JP2009198337A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することが可能なセンサ装置を提供する。
【解決手段】センサ装置１は、フレーム部１０と、可動部２０と、フレーム部１０と可動部２０とに架け渡されるカーボンナノチューブ素子３１とを備えている。さらに、センサ装置１は、フレーム部１０と可動部２０とを連結すると共に蛇腹状に形成されたコルゲート部４０を備え、カーボンナノチューブ素子３１の抵抗値の変化によって、検出対象となる物理量を検出する構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置に関する。

フレーム部の内側に薄膜状のダイヤフラムを形成すると共に、ダイヤフラム上にカーボンナノチューブ素子を形成したセンサ装置が知られている。このセンサ装置では、物量量の変化に応じてダイヤフラムが変位し、カーボンナノチューブ素子に歪みが発生する。この歪みによってカーボンナノチューブ素子の抵抗値は変化し、この抵抗値の変化によって、各種の物理量を検出することができる（特許文献１参照）。
特開２００６−９０８０７号公報

センサ装置では、高感度化を図るためにダイヤフラムの変位量を大きくしてカーボンナノチューブ素子に加わる歪みを大きくする必要がある。このため、よりダイヤフラムを薄く形成する必要がある。しかし、従来のセンサ装置において、ダイヤフラムを薄くすると、ダイヤフラムの破壊耐圧が低下してしまうため、高感度化にも限界が生じてしまう。特に、車載関係などの分野では、センサ機能が停止してしまうことを避けるために、破壊耐圧を低下させるわけにもいかず、ダイヤフラムを薄くすることに限界があり、高感度化が一層困難となっている。

本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することが可能なセンサ装置を提供することである。

本発明に係るセンサ装置は、固定支持されたフレーム部と、物理量の変化に応じて変位する可動部と、フレーム部と可動部とに架け渡されるカーボンナノチューブ素子と、フレーム部と可動部とを連結すると共に蛇腹状に形成されたコルゲート部と、を備え、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、検出対象となる物理量を検出する。

このセンサ装置によれば、フレーム部と可動部とを連結する蛇腹状のコルゲート部を備えるため、蛇腹の伸縮によりフレーム部に対する可動部の変位量を大きくすることができると共に、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量についても大きくすることができる。よって、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量を大きくするために、可動部等を過度に薄膜化する必要が無く、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。

また、本発明に係るセンサ装置において、カーボンナノチューブ素子は、フレーム部から可動部に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子が可動部上において電気的に接続されていることが好ましい。

このセンサ装置によれば、カーボンナノチューブ素子は、フレーム部から可動部に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子が可動部上において電気的に接続されているため、可動部の変位量を検出するために配線パターンと接続される電極を可動部上に設ける必要がなくなる。このため、可動部という変位する部材に配線することなく、フレーム部という安定的な部位に配線することができ、断線等を防止することができる。

また、本発明に係るセンサ装置において、可動部は、コルゲート部によって全周に亘りフレーム部に支持され、可動部及びコルゲート部は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出することが好ましい。

このセンサ装置によれば、可動部は、コルゲート部によって全周に亘りフレーム部に支持され、可動部及びコルゲート部は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出するため、本発明に係るセンサ装置を圧力センサとして用いることができる。

また、本発明に係るセンサ装置において、可動部に設けられた重りをさらに備え、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、重りに付与される加速度を検出することが好ましい。

このセンサ装置によれば、可動部に設けられた重りをさらに備え、カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、重りに付与される加速度を検出するため、本発明に係るセンサ装置を加速度センサとして用いることができる。

また、本発明に係るセンサ装置において、カーボンナノチューブ素子は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられていることが好ましい。

このセンサ装置によれば、カーボンナノチューブ素子は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられているため、平面上において２次元方向の加速度を検出できると共に、平面に垂直な方向の加速度を検出することができる。従って、３次元方向の加速度を検出する加速度センサを提供することができる。

