(57)【要約】  基板１１２と、機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子１０２と、前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップ１０９を隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも１つの電極１０８と、前記少なくとも１つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構１０８とを有するＭＥＭＳ共振器１００に、前記振動子１０２および前記少なくとも１つの電極１０８のうち、一つを入力電極とし、一つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路を接続し、前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、圧力を検出する。
2012140846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子と、
前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも１つの電極と、
前記少なくとも１つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構と
を有するＭＥＭＳ共振器と、
前記振動子および前記少なくとも１つの電極のうち、１つを入力電極とし、別の１つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路と
を含み、
前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、前記圧力を検出する
ＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳ共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムが、前記圧力伝達機構を構成し、
前記少なくとも１つの電極が、前記ダイアフラムの少なくとも一部を形成している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項３】
前記ＭＥＭＳ共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムおよび前記ダイアフラムを前記少なくとも１つの電極に接続する少なくとも１つの結合部材が、前記圧力伝達機構を構成している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳ共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムと前記基板との間に、前記振動子および前記少なくとも１つの電極が配置され、
前記基板と前記ダイアフラムとの間に、前記少なくとも１つの電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも１つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも１つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子とは反対側に位置し、
前記第１のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Ａの内側表面が、前記第２のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において外側に位置し、
前記ダイアフラム、前記隔壁層Ａおよび前記隔壁層Ｂが、前記圧力伝達機構を構成している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項５】
前記振動子の固定される部分が、前記基板に固定されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項６】
前記振動子の固定される部分が、前記振動子の機械的振動を可能にする空間を囲む隔壁層であって、前記基板に固定されている隔壁層によって固定されている、請求項５に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項７】
前記振動子が、前記振動子の振動する部分が、前記振動子の固定される部分の間で、基板表面と平行に延びる梁である、梁構造体であり、
前記梁は、
底辺が基板表面と平行である三角形または台形である断面を有し、
前記梁の長手軸を中心としたねじり共振モードで機械的振動を行う、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項８】
前記検出回路が、増幅器を介したフィードバック回路を含み、
前記フィードバック回路の一部の信号が、周波数−電圧変換回路に送られるようになっており、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記振動子を所定の振動モードで発振させて、振動子の発振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じてギャップが変化したときに、前記振動子の共振周波数が変化することに起因する発振周波数の変化を、前記周波数−電圧変換回路により電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【請求項９】
前記検出回路が、前記入力電極に一定周波数の交流信号を入力し、前記出力電極から出力される交流信号の電圧変化を監視する回路であって、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記入力電極に一定信号の交流信号を入力したときの、前記振動子の共振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じて、ギャップが変化したときに生じる前記振動子の共振周波数の変化を、周波数−電圧変換回路により交流信号の電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は共振器、特にＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)素子に係り、微小機械要素が振動する共振器を用いた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＥＭＳ共振器を用いた圧力センサについて図７を参照して説明する。
図７（ａ）は、特許文献１に記載の圧力センサの断面図である。シリコン基板上に薄膜プロセスにより振動子３、犠牲層１０、シェル４、を構成し、犠牲層をエッチングにより除去した後にシェルに設けられていたエッチング液導入穴をふさいで振動子のまわりに真空室を形成する。後に、基板裏面をエッチングにより薄肉化しダイアフラムを形成する。【０００３】
基板裏面よりダイアフラムに圧力がかかるとダイアフラムがたわみ、振動子に応力が加わる。振動子が両端を固定した両持ち梁であると、梁の長さ方向の軸応力が変化することになるので、振動子の共振周波数は軸応力に応じて変化する。振動子とシェルが静電容量を形成しているので、振動子の励振と周波数変化の検出は電気的に行う。したがって、振動子の共振周波数の変化から、軸応力の変化を測定することができ、その軸応力の変化からダイアフラムに加わった力、即ち、圧力を測定することができる。【０００４】
