JP6521441B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関する。

従来、圧力変動を検出する圧力センサ（差圧センサ）として、例えば、通気孔を有する収納容器と、収納容器内に配設され、透孔又は凹部を有する基板と、透孔内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（特許文献１参照）。
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納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、圧電素子に代えて、圧力差に応じて撓み変形可能なカンチレバーを備えたセンサが知られている。
この種のセンサとして、例えば、流体が流れる流路から分岐したバイパス路に配置され、バイパス路内の上流側と下流側との差圧に応じて撓み変形可能なカンチレバーと、カンチレバーに形成され、カンチレバーの変位に基づいて抵抗値が変化するピエゾ抵抗層と、ピエゾ抵抗層の抵抗値変化に基づいてカンチレバーの変位を打ち消す方向の力を発生させる相殺部と、相殺部に指示するフィードバック量をピエゾ抵抗層の抵抗値変化に基づいて算出する電流算出部と、フィードバック量に基づいて流体の体積流量を算出する流量算出部と、を備え、相殺部がフィードバック量に応じた大きさの力を発生させることでカンチレバーの変形を打ち消す流量検出センサが知られている（特許文献２参照）。

この流量検出センサでは、相殺部がカンチレバーに設けられた磁性体と、フィードバック量（電流値）に対応した磁界を発生させるソレノイドコイルと、を備え、電磁式でカンチレバーを変形させている。
さらには電磁式に代えて、相殺部は、カンチレバーに設けられた導電層と、カンチレバーの上下に配置され、フィードバック量（電圧値）に対応した電圧を印加することでカンチレバーを静電引力により引き寄せる電極と、を備え、静電式でカンチレバーを変形させている。

特開平４−２０８８２７号公報 特開２０１４−１６７４５９号公報

しかしながら、上記従来のセンサには課題が残されている。
例えば特許文献１に記載の圧力センサの検出感度は、圧電素子の形状、透孔又は凹部の容積、透孔又は凹部と外気との間を出入りする流量等によって決定され、特に圧電素子の形状によって大きく左右され易い。しかしながら、圧電素子は、圧電体の両面に電極膜等を具備する両面電極構造とされているので、その構造上、厚みが増してしまい大きな変形量を確保することが難しい。従って、共振周波数を低下させつつ感度を増大させることが困難であり、例えば１Ｈｚ以下等の低周波帯域において所望の感度を確保することが難しい。
さらに、検出感度は圧電素子が撓む特性に依存するが、上述のように圧電素子は両面電極構造であるため厚みがあり大きな変形量を確保し難いので、検出感度の線形性が良くなかった。従って、このことによっても共振周波数が高くなり易く、感度を上げ難かった。

また、特許文献２に記載の流量検出センサでは、相殺部が電磁式或いは静電式でカンチレバーを変形させているが、電磁式の場合、磁性体及びソレノイドコイルを具備する必要があるので、小型化及び低消費電力化を図ることが難しい。
また、静電式の場合、カンチレバーに対して静電引力を適切に作用させるために、電極をカンチレバーの近傍に配置する必要があるが、その具体的な構造或いは方法が示されておらず、実現性に乏しい。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、感度の線形性が優れているうえ、例えば１Ｈｚ以下の低周波数帯域の圧力変動であっても感度良く且つ精度良く検出することができる圧力センサを提供することである。

（１）本発明に係る圧力センサは、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が形成された中空のセンサ本体と、前記連通開口を覆い、且つ前記センサ本体との間にギャップが形成されるように前記センサ本体に片持ち状態で接続され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能なカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、前記センサ本体に一体に組み合わされていると共に前記カンチレバーに対して対向配置された対向電極と、前記対向電極と前記カンチレバーに形成された導電層との間にクーロン力を発生させ、前記圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けて前記カンチレバーを前記クーロン力により撓み変形させるレバー駆動部と、を備え、前記レバー駆動部は、前記変位検出部による検出値に基づいて、前記圧力差に起因した前記カンチレバーの変形を打ち消すように前記カンチレバーを逆方向に変形させ、前記対向電極は、前記キャビティの内部或いは前記キャビティの外部のうち少なくともいずれか一方に配置されると共に、前記カンチレバーに対して隙間をあけて平行に配置され、前記対向電極には、前記対向電極を貫通すると共に、前記ギャップの開口面積よりも大きい開口面積を有する通気孔が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る圧力センサによれば、センサ外部の圧力が変動すると、キャビティの内部と外部との間に圧力差が生じ、この圧力差に応じてカンチレバーが撓み変形しはじめる。また、圧力の変動後、時間の経過と共にカンチレバーと連通開口との間のギャップを通じて圧力伝達媒体がキャビティの外部から内部に流入するので、キャビティの内部と外部との圧力が徐々に均衡した状態となる。これにより、圧力変動に起因してカンチレバーに作用していた外力が徐々に低下するので、カンチレバーの撓みが徐々に小さくなる。従って、変位検出部により、カンチレバーの変位（撓み変位）を検出することで、その検出値に基づいて圧力変動を検出することができる。

ところで、キャビティの内部と外部との間に圧力差が生じた際、レバー駆動部は変位検出部による検出値に基づいて圧力差に起因したカンチレバーの変形を打ち消すように、カンチレバーを逆方向に変形させる。具体的にはレバー駆動部は、対向電極とカンチレバーに形成された導電層との間に駆動電圧を印加することでクーロン力を発生させ、このクーロン力により圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けてカンチレバーを撓み変形させる。
このように、カンチレバーをフィードバック制御するので、ギャップを開き難くすることができ、ギャップを通じてキャビティの内部に流入する圧力伝達媒体の流入量を抑制することができる。従って、キャビティの内部の圧力変化を緩やかにすることができ、キャビティの内部と外部との間の圧力差を直ちに緩和させるのではなく、より時間をかけて（緩和時間を長く確保して）緩やかに減少させることができる。

従って、例えば１Ｈｚ以下の低周波数帯域の圧力変動であっても検出することができ、検出できる下限周波数を下げることができる。特に、カンチレバーをフィードバック制御することで、圧力差に起因するカンチレバーの撓みを小さくできるので、例えば線形性の良い範囲で検出を行える。従って、感度の線形性を向上することができる。
その結果、低周波数帯域の圧力変動であっても感度良く且つ精度良く検出することができる。

しかも、導電層が形成されたカンチレバー及び対向電極とセンサ本体とが一体に組み合わされているので、クーロン力を発生させるために必要な主要部材を１つのユニットとしてコンパクトに構成することができると共に、例えばＭＥＭＳ技術や半導体製造技術等を応用して容易に製造することができる。従って、構成の簡略化、小型化及び低消費電力化を図り易く、各種の用途に利用し易い圧力センサとすることができる。

さらに、対向電極をカンチレバーの上面や下面に対して平行に配置させることができるので、対向電極及び導電層をより広範囲で対向させることができ、対向面積を大きく確保し易い。従って、対向電極と導電層との間に印加する駆動電圧を小さくしても、大きなクーロン力を発生させることができ、低消費電力化を効果的に図り易い。
さらに、対向電極には、ギャップの開口面積よりも大きい開口面積を有する通気孔が形成されているので、通気孔を通じて圧力伝達媒体を適切に流通させることができる。従って、対向電極をカンチレバーの上面や下面に対して平行に配置しても、対向電極が圧力伝達媒体の流通を阻害してしまうことを防止できるので、感度や応答性が低下（劣化）することを防止できる。

（２）前記通気孔は、前記対向電極に複数形成され、複数の前記通気孔は、各通気孔における開口面積を積算した合計の開口面積が前記ギャップの開口面積よりも大きくなるように形成されていても良い。

この場合には、複数の通気孔が形成されているので、対向電極をカンチレバーの全体に対して対向配置させることが可能である。従って、対向電極及び導電層をさらに広範囲で対向させることが可能となり、さらなる低消費電力化に繋げることができる。

（３）前記対向電極は、前記圧力センサの平面視で、前記導電層に対して重なるように前記導電層の形状に対応して形成されていても良い。

この場合には、対向電極と導電層とが互いに対応した形状とされているうえ、平面視で互いに重なるように配置されているので、対向面積を大きく確保することができる。従って、対向電極と導電層との間により大きなクーロン力を発生させ易く、さらなる低消費電力化に繋げることができる。

