JP2006090807A

JP2006090807A - 物理量センサ

Info

Publication number: JP2006090807A
Application number: JP2004275745A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nagahama; 英雄長浜; Yuji Suzuki; 裕二鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: JP4569242B2

Abstract

【課題】従来に比べて高感度化が可能な物理量センサを提供する。
【解決手段】第１のシリコン基板を用いて形成され一表面側に絶縁膜２を有するセンサ用構造体１と、センサ用構造体１の上記一表面側に配置されそれぞれカーボンナノチューブＣＮＴからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４と、第２のシリコン基板を用いて形成されセンサ用構造体１の上記一表面側に固着されたカバー７とを備える。カーボンナノチューブＣＮＴは、センサ用構造体１の上記一表面上に形成された対となる電極間に架け渡されている。カバー７には、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部に当接しセンサ用構造体１に圧力が働いたときに圧力に起因したカーボンナノチューブＣＮＴの変形とは別にカーボンナノチューブＣＮＴの中間部を折曲させるバイアス部７ｂを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサに関するものである。

従来からこの種の物理量センサとしては、半導体結晶に外力が加えられたときに抵抗値が変化するピエゾ抵抗をゲージ抵抗として用いた半導体圧力センサや半導体加速度センサなどが提供されている。

これに対して、近年、ナノテクノロジーの分野で注目されているカーボンナノチューブをゲージ抵抗として用いた物理量センサが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

ここにおいて、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた圧力センサは、例えば、図１２に示す構成を有している。

図１２に示す構成の圧力センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜２を有するセンサ用構造体１と、センサ用構造体１の絶縁膜２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４と、センサ用構造体１の他表面に固着されたガラス製の台座９とを備えている。

センサ用構造体１は、矩形枠状のフレーム１ａと、フレーム１ａの内側でフレーム１ａに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム１ｂとで構成されている。すなわち、センサ用構造体１は、フレーム１ａの内側に位置し全周に亘ってフレーム１ａに支持されたダイヤフラム１ｂが形成されており、ダイヤフラム１ａの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラムが湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３は、ダイヤフラム１ａとフレーム１ａとに跨るように配置されており、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、フレーム１ａ上に配置されている。なお、センサ用構造体１は、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより他表面に凹所１ｃを設けることにより形成されている。一方、台座９には、センサ用構造体１の凹所１ｃへ流体を導入するための導入孔９ａが厚み方向に貫設されている。

また、上述の２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側において絶縁膜２上に形成された複数の金属配線４などにより図１３に示すブリッジ回路を構成するように接続される。

各抵抗Ｒ１〜Ｒ４と各抵抗Ｒ１〜Ｒ４に電気的に接続される各金属配線４との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる電極５が介在しており、対となる電極５，５間に電圧を印加し且つセンサ用構造体１の上記一表面側に炭素を含む原料ガスを供給して対となる電極５，５間にカーボンナノチューブを成長させている。すなわち、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極５，５間に架け渡されている。

したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Ｅを接続するとともに対角位置の他方の端子Ｖｏ１，Ｖｏ２間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム１ｂに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、上述の圧力センサでは、４つの金属配線４それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。

次に、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた加速度センサの一例について、図１４を参照しながら説明する。

図１４に示す構成の加速度センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２を有するセンサ用構造体１１と、センサ用構造体１１の絶縁膜１２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２および２個の基準抵抗Ｒ１３，Ｒ１４と、センサ用構造体１１の他表面に固着されたガラス製のカバー１９と、センサ用構造体１１の一表面側に固着されたガラス製のカバー（図示せず）とを備えている。

センサ用構造体１１は、矩形枠状のフレーム１１ａを備え、フレーム１１ａの内側にフレーム１１ａから離間して配置された重り部１１ｂの周囲の１辺がフレーム１１ａよりも薄肉である２つの撓み部１１ｃを介してフレーム１１ａに連続一体に連結された構造を有している。すなわち、センサ用構造体１１は、フレーム１１ａの内側に位置し加速度に感応する重り部１１ｂが２つの撓み部１１ｃを介してフレーム１１ａに支持されており、重り部１１ｂの周囲には撓み部１１ｃを除いてフレーム１１ａとの間にスリット１１ｄが形成されている。また、撓み部１１ｃは重り部１１ｂの１辺に沿う方向に離間して２箇所に形成されている。

