JP6882850B2 - 応力センサ - Google Patents

Description

本発明は、応力センサに関する。

従来、ダイヤフラムを用いて圧力又は応力等を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラムに加えられる圧力を、ダイヤフラムの撓みに基づいて検出する圧力センサが開示されている。

特開２０１５−１４３７１３号公報

しかしながら、ダイヤフラムを用いた応力センサにおいて、応力の検出能力が必ずしも高くない場合がある。

かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、検出能力を向上できる応力センサを提供することにある。

本発明の一実施形態に係る応力センサは、
ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置された感応膜と、
前記ダイヤフラム上であって、前記感応膜の外縁部よりも外側の領域に配置された検出部と、を備え、
前記ダイヤフラムにおいて、前記検出部が配置された領域を含む配置領域の厚さは、該配置領域以外の他の領域の厚みよりも小さく、
前記感応膜の外縁部は、前記配置領域に位置している。

本発明の一実施形態に係る応力センサによれば、検出能力を向上できる。

本発明の一実施形態に係る応力センサの概略構成を示す上面図である。 図１に示す応力センサのＬ−Ｌ線に沿った断面図である。 ガス分子が感応膜に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。 本実施形態に係る応力センサの変形例を示す上面図である。 本実施形態に係る応力センサの他の変形例を示す上面図である。 図５に示す応力センサのＬ’−Ｌ’線に沿った断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。 本実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る実施形態では、ダイヤフラムの面上に配置された膜（感応膜）への物質の吸着によって、ダイヤフラムが変形し、ダイヤフラムに応力が生じるものとして説明する。また、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る応力センサ１の概略構成を示す上面図であり、図２は、図１に示す応力センサ１のＬ−Ｌ線に沿った断面図である。なお、本明細書では、ｚ軸正方向が上側、ｚ軸負方向が下側であるとして、以下説明する。

応力センサ１は、ダイヤフラム１０と、感応膜２０と、２個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１とを備える。感応膜２０は、ダイヤフラム１０の上面に配置される。応力センサ１は、感応膜２０が流体中の特定の物質を吸着することにより、特定の物質を検出する。応力センサ１には、例えば上面側から気体が吹きかけられる。応力センサ１は、吹きかけられた気体中に、検出対象となる特定のガス分子が含まれるか否かを検出できる。応力センサ１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて製造される。応力センサ１の製造方法の一例については後述する。

ダイヤフラム１０は、変形可能な部材である。ダイヤフラム１０は、例えば、薄い基板である。ダイヤフラム１０は、例えば、ｎ型のＳｉ基板とすることができる。ダイヤフラム１０は、図１に示すように、上面側から見て矩形状としてもよい。ダイヤフラム１０は、その周囲において、ダイヤフラム１０よりも厚い基板と一体として構成されている。ダイヤフラム１０は、上面に配置された感応膜２０が変形すると、感応膜２０の変形の度合いに応じて変形する。

感応膜２０は、本実施形態では上面視において円形状である。感応膜２０は、検出対象となる物質がその表面に吸着されると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、伸縮等して変形する。感応膜２０には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。ダイヤフラム１０及び感応膜２０の厚さは、感応膜２０に用いられる材料、検出対象となる物質等を考慮して適宜選択することができる。一例として、感応膜２０の材料は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレートまたはニトロセルロース等が挙げられる。

ピエゾ抵抗素子４０，４１は、自身が受ける応力によって抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子４０，４１は、例えば、ｐ型Ｓｉである。ピエゾ抵抗素子４０，４１は、ダイヤフラム１０がｎ型Ｓｉである場合には、ボロン（Ｂ）を拡散させて形成したものであってもよい。ピエゾ抵抗素子４０，４１は、ダイヤフラム１０上に配置される。本明細書において、ダイヤフラム１０上に配置されるとは、平板状のダイヤフラム１０の上面に配置された状態と、図２に示すようにダイヤフラム１０の上面側においてダイヤフラム１０に埋め込まれた状態とを含む。ピエゾ抵抗素子４０，４１は、ダイヤフラム１０上において、応力変化領域に位置する。