（４）前記通気孔は、前記カンチレバーのうち自由端とされた先端部に対して対向するように配置されていても良い。

この場合には、カンチレバーの先端部側の周囲に空間を確保できるので、キャビティの内部と外部との圧力差に応じた外力をカンチレバーの先端部側に効果的に作用させ易い。従って、カンチレバーをより撓み易くすることができ、応答性をさらに向上することができる。

（５）前記通気孔は、前記カンチレバーのうち前記センサ本体に接続される基端部に対して対向するように配置されていても良い。

この場合には、カンチレバーの基端部側に通気孔を配置しているので、対向電極自体をカンチレバーの先端部側に対向配置することができる。従って、撓み変形し易いカンチレバーの先端部に対してクーロン力を集中的に作用させることができる。そのため、曲げモーメントを大きくすることができ、小さいクーロン力であってもカンチレバーを効果的に撓み変形させ易い。よって、さらなる低消費電力化を図り易いうえ、カンチレバーをフィードバック制御し易い。

（６）本発明に係る圧力センサは、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が形成された中空のセンサ本体と、前記連通開口を覆い、且つ前記センサ本体との間にギャップが形成されるように前記センサ本体に片持ち状態で接続され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能なカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、前記センサ本体に一体に組み合わされていると共に前記カンチレバーに対して対向配置された対向電極と、前記対向電極と前記カンチレバーに形成された導電層との間にクーロン力を発生させ、前記圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けて前記カンチレバーを前記クーロン力により撓み変形させるレバー駆動部と、を備え、前記レバー駆動部は、前記変位検出部による検出値に基づいて、前記圧力差に起因した前記カンチレバーの変形を打ち消すように前記カンチレバーを逆方向に変形させ、前記対向電極は、前記ギャップを挟んで前記カンチレバーに対して対向配置されていることを特徴とする。

本発明に係る圧力センサによれば、センサ外部の圧力が変動すると、キャビティの内部と外部との間に圧力差が生じ、この圧力差に応じてカンチレバーが撓み変形しはじめる。また、圧力の変動後、時間の経過と共にカンチレバーと連通開口との間のギャップを通じて圧力伝達媒体がキャビティの外部から内部に流入するので、キャビティの内部と外部との圧力が徐々に均衡した状態となる。これにより、圧力変動に起因してカンチレバーに作用していた外力が徐々に低下するので、カンチレバーの撓みが徐々に小さくなる。従って、変位検出部により、カンチレバーの変位（撓み変位）を検出することで、その検出値に基づいて圧力変動を検出することができる。
ところで、キャビティの内部と外部との間に圧力差が生じた際、レバー駆動部は変位検出部による検出値に基づいて圧力差に起因したカンチレバーの変形を打ち消すように、カンチレバーを逆方向に変形させる。具体的にはレバー駆動部は、対向電極とカンチレバーに形成された導電層との間に駆動電圧を印加することでクーロン力を発生させ、このクーロン力により圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けてカンチレバーを撓み変形させる。
このように、カンチレバーをフィードバック制御するので、ギャップを開き難くすることができ、ギャップを通じてキャビティの内部に流入する圧力伝達媒体の流入量を抑制することができる。従って、キャビティの内部の圧力変化を緩やかにすることができ、キャビティの内部と外部との間の圧力差を直ちに緩和させるのではなく、より時間をかけて（緩和時間を長く確保して）緩やかに減少させることができる。
従って、例えば１Ｈｚ以下の低周波数帯域の圧力変動であっても検出することができ、検出できる下限周波数を下げることができる。特に、カンチレバーをフィードバック制御することで、圧力差に起因するカンチレバーの撓みを小さくできるので、例えば線形性の良い範囲で検出を行える。従って、感度の線形性を向上することができる。
その結果、低周波数帯域の圧力変動であっても感度良く且つ精度良く検出することができる。
しかも、導電層が形成されたカンチレバー及び対向電極とセンサ本体とが一体に組み合わされているので、クーロン力を発生させるために必要な主要部材を１つのユニットとしてコンパクトに構成することができると共に、例えばＭＥＭＳ技術や半導体製造技術等を応用して容易に製造することができる。従って、構成の簡略化、小型化及び低消費電力化を図り易く、各種の用途に利用し易い圧力センサとすることができる。
さらに、対向電極がカンチレバーに対してギャップを挟んで対向配置されているので、カンチレバーの上方や下方に、圧力伝達媒体が自由に流通する空間を確保することができる。従って、感度や応答性を向上させ易い。

（７）前記レバー駆動部は、前記対向電極と前記導電層との間に駆動電圧を印加し、前記カンチレバーを逆方向に変形させる電圧印加部と、前記変位検出部で検出された検出値に基づいて前記駆動電圧を算出し、該駆動電圧を印加するように前記電圧印加部を制御する制御部と、を備えていても良い。

この場合には、制御部が変位検出部で検出された検出値、すなわち撓み変位量に基づいて駆動電圧を算出し、電圧印加部が算出された駆動電圧を対向電極と導電層との間に印加するので、カンチレバーと対向電極との間に適切なクーロン力を発生させることができる。なお、制御部が算出する駆動電圧は、カンチレバーの撓み変位量を相殺するような電圧値であっても良いし、カンチレバーの撓み変位量が例えば半分になる程度の電圧値でも良い。いずれにしても、制御部はカンチレバーの撓み変位量を減少させることに繋がる電圧値を算出すれば良い。

（８）前記制御部は、前記変位検出部で検出された検出値と予め決められた基準値との差分に対応した駆動電圧を算出しても良い。

この場合には、制御部は変位検出部で検出されたカンチレバーの実際の撓み変位量と、予め決められた基準値とを比較し、その差分に対応した駆動電圧を算出するので、差分をキャンセル（相殺）するようにカンチレバーを逆方向に変形させることができる。従って、カンチレバーが常に同じ状態を維持し続けるようにフィードバック制御することができる。これにより、キャビティの内部と外部との圧力差の大きさに影響されることなく、ギャップの開き具合を一定に維持することができ、ギャップを通じてキャビティの内部に流入する圧力伝達媒体の流入量を一定に制御できる。従って、一定の感度で圧力変動を検出することができ、安定した検出精度を得ることができる。

（９）前記変位検出部は、前記カンチレバーに形成された変位検出素子の抵抗値変化、又は電荷の変化に基づいて前記カンチレバーの変位を検出しても良い。

この場合には、カンチレバー自身に形成された変位検出素子の抵抗値変化（例えばピエゾ抵抗の抵抗値変化）又は電荷の変化（例えば圧電体の電荷の変化）を利用できるので、高精度にカンチレバーの変位を検出することができる。また、カンチレバーのうち撓み易い部分に変位検出素子を形成することで、カンチレバーの変位をより高精度に検出することも可能である。

本発明に係る圧力センサによれば、感度の線形性が優れているうえ、例えば１Ｈｚ以下の低周波数帯域の圧力変動であっても感度良く且つ精度良く検出することができる。

本発明に係る第１実施形態を示す図であって、圧力センサの平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサの縦断面図である。 図１に示すＢ−Ｂ線に沿った圧力センサの縦断面図である。 図２に示すＣ−Ｃ線に沿った圧力センサの横断面図である。 図１に示す検出回路の構成図である。 図１に示す圧力センサの出力信号の一例を示す図であり、外気圧と内気圧との関係、外気圧と内気圧との圧力差、及びセンサ出力を示す図である。 図１に示す圧力センサの動作の一例を示す図であり、（Ａ）は外気圧と内気圧とが同じ状態における圧力センサの状態を示し、（Ｂ）は外気圧が内気圧よりも上昇したときの圧力センサの状態を示し、（Ｃ）は外気圧と内気圧とが平衡状態になったときの圧力センサの状態を示す図である。 センサ感度と外気圧の周波数との関係を示す図である。 本発明に係る第２実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図９に示すＤ−Ｄ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第３実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 本発明に係る第４実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図１２に示すＥ−Ｅ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第５実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図１４に示すＦ−Ｆ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第６実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 本発明に係る第７実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図１７に示す圧力センサの平面図である。 図１７に示すＧ−Ｇ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第８実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図２０に示すＨ−Ｈ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第９実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 本発明に係る第１０実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図２３に示す圧力センサの平面図である。 図２３に示すＪ−Ｊ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第１１実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 図２６に示すＫ−Ｋ線に沿った圧力センサの横断面図である。 本発明に係る第１２実施形態を示す、圧力センサの縦断面図である。 本発明に係る第１３実施形態を示す、圧力センサの平面図である。 図２９に示すＬ−Ｌ線に沿った圧力センサの縦断面図である。 本発明に係る第１４実施形態を示す、圧力センサの平面図である。 図３１に示すＭ−Ｍ線に沿った圧力センサの縦断面図である。 図３２に示すチャージアンプ回路の構成図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る圧力センサの第１実施形態について図面を参照して説明する。
図１〜図３に示すように、本実施形態の圧力センサ１は、所定の周波数帯域の圧力変動を検出するセンサであり、圧力伝達媒体（例えば空気等の気体）が存在する空間等に配置されて使用される。