なお、重り部１１ｂは、例えば、シリコン基板においてスリット１１ｄに対応する部位を裏面側（上記他表面側）からアルカリ系溶液を用いて異方性エッチングを行った後、スリット１１ｄに対応する部位をシリコン基板の一表面側からエッチングすることで形成してある。また、センサ用構造体１１の他表面側のカバー１９におけるセンサ用構造体１１との対向面には、重り部１１ｂの揺動空間を確保するための凹所１９ｂが形成されている。同様に、センサ用構造体１１の一表面側のカバーにおけるセンサ用構造体１１との対向面にも、重り部１１ｂの揺動空間を確保するための凹所が形成されている。

また、上述の２個のゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２および２個の基準抵抗Ｒ１３，Ｒ１４は、センサ用構造体１１の上記一表面側において絶縁膜１２上に形成された金属配線１４などによりブリッジ回路を構成するように接続される（なお、センサ用構造体１１の厚み方向において重なる金属配線１４，１４間には図示しない層間絶縁膜を介在させてある）。

上述の加速度センサでは、センサ用構造体１１の厚み方向の成分を含む外力（加速度）が重り部１１ｂに作用すると、重り部１１ｂの慣性によってフレーム１１ａと重り部１１ｂとがセンサ用構造体１１の厚み方向へ相対的に変位し、結果的に撓み部１１ｃが撓んでゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２が変形し、ゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値が変化することになる。これに対して、フレーム１１ａに重なるように配置されている基準抵抗Ｒ１３，Ｒ１４は、重り部１１ｂが変位したとしても抵抗値が変化しない。

したがって、ゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値の変化を検出することにより、センサ用構造体１１に作用した加速度を検出することができる。言い換えれば、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、重り部１１ｂに作用する加速度に比例する電圧を得ることができるのである。なお、ゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２は、撓み部１１ｃの延長方向を長手方向として配置されており、撓み部１１ｃと同じように変形する。
特開２００４−５３４２４号公報特開２００４−１６３３７３号公報

ところで、上述のようにゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた物理量センサでは、ゲージ抵抗のゲージ率の向上による高感度化が期待されている。

しかしながら、本願発明者らが、図１５の一点鎖線で示すように長さＬが５μｍのカーボンナノチューブＣＮＴを実線で示すように曲げ角度βで曲げたときの曲げ角度βとゲージ率との関係について調べたところ、図１６に示すように、曲げ角度βが１７２°〜１７９°の範囲ではゲージ率が１２０程度であり、シリコンのピエゾ抵抗について同様の関係について調べたところ、曲げ角度βによらずゲージ率が略１２０であるという知見が得られた。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化が可能な物理量センサを提供することにある。

請求項１の発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面上に形成された対となる電極間に架け渡されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の一表面側に、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部に当接し少なくともセンサ用構造体に力が働いたときに前記力に起因した当該カーボンナノチューブの変形とは別に当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする。

この発明によれば、少なくともセンサ用構造体に力が働いたときに前記力に起因したカーボンナノチューブの変形とは別にカーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えているので、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部には、対となる電極の並設方向に並んだ複数のバイアス部が当接していることを特徴とする。

この発明によれば、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率をバイアス部が１つである場合と同程度の値としながらも、バイアス部によるカーボンナノチューブの中間部の曲げ角度を小さくすることができ、カーボンナノチューブの折損や、対となる電極の破損が起こりにくくなり、信頼性が向上する。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、バイアス部は、センサ用構造体に前記力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧しカーボンナノチューブの曲げ角度を１７２°とするように、センサ用構造体の前記一表面との相対的な位置関係が設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、センサ用構造体に前記力が作用したときに前記力が小さくてもゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの曲げ角度が１７２°よりも小さくなってゲージ率が高くなるので、より高感度化を図ることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、センサ用構造体は、前記一表面において対となる電極の形成部位の間に凹部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部をバイアス部により折曲させやすくなり、凹部が形成されていない場合に比べて高感度化を図れる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、凹部は、断面Ｖ次状であって開き角度が１７２°を超えないように設定され、当該凹部を挟んで対向する電極間に架け渡されるカーボンナノチューブは、凹部の内面であって互いに傾斜した２つの面に沿った形状となっている。

