(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023156120
(43)【公開日】2023-10-24
(54)【発明の名称】ＭＥＭＳ圧力センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 9/00 20060101AFI20231017BHJP
H01L 29/84 20060101ALI20231017BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20231017BHJP
【ＦＩ】
G01L9/00 307
G01L9/00 305Z
H01L29/84 Z
B81B3/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022065797
(22)【出願日】2022-04-12
(71)【出願人】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100184343
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 茂雄
(74)【代理人】
【識別番号】100197561
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 三喜男
(72)【発明者】
【氏名】ヘラー，マーティン ウィルフリード
【テーマコード（参考）】
2F055
3C081
4M112
【Ｆターム（参考）】
2F055AA40
2F055BB20
2F055CC51
2F055DD05
2F055EE25
2F055FF11
2F055GG12
3C081AA01
3C081BA01
3C081BA07
3C081BA12
3C081BA22
3C081BA29
3C081BA32
3C081BA44
3C081BA48
3C081BA53
3C081BA74
3C081CA02
3C081CA13
3C081CA23
3C081DA03
3C081DA27
3C081DA30
3C081EA03
4M112AA01
4M112AA10
4M112BA08
4M112CA42
4M112CA46
4M112CA51
4M112CA56
4M112EA03
4M112EA06
4M112FA20
(57)【要約】
【課題】センサの信頼性を向上させることができるＭＥＭＳ圧力センサを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳ圧力センサ１は、空洞１１を有する基板１０と、基板１０に設けられて空洞１１内に振動可能に配置される振動体部３０と、基板１０に設けられて空洞１１内において振動体部３０の両側に接続される一対のバネ部４０と、基板１０に形成されて圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有して一対のバネ部４０に接続される一対の圧力管部５０とを有する。振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介して押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化する。
【選択図】図３
【解決手段】ＭＥＭＳ圧力センサ１は、空洞１１を有する基板１０と、基板１０に設けられて空洞１１内に振動可能に配置される振動体部３０と、基板１０に設けられて空洞１１内において振動体部３０の両側に接続される一対のバネ部４０と、基板１０に形成されて圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有して一対のバネ部４０に接続される一対の圧力管部５０とを有する。振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介して押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面に空洞の一部が露出する空洞を有する基板と、
前記基板に設けられて前記空洞内に所定方向に振動可能に配置される振動体部と、
前記基板に設けられて前記空洞内において前記振動体部の前記所定方向の両側に接続される一対のバネ部と、
前記基板に形成されて圧力に応じて前記所定方向に変形可能な曲線部を有して前記一対のバネ部に接続される一対の圧力管部とを有し、
前記振動体部は、圧力に応じた前記一対の圧力管部の変形に伴って前記一対の圧力管部によって前記一対のバネ部を介して前記所定方向の両側から押圧されて前記振動体部の共振周波数が変化する、
ＭＥＭＳ圧力センサ。
前記基板に設けられて前記空洞内に所定方向に振動可能に配置される振動体部と、
前記基板に設けられて前記空洞内において前記振動体部の前記所定方向の両側に接続される一対のバネ部と、
前記基板に形成されて圧力に応じて前記所定方向に変形可能な曲線部を有して前記一対のバネ部に接続される一対の圧力管部とを有し、
前記振動体部は、圧力に応じた前記一対の圧力管部の変形に伴って前記一対の圧力管部によって前記一対のバネ部を介して前記所定方向の両側から押圧されて前記振動体部の共振周波数が変化する、
ＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項2】
前記振動体部を前記所定方向に振動させる電圧を印加する駆動電極部と、
前記振動体部の共振周波数を検出する検出電極部とを有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
