JP6956184B2

JP6956184B2 - センサ素子

Info

Publication number: JP6956184B2
Application number: JP2019532642A
Authority: JP
Inventors: 阿部　真一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-07-24
Also published as: CN110998864A; WO2019022082A1; CN110998864B; JPWO2019022082A1

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１７年７月２８日に日本国に特許出願された特願２０１７−１４７１５８号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。

本開示は、センサ素子に関する。

従来、検体中の特定物質を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の撓みを検知するピエゾ抵抗とを備えたセンサが開示されている。

特開平１０−２２５１１号公報

本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、第１基板と、第２基板と、前記第２基板に配置されたピエゾ抵抗素子とを備える。前記第１基板は、凸部を有する。前記第２基板は、内部に前記凸部が配置された凹部を有する。前記凹部は、前記凹部の底面に薄肉部と、前記凹部の内側面に内面が傾斜している厚肉部とを有する。前記凸部は、前記凹部の内部を狭めるように前記凹部の底面に向けて突出した状態である。前記凸部の上に加熱機構又は熱伝導部が位置する。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子の概略構成を示す上面図である。図１に示すＡ−Ａ線に沿ったセンサ素子の断面図である。図１に示すＢ−Ｂ線に沿ったセンサ素子の断面図である。比較例に係るセンサ素子の断面図である。本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。変形例に係るセンサ素子の断面図である。

従来、センサ素子では、検出精度を向上させることが求められる。本開示の目的は、検出精度を向上させるセンサ素子を提供することにある。本開示の一実施形態に係るセンサ素子によれば、検出精度を向上させることができる。以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。

［センサ素子の構成］
図１は、本開示の一実施形態に係るセンサ素子１の概略構成を示す上面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿ったセンサ素子１の断面図である。図３は、図１に示すＢ−Ｂ線に沿ったセンサ素子１の断面図である。

センサ素子１は、被検流体中の特定物質を検出することができる。被検流体は、例えば、人間の呼気であるが、これに限定されない。被検流体が人間の呼気である場合、検出対象となる特定物質は、例えば、アセトン、エタノール又は一酸化炭素等であるが、これに限定されない。被検流体は、図２の上方からセンサ素子１に吹き付けられる。センサ素子１は、第１基板１０と、第２基板２０と、２つの膜部材３０，３１と、２つのピエゾ抵抗素子４０，４１とを備える。センサ素子１が備える膜部材の数は、２つに限定されない。例えば、センサ素子１が備える膜部材の数は、１つであってよい。また、センサ素子１が備えるピエゾ抵抗素子の数は、２つに限定されない。例えば、センサ素子１が備えるピエゾ抵抗素子の数は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

第１基板１０は、例えば、Ｓｉ基板、ポリマー基板又はセラミック基板である。第１基板１０は、図２及び図３に示すように、凸部１１と、基部１２と、ヒータ１３（加熱機構）とを有する。

凸部１１は、図２及び図３に示すように、上方に突出した形状である。凸部１１は、図２及び図３に示すように、台形状であってよい。凸部１１は、第２基板２０の凹部２１の内部に配置される。このような配置によって、凸部１１と凹部２１との間には、図２及び図３に示すような、空間部２５が生じる。図３に示すように、凸部１１の高さｈは、凹部２１の深さｄよりも小さい。

基部１２の上面には、凸部１１が形成される。また、基部１２の上面には、第２基板２０が配置される。

ヒータ１３は、センサ素子１を加熱することによって、センサ素子１の温度を所定温度に維持することができる。ヒータ１３は、センサ素子１の温度を所定温度に維持することによって、一般的に温度依存性のあるセンサ素子１の検出精度を向上させることができる。ヒータ１３は、例えば、Ｐｔ−Ｗ層、Ｐｔ−Ｔｉ層又はポリＳｉ層等である。ヒータ１３には、ヒータ１３に電力を供給するための配線が接続されてよい。ヒータ１３は、図２及び図３に示すように、凸部１１の上面に形成される。ヒータ１３の形成箇所は、凸部１１の上面に限定されない。例えば、ヒータ１３は、凸部１１の内部に形成されてもよい。

第２基板２０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板である。第２基板２０は、図２及び図３に示すように、凹部２１を有する。凹部２１は、その底面が上になるようにして、基部１２の上に配置される。凹部２１の内部には、図２及び図３に示すように、凸部１１が配置される。凹部２１は、図１に示すように、その底面に薄肉部２２と、その内側面に厚肉部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄとを有する。凹部２１には、貫通部２４Ａ，２４Ｂが形成されてもよい。

