WO2015137159A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2015137159A1
WO2015137159A1 PCT/JP2015/055845 JP2015055845W WO2015137159A1 WO 2015137159 A1 WO2015137159 A1 WO 2015137159A1 JP 2015055845 W JP2015055845 W JP 2015055845W WO 2015137159 A1 WO2015137159 A1 WO 2015137159A1
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gap
pressure sensor
displacement
cantilever
detection unit
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PCT/JP2015/055845
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Inventor
勲 下山
潔 松本
高橋　英俊
ミン ジューン グェン
内山　武
大海　学
篠原　陽子
Original Assignee
セイコーインスツル株式会社
国立大学法人東京大学
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Publication date
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Priority to US15/116,967 priority patent/US10012557B2/en
Priority to CN201580012348.5A priority patent/CN106062524B/zh
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-050552 for which it applied to Japan on March 13, 2014, and uses the content here.
  • a pressure sensor for detecting pressure fluctuation
  • a storage container having a vent for example, a storage container having a vent, a substrate disposed in the storage container and having a through hole or a recess, and vibration in the through hole or the recess
  • a pressure sensor including a piezoelectric element that is cantilever-supported on a substrate is known (for example, see Patent Document 1).
  • the piezoelectric element is provided in accordance with the magnitude of the pressure difference between the pressure variation transmitted through the ventilation hole and the pressure inside the through-hole or the recess following the pressure variation. Vibrate.
  • the pressure sensor can detect a pressure fluctuation transmitted to the storage container based on a voltage change generated in the piezoelectric element.
  • the detection sensitivity of the pressure sensor varies depending on the shape of the piezoelectric element, the volume of the through hole or the concave portion, the flow rate entering and exiting between the through hole or the concave portion and the outside air.
  • the piezoelectric element has a double-sided electrode structure including electrode films on both sides of the piezoelectric body, there arises a problem that it is difficult to ensure a large amount of deformation by reducing the thickness.
  • sensitivity fluctuation and sensitivity deterioration may occur due to electrostatic capacitance and wiring capacitance parasitic on the sensor.
  • the cantilevered detection unit itself is composed of a piezoelectric element, so that it is difficult to separate the relationship between the physical characteristics and the electrical characteristics of the detection unit. It was. Therefore, the degree of freedom in designing the pressure sensor is limited.
  • the cantilever is downsized and its physical characteristics are changed, the capacitance of the sensor decreases and the sensitivity decreases, and the influence of parasitic capacitance and wiring capacitance increases relatively, and sensitivity fluctuation and sensitivity deterioration are likely to occur. There was also a problem of becoming.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a pressure sensor that can accurately detect pressure fluctuations and can detect pressure fluctuations with high sensitivity.
  • a pressure sensor is a pressure sensor that detects pressure fluctuation, and includes a hollow sensor body that includes a cavity formed therein and a communication opening that communicates the cavity with the outside.
  • a cantilever that is disposed so as to close the communication opening in a cantilever state in which a distal end portion is a free end and a proximal end portion is supported by the sensor body, and bends and deforms according to a pressure difference between the cavity and the outside of the sensor body.
  • the base end portion is formed with a gap forming a part of the communication opening, and the base end portion is in a first direction connecting the base end portion and the tip end portion in plan view.
  • the gap is divided into a plurality of branch portions, and some of the plurality of branch portions have a displacement corresponding to the bending deformation of the cantilever, and a resistance corresponding to the displacement.
  • value change Comprising a displacement detector for detecting Te.
  • the displacement detection unit includes a plurality of branch detection units that are electrically divided in the second direction by a division unit having a larger resistance value than the displacement detection unit, and the branch detection units are mutually connected. It may be electrically connected so as to go around the outside of the section.
  • an end position of the gap on the tip end side may be located closer to the tip end side than an end position on the tip end side of the section.
  • the division part may be a detection part gap that constitutes a part of the communication opening.
  • the displacement detection unit may include a narrow detection unit whose length along the second direction is shorter than other parts of the displacement detection unit.
  • the branch portion that does not include the displacement detection unit includes a narrow portion whose length along the second direction is shorter than other portions in the branch portion, The narrow portion may be disposed in the same position range as the formation range of the narrow detection portion in the first direction.
  • the displacement detector may include a piezoresistor.
  • the detection sensitivity can be improved because the displacement detection unit is provided in a portion where stress is concentrated when the cantilever is bent. Furthermore, the dynamic characteristics of the cantilever can be set by a branching section that does not have a displacement detection section, and the electrical detection characteristics for detecting displacement according to the bending deformation of the cantilever are set by the displacement detection section. can do. That is, according to the present invention, it is possible to separate the relationship between the physical characteristics and electrical characteristics of the cantilever. As a result, even if the physical characteristics of the cantilever are the same, the electrical detection characteristics can be made variable, and it is possible to prevent sensitivity fluctuations and sensitivity deterioration from occurring due to the parasitic capacitance and wiring capacitance of the pressure sensor. Can do. Furthermore, the degree of design freedom can be improved.
  • the displacement detection unit includes a plurality of branch detection units arranged so as to be adjacent to each other in the second direction. Therefore, compared to a region for connection between adjacent branch detection units, The area of each branch detection unit having a greater stress concentration can be made relatively large. Thereby, detection sensitivity can be improved, pressure fluctuation can be detected with high accuracy, and pressure fluctuation can be detected with high sensitivity. Furthermore, compared to the case where the displacement detection unit is not electrically divided into a plurality of branch detection units, the energization resistance of the energization path in the displacement detection unit can be increased, and a predetermined voltage is applied to this energization path Current, that is, power consumption can be reduced.
  • the plurality of branch detection units are provided so as to be concentrated in the region on the proximal end side where the stress concentration is relatively larger than that on the distal end side of the cantilever, thereby improving detection sensitivity. be able to.
  • the electrical insulation of the section can be improved.
  • the energization resistance of the energization path in the displacement detection unit can be increased, and the current, that is, the power consumption when a predetermined voltage is applied to the energization path is reduced. can do.
  • the narrow portion by providing the narrow portion, the stress concentration of the narrow detection portion of the displacement detection portion can be increased, and the detection sensitivity can be improved.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the pressure sensor along the line AA shown in FIG. 1. It is a top view which expands and shows the structure of the base end part periphery of the cantilever of the pressure sensor shown in FIG. It is a block diagram of the detection circuit of the pressure sensor shown in FIG. It is a figure which shows an example of the output signal of the pressure sensor shown in FIG. 1, and is a figure which shows the sensor output according to an example of the correspondence of external pressure and internal pressure.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the operation of the pressure sensor shown in FIG. 1 using a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 1.
  • the external air pressure is It is a figure which shows the above-mentioned three states in the case of changing to the state from which external pressure and internal pressure became equilibrium via the state which rose rather than atmospheric pressure. It is a top view which shows the structure of the pressure sensor which concerns on the 1st modification of embodiment of this invention. It is a top view which shows the structure of the pressure sensor which concerns on the 2nd modification of embodiment of this invention. It is a top view which shows the structure of the pressure sensor which concerns on the 3rd modification of embodiment of this invention. It is a top view which shows the structure of the pressure sensor which concerns on the 4th modification of embodiment of this invention.
  • the pressure sensor 1 of the present embodiment is a sensor that detects pressure fluctuations in a predetermined frequency band, and is disposed in a space where an appropriate pressure transmission medium (for example, gas such as air or liquid) exists.
  • an appropriate pressure transmission medium for example, gas such as air or liquid
  • the pressure sensor 1 has a shape in which, for example, an SOI substrate 2 and a sensor body 3 are integrally fixed, and is connected to the cantilever 4 formed on the SOI substrate 2.
  • a detection unit 6 that detects the displacement of the cantilever 4.
  • the SOI substrate 2 is formed by thermally bonding a silicon support layer 2a, an electrically insulating oxide layer 2b such as a silicon oxide film, and a silicon active layer 2c.
  • the silicon active layer 2c of the SOI substrate 2 functions as a piezoresistor by being doped with a dopant (impurity) such as phosphorus over the entire surface by various methods such as an ion implantation method and a diffusion method.
  • a doped layer 7 is formed.
