JP7000433B2

JP7000433B2 - センサ素子

Info

Publication number: JP7000433B2
Application number: JP2019532550A
Authority: JP
Inventors: 篤臣福浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: US11573121B2; WO2019021936A1; CN110959111A; JPWO2019021936A1; US20200232843A1; CN116068026A

Description

関連出願の相互参照

本出願は、日本国特許出願２０１７－１４７０３０号（２０１７年７月２８日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、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、流体中の特定の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、ダイヤフラム部の表面に形成された複数の感応膜とを備えたガスセンサが開示されている。

特開２０１４－１５３１３５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、前記第１基板上に配置され、応力を検出する検出部と、前記第１基板を囲むとともに、前記第１基板を支持する第２基板と、前記第１基板の上面に配置された感応膜と、を備える。前記第２基板は、前記第１基板よりも厚い。前記第２基板は、前記第１基板に接続された接続部と、前記第１基板に接続されていない非接続部とを有する。前記検出部は、前記接続部の近傍に位置する。前記第２基板の前記接続部は、前記第１基板側に張り出した凸部として構成される。

また、本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、第１基板と、前記第１基板上に配置され、応力を検出する検出部と、前記第１基板を囲むとともに、前記第１基板を支持する第２基板と、前記第１基板の上面に配置された感応膜と、を備える。前記第２基板は、前記第１基板よりも厚い。前記第２基板は、前記第１基板側に張り出した凸部を有する。前記検出部は、前記凸部の近傍に位置する。

本開示の第１の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に示すセンサ素子のＬ－Ｌ線に沿った断面図である。本開示の第２の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。本開示の第３の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。本開示の第３の実施形態に係るセンサ素子の張り出し量と感度との関係を示す図である。本開示の第１の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。本開示の第１の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。本開示の第１の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。

従来、流体中の特定の物質を検出するセンサでは、検出精度を向上させることが求められている。本開示は、検出精度を向上させることができるセンサ素子を提供することに関する。以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本開示の第１の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に示すセンサ素子１のＬ－Ｌ線に沿った断面図である。本明細書では、図１における紙面手前方向が上側、その反対方向が下側であるとして、以下説明する。

センサ素子１は、第１基板１０と、第２基板２０と、感応膜３０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０とを備える。センサ素子１は、感応膜３０が流体中の物質を吸着することにより、流体中の物質を検出する。センサ素子１には、例えば上面側から気体が吹きかけられる。センサ素子１は、吹きかけられた気体中に、検出対象となる所定のガス分子が含まれるか否かを検出できる。

第１基板１０は、変形可能な薄い基板であり、ダイヤフラムとして機能する。第１基板１０は、上面に配置された感応膜３０が変形すると、感応膜３０の変形の度合いに応じて変形する。第１基板１０は、第１基板１０よりも厚い第２基板２０に接続し、第２基板２０によって支持される。第１基板１０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板とすることができる。

第２基板２０は、第１基板１０を囲むとともに、第１基板１０と接続して第１基板１０を支持する。第２基板２０の厚さは、第１基板１０の厚さよりも厚い。第２基板２０は、上面視において、第１基板１０側に張り出した凸部２２を有する。第２基板２０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板とすることができる。

感応膜３０は、第１基板１０の上面に配置される。感応膜３０は、図１に示す例では円形状であるが、この形状に限定されない。感応膜３０は、例えば４角形などのような多角形であってもよい。また、感応膜３０は、第２基板２０の上面に位置していてもよく、ピエゾ抵抗素子（検出部）４０の少なくとも一部を覆っていてもよい。

感応膜３０は、検出対象となる物質がその表面に吸着すると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、伸縮等して変形する。感応膜３０には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。感応膜３０の材料は、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である。

ピエゾ抵抗素子４０は、第１基板１０上に配置される。本明細書において、第１基板１０上に配置されるとは、第１基板１０の上面に配置された状態と、図２に示すように第１基板１０の上面側において第１基板１０に埋め込まれた状態とを含む。ピエゾ抵抗素子４０は、第１基板１０上において、第２基板２０の凸部２２の近傍に配置される。

ピエゾ抵抗素子４０は、自身が受ける応力によって抵抗値が変化する。感応膜３０に検出対象となる物質が吸着して第１基板１０が変形すると、ピエゾ抵抗素子４０が受ける応力が変化する。したがって、感応膜３０に検出対象となる物質が吸着すると、ピエゾ抵抗素子４０の抵抗値は変化する。ピエゾ抵抗素子４０の抵抗値の変化は、配線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は、例えば第１基板１０がｎ型Ｓｉ基板である場合、第１基板１０にボロン（Ｂ）を拡散させることによって形成することができる。