圧力センサ１は、内部にキャビティ７が形成された中空のセンサ本体２と、キャビティ７の内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能なカンチレバー３と、カンチレバー３の変位（撓み変位）を検出する変位検出部４と、カンチレバー３に対して対向配置された対向電極５と、カンチレバー３をクーロン力により撓み変形させるレバー駆動部６と、を備えている。

なお、本実施形態では、第１基板１０と第２基板１１とを一体に組み合わせることで、センサ本体２、カンチレバー３及び対向電極５を構成している場合を例に挙げて説明する。但し、このような構成に限定されるものではない。
また、圧力センサ１の厚み方向に沿ったカンチレバー３側を上方、その反対側を下方という。また、圧力センサ１の平面視で、互いに直交する２方向のうち一方の方向を前後方向Ｌ１といい、他方向を左右方向Ｌ２という。

第１基板１０は、例えばシリコン支持層１２、シリコン酸化膜等の絶縁層１３及びシリコン活性層１４を、下方からこの順番に熱的に貼り合わせたＳＯＩ基板とされている。
第２基板１１は、シリコン支持層１２に対して下方から基板接合されている。第２基板１１としては、例えばシリコン或いは異種材料からなる半導体基板が挙げられるが、特定の材料に限定されるものではない。
なお、基板接合の方法としては、例えば拡散接合、常温接合や陽極接合等の直接接合方法や、接着層を介した間接接合方法等が挙げられるが、特定の方法に限定されるものではない。

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、上述したキャビティ（空気室）７として機能し、上方に開口した部分がキャビティ７の内部と外部とを連通する連通開口１５として機能する。

なお、センサ本体２は、前後方向Ｌ１に沿った長さと、左右方向Ｌ２に沿った長さとが同等とされた平面視正方形状に形成されている。
但し、この場合に限定されるものではなく、センサ本体２は、前後方向Ｌ１に沿った長さが左右方向Ｌ２に沿った長さよりも長い、或いは左右方向Ｌ２に沿った長さが前後方向Ｌ１に沿った長さよりも長い平面視長方形状に形成されていても良い。

底壁部２ａは主に第２基板１１で形成されている。周壁部２ｂは、主に第２基板１１と、第１基板１０におけるシリコン支持層１２、絶縁層１３及びシリコン活性層１４とで形成されている。
また、カンチレバー３は主に第１基板１０におけるシリコン活性層１４で形成され、対向電極５は主に第１基板１０におけるシリコン支持層１２で形成されている。

詳しく説明する。
第２基板１１の中央部分には凹部１１ａが形成されており、これによって第２基板１１は環状の枠部１１ｂを有している。
第１基板１０のシリコン支持層１２は、第２基板１１の枠部１１ｂ上に重なる環状の枠部１２ａと、枠部１２ａの内側に配置される内側部分と、を備えており、この内側部分が対向電極５とされている。第１基板１０の絶縁層１３は、シリコン支持層１２における枠部１２ａ上に重なった環状に形成されている。なお、絶縁層１３で囲まれる内側部分が連通開口１５とされている。

第１基板１０のシリコン活性層１４は、連通開口１５を上方から覆うように絶縁層１３上に配置されている。このシリコン活性層１４には、該シリコン活性層１４を厚さ方向に貫通する平面視Ｕ字状のギャップ２０が形成されている。これにより、シリコン活性層１４には、ギャップ２０の外側に配置され、且つ絶縁層１３上に重なる環状の枠部１４ａと、ギャップ２０の内側に配置され、且つ連通開口１５を覆うカンチレバー３とが形成されている。
そして、上述した第２基板１１の枠部１１ｂ、シリコン支持層１２の枠部１２ａ、絶縁層１３及びシリコン活性層１４の枠部１４ａが、センサ本体２の周壁部２ｂを構成している。

なお、第２基板１１の枠部１１ｂとシリコン支持層１２の枠部１２ａとの間には、導電性材料（例えばＡＵ等）からなる枠状の内部電極２１が形成されている。これにより、内部電極２１及び対向電極５は、互いに電気的接続されている。但し、内部電極２１は、例えばシリコン支持層１２の枠部１２ａと絶縁層１３との間に形成されていても構わない。

上記ギャップ２０は、平面視で連通開口１５の内側に位置する領域内（キャビティ７の内部に連通する領域内）に形成され、そのギャップ幅Ｇは、例えば数百ｎｍ〜数十μｍの微小幅とされている。
なお、キャビティ７は、ギャップ２０を通じてのみ外部に連通する。従って、ギャップ２０を介してのみ圧力伝達媒体をキャビティ７の内外へ流動させることができる。

カンチレバー３は、基端部３ａが枠部１４ａを介してセンサ本体２における周壁部２ｂに一体的に接続され、且つ先端部３ｂが自由端とされた片持ち梁構造とされ、上述のように連通開口１５を覆うように配置されている。
このカンチレバー３は、基端部３ａを中心としてキャビティ７の内部と外部との圧力差（すなわち、ギャップ２０を介してキャビティ７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。
なお、枠部１４ａの一部は、連通開口１５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。

カンチレバー３の基端部３ａには、該カンチレバー３を厚さ方向に貫通する２つの補助ギャップ２２が左右方向Ｌ２に間隔をあけて形成されている。これら補助ギャップ２２は、ギャップ２０と同様に例えば平面視Ｕ字状に形成されている。
２つの補助ギャップ２２によって、カンチレバー３の基端部３ａは、補助ギャップ２２とギャップ２０との間に配置される第１レバー支持部２５及び第２レバー支持部２６と、補助ギャップ２２の間に配置される第３レバー支持部２７と、に分かれている。従って、カンチレバー３は、第１レバー支持部２５、第２レバー支持部２６及び第３レバー支持部２７を中心として撓み変形し易い。

なお、第１レバー支持部２５及び第２レバー支持部２６の左右方向Ｌ２に沿った支持幅は、互いに同等とされている。これに対して、第３レバー支持部２７の左右方向Ｌ２に沿った支持幅は、第１レバー支持部２５及び第２レバー支持部２６の支持幅よりも狭い。但し、支持幅はこの場合に限定されるものではなく、自由に変更して構わない。

シリコン活性層１４の上面には、導電性材料（例えばＡＵ等）からなる外部電極３０が形成されている。
外部電極３０は、平面視でカンチレバー３を囲むように枠部１４ａの上面に位置するように形成されている。なお、外部電極３０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。

外部電極３０は、カンチレバー３の基端部３ａ側において、３つの区画溝（第１区画溝３５、第２区画溝３６、第３区画溝３７）によって左右方向Ｌ２に電気的に切り離されている。

第１区画溝３５は、第３レバー支持部２７における左右方向Ｌ２の中央部分に配置され、前後方向Ｌ１に沿って延びた直線状に形成されている。この際、第１区画溝３５は、第３レバー支持部２７からセンサ本体２の側方まで達するように前後方向Ｌ１に沿って延びており、外部電極３０を左右方向Ｌ２に分断している。
なお、図示の例では、第１区画溝３５はシリコン活性層１４の上面から凹状に形成されているが、シリコン活性層１４を貫通して絶縁層１３に達する深さとされていても構わない。