  • the sensor body 3 has a hollow box shape made of, for example, a resin material.
  • the SOI substrate 2 is integrally fixed to the tip (upper end) of the annular wall 3 a in the sensor body 3.
  • the silicon support layer 2a and the oxide layer 2b are formed in the same ring shape as the wall 3a.
  • the sensor body 3, the silicon support layer 2 a, and the oxide layer 2 b have a hollow box shape as a whole and form an internal space that functions as the cavity 10.
  • a portion corresponding to the opening is a communication opening 11 that communicates the inside and the outside of the cavity 10.
  • the cantilever 4 is formed from the silicon active layer 2 c of the SOI substrate 2. Specifically, the cantilever 4 is formed by cutting out the gap 13 so as to form the cantilever 4 and the frame portion 12 from the flat silicon active layer 2c.
  • the cantilever 4 has a cantilever structure in which a distal end portion 4b is a free end and a proximal end portion 4a is a fixed end.
  • the base end 4a is fixed to the wall 3a of the sensor body 3 via the silicon support layer 2a and the oxide layer 2b.
  • the cantilever 4 is formed smaller than the size of the communication opening 11 formed by the sensor body 3, the silicon support layer 2a, and the oxide layer 2b.
  • the direction connecting the base end portion 4a and the tip end portion 4b of the cantilever 4 is a first direction (hereinafter referred to as a first direction X1), and a direction orthogonal to the first direction X1.
  • a first direction X1 corresponds to the length direction (depth direction) of the pressure sensor 1
  • the second direction X2 corresponds to the width direction of the pressure sensor 1.
  • the gap 13 is provided from the distal end portion 4b of the cantilever 4 toward the proximal end portion 4a, and extends from the region communicating with the inside of the cavity 10 to the region where the oxide layer 2b stacked on the proximal end portion 4a exists.
  • the gap 13 forms a part of the communication opening 11 formed by the sensor body 3, the silicon support layer 2 a, and the oxide layer 2 b (or is included in the communication opening 11).
  • the cavity 10 is a bottomed box-shaped space in which a portion excluding the gap 13 is sealed, so that the pressure transmission medium flows in and out only through the gap 13. be able to.
  • the SOI substrate 2 when viewed as the SOI substrate 2 as a whole, the SOI substrate 2 is laminated on the sensor body 3 so as to close the communication opening 11 of the sensor body 3 and is integrally fixed.
  • the silicon support layer 2 a and the oxide layer 2 b formed in the same ring shape as the wall 3 a of the sensor body 3 are continuous with the wall 3 a of the sensor body 3, and the wall 3 a extends upward. It is provided to extend.
  • the silicon active layer 2c forming the cantilever 4 is disposed so as to close the communication opening 11 formed by the sensor body 3, the silicon support layer 2a, and the oxide layer 2b.
  • the gap 13 provided in the silicon active layer 2c so as to form the cantilever 4 is disposed so as to form a part of the communication opening 11 of the sensor body 3 (or to be included in the communication opening 11). ing.
  • the cantilever 4 has a cantilever structure and a pressure difference between the inside and outside of the cavity 10 around the base end 4a (that is, a pressure transmission medium that can flow between the inside and outside of the cavity 10 via the gap 13). It bends and deforms according to the pressure difference).
  • an electrode 14 made of a conductive material such as Au is provided on the surface of the doped layer 7 on the periphery of the frame portion 12 outside the communication opening 11.
  • the electrode 14 is electrically separated into a first electrode 14 a and a second electrode 14 b by two gaps that penetrate the silicon active layer 2 c of the SOI substrate 2.
  • the two gaps are, for example, a branch gap 13 a formed so as to branch from the gap 13, and a third gap 23 described later and an auxiliary gap 23 a connected to the third gap 23.
  • a first gap 21, a second gap 22, and a third gap 23 that extend in the first direction X ⁇ b> 1 with substantially the same length are formed in the base end portion 4 a of the cantilever 4.
  • the first to third gaps 21 to 23 are through-holes that penetrate the cantilever 4 in the thickness direction, and communicate with the inside of the cavity 10 from the base end portion 4a toward the tip end portion 4b along the first direction X1. It is provided over the area. That is, at least a part of each of the first to third gaps 21 to 23 on the tip end 4b side forms a part of the communication opening 11 of the sensor body 3 (or is included in the communication opening 11). Is formed.
  • the first and second gaps 21 and 22 have a U-shape in a plan view that extends toward the front end 4b along the first direction X1.
  • the third gap 23 is disposed between the first and second gaps 21 and 22 (for example, the central portion in the width direction of the cantilever 4) in the second direction X2 (that is, the width direction) orthogonal to the first direction X1, It has a linear shape in plan view that extends toward the tip portion 4b along the first direction X1.
  • the first and second gaps 21 and 22 penetrate the silicon active layer 2 c in a region communicating with the inside of the cavity 10.
  • the first and second gaps 21 and 22 are connected to auxiliary gaps 211 and 221 penetrating the silicon active layer 2c in a region where the oxide layer 2b stacked on the silicon active layer 2c is present.
  • the first and second gaps 21 and 22 are connected to the gap 13 through auxiliary gaps 211 and 221. That is, the first gap 21 is connected to the gap 13 via the auxiliary gap 211, and the second gap 22 is connected to the gap 13 via the auxiliary gap 221.
  • the first and second gaps 21 and 22 have a length L1 in the first direction X1, for example.
  • the third gap 23 penetrates the silicon active layer 2c on the distal end portion 4b side from the inner peripheral ends of the two first and second electrodes 14a and 14b on the proximal end portion 4a side.
  • the third gap 23 has a length L2 in the first direction X1.
  • the end position on the tip end 4b side in the first direction X1 of the third gap 23 is set to the same position as the end position on the tip end 4b side in the first direction X1 of the first and second gaps 21 and 22.
  • the third gap 23 is an auxiliary gap 23a penetrating the silicon active layer 2c so as to separate the two first and second electrodes 14a and 14b in the region where the oxide layer 2b stacked on the silicon active layer 2c is present. It is connected.
  • the first to third gaps 21 to 23 extend the base end 4a of the cantilever 4 in the second direction X2, a plurality of branch portions, that is, the first and second support portions 24 and 25, and the first and second gaps. It is electrically divided into displacement detectors 26 and 27.
  • the first and second support portions 24 and 25 are provided on both end sides of the cantilever 4 in the second direction X2, and are electrically disconnected from the first and second electrodes 14a and 14b by the gap 13.
  • the first support part 24 is separated from the first displacement detection part 26 via the first gap 21 in the second direction X2.
  • the second support part 25 is separated from the second displacement detection part 27 via the second gap 22 in the second direction X2.
  • the first and second support portions 24 and 25 are formed to have a constant length (width) in the second direction X2 along the first direction X1.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are divided so as to be adjacent to each other in the second direction X2 through the third gap 23.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are formed with a shorter (shorter) length (width) in the second direction X2 than the first and second supporters 24 and 25, for example.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are formed with a constant length (width) in the second direction X2 along the first direction X1.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 include first and second electrode ends 26a and 27a that are electrically connected to different first and second electrodes 14a and 14b on the base end 4a side. ing. That is, the first displacement detector 26 includes a first electrode end portion 26a electrically connected to the first electrode 14a, and the second displacement detector 27 includes a first electrode electrically connected to the second electrode 14b. A two-electrode end portion 27a is provided. The first and second displacement detectors 26 and 27 are electrically connected to each other via a dope layer 7 provided on the cantilever 4 so as to wrap around the outer periphery (outside) of the third gap 23. .
  • the detection unit 6 includes first and second displacement detection units 26 and 27 provided on the cantilever 4.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 detect a displacement corresponding to the bending deformation of the cantilever 4 by a function as a piezoresistor by the dope layer 7 provided in the cantilever 4.
  • the piezoresistor is a resistance element whose electric resistance value changes according to the amount of bending (displacement) of the cantilever 4.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are arranged in pairs in which the third gap 23 is sandwiched from both sides in the second direction X2, and wrap around the outer periphery (outside) of the third gap 23. It is electrically connected through the doped layer 7. Accordingly, when a predetermined voltage is applied between the first and second electrodes 14a and 14b through the detection circuit 30 described later, a current resulting from the voltage application is supplied from one of the first and second displacement detection units 26 and 27. It flows to the other side so as to wrap around the outer periphery (outside) of the third gap 23.
