ回路の互いに対向する抵抗を構成するように形成されている。
基端抵抗部34は、カンチレバー3の基端部3bに形成され、レバー本体20の撓み量に応じてほとんど抵抗値が変化しないピエゾ抵抗30である。基端抵抗部34は、検出電極35Cと検出電極35Dとの間に接続されている。
なお、ピエゾ抵抗30及び検出電極35の上面に図示しない絶縁膜を保護膜として被膜することで、外部との電気的な接触を防止することが好ましい。
電極溝40は、ギャップ12におけるカンチレバー3の先端部3a側からセンサ本体2に、長手方向L1に沿って延びた直線状に形成された溝である。電極溝40は、検出電極35Aと検出電極35Bとを電気的に分離する区画部として機能する。電極溝40は、図3に示すように、枠部13のカンチレバー3の先端部3a側に位置する部分に形成され、例えば絶縁層5bに達する深さとされている。
なお、区画溝41〜43は、絶縁層5bに達する深さとされている。但し、この場合に限られるものではなく、例えばカンチレバー3を厚さ方向に貫通してもよい。いずれにしても、少なくとも絶縁層5bに達する深さまで区画溝41〜43を形成することが好ましい。
なお、上述したレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33と、基端抵抗部34とは、ホイートストンブリッジ回路を形成しており、検出電極35A〜35Dの各電極は、レバー抵抗部31及びレバー抵抗部32の抵抗値変化に基づいてカンチレバー3の変位を検出する検出回路50に接続されている。
図4は、本実施形態における各抵抗及び検出回路50の一例を示す構成図である。
この図に示すように、変位検出部4が有するレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33と、基端抵抗部34とが、ホイートストンブリッジ回路を形成している。ここで、カンチレバー3の撓み変形のない場合に、レバー抵抗部31の抵抗値R1と基端抵抗部34の抵抗値R2との抵抗比は、本体抵抗部33の抵抗値R4とレバー抵抗部32の抵抗値R3との抵抗比と等しくなるように各抵抗が形成されている。
基準電圧発生回路51は、圧力を検出するための所定の基準電圧Vrefを生成し、生成した基準電圧Vrefをホイートストンブリッジ回路の検出電極35Aに供給する。
差動増幅回路52は、例えば、計測アンプ(インスツルメンテーションアンプ)であり、検出電極35Bと検出電極35Cとの電位差を増幅して出力信号として出力する。
このように、本実施形態の圧力センサ1では、カンチレバー3の撓み量(変位量)に応じて、検出電極35Bと検出電極35Cとの電位差は、検出電極35Bと検出電極35Cとの逆向きに変化するので、圧力変動に応じた検出電極35Bと検出電極35Cとの電位差を、大きな電位差として検出することができる。
図5は、本実施形態による圧力センサ1の出力信号の一例を示す図である。また、図6は、本実施形態による圧力センサ1の動作の一例を示す図である。
これにより、内気圧Pinが外気圧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はじめ、カンチレバー3の撓みが徐々に小さくなり、検出回路50は、図5に示すように徐々に低下する出力信号を出力する。
また、レバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33とが、カンチレバー3及びレバー本体20に形成されているため、本実施形態による圧力センサ1は、外部からの電磁ノイズ(例えば、コモンノイズ)や温度変化の影響を抑制することができる。
よって、本実施形態による圧力センサ1は、外部からの電磁ノイズや温度変化の影響を抑制しつつ、圧力変動を感度良く検出することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1は、ホイートストンブリッジ回路を構成する全ての抵抗部を内部に形成することができるので、さらに簡易な検出回路により、圧力変動を感度良く検出することができる。また、本実施形態による圧力センサ1は、外部からの電磁ノイズや温度変化の影響をさらに抑制することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1は、レバー支持部21を利用して、レバー抵抗部(31、32)の両端に接続された検出電極35をカンチレバー3の基端部3b側に引き出すことができる。よって、本実施形態による圧力センサ1は、内部に構成したホイートストンブリッジ回路と検出回路50とを容易に接続することができる。
本実施形態による圧力センサ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、例えば、圧力センサ1を利用して高低差に基づく気圧差を検出できるので、高架道路と高架下道路と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、本実施形態による圧力センサ1は、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、例えば、圧力センサ1を利用して高低差に基づく気圧差を検出できるので、ユーザ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、ホイートストンブリッジ回路を構成するレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32が、カンチレバー3及びレバー本体20に形成されているため、本実施形態による圧力センサ1は、外部からの電磁ノイズ(例えば、コモンノイズ)や温度変化の影響を抑制することができる。