第２区画溝３６及び第３区画溝３７は、第１区画溝３５よりも第１レバー支持部２５及び第２レバー支持部２６寄りに配置され、前後方向Ｌ１に沿って延びた直線状に形成されている。この際、第２区画溝３６及び第３区画溝３７は、補助ギャップ２２に繋がると共に、この繋がった部分からセンサ本体２の側方まで達するように前後方向Ｌ１に沿って延びており、外部電極３０を左右方向Ｌ２に分断している。
なお、第２区画溝３６及び第３区画溝３７は、第１区画溝３５と同様に、シリコン活性層１４の上面から凹状に形成されているが、シリコン活性層１４を貫通して絶縁層１３に達する深さとされていても構わない。

上述のように第１区画溝３５、第２区画溝３６及び第３区画溝３７が形成されていることで、外部電極３０は、第１外部電極３１、第２外部電極３２及び第３外部電極３３に区画され、互いに電気的に切り離されている。
外部電極３０のうち、第１区画溝３５と第２区画溝３６との間に位置する部分が第１外部電極３１とされ、第１区画溝３５と第３区画溝３７との間に位置する部分が第２外部電極３２とされている。また、外部電極３０のうち、第１外部電極３１及び第２外部電極３２以外の部分が第３外部電極３３とされている。

さらに、シリコン活性層１４には、ピエゾ抵抗層（変位検出素子）４０及び導電層４１が形成されている。
ピエゾ抵抗層４０は、カンチレバー３の第３レバー支持部２７に主に形成されていると共に、第１外部電極３１及び第２外部電極３２に電気接続されるように形成されている。
具体的には、ピエゾ抵抗層４０は、第１外部電極３１からカンチレバー３の先端部３ｂに向かって前後方向Ｌ１に沿って延びると共に、第１区画溝３５を回り込んだ後、第２外部電極３２に向かって前後方向Ｌ１に沿って延びるように、平面視Ｕ字状に形成されている。
これにより、第１外部電極３１及び第２外部電極３２間に所定電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、第１外部電極３１からピエゾ抵抗層４０を経由して第２外部電極３２に流れる。

なお、ピエゾ抵抗層４０は、例えばリン等のドープ剤（不純物）がイオン注入法や拡散法等の各種の方法によりドーピングされることで形成されている。

導電層４１は、カンチレバー３における先端部３ｂ側、第１レバー支持部２５及び第２レバー支持部２６に亘って形成されていると共に、第３外部電極３３に電気接続されるように形成されている。
具体的には、導電層４１は、第３外部電極３３から第１レバー支持部２５を通過しながらカンチレバー３の先端部３ｂ側まで前後方向Ｌ１に沿って延びると共に、第３レバー支持部２７及びピエゾ抵抗層４０を回り込んだ後、第２レバー支持部２６を通過しながら第３外部電極３３に向かって前後方向Ｌ１に沿って延びるように、平面視Ｕ字状に形成されている。
これにより、カンチレバー３の基端部３ａ側において第２区画溝３６及び第３区画溝３７によって電気的に分断された第３外部電極３３は、導電層４１を介して電気的に繋がってループした状態となる。

なお、導電層４１の導電率はできるだけ高い方が好ましく、例えばＡＵ等が挙げられる。また、図示の例では、導電層４１をカンチレバー３の上面に形成（パターン形成）したが、この場合に限定されるものではなく、例えばピエゾ抵抗層４０と同様に、ドープ剤をドーピングすることで形成しても構わない。この場合にはドープ濃度を濃くして導電率を高めることが好ましい。
また、ピエゾ抵抗層４０と導電層４１との間は、例えばシリコン活性層１４に設けられた図示しない絶縁層や溝部等によって非導通とされている。

対向電極５は、キャビティ７の内部であって、且つカンチレバー３の下方に隙間をあけて平行に配置されている。この際、対向電極５はカンチレバー３のほぼ全面に亘って対向している。また、上記隙間は絶縁層１３の厚みに相当し、例えば数百ｎｍ〜数μｍ程度の極微小距離とされている。従って、対向電極５は、カンチレバー３に対して近接配置されている。

対向電極５には、該対向電極５を厚さ方向に貫通する通気孔４５が複数形成されている。複数の通気孔４５は、図４に示すように、例えば左右方向Ｌ２及び前後方向Ｌ１に一定の間隔をあけて整列した状態で配置（アレイ状に配置）されている。但し、複数の通気孔４５は、左右方向Ｌ２及び前後方向Ｌ１に規則性なく形成されていても構わない。

図示の例では各通気孔４５は、一辺の長さがギャップ幅Ｇよりも長い平面視正方形状に形成されている。そして、複数の通気孔４５は、各通気孔４５の開口面積を積算した合計の開口面積が、ギャップ２０全体の開口面積よりも大きくなるように形成されている。
なお、通気孔４５の形状は、平面視正方形状に限定されるものではなく、例えば平面視円形状、楕円状、多角形状等、自由に形成して構わない。さらに、通気孔４５は複数である必要もなく、例えば１つだけ形成されていても構わない。この場合には、１つの通気孔４５の開口面積が、ギャップ２０全体の開口面積よりも大きければ良い。

図１及び図２に示すように、変位検出部４は、カンチレバー３に形成されたピエゾ抵抗層４０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を備えている。

検出回路５０は、第１外部電極３１及び第２外部電極３２に接続されている。これにより、検出回路５０を通じて、第１外部電極３１及び第２外部電極３２間に所定電圧が印加されると、先に述べたように、電圧印加に起因する電流が第１外部電極３１からピエゾ抵抗層４０を経由して第２外部電極３２に流れる。従って、検出回路５０は、ピエゾ抵抗層４０の抵抗値変化を、カンチレバー３の変位（撓み変形に伴う変位）に応じて変化する電気的な出力信号（センサ信号）として取り出すことが可能とされている。
従って、この出力信号に基づいてカンチレバー３の変位を検出でき、圧力変動を検出することが可能となる。

検出回路５０は、図５に示すように、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）５１と、基準電圧発生回路５２と、作動増幅回路５３と、を備えている。

ブリッジ回路５１は、カンチレバー３のピエゾ抵抗層４０（電気抵抗値Ｒ）及び第１固定抵抗５５（電気抵抗値Ｒ１）が直列接続された枝辺と、第２固定抵抗５６（電気抵抗値Ｒ２）及び第３固定抵抗５７（電気抵抗値Ｒ３）が直列接続された枝辺と、が基準電圧発生回路５２に対して並列に接続されている。

ブリッジ回路５１において、ピエゾ抵抗層４０と第１固定抵抗５５との接続点（中点電圧Ｅ１）は、作動増幅回路５３の反転入力端子（−端子）に接続され、第２固定抵抗５６と第３固定抵抗５７との接続点（中点電圧Ｅ２）は、作動増幅回路５３の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。
基準電圧発生回路５２は、ブリッジ回路５１に対して所定の基準電圧Ｖｃｃを印加する。作動増幅回路５３は、中点電圧Ｅ１と中点電圧Ｅ２との間の電位差を検出し、この電位差を所定増幅率にて増幅して出力する。この電位差は、ピエゾ抵抗層４０の抵抗値変化に応じた値、すなわちカンチレバー３の変位に基づいた値となる。

図１及び図２に示すように、レバー駆動部６は、対向電極５とカンチレバー３に形成された導電層４１との間にクーロン力を発生させ、キャビティ７の外部と内部との圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けてカンチレバー３をクーロン力により撓み変形させる。具体的には、レバー駆動部６は、上述した変位検出部４による検出値に基づいて、圧力差に起因したカンチレバー３の変形を打ち消すようにカンチレバー３を逆方向に変形させる。

レバー駆動部６について詳細に説明する。
レバー駆動部６は、内部電極２１及び第３外部電極３３に接続され、内部電極２１及び第３外部電極３３の間に駆動電圧を印加する駆動回路（電圧印加部）６０と、検出回路５０及び駆動回路６０に接続され、変位検出部４で検出された検出値に基づいて駆動電圧を算出し、該駆動電圧を印加するように駆動回路６０を作動させる信号処理回路（制御部）６１と、を備えている。

駆動回路６０は、内部電極２１及び第３外部電極３３に駆動電圧を印加することで、内部電極２１に電気接続されている対向電極５と、第３外部電極３３に電気接続されている導電層４１との間に駆動電圧を印加することができる。
これにより、対向電極５と導電層４１との間に、両者の対向面積、両者の距離及び駆動電圧等に基づいたクーロン力を発生させることができ、対向電極５側にカンチレバー３を例えば引き寄せるように撓み変形させることができる。