前記振動体部の共振周波数を検出する検出電極部とを有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項3】
前記一対の圧力管部はそれぞれ、平面視でＣ字状に形成された前記曲線部を有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項4】
前記一対の圧力管部は、前記所定方向に対称に形成された前記曲線部を有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項5】
前記曲線部は、前記所定方向に直交する方向に対称に配置される一対の曲線部を有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項6】
前記基板に、前記振動体部、前記一対のバネ部及び前記一対の圧力管部を支持する一対の支持部が設けられている、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項7】
前記振動体部は、前記所定方向の両側からそれぞれ前記振動体部の中央側に窪む一対の切欠き部を有し、
前記一対の支持部は、平面視で前記一対の切欠き部内にそれぞれ配置されている、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
前記一対の支持部は、平面視で前記一対の切欠き部内にそれぞれ配置されている、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項8】
前記一対の圧力管部はそれぞれ、前記空洞内に配置される空洞側管部と、前記基板の前記空洞を除く部分に配置される基板側管部とを有し、
前記空洞側管部は、前記曲線部と前記基板側管部とを連結する連結部を有し、
前記連結部の基板側管部側に、前記所定方向に伸縮可能であるバネ部が設けられている、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
前記空洞側管部は、前記曲線部と前記基板側管部とを連結する連結部を有し、
前記連結部の基板側管部側に、前記所定方向に伸縮可能であるバネ部が設けられている、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項9】
前記駆動電極部は、前記基板に固定される駆動固定電極部と、前記振動体部に設けられる駆動可動電極部とを備え、
前記検出電極部は、前記基板に固定される検出固定電極部と、前記振動体部に設けられる検出可動電極部とを備えている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
前記検出電極部は、前記基板に固定される検出固定電極部と、前記振動体部に設けられる検出可動電極部とを備えている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項10】
前記駆動固定電極部及び前記駆動可動電極部は、櫛歯状に形成され、
前記検出固定電極部及び前記検出可動電極部は、櫛歯状に形成されている、
請求項９に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
前記検出固定電極部及び前記検出可動電極部は、櫛歯状に形成されている、
請求項９に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項11】
前記駆動電極部は、前記検出電極部を兼ねている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
請求項２に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項12】
前記基板は、シリコン基板であり、
前記一対の圧力管部はそれぞれ、酸化シリコンを有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
前記一対の圧力管部はそれぞれ、酸化シリコンを有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項13】
前記基板に前記空洞を覆うように接合されるカバー部材を有している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＭＥＭＳ圧力センサに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、半導体微細加工技術を用いて製造されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）圧力センサが開示されている。前記圧力センサは、半導体基板に、圧力に基づいて変形する曲線部を有する圧力導管と、圧力導管の変形とともに変形可能な容量構造を有するトランスデューサとを形成し、トランスデューサの容量構造の変形を検出することにより圧力を検出するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０１７－５３７３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記特許文献１に記載されるように、圧力に基づいて変形する曲線部を有する圧力導管と圧力導管の変形とともに変形可能な容量構造を有するトランスデューサとを基板に形成してトランスデューサの容量構造の変形を検出するＭＥＭＳ圧力センサでは、基板に加速度が作用する場合、加速度によってもトランスデューサの容量構造が変形することから、加速度が圧力検出に悪影響を及ぼし、センサの信頼性が低下するおそれがある。