よって、本実施形態による圧力センサ1は、外部からの電磁ノイズや温度変化の影響を抑制しつつ、圧力変動を感度良く検出することができる。
次に、第2の実施形態について図面を参照して説明する。
図7は、本実施形態による圧力センサ1aの一例を示す平面図である。また、図8は、図7に示すA−A線に沿った圧力センサ1aの断面図である。
本実施形態では、圧力センサ1aは、区画溝44と、導電パターン36とを備え、当該区画溝44と、当該導電パターン36とにより、基端抵抗部34aの抵抗値を調整するようにした点が、上述した第1の実施形態と異なる。
なお、図7及び図8において、図1〜図3に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、区画溝44は、例えば、レーザートリミング装置や溝の微細加工可能なFIB(focused Ion Beam:集束イオンビーム)装置を利用して溝の長さを調整するようにしてもよい。
また、導電パターン36は、例えば、レーザートリミング装置や導電性材料のパターンの微細加工可能なFIB装置を利用してパターンの長さを調整するようにしてもよい。
図9は、本実施形態における各抵抗及び検出回路50の一例を示す構成図である。
この図に示すように、変位検出部4aが有するレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33と、基端抵抗部34aとが、ホイートストンブリッジ回路を形成している。
なお、この図において、図4に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
これにより、本実施形態による圧力センサ1aは、基端抵抗部34aの抵抗値を増大させて調整することが可能になり、ホイートストンブリッジ回路を正確な抵抗比により構成することができる。そのため、本実施形態による圧力センサ1aは、圧力変動を正確に測定することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1aは、基端抵抗部34aの抵抗値を低減させて調整することが可能になり、ホイートストンブリッジ回路をより正確な抵抗比により構成することができる。そのため、本実施形態による圧力センサ1aは、圧力変動を正確に測定することができる。
次に、第3の実施形態について図面を参照して説明する。
図10は、本実施形態による圧力センサ1bの一例を示す平面図である。また、図11は、図10に示すA−A線に沿った圧力センサ1bの断面図である。
本実施形態では、圧力センサ1bは、区画溝44aと、導電パターン36aとを備え、当該区画溝44aと、当該導電パターン36aとにより、本体抵抗部33aの抵抗値を調整するようにした点が、上述した第1の実施形態と異なる。
なお、図10及び図11において、図1〜図3に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、区画溝44aは、例えば、レーザートリミング装置や溝の微細加工可能なFIB装置を利用して溝の長さを調整するようにしてもよい。
また、導電パターン36aは、例えば、レーザートリミング装置や導電性材料のパターンの微細加工可能なFIB装置を利用してパターンの長さを調整するようにしてもよい。
図12は、本実施形態における各抵抗及び検出回路50の一例を示す構成図である。
この図に示すように、変位検出部4bが有するレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33aと、基端抵抗部34とが、ホイートストンブリッジ回路を形成している。
なお、この図において、図4に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
これにより、本実施形態による圧力センサ1bは、本体抵抗部33aの抵抗値を増大させて調整することが可能になり、ホイートストンブリッジ回路を正確な抵抗比により構成することができる。そのため、本実施形態による圧力センサ1bは、圧力変動を正確に測定することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1bは、本体抵抗部33aの抵抗値を低減させて調整することが可能になり、ホイートストンブリッジ回路をより正確な抵抗比により構成することができる。そのため、本実施形態による圧力センサ1bは、圧力変動を正確に測定することができる。
次に、第4の実施形態について図面を参照して説明する。
図13は、本実施形態による圧力センサ1cの一例を示す平面図である。
本実施形態では、圧力センサ1cは、検出電極35Eを備え、ホイートストンブリッジ回路の抵抗比を外付け抵抗により調整するようにした点が、上述した第1の実施形態と異なる。