薄肉部２２は、凹部２１の底面に含まれる。薄肉部２２は、変形可能に薄く形成される。例えば、薄肉部２２は、ダイヤフラムとして機能するように薄く形成される。図２及び図３に示すように、薄肉部２２の上面には膜部材３０が配置される。また、薄肉部２２の下面には膜部材３１が配置される。

厚肉部２３Ａ〜２３Ｄは、凹部２１の内側面に含まれる。厚肉部２３Ａ〜２３Ｄの内面は、例えば、凸部１１の側面に密着するように形成される。例えば、凸部１１が図２及び図３に示すような台形状である場合、厚肉部２３Ａ〜２３Ｄの内面は、傾斜面に形成される。

貫通部２４Ａ，２４Ｂは、図２に示すように、薄肉部２２の上面及び下面に開口する。図２の上方から被検流体がセンサ素子１に吹き付けられると、被検流体の一部は、貫通部２４Ａ又は貫通部２４Ｂを通過して、空間部２５に入り込む。また、空間部２５に入り込んだ被検流体は、貫通部２４Ａ又は貫通部２４Ｂから、空間部２５の外に抜け出ることができる。

膜部材３０は、薄肉部２２の上面に配置される。膜部材３１は、薄肉部２２の下面に配置される。本実施形態では、膜部材３０，３１が薄肉部２２の上面及び下面の両方に配置されている。しかしながら、膜部材は、薄肉部２２の上面又は下面の少なくとも一方に配置されていればよい。

膜部材３０，３１は、被検流体中の特定物質に反応して形状が変化する。膜部材３０，３１が変形すると、薄肉部２２も変形する。膜部材３０，３１は、例えば、特定物質を吸着することによって変形する材料で構成されてよい。膜部材３０，３１は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレート又はニトロセルロース等の材料で構成される。

ピエゾ抵抗素子４０，４１は、第２基板２０の上面に配置される。ピエゾ抵抗素子４０，４１は、例えば第２基板２０がｎ型Ｓｉ基板である場合、第２基板２０にボロン（Ｂ）を拡散させて形成される。膜部材３０，３１が被検流体中の特定物質を吸着して変形すると、薄肉部２２が変形し、ピエゾ抵抗素子４０，４１に応力が加えられる。ピエゾ抵抗素子４０，４１に応力が加えられると、ピエゾ抵抗素子４０，４１の電気抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子４０，４１の電気抵抗値の変化は、配線５０，５１を介して外部の制御装置等に、電気信号として出力される。ピエゾ抵抗素子４０，４１は、薄肉部２２の変形に起因する応力を受け得る箇所であれば、第２基板２０の任意の箇所に配置されてよい。

配線５０は、ピエゾ抵抗素子４０と、外部の制御装置等とを接続する。配線５１は、ピエゾ抵抗素子４１と、外部の制御装置等とを接続する。配線５０，５１は、拡散配線として形成されてもよい。

このような構成とすることで、図２の上方から被検流体がセンサ素子１に吹き付けられたとき、膜部材３０は、上方からの被検流体中の特定物質に反応して変形する。一方で、膜部材３１は、貫通部２４Ａ又は貫通部２４Ｂを通過して空間部２５に入り込んだ被検流体中の特定物質に反応して変形する。膜部材３０，３１が変形することによって、薄肉部２２が変形する。薄肉部２２が変形することで、ピエゾ抵抗素子４０，４１の電気抵抗値が変化し、当該電気抵抗値の変化が、配線５０，５１を介して外部の制御装置に、電気信号として出力される。この電気信号によって、被検流体中の特定物質を検出することができる。さらに、本実施形態によれば、以下に説明するように、センサ素子１の検出精度を向上させることができる。