【0005】
本開示は、センサの信頼性を向上させることができるＭＥＭＳ圧力センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示は、表面に空洞の一部が露出する空洞を有する基板と、前記基板に設けられて前記空洞内に所定方向に振動可能に配置される振動体部と、前記基板に設けられて前記空洞内において前記振動体部の前記所定方向の両側に接続される一対のバネ部と、前記基板に形成されて圧力に応じて前記所定方向に変形可能な曲線部を有して前記一対のバネ部に接続される一対の圧力管部とを有し、前記振動体部は、圧力に応じた前記一対の圧力管部の変形に伴って前記一対の圧力管部によって前記一対のバネ部を介して前記所定方向の両側から押圧されて前記振動体部の共振周波数が変化する、ＭＥＭＳ圧力センサを提供する。
【0007】
本開示によれば、ＭＥＭＳ圧力センサは、基板の空洞内に振動可能に配置される振動体部と、振動体部の両側に接続される一対のバネ部と、圧力に応じて変形可能な曲線部を有して一対のバネ部に接続される一対の圧力管部とを有する。振動体部は、圧力に応じた一対の圧力管部の変形に伴って一対の圧力導管によって一対のバネ部を介して押圧されて振動体部の共振周波数が変化される。これにより、圧力に応じて変化する振動体部の共振周波数を検出することで圧力を検出することができるので、基板に加速度が作用する場合においても、加速度が圧力検出に影響することを抑制することができ、センサの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【0010】
図１は、本開示の第１実施形態に係るＭＥＭＳ圧力センサの斜視図である。図２は、ＭＥＭＳ圧力センサの平面図である。図１及び図２に示すように、本開示の第１実施形態に係るＭＥＭＳ圧力センサ１は、センサ素子２として共振型圧力センサ素子２を有する共振型圧力センサである。ＭＥＭＳ圧力センサ１は、センサ素子２を有する第１基板１０と、第１基板１０に接合される第２基板２０とを備えている。ＭＥＭＳ圧力センサ１は、半導体微細加工技術を用いて第１基板１０及び第２基板２０を加工して製造される。
【0011】
以下では、第１基板１０及び第２基板２０の表面に沿う所定方向をＸ方向とするとともにＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向と直交する第１基板１０及び第２基板２０の厚さ方向をＺ方向とする。図１及び図２では、第１基板１０に形成される配線を省略して示している。
【0012】
第１基板１０は、所定方向としてＸ方向に振動可能に配置される振動体部３０と、振動体部３０のＸ方向の両側に接続される一対のバネ部４０とを有している。第１基板１０には、一対のバネ部４０に振動体部３０とはＸ方向反対側に接続される一対の圧力管部（ブルドン管部）５０が形成されている。振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介してＸ方向両側から対称に押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化するようになっている。
【0013】
第１基板１０は、表面である第１主面１０ａと、第１主面１０ａの反対側の裏面である第２主面１０ｂとを有している。第１基板１０は、平面視で略矩形状に形成されている。第１基板１０として、シリコン基板が用いられ、不純物をドーピングして導電性を付与した単結晶シリコン基板が用いられる。
【0014】
第１基板１０は、第１主面１０ａに一部が露出する空洞１１を有している。空洞１１は、第１主面１０ａから第１基板１０の厚さ方向に略直方状に窪んで形成され、底壁部１１ａと底壁部１１ａから第１基板１０の厚さ方向に延在する側壁部１１ｂとを有している。
【0015】
振動体部３０、一対のバネ部４０及び一対の圧力管部５０は、第１基板１０の一部によって所定厚さを有するように形成され、空洞１１内に浮いた状態で第１基板１０に支持されている。第１基板１０は、振動体部３０、一対のバネ部４０及び一対の圧力管部５０を支持する一対の支持部６０を有している。
【0016】
第２基板２０は、図１に示すように、表面である第１主面２０ａと、第１主面２０ａの反対側の裏面である第２主面２０ｂとを有している。第２基板２０は、平面視で略矩形状に形成されている。第２基板２０として、シリコン基板が用いられる。
【0017】
第２基板２０は、第１主面２０ａから第２基板２０の厚さ方向に略直方状に窪む空洞２１を有している。空洞２１は、底壁部２１ａと底壁部２１ａから第２基板２０の厚さ方向に延在する側壁部２１ｂとを有している。第２基板２０は、空洞１１を覆うように第１基板１０に接合されている。空洞１１及び空洞２１は、圧力を計測する外部環境の圧力より圧力が低くなるように、例えば真空状態に密閉される。第２基板２０は、空洞１１を覆うように第１基板１０に接合されるカバー部材として機能する。
【0018】
圧力管部５０は、図２に示すように、第１基板１０の空洞１１内に配置される空洞側管部５５と、第１基板１０の空洞１１を除く部分に配置される基板側管部５６とを有している。空洞側管部５５は、一端側に曲線部５７を有し、他端側に基板側管部５６に接続される連結部５８を有している。基板側管部５６は、一端側が空洞側管部５５に接続され、他端側が第１基板１０の外部に開放されて圧力を計測する外部環境に連通されている。
【0019】
第１基板１０は、振動体部３０をＸ方向に振動させる電圧を印加する駆動電極部７０と、振動体部３０の共振周波数を検出する検出電極部８０とを有している。第１基板１０には、駆動電極部７０及び検出電極部８０が設けられるとともに外部の電子部品と接続される複数、具体的には５つのパッド部３と、駆動電極部７０及び検出電極部８０とパッド部３とをそれぞれ接続する配線とが形成されている。