なお、本実施形態では、初期状態で駆動回路６０が僅かな駆動電圧を予め印加しており、クーロン力によって対向電極５側にカンチレバー３を予め僅かに引き寄せている（僅かに撓み変形させている）。そして、この状態におけるカンチレバー３の撓み、及びピエゾ抵抗層４０の電気抵抗値を基準値として、圧力変動を検出する。
なお、カンチレバー３を僅かに引き寄せているだけであるので、実質上、図２に示すようにカンチレバー３はほぼフラットな状態とされている。

（圧力センサの作動）
次に、上述した圧力センサ１を利用して、圧力変動を検出する場合について説明する。
はじめに、図６に示す時刻ｔ１以前の期間Ａのように、キャビティ７の外部の圧力（以下、外気圧Ｐｏｕｔと称する）と、キャビティ７の内部の圧力（以下、内気圧Ｐｉｎと称する）との圧力差がゼロである場合には、図７（Ａ）に示すように、カンチレバー３は撓み変形しない。これにより、検出回路５０から出力される出力信号（センサ信号）は所定値（例えばゼロ）である。

次いで、図６に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、例えば外気圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇した場合について説明する。
なお、対向電極５を利用してクーロン力を発生させない場合を参考例（図６に示す二点鎖線）として先に説明し、その後、対向電極５を利用してクーロン力を発生させる本実施形態（図６に示す実線）について説明する。

（参考例）
外気圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇すると、キャビティ７の外部と内部との間に圧力差が生じるので、図７（Ｂ）に示すようにカンチレバー３はキャビティ７の内部に向けて撓み変形する。すると、カンチレバー３の撓み変形に応じてピエゾ抵抗層４０に歪が生じて電気抵抗値が変化するので、図６に示す二点鎖線のように出力信号が増大する。

そして、外気圧Ｐｏｕｔの上昇以降、ギャップ２０を介してキャビティ７の外部から内部へと圧力伝達媒体が流動するので、内気圧Ｐｉｎが時間の経過と共に外気圧Ｐｏｕｔよりも遅れながら、且つ外気圧Ｐｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。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７の外部と内部との圧力が均衡状態になりはじめる。これにより、カンチレバー３の撓みが徐々に小さくなり、図６に示す二点鎖線のように出力信号が徐々に低下する。

そして、内気圧Ｐｉｎが外気圧Ｐｏｕｔに等しくなると、図７（Ｃ）に示すように、カンチレバー３の撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、図６に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように出力信号が再び所定値（例えばゼロ）になる。
従って、変位検出部４による検出値の変化（カンチレバー３の変位に基づいたピエゾ抵抗層４０の電気抵抗値の変化）に基づいて圧力変動を検出することができる。

（本実施形態）
本実施形態の圧力センサ１では、外気圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇した際、圧力差に起因したカンチレバー３の変形を打ち消すように、カンチレバー３を逆方向に変形させることができる。

具体的に説明する。外気圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇すると、キャビティ７の外部と内部との間に圧力差が生じるので、カンチレバー３はキャビティ７の内部に向けて撓み変形しはじめ、ピエゾ抵抗層４０の電気抵抗値が変化する。

すると、信号処理回路６１は、変位検出部４で検出されたピエゾ抵抗層４０の電気抵抗値の変化に基づいて駆動電圧を算出し、この算出した駆動電圧を印加するように駆動回路６０を制御する。これにより、駆動回路６０は、内部電極２１及び第３外部電極３３を介して、対向電極５と導電層４１との間に駆動電圧を印加する。
そのため、カンチレバー３と対向電極５との間にクーロン力を発生させることができ、このクーロン力により圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けてカンチレバー３を撓み変形させることができる。

なお、上記説明では、外気圧Ｐｏｕｔの上昇によってカンチレバー３が対向電極５側に撓み変形する場合を例にしているので、上記駆動電圧は予め印加していた基準電圧よりも低い。これにより、カンチレバー３に斥力が作用するようなクーロン力を発生させることができ、対向電極５から離間するようにカンチレバー３を上方に向けて撓み変形させることができる。

このように、カンチレバー３をフィードバック制御するので、ギャップ２０を開き難くすることができ、あたかもカンチレバー３を図７（Ａ）に示す状態を維持し続けるようにすることができる。従って、ギャップ２０を通じてキャビティ７内の内部に流入する圧力伝達媒体の流入量を抑制することができ、図６に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂでの実線のように、内気圧Ｐｉｎの圧力変化を緩やかにすることができる。
そのため、図６に示すように、キャビティ７の内部と外部との圧力差を直ちに緩和させるのではなく、より時間をかけて（緩和時間を長く確保して）緩やかに減少させることができる。

従って、例えば１Ｈｚ以下の低周波数帯域の圧力変動であっても検出することができ、図８に示すように、検出できる下限周波数を、二点鎖線で示される参考例よりも実線で示されるように下げることができる（低周波数側にシフトすることができる）。
特に、カンチレバー３をフィードバック制御することで、圧力差に起因するカンチレバー３の撓みを小さくできるので、例えば線形性の良い範囲で検出を行える。従って、感度の線形性を向上することができる。

以上のことから、本実施形態の圧力センサ１によれば、感度の線形性が優れているうえ、例えば１Ｈｚ以下の低周波帯域の圧力変動であっても感度良く検出することができる。
しかも、導電層４１が形成されたカンチレバー３及び対向電極５をそれぞれセンサ本体２に一体に組み合わされているので、クーロン力を発生させるために必要な主要部材を１つのユニットとしてコンパクトに構成することができると共に、例えばＭＥＭＳ技術や半導体製造技術を応用して容易に製造することができる。従って、構成の簡略化、小型化及び低消費電力化を図り易く、各種の用途に適用し易いセンサとすることができる。

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、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。

更には、室内の気圧変化を検出することが可能であるので、例えば建物や金庫、自動車の防犯装置に適用することも可能である。特に、１Ｈｚ以下の周波数帯域の圧力変動であっても感度良く検出することができるので、ドアや引き戸の開閉等に基づく圧力変動であっても検出することが可能であり、防犯装置等の適用に好適である。

また、本実施形態では、カンチレバー３自身に形成されたピエゾ抵抗層４０の抵抗値変化を利用してカンチレバー３の変位を検出しているので、例えばカンチレバー３の変位を光の反射角度等を利用して検出（いわゆる光てこ検出）する場合とは異なり、容易且つ正確にカンチレバー３の変位を検出することができる。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、対向電極５をカンチレバー３の下方に近接配置すると共に、カンチレバー３の全体に対して対向配置させている。従って、対向電極５と導電層４１とを広範囲に亘って対向させることができ、対向面積を大きく確保し易い。従って、対向電極５と導電層４１との間に印加する駆動電圧が小さくしても、大きなクーロン力を発生させることができ、低消費電力化を図ることができる。

しかも、対向電極５には複数の通気孔４５が形成され、通気孔４５全体の開口面積がギャップ２０全体の開口面積よりも大きいので、ギャップ２０を通じてキャビティ７の内部に流入した圧力伝達媒体を、通気孔４５を通じてキャビティ７内で適切に流通させることができる。つまり、キャビティ７内における圧力伝達媒体の流れを、対向電極５が阻害してしまうことを防止することができる。従って、感度や応答性が低下（劣化）することを防止することができる。

なお、上記実施形態では、外気圧Ｐｏｕｔの上昇によってカンチレバー３が対向電極５側に撓み変形する場合を例にしたが、外気圧Ｐｏｕｔの低下によってカンチレバー３が対向電極５から離間するように上方に向けて撓み変形する場合には、予め印加している基準電圧よりも大きな駆動電圧を印加すれば良い。このようにすることで、カンチレバー３に静電引力が作用するようなクーロン力を発生させることができ、圧力差に起因するカンチレバー３の変形を打ち消すように、カンチレバー３を下方に向けて撓み変形させることができる。

また、信号処理回路６１が算出する駆動電圧は、カンチレバー３の撓み変位量を相殺するような電圧値であっても良いし、カンチレバー３の撓み変位量が例えば半分になる程度の電圧値でも良い。いずれにしても、信号処理回路６１はカンチレバー３の撓み変位量が減少させることに繋がる駆動電圧を算出すれば良い。