  • the electric resistance value R of the current path (current path) P is the electric resistance value Ra by the doped layer 7 of the first displacement detector 26, the electric resistance value Rb by the doped layer 7 of the second displacement detector 27, and It can be described as the sum of the electrical resistance value Rc of the doped layer 7 in the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 so as to go around the outer periphery (outside) of the third gap 23.
  • This electrical resistance value R changes according to the displacement (flexure deformation) of the cantilever 4 due to the function of the doped layer 7 as a piezoresistor, so that the change in the electrical resistance value R is between the inside and the outside of the cavity 10.
  • a detection circuit 30 shown in FIG. 4 is connected to the first and second displacement detectors 26 and 27 via the first and second electrodes 14a and 14b.
  • the detection circuit 30 takes out a change in the electric resistance value R of the current path P that changes according to the displacement (deflection deformation) of the cantilever 4 as an electrical output signal.
  • the detection circuit 30 includes a bridge circuit 31, a reference voltage generation circuit 32, and a differential amplifier circuit 33.
  • the bridge circuit 31 is, for example, a Wheatstone bridge circuit, and includes a branch side in which the first and second resistance units 41 and 42 are connected in series, and a branch in which the third and fourth resistance units 43 and 44 are connected in series. The side is connected in parallel to the reference voltage generation circuit 32.
  • the first resistance unit 41 includes first and second displacement detection units 26 and 27 connected in series between the first and second electrode end portions 26a and 27a. Therefore, the electrical resistance value R1 of the first resistance unit 41 is the electrical resistance value R of the current path P.
  • the second to fourth resistance units 42 to 44 are fixed resistors and have electric resistance values R2 to R4.
  • connection point E ⁇ b> 1 of the first and second resistance units 41 and 42 is connected to the inverting input terminal of the differential amplifier circuit 33.
  • connection point E2 between the third and fourth resistance units 43 and 44 is connected to the non-inverting input terminal of the differential amplifier circuit 33.
  • the reference voltage generation circuit 32 applies a predetermined reference voltage Vcc between the connection point of the first and third resistance units 41 and 43 and the connection point of the second and fourth resistance units 42 and 44 of the bridge circuit 31. To do.
  • the differential amplifier circuit 33 detects a potential difference between the two connection points E1 and E2 of the bridge circuit 31, amplifies the potential difference with a predetermined amplification factor, and outputs it. This potential difference is a value corresponding to a change in the electric resistance value R of the current path P.
  • the output signal (sensor output) output from the detection circuit 30 is a predetermined value (for example, zero).
  • the pressure transmission medium flows from the outside to the inside of the cavity 10 through the gap 13. Accordingly, the internal pressure Pin rises with a slower response than the fluctuation of the external pressure Pout while being delayed from the external pressure Pout as time passes. As a result, the internal pressure Pin gradually approaches the external pressure Pout, so that the pressure begins to be balanced outside and inside the cavity 10, the deflection of the cantilever 4 gradually decreases, and the sensor output gradually decreases. .
  • the pressure difference corresponds to the pressure difference as shown in the lower diagram of FIG.
  • the bending deformation of the cantilever 4 is canceled and the cantilever 4 returns to the original state, and the sensor output becomes a predetermined value (for example, zero) again.
  • the first and second displacement detection units 26 and 27 are provided between the first and second support units 24 and 25, the first and second support units 24 are provided. , 25, the distance between the first and second displacement detectors 26, 27 is smaller. Therefore, the electrical resistance value Rc in the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 can be reduced. Accordingly, the first and second displacement detectors 26 having a higher stress concentration than the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 with respect to the electric resistance value R of the current path P. , 27 can be relatively increased in electrical resistance value Ra, Rb. Thereby, the detection sensitivity with respect to the change of the electrical resistance values Ra and Rb of the first and second displacement detectors 26 and 27 can be improved, and the pressure fluctuation can be detected with high accuracy. Furthermore, pressure fluctuation can be detected with high sensitivity.
  • the dynamic characteristics of the cantilever 4 can be set by the first and second support portions 24 and 25, and the electrical detection characteristics for detecting the displacement corresponding to the bending deformation of the cantilever 4 are the first and second. It can be set by the second displacement detectors 26 and 27. That is, the cantilever 4 can separate the relationship between its physical characteristics and electrical characteristics. As a result, even if the physical characteristics of the cantilever 4 are the same, the electrical detection characteristics can be made variable, and sensitivity fluctuations and sensitivity degradations occur due to the parasitic capacitance and wiring capacitance of the pressure sensor 1. Can be prevented. Furthermore, the degree of freedom in designing the pressure sensor 1 can be improved.
  • the end position of the first and second gaps 21 and 22 on the front end 4b side in the first direction X1 is the end position of the third gap 23 on the front end 4b side in the first direction X1.
  • the end position on the front end 4b side in the first direction X1 of the first and second gaps 21 and 22 is closer to the front end 4b side than the end position on the front end 4b side in the first direction X1 of the third gap 23. It may protrude.
  • the end position of the first and second gaps 21 and 22 on the tip end 4 b side in the first direction X ⁇ b> 1 is the second gap 23.
  • the distance L is located closer to the distal end portion 4b than the end position on the distal end portion 4b side in one direction X1.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are concentrated in the region on the base end portion 4a side where the stress concentration is larger than in the region on the tip end portion 4b side of the cantilever 4. The detection sensitivity can be improved.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are formed so that the length (width) in the second direction X2 is constant along the first direction X1, but this is not limitative. Instead, the length (width) in the second direction X2 may be narrowed (shortened) at an appropriate position while ensuring a desired mechanical strength.
  • the first and second gaps 21 and 22 are curved so as to protrude toward the third gap 23 along the second direction X2.
  • First and second bending portions 21a and 22a are provided.
  • the first and second curved portions 21a and 22a are provided in portions of the first and second gaps 21 and 22 that face the third gap 23 in the second direction X2, and are substantially in the center in the first direction X1.
  • the portion is formed so as to protrude most toward the third gap 23 side.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 include first and second narrow detectors 261 and 271 that are narrowed in the second direction X2 by the first and second curved portions 21a and 22a, respectively. Is formed. That is, the first and second displacement detectors 26 and 27 have a length along the second direction X2 that is shorter than the other portions of the first and second displacement detectors 26 and 27. Two narrow detection portions 261 and 271 are formed.
  • the electrical resistance values Ra and Rb of the first and second displacement detectors 26 and 27 can be increased by providing the first and second narrow detectors 261 and 271.
  • the current that is, the power consumption when a predetermined voltage is applied to the current path P through the detection circuit 30 can be reduced.
  • the base end portion 4a side of the cantilever 4, that is, the fixed end Power consumption can be reduced while ensuring the mechanical strength of the side.
  • the first and second support portions 24 and 25 are formed to have a constant length (width) in the second direction X2 along the first direction X1, but the present invention is not limited thereto. Instead, the length (width) in the second direction X2 may be narrowed (shortened) at an appropriate position while ensuring a desired mechanical strength.
  • the pressure sensor 1 according to the third modification is similar to the pressure sensor 1 according to the second modification described above, and the first and second bending portions 21a, 22a, and the first and second Two narrow detection units 261 and 271 are provided. Furthermore, in the pressure sensor 1 according to the third modification, the first and second gap bending portions are formed by the frame portion 12 at the base end portion 4a of the cantilever 4 at the positions located at both ends of the gap 13 in the second direction X2. 13b and 13c are provided.
  • the first and second gap bending portions 13b and 13c are bent so as to protrude toward the first and second gaps 21 and 22 along the second direction X2.
  • the first and second gap bending portions 13b and 13c are provided in the same position range as the formation range of the first and second bending portions 21a and 22a in the first direction X1.
  • the first and second gap bending portions 13b and 13c are formed such that the position of the most protruding portion in the first direction X1 is substantially the same as that of the first and second bending portions 21a and 22a.