【0020】
ＭＥＭＳ圧力センサ１について、図３から図６を参照してさらに説明する。
図３は、第１基板の平面図である。図４は、図２のIV－IV線に沿うＭＥＭＳ圧力センサの断面図である。図５は、図３のV－V線に沿う第１基板の断面図である。図６は、図３に示す第１基板の一部の要部拡大図である。図６では、図３のＡ部を拡大して示している。
図３は、第１基板の平面図である。図４は、図２のIV－IV線に沿うＭＥＭＳ圧力センサの断面図である。図５は、図３のV－V線に沿う第１基板の断面図である。図６は、図３に示す第１基板の一部の要部拡大図である。図６では、図３のＡ部を拡大して示している。
【0021】
図３に示すように、第１基板１０に、前述したように、振動体部３０と一対のバネ部４０とが設けられるとともに一対の圧力管部５０が形成されている。振動体部３０、一対のバネ部４０及び一対の圧力管部５０は、一対の支持部６０に支持されている。
【0022】
振動体部３０は、平面視でＸ方向に直線状に延在する複数の第１直線部分３１と、平面視でＹ方向に直線状に延在する複数の第２直線部分３２とを有し、平面視で略矩形状に形成されている。複数の第１直線部分３１及び複数の第２直線部分３２とは、格子状に設けられている。
【0023】
一対のバネ部４０は、振動体部３０のＸ方向の両側に接続されている。一対のバネ部４０は、Ｘ方向一方側に配置される第１バネ部４０ａとＸ方向他方側に配置される第２バネ部４０ｂとを備えている。バネ部４０は、振動体部３０に接続されてＸ方向に直線状に延びる第１接続部分４１と、第１接続部分４１に接続されてＹ方向を長手方向とする略方形状に形成されたバネ部分４２と、バネ部分４２に接続されるとともに支持部６０に接続されてＸ方向に直線状に延びる第２接続部分４３とを有している。バネ部４０は、バネ部分４２がＸ方向に伸縮可能に構成されている。
【0024】
一対の支持部６０は、一対のバネ部４０のＸ方向の両側にそれぞれ接続されている。一対の支持部６０は、Ｘ方向一方側に配置される第１支持部６０ａとＸ方向他方側に配置される第２支持部６０ｂとを備えている。支持部６０は、平面視で略四角形状に形成され、空洞１１の底壁部１１ａから第１基板１０の厚さ方向に第１基板１０の第１主面１０ａまで略四角柱状に延在するように形成されている。
【0025】
第１基板１０に、前述したように、駆動電極部７０と検出電極部８０とが設けられている。駆動電極部７０は、Ｘ方向一方側に配置される第１駆動電極部７０ａとＸ方向他方側に配置される第２駆動電極部７０ｂとを備えている。第１駆動電極部７０ａは、振動体部３０のＹ方向一方側及びＹ方向他方側にそれぞれＹ方向に対称に設けられている。第２駆動電極部７０ｂについても、振動体部３０のＹ方向一方側及びＹ方向他方側にそれぞれＹ方向に対称に設けられている。駆動電極部７０は、図６に示すように、第１基板１０に固定される駆動固定電極部７１と、振動体部３０に設けられる駆動可動電極部７５とを備えている。
【0026】
駆動固定電極部７１は、第１基板１０の空洞１１の側壁部１１ｂからＹ方向に直線状に延在する第１直線部分７２と、第１直線部分７２からそれぞれＸ方向に直線状に延在するとともにＹ方向に等間隔に離間して配置される複数の第２直線部分７３とを有し、櫛歯状に形成されている。
【0027】
駆動可動電極部７５は、振動体部３０からＹ方向に直線状に延在する第１直線部分７６と、第１直線部分７６からそれぞれＸ方向に直線状に延在するとともにＹ方向に等間隔に離間して配置される複数の第２直線部分７７とを有し、櫛歯状に形成されている。駆動可動電極部７５の第２直線部分７７は、駆動固定電極部７１の第２直線部分７３と互いに接触しない状態でＸ方向位置が重なるように配置され、駆動可動電極部７５は、駆動固定電極部７１と互いに噛み合うように配置されている。
【0028】
第１駆動電極部７０ａと第２駆動電極部７０ｂとはそれぞれ、駆動固定電極部７１と駆動可動電極部７５とを備え、駆動固定電極部７１が第１直線部分７２及び複数の第２直線部分７３を有し、駆動可動電極部７５が第１直線部分７６及び複数の第２直線部分７７を有している。
【0029】
検出電極部８０は、駆動電極部７０と略同様に形成され、Ｘ方向一方側に配置される第１検出電極部８０ａとＸ方向他方側に配置される第２検出電極部８０ｂとを備えている。第１検出電極部８０ａは、振動体部３０のＹ方向一方側及びＹ方向他方側にそれぞれＹ方向に対称に設けられている。第２検出電極部８０ｂについても、振動体部３０のＹ方向一方側及びＹ方向他方側にそれぞれＹ方向に対称に設けられている。検出電極部８０は、第１基板１０に固定される検出固定電極部８１と、振動体部３０に設けられる検出可動電極部８５とを備えている。
【0030】
検出固定電極部８１は、第１基板１０の空洞１１の側壁部１１ｂからＹ方向に直線状に延在する第１直線部分８２と、第１直線部分８２からそれぞれＸ方向に直線状に延在するとともにＹ方向に等間隔に離間して配置される複数の第２直線部分８３とを有し、櫛歯状に形成されている。
【0031】
検出可動電極部８５は、振動体部３０からＹ方向に直線状に延在する第１直線部分８６と、第１直線部分８６からそれぞれＸ方向に直線状に延在するとともにＹ方向に等間隔に離間して配置される複数の第２直線部分８７とを有し、櫛歯状に形成されている。検出可動電極部８５の第２直線部分８７は、検出固定電極部８１の第２直線部分８３と互いに接触しない状態でＸ方向位置が重なるように配置され、検出可動電極部８５は、検出固定電極部８１と互いに噛み合うように配置されている。
