特許 7400947 センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-11

(45)【発行日】2023-12-19

(54)【発明の名称】センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/12 20060101AFI20231212BHJP

【ＦＩ】

G01L9/12

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022510449

(86)(22)【出願日】2021-03-19

(86)【国際出願番号】 JP2021011508

(87)【国際公開番号】W WO2021193469

(87)【国際公開日】2021-09-30

【審査請求日】2022-08-10

(31)【優先権主張番号】P 2020057334

(32)【優先日】2020-03-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100183265

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 剣一

(72)【発明者】

【氏名】辻 大喜

【審査官】岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２４１９４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５１１７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０７６１５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１４０７２５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２

Ｇ０１Ｌ２７／００－２７／０２

Ｈ０１Ｌ２９／８４

Ｂ８１Ｂ １／００－ ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

素子基板と、
外側表面と、前記外側表面に対して反対側の面である内側表面とを備え、ダイアフラム部を含むメンブレンと、
前記素子基板に設けられ、前記メンブレンの前記内側表面における、前記ダイアフラム部外側の部分を支持する側壁部材と、
前記側壁部材に囲まれた状態で前記素子基板上に設けられ、前記メンブレンの内側表面に対して間隔をあけて対向し、前記ダイアフラム部との間に静電容量を形成する固定電極と、を含む検出素子を有し、
前記メンブレンの外側表面における、前記メンブレンの厚さ方向視で、前記ダイアフラム部の中心と側壁部材との間に、第１の凹部が設けられ、
前記素子基板の表面における前記側壁部材と接触している部分に、第１の溝が設けられている、センサ。

【請求項2】

前記第１の凹部が、前記厚さ方向視で前記側壁部材に沿って、前記ダイアフラム部に設けられている、請求項１に記載のセンサ。

【請求項3】

前記第１の凹部が、前記厚さ方向視で前記側壁部材に沿って連続的に延在する直線状である、請求項２に記載のセンサ。

【請求項4】

前記第１の凹部が、前記側壁部材によって支持されている前記メンブレンの部分内まで延在する、請求項３に記載のセンサ。

【請求項5】

前記第１の凹部は複数であり、前記厚さ方向視で前記メンブレンの中心を囲む、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項6】

前記第１の凹部は複数であり、前記厚さ方向視で前記メンブレンの中心を対称の中心とする点対称に設けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項7】

２つの前記第１の凹部が、前記厚さ方向視で前記メンブレンの中心を挟んで互いに平行である、請求項５または６に記載のセンサ。

【請求項8】

前記メンブレンの外側表面であって、前記厚さ方向視で前記メンブレンにおける前記側壁部材と重なっている部分に、第２の凹部が設けられており、
前記第２の凹部は、前記厚さ方向視で前記第１の溝の少なくとも一部と重なっている、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項9】

前記側壁部材に第２の溝が設けられており、
前記第２の溝は、前記厚さ方向視で前記第１の溝の少なくとも一部と重なっているとともに、第２の凹部の少なくとも一部と重なっている、請求項８に記載のセンサ。

【請求項10】

前記検出素子が搭載されるパッケージ基板と、
前記パッケージ基板上に設けられ、前記検出素子を覆う樹脂パッケージと、を有し、
前記樹脂パッケージが露出穴を備え、前記検出素子の一部が前記露出穴において外部に露出している、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力などの力を検出するセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、素子基板と、素子基板上に設けられた固定電極と、固定電極に対して間隔をあけて対向配置されたダイアフラム部を含むメンブレンと、を備える検出素子を有する、静電容量型圧力センサが開示されている。メンブレンの外側表面の中央部分には凹部が設けられている。これにより、素子基板が曲げ変形したときに、固定電極とダイアフラム部の内側表面とが実質的に平行になるように、メンブレンが曲げ変形する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１４／１９１９１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載された静電容量型圧力センサの場合、メンブレンの平面方向の圧縮応力または引っ張り応力が検出素子に加わると、すなわちメンブレンが平面応力状態になると、ダイアフラム部を含むメンブレンの変形剛性が減少または増加し、その結果としてセンサの検出感度が変化する。このように、平面応力状態になって変形剛性が増減することは、ストレス・スティフニング効果と呼ばれている。

【0005】

そこで、本発明は、圧力などの力を検出するセンサにおいて、メンブレンが平面応力状態になって生じる検出感度の変化を抑制することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
素子基板と、
外側表面と、前記外側表面に対して反対側の面である内側表面とを備え、ダイアフラム部を含むメンブレンと、
前記素子基板に設けられ、前記メンブレンの前記内側表面における、前記ダイアフラム部外側の部分を支持する側壁部材と、
前記側壁部材に囲まれた状態で前記素子基板上に設けられ、前記メンブレンの内側表面に対して間隔をあけて対向し、前記ダイアフラム部との間に静電容量を形成する固定電極と、を含む検出素子を有し、
前記メンブレンの外側表面における、前記メンブレンの厚さ方向視で、前記ダイアフラム部の中心と側壁部材との間に、第１の凹部が設けられている、センサが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、圧力などの力を検出するセンサにおいて、メンブレンが平面応力状態になって生じる検出感度の変化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施の形態１に係るセンサの斜視図

