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(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】2025-01-30
(45)【発行日】2025-02-07
(54)【発明の名称】圧力感知素子及び圧力センサ
(51)【国際特許分類】
G01L 9/00 20060101AFI20250131BHJP
H10D 48/50 20250101ALI20250131BHJP
【ＦＩ】
G01L9/00 303D
H01L29/84 A
H01L29/84 B
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019161647
(22)【出願日】2019-09-05
(65)【公開番号】P2021039043
(43)【公開日】2021-03-11
【審査請求日】2022-08-05
【審判番号】
【審判請求日】2023-11-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000006220
【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090033
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 博司
(74)【代理人】
【識別番号】100093045
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 良男
(72)【発明者】
【氏名】森 賢之
【合議体】
【審判長】中塚 直樹
【審判官】濱野 隆
【審判官】小島 寛史
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３２８７９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第５１７８０１６（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第８３８１５９６（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】特開平７－１４００２７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
G01L 9/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板を用いて形成された圧力感知素子であって、フレームと、前記フレームに支持されたダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、
平面視略正方形状で、４つの角部が丸められた形状に形成され、
前記ダイアフラムの４つの縁部から前記ダイアフラム中央部方向へと突出する４つの梁部と、
前記ダイアフラムの前記縁部及び前記梁部から前記ダイアフラムの中央部を含む範囲に形成された単一の溝部と、
を備え、
前記半導体基板は、半導体によって形成された層である活性層及び支持層と、前記活性層と前記支持層との間に絶縁体によって形成された層である絶縁層と、を備え、
前記ダイアフラムの前記梁部及び前記溝部は、前記活性層に形成され、
前記４つの梁部は、前記ダイアフラムの平面視における形状の重心位置である中央部方向へと徐々に幅が狭くなるように形成され、
前記ダイアフラムは、前記ダイアフラムの縁部を周回するように形成された外枠部を備え、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記外枠部との接続部に配置され、
前記梁部及び前記外枠部の角が丸くなっていることを特徴とする圧力感知素子。
【請求項2】
請求項１に記載の圧力感知素子を備えることを特徴とする圧力センサ。
【請求項3】
前記圧力感知素子が実装される基板と、圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧力感知素子及び圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、血圧計、ＣＰＡＰ（Continuous Positive Airway Pressure）装置、ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System）、ＭＡＰ（Manifold Air Pressure）センサ等様々な装置にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成された圧力センサが用いられている。
このような圧力センサは、半導体基板からなる圧力感知素子の一部を裏面からエッチングすることによりダイアフラムを形成し、当該ダイアフラム上に、ダイアフラムの歪みを抵抗の変化として検知するピエゾ抵抗を設けて形成されている。
これによって、圧力が加えられた際のダイアフラムの歪みによるピエゾ抵抗の電気抵抗の変化を検出することで、圧力を測定することが可能となる。
このような圧力センサは、半導体基板からなる圧力感知素子の一部を裏面からエッチングすることによりダイアフラムを形成し、当該ダイアフラム上に、ダイアフラムの歪みを抵抗の変化として検知するピエゾ抵抗を設けて形成されている。
これによって、圧力が加えられた際のダイアフラムの歪みによるピエゾ抵抗の電気抵抗の変化を検出することで、圧力を測定することが可能となる。
【0003】
このような圧力センサにおいては、微細な圧力の変化を検出可能とするためには、検出感度を向上することが重要となり、また、検出誤差を小さくするためには、出力の直線性を向上することが重要となる。
そこで、検出感度及び出力直線性に優れた圧力センサを提供することを目的として、ダイアフラムの表面を一部を残してエッチング加工等により除去することで、ダイアフラム上に、表面が除去され、膜厚が薄くなった部分である溝部と、表面が除去されておらず、溝部と比較して膜厚が厚い部分である略十字状の梁部と、を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