さらに、上記実施形態において、信号処理回路６１が、変位検出部４で検出された検出値と予め決められた基準値とを比較し、その差分に対応した駆動電圧を算出しても良い。
この場合には、上記差分をキャンセル（相殺）するようにカンチレバー３を逆方向に変形させることができ、カンチレバー３が常に同じ状態を維持し続けるようにフィードバック制御することができる。これにより、キャビティ７の内部と外部との圧力差に大きさに影響されることなく、ギャップ２０の開き具合を一定に維持することができる。よって、ギャップ２０を通じてキャビティ７の内部に流入する圧力伝達媒体の流入量を一定に制御できる。従って、一定の感度で圧力変動を検出することができ、安定した検出精度を得ることができる。
さらに、この場合には、上記差分に基づいてカンチレバー３の変位を検出することもできる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図９及び図１０に示すように、本実施形態の圧力センサ７０は、センサ本体２に一体に組み合わされた第３基板７１を具備し、この第３基板７１によって対向電極７２がカンチレバー３の上方に近接配置されている。詳しく説明する。

第３基板７１は、例えばシリコン或いは異種材料からなる半導体基板とされている。但し、この場合に限定されるものではなく、第３基板７１は例えば第１基板１０と同様にＳＯＩ基板であっても構わない。
第３基板７１は、環状の枠部７１ａと、枠部７１ａの内側に配置される内側部分と、を備えており、この内側部分が対向電極７２とされている。枠部７１ａの下面には、シリコン酸化膜等の絶縁層７３が枠部７１ａの全周に亘って環状に形成されている。枠部７１ａの上面には、第４外部電極７４が枠部７１ａの全周に亘って環状に形成されている。

そして、第３基板７１は、外部電極３０上に絶縁層７３を重ねた状態で第１基板１０に対して基板接合されている。これにより、対向電極７２は、キャビティ７の外部に配置されていると共に、カンチレバー３の上方に隙間をあけて平行に配置され、且つ第４外部電極７４にだけ導通している。
この際、対向電極７２はカンチレバー３のほぼ全面に亘って対向している。また、上記隙間は絶縁層７３の厚みに相当し、例えば数百ｎｍ〜数μｍ程度の極微小距離とされている。従って、対向電極７２は、カンチレバー３に対して近接配置されている。
さらに、本実施形態の場合であっても、対向電極７２には、該対向電極７２を厚さ方向に貫通する通気孔４５が複数形成されている。

本実施形態の駆動回路６０は、第４外部電極７４と第３外部電極３３とに接続され、第４外部電極７４及び第３外部電極３３の間に駆動電圧を印加する。これにより、第４外部電極７４に電気続されている対向電極７２と、第３外部電極３３に電気接続されている導電層４１との間に駆動電圧を印加することができ、対向電極７２と導電層４１との間に、両者の対向面積、両者の距離及び駆動電圧等に基づいたクーロン力を発生させることができる。

このように構成された圧力センサ７０であっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏効することができる。それに加え、本実施形態の場合には、対向電極７２がカンチレバー３及びギャップ２０の上方に位置しているので、カンチレバー３に対して塵埃や水滴等が付着し難くなるうえ、ギャップ２０を通じてキャビティ７内に塵埃や水滴等が侵入することを防止し易い。つまり、防水効果や異物混入の防止効果を期待できる。従って、センサとしての付加価値を高めることができる。

なお、対向電極７２の表面に撥水処理等を施すことが好ましい。この場合には、防水効果や異物混入の防止効果をさらに効果的にすることができる。また、本実施形態の場合には、対向電極７２がカンチレバー３の上方に配置されているので、初期状態で駆動回路６０によって僅かな駆動電圧を予め印加し、クーロン力によってカンチレバー３を予め僅かに上方に撓み変形させておけば良い。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第３実施形態においては、第１実施形態及び第２実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図１１に示すように本実施形態の圧力センサ７５は、カンチレバー３の下方に配置された対向電極５と、カンチレバー３の上方に配置された対向電極７２と、を具備している。
駆動回路６０は、内部電極２１と第３外部電極３３との間に接続されていると共に、第３外部電極３３と第４外部電極７４との間にも接続されている。

これにより、駆動回路６０は、内部電極２１に電気接続されている対向電極５と、第３外部電極３３に電気接続されている導電層４１との間に駆動電圧を印加することで、カンチレバー３の下方に配置されている対向電極５と、カンチレバー３との間にクーロン力を発生させてカンチレバー３を下方に撓み変形させることができる。
さらには、駆動回路６０は、第４外部電極７４に電気接続されている対向電極７２と、第３外部電極３３に電気接続されている導電層４１との間に駆動電圧を印加することで、カンチレバー３の上方に配置されている対向電極７２と、カンチレバー３との間にクーロン力を発生させてカンチレバー３を上方に撓み変形させることもできる。

このように、カンチレバー３の上下に対向電極５、７２がそれぞれ配置されているので、キャビティ７の外部と内部との圧力差に起因してカンチレバー３が撓み変形した際に、その変形の方向（上方又は下方）に応じて駆動電圧を印加する対向電極５、７２を適宜選択して、使い分けることができる。
従って、本実施形態の場合には、初期状態において駆動電圧を予め印加して、カンチレバー３を上方又は下方に向けて予め僅かに撓み変形させておく必要がない。

このように構成された圧力センサ７５の場合には、第１実施形態及び第２実施形態と同様の作用効果を奏効することができることに加え、２つの対向電極５、７２を具備しているので、クーロン力によりカンチレバー３を上方又は下方のいずれの方向に、より大きく撓み変形させ易い。つまり、本実施形態の場合には、駆動電圧を印加する対向電極５、７２を適宜選択できるので、駆動電圧に比例したクーロン力を利用して、カンチレバー３を上方又は下方に大きく撓み変形させることができる。
従って、カンチレバー３をフィードバック制御する際の制御範囲を広く確保することができ、より高性能な圧力センサ７５にすることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第４実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図１２及び図１３に示すように、本実施形態の圧力センサ８０は、対向電極８１がカンチレバー３のほぼ全面に亘って形成されているのではなく、平面視で導電層４１に対して厚さ方向（上下方向）に重なるように、導電層４１の形状に対応して平面視Ｕ字状に形成されている。

従って、この対向電極８１には、補助ギャップ２２及び第３レバー支持部２７の下方に位置する部分に大きく開口した平面視長方形状の内側通気孔（通気孔）８２と、ギャップ２０の下方に位置する部分に大きく開口した平面視Ｕ字状の外側通気孔（通気孔）８３とが形成されている。これら内側通気孔８２及び外側通気孔８３は、開口面積がそれぞれギャップ２０の開口面積よりも大きい。

このように構成された圧力センサ８０の場合には、第１実施形態と同様の作用効果を奏功できることに加え、対向電極８１と導電層４１とが互いに対応した形状とされ、且つ平面視で重なるように配置されているので、対向面積を大きく確保できる。従って、対向電極８１と導電層４１との間により大きなクーロン力を発生させ易く、さらなる低消費電力化に繋げることができる。

しかも、対向電極８１に外側通気孔８３が形成されているので、ギャップ２０の下方を大きく開放することができ、ギャップ２０を通じた圧力伝達媒体の流通性を向上できる。従って、感度及び応答性を向上させ易い。

（第５実施形態）
次に、本発明に係る第５実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第５実施形態においては、第２実施形態及び第４実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図１４及び図１５に示すように、本実施形態の圧力センサ８５は、第３基板７１によって対向電極８６がカンチレバー３の上方に近接配置されている。対向電極８６は、平面視で導電層４１に対して厚さ方向（上下方向）に重なるように導電層４１の形状に対応して平面視Ｕ字状に形成されている。また、対向電極８６には、内側通気孔８２及び外側通気孔８３が形成されている。
なお、対向電極８６の上面及び第３基板７１の枠部７１ａの上面に亘って第４外部電極７４が形成されている場合を例にしているが、例えば対向電極８６の上面、又は第３基板７１における枠部７１ａの上面にだけ第４外部電極７４が形成されていても良い。

このように構成された圧力センサ８５の場合には、第４実施形態と同様の作用効果を奏功できることに加え、対向電極８６がカンチレバー３の上方に位置しているので、カンチレバー３に対して塵埃や水滴等が付着し難くなる。