この発明によれば、センサ用構造体に前記力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブを中間部が１７２°以下の角度で曲がった状態とすることができ、より一層の高感度化を図ることができる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、センサ用構造体が、前記一表面とは反対側の他表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラムを有する圧力センサ用の構造体であり、ゲージ抵抗は、ダイヤフラムの中央部に配設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記力である圧力によるダイヤフラムの変位量の大きな中央部にゲージ抵抗を配設しているので、前記力である圧力によるダイヤフラムの変位量の小さな周部にゲージ抵抗を配設している場合と同じ感度であれば、ダイヤフラムの厚みを厚くすることができ、センサ用構造体の機械的強度を高めることができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、センサ用構造体が、前記一表面とは反対側の他表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラムを有する圧力センサ用の構造体であり、ダイヤフラムの周部の肉厚が中央部の肉厚に比べて厚く設定され、ゲージ抵抗は、ダイヤフラムにおける前記一表面側とは反対側に形成された段差部とダイヤフラムの厚み方向において重複する部位に配設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、ダイヤフラムの厚みが一定であってダイヤフラムの周部にゲージ抵抗が配設されている場合に比べて、前記力である圧力によるダイヤフラムの変形によってゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブへより大きなひずみを与えることができ、高感度化を図ることができる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、センサ用構造体の前記一表面側にカバーを固着することにより、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブへバイアス部を当接させることができる。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、バイアス部は、センサ用構造体の前記一表面側においてゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブに交差するようにパターニングされた絶縁体膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、センサ用構造体の前記一表面側に別部材であるカバーを固着することなく、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブへバイアス部を高い位置精度で当接させることができるので、請求項８の発明に比べて低コスト化および薄型化を図ることができる。

請求項１の発明では、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となるという効果がある。

本実施形態では、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサの一例である圧力センサを、図１〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態の圧力センサは、半導体基板であるシリコン基板（以下、第１のシリコン基板と称す）をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜２を有するセンサ用構造体１と、センサ用構造体１の上記一表面側に配置されそれぞれカーボンナノチューブＣＮＴからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４と、センサ用構造体１とは別のシリコン基板（以下、第２のシリコン基板と称す）をマイクロマシンニング技術により加工して形成されセンサ用構造体１の上記一表面側に固着されたカバー７とを備えている。なお、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４それぞれを構成するカーボンナノチューブＣＮＴの本数は特に限定するものではなく、１本でも複数本でもよい。また、カバー７は、第２のシリコン基板に限らず、ガラス基板により形成してもよい。

センサ用構造体１は、矩形枠状のフレーム１ａと、フレーム１ａの内側でフレーム１ａに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム１ｂとで構成されている。すなわち、センサ用構造体１は、フレーム１ａの内側に位置し全周に亘ってフレーム１ａに支持されたダイヤフラム１ｂが形成されており、ダイヤフラム１ａの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラムが撓んで湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３は、センサ用構造体１の上記一表面側でダイヤフラム１ａの周部に対応する部位においてダイヤフラム１ａとフレーム１ａとの境界に直交する方向を長手方向として配設されており、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側でフレーム１ａに対応する部位においてダイヤフラム１ａとフレーム１ａとの境界に直交する方向を長手方向として配設されている。すなわち、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３は、ダイヤフラム１ｂの湾曲変形に伴う抵抗値の変化量が大きくなるようにダイヤフラム１ｂの外周（ダイヤフラム１ｂとフレーム１ａとの境界）を構成する４辺のうちの２辺それぞれに略直交する方向に配設され、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４はダイヤフラム１ｂが湾曲変形しても抵抗値が変化しないようにフレーム１ａに対応する部位に配設されている。

なお、センサ用構造体１は、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ系溶液などを用いた異方性エッチングによって第１のシリコン基板の裏面（センサ用構造体１の他表面）に凹所１ｃを設けることにより形成されている。

ここにおいて、半導体基板としての第１のシリコン基板の代わりに、厚み方向の中間に埋込酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁層が形成された所謂ＳＯＩ基板（表面側のシリコン層と裏面側のシリコン基板との間に上記絶縁層が介在した基板）を採用すれば、裏面側からのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、ダイヤフラム１ｂの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。