なお、図13において、図1に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、本実施形態における基端抵抗部34は、カンチレバー3の基端部3bに形成され、検出電極35Dと、検出電極35Eとの間に接続されている。すなわち、基端抵抗部34は、レバー支持部21B側の第1端が検出電極35Dに接続され、レバー支持部21A側の第2端が検出電極35Eに接続されている。
図14は、本実施形態における各抵抗及び検出回路50aの一例を示す構成図である。
この図に示すように、変位検出部4cが有するレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33と、基端抵抗部34と、調整抵抗53とが、ホイートストンブリッジ回路を形成している。
なお、この図において、図4に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
調整抵抗53は、上述したホイートストンブリッジ回路の抵抗比を調整する外付け抵抗である。調整抵抗53は、検出電極35Cと、検出電極35Eとの間に接続されている。
この場合、調整抵抗53の抵抗値R5を調整することにより、カンチレバー3の撓み変形のない場合に、抵抗値R1と(抵抗値R2+抵抗値R5)との抵抗比が、抵抗値R4と抵抗値R3との抵抗比と等しくなるように調整することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1cは、例えば、外付け抵抗(調整抵抗53)により、ホイートストンブリッジ回路を正確な抵抗比により構成することができる。そのため、本実施形態による圧力センサ1cは、圧力変動をより正確に測定することができる。
次に、第5の実施形態について図面を参照して説明する。
図15は、本実施形態による圧力センサ1dの一例を示す平面図である。
本実施形態では、圧力センサ1dは、上述した第4の実施形態と同様に、検出電極35Eを備え、ホイートストンブリッジ回路の抵抗比を外付け抵抗により調整するようにする一例であり、上述した第4の実施形態とは別の一例である。
なお、図15において、図1及び図13に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
例えば、カンチレバー3のレバー支持部21Bにおける基端部3bから短手方向L2にカンチレバー3の外に向かって延びた直線状に形成され、検出電極35Cと検出電極35E(第5電極)との間に接続されている。ここで、検出電極35E(第5電極)は、第4の実施形態と同様に、検出電極35Cと電気的に切り離されている。
また、上述したレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33と、基端抵抗部34bとは、ホイートストンブリッジ回路を形成しており、検出電極35A〜35Eの各電極は、レバー抵抗部31及びレバー抵抗部32の抵抗値変化に基づいてカンチレバー3の変位を検出する検出回路50aに接続されている。
図16は、本実施形態における各抵抗及び検出回路50aの一例を示す構成図である。
この図に示すように、変位検出部4dが有するレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32と、本体抵抗部33と、基端抵抗部34bと、調整抵抗53とが、ホイートストンブリッジ回路を形成している。
なお、この図において、図14に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態における調整抵抗53は、上述したホイートストンブリッジ回路の抵抗比を調整する外付け抵抗である。調整抵抗53は、検出電極35Cと、検出電極35Eとの間に接続されている。
この場合、調整抵抗53の抵抗値R5を調整することにより、カンチレバー3の撓み変形のない場合に、抵抗値R1と(基端抵抗部34bの抵抗値R2+抵抗値R5)との抵抗比が、抵抗値R4と抵抗値R3との抵抗比と等しくなるように調整することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1dは、例えば、外付け抵抗(調整抵抗53)により、ホイートストンブリッジ回路を正確な抵抗比により構成することができる。そのため、本実施形態による圧力センサ1dは、圧力変動をより正確に測定することができる。
例えば、上記の各実施形態は、それぞれ単独で実施する例を説明したが、上記の各実施形態を複数組み合わせて実施するようにしてもよい。
また、上記の各実施形態において、2つのレバー支持部21A、21Bを有するカンチレバー3を例に挙げて説明したが、レバー支持部21A、21Bの数は2つに限定されるものではなく、さらに複数(例えば4つや6つ等)備えていてもよい。
また、上記の各実施形態において、圧力センサ1(1a〜1d)は、ホイートストンブリッジ回路の4つの抵抗(レバー抵抗部31、レバー抵抗部32、本体抵抗部33(33a)、及び基端抵抗部34(34a、34b))を備える例を説明したが、少なくともレバー抵抗部31及びレバー抵抗部32を備え、本体抵抗部33(33a)と、基端抵抗部34(34a、34b)とのいずれか一方又は両方を備えない構成であってもよい。