本発明によれば、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。センサ装置１は、シリコン基板を加工して形成したものであって、装置に加わる物理量を検出するものである。このセンサ装置１は、図１に示すように、フレーム部１０と、可動部２０と、複数のカーボンナノチューブ部３０と、コルゲート部４０とを備えている。なお、第１実施形態では、検出対象となる物理量として圧力差を検出するセンサ装置１を例に説明する。

フレーム部１０は、図１（ｂ）に示すように、矩形枠状に形成され、例えばガラス製の台座に固定支持されたものである。可動部２０は、センサ装置１に加わる物理量に応じて変位するものであって、裏面側から例えば異方性エッチングにより凹部が形成されることによって薄膜状に形成されている（図１（ａ）参照）。この可動部２０は、図１（ｂ）に示すように、フレーム部１０の内側で全周に亘りコルゲート部４０によって支持されている。

カーボンナノチューブ部３０は、カーボンナノチューブ素子３１によって構成されている。カーボンナノチューブ素子３１は、変形に応じて導電率、すなわち抵抗値が変化する素子であって、フレーム部１０と可動部２０に架け渡されて配置されている。また、カーボンナノチューブ素子３１は、図１（ｂ）に示すように、フレーム部１０から可動部２０に向けて複数本（本実施形態では２本）並べて設けられており、それぞれのカーボンナノチューブ素子３１の一端には電極３２が設けられ、他端にはコンタクト部３３が設けられている。具体的には、フレーム部１０上の第１電極３２ａから可動部２０に向けて第１カーボンナノチューブ素子３１ａが架け渡され、可動部２０上のコンタクト部３３に至り、コンタクト部３３において折り返されるようにして、フレーム部１０に向けて第２カーボンナノチューブ素子３１ｂが架け渡され、フレーム部１０上の第２電極３２ｂに至る構成となっている。このように、複数本並べて設けられるカーボンナノチューブ素子３１は、可動部２０上において電気接続された構造となっている。

なお、本実施形態においてカーボンナノチューブ部３０は、コンタクト部３３を有しているが、これに限らず、コンタクト部３３を有していなくともよい。

加えて、カーボンナノチューブ部３０は、複数設けられており、第１カーボンナノチューブ部３０ａは、矩形状のフレーム部１０の一端側から可動部２０に向けて架け渡されている。また、第２カーボンナノチューブ部３０ｂは、フレーム部１０の他端側から可動部２０に向けて架け渡されている。このように、カーボンナノチューブ部３０は、フレーム部１０の両側から可動部２０へ架け渡された構成となっている。

コルゲート部４０は、フレーム部１０と可動部２０とを連結するものであって、蛇腹状に構成されたものである。また、コルゲート部４０は、薄膜形成されている。このため、可動部２０及びコルゲート部４０は、ダイヤフラム部を構成しており、可動部２０は、ダイヤフラム部の表裏の圧力差に応じて、ダイヤフラム部の表裏方向に変位する構成となっている。

次に、本実施形態に係るセンサ装置１の動作を説明する。まず、図１（ａ）に示すように、ダイヤフラム部の裏側から表側よりも高い圧力が加わったとする。このとき、ダイヤフラム部が薄膜形成されているため、可動部２０は、表側へ変位することとなる。これにより、カーボンナノチューブ部３０のカーボンナノチューブ素子３１も変形することとなり、カーボンナノチューブ素子３１の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差が検出される。

特に、本実施形態では、フレーム部１０と可動部２０との間に蛇腹状のコルゲート部４０が設けられているため、蛇腹状でない場合と比較して可動部２０の変位量は大きくなる。これにより、カーボンナノチューブ素子３１も変形量が大きくなって、抵抗値の変化量についても大きくなる。よって、センサ装置１は、圧力差の検出感度が高められることとなる。