図１に示すように、ピエゾ抵抗素子４０は、第１基板１０上において、第２基板２０の凸部２２の近傍に位置している。第１基板１０において、凸部２２の近傍は応力が集中する領域であるため、第１基板１０が変形したときに応力が大きく変化する。したがって、第１基板１０が変形すると、ピエゾ抵抗素子４０の抵抗値が大きく変化する。そのため、本実施形態に係るセンサ素子１は、検出対象となる物質の検出精度を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本開示の第２の実施形態に係るセンサ素子２の概略構成を示す上面図である。図３に示すセンサ素子２のＬ－Ｌ線に沿った断面図は、図２に示す第１の実施形態に係るセンサ素子１のＬ－Ｌ線に沿った断面図と同様の構成であるため、図示を省略する。図３に示す構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。

センサ素子２は、第１基板１０ａと、第２基板２０と、感応膜３０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０とを備える。

第１基板１０ａは、第１実施形態に係る第１基板１０と異なり、切欠き部Ｓにおいて打ち抜かれている。したがって、第１基板１０ａは、凸部２２においてのみ、第２基板２０と接続する。言い換えれば、第２基板２０は、第１基板１０ａに接続された接続部と、第１基板１０ａに接続されていない非接続部とを有する。ここで、接続部は、第１基板１０ａ側に張り出した凸部２２の先端部である。

第１基板１０ａは、図３に示す例では略円形状であるが、この形状に限定されない。第１基板１０ａは、例えば４角形などのような多角形であってもよい。

第２基板２０は、第１基板１０aを囲むとともに、凸部２２の先端部において第１基板１０ａと接続して第１基板１０ａを支持する。

ピエゾ抵抗素子４０は、第１基板１０ａ上において、第２基板２０の凸部２２、すなわち接続部の近傍に配置される。

このように、本実施形態においては、第２基板２０が非接続部を有するため、第１基板１０ａは、凸部２２においてのみ、第２基板２０と接続する。これにより、第１基板１０ａにおいて、凸部２２の近傍にさらに応力が集中するようにすることができる。したがって、第１基板１０ａが変形すると、凸部２２の近傍に位置するピエゾ抵抗素子４０の抵抗値がさらに大きく変化する。そのため、本実施形態に係るセンサ素子２は、検出対象となる物質の検出精度をさらに向上させることができる。

（第３の実施形態）
図４は、本開示の第３の実施形態に係るセンサ素子３の概略構成を示す上面図である。図４に示すセンサ素子３のＬ－Ｌ線に沿った断面図は、図２に示す第１の実施形態に係るセンサ素子１のＬ－Ｌ線に沿った断面図と同様の構成であるため、図示を省略する。図４に示す構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。

第１基板１０ｂは、第１実施形態に係る第１基板１０と異なり、切欠き部Ｓにおいて打ち抜かれている。したがって、第１基板１０ｂは、凸部２２においてのみ、第２基板２０と接続する。言い換えれば、第２基板２０は、第１基板１０ｂに接続された接続部と、第１基板１０ｂに接続されていない非接続部とを有する。ここで、接続部は、第１基板１０ｂ側に張り出した凸部２２の先端部である。

第１基板１０ｂは、第２実施形態に係る第１基板１０ａと異なり、第２基板２０と接続する部分の近傍を除き、第２基板２０側に側面が張り出した形状となっている。言い換えれば、図４に示すように、第１基板１０ｂは、側面の一部が凹んだ凹部１２を有し、凹部１２の底部において、第２基板２０の凸部２２と接続する。図４に示すように、凹部１２の側面と凸部２２の側面との間には隙間がある。

第２基板２０は、第１基板１０ｂを囲むとともに、凸部２２の先端部において第１基板１０ｂの凹部１２の底部と接続して第１基板１０ｂを支持する。

ピエゾ抵抗素子４０は、第１基板１０ｂ上において、第２基板２０の凸部２２、すなわち接続部の近傍に配置される。

このように、本実施形態においては、第１基板１０ｂは、第２基板２０と接続する部分の近傍を除き、第２基板２０側に側面が張り出した形状となっている。すなわち、第１基板１０ｂは凹部１２を有し、凹部１２の底部において、第２基板２０の凸部２２と接続する。これにより、第１基板１０ｂにおいて、凸部２２の近傍にさらに応力が集中するようにすることができる。したがって、第１基板１０ｂが変形すると、凸部２２の近傍に位置するピエゾ抵抗素子４０の抵抗値がさらに大きく変化する。そのため、本実施形態に係るセンサ素子３は、検出対象となる物質の検出精度をさらに向上させることができる。

図５に、横軸を、図４に示す第１基板１０ｂの張り出し量ｄ（すなわち凹部１２の深さ）、縦軸を、センサ素子３の感度としたシミュレーション結果を示す。ここで、センサ素子３の感度は、感応膜３０に検出対象となる物質が吸着したときのピエゾ抵抗素子４０の抵抗値の変化量を相対的に示したものである。

図５に示すように、第１基板１０ｂの張り出し量ｄが大きくなるほど、センサ素子３の感度が向上するというシミュレーション結果が得られた。

第１基板１０ｂにおいて張り出している部分の厚みは、張り出していない部分の厚みと同等でよいが、張り出していない部分の厚みより厚くしてもよい。

（第１の実施形態に係るセンサ素子の製造工程）
本開示の第１の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、図６～図８を参照して説明する。図６～図８に示す断面図は、図１のＬ－Ｌ線に沿った断面に相当する。