また、上述の２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側において絶縁膜２上に形成された複数の金属配線（図示せず）などにより上述の図１３に示すブリッジ回路を構成するように接続される。なお、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４と各抵抗Ｒ１〜Ｒ４に電気的に接続される各金属配線との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる電極（図示せず）が介在しており、対となる電極間に金属配線を介して電圧を印加し且つセンサ用構造体１の上記一表面側に炭素を含む原料ガス（例えば、炭化水素を含むＣ_２Ｈ_２ガス、Ｃ_２Ｈ_４ガス、ＣＨ_４ガスなど）を供給してＣＶＤ法によって対となる電極５，５間にカーボンナノチューブを成長させている。すなわち、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極５，５間に架け渡されている。

したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Ｅを接続するとともに対角位置の他方の端子Ｖｏ１，Ｖｏ２間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム１ｂに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態の圧力センサにおいても、４つの金属配線それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。

ところで、センサ用構造体１は、上記一表面において対となる電極間の形成部位の間に凹部６が形成されている。本実施形態では、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４毎に対となる電極を備えているので、センサ用構造体１には、凹部６が４箇所に形成されている。ここで、凹部６の開口形状は、センサ用構造体１の上記一表面において対となる電極の並設方向に交差する方向を長手方向とする細長の長方形状であって、凹部６の断面形状は、深さ方向において開口幅が略一定となる形状となっている。したがって、凹部６は、センサ用構造体１の上記一表面側における凹部６の形成予定部位を所定深さまでドライエッチングすることにより形成すればよい。ここに、凹部６の形状が上述のように深さ方向において開口幅が略一定となる形状となっていることにおり、凹部６の両側に位置した対となる電極間に成長させるカーボンナノチューブＣＮＴは直線状に成長する。なお、図示した例では、所定深さを絶縁膜２の厚み寸法と一致するように設定してあるが、絶縁膜２の厚み寸法よりも小さく設定してもよい。

一方、カバー７は、矩形板状であって、センサ用構造体１との対向面に、センサ用構造体１のダイヤフラム１ａの変位空間を確保するための凹所７ａが形成されている。なお、カバー７は、センサ用構造体１の上記一表面側の上記各パッドを露出させることができるように、センサ用構造体１よりも図１（ａ）における左右方向の寸法を短く設定してある。

ここに、カバー７における凹所７ａの内底面には、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部に当接しセンサ用構造体１に力（ここでは、圧力）が働いたときに上記力に起因した当該カーボンナノチューブＣＮＴの変形（湾曲変形）とは別に当該カーボンナノチューブＣＮＴの中間部を折曲させる突起状の２つのバイアス部７ｂが突設されている。バイアス部７ｂは、断面が細長の長方形状であって、凹所７ａの内底面から離れるにつれて断面積が徐々に大きくなる形状に形成されており、図２に示すようにバイアス部７ｂの先端面の外周縁の全周にわたってセンサ用構造体１における凹部６の周縁との間に隙間が形成されるようになっている。

ここにおいて、センサ用構造体１のダイヤフラム１ｂに圧力が加えられていない状態では図６（ａ）に示すようにバイアス部７ｂの先端面がカーボンナノチューブＣＮＴに当接しているもののカーボンナノチューブＣＮＴは折曲されていないが、センサ用構造体１のダイヤフラム１ｂに図６（ａ）の下方から圧力が加えられると、ダイヤフラム１ｂが図６（ｂ）中に二点鎖線で示すように湾曲変形する一方で、カーボンナノチューブＣＮＴの中間部は、バイアス部７ｂによってダイヤフラム１ｂの変位方向とは反対側に凸となるＶ字状の形状に折曲され凹部６の内側に入り込む。要するに、バイアス部７ｂは、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部に当接しセンサ用構造体１に圧力が働いたときに圧力に起因した応力とは別の応力をカーボンナノチューブＣＮＴの中間部に付加する機能を有している。