【図2】本発明の実施の形態１に係るセンサの図１のＡ－Ａ線に沿った断面図

【図3】本発明の実施の形態１に係るセンサの図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図

【図4】本発明の実施の形態１に係るセンサの上面図

【図5】本発明の実施の形態１に係るセンサにおける検出素子の分解斜視図

【図6A】比較例に係るセンサにおける検出素子の自然状態の断面図

【図6B】比較例に係るセンサにおける検出素子の引っ張り応力が加わった状態の断面図

【図6C】比較例に係るセンサにおける検出素子の圧縮応力が加わった状態の断面図

【図7A】実施例に係るセンサにおける検出素子の自然状態の断面図

【図7B】実施例に係るセンサにおける検出素子の引っ張り応力が加わった状態の断面図

【図7C】実施例に係るセンサにおける検出素子の圧縮応力が加わった状態の断面図

【図8】本発明の実施の形態２に係るセンサにおける検出素子の上面図

【図9】本発明の実施の形態２に係るセンサにおける検出素子の図８のＣ－Ｃ線に沿った断面図

【図10】本発明の実施の形態３に係るセンサにおける検出素子の上面図

【図11】本発明の実施の形態４に係るセンサにおける検出素子の上面図

【図12】本発明の実施の形態５に係るセンサにおける検出素子の上面図

【図13】本発明の実施の形態６に係るセンサにおける検出素子の上面図

【図14】本発明の実施の形態７に係るセンサにおける検出素子の上面図

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の一態様のセンサは、素子基板と、外側表面と、前記外側表面に対して反対側の面である内側表面とを備え、ダイアフラム部を含むメンブレンと、前記素子基板に設けられ、前記メンブレンの前記内側表面における、前記ダイアフラム部外側の部分を支持する側壁部材と、前記側壁部材に囲まれた状態で前記素子基板上に設けられ、前記メンブレンの内側表面に対して間隔をあけて対向し、前記ダイアフラム部との間に静電容量を形成する固定電極と、を含む検出素子を有し、前記メンブレンの外側表面における、前記メンブレンの厚さ方向視で、前記ダイアフラム部の中心と側壁部材との間に、第１の凹部が設けられている。

【0010】

このような態様によれば、圧力などの力を検出するセンサにおいて、メンブレンが平面応力状態になって生じる検出感度の変化を抑制することができる。

【0011】

例えば、前記第１の凹部が、前記厚さ方向視で前記側壁部材に沿って、前記ダイアフラム部に設けられてもよい。

【0012】

例えば、前記第１の凹部が、前記厚さ方向視で前記側壁部材に沿って連続的に延在する直線状であってもよい。

【0013】

例えば、前記第１の凹部が、前記側壁部材によって支持されている前記メンブレンの部分内まで延在してもよい。

【0014】

例えば、前記第１の凹部は複数であり、前記厚さ方向視で前記メンブレンの中心を囲んでもよい。

【0015】

例えば、前記第１の凹部は複数であり、前記厚さ方向視で前記メンブレンの中心を対称の中心とする点対称に設けられてもよい。

【0016】

例えば、２つの前記第１の凹部が、前記厚さ方向視で前記メンブレンの中心を挟んで互いに平行であってもよい。

【0017】

例えば、前記素子基板の表面における前記側壁部材と接触している部分に、第１の溝が設けられてもよい。

【0018】

例えば、前記メンブレンの外側表面であって、前記厚さ方向視で前記メンブレンにおける前記側壁部材と重なっている部分に、第２の凹部が設けられてもよく、この場合、前記第２の凹部は、前記厚さ方向視で前記第１の溝の少なくとも一部と重なっている。

【0019】

例えば、前記側壁部材に第２の溝が設けられてもよく、この場合、前記第２の溝は、前記厚さ方向視で前記第１の溝の少なくとも一部と重なっているとともに、第２の凹部の少なくとも一部と重なっている。

【0020】

例えば、前記検出素子が搭載されるパッケージ基板と、前記パッケージ基板上に設けられ、前記検出素子を覆う樹脂パッケージと、を有し、前記樹脂パッケージが露出穴を備え、前記検出素子の一部が前記露出穴において外部に露出してもよい。

【0021】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【0022】

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るセンサの斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るセンサの図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るセンサの図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るセンサの上面図である。なお、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系は本発明の理解を容易にするためのものであって、発明を限定するものではない。