ここで、応力変化領域とは、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、感応膜２０の変形に起因したダイヤフラム１０の変形に伴い応力が大きく変化する領域である。応力変化領域は、例えば、ダイヤフラム１０において感応膜２０の外縁部２１と接触する領域（以下「接触領域」ともいう）を含む。接触領域は、ダイヤフラム１０において感応膜２０の外縁部２１と接触する領域の近辺を含む。ダイヤフラム１０において感応膜２０の外縁部２１と接触する領域の近辺は、上面視において、外縁部２１を基準に、外縁部２１よりも内側及び外側の所定の距離内の領域を含む。応力変化領域は、後述する図３において、一例として領域Ｄとして示されている。本実施形態では、図１に示すように、２個のピエゾ抵抗素子４０，４１は、上面視において外縁部２１よりも外側の領域に、感応膜２０を挟んで対向する位置に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子４０，４１は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。応力センサ１は、ピエゾ抵抗素子４０，４１で構成されたホイートストンブリッジ回路から、ピエゾ抵抗素子４０，４１の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、検出対象となる物質の感応膜２０への吸着を検出できる。なお、ホイートストンブリッジ回路は、必ずしも２個のピエゾ抵抗素子４０，４１の全てを用いて構成する必要はなく、ピエゾ抵抗素子４０，４１の何れか１個を用いて構成してもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０，４１の何れか１個を用いてホイートストンブリッジ回路を構成する際には、応力センサ１は、ホイートストンブリッジ回路に用いられる個数のピエゾ抵抗素子を、ダイヤフラム１０上に備えるようにしてもよい。

ピエゾ抵抗素子４０，４１は、図１に示すように、上面視において外縁部２１よりも外側に位置しているが、ピエゾ抵抗素子４０，４１は応力変化領域に位置していればよい。従って、ピエゾ抵抗素子４０，４１は、外縁部２１又は外縁部２１よりも内側に位置していてもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０，４１は、図１及び図２では、ダイヤフラム１０の上面側に位置しているが、ダイヤフラム１０の内部又は下面側に位置していてもよい。

また、本実施形態では、応力センサ１は２個のピエゾ抵抗素子４０，４１を備えるが、応力センサ１が備えるピエゾ抵抗素子の個数は２個に限られない。応力センサ１は、検出対象となる物質を検出可能な任意の個数のピエゾ抵抗素子を備えていればよい。

また、ダイヤフラム１０に生じる応力を検出する検出部として、ピエゾ抵抗素子の代わりに、他の圧電素子が用いられてもよい。

本実施形態のダイヤフラム１０において、配置領域の厚さは、配置領域以外の他の領域の厚さよりも小さい。ここで、配置領域は、ピエゾ抵抗素子４０，４１が配置された領域から所定の範囲内の領域を含む領域である。すなわち、配置領域は、例えば図１及び図２に領域Ｂとして示すように、上面視においてピエゾ抵抗素子４０，４１が配置された領域と、ピエゾ抵抗素子４０，４１が配置された領域から所定の範囲内の領域とを含む。配置領域Ｂは、図３に示す応力変化領域Ｄに含まれる。配置領域Ｂの厚さが、他の領域の厚さよりも小さいことにより、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に配置領域Ｂに生じる応力が、他の領域よりも大きくなる。この原理の詳細について説明する。

図３は、ガス分子２が感応膜２０に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。なお、ガス分子２は、応力センサ１を用いて検出する対象のガス分子を模式的に示すものである。

図３に示すように、ガス分子２が感応膜２０に吸着されると、感応膜２０が変形する。感応膜２０の変形に伴い、ダイヤフラム１０において感応膜２０が配置された領域も変形する。ダイヤフラム１０の変形により、配置領域Ｂに応力が生じる。

具体的には、ダイヤフラム１０において感応膜２０が配置された領域Ｃは、円形の感応膜２０の中心部が上側に盛り上がった凸形状に変形する。領域Ｃの変形により、ダイヤフラム１０において感応膜２０が配置されていない領域に対し、上側への力が働く。このとき、ダイヤフラム１０の配置領域Ｂは、他の領域よりも薄くなっているため、他の領域よりも変形しやすくなっている。そのため、配置領域Ｂでは、他の領域と比較して、ダイヤフラム１０の変形の度合いが大きくなり、当該箇所に生じる応力が大きくなる。そして、このように大きな応力が生じやすい配置領域Ｂは、ピエゾ抵抗素子４０，４１が配置された領域であるため、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際におけるピエゾ抵抗素子４０，４１の変形も大きくなる。そのため、ピエゾ抵抗素子４０，４１の抵抗値も、大きく変化しやすくなる。