そこで、検出感度及び出力直線性に優れた圧力センサを提供することを目的として、ダイアフラムの表面を一部を残してエッチング加工等により除去することで、ダイアフラム上に、表面が除去され、膜厚が薄くなった部分である溝部と、表面が除去されておらず、溝部と比較して膜厚が厚い部分である略十字状の梁部と、を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【0004】
また、同様に検出感度及び出力直線性に優れた圧力センサを提供することを目的として、溝部及び梁部に加え、ダイアフラムの中央部に、矩形状又は円形状に表面が除去されていない部分を残してボスを形成し、梁部を、このようなボスとダイアフラム周囲のフレームとを接続するように形成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】米国特許第９７６４９４７号公報
【文献】米国特許第８３８１５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
このような圧力センサにおいては、多様な用途に対応可能とするため、その小型化が重要となるところ、圧力感知素子作製時のダイアフラム表面の加工精度には自ずと限界があり、過度に細かい加工や複雑な加工は、不可能であるか、可能であるとしてもコストの増大を招く。
この点、特許文献１に記載の圧力センサは、上記のようにダイアフラム上に梁部を略十字状に形成した構成であるところ、ダイアフラムの表面に形成可能な梁部の細さには、上記のような加工精度の問題から限界がある。したがって、圧力センサを小型化していくと、必然的に溝部に対して梁部が太くなり、ダイアフラム面積に対する溝部の面積の割合が小さくなってしまう。この点は、ダイアフラム上に、溝部及び梁部に加えて、ボスが形成された特許文献２に記載の圧力センサにおいても同様である。
この点、特許文献１に記載の圧力センサは、上記のようにダイアフラム上に梁部を略十字状に形成した構成であるところ、ダイアフラムの表面に形成可能な梁部の細さには、上記のような加工精度の問題から限界がある。したがって、圧力センサを小型化していくと、必然的に溝部に対して梁部が太くなり、ダイアフラム面積に対する溝部の面積の割合が小さくなってしまう。この点は、ダイアフラム上に、溝部及び梁部に加えて、ボスが形成された特許文献２に記載の圧力センサにおいても同様である。
【0007】
そして、ダイアフラム面積に対する溝部の面積の割合が小さくなると、ダイアフラム上に梁部、溝部及び特許文献２に記載の発明においてはさらにボスを形成することによる検出感度及び出力の直線性の向上の効果は小さくなってしまう。したがって、従来の圧力センサでは、検出感度と出力の直線性とを両立させつつ、さらに小型化を図ることは困難であった。
【0008】
本発明の課題は、検出感度と出力の直線性とを両立させつつ、圧力センサの小型化を容易とすることである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
半導体基板を用いて形成された圧力感知素子であって、
フレームと、前記フレームに支持されたダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、
平面視略正方形状で、４つの角部が丸められた形状に形成され、
前記ダイアフラムの４つの縁部から前記ダイアフラム中央部方向へと突出する４つの梁部と、
前記ダイアフラムの前記縁部及び前記梁部から前記ダイアフラムの中央部を含む範囲に形成された単一の溝部と、
を備え、
前記半導体基板は、半導体によって形成された層である活性層及び支持層と、前記活性層と前記支持層との間に絶縁体によって形成された層である絶縁層と、を備え、
前記ダイアフラムの前記梁部及び前記溝部は、前記活性層に形成され、
前記４つの梁部は、前記ダイアフラムの平面視における形状の重心位置である中央部方向へと徐々に幅が狭くなるように形成され、
前記ダイアフラムは、前記ダイアフラムの縁部を周回するように形成された外枠部を備え、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記外枠部との接続部に配置され、
前記梁部及び前記外枠部の角が丸くなっていることを特徴とする。
半導体基板を用いて形成された圧力感知素子であって、
フレームと、前記フレームに支持されたダイアフラムと、前記ダイアフラムに配置されたピエゾ抵抗と、を備え、
前記ダイアフラムは、
平面視略正方形状で、４つの角部が丸められた形状に形成され、
前記ダイアフラムの４つの縁部から前記ダイアフラム中央部方向へと突出する４つの梁部と、
前記ダイアフラムの前記縁部及び前記梁部から前記ダイアフラムの中央部を含む範囲に形成された単一の溝部と、
を備え、
前記半導体基板は、半導体によって形成された層である活性層及び支持層と、前記活性層と前記支持層との間に絶縁体によって形成された層である絶縁層と、を備え、
前記ダイアフラムの前記梁部及び前記溝部は、前記活性層に形成され、
前記４つの梁部は、前記ダイアフラムの平面視における形状の重心位置である中央部方向へと徐々に幅が狭くなるように形成され、
前記ダイアフラムは、前記ダイアフラムの縁部を周回するように形成された外枠部を備え、
前記ピエゾ抵抗は、前記梁部と前記外枠部との接続部に配置され、
前記梁部及び前記外枠部の角が丸くなっていることを特徴とする。
【0015】
請求項２に記載の発明は、圧力センサであって、
請求項１に記載の圧力感知素子を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の圧力感知素子を備えることを特徴とする。
【0016】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の圧力センサであって、
前記圧力感知素子が実装される基板と、
圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする。
前記圧力感知素子が実装される基板と、