【0023】

図１～図４に示すように、センサ１０は、検出素子１２と、パッケージ基板１４と、樹脂パッケージ１６とを有する。センサ１０は静電容量型圧力センサであり、検出素子１２によって圧力を検出することができる。検出素子１２は、パッケージ基板１４に搭載されている。樹脂パッケージ１６は、パッケージ基板１４上に設けられており、露出穴１６ａを備えている。検出素子１２の一部が露出穴１６ａにおいて外部に露出した状態で、検出素子１２は樹脂パッケージ１６によって覆われている。

【0024】

図５は、本発明の実施の形態１に係るセンサにおける検出素子の分解斜視図である。

【0025】

図５に示すように、検出素子１２は、素子基板２０と、メンブレン２２と、側壁部材２４と、固定電極２６とを有する。

【0026】

素子基板２０は、例えばシリコン基板であって、パッケージ基板１４と電気的に接続される端子（図示せず）を備える。

【0027】

メンブレン２２は、可撓性を有し、例えば厚さが３．９μｍの薄板状の部材である。メンブレン２２は、導電性を有する。また、メンブレン２２は、外側表面２２ａと、内側表面２２ｂとを備える。外側表面２２ａは、検出対象の圧力が作用する面である。内側表面２２ｂは、外側表面２２ａに対して反対側の面である。メンブレン２２は、ダイアフラム部２２ｃを含む。ダイアフラム部２２ｃは、その中央部分に圧力を受けてたわみ変形する。

【0028】

側壁部材２４は、素子基板２０上に設けられた、枠状の部材である。壁部材２４は、メンブレン２２の厚さ方向視で矩形状である。なお、メンブレン２２の厚さ方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＺ軸方向である。このため、メンブレン２２の厚さ方向視とは、Ｚ軸方向視である。側壁部材２４は、絶縁性を有する。また、側壁部材２４は、メンブレン２２を支持する。具体的には、側壁部材２４は、メンブレン２２の内側表面２２ｂにおけるダイアフラム部２２ｃ外側の部分を支持する。これにより、ダイアフラム部２２ｃは、メンブレン２２の厚さ方向にたわみ変形することができる。言い換えると、メンブレン２２における側壁部材２４によって支持されていない部分が、ダイアフラム部２２ｃである。

【0029】

固定電極２６は、素子基板２０上に設けられ、側壁部材２４によって囲まれている。固定電極２６は、例えば、導電性ポリシリコンから作製されている。また、固定電極２６は、メンブレン２２の内側表面２２ｂに対して間隔をあけて対向している。固定電極２６とダイアフラム部２２ｃとの間に、静電容量が形成されている。

【0030】

図１～図３に示すように、メンブレン２２の外側表面２２ａの一部、すなわちダイアフラム部２２ｃは、樹脂パッケージ１６の露出穴１６ａにおいて外部に露出している。これにより、ダイアフラム部２２ｃに圧力が作用する。

【0031】

外部に露出しているメンブレン２２の外側表面２２ａの一部に圧力が作用すると、その圧力の大きさに応じてダイアフラム部２２ｃが、固定電極２６側に凸にたわみ変形する。それにより、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の距離が変化し、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の静電容量の絶対値が変化する。この静電容量の絶対値の変化に基づいて、メンブレン２２の外側表面２２ａに作用する圧力の大きさを検出することができる。

【0032】

また、本実施の形態１においては、図５に示すように、複数の凹部２２ｄがメンブレン２２の外側表面２２ａに設けられている。凹部２２ｄは、第１の凹部である。具体的には、図４に示すように、メンブレン２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部２２ｃの中心Ｃと側壁部材２４との間に、凹部２２ｄが設けられている。本実施の形態１では、凹部２２ｄは、例えば幅が１２μｍであって、深さが０．８μｍの直線状の溝である。凹部２２ｄの深さは、メンブレン２２の剛性の低下を抑制するために、メンブレン２２の厚さの半分以下、好ましくは、２５％以下がよい。また、凹部２２ｄは、メンブレン２２の厚さ方向視で側壁部材２４に沿って連続的に延在するように、ダイアフラム部２２ｃに設けられている。さらに、凹部２２ｄは、メンブレン２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部２２ｃの長手方向に延びている。ダイアフラム部２２ｃの長手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＸ軸方向である。本実施の形態１では、凹部２２ｄは、メンブレン２２の中心Ｃを囲み、また、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、本実施の形態１では、中心Ｃを挟むように、またその中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部２２ｄが設けられている。

【0033】

なお、本実施の形態１では、凹部２２ｄは、ダイアフラム部２２ｃの外部、すなわち側壁部材２４によって支持されているメンブレン２２の部分内まで延在している。これにより、メンブレン２２が側壁部材２４に対して所望の位置からずれて設けられても、凹部２２ｄは、メンブレン２２の厚さ方向視で、メンブレン２２における側壁部材２４によって囲われた領域内、すなわちダイアフラム部２２ｃ内に位置する。