また、上記の第2の実施形態又は第3の実施形態において、抵抗低減部は、Auを使用した導電パターンにより形成する例を説明したが、これに限定されるものではなく、抵抗値を低減させる構成であれば、他の導電性材料(例えば、FIB装置で金属薄膜形成可能なタングステンなど)を使用してもよい。
2…センサ本体
2a…底壁部
2b…周壁部
3…カンチレバー
3a…先端部
3b…基端部
4、4a、4b、4c、4d…変位検出部
5…SOI基板
5a…シリコン支持層
5b…絶縁層
5c…シリコン活性層
10…キャビティ
11…連通開口
12…ギャップ
13…枠部
20…レバー本体
21、21A、21B…レバー支持部
22…補助ギャップ
30…ピエゾ抵抗
31、32…レバー抵抗部
33、33a…本体抵抗部
34、34a、34b…基端抵抗部
35、35A、35B、35C、35D、35E…検出電極
36、36a…導電パターン
40…電極溝
41、42、43、43a、44、44a、45、46…区画溝
50、50a…検出回路
51…基準電圧発生回路
52…差動増幅回路
53…調整抵抗
Claims (8)
- 内部にキャビティが形成され、前記キャビティの内部と外部とを連通する連通開口を有する中空のセンサ本体と、
レバー本体と、前記レバー本体と前記センサ本体とを接続するとともに前記レバー本体を片持ち状態で支持する複数のレバー支持部とを有し、前記連通開口を覆うように配置され、且つ前記キャビティと前記センサ本体の外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
ホイートストンブリッジ回路の互いに対向する抵抗を構成するように前記レバー支持部に形成された第1レバー抵抗部及び第2レバー抵抗部と、前記レバー本体に形成され、前記ホイートストンブリッジ回路において前記第1レバー抵抗部及び第2レバー抵抗部の間に接続される本体抵抗部と、を有し、前記第1レバー抵抗部及び前記第2レバー抵抗部の抵抗値変化に基づいて、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と
を備えることを特徴とする圧力センサ。 - 前記変位検出部は、
前記第1レバー抵抗部における前記カンチレバーの先端側の第1端に接続された第1電極と、
前記第2レバー抵抗部における前記カンチレバーの先端側の第1端に接続された第2電極と、
前記第1レバー抵抗部における前記カンチレバーの基端側の第2端に接続された第3電極と、
前記第2レバー抵抗部における前記カンチレバーの基端側の第2端に接続された第4電極と、
を有し、
前記本体抵抗部は、前記第1電極と前記第2電極との間に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記変位検出部は、前記カンチレバーの基端部に形成され、前記第3電極と前記第4電極との間に接続されている基端抵抗部を有する
ことを特徴とする請求項2に記載の圧力センサ。 - 前記変位検出部は、前記カンチレバーの基端部に形成され、前記第4電極と、前記第3電極と電気的に切り離された第5電極との間に接続されている基端抵抗部を有する
ことを特徴とする請求項2に記載の圧力センサ。 - 前記本体抵抗部と前記基端抵抗部とのうちの少なくとも一方の抵抗値を増大させるための調整が可能な抵抗増大部が形成されている
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の圧力センサ。 - 前記本体抵抗部と前記基端抵抗部とのうちの少なくとも一方の抵抗値を低減させるための調整が可能な抵抗低減部が形成されている
ことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記変位検出部は、
前記レバー支持部を含む部分に形成され、前記第1電極と前記第3電極とを電気的に切り離す第1区画部と、
前記レバー支持部を含む部分に形成され、前記第2電極と前記第4電極とを電気的に切り離す第2区画部と
を有することを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 内部にキャビティが形成され、前記キャビティの内部と外部とを連通する連通開口を有する中空のセンサ本体と、
レバー本体と、前記レバー本体と前記センサ本体とを接続するとともに前記レバー本体を片持ち状態で支持する複数のレバー支持部とを有し、前記連通開口を覆うように配置され、且つ前記キャビティと前記センサ本体の外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記レバー支持部に形成された第1レバー抵抗部及び第2レバー抵抗部と、前記第1レバー抵抗部における前記カンチレバーの先端側の第1端に接続された第1電極と、前記第2レバー抵抗部における前記カンチレバーの先端側の第1端に接続された第2電極と、前記第1レバー抵抗部における前記カンチレバーの基端側の第2端に接続された第3電極と、前記第2レバー抵抗部における前記カンチレバーの基端側の第2端に接続された第4電極とを有し、前記第1レバー抵抗部及び前記第2レバー抵抗部の抵抗値変化に基づいて、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と
を備えることを特徴とする圧力センサ。
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