圧力の感知対象となる流体を前記圧力感知素子へと導入するノズルと、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、検出感度と出力の直線性とを両立させつつ、圧力センサの小型化を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施形態に係る圧力センサの構成を示す概略図である。
【図2】実施形態に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図3】実施形態に係る圧力センサの圧力感知素子を下面側から見た平面図である。
【図5】変形例１に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図6】実施例１に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図7】実施例２に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図8】比較例１に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図9】比較例２に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図10】比較例３及び比較例４に係る圧力センサの圧力感知素子を上面側から見た平面図である。
【図11】実施例及び比較例に係る圧力センサの回路構成を示す図である。
【図12】実施例及び比較例に係る圧力センサにつき、感度の試験を行った結果を示すグラフである。
【図13】実施例及び比較例に係る圧力センサにつき、出力直線性の試験を行った結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図５に基づいて説明する。ただし、本発明の技術的範囲は図示例に限定されるものではなく、以下において説明する実施の形態には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を加えることが可能である。
【0020】
［第１ 実施形態の構成］
実施形態に係る圧力センサ１００は、図１に示すように、圧力感知素子１と、回路部２と、基板３と、ノズル４と、を備える。
実施形態に係る圧力センサ１００は、図１に示すように、圧力感知素子１と、回路部２と、基板３と、ノズル４と、を備える。
【0021】
［１ 圧力感知素子］
圧力感知素子１は、図２及び図３に示すように、半導体基板を用いて平面視略正方形状に形成された半導体チップである。なお、本実施形態においては、圧力感知素子１のうちダイアフラム１１が形成された側を上面、その反対側を下面と定めて説明する。
圧力感知素子１は、図２及び図３に示すように、半導体基板を用いて平面視略正方形状に形成された半導体チップである。なお、本実施形態においては、圧力感知素子１のうちダイアフラム１１が形成された側を上面、その反対側を下面と定めて説明する。
【0022】
圧力感知素子１は、図４に示すように、上面側に形成されたシリコン（Ｓｉ）層である活性層１ａと、下面側に形成されたシリコン（Ｓｉ）層である支持層１ｃと、これらの間に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成された絶縁層１ｂと、の３層から構成されている。
【0023】
また、圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部が空洞となっており、当該部分の上面側がダイアフラム１１を構成し、ダイアフラム１１周囲の下面側に空洞が形成されていない部分が、フレーム１２を構成している。
また、圧力感知素子１のダイアフラム１１には、図２に示すように、４か所にピエゾ抵抗１３が備えられている。
また、圧力感知素子１のダイアフラム１１には、図２に示すように、４か所にピエゾ抵抗１３が備えられている。
【0024】
［（１） ダイアフラム］
圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部が、活性層１ａのみが残るように平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されている。これによって、圧力感知素子１には、上面側に活性層１ａが薄膜状に残存した部分であるダイアフラム１１が形成されている。
ダイアフラム１１は、図２及び図３に示すように、圧力感知素子１の平面視における縁部付近を除いた部分に、平面視略正方形状に形成され、厚みが薄い部分である溝部１１１と、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である外枠部１１２及び梁部１１３と、を備える。
圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部が、活性層１ａのみが残るように平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されている。これによって、圧力感知素子１には、上面側に活性層１ａが薄膜状に残存した部分であるダイアフラム１１が形成されている。
ダイアフラム１１は、図２及び図３に示すように、圧力感知素子１の平面視における縁部付近を除いた部分に、平面視略正方形状に形成され、厚みが薄い部分である溝部１１１と、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である外枠部１１２及び梁部１１３と、を備える。
【0025】
［ア 溝部］
溝部１１１は、図４に示すように、ダイアフラム１１上面側の一部が、活性層１ａを貫通しない範囲でエッチング加工等により除去された部分であり、外枠部１１２及び梁部１１３とは一体的に形成されている。また、外枠部１１２及び梁部１１３と比較して、厚みが薄くなるように形成された部分である。
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、外枠部１１２及び梁部１１３からダイアフラム１１の中央部を含む範囲の全面にわたって形成される単一の溝であって、溝部１１１の全面が均一な厚みで形成されている。