【0034】

凹部２２ｄは、メンブレン２２が平面応力状態になって生じる検出感度の変化を抑制するために設けられている。具体的には、図１～図３に示すように、樹脂パッケージ１６自体の熱膨張または熱収縮、樹脂パッケージ１６に作用する外力などにより、メンブレン２２の平面方向の圧縮応力または引っ張り応力が検出素子１２に加わる。なお、メンブレン２２の平面方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＸ軸方向およびＹ軸方向である。それにより、メンブレン２２が平面応力状態になる。メンブレン２２の平面応力状態について、図を参照しながら説明する。

【0035】

図６Ａは、比較例に係るセンサにおける検出素子の自然状態の断面図を示す。図６Ｂは、比較例に係るセンサにおける検出素子の引っ張り応力が加わった状態の断面図を示す。図６Ｃは、比較例に係るセンサにおける検出素子の圧縮応力が加わった状態の断面図を示す。図７Ａは、実施例に係るセンサにおける検出素子の自然状態の断面図を示す。図７Ｂは、実施例に係るセンサにおける検出素子の引っ張り応力が加わった状態の断面図を示す。図７Ｃは、実施例に係るセンサにおける検出素子の圧縮応力が加わった状態の断面図を示す。ここで、自然状態とは、メンブレンの平面方向の圧縮応力または引っ張り応力が検出素子に加わっていない状態、すなわち、メンブレンが平面応力状態ではない状態である。

【0036】

図６Ａ～図６Ｃに示すように、比較例に係るセンサにおける検出素子１１２では、メンブレン１２２の外側表面１２２ａに凹部が設けられていない。

【0037】

図６Ａでは、自然状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃを一点鎖線で示し、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃを実線で示している。図６Ａに示すように、自然状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃは、実質的に平坦である。また、図６Ａに示すように、自然状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃは、固定電極１２６側に凸にたわみ変形している。その結果、ダイアフラム部１２２ｃと固定電極１２６との間の距離Δｄｎが圧力Ｐに対応する長さになる。

【0038】

図６Ｂでは、メンブレン１２２の平面方向の引っ張り応力Ｆｔが検出素子１１２に加わっている状態、すなわち、引っ張り応力Ｆｔによってメンブレン１２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃを二点鎖線で示し、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃを実線で示している。図６Ｂに示すように、引っ張り応力Ｆｔによってメンブレン１２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃは、実質的に平坦である。

【0039】

図６Ｂに示すように、引っ張り応力Ｆｔによってメンブレン１２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃは、固定電極１２６側に凸にたわみ変形している。しかし、ダイアフラム部１２２ｃの変形量は、図６Ａに示す自然状態における場合に比べて小さい。その結果、同一の圧力Ｐがメンブレン１２２に作用しているにもかかわらず、ダイアフラム部１２２ｃと固定電極１２６との間の距離Δｄｔは、図６Ａに示す自然状態における距離Δｄｎに比べて大きくなる。

【0040】

すなわち、メンブレン１２２の平面方向の引っ張り応力Ｆｔが検出素子１１２に加わっている場合、メンブレン１２２は、その厚さ方向の変形剛性が自然状態に比べて増加し、厚さ方向に変形しにくい状態になっている。

【0041】

図６Ｃでは、メンブレン１２２の平面方向の圧縮応力Ｆｃが検出素子１１２に加わっている状態、すなわち、圧縮応力Ｆｃによってメンブレン１２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃを二点鎖線で示し、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃを実線で示している。図６Cに示すように、圧縮応力Ｆｃによってメンブレン１２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃは、実質的に平坦である。

【0042】

図６Cに示すように、圧縮応力Ｆｃによってメンブレン１２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃは、固定電極１２６側に凸にたわみ変形している。しかし、ダイアフラム部１２２ｃの変形量は、図６Ａに示す自然状態における場合に比べて大きい。その結果、同一の圧力Ｐがメンブレン１２２に作用しているにもかかわらず、ダイアフラム部１２２ｃと固定電極１２６との間の距離Δｄｃは、図６Ａに示す自然状態における距離Δｄｎに比べて小さくなる。

【0043】

すなわち、メンブレン１２２の平面方向の圧縮応力Ｆｃが検出素子１１２に加わっている場合、メンブレン１２２は、その厚さ方向の変形剛性が自然状態に比べて減少し、厚さ方向に変形しやすい状態になっている。

【0044】

このように、メンブレン１２２の平面方向に引っ張り応力または圧縮応力がメンブレン１２２に加わることにより、すなわちメンブレン１２２が平面応力状態になることにより、そのメンブレン１２２の厚さ方向の変形剛性が増減する現象は、ストレス・スティフニング効果と呼ばれている。