【0032】
第１検出電極部８０ａと第２検出電極部８０ｂとはそれぞれ、検出固定電極部８１と検出可動電極部８５とを備え、検出固定電極部８１が第１直線部分８２及び複数の第２直線部分８３を有し、検出可動電極部８５が第１直線部分８６及び複数の第２直線部分８７を有している。
【0033】
第１基板１０には、第１主面１０ａ上に絶縁膜として酸化シリコン膜１５が形成され、駆動電極部７０及び検出電極部８０を構成する第１基板１０の第１主面１０ａ上にも酸化シリコン膜１５が形成されている。図６に示すように、駆動固定電極部７１には、駆動固定電極部７１とパッド部３とを電気的に接続する配線７１ａがコンタクト７１ｂを介して接続されている。駆動固定電極部７１は、酸化シリコンによって形成される分離部１４によって第１基板１０と電気的に分離されている。
【0034】
検出固定電極部８１には、検出固定電極部８１とパッド部３とを電気的に接続する配線８１ａがコンタクト８１ｂを介して接続されている。検出固定電極部８１は、酸化シリコンによって形成される分離部１４によって第１基板１０と電気的に分離されている。
【0035】
駆動可動電極部７５及び検出可動電極部８５は、振動体部３０に設けられ、振動体部３０には、図３に示すように、バネ部４０及び支持部６０を通じて駆動可動電極部７５及び検出可動電極部８５とパッド部３とを電気的に接続する配線１６ａがコンタクト１６ｂを介して接続されている。
【0036】
配線７１ａ，８１ａ，１６ａは、酸化シリコン膜１５上に形成されたアルミニウムなどの金属配線として形成され、コンタクト７１ｂ，８１ｂ，１６ｂは、酸化シリコン膜１５に形成されたコンタクト孔にタングステンなどの金属が埋め込まれた金属コンタクトとして形成されている。
【0037】
駆動電極部７０は、第１駆動電極部７０ａと第２駆動電極部７０ｂとに交流電圧を周波数変化させて印加し、静電気力によって振動体部３０をＸ方向に振動させるように構成されている。検出電極部８０は、第１駆動電極部７０ａと第２駆動電極部７０ｂとの静電容量の変化を検出することで、振動体部３０を所定周波数でＸ方向に振動させたときに振動体部３０の固有振動数と共振する振動体部３０の共振周波数を検出するように構成されている。
【0038】
一対の圧力管部５０は、一対のバネ部４０のＸ方向の両側にそれぞれ接続されている。一対の圧力管部５０は、Ｘ方向一方側に配置される第１圧力管部５０ａとＸ方向他方側に配置される第２圧力管部５０ｂとを備えている。圧力管部５０は、空洞側管部５５と基板側管部５６とを有している。基板側管部５６は、一端側が空洞側管部５５に接続され、他端側が第１基板１０の外部に開放されている。
【0039】
空洞側管部５５は、曲線部５７と連結部５８とを有している。曲線部５７は、平面視でＣ字状に形成されている。曲線部５７は、一端側がバネ部４０のＸ方向における反振動体部側に接続され、他端側が連結部５８に接続されている。空洞側管部５５は、Ｙ方向に対称に配置される一対の曲線部５７を有している。連結部５８は、平面視でＴ字状に形成され、一端側が曲線部５７に接続され、他端側が基板側管部５６に接続されている。
【0040】
圧力管部５０は、図４及び図５に示すように、閉断面状に断面略三角形状に形成されている。空洞側管部５５及び基板側管部５６は略同一断面を有している。曲線部５７は、先端側が密閉されており圧力管部５０内の圧力が高くなると曲線部５７が直線状に変形しようとＸ方向に変形し、圧力に応じて略比例してＸ方向に変形可能に形成されている。
【0041】
図５に示すように、曲線部５７は、空洞１１内に浮いた状態で変形可能に支持され、連結部５８は、一部が支持部６０に固定して支持されている。圧力管部５０は、酸化シリコンを有し、絶縁膜である酸化シリコン膜１５によって形成されている。
【0042】
第１圧力管部５０ａと第２圧力管部５０ｂとはそれぞれ、Ｘ方向に対称に形成され、第１圧力管部５０ａの曲線部５７ａと第２圧力管部５０ｂの曲線部５７ｂとは、Ｘ方向に対称に形成されている。曲線部５７ａと曲線部５７ｂとはそれぞれ、Ｙ方向に対称に配置される一対の曲線部５７を有し、一対の曲線部５７についてもＸ方向に対称に形成されている。
【0043】
これにより、振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０、具体的には曲線部５７の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介してＸ方向の両側から対称に押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化するようになっている。振動体部３０の共振周波数は、駆動電極部７０と検出電極部８０とを用いて検出できるようになっている。
【0044】
ＭＥＭＳ圧力センサ１では、圧力と振動体部３０の共振周波数との関係を示す特性データを予め取得することで、振動体部３０の共振周波数を検出することで、圧力と振動体部３０の共振周波数との関係を示す特性データを用いて圧力を検出することができる。
【0045】
次に、ＭＥＭＳ圧力センサ１の製造方法について説明する。
図７から図９は、第１基板の製造方法を説明する図である。図７から図９は、図２のIV－IV線に沿う第１基板１０の断面を示している。ＭＥＭＳ圧力センサ１の製造では、シリコン基板である第１基板１０及び第２基板２０が準備される。
図７から図９は、第１基板の製造方法を説明する図である。図７から図９は、図２のIV－IV線に沿う第１基板１０の断面を示している。ＭＥＭＳ圧力センサ１の製造では、シリコン基板である第１基板１０及び第２基板２０が準備される。
【0046】