（第６実施形態）
次に、本発明に係る第６実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第６実施形態においては、第４実施形態及び第５実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図１６に示すように、本実施形態の圧力センサ９０は、カンチレバー３の下方に配置された対向電極８１と、カンチレバー３の上方に配置された対向電極８６と、を具備している。従って、この場合の駆動回路６０は、第３実施形態と同様に、内部電極２１と第３外部電極３３との間に接続されると共に、第３外部電極３３と第４外部電極７４との間にも接続される。

このように構成された圧力センサ９０の場合には、第４実施形態及び第５実施形態と同様の作用効果を奏効することができることに加え、２つの対向電極８１、８６を具備しているので、第３実施形態と同様に、カンチレバー３をフィードバック制御する際の制御範囲を広く確保することができ、より高性能な圧力センサ９０にすることができる。

（第７実施形態）
次に、本発明に係る第７実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第７実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図１７〜図１９に示すように、本実施形態の圧力センサ９５は、対向電極９６がカンチレバー３のほぼ全面に亘って形成されているのではなく、平面視でカンチレバー３の基端部３ａ側に重なるように形成されている。
従って、この対向電極９６には、カンチレバー３のうち自由端とされた先端部３ｂの下方に位置する部分に大きく開口した平面視長方形状の通気孔９７が形成されている。この通気孔９７は、開口面積がギャップ２０全体の開口面積よりも大きい。

このように構成された圧力センサ９５の場合には、第１実施形態と同様の作用効果を奏功できることに加え、カンチレバー３の先端部３ｂ側の下方に空間を確保できるので、キャビティ７の内部と外部との圧力差に応じた外力をカンチレバー３の先端部３ｂ側に効果的に作用させ易い。従って、カンチレバー３をより撓み易くすることができ、応答性をさらに向上することができる。

（第８実施形態）
次に、本発明に係る第８実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第８実施形態においては、第２実施形態及び第７実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図２０及び図２１に示すように、本実施形態の圧力センサ１００は、第３基板７１によって対向電極１０１がカンチレバー３の上方に近接配置されている。対向電極１０１は、平面視でカンチレバー３の基端部３ａ側に重なるように形成されている。また、対向電極１０１には、通気孔９７が形成されている。
なお、対向電極１０１の上面及び第３基板７１の枠部７１ａの上面に亘って第４外部電極７４が形成されている場合を例にしているが、例えば対向電極１０１の上面、又は第３基板７１における枠部７１ａの上面にだけ第４外部電極７４が形成されていても良い。

このように構成された圧力センサ１００の場合には、第７実施形態と同様の作用効果を奏功できることに加え、対向電極１０１がカンチレバー３の上方に位置しているので、カンチレバー３に対して塵埃や水滴等が付着し難くなる。特に、ピエゾ抵抗層４０に対して塵埃や水滴等が付着し難くなる。

（第９実施形態）
次に、本発明に係る第９実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第９実施形態においては、第７実施形態及び第８実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図２２に示すように、本実施形態の圧力センサ１０５は、カンチレバー３の下方に配置された対向電極９６と、カンチレバー３の上方に配置された対向電極１０１と、を具備している。従って、この場合の駆動回路６０は、第３実施形態と同様に、内部電極２１と第３外部電極３３との間に接続されると共に、第３外部電極３３と第４外部電極７４との間にも接続される。

このように構成された圧力センサ１０５の場合には、第７実施形態及び第８実施形態と同様の作用効果を奏効することができることに加え、２つの対向電極９６、１０１を具備しているので、第３実施形態と同様に、カンチレバー３をフィードバック制御する際の制御範囲を広く確保することができ、より高性能な圧力センサ１０５にすることができる。

（第１０実施形態）
次に、本発明に係る第１０実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第１０実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図２３〜図２５に示すように、本実施形態の圧力センサ１１０は、対向電極１１１がカンチレバー３のほぼ全面に亘って形成されているのではなく、平面視でカンチレバー３の先端部３ｂ側に重なるように形成されている。
従って、この対向電極１１１には、カンチレバー３の基端部３ａの下方に位置する部分に大きく開口した平面視長方形状の通気孔１１２が形成されている。この通気孔１１２は、開口面積がギャップ２０の開口面積よりも大きい。

このように構成された圧力センサ１１０の場合には、第１実施形態と同様の作用効果を奏功できることに加え、対向電極１１１自体をカンチレバー３の先端部３ｂ側に対向配置しているので、撓み変形し易いカンチレバー３の先端部３ｂに対してクーロン力を集中的に作用させることができる。従って、曲げモーメントを大きくすることができ、クーロン力が小さくてもカンチレバー３を効果的に撓み変形させ易い。そのため、さらなる低消費電力化を図り易いうえ、カンチレバー３をフィードバック制御し易い。

（第１１実施形態）
次に、本発明に係る第１１実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第１１実施形態においては、第２実施形態及び第１０実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図２６及び図２７に示すように、本実施形態の圧力センサ１１５は、第３基板７１によって対向電極１１６がカンチレバー３の上方に近接配置されている。対向電極１１６は、平面視でカンチレバー３の先端部３ｂ側に重なるように形成されている。また、対向電極１１６には通気孔１１２が形成されている。
なお、対向電極１１６の上面及び第３基板７１の枠部７１ａの上面に亘って第４外部電極７４が形成されている場合を例にしているが、例えば対向電極１１６の上面、又は第３基板７１における枠部７１ａの上面にだけ第４外部電極７４が形成されていても良い。

このように構成された圧力センサ１１５の場合には、第１０実施形態と同様の作用効果を奏功できることに加え、対向電極１１６がカンチレバー３の上方に位置しているので、カンチレバー３に対して塵埃や水滴等が付着し難くなる。

（第１２実施形態）
次に、本発明に係る第１２実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第１２実施形態においては、第１０実施形態及び第１１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。さらに、本実施形態では、検出回路５０、駆動回路６０及び信号処理回路６１の図示を省略する。

図２８に示すように、本実施形態の圧力センサ１２０は、カンチレバー３の下方に配置された対向電極１１１と、カンチレバー３の上方に配置された対向電極１１６と、を具備している。従って、この場合の駆動回路６０は、第３実施形態と同様に、内部電極２１と第３外部電極３３との間に接続されると共に、第３外部電極３３と第４外部電極７４との間にも接続される。

このように構成された圧力センサ１２０の場合には、第１０実施形態及び第１１実施形態と同様の作用効果を奏効することができることに加え、２つの対向電極１１１、１１６を具備しているので、第３実施形態と同様に、カンチレバー３をフィードバック制御する際の制御範囲を広く確保することができ、より高性能な圧力センサ１２０にすることができる。

（第１３実施形態）
次に、本発明に係る第１３実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第１３実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図２９及び図３０に示すように、本実施形態の圧力センサ１２５は、対向電極１２６がカンチレバー３の上方又は下方に配置されているのではなく、ギャップ２０を挟んでカンチレバー３に対して対向配置されている。詳しく説明する。

本実施形態の第１基板１０におけるシリコン支持層１２は、枠部１２ａのみで構成されている。また、シリコン支持層１２の枠部１２ａと第２基板１１の枠部１１ｂとの間に内部電極２１を具備していない。さらに、外部電極３０は、カンチレバー３の基端部３ａ側において、３つの区画溝（第１区画溝３５、第２区画溝３６、第３区画溝３７）に加え、さらに第４区画溝１２７及び第５区画溝１２８によって左右方向Ｌ２に電気的に切り離されている。

第４区画溝１２７及び第５区画溝１２８は、導電層４１よりも左右方向Ｌ２の外側に配置され、前後方向Ｌ１に沿って延びた直線状に形成されており、第３外部電極３３を左右方向Ｌ２に分断している。なお、第４区画溝１２７及び第５区画溝１２８は、第１区画溝３５〜第３区画溝３７と同様に、シリコン活性層１４の上面から凹状に形成されているが、シリコン活性層１４を貫通して絶縁層１３に達する深さとされていても構わない。