溝部１１１は、図４に示すように、ダイアフラム１１上面側の一部が、活性層１ａを貫通しない範囲でエッチング加工等により除去された部分であり、外枠部１１２及び梁部１１３とは一体的に形成されている。また、外枠部１１２及び梁部１１３と比較して、厚みが薄くなるように形成された部分である。
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、外枠部１１２及び梁部１１３からダイアフラム１１の中央部を含む範囲の全面にわたって形成される単一の溝であって、溝部１１１の全面が均一な厚みで形成されている。
【0026】
［イ 外枠部］
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１とフレーム１２との境界から間隔を空けて、ダイアフラム１１の縁部を残すように形成されている。すなわち、ダイアフラム１１の縁部には溝部１１１が形成されず、ダイアフラム１１の縁部を周回するように配置された、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である外枠部１１２が備えられている。
溝部１１１は、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１とフレーム１２との境界から間隔を空けて、ダイアフラム１１の縁部を残すように形成されている。すなわち、ダイアフラム１１の縁部には溝部１１１が形成されず、ダイアフラム１１の縁部を周回するように配置された、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である外枠部１１２が備えられている。
【0027】
［ウ 梁部］
図２及び図３に示すように、略正方形状に形成されたダイアフラム１１の各辺の中央部付近には、ダイアフラム１１の縁部からダイアフラム１１の中央部方向へと突出するように配置された、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である４つの梁部１１３が備えられている。
４つの梁部１１３は、上述したように活性層１ａにエッチング加工等によって溝部１１１が形成されることによって区画され、ダイアフラム１１の中央部方向へ突出する形状が形成される。また、４つの梁部１１３は、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１の中央部付近において交わることなく、それぞれ独立して形成されている。
また、梁部１１３は、それぞれ、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１中央部方向へと平面視における幅が徐々に狭くなるように形成されている。
図２及び図３に示すように、略正方形状に形成されたダイアフラム１１の各辺の中央部付近には、ダイアフラム１１の縁部からダイアフラム１１の中央部方向へと突出するように配置された、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である４つの梁部１１３が備えられている。
４つの梁部１１３は、上述したように活性層１ａにエッチング加工等によって溝部１１１が形成されることによって区画され、ダイアフラム１１の中央部方向へ突出する形状が形成される。また、４つの梁部１１３は、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１の中央部付近において交わることなく、それぞれ独立して形成されている。
また、梁部１１３は、それぞれ、図２及び図３に示すように、ダイアフラム１１中央部方向へと平面視における幅が徐々に狭くなるように形成されている。
【0028】
なお、ダイアフラム１１の中央部とは、平面視におけるダイアフラム１１の形状の重心位置近傍の部分のことを指す。また、ダイアフラム１１の縁部とは、ダイアフラム１１のうち周囲のフレーム１２等との境界の近傍の部分を指し、ダイアフラム１１に外枠部１１２がフレーム１２等との境界に沿って周回するように形成されている場合には、外枠部１１２が形成された部分がこれに該当する。
【0029】
［（２） フレーム］
圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部のみが平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されており、圧力感知素子１の縁部は、活性層１ａ、支持層１ｃ及び絶縁層１ｂの３層が残存し、ダイアフラム１１と比べて厚みが厚くなるように形成されている。当該部分がフレーム１２である。
圧力感知素子１は、図３及び図４に示すように、下面側中央部のみが平面視略正方形状にエッチング加工等により除去されており、圧力感知素子１の縁部は、活性層１ａ、支持層１ｃ及び絶縁層１ｂの３層が残存し、ダイアフラム１１と比べて厚みが厚くなるように形成されている。当該部分がフレーム１２である。
【0030】
［（３） ピエゾ抵抗］
圧力感知素子１は、図２に示すように、ダイアフラム１１に配置されたピエゾ抵抗１３を備える。
ピエゾ抵抗１３は、各梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部付近、具体的には、各梁部１１３と外枠部１１２との接続部と重なる位置に、梁部１１３毎に１つずつ、計４つ備えられている。
なお、ピエゾ抵抗１３は、必ずしもその全体がダイアフラム１１上に位置している必要はなく、図２に示すように、一部がフレーム１２上に位置していてもよい。このような場合においても、その他の一部がダイアフラム１１上に位置していれば、本発明においては、ピエゾ抵抗１３はダイアフラム１１に配置されているものとする。ただし、少なくともピエゾ抵抗１３の中心が、ダイアフラム１１上に位置していることが好ましい。
圧力感知素子１は、図２に示すように、ダイアフラム１１に配置されたピエゾ抵抗１３を備える。
ピエゾ抵抗１３は、各梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部付近、具体的には、各梁部１１３と外枠部１１２との接続部と重なる位置に、梁部１１３毎に１つずつ、計４つ備えられている。