第１基板１０には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどによって第１基板１０における圧力管部５０及び分離部１４に対応する部分が除去されてトレンチ１７が形成される。圧力管部５０に対応する部分に形成されるトレンチ１７は、酸化シリコン膜によって圧力管部５０が形成されるように断面略三角形状に形成される。
【0047】
次に、熱酸化法によってトレンチ１７及び第１基板１０の第１主面１０ａ全体が熱酸化され、図８に示すように、第１基板１０に酸化シリコン膜１５によって圧力管部５０及び分離部１４が形成されるとともに第１基板１０の第１主面１０ａ上に酸化シリコン膜１５が形成される。
【0048】
そして、酸化シリコン膜１５がパターニングされ、酸化シリコン膜１５におけるコンタクト７１ｂ，８１ｂ，１６ｂに対応する部分が開口され、タングステンなどの金属が埋め込まれてコンタクト７１ｂ，８１ｂ，１６ｂが形成される。コンタクト７１ｂ、８１ｂ、１６ｂの形成後には配線７１ａ，８１ａ，１６ａ及びパッド部３が形成される。
【0049】
次に、ＣＶＤ法によって、第１基板１０上に酸化シリコン膜が形成され、フォトリソグラフィ及び異方性エッチングによって第１基板１０がパターニングされ、図３に示すように、振動体部３０、バネ部４０、圧力管部５０の空洞側管部５５、支持部６０、駆動電極部７０及び検出電極部８０を残すようにトレンチが形成される。
【0050】
その後に、等方性エッチングによって前記トレンチが深く形成されるとともに、第１基板１０の第１主面１０ａに平行な方向にエッチングされ、図９に示すように、第１主面１０ａに一部が露出する空洞１１が形成されるとともに空洞１１内に振動体部３０、バネ部４０、圧力管部５０の空洞側管部５５、駆動電極部７０及び検出電極部８０が浮いた状態で配置される。
【0051】
このようにして、第１基板１０に、振動体部３０、バネ部４０、圧力管部５０、支持部６０、駆動電極部７０及び検出電極部８０が形成される。第２基板２０は、第１主面２０ａにフォトリソグラフィ及びエッチングなどによって空洞２１が形成される。空洞２１の形成後に、第２基板２０は、空洞１１を覆うように第１基板１０に接合され、ＭＥＭＳ圧力センサ１が製造される。
【0052】
このようにして構成されるＭＥＭＳ圧力センサ１は、第１基板１０の空洞１１内に振動可能に配置される振動体部３０と、振動体部３０の両側に接続される一対のバネ部４０と、圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有して一対のバネ部４０に接続される一対の圧力管部５０とを有し、振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介して押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化される。
【0053】
これにより、圧力に応じて変化する振動体部３０の共振周波数を検出することで圧力を検出することができるので、基板１０に加速度が作用する場合においても、加速度が圧力検出に影響することを抑制することができ、センサの信頼性を向上させることができる。
【0054】
ＭＥＭＳ圧力センサ１は、振動体部３０を所定方向に振動させる電圧を印加する駆動電極部７０と、振動体部３０の共振周波数を検出する検出電極部８０とを有している。これにより、駆動電極部７０によって振動体部３０を振動させ、検出電極部８０によって振動体部３０の共振周波数を検出することで、圧力に応じて変化する振動体部３０の共振周波数を検出することができる。
【0055】
図１０は、本開示の第２実施形態に係るＭＥＭＳ圧力センサの第１基板の平面図である。第２実施形態に係るＭＥＭＳ圧力センサ１０１は、第１実施形態に係るＭＥＭＳ圧力センサ１と、主として支持部及び圧力管部の連結部の構成が異なるものであり、同様の構成については説明を省略する。
【0056】
図１０に示すように、ＭＥＭＳ圧力センサ１０１についても、第１基板１０の空洞１１内に振動可能に配置される振動体部３０と、振動体部３０の両側に接続される一対のバネ部４０と、圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有して一対のバネ部４０に接続される一対の圧力管部５０とを有し、振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介して押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化する。
【0057】
ＭＥＭＳ圧力センサ１０１では、振動体部３０は、Ｘ方向の両側からそれぞれ振動体部３０の中央側に平面視で略矩形状に窪む一対の切欠き部３３を有している。一対の切欠き部３３は、Ｘ方向一方側に配置される第１切欠き部３３ａとＸ方向他方側に配置される第２切欠き部３３ｂとを備えている。
【0058】
一対の支持部６０は、平面視で一対の切欠き部３３内にそれぞれ配置されている。一対の支持部６０は、Ｘ方向一方側に配置される第１支持部１６０ａとＸ方向他方側に配置される第２支持部１６０ｂとを備えている。支持部６０は、平面視で切欠き部３３内において略四角形状に形成され、空洞１１の底壁部１１ａから第１基板１０の厚さ方向に第１基板１０の第１主面１０ａまで略四角柱状に延在するように形成されている。
【0059】