比較例として、凸部１１を有さないセンサ素子を想定する。図４は、比較例に係るセンサ素子１Ａの断面図である。図４に示すセンサ素子１Ａの断面図は、図２に示す本実施形態に係るセンサ素子１の断面図に相当する。比較例に係る第１基板１０は、凸部１１を有さない。そのため、空間部２５Ａが、図２に示す本実施形態に係る空間部２５よりも、大きくなる。ここで、比較例に係るセンサ素子１Ａにおいて、リフレッシュ処理を実行する場合を想定する。リフレッシュ処理とは、新たな被検流体を検査するために、前回の検出処理によってセンサ素子に残留している被検流体を、センサ素子から排出する処理である。リフレッシュ処理では、上方からリフレッシュガスをセンサ素子に吹き付けることによって、センサ素子に残留している被検流体を、センサ素子から排出させる。比較例に係るセンサ素子１Ａにリフレッシュガスを吹き付けると、空間部２５Ａが大きいため、空間部２５Ａ内におけるリフレッシュガスの循環が悪くなることが想定される。リフレッシュガスの循環が悪いと、リフレッシュ処理に要する時間が長くなる。また、比較例では、空間部２５Ａが大きいため、リフレッシュ処理によって、空間部２５Ａ内に残留した被検流体を排除することが困難になることが想定される。空間２５Ａ内に残留した被検流体の排除が困難になると、空間２５Ａ内に被検流体が残留したままとなり、センサ素子１の検出精度が低下してしまう場合がある。

これに対し、本実施形態に係るセンサ素子１では、上述のように、凸部１１が凹部２１の内部に配置されることで、空間部２５が狭められている。そのため、リフレッシュ処理において、空間部２５内におけるリフレッシュガスの循環を良くすることができる。これにより、本実施形態では、リフレッシュ処理に要する時間を短くすることができる。また、本実施形態では、空間部２５が狭められているため、リフレッシュ処理によって、空間部２５内に残留した被検流体を排除することが容易になり得る。従って、本実施形態に係るセンサ素子１は、検出精度を向上させることができる。

さらに、比較例に係るセンサ素子１Ａでは、図４に示すように、ヒータ１３が基部１２の上に配置される。ヒータ１３が基部１２の上に配置されると、ヒータ１３と、凹部２１の底面との間の距離が大きくなる。凹部２１の底面は、上述のように、特定物質を吸着する膜部材３０，３１が配置される薄肉部２２を含む部分である。ヒータ１３と凹部２１の底面との間の距離が大きくなると、ヒータ１３によって、凹部２１の底面を所定温度に維持することが困難になる。凹部２１の底面を所定温度に維持することが困難になると、センサ素子１Ａの検出精度を向上させることが困難になる。

これに対し、本実施形態に係るセンサ素子１では、図２に示すように、凸部１１の上面にヒータ１３が配置される。このような構成とすることで、ヒータ１３と凹部２１の底面との間の距離を小さくすることができる。ヒータ１３と凹部２１の底面との間の距離を小さくすることで、ヒータ１３によって、凹部２１の底面を所定温度に維持することが容易になり得る。これにより、本実施形態に係るセンサ素子１は、検出精度を向上させることができる。

［センサ素子の製造工程］
次に、本実施形態に係るセンサ素子１の製造工程の一例について説明する。以下では、本実施形態に係る第１基板１０の製造工程について、図５及び図６を参照して説明する。また、本実施形態に係る第２基板２０の製造工程について、図７及び図８を参照して説明する。

（１）第１基板の製造工程
まず、第１基板１０の製造に用いる基板を準備する。図５に、第１基板１０の製造に用いる基板１０Ｘを示す。基板１０Ｘは、Ｓｉ（１００）基板である。次に、図５に示すように、基板１０Ｘ上に、例えばフォトリソグラフィによって、マスクパターン１００を形成する。

その後、基板１０Ｘの上面においてマスクパターン１００により保護されていない部分をドライエッチングし、図６に示すように、凸部１１を形成する。この際のドライエッチングは、深堀ＲＩＥ（ＤｅｅｐＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）であってよい。又は、ドライエッチングの代わりに、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いた異方性エッチングが行われてもよい。

図６に示すマスクパターン１００を除去した後、凸部１１の上部にヒータ１３を形成する。このようにして、図２及び図３に示すような、第１基板１０が製造される。

第１基板１０をポリマー基板とする場合、凸部１１は、モールド、プレス及び切削加工等により形成してもよい。また、第１基板１０をセラミック基板とする場合、凸部１１は、焼成前の切削加工によって形成してもよい。

（２）第２基板の製造工程
まず、第２基板２０の製造に用いる基板を準備する。図７に、第２基板２０の製造に用いる基板２０Ｘを示す。基板２０Ｘは、ｎ型Ｓｉ（１００）基板である。次に、図７に示すように、基板２０Ｘの上面に、基板２０Ｘの上面に形成する配線等のためのマスクパターン１０１を形成する。一方、基板２０Ｘの下面には、凹部２１のためのマスクパターン１０２を形成する。マスクパターン１０１，１０２は、例えば、両面露光方式のフォトリソグラフィによって形成されてもよい。