上述のように第４区画溝１２７及び第５区画溝１２８が形成されていることで、外部電極３０のうち、第２区画溝３６と第４区画溝１２７との間に位置する部分、及び第３区画溝３７と第５区画溝１２８との間に位置する部分が第３外部電極３３とされ、第４区画溝１２７と第５区画溝１２８との間に位置し、カンチレバー３の周囲を囲むように配置されている部分が対向電極１２６とされている。

特に、この対向電極１２６は、シリコン活性層１４の枠部１４ａのうち、カンチレバー３の先端部３ｂに対してギャップ２０を挟んで対向する部分に全面に亘って形成されている。これにより、対向電極１２６は、カンチレバー３及び導電層４１の端面に対して、ギャップ２０を挟んだだけの近接した位置で対向している。

本実施形態の駆動回路６０は、対向電極１２６及び第３外部電極３３に電気接続されており、対向電極１２６と、第３外部電極３３に電気接続されている導電層４１との間に駆動電圧を印加する。これにより、対向電極１２６と導電層４１との間に、両者の対向面積、両者の距離及び駆動電圧等に基づいたクーロン力を発生させることができる。

このように構成された圧力センサ１２５の場合には、キャビティ７の内部と外部との圧力差に起因してカンチレバー３が上方又下方に向けて撓み変形した際、対向電極１２６と導電層４１との間にクーロン力を発生させることで、圧力差に起因した変形を打ち消すように、カンチレバー３を対向電極１２６側に引き寄せるように撓み変形させることができる。
すなわち、カンチレバー３がキャビティ７の内部と外部との圧力差に起因して上方に向けて撓み変形した場合には、クーロン力によりカンチレバー３を下方に撓み変形させることができ、カンチレバー３がキャビティ７の内部と外部との圧力差に起因して下方に向けて撓み変形した場合には、クーロン力によりカンチレバー３を上方に撓み変形させることができる。
従って、本実施形態の場合であっても第１実施形態と同様の作用効果を奏功することができる。

特に、本実施形態の場合には、カンチレバー３の上方や下方に対向電極１２６を配置する必要がないので、カンチレバー３の上方や下方に圧力伝達媒体が自由に流通する空間を確保することができる。従って、圧力伝達媒体の流通が阻害されることによる感度や応答性の低下（劣化）を防止することができる。

（第１４実施形態）
次に、本発明に係る第１４実施形態について図面を参照して説明する。なお、この第１４実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

図３１及び図３２に示すように、本実施形態の圧力センサ１３０は、ピエゾ抵抗層４０の代わりに、カンチレバー３に形成された圧電素子１３１を具備している。圧電素子１３１は、カンチレバー３の第３レバー支持部２７に形成されている。

なお、本実施形態では、第１区画溝３５を具備していない。そのため、外部電極３０のうち、第２区画溝３６と第３区画溝３７との間に位置する部分は下地電極１３２とされている。この下地電極１３２は、前後方向Ｌ１に沿って延びており、第３レバー支持部２７の全体に亘って形成されている。但し、この下地電極１３２は、必須なものではなく、具備しなくても構わない。

圧電素子１３１は、下地電極１３２上に形成された絶縁層１３３と、絶縁層１３３上に形成された第１検出電極１３４と、第１検出電極１３４上に形成されたＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、ＡｌＮ（窒化アルミニウム)等の圧電材料からなる圧電体（変位検出素子）１３５と、圧電体１３５上に形成された第２検出電極１３６と、を備え、圧電体１３５に作用した圧力を、圧電効果により第１検出電極１３４と第２検出電極１３６との間の電位差（電圧信号）に変換している。

従って、本実施形態の変位検出部４は、圧電体１３５の電荷の変化に基づいてカンチレバー３の変位を検出する。
変位検出部４は、図３２及び図３３に示すように、第１検出電極１３４及び第２検出電極１３６に電気接続されたチャージアンプ回路１３７を備えている。チャージアンプ回路１３７は、キャビティ７の内部と外部との圧力差に応じてカンチレバー３が撓み変形し、それによって圧電体１３５が歪んで圧力が作用した際、その圧力に比例した分極に起因する電荷を検出し、オペアンプ１３８及びコンデンサ１３９で電荷を電圧信号（電位差）に変換して出力する。従って、この電圧信号(電位差）はカンチレバー３の変位に基づいた値となる。

従って、本実施形態の圧力センサ１３０であっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏功することができる。特に、本実施形態の場合には、第１実施形態におけるピエゾ抵抗層４０の抵抗変化を検出する場合とは異なり、圧電体１３５の部分に電流が流れず電力の消費がないため、消費電力の低減化をさらに図ることができる。

なお、上述した各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０…圧力センサ
２…センサ本体
３…カンチレバー
３ａ…カンチレバーの基端部
３ｂ…カンチレバーの先端部
４…変位検出部
５、７２、８１、８６、９６、１０１、１１１、１１６、１２６…対向電極
６…レバー駆動部
７…キャビティ
１５…連通開口
４０…ピエゾ抵抗層（変位検出素子）
４１…導電層
４５、９７、１１２…通気孔
６０…駆動回路（電圧印加部）
６１…信号処理回路（制御部）
８３…外側通気孔（通気孔）
８２…内側通気孔（通気孔）
１３５…圧電体（変位検出素子）

Claims (9)

1. 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が形成された中空のセンサ本体と、
   前記連通開口を覆い、且つ前記センサ本体との間にギャップが形成されるように前記センサ本体に片持ち状態で接続され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能なカンチレバーと、
   前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、
   前記センサ本体に一体に組み合わされていると共に前記カンチレバーに対して対向配置された対向電極と、
   前記対向電極と前記カンチレバーに形成された導電層との間にクーロン力を発生させ、前記圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けて前記カンチレバーを前記クーロン力により撓み変形させるレバー駆動部と、を備え、
   前記レバー駆動部は、前記変位検出部による検出値に基づいて、前記圧力差に起因した前記カンチレバーの変形を打ち消すように前記カンチレバーを逆方向に変形させ、
   前記対向電極は、前記キャビティの内部或いは前記キャビティの外部のうち少なくともいずれか一方に配置されると共に、前記カンチレバーに対して隙間をあけて平行に配置され、
   前記対向電極には、前記対向電極を貫通すると共に、前記ギャップの開口面積よりも大きい開口面積を有する通気孔が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記通気孔は、前記対向電極に複数形成され、
   複数の前記通気孔は、各通気孔における開口面積を積算した合計の開口面積が前記ギャップの開口面積よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記対向電極は、前記圧力センサの平面視で、前記導電層に対して重なるように前記導電層の形状に対応して形成されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記通気孔は、前記カンチレバーのうち自由端とされた先端部に対して対向するように配置されていることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記通気孔は、前記カンチレバーのうち前記センサ本体に接続される基端部に対して対向するように配置されていることを特徴とする圧力センサ。
6. 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が形成された中空のセンサ本体と、
   前記連通開口を覆い、且つ前記センサ本体との間にギャップが形成されるように前記センサ本体に片持ち状態で接続され、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能なカンチレバーと、
   前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、
   前記センサ本体に一体に組み合わされていると共に前記カンチレバーに対して対向配置された対向電極と、
   前記対向電極と前記カンチレバーに形成された導電層との間にクーロン力を発生させ、前記圧力差に起因する撓み方向とは逆方向に向けて前記カンチレバーを前記クーロン力により撓み変形させるレバー駆動部と、を備え、
   前記レバー駆動部は、前記変位検出部による検出値に基づいて、前記圧力差に起因した前記カンチレバーの変形を打ち消すように前記カンチレバーを逆方向に変形させ、
   前記対向電極は、前記ギャップを挟んで前記カンチレバーに対して対向配置されていることを特徴とする圧力センサ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記レバー駆動部は、
   前記対向電極と前記導電層との間に駆動電圧を印加し、前記カンチレバーを逆方向に変形させる電圧印加部と、
   前記変位検出部で検出された検出値に基づいて前記駆動電圧を算出し、該駆動電圧を印加するように前記電圧印加部を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする圧力センサ。
8. 請求項７に記載の圧力センサにおいて、
   前記制御部は、前記変位検出部で検出された検出値と予め決められた基準値との差分に対応した駆動電圧を算出することを特徴とする圧力センサ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   前記変位検出部は、前記カンチレバーに形成された変位検出素子の抵抗値変化、又は電荷の変化に基づいて前記カンチレバーの変位を検出することを特徴とする圧力センサ。

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