（１）ピエゾ抵抗素子の形成
まず、Ｓｉ基板１００を用意する。Ｓｉ基板１００は、ｎ型Ｓｉ基板であるものとして、以後説明する。図６に示すように、Ｓｉ基板１００上にマスクパターン２０１を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２０１の開口部に低濃度のボロン（Ｂ）を注入し、ピエゾ抵抗素子４０を形成する。ピエゾ抵抗素子４０の形成後、マスクパターン２０１は除去する。

（２）第１基板及び第２基板の形成
続いて、Ｓｉ基板１００の上下を反転させて、第１基板１０及び第２基板２０を形成する。図７に示すように、Ｓｉ基板１００上にマスクパターン２０２を形成した後、マスクパターン２０２の開口部を、ドライエッチングする。この際、マスクパターン２０２は、上面視において、図１に示す第１基板１０に対応する部分が開口部となっている。Ｓｉ基板１００において、ドライエッチングにより薄膜化された部分が第１基板１０となる。また、マスクパターン２０２によって保護されていて、ドライエッチングされなかった部分が、第２基板２０となる。第１基板１０及び第２基板２０の形成後、マスクパターン２０２は除去する。

（３）感応膜の形成
続いて、Ｓｉ基板１００の上下を再度反転させて、感応膜３０を形成する。図８に示すように、感応膜材料を第１基板１０上に塗布した後、乾燥させて感応膜３０を形成する。

（第２の実施形態に係るセンサ素子の製造工程）
次に、本開示の第２の実施形態に係るセンサ素子２の製造工程の一例について説明する。第２の実施形態に係るセンサ素子２の製造工程は、第１の実施形態に係るセンサ素子１の製造工程と、図７に示す工程の前の処理が異なる。第２の実施形態に係るセンサ素子２の製造工程においては、図７に示す処理の前に、図３に示す切欠き部Ｓの部分が開口しているマスクパターンを用いて、ドライエッチングによりＳｉ基板１００における切欠き部Ｓの部分を打ち抜く。

（第３の実施形態に係るセンサ素子の製造工程）
次に、本開示の第３の実施形態に係るセンサ素子３の製造工程の一例について説明する。第３の実施形態に係るセンサ素子３の製造工程は、第１の実施形態に係るセンサ素子１の製造工程と、図７に示す工程の前の処理が異なる。第３の実施形態に係るセンサ素子３の製造工程においては、図７に示す処理の前に、図４に示す切欠き部Ｓの部分が開口しているマスクパターンを用いて、ドライエッチングによりＳｉ基板１００における切欠き部Ｓの部分を打ち抜く。

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及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、第１～第３の実施形態では、センサ素子１～３が４個のピエゾ抵抗素子４０を備える構成を示しているが、センサ素子１～３が備えるピエゾ抵抗素子４０の個数は４個に限られない。センサ素子１～３は、検出対象となる物質を検出可能な任意の個数のピエゾ抵抗素子４０を備えていればよい。

また、第１基板１０、１０ａ又は１０ｂに生じる応力を検出する検出部として、ピエゾ抵抗素子４０の代わりに、他の検出素子を用いてもよい。

また、第１～第３の実施形態では、感応膜３０が第１基板１０、１０ａ又は１０ｂの上面に配置されているが、感応膜３０は、第１基板１０、１０ａ又は１０ｂの下面に配置されてもよいし、上面と下面の両方に配置されてもよい。

１、２、３センサ素子
１０、１０ａ、１０ｂ第１基板
１２凹部
２０第２基板
２２凸部
３０感応膜
４０ピエゾ抵抗素子（検出部）
１００Ｓｉ基板
２０１、２０２マスクパターン
Ｓ切欠き部

Claims

第１基板と、
前記第１基板上に配置され、応力を検出する検出部と、
前記第１基板を囲むとともに、前記第１基板を支持する第２基板と、
前記第１基板の上面に配置された感応膜と、を備え、
前記第２基板は、前記第１基板よりも厚く、
前記第２基板は、前記第１基板に接続された接続部と、前記第１基板に接続されていない非接続部とを有し、
前記検出部は、前記接続部の近傍に位置し、
前記第２基板の前記接続部は、前記第１基板側に張り出した凸部として構成される、センサ素子。
請求項１に記載のセンサ素子において、
前記第１基板は、側面の一部が凹んだ凹部を有し、
前記第２基板の前記凸部は、前記第１基板の前記凹部内に位置する、センサ素子。
請求項２に記載のセンサ素子において、
上面視において、前記凹部の側面と、前記凸部の側面との間には隙間がある、センサ素子。
第１基板と、
前記第１基板上に配置され、応力を検出する検出部と、
前記第１基板を囲むとともに、前記第１基板を支持する第２基板と、
前記第１基板の上面に配置された感応膜と、を備え、
前記第２基板は、前記第１基板よりも厚く、
前記第２基板は、前記第１基板側に張り出した凸部を有し、
前記検出部は、前記凸部の近傍に位置する、センサ素子。