しかして、本実施形態の圧力センサでは、センサ用構造体１に圧力が働いたときに圧力に起因したカーボンナノチューブＣＮＴの変形とは別にカーボンナノチューブＣＮＴの中間部を折曲させるバイアス部７ｂを備えているので、センサ用構造体１に圧力が働いたときにゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部が図６（ｂ）のように折曲されてゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３のゲージ率が高くなるので、従来の圧力センサと比較して、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。また、センサ用構造体１の上記一表面において対となる電極の形成部位の間に凹部６が形成されているので、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部をバイアス部７ｂにより折曲させやすくなり、凹部６が形成されていない場合に比べて高感度化を図れる。

ところで、センサ用構造体１に圧力働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部を図８に示すようにバイアス部７ｂが押圧して中間部を折曲させるようにしてもよい。この場合には、カーボンナノチューブＣＮＴの曲げ角度βを１７２°とするように、バイアス部７ｂとセンサ用構造体１の上記一表面との相対的な位置関係を設定しておけば、センサ用構造体１に圧力が作用したときに圧力が小さくてもゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの曲げ角度が１７２°よりも小さくなってゲージ率が高くなるので、より高感度化を図ることができる。

上述の例では、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部に１つのバイアス部７ｂが当接しているが、図７に示すように、カーボンナノチューブＣＮＴの中間部に、上述の対となる電極の並設方向に並んだ複数のバイアス部７ｂ，７ｂが当接するようにカバー７を形成すれば、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴのゲージ率をバイアス部７ｂが１つである場合と同程度の値としながらも、バイアス部７ｂによるカーボンナノチューブＣＮＴの中間部の曲げ角度（個々のバイアス部７ｂによるカーボンナノチューブＣＮＴの曲げ角度）を小さくすることができ、カーボンナノチューブＣＮＴの折損や、対となる電極の破損が起こりにくくなり、信頼性が向上する。

また、センサ用構造体１の上記一表面に形成する凹部６を図９（ａ）に示すように断面Ｖ字状として開き角度（凹部６の内面であって互いに傾斜した２つの面のなす角度）αを１７２°に設定すれば、対となる電極間（凹部６を挟んで対向する電極間）に上述のＣＶＤ法による成長によって架け渡されるカーボンナノチューブＣＮＴは、図９（ｂ）に示すように凹部６の内面であって互いに傾斜した２つの面に沿った形状に折れ曲がっており、この時のカーボンナノチューブＣＮＴの曲がり角度βは略１７２°となる。しかして、センサ用構造体に圧力が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴを中間部が１７２°の角度で曲がった状態とすることができ、より一層の高感度化を図ることができる。ここにおいて、上述の図１６における曲げ角度とゲージ率との関係から、凹部６の開き角度αを１７２°よりも小さくすることで凹部６の内面に沿って成長するカーボンナノチューブＣＮＴのゲージ率を高くすることができる。ただし、開き角度αを小さくしすぎると、カーボンナノチューブＣＮＴが凹部６の内面に沿って成長しなくなる。

ところで、本実施形態では、センサ用構造体１が圧力センサ用の構造体を構成しており、センサ用構造体１のダイヤフラム１ｂにおける周部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を配設してあるが、圧力によるダイヤフラム１ｂの変位量の大きな中央部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を配設すれば、圧力によるダイヤフラム１ｂの変位量の小さな周部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を配設している場合と同じ感度であれば、ダイヤフラム１ｂの厚みを厚くすることができ、センサ用構造体１の機械的強度を高めることができる。

また、図１０に示すように、ダイヤフラム１ｂの周部の肉厚を中央部の肉厚に比べて厚く設定してダイヤフラム１ｂにおける上記一表面側とは反対側に段差部１ｄを形成しておき、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴを、ダイヤフラム１ｂにおける段差部１ｄとダイヤフラム１ｂの厚み方向（図１０の上下方向）において重複する部位に配設すれば、図１の構成のようにダイヤフラム１ｂの厚みが一定であってダイヤフラム１ｂの周部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３が配設されている場合に比べて、圧力によるダイヤフラム１ｂの変形によってゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴへより大きなひずみを与えることができ、高感度化を図ることができる。

また、図１に示した例では、センサ用構造体１の上記一表面側に固着されるカバー７におけるセンサ用構造体１との対向面からバイアス部７ｂが突設されており、第１のシリコン基板からなるセンサ用構造体１の上記一表面側に第２のシリコン基板あるいはガラス基板からなるカバー７を周知の接合方法により固着することにより、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴへバイアス部７ｂを当接させることができる。