なお、ピエゾ抵抗１３は、必ずしもその全体がダイアフラム１１上に位置している必要はなく、図２に示すように、一部がフレーム１２上に位置していてもよい。このような場合においても、その他の一部がダイアフラム１１上に位置していれば、本発明においては、ピエゾ抵抗１３はダイアフラム１１に配置されているものとする。ただし、少なくともピエゾ抵抗１３の中心が、ダイアフラム１１上に位置していることが好ましい。
【0031】
ピエゾ抵抗１３は、ダイアフラム１１上に、例えば拡散やイオン打ち込み等によって形成され、ダイアフラム１１が圧力を受けて撓んだ際に、ダイアフラム１１の撓み量に応じて発生する応力に比例して、電気抵抗率が変化するように構成されたものである。また、後述のように、４つのピエゾ抵抗１３は、ホイートストンブリッジを構成するように、回路部２によって接続されている。
【0032】
［２ 回路部］
回路部２は、図１に示すように、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）２１と、ワイヤ２２と、を備える。
回路部２は、４つのピエゾ抵抗１３を接続してホイートストンブリッジを構成し、ピエゾ抵抗１３に電圧を印加することで、ダイアフラムの撓み量に応じて発生する応力に比例したピエゾ抵抗１３の電気抵抗率によって生じる出力電位差から、圧力を計測する。また、ＡＳＩＣ２１においては、センサ出力の校正や、駆動電圧範囲の変更等、種々の調整がなされる。
なお、このような圧力センサにおける回路部の構成は周知の技術であることから、詳細な説明は省略する。
回路部２は、図１に示すように、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）２１と、ワイヤ２２と、を備える。
回路部２は、４つのピエゾ抵抗１３を接続してホイートストンブリッジを構成し、ピエゾ抵抗１３に電圧を印加することで、ダイアフラムの撓み量に応じて発生する応力に比例したピエゾ抵抗１３の電気抵抗率によって生じる出力電位差から、圧力を計測する。また、ＡＳＩＣ２１においては、センサ出力の校正や、駆動電圧範囲の変更等、種々の調整がなされる。
なお、このような圧力センサにおける回路部の構成は周知の技術であることから、詳細な説明は省略する。
【0033】
［３ 基板］
基板３は、図１に示すように、圧力感知素子１及び回路部２がその一面に固定される板状の部材であり、後述のノズル４と共に、圧力センサ１００の外側のケースとなる。
図１に示すように、圧力感知素子１は、基板３上に、その下面側において接続され、圧力感知素子１のダイアフラム１１及びフレーム１２と、基板３とによって囲まれた空洞が形成されている。また、基板３には、当該空洞を介して圧力感知素子1の下面側が大気と接触するように、圧力感知素子１の直下に貫通孔３１が設けられている。
これによって、ダイアフラム１１の上面側に存在する検出対象となる流体の圧力に応じて、ダイアフラム１１の上面側と下面側との間に圧力差が生じ、ダイアフラム１１が撓むこととなる。
基板３は、図１に示すように、圧力感知素子１及び回路部２がその一面に固定される板状の部材であり、後述のノズル４と共に、圧力センサ１００の外側のケースとなる。
図１に示すように、圧力感知素子１は、基板３上に、その下面側において接続され、圧力感知素子１のダイアフラム１１及びフレーム１２と、基板３とによって囲まれた空洞が形成されている。また、基板３には、当該空洞を介して圧力感知素子1の下面側が大気と接触するように、圧力感知素子１の直下に貫通孔３１が設けられている。
これによって、ダイアフラム１１の上面側に存在する検出対象となる流体の圧力に応じて、ダイアフラム１１の上面側と下面側との間に圧力差が生じ、ダイアフラム１１が撓むこととなる。
【0034】
［４ ノズル］
ノズル４は、図１に示すように、基板３上に設置された圧力感知素子１及び回路部２を覆うようにして備えられ、圧力感知素子１によって圧力が感知される流体を取り込む取込口４１を備える。
基板３とノズル４とによって、取込口４１によって外部と繋がり、内部に圧力感知素子が配置された空間が形成され、当該空間内に取込口４１から導入された流体の圧力が、圧力感知素子１によって感知されることとなる。
ノズル４は、図１に示すように、基板３上に設置された圧力感知素子１及び回路部２を覆うようにして備えられ、圧力感知素子１によって圧力が感知される流体を取り込む取込口４１を備える。
基板３とノズル４とによって、取込口４１によって外部と繋がり、内部に圧力感知素子が配置された空間が形成され、当該空間内に取込口４１から導入された流体の圧力が、圧力感知素子１によって感知されることとなる。
【0035】
［第２ 実施形態の効果］
本実施形態に係る圧力センサ１００は、圧力感知素子１のダイアフラム１１に、厚みが薄い部分である溝部１１１と、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である複数の梁部１１３と、を備える。
本実施形態に係る圧力センサ１００は、圧力感知素子１のダイアフラム１１に、厚みが薄い部分である溝部１１１と、溝部１１１と比較して厚みが厚い部分である複数の梁部１１３と、を備える。
【0036】
圧力センサの圧力感知素子に形成されたダイアフラムが平面状である場合、検出感度と出力の直線性とはトレードオフの関係となり、ダイアフラムを薄くするほど、これが変形し易くなり検出感度が向上する一方、出力の直線性は低下する傾向にある。
これに対し、本実施形態によれば、ダイアフラム１１上面側の中央部を含む範囲に一続きに溝部１１１を形成し薄くすることで感度を向上させつつ、溝部１１１が形成されず、厚みが厚い部分である梁部１１３を、ダイアフラムの縁部から突出するように残すことで、出力の直線性の低下も防止できる。
これに対し、本実施形態によれば、ダイアフラム１１上面側の中央部を含む範囲に一続きに溝部１１１を形成し薄くすることで感度を向上させつつ、溝部１１１が形成されず、厚みが厚い部分である梁部１１３を、ダイアフラムの縁部から突出するように残すことで、出力の直線性の低下も防止できる。
【0037】