【0045】

図６Ａ～図６Ｃに示すように、比較例に係るセンサにおける検出素子１１２では、同一の圧力Ｐがメンブレン１２２に作用しているにもかかわらず、自然状態であるか、メンブレン１２２が平面応力状態であるかの違いにより、ダイアフラム部１２２ｃと固定電極１２６との間の距離が異なる。また、メンブレン１２２が平面応力状態であっても、引っ張り応力か圧縮応力かの違い、すなわち、メンブレン１２２に発生する応力の向きの違いにより、ダイアフラム部１２２ｃと固定電極１２６との間の距離が異なる。このように、比較例に係るセンサにおける検出素子１１２では、メンブレン１２２が平面応力状態になると、自然状態に比べて検出感度が変化する。

【0046】

本実施の形態１では、複数の凹部２２ｄがダイアフラム部２２ｃに設けられているため、メンブレン２２が平面応力状態になっても検出感度の変化が抑制される。図７Ａ～図７Ｃを用いて説明する。

【0047】

図７Ａでは、自然状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用していないときのダイアフラム部２２ｃを一点鎖線で示し、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用したときのダイアフラム部２２ｃを実線で示している。図７Ａに示すように、自然状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用していないときのダイアフラム部２２ｃは、実質的に平坦である。また、図７Ａに示すように、自然状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用したときのダイアフラム部２２ｃは、固定電極２６側に凸にたわみ変形している。その結果、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の距離Δｄｎが圧力Ｐに対応する長さになる。

【0048】

図７Ｂでは、メンブレン２２の平面方向の引っ張り応力Ｆｔが検出素子１１２に加わっている状態、すなわち、引っ張り応力Ｆｔによってメンブレン２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用していないときのダイアフラム部１２２ｃを二点鎖線で示し、圧力Ｐがメンブレン１２２の外側表面１２２ａに作用したときのダイアフラム部１２２ｃを実線で示している。図７Ｂに示すように、引っ張り応力Ｆｔによってメンブレン２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用していないときのダイアフラム部２２ｃは、ごくわずかに、固定電極２６側に凸にたわみ変形している。このたわみ変形は、メンブレン２２の外側表面２２ａにおける引っ張り応力の分布と、内側表面２２ｂにおける引っ張り応力の分布とが異なることによる。

【0049】

具体的には、複数の凹部２２ｄに挟まれた外側表面２２ａの領域に発生する引っ張り応力は、その領域に対して反対側の内側表面２２ｂの領域に発生する引っ張り応力に比べて小さい。そのために、内側表面２２ｂの領域の方が、外側表面２２ａの領域に比べて大きく伸びる方向にひずむ。その結果、ダイアフラム部２２ｃは、内側表面２２ｂが凸状になるように、わずかにたわみ変形する。

【0050】

このように、ダイアフラム部２２ｃが、内側表面２２ｂが凸状になるように、わずかにたわみ変形することにより、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の静電容量の絶対値が増加する。また、ダイアフラム部２２ｃが固定電極２６側に凸にたわみ変形しやすくなる。

【0051】

図７Ｂに示すように引っ張り応力Ｆｔによってメンブレン２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用したときのダイアフラム部２２ｃは、図７Ａに示す自然状態における場合と同様に、固定電極２６側に凸にたわみ変形している。ダイアフラム部２２ｃの変形量は、図７Ａに示す自然状態における場合とほぼ同じである。このように、凹部２２ｄの断面形状、幅、深さなどが適切であれば、同一の圧力Ｐがメンブレン２２に作用している場合における、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の距離Δｄｔは、図７Ａに示す自然状態における距離Δｄｎと実質的に等しくなる。

【0052】

図７Ｃでは、メンブレン２２の平面方向の圧縮応力Ｆｃが検出素子１１２に加わっている状態、すなわち、圧縮応力Ｆｃによってメンブレン２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用していないときのダイアフラム部２２ｃを二点鎖線で示し、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用したときのダイアフラム部２２ｃを実線で示している。図６Cに示すように、圧縮応力Ｆｃによってメンブレン２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用していないときのダイアフラム部２２ｃは、ごくわずかに、固定電極２６側とは反対側、すなわち、外部側に凸にたわみ変形している。このたわみ変形は、メンブレン２２の外側表面２２ａにおける圧縮応力の分布と、内側表面２２ｂにおける圧縮応力の分布とが異なることによる。

【0053】

具体的には、複数の凹部２２ｄに挟まれた外側表面２２ａの領域に発生する圧縮応力は、その領域に対して反対側の内側表面２２ｂの領域に発生する圧縮応力に比べて小さい。そのために、内側表面２２ｂの領域の方が、外側表面２２ａの領域に比べて大きく縮む方向にひずむ。その結果、ダイアフラム部２２ｃは、内側表面２２ｂが凹状になるように、わずかにたわみ変形する。

【0054】

このように、ダイアフラム部２２ｃが、内側表面２２ｂが凹状になるように、わずかにたわみ変形することにより、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の静電容量の絶対値が減少する。また、ダイアフラム部２２ｃが固定電極２６側に凸にたわみ変形しにくくなる。