このようにバイアス部７ｂを形成したカバー７をセンサ用構造体１の上記一表面側に固着する代わりに、図１１に示すように、センサ用構造体１の上記一表面側においてゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴに交差する（直交する）ようにパターニングされた絶縁体膜（例えば、ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、ポリイミド膜など）からなり上記バイアス部７ｂと同様の機能を有するバイアス部８を設けてもよい。このようにパターニングされた絶縁体膜からなるバイアス部８は、例えば、センサ用構造体１の上記一表面側に各抵抗Ｒ１〜Ｒ４を構成するカーボンナノチューブＣＮＴを生成した後、センサ用構造体１の上記一表面側の全面に絶縁体膜を成膜し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して絶縁体膜をパターニングすればよい。したがって、このようなバイアス部８を採用すれば、センサ用構造体１の上記一表面側に別部材であるカバー７を固着することなく、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴへバイアス部８を高い位置精度で当接させることができるので、図１の構成に比べて、低コスト化および薄型化を図ることができる。

なお、上述の実施形態では、物理量センサの一例として圧力センサについて説明したが、本願発明の技術思想は、圧力センサに限らず、例えば、ゲージ抵抗を利用した他の物理量センサ（例えば、加速度センサ、ジャイロセンサなど）にも適用することができる。

実施形態を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ｂ）の要部Ｃの拡大図である。同上における要部説明図である。同上におけるセンサ用構造体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。同上におけるセンサ用構造体の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。同上におけるカバーを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は下面図である。同上の動作説明図である。同上の他の構成例の要部断面図である。同上の他の構成例の要部断面図である。同上の他の構成例の要部説明図である。同上の他の構成例の要部断面図である。同上の他の構成例の要部斜視図である。従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は（ｂ）の要部拡大図である。同上の動作説明図である。他の従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は（ｂ）の要部拡大図である。カーボンナノチューブの曲げ角度の説明図である。カーボンナノチューブの曲げ角度とゲージ率との関係図である。

符号の説明

１センサ用構造体
１ａフレーム
１ｂダイヤフラム
１ｃ凹所
２絶縁膜
６凹部
７カバー
７ａ凹所
７ｂバイアス部
ＣＮＴカーボンナノチューブ
Ｒ１，Ｒ３ゲージ抵抗
Ｒ２，Ｒ４基準抵抗

Claims

検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面上に形成された対となる電極間に架け渡されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の一表面側に、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部に当接し少なくともセンサ用構造体に力が働いたときに前記力に起因した当該カーボンナノチューブの変形とは別に当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする物理量センサ。
ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部には、対となる電極の並設方向に並んだ複数のバイアス部が当接していることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
バイアス部は、センサ用構造体に前記力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧しカーボンナノチューブの曲げ角度を１７２°とするように、センサ用構造体の前記一表面との相対的な位置関係が設定されてなることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
センサ用構造体は、前記一表面において対となる電極の形成部位の間に凹部が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の物理量センサ。
凹部は、断面Ｖ次状であって開き角度が１７２°を超えないように設定され、当該凹部を挟んで対向する電極間に架け渡されるカーボンナノチューブは、凹部の内面であって互いに傾斜した２つの面に沿った形状となっていることを特徴とする請求項４記載の物理量センサ。
センサ用構造体が、前記一表面とは反対側の他表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラムを有する圧力センサ用の構造体であり、ゲージ抵抗は、ダイヤフラムの中央部に配設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに物理量センサ。
センサ用構造体が、前記一表面とは反対側の他表面に凹所を設けることにより形成したダイヤフラムを有する圧力センサ用の構造体であり、ダイヤフラムの周部の肉厚が中央部の肉厚に比べて厚く設定され、ゲージ抵抗は、ダイヤフラムにおける前記一表面側とは反対側に形成された段差部とダイヤフラムの厚み方向において重複する部位に配設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の物理量センサ。
センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の物理量センサ。
バイアス部は、センサ用構造体の前記一表面側においてゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブに交差するようにパターニングされた絶縁体膜からなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の物理量センサ。