以上のように、本実施形態に係る応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、配置領域Ｂにおけるダイヤフラム１０の変形の度合いが、他の領域と比較して、より大きくなる。そのため、配置領域Ｂに生じる応力もより大きくなる。そのため、配置領域Ｂに配置されたピエゾ抵抗素子４０，４１の抵抗値の変化もより大きくなる。これにより、応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、ダイヤフラム１０に生じる応力の検出能力を向上させることができる。そのため、応力センサ１では、検出対象となる物質の検出能力を向上させることができる。従って、応力センサ１によれば、検出能力を向上できる。

（本実施形態の変形例）
次に、本実施形態に係る応力センサ１の変形例について説明する。

図４は、本実施形態に係る応力センサ１の変形例（応力センサ１ａ）を示す上面図である。なお、図４に示す各構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

応力センサ１ａは、ダイヤフラム１０ａと、感応膜２０ａと、２個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１とを備える。応力センサ１ａにおいて、配置領域Ｂ’は、上面視において円形状である。配置領域Ｂ’は、感応膜２０ａと同心円の円環形状となるように形成されてもよい。すなわち、配置領域Ｂ’は、感応膜２０ａの外縁部２１ａよりも外側に、所定の幅Ｗの領域として、形成されている。

このような応力センサ１ａであっても、第１の実施形態に係る応力センサ１と同様の効果を得ることができる。

図５は、本実施形態に係る応力センサ１の他の変形例（応力センサ１ｂ）を示す上面図であり、図６は、図５に示す応力センサ１ｂのＬ’−Ｌ’線に沿った断面図である。なお、図５及び図６に示す各構成要素において、それぞれ図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

応力センサ１ｂは、ダイヤフラム１０ｂと、感応膜２０ｂと、２個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１とを備える。応力センサ１ｂにおいて、配置領域Ｂ’’は、上面視において、感応膜２０ｂの外縁部２１ｂの内側及び外側に跨るように形成されている。すなわち、図６に示す断面図において、他の領域よりも厚さが小さい配置領域Ｂ’’は、感応膜２０ｂの一部の下方にまで及んでいる。

このような応力センサ１ｂであっても、第１の実施形態に係る応力センサ１と同様の効果を得ることができる。

（本実施形態に係る応力センサの製造工程）
次に、本実施形態に係る応力センサの製造工程について、図７〜図１３を参照して説明する。なお、図７〜図１３に示す各構成要素において、同一の構成要素には同一符号を付す。

（１）ＳＯＩ基板の準備
まず、応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板を準備する。図７に、本実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す。図７に示すように、ＳＯＩ基板１００は、第１基板１１０と、第１のＳｉＯ_２層１１１と、第２基板１１３と、第２のＳｉＯ_２層１１４と、第３基板１１２とを備える。第１基板１１０、第２基板１１３及び第３基板１１２は、Ｓｉ基板である。第１基板１１０及び第２基板１１３は、ダイヤフラムとして機能させるものであり、第３基板１１２よりも薄い。ＳＯＩ基板１００では、第３基板１１２上に第２のＳｉＯ_２層１１４が配置され、第２のＳｉＯ_２層１１４上に第２基板１１３が配置され、第２基板１１３上に第１のＳｉＯ_２層１１１が配置され、第１のＳｉＯ_２層１１１上に第１基板１１０が配置されている。ＳＯＩ基板１００は、例えばいわゆる貼り合わせ法によって製造される。なお、以下では、第１基板１１０はｎ型であるとする。

（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図７に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図８に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２００を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２００の開口部に高濃度のボロン（Ｂ）を注入し、拡散配線４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂを形成する。

（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図８に示すマスクパターン２００を除去した後、ピエゾ抵抗素子４０，４１を形成する。図９に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２０１を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２０１の開口部に低濃度のボロン（Ｂ）を注入し、ピエゾ抵抗素子４０，４１を形成する。