なお、圧力差の検出については、例えば、第１電極３２ａと第２電極３２ｂとを配線パターンに接続して所定電圧を印加しておく。これにより、可動部２０が変位してカーボンナノチューブ素子３１の抵抗値が変化すると、電流値が変化してダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出することができる。

また、本実施形態では、カーボンナノチューブ素子３１が複数本並べて設けられ、これらが可動部２０上で電気接続されているため、可動部２０の変位量を検出するために配線パターンと接続される電極３２を可動部２０上に設ける必要がなくなる。このため、可動部２０という変位する部材に配線することなく、フレーム部１０という安定的な部位に配線することができ、断線等を防止することができる。

このようにして、第１実施形態に係るセンサ装置１によれば、フレーム部１０と可動部２０とを連結する蛇腹状のコルゲート部４０を備えるため、蛇腹の伸縮によりフレーム部１０に対する可動部２０の変位量を大きくすることができると共に、カーボンナノチューブ素子３１の抵抗値の変化量についても大きくすることができる。よって、カーボンナノチューブ素子３１の抵抗値の変化量を大きくするために、可動部２０等を過度に薄膜化する必要が無く、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。

また、カーボンナノチューブ素子３１は、フレーム部１０から可動部２０に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子３１が可動部２０上において電気的に接続されているため、可動部２０の変位量を検出するために配線パターンと接続される電極を可動部２０上に設ける必要がなくなる。このため、可動部２０という変位する部材に配線することなく、フレーム部１０という安定的な部位に配線することができ、断線等を防止することができる。

また、可動部２０は、コルゲート部４０によって全周に亘りフレーム部１０に支持され、可動部２０及びコルゲート部４０は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、カーボンナノチューブ素子３１の抵抗値の変化量に基づいて、ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出するため、本実施形態に係るセンサ装置１を圧力センサとして用いることができる。

次に、第２実施形態に係るセンサ装置を説明する。第２実施形態に係るセンサ装置は、第１実施形態のものと同様であるが、構成が一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点のみ説明する。

図２は、第２実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図２に示すセンサ装置２は、検出対象となる物理量として加速度を検出するものであって、図１に示した構成に加えて、図２（ａ）に示すように、重り５０を備えている。重り５０は、エッチングによって形成された凹部内に位置するように、可動部２０と一体的に設けられている。

また、カーボンナノチューブ部３０は、平面配置状態で互いに直交する方向に複数（本実施形態では４つ）設けられている。具体的には、図２（ｂ）に示すようにフレーム面と直交する方向にＺ軸を想定し、フレーム面と平行に互いに直交関係にあるＸ軸及びＹ軸を想定した場合、第１及び第２カーボンナノチューブ部３０ａ，３０ｂがＸ軸に平行となるように配置されている。また、残り２つの第３及び第４カーボンナノチューブ３０ｃ，３０ｄはＹ軸に平行となるように配置されている。これにより、センサ装置２は、３次元の加速度センサとして機能することができる。

次に、本実施形態に係るセンサ装置２の動作を説明する。図３は、第２実施形態に係るセンサ装置２の動作を示す断面図である。まず、Ｘ軸に対して正の向きに加速度が加わったとする。この場合、可動部２０は、重り５０の重心位置Ｇを中心に回転運動することとなる。このため、第１カーボンナノチューブ部３０ａは、Ｚ軸に対して負の方向（可動部２０の表側を正とする）に変位し、第２カーボンナノチューブ部３０ｂはＺ軸に対して正の方向に変位する。これにより、第１及び第２カーボンナノチューブ部３０ａ，３０ｂのカーボンナノチューブ素子３１は、抵抗値が変化することとなる。また、この場合において、第３及び第４カーボンナノチューブ部３０ｃ，３０ｄは捻れることとなり、第３及び第４カーボンナノチューブ部３０ｃ，３０ｄのカーボンナノチューブ素子３１についても抵抗値が変化することとなる。そして、抵抗値の変化量から、重り５０に付与される加速度が検出されることとなる。

