JP6773437B2

JP6773437B2 - 応力センサ

Info

Publication number: JP6773437B2
Application number: JP2016072668A
Authority: JP
Inventors: 京平小林; 涼上野; 阿部　真一; 真一阿部
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017181432A

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る中間層と、
前記中間層上に配置される感応膜と、
前記ダイヤフラムにおいて前記中間層の外縁と接触する領域に位置する検出部と、を備える。

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。本実施形態におけるダイヤフラムの接触領域の一例を示す図である。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、中間層３０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１，４２，４３とを備える。ダイヤフラム１０の上面に、中間層３０が配置され、中間層３０の上面に感応膜２０が配置される。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、流体中の物質を検出する。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、検出対象となる所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型第２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、中間層３０を介して、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。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、酢酸ビニル、クロロエチレン、エポキシ樹脂、ニトロセルロース、メタクリレート樹脂またはポリビニルピロリドン等が挙げられる。

中間層３０は、ダイヤフラム１０と感応膜２０との間に配置される薄膜層である。中間層３０は、本実施形態では上面視において円形状である。応力センサ１が中間層３０を有することにより、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、ダイヤフラム１０において中間層３０の外縁３１と接触する領域（以下「接触領域」ともいう）に生じる応力が、中間層３０を有さない場合と比較して大きくなる。この原理の詳細については、後述する。中間層３０の材料は、例えば、金、アルミニウム、銀、スズ、マグネシウムまたはこれらの合金などの金属材料、ソーダガラス等のガラス材料、あるいはフッ化リチウム等のアルカリハライド等である。

接触領域は、ダイヤフラム１０において中間層３０の外縁３１と接触する領域の近辺を含む。ダイヤフラム１０において中間層３０の外縁３１と接触する領域の近辺は、上面視において外縁３１から所定の距離内の範囲を含む。従って、接触領域は、本実施形態では、例えば図３において領域Ｄとして示すように、円環形状の領域である。接触領域Ｄでは、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、中間層３０の存在に起因したダイヤフラム１０の変形に伴い、他の領域と比較して応力が大きく変化する。

なお、中間層３０は、ダイヤフラム１０と同程度またはダイヤフラム１０よりも小さい。中間層３０の直径は、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下に設定されていばよい。また、接触領域とは、例えば、中間層３０の外縁３１から±２０μｍ以下の範囲であればよい。

中間層３０は、ダイヤフラム１０のヤング率と、感応膜２０のヤング率との中間のヤング率の材料により形成される。本実施形態において、ダイヤフラム１０のヤング率は、感応膜２０のヤング率よりも高いため、中間層３０のヤング率は、ダイヤフラム１０のヤング率よりも低く、感応膜２０のヤング率よりも高い材料により形成される。

なお、ダイヤフラム１０のヤング率は、例えば、１００ＧＰａ以上１２０ＧＰａ以下であればよい。また、感応膜２０のヤング率は、例えば、０．１ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下であればよい。また、中間層３０のヤング率は、例えば、５ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下であればよい。

中間層３０は、円形状であってもよい。そして、中間層３０の直径は、感応膜２０の直径以上であってもよい。その結果、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の接触領域Ｄに生じる応力がさらに大きくなる。

また、中間層３０の厚さは、感応膜２０の厚さよりも小さく（薄く）てもよい。中間層３０の厚さが小さいほど、製造時の加工がしやすいため、外縁３１の形状を所望の形状に加工しやすくなる。なお、感応膜２０の厚さは、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下であればよい。また、中間層３０の厚さは、例えば、０．１μｍ以上２μｍ以下であればよい。

ピエゾ抵抗素子４０〜４３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４０〜４３は、例えばｐ型Ｓｉである。ピエゾ抵抗素子４０〜４３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４０〜４３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４０〜４３は、ダイヤフラム１０上の接触領域Ｄに位置する。本実施形態では、図１に示すように、４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３は、上面視において中間層３０の外縁３１に沿って等間隔に配置されている。