【0055】

図７Cに示すように圧縮応力Ｆｃによってメンブレン２２が平面応力状態である状態において、圧力Ｐがメンブレン２２の外側表面２２ａに作用したときのダイアフラム部２２ｃは、図７Ａに示す自然状態における場合と同様に、固定電極２６側に凸にたわみ変形している。ダイアフラム部２２ｃの変形量は、図７Ａに示す自然状態における場合とほぼ同じである。このように、凹部２２ｄの断面形状、幅、深さなどが適切であれば、同一の圧力Ｐがメンブレン２２に作用している場合における、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の距離Δｄｃは、図７Ａに示す自然状態における距離Δｄｎと実質的に等しくなる。

【0056】

図７Ａ～図７Ｃに示すように、凹部２２ｄがメンブレン２２の外側表面２２ａに設けられていることにより、自然状態であるか、メンブレン２２が平面応力状態であるかの違いにかかわらず、また、メンブレン２２が平面応力状態であっても、引っ張り応力か圧縮応力かの違い、すなわち、メンブレン２２に発生する応力の向きの違いに関係なく、同一の圧力Ｐがメンブレン２２に作用すれば、ダイアフラム部２２ｃと固定電極２６との間の距離が実質的に等しくなる。すなわち、本実施の形態１に係るセンサ１０における検出素子１２では、メンブレン２２が平面応力状態になっても、自然状態に比べて検出感度が変化することがほとんどなく、検出感度の変化を抑制することができる。

【0057】

なお、副次的な効果として、凹部２２ｄがメンブレン２２の外側表面２２ａに設けられていることにより、ダイアフラム部２２ｃが局所的に薄くなり、ダイアフラム部２２ｃが変形しやすい。その結果、検出感度が高くなり、センサ１０から出力される信号に含まれるノイズが低減する。

【0058】

以上のような本実施の形態１によれば、圧力を検出するセンサ１０において、メンブレン２２が平面応力状態になって生じる検出感度の変化を抑制することができる。

【0059】

（実施の形態２）
本実施の形態２は、上述の実施の形態１の改良形態である。したがって、上述の実施の形態１と異なる点を中心にして、本実施の形態２に係るセンサを説明する。

【0060】

図８は、本発明の実施の形態２に係るセンサにおける検出素子の上面図である。図９は、本発明の実施の形態２に係るセンサにおける検出素子の図８のＣ－Ｃ線に沿った断面図である。

【0061】

図８および図９に示すように、本実施の形態２に係るセンサにおける検出素子２１２では、複数の溝２２０ａが素子基板２２０に設けられている。溝２２０ａは、素子基板２２０の表面における側壁部材２２４と接触している部分に、固定電極２２６を囲んで設けられている。溝２２０ａは、第１の溝である。

【0062】

また、本実施の形態２では、複数の凹部２２２ｄに加えて、複数の凹部２２２ｅが、メンブレン２２２の外側表面２２２ａに設けられている。凹部２２２ｄは第１の凹部であり、凹部２２２ｅは第２の凹部である。

【0063】

具体的には、図８に示すように、メンブレン２２２におけるダイアフラム部２２２ｃの周囲の部分、すなわち、メンブレン２２２の厚さ方向視で、メンブレン２２２における側壁部材２２４と重なっている部分に、凹部２２２ｅが設けられている。なお、メンブレン２２２の厚さ方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＺ軸方向である。このため、メンブレン２２２の厚さ方向視とは、Ｚ軸方向視である。さらには、メンブレン２２２の厚さ方向視で、凹部２２２ｅは、溝２２０ａの少なくとも一部と重なっている。

【0064】

さらに、図９に示すように、本実施の形態２では、複数の溝２２４ａが側壁部材２２４に設けられている。溝２２４ａは、メンブレン２２２の厚さ方向において、側壁部材２２４を貫通している。溝２２４ａは、メンブレン２２２の厚さ方向視で、溝２２０ａの少なくとも一部と重なっているとともに、凹部２２２ｅの少なくとも一部と重なっている。溝２２４ａは、第２の溝である。

【0065】

図８に示すように、溝２２０ａ、凹部２２２ｅ、溝２２４ａは、メンブレン２２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部２２２ｃを囲んでいる。そのため、溝２２０ａ、凹部２２２ｅ、溝２２４ａは、メンブレン２２２の平面方向の圧縮応力または引っ張り応力が検出素子１２に加わったとき、応力を吸収してダイアフラム部２２２ｃに伝わる力を低減する、ダンパーとして機能する。その結果、ダイアフラム部２２２ｃに発生する応力が低減され、メンブレン２２２が平面応力状態になっても検出感度の変化がより抑制される。なお、メンブレン２２２の平面方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＸ軸方向およびＹ軸方向である。

【0066】

なお、ダイアフラム部２２２ｃに発生する応力をさらに低減するために、素子基板２２０を厚くしてもよい。これにより、素子基板２２０は、平面方向の圧縮応力または引っ張り応力に対する剛性を備えることができる。その結果として、ダイアフラム部２２２ｃに発生する応力がさらに低減される。