  • first and second support portions 24 and 25 have the first and second gap bending portions 13b in the same position range as the formation ranges of the first and second narrow width detection portions 261 and 271 in the first direction X1.
  • first and second narrow support portions 241 and 251 are formed in which the width in the second direction X2 is narrowed. That is, the first and second support portions 24 and 25 have first and second widths that are shorter in the second direction X2 than the other portions of the first and second support portions 24 and 25.
  • Narrow support portions 241 and 251 are formed.
  • the first and second narrow support portions 241 and 251 it is possible to adjust the portion where stress is concentrated in the first and second displacement detectors 26 and 27.
  • the first and second narrow support portions 241 and 251 in the same position range as the formation range of the first and second narrow detection portions 261 and 271 in the first direction X1, the first and second widths are provided.
  • the stress can be easily concentrated on the narrow detection units 261 and 271.
  • the resistance value change of the 1st and 2nd narrow detection parts 261 and 271 in which resistance value is large compared with other parts among the 1st and 2nd displacement detection parts 26 and 27 is enlarged, Detection sensitivity can be improved.
  • the first and second narrow support portions 241 and 251 are formed on the first and second support portions 24 and 25 by the first and second gap curved portions 13b and 13c.
  • the first and second narrow support portions 241 and 251 are formed on the first and second support portions 24 and 25 by the first and second gap curved portions 13b and 13c.
  • the first and second gaps 21 and 22 are provided.
  • Third and fourth curved portions 21b and 22b are provided.
  • the third and fourth curved portions 21b and 22b are provided at portions of the first and second gaps 21 and 22 that are located at both ends of the second direction X2 and are opposed to the gap 13 in the second direction X2. It has been.
  • the third and fourth curved portions 21b and 22b are curved so as to protrude toward the respective portions located at both ends of the second direction X2 in the gap 13 along the second direction X2.
  • the third and fourth bending portions 21b and 22b are provided in the same position range as the formation range of the first and second bending portions 21a and 22a in the first direction X1.
  • the third and fourth bending portions 21b and 22b are formed such that the position of the most protruding portion in the first direction X1 is substantially the same as that of the first and second bending portions 21a and 22a.
  • the first and second support portions 24 and 25 have the same position range as the first and second narrowness detection portions 261 and 271 in the first direction X1, and the third and fourth bending portions 21b, First and second narrow support portions 241 and 251 that are narrowed in the second direction X2 by 22b are formed. That is, the first and second support portions 24 and 25 have a first and second narrower width that is shorter in the second direction X2 than the other portions of the first and second support portions 24 and 25. Support portions 241 and 251 are formed. Therefore, even the pressure sensor 1 according to the fourth modification can achieve the same effects as the third modification.
  • the first and second gap bending portions 13b and 13c, and the third and fourth bending portions 21b. , 22b may be further provided.
  • the first and second support portions 24 and 25 are provided with the first and second narrow support portions 241 by the first and second gap bend portions 13b and 13c and the third and fourth bend portions 21b and 22b. 251 is formed.
  • the first and second gaps 21 and 22 have a U-shaped shape in plan view extending in the first direction X1, but are not limited to this, and other shapes extending in the first direction X1. You may have.
  • the first and second gaps 21 and 22 have a linear shape in plan view extending in the first direction X1.
  • the doped layer 7 is formed over the entire surface of the silicon active layer 2c of the SOI substrate 2, but the present invention is not limited to this.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 and the third gap 23 in the silicon active layer 2 c of the SOI substrate 2 are formed.
  • Doped layer 7 is continuously formed only in the region connecting first and second displacement detectors 26 and 27 so as to go around the outer periphery (outer side).
  • the doped layer 7 is partially provided in the silicon active layer 2c, it is possible to improve the detection accuracy by suppressing the occurrence of a leak and a short circuit with an external pattern due to dirt or the like.
  • a conductive material such as Au is formed on the surface of the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 so as to go around the outer periphery (outside) of the third gap 23 in the cantilever 4.
  • a wiring portion made of a material may be provided.