（４）金属配線の形成
図９に示すマスクパターン２０１を除去し、所定のパターンの絶縁層３１０ａ，３１０ｂを積層した後、アルミニウム等の金属配線を形成する。図１０（ａ）に示すように、第１基板１１０上の全面にスパッタによって金属（例えばアルミニウム）を堆積させ、金属層３００（例えばアルミニウム層）を形成する。次に、図１０（ｂ）に示すように、金属層３００上にマスクパターン２０２を形成する。その後、図１０（ｃ）に示すように、マスクパターン２０２により保護されていない金属層３００をエッチングすることにより、金属配線３００ａ，３００ｂを形成する。金属配線３００ａ等及び拡散配線４０ａ等による接続によって、ピエゾ抵抗素子４０，４１は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。

（５）ダイヤフラムの形成
ＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、ダイヤフラムを形成する。図１１（ａ）に示すように、第３基板１１２上にマスクパターン２０３を形成した後、マスクパターン２０３により保護されていない第３基板１１２を、ドライエッチングして凹部４００を形成する。このとき、第２のＳｉＯ_２層１１４がストップ層の役割を果たすように、予めドライエッチングの条件を設定する。その後、ドライエッチングの条件を変更し、図１１（ｂ）に示すように、第２のＳｉＯ_２層１１４を除去して、ダイヤフラム１０のうち、配置領域Ｂではない他の領域を形成する。

（６）配置領域の形成
ダイヤフラム１０の他の領域を形成した後、配置領域Ｂを形成する。図１２（ａ）に示すように、第２基板１１３上にマスクパターン２０４を形成した後、マスクパターン２０４により保護されていない第２基板１１３を、ドライエッチングして、配置領域Ｂとなる箇所に凹部４０１を形成する。このとき、第１のＳｉＯ_２層１１１がストップ層の役割を果たすように、予めドライエッチングの条件を設定する。その後、ドライエッチングの条件を変更し、図１２（ｂ）に示すように、第１のＳｉＯ_２層１１１を除去して、配置領域Ｂを形成する。

（７）感応膜の形成
図１２（ｂ）に示すマスクパターン２０３，２０４を除去し、さらにＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、感応膜２０を形成する。図１３に示すように、感応膜材料をダイヤフラム上に塗布した後、乾燥させて感応膜２０を形成する。

なお、ここでは第１基板１１０がｎ型であるとして説明したが、例えば第１基板１１０がｐ型である場合には、上記（２）拡散配線（高ドープ層）の形成及び（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成において、ボロン（Ｂ）に替えてリン（Ｐ）を注入する。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１，１ａ，１ｂ 応力センサ
２ ガス分子
１０，１０ａ，１０ｂ ダイヤフラム
２０，２０ａ，２０ｂ 感応膜
２１，２１ａ，２１ｂ 外縁部
４０，４１ ピエゾ抵抗素子（検出部）
４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ 拡散配線
１００ ＳＯＩ基板
１１０ 第１基板
１１１ 第１のＳｉＯ_２層
１１２ 第３基板
１１３ 第２基板
１１４ 第２のＳｉＯ_２層
２００，２０１，２０２，２０３，２０４ マスクパターン
３００ 金属層
３００ａ，３００ｂ 金属配線
３１０ａ，３１０ｂ 絶縁層
４００，４０１ 凹部

Claims (4)

1. ダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの面上に配置された感応膜と、
   前記ダイヤフラム上であって、前記感応膜の外縁部よりも外側の領域に配置された検出部と、を備え、
   前記ダイヤフラムにおいて、前記検出部が配置された領域を含む配置領域の厚さは、該配置領域以外の他の領域の厚みよりも小さく、
   前記感応膜の外縁部は、前記配置領域に位置している、応力センサ。
2. 前記検出部は、前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の変形による応力変化が生じる応力変化領域に位置する、請求項１に記載の応力センサ。
3. 前記応力変化領域は、前記感応膜の外縁部と接触する接触領域及び該接触領域の近辺を含む領域である、請求項２に記載の応力センサ。
4. 前記検出部はピエゾ抵抗素子を含んで構成される、請求項１から３の何れか一項に記載の応力センサ。

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