【0067】

また、溝２２０ａ、凹部２２２ｅ、溝２２４ａは、メンブレン２２２の厚さ方向視で、環状であってもよい。すなわち、溝２２０ａ、凹部２２２ｅ、溝２２４ａは、メンブレン２２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部２２２ｃの外側の位置に設けられていれば、その個数や形状は問わない。

【0068】

以上のような本実施の形態２によれば、上述の実施の形態１と同様に、圧力を検出するセンサにおいて、メンブレン２２２が平面応力状態になって生じる検出感度の変化を抑制することができる。

【0069】

以上、複数の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明の実施の形態はこれらに限らない。

【0070】

例えば、上述の実施の形態１では、図４に示すように、メンブレン２２の中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部２２ｄが設けられている。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。メンブレンに設けられる凹部は、様々な形態が可能である。

【0071】

図１０は、本発明の実施の形態３に係るセンサにおける検出素子の上面図である。図１１は、本発明の実施の形態４に係るセンサにおける検出素子の上面図である。図１２は、本発明の実施の形態５に係るセンサにおける検出素子の上面図である。図１３は、本発明の実施の形態６に係るセンサにおける検出素子の上面図である。図１４は、本発明の実施の形態７に係るセンサにおける検出素子の上面図である。

【0072】

図１０に示すように、本発明の実施の形態３に係るセンサにおける検出素子３１２では、２つの凹部３２２ｄと、２つの凹部３２２ｆとが、メンブレン３２２の外側表面３２２ａに設けられている。具体的には、図１０に示すように、メンブレン３２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部３２２ｃの中心Ｃと側壁部材３２４との間に、凹部３２２ｄ、３２２ｆが設けられている。凹部３２２ｄ、３２２ｆは、メンブレン３２２の厚さ方向視で側壁部材３２４に沿って、ダイアフラム部３２２ｃに設けられている。凹部３２２ｄ、３２２ｆは、メンブレン３２２の中心Ｃを囲んでいる。凹部３２２ｄ、３２２ｆは、第１の凹部である。

【0073】

凹部３２２ｄは、メンブレン３２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部３２２ｃの長手方向に延びている。ダイアフラム部３２２ｃの長手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＸ軸方向である。凹部３２２ｄは、ダイアフラム部３２２ｃの外部、すなわち側壁部材３２４によって支持されているメンブレン３２２の部分まで延在している。凹部３２２ｄは、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部３２２ｄが設けられている。

【0074】

凹部３２２ｆは、メンブレン３２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部３２２ｃの短手方向に延びている。ダイアフラム部３２２ｃの短手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＹ軸方向である。凹部３２２ｆは、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部３２２ｆが設けられている。

【0075】

図１１に示すように、本発明の実施の形態４に係るセンサにおける検出素子４１２では、２つの凹部４２２ｄがメンブレン４２２の外側表面４２２ａに設けられている。凹部４２２ｄは、その全体がダイアフラム部４２２ｃ内に位置する。

【0076】

図１２に示すように、本発明の実施の形態５に係るセンサにおける検出素子５１２では、２つの凹部５２２ｄと、２つの凹部５２２ｆとが、メンブレン５２２の外側表面５２２ａに設けられている。具体的には、図１２に示すように、メンブレン５２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部５２２ｃの中心Ｃと側壁部材５２４との間に、凹部５２２ｄ、５２２ｆが設けられている。凹部５２２ｄ、５２２ｆは、メンブレン５２２の厚さ方向視で側壁部材５２４に沿って、ダイアフラム部５２２ｃに設けられている。凹部５２２ｄ、５２２ｆは、メンブレン５２２の中心Ｃを囲んでいる。凹部５２２ｄ、５２２ｆは、第１の凹部である。凹部３２２ｄ、３２２ｆは、その全体がダイアフラム部５２２ｃ内に位置する。

【0077】

凹部５２２ｄは、メンブレン５２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部５２２ｃの長手方向に延びている。ダイアフラム部３２２ｃの長手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＸ軸方向である。凹部３２２ｄは、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部３２２ｄが設けられている。

【0078】

凹部５２２ｆは、メンブレン５２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部５２２ｃの短手方向に延びている。ダイアフラム部５２２ｃの短手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＹ軸方向である。凹部５２２ｆは、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部３２２ｆが設けられている。

【0079】

図１３に示すように、本発明の実施の形態６に係るセンサにおける検出素子６１２では、４つの凹部６２２ｄと、２つの凹部６２２ｆとが、メンブレン６２２の外側表面６２２ａに設けられている。具体的には、図１３に示すように、メンブレン６２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部６２２ｃの中心Ｃと側壁部材６２４との間に、凹部６２２ｄ、６２２ｆが設けられている。凹部６２２ｄ、６２２ｆは、メンブレン６２２の厚さ方向視で側壁部材６２４に沿って、ダイアフラム部６２２ｃに設けられている。凹部６２２ｄ、６２２ｆは、メンブレン６２２の中心Ｃを囲んでいる。凹部６２２ｄ、６２２ｆは、第１の凹部である。凹部６２２ｄ、６２２ｆは、その全体がダイアフラム部６２２ｃ内に位置する。