一対のバネ部４０は、振動体部３０のＸ方向の両側に接続されている。一対のバネ部４０は、Ｘ方向一方側に配置される第１バネ部１４０ａとＸ方向他方側に配置される第２バネ部１４０ｂとを備えている。バネ部４０はそれぞれ、振動体部３０に接続されてＸ方向に直線状に延びる第１接続部分１４１と、第１接続部分１４１に接続されてＹ方向を長手方向とする略長方形状に形成されたバネ部分１４２と、バネ部分１４２に接続されるとともに支持部６０に接続されてＸ方向に直線状に延びる第２接続部分１４３とを有している。バネ部４０は、バネ部分１４２がＸ方向に伸縮可能に構成されている。
【0060】
本実施形態では、一対のバネ部４０にはそれぞれ、バネ部４０のＸ方向における反振動体部側に、圧力管部５０を固定して保持する保持部１４４がＸ方向に直線状に延びる接続部分１４５を介して接続されている。保持部１４４は、Ｙ方向に直線状に延在する２つの第１直線部分１４４ａとＸ方向に直線状に延在する複数の第２直線部分１４４ｂとを有して平面視で略矩形状に形成されている。保持部１４４は、バネ部４０及び接続部分１４５とともに空洞１１内に浮いた状態で支持部６０に支持されている。
【0061】
一対の圧力管部５０は、第１圧力管部５０ａと第２圧力管部５０ｂとを備え、圧力管部５０は、空洞側管部５５と基板側管部５６とを有している。基板側管部５６は、一端側が空洞側管部５５に接続され、他端側が第１基板１０の外部に開放されている。
【0062】
圧力管部５０の曲線部５７は、空洞１１内に浮いた状態で変形可能に支持され、圧力管部５０の連結部５８は、一部が保持部１４４に固定して支持されている。本実施形態では、連結部５８の基板側管部側に、Ｘ方向に伸縮可能であるバネ部５９が設けられている。圧力管部５０は、酸化シリコンを有し、絶縁膜である酸化シリコン膜１５によって形成されている。
【0063】
ＭＥＭＳ圧力センサ１０１においても、第１基板１０の空洞１１内に振動可能に配置される振動体部３０と、振動体部３０の両側に接続される一対のバネ部４０と、圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有して一対のバネ部４０に接続される一対の圧力管部５０とを有し、振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介して押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化される。
【0064】
これにより、圧力に応じて変化する振動体部３０の共振周波数を検出することで圧力を検出することができるので、第１基板１０に加速度が作用する場合においても、加速度が圧力検出に影響することを抑制することができ、センサの信頼性を向上させることができる。
【0065】
ＭＥＭＳ圧力センサ１０１では、一対の支持部６０は、平面視で一対の切欠き部３３内にそれぞれ配置されている。これにより、一対の支持部６０を振動体部３０の中央側に近接して配置することができるので、基板１０の変形による振動体部３０への影響を抑制して圧力の検出精度を向上させることができる。
【0066】
また、空洞側管部５５は、曲線部５７と基板側管部５６とを連結する連結部５８を有し、連結部５８の基板側管部側に、所定方向に伸縮可能であるバネ部５９が設けられている。これにより、圧力管部５０の曲線部５７は、バネ部５９を介して基板側管部５６に接続されるので、バネ部５９によって基板１０の変形による曲線部５７への影響を抑制して圧力の検出精度を向上させることができる。
【0067】
本実施形態では、圧力管部５０の曲線部５７は、平面視でＣ字状に形成されているが、平面視で半円形状などの湾曲形状に形成するようにしてもよい。曲線部５７は、Ｘ方向に直交する方向に対称に配置される一対の曲線部を有しているが、１つの曲線部５７のみを有するようにしてもよい。
【0068】
圧力管部５０は、閉断面状に断面略三角形状に形成されているが、断面略矩形状又は断面略楕円形状などの他の断面形状に形成するようにしてもよい。圧力管部５０は、酸化シリコン膜からなる酸化膜によって形成されているが、窒化シリコン膜からなる窒化膜によって形成するようにしてもよい。また、カバー部材として、シリコン基板からなる第２基板２０を用いているが、他のカバー部材を用いるようにしてもよい。
【0069】
本実施形態では、駆動電極部７０と検出電極部８０とがそれぞれ形成されているが、駆動電極部７０とは別に検出電極部８０を設けることなく、駆動電極部７０は、検出電極部を兼ねるようにしてもよい。駆動電極部７０によって、振動体部３０をＸ方向に振動させる電圧を印加し、その後に振動体部３０の共振周波数を検出するようにしてもよい。
【0070】
このように、本実施形態に係るＭＥＭＳ圧力センサ１，１０１は、基板１０の空洞１１内に振動可能に配置される振動体部３０と、振動体部３０の両側に接続される一対のバネ部４０と、圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有して一対のバネ部４０に接続される一対の圧力管部５０とを有する。振動体部３０は、圧力に応じた一対の圧力管部５０の変形に伴って一対の圧力管部５０によって一対のバネ部４０を介して押圧されて振動体部３０の共振周波数が変化される。
【0071】
これにより、圧力に応じて変化する振動体部３０の共振周波数を検出することで圧力を検出することができるので、基板１０に加速度が作用する場合においても、加速度が圧力検出に影響することを抑制することができ、センサの信頼性を向上させることができる。
【0072】
また、ＭＥＭＳ圧力センサ１，１０１は、振動体部３０を所定方向に振動させる電圧を印加する駆動電極部７０と、振動体部３０の共振周波数を検出する検出電極部８０とを有している。これにより、駆動電極部７０によって振動体部３０を振動させ、検出電極部８０によって振動体部３０の共振周波数を検出することで、圧力に応じて変化する振動体部３０の共振周波数を検出することができる。