その後、基板２０Ｘの下面においてマスクパターン１０２により保護されていない部分を裏面ドライエッチングし、図８に示すように、凹部２１を形成する。この際の裏面ドライエッチングは、深堀ＲＩＥであってよい。又は、裏面ドライエッチングの代わりに、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いた異方性エッチングが行われてもよい。さらに、基板２０Ｘの上面には、図８に示すように、マスクパターン１０１の開口部１０１Ａ，１０１Ｂに、例えば低濃度のボロン（Ｂ）を注入して、ピエゾ抵抗素子を形成する。また、基板２０Ｘの上面には、マスクパターン１０１の他の開口部に、高濃度のボロン（Ｂ）を注入して、拡散配線を形成してもよい。

図８に示すマスクパターン１０２，１０３を除去した後、図２に示す貫通部２４Ａ，２４Ｂを形成する。その後、薄肉部２２の上に膜部材３０，３１を配置する。このようにして、図３に示すような、第２基板２０が形成される。

第２基板２０は、ｐ型Ｓｉ基板であってもよい。第２基板２０がｐ型である場合、拡散配線（高ドープ層）の形成及びピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成において、ボロン（Ｂ）に替えてリン（Ｐ）を注入する。

このようにして製造される第１基板１０と第２基板２０とを嵌め合うことによって、本実施形態に係るセンサ素子１を製造することができる。

本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

例えば、センサ素子１の用途又は使用環境等に応じて、第１基板１０は、ヒータ１３の代わりに、熱伝導部を含んでもよい。図９に、図１に示すＡ−Ａ線に沿った、変形例に係るセンサ素子１Ｂの断面図を示す。センサ素子１Ｂは、凸部１１の側面上に熱伝導部１４Ａ，１４Ｂを備える。熱伝導部１４Ａ，１４Ｂは、例えば、銅又は銅合金であってよい。熱伝導部１４Ａは、凸部１１の側面と厚肉部２３Ａとの間に位置する。熱伝導部１４Ｂは、凸部１１の側面と厚肉部２３Ｂとの間に位置する。このような構成によって、凹部２１で発生した熱が、厚肉部２３Ａ，２３Ｂのそれぞれから熱伝導部１４Ａ，１４Ｂのそれぞれを経て、基部１２に放出され得る。センサ素子１Ｂが備える熱伝導部は、熱伝導部１４Ａ又は熱伝導部１４Ｂの何れかであってもよい。また、センサ素子１Ｂは、３つ以上の熱伝導部を備えてもよい。例えば、センサ素子１Ｂは、凸部１１の側面と厚肉部２３Ｃとの間に位置する熱伝導部をさらに備えてもよい。また、センサ素子１Ｂは、凸部１１の側面と厚肉部２３Ｄとの間に位置する熱伝導部をさらに備えてもよい。

１，１Ａ，１Ｂセンサ素子
１０第１基板
１１凸部
１２基部
１３ヒータ（加熱機構）
１４Ａ，１４Ｂ熱伝導部
２０第２基板
２１凹部
２２薄肉部
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ厚肉部
２４Ａ，２４Ｂ貫通部
２５，２５Ａ空間部
３０，３１膜部材
４０，４１ピエゾ抵抗素子
５０，５１配線
１００，１０１，１０２マスクパターン

Claims

凸部を有する第１基板と、
内部に前記凸部が配置された凹部を有する第２基板と、
前記第２基板に配置されたピエゾ抵抗素子と、を備え、
前記凹部は、前記凹部の底面に薄肉部と、前記凹部の内側面に内面が傾斜している厚肉部とを有し、
前記凸部は、前記凹部の内部を狭めるように前記凹部の底面に向けて突出した状態であり、
前記凸部の上に加熱機構又は熱伝導部が位置する、センサ素子。
請求項１に記載のセンサ素子であって、
前記第２基板は、前記薄肉部の上面及び下面に開口した貫通部をさらに有する、センサ素子。
請求項１又は２に記載のセンサ素子であって、
前記薄肉部の上面又は下面の少なくとも一方に配置され、特定物質に反応して形状が変化する膜部材をさらに備える、センサ素子。
請求項１から３の何れか一項に記載のセンサ素子であって、
前記凸部の高さは、前記凹部の深さよりも小さい、センサ素子。