また、この際、例えば、特許文献１に記載の圧力センサのように、圧力感知素子のダイアフラム上に、梁部を略十字状に形成した場合と比較すると、梁部１１３はそれぞれ別個に形成されており、ダイアフラムの中央部にまで形成されていないことから、ダイアフラム内において厚みが薄くなる部分である溝部の面積の減少を抑えることができる。このような効果は、梁部１１３が、ダイアフラム１１の中央部方向へと徐々に幅が狭くなるように形成されていることで、より高めることができる。
【0038】
なお、特許文献１に記載の圧力センサのように、圧力感知素子のダイアフラム上に、梁部を略十字状に形成した場合においても、梁部を細く形成すれば、溝部面積の減少を抑えることは一応可能であるが、圧力感知素子を小型化していくと、加工精度の限界から、ある時点で形成可能な梁部の細さは限界に達し、溝部に対して梁部が太くなり、ダイアフラム面積に対する溝部の面積の割合が小さくなってしまう。また、この点は、溝部及び梁部に加えて、ボスが形成された特許文献２に記載の圧力センサにおいても、ボスの小型化には同様に限界があることから、変わるところはない。
これに対し、本実施形態によれば、ダイアフラム１１上面側の中央部を含む範囲に一続きに溝部１１１が形成されており、特許文献１及び２に記載の圧力センサと比較して、溝部１１１の形状が単純であることから、圧力感知素子１が小型化された場合にも、加工精度の限界を原因とするダイアフラム１１における溝部１１１の面積の減少を抑制できる。
これに対し、本実施形態によれば、ダイアフラム１１上面側の中央部を含む範囲に一続きに溝部１１１が形成されており、特許文献１及び２に記載の圧力センサと比較して、溝部１１１の形状が単純であることから、圧力感知素子１が小型化された場合にも、加工精度の限界を原因とするダイアフラム１１における溝部１１１の面積の減少を抑制できる。
【0039】
また、本実施形態に係る圧力センサ１００によれば、圧力感知素子１のピエゾ抵抗１３が、各梁部１１３のダイアフラム１１縁部側の端部付近、具体的には、梁部１１３と外枠部１１２との接続部と重なる位置に配置されている。これによって、ピエゾ抵抗１３を、ダイアフラム１１が変形し易い部分に配置できることから、感度を向上することができる。
【0040】
また、本実施形態に係る圧力センサ１００は、圧力感知素子１のダイアフラム１１の縁部に溝部１１１が形成されず、ダイアフラム１１の縁部を周回するように、外枠部１１２が備えられている。これによって、梁部１１３のダイアフラム１１の縁部側の端部付近に配置されたピエゾ抵抗１３が、フレーム１２から外枠部１１２の分離れた位置に配置されることから、ダイアフラム１１の変形につきフレーム１２の影響を受け難い位置に配置されることとなり、感度を向上することができる。
【0041】
［第３ 変形例］
上記実施形態においては、圧力感知素子１の下面側中央部が平面視略正方形状にエッチング加工等により除去され、ダイアフラム１１が平面視略正方形状に形成された場合につき説明したが、ダイアフラムの形状はこれに限られない。
例えば、図５に示す変形例１に係る圧力感知素子１Ａのように、圧力感知素子１Ａの下面側中央部を平面視略円形状にエッチング加工等により除去し、ダイアフラム１１Ａにつき、平面視略円形状に形成してもよい。
また、この場合、ダイアフラム１１Ａ上の溝部１１１Ａの形状につき、ダイアフラム１１Ａ全体の形状に合わせ、梁部１１３Ａに面していない部分が円弧をなすように形成してもよい。
上記実施形態においては、圧力感知素子１の下面側中央部が平面視略正方形状にエッチング加工等により除去され、ダイアフラム１１が平面視略正方形状に形成された場合につき説明したが、ダイアフラムの形状はこれに限られない。
例えば、図５に示す変形例１に係る圧力感知素子１Ａのように、圧力感知素子１Ａの下面側中央部を平面視略円形状にエッチング加工等により除去し、ダイアフラム１１Ａにつき、平面視略円形状に形成してもよい。
また、この場合、ダイアフラム１１Ａ上の溝部１１１Ａの形状につき、ダイアフラム１１Ａ全体の形状に合わせ、梁部１１３Ａに面していない部分が円弧をなすように形成してもよい。
【0042】
また、圧力感知素子の層構造は、上記３層構造に限られない。例えば、絶縁層としてのＳｉＯ２層を有しないシリコンの単層構造であってもよいし、支持層については、ガラス等の材料を用いてもよい。
【0043】
その他、圧力センサ１００における圧力感知素子１以外の構成（回路部２、基板３及びノズル４）については、圧力センサとして機能し得るものであれば任意であり、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記においては、圧力感知素子１のダイアフラム１１の下面側の空洞に大気を導入し、圧力感知素子１の下面側が大気と接触するようにした上で、上面側に圧力を測定する対象となる流体を導入する場合につき説明したが、基板３に貫通孔３１を設けることなく、圧力感知素子１のダイアフラム１１及びフレーム１２と、基板３とによって囲まれた空洞を低真空とするようにしてもよい。また、上記とは反対に、圧力感知素子１のダイアフラム１１の上面側の空間を大気で満たし、又は低真空とした上で、下面側の空洞内に圧力を測定する対象となる流体が導入されるようにしてもよい。
例えば、上記においては、圧力感知素子１のダイアフラム１１の下面側の空洞に大気を導入し、圧力感知素子１の下面側が大気と接触するようにした上で、上面側に圧力を測定する対象となる流体を導入する場合につき説明したが、基板３に貫通孔３１を設けることなく、圧力感知素子１のダイアフラム１１及びフレーム１２と、基板３とによって囲まれた空洞を低真空とするようにしてもよい。また、上記とは反対に、圧力感知素子１のダイアフラム１１の上面側の空間を大気で満たし、又は低真空とした上で、下面側の空洞内に圧力を測定する対象となる流体が導入されるようにしてもよい。
【実施例】
【0044】
次に、本発明の実施例及び比較例に係る圧力センサにつき、感度及び出力直線性に係る試験を行った結果について説明する。
【0045】
［第１ 実施例及び比較例の構成］
以下の実施例及び比較例に係る圧力センサを用意した。
以下の実施例及び比較例に係る圧力センサを用意した。
【0046】
［１ 実施例１］
［（１） 圧力感知素子の構成：図６に示す圧力感知素子１Ｂ］
・層構造：活性層（Ｓｉ）５．０μｍ、支持層（Ｓｉ）６２５μｍ及びその間の絶縁層（ＳｉＯ２）の３層
・圧力感知素子サイズ：平面視各辺１．０ｍｍの略正方形