  • the electrical resistance value Rc in the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 can be reduced by providing the wiring portion. Accordingly, the first and second displacement detectors 26 having a higher stress concentration than the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 with respect to the electric resistance value R of the current path P. , 27 can be relatively increased in electrical resistance value Ra, Rb. Thereby, the detection sensitivity with respect to the change of the electrical resistance values Ra and Rb of the first and second displacement detectors 26 and 27 can be improved, and the pressure fluctuation can be detected with high accuracy.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are divided so as to be adjacent to each other in the second direction X2 via the third gap 23.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first and second displacement detectors 26 and 27 are provided with the silicon active layer 2c that does not have the doped layer 7 in a range corresponding to the third gap 23. May be. That is, instead of the third gap 23, the silicon active layer 2c exposed without forming the doped layer 7 may be provided between the first and second displacement detectors 26 and 27.
  • a silicon active layer 2c that does not have the doped layer 7 is provided instead of the third gap 23 of the seventh modification shown in FIG. That is, in the silicon active layer 2c in which the third gap 23 is omitted, only the first and second displacement detectors 26 and 27 and the region connecting the first and second displacement detectors 26 and 27 are included.
  • the doped layer 7 is formed continuously.
  • pressure fluctuation can be detected with high accuracy, and pressure fluctuation can be detected with high sensitivity. Therefore, it has industrial applicability.

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Abstract

　本発明は、圧力変動を検出する圧力センサ（１）であって、センサ本体のキャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバー（４）と、カンチレバーの基端部（４ａ）に形成された第１ギャップ（２１）、第２ギャップ（２２）および第３ギャップ（２３）とを備える。第１～第３ギャップは、カンチレバーの基端部を、平面視で基端部とカンチレバーの先端部（４ｂ）とを結ぶ第１方向（Ｘ１）に直交する第２方向（Ｘ２）に、第１支持部（２４）および第２支持部（２５）と、第１変位検出部（２６）および第２変位検出部（２７）と、に電気的に区分する。第１および第２変位検出部は、第１および第２支持部の間でカンチレバーの撓み変形に応じた変位を検出する。

Description

圧力センサ
　本発明は、圧力センサに関する。
　本願は、２０１４年３月１３日に日本に出願された特願２０１４－０５０５５２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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）。
　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、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される。
日本国特開平４－２０８８２７号公報
　ところで、上記従来技術に係る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、および透孔又は凹部と外気との間を出入りする流量等に応じて変化する。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を有するので、厚みを小さくすることによって大きな変形量を確保することが難しいという問題が生じる。これによって、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ける所望の感度を確保することが難しいという問題が生じる。さらに、圧電素子を用いたセンサの場合、センサに寄生する静電容量および配線容量によって感度変動および感度劣化が生じる虞がある。
　さらに、上記従来技術に係る圧力センサにおいては、片持ち支持された検出部そのものが圧電素子で構成されているため、検出部の物理的特性と電気的特性との関わりあいを分離することが難しかった。そのため、圧力センサは設計自由度が限定されてしまう。また、例えばカンチレバーを小型化し物理特性を変えようとすると、センサの静電容量が小さくなり感度が小さくなるとともに、相対的に寄生容量や配線容量の影響が大きくなり感度変動や感度劣化を生じ易くなるという問題もあった。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、圧力変動の検出を精度良く行うことができるとともに、圧力変動を感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を目的としている。
（１）本発明の一態様に係る圧力センサは、圧力変動を検出する圧力センサであって、内部にキャビティが形成され、前記キャビティ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、先端部が自由端かつ基端部が前記センサ本体に支持された片持ち状態で前記連通開口を塞ぐように配置され、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、を備え、前記基端部には、前記連通開口の一部を構成するギャップが形成され、前記基端部は、平面視で前記基端部と前記先端部とを結ぶ第１方向に直交する第２方向に、前記ギャップによって複数の分岐部に区分され、前記複数の分岐部のうちで一部の分岐部は、前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を、該変位に対応した抵抗値変化に基づいて検出する変位検出部を備える。
（２）前記変位検出部は、当該変位検出部よりも大きい抵抗値を有する区分部によって前記第２方向に電気的に区分される複数の分岐検出部を備え、前記分岐検出部は、相互に前記区分部の外側を回り込むようにして電気的に接続されてもよい。
（３）前記第１方向において、前記ギャップの前記先端部側の端部位置は、前記区分部の前記先端部側の端部位置よりも前記先端部側に位置してもよい。
（４）前記区分部は、前記連通開口の一部を構成する検出部ギャップでもよい。
（５）前記変位検出部は、前記第２方向に沿った長さが、該変位検出部における他の部分よりも短い幅狭検出部を備えてもよい。
（６）前記複数の分岐部のうち前記変位検出部を備えていない分岐部は、前記第２方向に沿った長さが、該分岐部における他の部分よりも短い幅狭部を備え、前記幅狭部は、前記第１方向で前記幅狭検出部の形成範囲と同一位置範囲に配置されてもよい。
（７）前記変位検出部にピエゾ抵抗を備えてもよい。
（１）本発明によれば、カンチレバーが撓んだときに応力が集中する部位に変位検出部を備えるので、検出感度を向上させることができる。
　さらに、カンチレバーの動的特性を、変位検出部を備えていない分岐部により設定することができると共に、カンチレバーの撓み変形に応じた変位を検出するための電気的な検出特性を変位検出部により設定することができる。すなわち、本発明によれば、カンチレバーの物理的特性と電気的特性との関わりあいを分離することが可能となる。これによりカンチレバーの物理特性が同一であっても、電気的な検出特性を可変とすることができ、圧力センサに寄生する静電容量および配線容量などによって感度変動および感度劣化が生じることを防ぐことができる。さらに、設計自由度を向上させることができる。
（２）本発明によれば、変位検出部は、第２方向に隣り合うように配置される複数の分岐検出部を備えるので、隣り合う分岐検出部同士の接続のための領域に比べて、より応力集中が大きい各分岐検出部の領域を相対的に大きくすることができる。これにより、検出感度を向上させることができ、圧力変動の検出を精度良く行うことができるとともに圧力変動を感度良く検出することができる。さらに、変位検出部が複数の分岐検出部に電気的に区分されていない場合に比べて、変位検出部における通電経路の通電抵抗を増大させることができ、この通電経路に所定電圧を印加する場合の電流つまり消費電力を低減することができる。
（３）本発明によれば、複数の分岐検出部を、カンチレバーの先端部側に比べて相対的に応力集中が大きい基端部側の領域に集中させるように設けるので、検出感度を向上させることができる。
（４）本発明によれば、区分部の電気的な絶縁性を向上させることができる。
（５）本発明によれば、幅狭検出部を設けることによって変位検出部における通電経路の通電抵抗を増大させることができ、この通電経路に所定電圧を印加する場合の電流つまり消費電力を低減することができる。
（６）本発明によれば、幅狭部を設けることによって変位検出部の幅狭検出部の応力集中を大きくすることができ、検出感度を向上させることができる。