一方、Ｚ軸に対して正の向きに加速度が加わったとする。この場合、可動部２０は、重り５０の重心位置Ｇは、Ｚ軸に対して正の方向に変位することとなる。このとき、第１〜第４カーボンナノチューブ部３０ａ〜３０ｄのカーボンナノチューブ素子３１についても、Ｚ軸に対して正の方向に変位することとなり、抵抗値が変化することとなる。そして、抵抗値の変化量から、重り５０に付与される加速度が検出されることとなる。

なお、図３（ａ）では、Ｘ軸に対して正の向きに加速度が加わった場合を例示したが、Ｘ軸に対して負の向きに加速度が加わった場合、並びに、Ｙ軸に対して正又は負の向きに加速度が加わった場合についても同様である。また、図３（ｂ）では、Ｚ軸に対して正の向きに加速度が加わった場合を例示したが、Ｚ軸に対して負の向きに加速度が加わった場合も同様である。加えて、ＸＹＺ軸に沿わない方向から加速度が加わった場合、センサ装置２は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した例を複合することによって抵抗値の変化量から、重り５０に付与される加速度を検出することができる。

このようにして、第２実施形態に係るセンサ装置２によれば、第１実施形態と同様に、高感度化を図りつつも破壊耐圧の低下を抑制することができる。

さらに、第２実施形態によれば、可動部２０に設けられた重り５０をさらに備え、カーボンナノチューブ素子３１の抵抗値の変化量に基づいて、重り５０に付与される加速度を検出するため、本実施形態に係るセンサ装置２を加速度センサとして用いることができる。

また、カーボンナノチューブ素子３１は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられているため、平面上において２次元方向の加速度を検出できると共に、平面に垂直な方向の加速度を検出することができる。従って、３次元方向の加速度を検出する加速度センサを提供することができる。

以上、本発明に係るセンサ装置を実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、上記実施形態においてカーボンナノチューブ部３０は、２本のカーボンナノチューブ素子３１を有しているが、これに限らず、１本又は３本以上であってもよい。

また、上記実施形態においてカーボンナノチューブ部３０は、２つ又は４つであるが、これに限らず、１つ、３つ又は５つ以上であってもよい。

さらに、第２実施形態に係るセンサ装置２は、可動部２０の全周に亘ってコルゲート部４０が設けられてフレーム部１０に支持されているが、これに限らず、可動部２０の全周に亘ってコルゲート部４０が設けられていなくともよい。

本発明の第１実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 第２実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 第２実施形態に係るセンサ装置の動作を示す断面図である。

符号の説明

１，２ センサ装置
１０ フレーム部
２０ 可動部
３０ カーボンナノチューブ部
３１ カーボンナノチューブ素子
４０ コルゲート部
５０ 重り

Claims (5)

1. 固定支持されたフレーム部と、
   物理量の変化に応じて変位する可動部と、
   前記フレーム部と前記可動部とに架け渡されるカーボンナノチューブ素子と、
   前記フレーム部と前記可動部とを連結すると共に蛇腹状に形成されたコルゲート部と、を備え、
   前記カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、検出対象となる物理量を検出する
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記カーボンナノチューブ素子は、前記フレーム部から前記可動部に向けて複数本並べて設けられ、これらのカーボンナノチューブ素子が前記可動部上において電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記可動部は、前記コルゲート部によって全周に亘り前記フレーム部に支持され、
   前記可動部及び前記コルゲート部は、薄膜形成されてダイヤフラム部を為し、
   前記カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、前記ダイヤフラム部の表裏の圧力差を検出する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のセンサ装置。
4. 前記可動部に設けられた重りをさらに備え、
   前記カーボンナノチューブ素子の抵抗値の変化量に基づいて、前記重りに付与される加速度を検出する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のセンサ装置。
5. 前記カーボンナノチューブ素子は、平面配置状態において互いに直交する方向に複数設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。

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