・ダイアフラムサイズ：平面視各辺０．４２６ｍｍの略正方形（各角を丸めた形状）
・ダイアフラム厚み：梁部及び外枠部５．０μｍ、溝部３．５μｍ（溝部深さ１．５μｍ）
・ピエゾ抵抗サイズ：平面視各辺６０μｍの略正方形
・梁部形状：図６に示すように根元から先端部へと徐々に幅が狭くなる形状、外枠部からの突出長０．０８５ｍｍ（対向する梁部間の間隔０．２５ｍｍ）
・外枠部：幅０．００３ｍｍ、ダイアフラムの縁部を周回するように形成
・ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２
・溝部面積（Ｓｔ）：０．１３２ｍｍ２
・Ｓｔ／Ｓｄ＝０．６２
［（２） 回路部の構成］
図１１に示す通り。
この場合、ダイアフラムが受けた圧力（応力）により各ピエゾ抵抗（Ｒｎ）が変化し、圧力に応じて下記計算式でＶｏｕｔを出力することとなる。
Ｖｏｕｔ＝（Ｖ＋）－（Ｖ－）
＝［Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４）ｘＶＤＤ］－［Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）ｘＶＤＤ］
［（１） 圧力感知素子の構成：図６に示す圧力感知素子１Ｂ］
・層構造：活性層（Ｓｉ）５．０μｍ、支持層（Ｓｉ）６２５μｍ及びその間の絶縁層（ＳｉＯ２）の３層
・圧力感知素子サイズ：平面視各辺１．０ｍｍの略正方形
・ダイアフラムサイズ：平面視各辺０．４２６ｍｍの略正方形（各角を丸めた形状）
・ダイアフラム厚み：梁部及び外枠部５．０μｍ、溝部３．５μｍ（溝部深さ１．５μｍ）
・ピエゾ抵抗サイズ：平面視各辺６０μｍの略正方形
・梁部形状：図６に示すように根元から先端部へと徐々に幅が狭くなる形状、外枠部からの突出長０．０８５ｍｍ（対向する梁部間の間隔０．２５ｍｍ）
・外枠部：幅０．００３ｍｍ、ダイアフラムの縁部を周回するように形成
・ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２
・溝部面積（Ｓｔ）：０．１３２ｍｍ２
・Ｓｔ／Ｓｄ＝０．６２
［（２） 回路部の構成］
図１１に示す通り。
この場合、ダイアフラムが受けた圧力（応力）により各ピエゾ抵抗（Ｒｎ）が変化し、圧力に応じて下記計算式でＶｏｕｔを出力することとなる。
Ｖｏｕｔ＝（Ｖ＋）－（Ｖ－）
＝［Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４）ｘＶＤＤ］－［Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）ｘＶＤＤ］
【0047】
［２ 実施例２］
図７に示す圧力感知素子１Ｃのように、梁部の突出長を０．１３５ｍｍ（対向する梁部間の間隔０．１５ｍｍ）としたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０．１１８ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０．５６となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
図７に示す圧力感知素子１Ｃのように、梁部の突出長を０．１３５ｍｍ（対向する梁部間の間隔０．１５ｍｍ）としたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０．１１８ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０．５６となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
【0048】
［３ 比較例１］
図８に示す圧力感知素子１Ｄのように、梁部がダイアフラムの中央部で接続されるようにしたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０．０４９ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０．２３となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
図８に示す圧力感知素子１Ｄのように、梁部がダイアフラムの中央部で接続されるようにしたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０．０４９ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０．２３となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
【0049】
［４ 比較例２］
図９に示す圧力感知素子１Ｅのように、ダイアフラムの中央部付近に溝部を形成せず、一辺０．１２ｍｍの略正方形の四つの角を丸めた形状に形成された厚みが梁部及び外枠部と同一（５．０μｍ）となる部分（ボス１１４）を備えたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０．１１８ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０．５６となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
図９に示す圧力感知素子１Ｅのように、ダイアフラムの中央部付近に溝部を形成せず、一辺０．１２ｍｍの略正方形の四つの角を丸めた形状に形成された厚みが梁部及び外枠部と同一（５．０μｍ）となる部分（ボス１１４）を備えたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０．１１８ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０．５６となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
【0050】
［５ 比較例３］
図１０に示す圧力感知素子１Ｆのように、ダイアフラムに溝部を設けず、ダイアフラム全体の厚みを３．５μｍとしたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