【0080】

凹部６２２ｄは、メンブレン６２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部６２２ｃの長手方向に延びている。ダイアフラム部６２２ｃの長手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＸ軸方向である。凹部６２２ｄは、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、４つの凹部６２２ｄが設けられている。

【0081】

凹部６２２ｆは、メンブレン６２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部６２２ｃの短手方向に延びている。ダイアフラム部６２２ｃの短手方向は、図に示すＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系のＹ軸方向である。凹部６２２ｆは、中心Ｃを対称の中心とする点対称に設けられている。すなわち、中心Ｃから等しい距離で互いに平行に、２つの凹部６２２ｆが設けられている。

【0082】

図１４に示すように、本発明の実施の形態７に係るセンサにおける検出素子７１２では、凹部７２２ｄが、メンブレン７２２の外側表面７２２ａに設けられている。具体的には、図１４に示すように、メンブレン７２２の厚さ方向視で、ダイアフラム部７２２ｃの中心Ｃと側壁部材７２４との間に、凹部７２２ｄが設けられている。凹部７２２ｄは、メンブレン７２２の厚さ方向視で側壁部材７２４に沿って、ダイアフラム部７２２ｃに設けられている。凹部７２２ｄは、メンブレン７２２の厚さ方向視で環状であり、メンブレン７２２の中心Ｃを囲んでいる。凹部７２２ｄは、第１の凹部である。凹部７２２ｄは、その全体がダイアフラム部７２２ｃ内に位置する。

【0083】

すなわち、本発明に係る実施の形態においては、メンブレンの厚さ方向視で、ダイアフラム部の中心と側壁部材との間であって、メンブレンの外側表面に第１の凹部が設けられている。

【0084】

また、好ましくは、第１の凹部は、ダイアフラム部の中心側ではなく、側壁部材側、すなわちメンブレンの厚さ方向視で側壁部材に沿って設けられている。これにより、メンブレンが平面応力状態になって生じる検出感度の変化を、効率的に抑制することができる。これと異なり、中心側に第１の凹部が配置される場合、平面応力状態のメンブレンにおいて、ダイアフラム部の外側表面における応力分布と内側表面における応力分布の違いが小さくなり、第１の凹部の効果が低減する。

【0085】

さらに、好ましくは、第１の凹部は複数あって、その複数の第１の凹部が、メンブレン厚さ方向視で、メンブレンの中心を囲むように設けられる。これにより、ダイアフラム部は、その中心対称な形状にたわみ変形することができる。

【0086】

さらにまた、好ましくは、第１の凹部は複数あって、その複数の第１の凹部が、メンブレンの厚さ方向視で、メンブレンの中心を対称の中心とする点対称に設けられる。これにより、ダイアフラム部は、より中心対称な形状にたわみ変形することができる。

【0087】

加えて、例えば、上述の実施の形態１の場合、センサ１０は、静電容量型の圧力センサである。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。例えば、センサは、メンブレンが圧力を受けて変形することによってその電気抵抗が変化する、ピエゾ抵抗型圧力センサであってもよい。また、センサは、圧力を検出するものに限らず、メンブレンに印加された振動や力をメンブレンの変形量によって検出するセンサ、例えば差圧センサ、フォースセンサなどであってもよい。

【0088】

加えてまた、上述の実施の形態１の場合、図１に示すように、検出素子１２は樹脂パッケージ１６に覆われている。しかしながら、本発明の実施の形態はこれに限らない。本発明に係るセンサは、検出素子に対してそのメンブレンの平面方向に引っ張り応力または圧縮応力が作用しうる構造を備えるセンサであればよい。

【0089】

すなわち、本発明の実施の形態に係るセンサは、広義には、素子基板と、外側表面と、前記外側表面に対して反対側の面である内側表面とを備え、ダイアフラム部を含むメンブレンと、前記素子基板に設けられ、前記メンブレンの前記内側表面における、前記ダイアフラム部外側の部分を支持する側壁部材と、を含む検出素子を有し、前記メンブレンの外側表面における、前記メンブレンの厚さ方向視で、前記ダイアフラム部の中心と側壁部材との間に、第１の凹部が設けられているものである。

【0090】

以上、複数の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、ある実施の形態に対して少なくとも１つの別の実施の形態を全体としてまたは部分的に組み合わせて本発明に係るさらなる実施の形態とすることが可能であることは、当業者にとって明らかである。

【産業上の利用可能性】

【0091】

本発明は、圧力などを検出するセンサに適用可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】