【0073】
また、一対の圧力管部５０はそれぞれ、平面視でＣ字状に形成された曲線部５７を有している。これにより、圧力に応じて変形可能な曲線部５７を有する圧力管部５０をブルドン管部として形成することができ、ブルドン管部を圧力に応じて所定方向に変形させて圧力に応じて振動体部３０の共振周波数を変化させることができる。
【0074】
また、一対の圧力管部５０は、所定方向に対称に形成された曲線部５７を有している。これにより、一対の圧力管部５０の曲線部５７が所定方向に対称に形成されない場合に比して、振動体部３０の共振周波数を精度良く検出することができる。
【0075】
また、曲線部５７は、所定方向に直交する方向に対称に配置される一対の曲線部５７を有している。これにより、圧力管部５０の一対の曲線部５７によって振動体部３０を所定方向に安定して押圧することができ、センサの信頼性を向上させることができる。
【0076】
また、基板１０に、振動体部３０、一対のバネ部４０及び一対の圧力管部５０を支持する一対の支持部６０が設けられている。これにより、振動体部３０、バネ部４０、圧力管部５０がそれぞれ異なる支持部によって支持される場合に比して、基板１０の変形による影響を抑制して圧力の検出精度を向上させることができる。
【0077】
また、振動体部３０は、所定方向の両側からそれぞれ振動体部３０の中央側に窪む一対の切欠き部３３を有し、一対の支持部６０は、平面視で一対の切欠き部３３内にそれぞれ配置されている。これにより、一対の支持部６０を振動体部３０の中央側に近接して配置することができるので、一対の支持部６０が振動体部３０の両側に離間して配置される場合に比して、基板１０の変形による振動体部３０への影響を抑制して圧力の検出精度を向上させることができる。
【0078】
また、一対の圧力管部５０はそれぞれ、空洞１１内に配置される空洞側管部５５と、基板１０の空洞１１を除く部分に配置される基板側管部５６とを有し、空洞側管部５５は、曲線部５７と基板側管部５６とを連結する連結部５８を有し、連結部５８の基板側管部側に、所定方向に伸縮可能であるバネ部５９が設けられている。これにより、圧力管部５０の曲線部５７は、連結部５８に設けられた伸縮可能であるバネ部５９を介して基板側管部５６に接続されるので、バネ部５９によって基板１０の変形による曲線部５７への影響を抑制して圧力の検出精度を向上させることができる。
【0079】
また、駆動電極部７０は、基板１０に固定される駆動固定電極部７１と、振動体部３０に設けられる駆動可動電極部７５とを備え、検出電極部８０は、基板１０に固定される検出固定電極部８１と、振動体部３０に設けられる検出可動電極部８５とを備えている。これにより、駆動固定電極部７１と駆動可動電極部７５とを備えた駆動電極部７０と、検出固定電極部８１と検出可動電極部８５とを備えた検出電極部８０とを用いて、振動体部３０を駆動させて振動体部３０の共振周波数を検出することができる。
【0080】
また、駆動固定電極部７１及び駆動可動電極部７５は、櫛歯状に形成され、検出固定電極部８１及び検出可動電極部８５は、櫛歯状に形成されている。これにより、互いに噛み合うように配置された櫛歯状の駆動固定電極部７１及び駆動可動電極部７５と、互いに噛み合うように配置された櫛歯状の検出固定電極部８１及び検出可動電極部８５とを用いて、振動体部３０を振動させて振動体部３０の共振周波数を検出することができる。
【0081】
また、駆動電極部７０は、検出電極部を兼ねている。これにより、駆動電極部と検出電極部とを兼用した電極部を用いることで、電極部を少なくすることができる。駆動電極部７０を、所定時間、振動体部３０を駆動させる駆動電極部として用い、所定時間、振動体部３０の共振周波数を検出する検出電極部として用いることで、振動体部３０を駆動させて共振周波数を検出することができる。
【0082】
また、基板１０は、シリコン基板であり、一対の圧力管部５０はそれぞれ、酸化シリコンを有している。これにより、シリコン基板１０に圧力管部５０に対応する部分にトレンチ１７を形成して熱酸化膜などの酸化シリコン膜を形成することで、比較的容易に一対の圧力管部５０を形成することができる。
【0083】
また、基板１０に空洞１１を覆うように接合されるカバー部材２０を有している。これにより、基板１０とカバー部材２０とを接合して空洞１１を密閉することができるので、空洞１１内の圧力を一定として圧力管部５０内の圧力に応じて曲線部５７を変形させて振動体部３０の共振周波数を変化させることができ、圧力の検出精度を向上させることができる。
【0084】
本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。
【符号の説明】
【0085】
１，１０１ ＭＥＭＳ圧力センサ
１０ 第１基板
１１ 第１基板の空洞
２０ 第２基板
３０ 振動体部
３３ 切欠き部
４０ バネ部
５０ 圧力管部
５５ 空洞側管部
５６ 基板側管部
５７ 曲線部
５８ 連結部
６０ 支持部
７０ 駆動電極部
７１ 駆動固定電極部
７５ 駆動可動電極部
８０ 検出電極部
８１ 検出固定電極部
８５ 検出可動電極部
１０ 第１基板
１１ 第１基板の空洞
２０ 第２基板
３０ 振動体部
３３ 切欠き部
４０ バネ部
５０ 圧力管部
５５ 空洞側管部
５６ 基板側管部
５７ 曲線部
５８ 連結部
６０ 支持部
７０ 駆動電極部
７１ 駆動固定電極部
７５ 駆動可動電極部
８０ 検出電極部
８１ 検出固定電極部
８５ 検出可動電極部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】