（７）本発明によれば、電気的な検出特性が設定される変位検出部のみにピエゾ抵抗を備えるので、汚れなどによる外部パターンとのリークおよび短絡の発生を抑制して、検出精度を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１に示すＡ－Ａ線に沿った圧力センサの断面図である。 図１に示す圧力センサのカンチレバーの基端部周辺の構成を拡大して示す平面図である。 図１に示す圧力センサの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対応関係の一例に応じた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、図１に示すＡ－Ａ線に沿った断面図を用いて示す図であり、外気圧と内気圧とが同一である状態から、外気圧が内気圧よりも上昇した状態を経由して、外気圧と内気圧とが平衡になった状態へと遷移する場合の前述の３つの状態を示す図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の第３変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の第４変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の第５変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の第６変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の第７変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。 図１３に示すＢ－Ｂ線に沿った圧力センサの断面図である。 本発明の実施形態の第９変形例に係る圧力センサの構成を示す平面図である。
　以下、本発明の実施形態に係る圧力センサについて図面を参照しながら説明する。
　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、適宜の圧力伝達媒体（例えば、空気などの気体や液体など）が存在する空間などに配置されている。
　図１および図２に示すように、圧力センサ１は、例えば、ＳＯＩ基板２とセンサ本体３とを一体的に固定した形状とされ、ＳＯＩ基板２に形成されたカンチレバー４と、カンチレバー４に接続されてカンチレバー４の変位を検出する検出部６と、を備えている。
　ＳＯＩ基板２は、シリコン支持層２ａ、シリコン酸化膜等の電気的絶縁性の酸化層２ｂ、およびシリコン活性層２ｃを熱的に張り合わせて形成されている。
　また、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃには表面全域に亘って、例えばリンなどのドープ剤（不純物）がイオン注入法や拡散法などの各種の方法によりドーピングされることによって、ピエゾ抵抗として機能するドープ層７が形成されている。
　センサ本体３は、例えば樹脂材で構成された中空の箱型の形状とされている。センサ本体３における環状の壁部３ａの先端（上端）には、ＳＯＩ基板２が一体的に固定されている。
　シリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂは、壁部３ａと同様の環状に形成されている。センサ本体３、シリコン支持層２ａ、および酸化層２ｂは、全体として中空の箱型の形状を有し、キャビティ１０として機能する内部空間を形成している。センサ本体３、シリコン支持層２ａ、および酸化層２ｂは、開口に相当する箇所を、キャビティ１０の内部と外部とを連通する連通開口１１としている。
　カンチレバー４は、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃから形成されている。具体的には、カンチレバー４は、平板状のシリコン活性層２ｃからカンチレバー４と枠部１２とを形成するようにギャップ１３を切り出すことによって形成されている。
　カンチレバー４は、先端部４ｂが自由端、基端部４ａが固定端とされた片持ち梁構造とされている。基端部４ａは、シリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂを介してセンサ本体３の壁部３ａに固定されている。カンチレバー４は、センサ本体３、シリコン支持層２ａ、および酸化層２ｂによって形成された連通開口１１の大きさよりも小さく形成されている。
　本実施形態では、圧力センサ１の平面視で、カンチレバー４の基端部４ａと先端部４ｂとを結ぶ方向を第１方向（以下、第１方向Ｘ１）とし、第１方向Ｘ１に直交する方向を第２方向（以下、第２方向Ｘ２）とする。
　なお、第１方向Ｘ１は、圧力センサ１の長さ方向（奥行き方向）に相当し、第２方向Ｘ２は、圧力センサ１の幅方向に相当する。
　ギャップ１３は、カンチレバー４の先端部４ｂから基端部４ａに向かい、キャビティ１０の内部に連通する領域から基端部４ａに積層された酸化層２ｂが存在する領域に亘って設けられている。つまりキャビティ１０の内部に連通する領域では、ギャップ１３は、センサ本体３、シリコン支持層２ａ、および酸化層２ｂによって形成された連通開口１１の一部を成すように（あるいは、連通開口１１に含まれるように）配置されている。
　なお、上述のキャビティ１０は、図２に示すように、当該ギャップ１３を除く部分が密閉された有底状の箱型空間であるので、ギャップ１３を介してのみ圧力伝達媒体を内外へ流動させることができる。
　ここで、ＳＯＩ基板２全体として見た場合、ＳＯＩ基板２は、センサ本体３の連通開口１１を塞ぐようにしてセンサ本体３に積層され、一体的に固定されている。このＳＯＩ基板２のうち、センサ本体３の壁部３ａと同様の環状に形成されたシリコン支持層２ａおよび酸化層２ｂは、センサ本体３の壁部３ａに連続して、この壁部３ａを上方に延長するように設けられている。
　そして、カンチレバー４を形成するシリコン活性層２ｃは、センサ本体３、シリコン支持層２ａ、および酸化層２ｂによって形成された連通開口１１を塞ぐように配置されている。これによりカンチレバー４を形成するようにしてシリコン活性層２ｃに設けられたギャップ１３は、センサ本体３の連通開口１１の一部を成すように（あるいは、連通開口１１に含まれるように）配置されている。
　カンチレバー４は片持ち梁構造によって、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（つまりギャップ１３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。
　なお、枠部１２において連通開口１１よりも外方の周縁部には、ドープ層７の表面上にＡｕなどの導電性材料からなる電極１４が設けられている。
　電極１４は、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃを貫通する２つのギャップによって、第１電極１４ａおよび第２電極１４ｂに電気的に分離されている。２つのギャップは、例えば、ギャップ１３から分岐するように形成された分岐ギャップ１３ａと、後述する第３ギャップ２３及び当該第３ギャップ２３と連接された補助ギャップ２３ａと、されている。
　図１および図３に示すように、カンチレバー４の基端部４ａには、第１方向Ｘ１にほぼ同一長さで伸びる第１ギャップ２１、第２ギャップ２２および第３ギャップ２３が形成されている。
　第１～第３ギャップ２１～２３は、カンチレバー４を厚さ方向に貫通する貫通孔であり、基端部４ａから第１方向Ｘ１に沿って先端部４ｂに向かい、キャビティ１０の内部に連通する領域に亘って設けられている。つまり、第１～第３ギャップ２１～２３は、先端部４ｂ側の各々の少なくとも一部がセンサ本体３の連通開口１１の一部を成すように（あるいは、連通開口１１に含まれるように）形成されている。
　第１および第２ギャップ２１，２２は、第１方向Ｘ１に沿って先端部４ｂ側に伸びる平面視Ｕ字状の形状を有している。第３ギャップ２３は、第１方向Ｘ１に直交する第２方向Ｘ２（つまり幅方向）において第１および第２ギャップ２１，２２の間（例えば、カンチレバー４の幅方向の中央部）に配置され、第１方向Ｘ１に沿って先端部４ｂ側に伸びる平面視直線状の形状を有している。　
　なお、第１および第２ギャップ２１，２２は、キャビティ１０の内部に連通する領域においてシリコン活性層２ｃを貫通している。第１および第２ギャップ２１，２２は、シリコン活性層２ｃに積層された酸化層２ｂが存在する領域においてシリコン活性層２ｃを貫通する補助ギャップ２１１，２２１に接続されている。第１および第２ギャップ２１，２２は、補助ギャップ２１１，２２１を介してギャップ１３に接続されている。つまり、第１ギャップ２１は、補助ギャップ２１１を介してギャップ１３に接続され、第２ギャップ２２は、補助ギャップ２２１を介してギャップ１３に接続されている。
　第１および第２ギャップ２１，２２は、例えば、第１方向Ｘ１に長さＬ１を有している。
　第３ギャップ２３は、２つの第１および第２電極１４ａ，１４ｂの基端部４ａ側の内周端よりも先端部４ｂ側においてシリコン活性層２ｃを貫通している。第３ギャップ２３は、例えば、第１方向Ｘ１に長さＬ２を有している。
　第３ギャップ２３の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置は、第１および第２ギャップ２１，２２の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置と同一位置に設定されている。
　第３ギャップ２３は、シリコン活性層２ｃに積層された酸化層２ｂが存在する領域において２つの第１および第２電極１４ａ，１４ｂを区分するようにしてシリコン活性層２ｃを貫通する補助ギャップ２３ａに接続されている。
　第１～第３ギャップ２１～２３は、第２方向Ｘ２に、カンチレバー４の基端部４ａを、複数の分岐部、つまり、第１および第２支持部２４，２５と、第１および第２変位検出部２６，２７と、に電気的に区分する。
　第１および第２支持部２４，２５は、カンチレバー４における第２方向Ｘ２の両端部側に設けられ、ギャップ１３によって第１および第２電極１４ａ，１４ｂから電気的に遮断されている。
　第１支持部２４は、第２方向Ｘ２において第１ギャップ２１を介して第１変位検出部２６と区分されている。第２支持部２５は、第２方向Ｘ２において第２ギャップ２２を介して第２変位検出部２７と区分されている。第１および第２支持部２４，２５は、第１方向Ｘ１に沿って第２方向Ｘ２の長さ（幅）が一定に形成されている。
　第１および第２変位検出部２６，２７は、第３ギャップ２３を介して第２方向Ｘ２に隣り合うように区分されている。第１および第２変位検出部２６，２７は、例えば、第１および第２支持部２４，２５に比べて、第２方向Ｘ２の長さ（幅）が小さく（短く）形成されている。第１および第２変位検出部２６，２７は、第１方向Ｘ１に沿って第２方向Ｘ２の長さ（幅）が一定に形成されている。
　第１および第２変位検出部２６，２７は、基端部４ａ側において互いに異なる第１および第２電極１４ａ，１４ｂに電気的に接続された第１および第２電極端部２６ａ，２７ａを備えている。つまり、第１変位検出部２６は、第１電極１４ａに電気的に接続された第１電極端部２６ａを備え、第２変位検出部２７は、第２電極１４ｂに電気的に接続された第２電極端部２７ａを備えている。
　第１および第２変位検出部２６，２７は、相互に第３ギャップ２３の外周（外側）を回り込むようにして、カンチレバー４に設けられているドープ層７を介して電気的に接続されている。
　検出部６は、カンチレバー４に設けられた第１および第２変位検出部２６，２７を備えている。
　第１および第２変位検出部２６，２７は、カンチレバー４に設けられているドープ層７によるピエゾ抵抗としての機能によって、カンチレバー４の撓み変形に応じた変位を検出する。