図１０に示す圧力感知素子１Ｆのように、ダイアフラムに溝部を設けず、ダイアフラム全体の厚みを３．５μｍとしたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
【0051】
［６ 比較例４］
図１０に示す圧力感知素子１Ｆのように、ダイアフラムに溝部を設けず、ダイアフラム全体の厚みを５．０μｍとしたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
図１０に示す圧力感知素子１Ｆのように、ダイアフラムに溝部を設けず、ダイアフラム全体の厚みを５．０μｍとしたものである。この場合、ダイアフラム面積（Ｓｄ）：０．２１２ｍｍ２、溝部面積（Ｓｔ）：０ｍｍ２、Ｓｔ／Ｓｄ＝０となる。なお、その他の構成は実施例１と同様である。
【0052】
［第２ 試験方法］
上記実施例及び比較例に係る圧力センサについて、以下の条件下で、スパン電圧（ｍＶ）及び出力直線性（％ＦＳ）を算出した。
・気温：常温（２５°Ｃ）
・電源電圧：３．３Ｖ
・印加圧力：０～１０ｋＰａ（圧力感知素子下面（支持層側）より印加）
・スパン電圧 ：１０ｋＰａ印加時出力
・出力直線性：ワースト値
上記実施例及び比較例に係る圧力センサについて、以下の条件下で、スパン電圧（ｍＶ）及び出力直線性（％ＦＳ）を算出した。
・気温：常温（２５°Ｃ）
・電源電圧：３．３Ｖ
・印加圧力：０～１０ｋＰａ（圧力感知素子下面（支持層側）より印加）
・スパン電圧 ：１０ｋＰａ印加時出力
・出力直線性：ワースト値
【0053】
【0054】
［第４ 評価］
実施例１及び２と比較例３及び４との比較から、ダイアフラム上に、梁部を残して溝部を形成することで、感度と出力直線性とを両立できることが分かる。
すなわち、ダイアフラム全体の厚みを３．５μｍとした比較例３と比較した場合、実施例１及び２は、僅かなＳｐａｎ電圧の低下と引き換えに、出力直線性が大きく向上している。また、ダイアフラム全体の厚みを５．０μｍとした比較例４と比較した場合、実施例１は、出力直線性が僅かに向上するとともに感度が大きく向上し、実施例２も、出力直線性はほぼ同等で、感度が大きく向上している。
実施例１及び２と比較例３及び４との比較から、ダイアフラム上に、梁部を残して溝部を形成することで、感度と出力直線性とを両立できることが分かる。
すなわち、ダイアフラム全体の厚みを３．５μｍとした比較例３と比較した場合、実施例１及び２は、僅かなＳｐａｎ電圧の低下と引き換えに、出力直線性が大きく向上している。また、ダイアフラム全体の厚みを５．０μｍとした比較例４と比較した場合、実施例１は、出力直線性が僅かに向上するとともに感度が大きく向上し、実施例２も、出力直線性はほぼ同等で、感度が大きく向上している。
【0055】
また、実施例１及び２と、比較例１との比較により、ダイアフラム上に溝部が形成されていない部分である梁部を略十字状に形成した場合と比較して、梁部を、ダイアフラム中央部に達することなく、各梁部が独立して形成されるようにし、溝部がダイアフラムの中央部を含む範囲に一続きに形成されるようにした方が、感度及び出力直線性を向上できることが分かる。
【0056】
また、実施例１と比較例２との比較から、梁部の大きさが同一であれば、ダイアフラムの中央部に厚みが厚い部分を残すことなく、ダイアフラムの中央部を含めて溝部とした方が、感度及び出力直線性を向上できることが分かる。
【0057】
また、実施例２と比較例２とを比較すると、溝部面積を揃えた場合においても、実施例２は、比較例２と比較して、出力直線性はほぼ同等で、感度が向上しており、好ましいものと言える。なお、圧力センサにおいて、感度と出力の直線性はいずれも重要な要素であるが、出力の直線性はＡＳＩＣにおいてある程度補正可能であることから、圧力感知素子の構成によって向上を図る必要性がより高いのは、感度の方である。
【0058】
さらに、小型化の容易性の観点からも、比較例２よりも実施例２の方が好ましいものと言える。すなわち、比較例２は、溝部を、ダイアフラムの中央部を残して環状に形成する必要があることから、圧力感知素子を小型化するほど、溝部を設計通りに形成し、中央部の厚みが厚い部分であるボス１１４を予定した大きさとすることが難しくなる。これに対して、実施例２によれば、溝部は、ダイアフラムの中央部を含む範囲に一続きに形成され、遥かに単純な形状であることから、圧力感知素子が小型化された場合においも、設計通りの溝部面積とすることが容易である。
【符号の説明】
【0059】
１００ 圧力センサ
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 圧力感知素子
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ ダイアフラム
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅ、１１１Ｆ 溝部
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ 外枠部
１１３、１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄ 梁部
１２、１２Ａ、１２Ｂ フレーム
１３ ピエゾ抵抗
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 圧力感知素子
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ ダイアフラム
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅ、１１１Ｆ 溝部
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ 外枠部
１１３、１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄ 梁部
１２、１２Ａ、１２Ｂ フレーム
１３ ピエゾ抵抗
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】