また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３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４０〜４３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４０〜４３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４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３の全てを用いて構成する必要はなく、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いて構成してもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３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４０〜４３は、接触領域Ｄに位置している。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、中間層３０の外側に位置する部分が、中間層３０の内側に位置する部分よりも大きくてもよい。その結果、応力センサ１の検出精度を向上させることができる。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば、帯状である。ピエゾ抵抗素子４０〜４３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４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３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４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。

次に、ダイヤフラム１０に生じる応力について、図４を参照して説明する。図４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４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、中間層３０が変形し、さらにダイヤフラム１０において中間層３０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、接触領域Ｄに応力が生じる。

具体的には、ダイヤフラム１０において中間層３０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。このとき、本実施形態におけるダイヤフラム１０の接触領域Ｄには、中間層３０を介して変形による応力が生じる。中間層３０のヤング率は、感応膜２０のヤング率よりも高いため、ダイヤフラム１０に中間層３０が配置されずに直接感応膜２０が配置された場合と比較して、ダイヤフラム１０の接触領域Ｄに生じる応力が高まる。すなわち、ダイヤフラム１０に直接感応膜２０が配置された場合には、感応膜２０はヤング率が中間層３０よりも低いため、ダイヤフラム１０は、より緩やかな曲面を形成して変形する。これに対し、本実施形態のダイヤフラム１０の接触領域Ｄには、感応膜２０よりもヤング率が高い中間層３０を介して変形させる力がかかるため、接触領域Ｄにおける変形が、より大きくなる。そのため、本実施形態のダイヤフラム１０は、接触領域Ｄに生じる応力が高くなる。

以上のように、本実施形態に係る応力センサ１では、ダイヤフラム１０に中間層３０が配置されない場合と比較して、接触領域Ｄに生じる応力が高くなる。そのため、接触領域Ｄに位置するピエゾ抵抗素子４０〜４３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の一例について、図５〜図１１を参照して説明する。なお、図５〜図１１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５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５に示すように、ＳＯＩ基板１００は、第１基板１１０と、ＳｉＯ_２層１１１と、第２基板１１２とを備える。第１基板１１０および第２基板１１２は、Ｓｉ基板である。第１基板１１０は、ダイヤフラムとして機能させるものであり、第２基板１１２よりも薄い。ＳＯＩ基板１００では、第２基板１１２上にＳｉＯ_２層１１１が配置され、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５に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図６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４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂを形成する。

（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図６に示すマスクパターン２００を除去した後、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。図７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４０〜４３を形成する。

（４）金属配線の形成
図７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８（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８（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８（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４１ａ等による接続によって、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。

（５）中間層の形成
図８（ｃ）に示すマスクパターン２０２を除去した後、中間層を形成する。中間層３０は、図９に示すように、第１基板１１０上に所定の材料を塗布することにより、形成される。このとき、フォトリソグラフィにより、中間層３０を所望の形状に成形してもよい。

（６）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１０（ａ）に示すように、第２基板１１２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１１２を、ドライエッチングして凹部４００を形成する。このとき、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１０（ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２層１１１を除去してダイヤフラムを形成する。

（７）感応膜の形成
図１０に示すマスクパターン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１１に示すように、感応膜材料を中間層３０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応力センサ
２ガス分子
１０ダイヤフラム
２０感応膜
３０中間層
３１外縁
４０，４１，４２，４３ピエゾ抵抗素子（検出部）
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ拡散配線
１００ＳＯＩ基板
１１０第１基板
１１１ＳｉＯ_２層
１１２第２基板
２００，２０１，２０２，２０４マスクパターン
３００金属層
３００ａ，３００ｂ金属配線
３１０ａ，３１０ｂ絶縁層
４００凹部

Claims

ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置される中間層と、
前記中間層上に配置される感応膜と、
前記ダイヤフラムにおいて前記中間層の外縁と接触する領域に位置する検出部と、を備え、
前記中間層のヤング率は、前記ダイヤフラムのヤング率よりも小さく、
前記感応膜のヤング率は、前記中間層のヤング率よりも小さい、
応力センサ。
前記中間層の厚さは、前記感応膜の厚さよりも小さい、請求項１に記載の応力センサ。
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又は２に記載の応力センサ。
前記検出部は、前記外縁の外側に位置する部分が前記外縁の内側に位置する部分よりも大きい、請求項３に記載の応力センサ。