　ピエゾ抵抗は、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抵抗素子である。第１および第２変位検出部２６，２７は、第２方向Ｘ２において第３ギャップ２３を両側から挟み込んだ対となって配置され、相互に第３ギャップ２３の外周（外側）を回り込むようにしてドープ層７を介して電気的に接続されている。これにより後述する検出回路３０を通じて第１および第２電極１４ａ，１４ｂ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および第２変位検出部２６，２７の一方から第３ギャップ２３の外周（外側）を回り込むようにして他方に流れる。
　この電流の経路（電流経路）Ｐの電気抵抗値Ｒは、第１変位検出部２６のドープ層７による電気抵抗値Ｒａと、第２変位検出部２７のドープ層７による電気抵抗値Ｒｂと、第３ギャップ２３の外周（外側）を回り込むように第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域のドープ層７による電気抵抗値Ｒｃとの和として記述することができる。
　この電気抵抗値Ｒは、ドープ層７によるピエゾ抵抗としての機能によって、カンチレバー４の変位（撓み変形）に応じて変化するので、この電気抵抗値Ｒの変化がキャビティ１０の内部と外部との間に発生した圧力差に対応する。
　第１および第２変位検出部２６，２７には、第１および第２電極１４ａ，１４ｂを介して図４に示す検出回路３０が接続されている。検出回路３０は、カンチレバー４の変位（撓み変形）に応じて変化する電流経路Ｐの電気抵抗値Ｒの変化を電気的な出力信号として取り出す。
　図４に示すように、検出回路３０は、ブリッジ回路３１と、基準電圧発生回路３２と、差動増幅回路３３と、を備えている。
　ブリッジ回路３１は、例えばホイートストンブリッジ回路であって、第１および第２抵抗部４１，４２が直列接続されてなる枝辺と、第３および第４抵抗部４３，４４が直列接続されてなる枝辺とが、基準電圧発生回路３２に対して並列に接続されている。
　第１抵抗部４１は、第１および第２電極端部２６ａ，２７ａ間で直列に接続された第１および第２変位検出部２６，２７によって構成されている。従って、第１抵抗部４１の電気抵抗値Ｒ１は電流経路Ｐの電気抵抗値Ｒである。第２～第４抵抗部４２～４４は、固定抵抗であって、各電気抵抗値Ｒ２～Ｒ４を有している。
　ブリッジ回路３１において、第１および第２抵抗部４１，４２の接続点Ｅ１は差動増幅回路３３の反転入力端子に接続されている。また、第３および第４抵抗部４３，４４の接続点Ｅ２は差動増幅回路３３の非反転入力端子に接続されている。
　基準電圧発生回路３２は、ブリッジ回路３１の第１および第３抵抗部４１，４３の接続点と第２および第４抵抗部４２，４４の接続点との間に、所定の基準電圧Ｖｃｃを印加する。
　差動増幅回路３３は、ブリッジ回路３１の２つの接続点Ｅ１，Ｅ２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、電流経路Ｐの電気抵抗値Ｒの変化に応じた値となる。
　以下に、上述した圧力センサ１に微小な圧力変動が作用した場合の圧力センサ１の動作について、図５および図６を参照して説明する。
　先ず、図５に示す時刻ｔ１以前の期間Ａのように、キャビティ１０の外部の圧力Ｐｏｕｔ（第１所定圧力Ｐａ）と、キャビティ１０の内部の圧力Ｐｉｎとの圧力差がゼロである場合には、図６の上段図に示すようにカンチレバー４は撓み変形しない。これに伴い、検出回路３０から出力される出力信号（センサ出力）は所定値（例えば、ゼロ）である。
　そして、図５に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、外部の圧力Ｐｏｕｔが増大すると、キャビティ１０の外部と内部との間に圧力差が生じるので、図６の中段図に示すようにカンチレバー４はキャビティ１０内部に向けて撓み変形する。これに伴いカンチレバー４の撓み変形に応じて、ピエゾ抵抗として機能する第１および第２変位検出部２６，２７に歪みが生じ、電流経路Ｐの電気抵抗値Ｒが変化するので、センサ出力が増大する。
　さらに、外部の圧力Ｐｏｕｔの上昇終了後にはギャップ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流動する。これに伴い内部の圧力Ｐｉｎは、時間の経過とともに外部の圧力Ｐｏｕｔよりも遅れながら、外部の圧力Ｐｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。その結果、内部の圧力Ｐｉｎが外部の圧力Ｐｏｕｔに徐々に近づくので、キャビティ１０の外部および内部で圧力が均衡状態になり始め、カンチレバー４の撓みが徐々に小さくなり、センサ出力が徐々に低下する。
　そして、図５に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように、内部の圧力Ｐｉｎが外部の圧力Ｐｏｕｔ（第２所定圧力Ｐｂ）に等しくなると、図６の下段図に示すように圧力差に応じたカンチレバー４の撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、センサ出力が再び所定値（例えば、ゼロ）になる。
　上述したように本実施形態の圧力センサ１によれば、第１および第２支持部２４，２５間に第１および第２変位検出部２６，２７を備えるので、第１および第２支持部２４，２５間の間隔に比べて第１および第２変位検出部２６，２７間の間隔が小さくなっている。
　したがって第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域の電気抵抗値Ｒｃを小さくすることができる。これに伴い、電流経路Ｐの電気抵抗値Ｒに対して、第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域に比べて、より応力集中が大きい第１および第２変位検出部２６，２７の電気抵抗値Ｒａ，Ｒｂを相対的に大きくすることができる。
　これにより第１および第２変位検出部２６，２７の電気抵抗値Ｒａ，Ｒｂの変化に対する検出感度を向上させることができ、圧力変動の検出を精度良く行うことができる。さらに、圧力変動を感度良く検出することができる。
　さらに、カンチレバー４の動的特性を第１および第２支持部２４，２５により設定することができると共に、カンチレバー４の撓み変形に応じた変位を検出するための電気的な検出特性を第１および第２変位検出部２６，２７により設定することができる。すなわち、カンチレバー４は、その物理的特性と電気的特性との関わりあいを分離することが可能となる。
　これによりカンチレバー４の物理特性が同一であっても、電気的な検出特性を可変とすることができ、圧力センサ１に寄生する静電容量および配線容量などによって感度変動および感度劣化が生じることを防ぐことができる。さらに、圧力センサ１の設計自由度を向上させることができる。
（第１変形例）
　上述した実施形態において、第１および第２ギャップ２１，２２の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置は、第３ギャップ２３の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置と同一位置に設定されたが、これに限定されない。
　第１および第２ギャップ２１，２２の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置は、第３ギャップ２３の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置よりも先端部４ｂ側に突出してもよい。
　この第１変形例に係る圧力センサ１では、図７に示すように、第１および第２ギャップ２１，２２の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置は、第３ギャップ２３の第１方向Ｘ１における先端部４ｂ側の端部位置よりも、間隔Ｌだけ先端部４ｂ側に位置している。
　この第１変形例によれば、第１および第２変位検出部２６，２７を、カンチレバー４の先端部４ｂ側の領域に比べて、より応力集中が大きい基端部４ａ側の領域に集中させるように設けることができ、検出感度を向上させることができる。
（第２変形例）
　上述した実施形態において、第１および第２変位検出部２６，２７は、第１方向Ｘ１に沿って第２方向Ｘ２の長さ（幅）が一定に形成されているとしたが、これに限定されず、所望の機械的強度を確保しつつ、適宜の位置で第２方向Ｘ２の長さ（幅）が細く（短く）されてもよい。
　この第２変形例に係る圧力センサ１では、図８に示すように、第１および第２ギャップ２１，２２に、第２方向Ｘ２に沿って第３ギャップ２３に向かい突出するようにして湾曲する第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａを設けている。
　第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａは、第１および第２ギャップ２１，２２のうち、第３ギャップ２３に対して第２方向Ｘ２で対向する部位に設けられ、第１方向Ｘ１におけるほぼ中央部が最も第３ギャップ２３側に突出するように形成されている。
　これにより第１および第２変位検出部２６，２７には、第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａによって、第２方向Ｘ２の幅が細くなる第１および第２幅狭検出部２６１，２７１が形成されている。
　すなわち、第１および第２変位検出部２６，２７には、第２方向Ｘ２に沿った長さが、第１および第２変位検出部２６，２７における他の部分よりも短い、第１および第２幅狭検出部２６１，２７１が形成されている。
　この第２変形例によれば、第１および第２幅狭検出部２６１，２７１を設けることによって第１および第２変位検出部２６，２７の電気抵抗値Ｒａ，Ｒｂを大きくすることができ、検出回路３０を通じて電流経路Ｐに所定電圧を印加する場合の電流つまり消費電力を低減することができる。
　さらに、第１および第２変位検出部２６，２７の第１方向Ｘ１における中央部に第１および第２幅狭検出部２６１，２７１を設けることによって、カンチレバー４の基端部４ａ側つまり固定端側の機械的強度を確保しつつ、消費電力を低減することができる。
（第３変形例）
　上述した実施形態において、第１および第２支持部２４，２５は、第１方向Ｘ１に沿って第２方向Ｘ２の長さ（幅）が一定に形成されているとしたが、これに限定されず、所望の機械的強度を確保しつつ、適宜の位置で第２方向Ｘ２の長さ（幅）が細く（短く）されてもよい。
　この第３変形例に係る圧力センサ１は、図９に示すように、上述した第２変形例に係る圧力センサ１と同様に、第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａ、並びに第１および第２幅狭検出部２６１，２７１を備えている。
　さらに、この第３変形例に係る圧力センサ１では、カンチレバー４の基端部４ａにおいて、ギャップ１３における第２方向Ｘ２の両端に位置する部位に、枠部１２によって第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃが設けられている。
　第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃは、第２方向Ｘ２に沿って、第１および第２ギャップ２１，２２の各々に向かい突出するようにして湾曲している。第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃは、例えば、第１方向Ｘ１で第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａの形成範囲と同一位置範囲に設けられている。第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃは、最も突出する部位の第１方向Ｘ１の位置が、第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａとほぼ同一になるように形成されている。
　これにより第１および第２支持部２４，２５には、第１方向Ｘ１で第１および第２幅狭検出部２６１，２７１の形成範囲と同一位置範囲に、第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃによって第２方向Ｘ２の幅が細くなる第１および第２幅狭支持部２４１，２５１が形成されている。
　すなわち、第１および第２支持部２４，２５には、第２方向Ｘ２に沿った長さが、第１および第２支持部２４，２５における他の部分よりも短い、第１および第２幅狭支持部２４１，２５１が形成されている。
　この第３変形例によれば、第１および第２幅狭支持部２４１，２５１を設けることによって第１および第２変位検出部２６，２７において応力が集中する部位を調整することができる。
　特に、第１および第２幅狭支持部２４１，２５１を第１方向Ｘ１で第１および第２幅狭検出部２６１，２７１の形成範囲と同一位置範囲に設けることによって、第１および第２幅狭検出部２６１，２７１に応力が集中し易くすることができる。これにより第１および第２変位検出部２６，２７のうちで他の部位に比べて抵抗値が大きくなっている第１および第２幅狭検出部２６１，２７１の抵抗値変化を大きくして、検出感度を向上させることができる。
（第４変形例）
　上述した第３変形例において、第１および第２支持部２４，２５には、第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃによって第１および第２幅狭支持部２４１，２５１が形成されているとしたが、これに限定されない。
　第４変形例に係る圧力センサ１では、図１０に示すように、上述した第３変形例の第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃの代わりに、第１および第２ギャップ２１，２２に第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂを設けている。
　第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂは、第１および第２ギャップ２１，２２のうち、第２方向Ｘ２の両端に位置し、且つギャップ１３に対して第２方向Ｘ２で対向する部位に設けられている。
　第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂは、第２方向Ｘ２に沿って、ギャップ１３における第２方向Ｘ２の両端に位置する部位の各々に向かい突出するようにして湾曲している。
　第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂは、例えば、第１方向Ｘ１で第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａの形成範囲と同一位置範囲に設けられている。第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂは、最も突出する部位の第１方向Ｘ１の位置が、第１および第２湾曲部２１ａ，２２ａとほぼ同一になるように形成されている。
　これにより第１および第２支持部２４，２５には、第１方向Ｘ１で第１および第２幅狭検出部２６１，２７１の形成範囲と同一位置範囲に、第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂによって第２方向Ｘ２の幅が細くなる第１および第２幅狭支持部２４１，２５１が形成されている。
　すなわち、第１および第２支持部２４，２５には、第２方向Ｘ２に沿った長さが第１および第２支持部２４，２５における他の部分よりも短い、第１および第２幅狭支持部２４１，２５１が形成されている。
　従って、第４変形例に係る圧力センサ１であっても、第３変形例と同様の作用効果を奏功することができる。
（第５変形例）
　上述した第２および第３変形例においては、図１１に示す第５変形例に係る圧力センサ１のように、第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃ、並びに第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂをさらに備えてもよい。
　これにより第１および第２支持部２４，２５には、第１および第２ギャップ湾曲部１３ｂ，１３ｃ、並びに第３および第４湾曲部２１ｂ，２２ｂによって第１および第２幅狭支持部２４１，２５１が形成されている。
（第６変形例）
　上述した実施形態において、第１および第２ギャップ２１，２２は第１方向Ｘ１に伸びる平面視Ｕ字状の形状を有するとしたが、これに限定されず、第１方向Ｘ１に伸びる他の形状を有していてもよい。
　第６変形例に係る圧力センサ１では、図１２に示すように、第１および第２ギャップ２１，２２は第１方向Ｘ１に伸びる平面視直線状の形状を有している。
（第７変形例）
　上述した実施形態において、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃには表面全域に亘ってドープ層７が形成されているとしたが、これに限定されない。
　第７変形例に係る圧力センサ１では、図１３および図１４に示すように、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃのうち、第１および第２変位検出部２６，２７と、第３ギャップ２３の外周（外側）を回り込むようにして第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域とのみに、連続してドープ層７が形成されている。
　この第７変形例によれば、シリコン活性層２ｃにドープ層７を部分的に設けるので、汚れなどによる外部パターンとのリークおよび短絡の発生を抑制して、検出精度を向上させることができる。
（第８変形例）
　上述した実施形態においては、カンチレバー４において第３ギャップ２３の外周（外側）を回り込むようにして、第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域の表面上にＡｕなどの導電性材料からなる配線部が設けられてもよい。
　この第８変形例によれば、配線部を設けることによって第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域の電気抵抗値Ｒｃを小さくすることができる。これに伴い、電流経路Ｐの電気抵抗値Ｒに対して、第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域に比べて、より応力集中が大きい第１および第２変位検出部２６，２７の電気抵抗値Ｒａ，Ｒｂを相対的に大きくすることができる。
　これにより第１および第２変位検出部２６，２７の電気抵抗値Ｒａ，Ｒｂの変化に対する検出感度を向上させることができ、圧力変動の検出を精度良く行うことができる。
（第９変形例）
　上述した実施形態においては、第１および第２変位検出部２６，２７は、第３ギャップ２３を介して第２方向Ｘ２に隣り合うように区分されているとしたが、これに限定されない。
　例えば、第１および第２変位検出部２６，２７は、第３ギャップ２３を設ける代わりに、当該第３ギャップ２３に相当する範囲において、ドープ層７を有していないシリコン活性層２ｃが設けられてもよい。つまり、第１および第２変位検出部２６，２７の間に、第３ギャップ２３の代わりに、ドープ層７が形成されずに露出するシリコン活性層２ｃが設けられてもよい。
　例えば、図１５に示す第９変形例に係る圧力センサ１では、図１３に示す第７変形例の第３ギャップ２３の代わりに、ドープ層７を有していないシリコン活性層２ｃが設けられる。つまり、第３ギャップ２３が省略されたシリコン活性層２ｃのうち、第１および第２変位検出部２６，２７と、第１および第２変位検出部２６，２７間を接続する領域とのみに、連続してドープ層７が形成される。
　上述した実施形態は、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は意図していない。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、発明の要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。
　本発明によれば、圧力変動の検出を精度良く行うことができるとともに、圧力変動を感度良く検出することができる。従って、産業上の利用可能性を有する。
　Ｘ１…第１方向
　Ｘ２…第２方向
　１…圧力センサ
　３…センサ本体
　４…カンチレバー
　４ａ…カンチレバーの基端部
　４ｂ…カンチレバーの先端部
　６…検出部
　７…ドープ層（ピエゾ抵抗）
　１０…キャビティ
　１１…連通開口
　１２…枠部
　１４ａ，１４ｂ…第１および第２電極
　２１、２２…第１、第２ギャップ（ギャップ）
　２３…第３ギャップ（検出部ギャップ、区分部）
　２４，２５…第１および第２支持部（分岐部）
　２６，２７…第１および第２変位検出部（分岐検出部、変位検出部）
　２６ａ，２７ａ…第１および第２電極端部
　２６１，２７１…第１および第２幅狭検出部（幅狭検出部）
　２４１，２５１…第１および第２幅狭支持部（幅狭部）

Claims (7)

  1. 　圧力変動を検出する圧力センサであって、
    　内部にキャビティが形成され、前記キャビティ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、
    　先端部が自由端かつ基端部が前記センサ本体に支持された片持ち状態で前記連通開口を塞ぐように配置され、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、
    を備え、
    　前記基端部には、前記連通開口の一部を構成するギャップが形成され、
    　前記基端部は、平面視で前記基端部と前記先端部とを結ぶ第１方向に直交する第２方向に、前記ギャップによって複数の分岐部に区分され、
    　前記複数の分岐部のうちで一部の分岐部は、前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を、該変位に対応した抵抗値変化に基づいて検出する変位検出部を備える、圧力センサ。
  2. 　前記変位検出部は、当該変位検出部よりも大きい抵抗値を有する区分部によって前記第２方向に電気的に区分される複数の分岐検出部を備え、
    　前記分岐検出部は、相互に前記区分部の外側を回り込むようにして電気的に接続される、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 　前記第１方向において、前記ギャップの前記先端部側の端部位置は、前記区分部の前記先端部側の端部位置よりも前記先端部側に位置する、請求項２に記載の圧力センサ。
  4. 　前記区分部は、前記連通開口の一部を構成する検出部ギャップである、請求項２または請求項３に記載の圧力センサ。
  5. 　前記変位検出部は、前記第２方向に沿った長さが、該変位検出部における他の部分よりも短い幅狭検出部を備える、請求項１から請求項４の何れか１つに記載の圧力センサ。
  6. 　前記複数の分岐部のうち前記変位検出部を備えていない分岐部は、前記第２方向に沿った長さが、該分岐部における他の部分よりも短い幅狭部を備え、
    　前記幅狭部は、前記第１方向で前記幅狭検出部の形成範囲と同一位置範囲に配置されている、請求項５に記載の圧力センサ。
  7. 　前記変位検出部にピエゾ抵抗を備える、請求項１から請求項６の何れか１つに記載の圧力センサ。
     
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