特許文献１に記載の圧力センサの製造に際しては、シリコン基板表面に振動子、真空室およびシェルを形成した後に、この表面を保護した上でシリコン基板裏面においてエッチングマスクをあわせる工程、およびエッチング処理を行ってダイアフラムを形成する必要がある。そのため、目的とするダイアフラム厚が極めて薄く設計され、ダイアフラムの厚みが基板の厚みに対して非常に小さい場合には、ダイアフラム厚を精度よく仕上げることが困難になる。【０００５】
特許文献２に記載の圧力センサの断面図を図７（ｂ）に示す。振動子１４のまわりには薄膜により真空室が形成されている。特許文献１に記載の圧力センサとの差異は、最表面をポリシリコン層１１で形成した構造体１３がダイアフラムとして機能している点である。この圧力センサにおいては、ダイアフラム１３の表面に加わる圧力を振動子１４への応力に変換し、振動子１４の共振周波数変化を電気的に検出し、検出した電気的信号を圧力に変換して圧力を測定している。圧力に対する感度は、ダイアフラムの剛性、即ち、ポリシリコン層の厚みで決定される。特許文献２に記載の圧力センサにおいて、ダイアフラムは基板のエッチングにより形成されるものではないため、特許文献１の構成に比べて、ダイアフラムの厚みの制御が容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３７３０９号公報
【特許文献２】特表２００１−５０７８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これら従来のＭＥＭＳ共振器を用いた圧力センサでは、高精度に圧力を検出することは困難であった。本発明は、圧力変化を高分解能に検出することが可能な、ＭＥＭＳ共振器を用いた圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態のＭＥＭＳ圧力センサは、
基板と、
機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子と、
前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも１つの電極と、
前記少なくとも１つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構と
を有するＭＥＭＳ共振器と、
前記振動子および前記少なくとも１つの電極のうち、一つを入力電極とし、別の一つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路と
を含み、
前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、前記圧力を検出する
ＭＥＭＳ圧力センサである。
【発明の効果】
【０００９】
前記実施形態の圧力センサにおいては、振動子との間で静電容量を生じさせる要素（即ち、電極）を外部の圧力によって変位させ、その変位によって生じる電界強度の変化に起因する振動子の共振周波数の変化を電気的に検出し、それに基づいて圧力を検出する。したがって、前記実施形態によれば、高いＱ値を有する共振特性を利用することができるため、圧力を高分解能で検出するＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る、ＭＥＭＳ圧力センサ構造の（ａ）横断面図（ｂ）殻構造を除いた上面図
【図２】共振周波数変化の検出方法であって、（ａ）発振による検出方法（ｂ）固定周波数で共振器出力をモニタする検出方法を示す、模式図
【図３】アンカーの態様とＱ値劣化を説明する模式図であって、（ａ）振動子アンカー部のアンダーエッチ形状を説明する斜視図、（ｂ）アンダーエッチ形状が解消された圧力センサの構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態２に係る、ＭＥＭＳ圧力センサ構造の（ａ）横断面図、（ｂ）振動子長手方向に沿って切断した断面図、（ｃ）ダイアフラムを除いた上面図
【図５】本発明の実施の形態２に係るＭＥＭＳ圧力センサの動作説明図であって、（ａ）外圧とギャップ変位の関係を示すグラフ、および（ｂ）ギャップ変位と共振周波数変化の関係を示すグラフ
【図６】本発明の実施の形態３に係る、ＭＥＭＳ圧力センサの構造を示す断面図
【図７】従来のＭＥＭＳ圧力センサを説明する模式図であって、（ａ）殻（シェル）に内包された振動子とシェルとの間に静電容量が形成され、下部ダイアフラムへの圧力による振動子の共振周波数変化を検出する構造のＭＥＭＳ圧力センサの横断面図、（ｂ）殻がダイアフラムを兼用する構造の圧力センサの横断面図
【図８】ＭＥＭＳ圧力センサの圧力検出におけるＱ値の働きを説明する模式図であって、（ａ）共振のＱ値が高い場合の模式図、（ｂ）共振のＱ値が低い場合の模式図
【図９】ＭＥＭＳ圧力センサの構造が共振のＱ値に及ぼす影響を説明する模式図であって、（ａ）振動子のアンカー部を剛性の高い基板に固定した圧力センサの横断面図、（ｂ）振動子のアンカー部を剛性の低いダイアフラムに固定した圧力センサの横断面図
【図１０】本発明の実施の形態２の一変形例に係る、ＭＥＭＳ圧力センサ構造の（ａ）横断面図、（ｂ）振動子長手方向に沿って切断した断面図、（ｃ）ダイアフラムを除いた上面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず、本発明に至った経緯について以下に説明する。
共振器の性能指標としてＱ値がある。これは共振の尖鋭度を示しており、Ｑ値が高いほど、共振における振動エネルギの損失が小さいことを示している。Ｑ値が高い共振器を用いて発振させると、図８（ａ）のように発振スペクトラムも急峻なものになる。急峻ということは、発振の中心周波数に対して、近傍の周波数のノイズ成分が少ないということを意味する。したがって、Ｑ値が高い共振器を圧力センサとして用いた場合、圧力が変化して発振周波数が変化したときの周波数変化の分解能が高くなる。図８（ａ）の隣り合うスペクトルの周波数変化が電気回路で分解できる下限とした場合、図（ｂ）のようなＱ値の低い共振器を用いた発振で同じ圧力変化を分解しようとしても、Ｓ／Ｎが悪くなり分解不能となる。以上が、Ｑ値が高い共振器が望まれる理由である。
【００１２】
しかし、図９（ｂ）に示すような、殻構造体１３４０の一部であるダイアフラム１３３０に対して、振動子支持部１３２４がダイアフラム１３３０に固定支持される構成では、ダイアフラム１３３０の構造的な強度の弱さにより、振動子振動部１３２２の振動とともにダイアフラム１３３０も微振動し、それにより振動子１３２２のＱ値が劣化する。従って、図９（ａ）に示すように、振動子支持部１３１４は剛性の高い基板１３６０側にて固定支持されると、振動子振動部１３２２が振動してもダイアフラム１３３０が振動しにくくなり、振動エネルギの損失が小さくなるため、Ｑ値が高くなる。しかし、このように振動子１３１０を取り付けると、圧力によるダイアフラム１３３０の変形が振動子の軸応力に伝わりにくく、振動子１３１０の共振周波数に変化を及ぼさない。
【００１３】
この課題を解決するため、本発明者は種々の実験を重ねた結果、圧力によるダイアフラムの変形が振動子の応力変化を介して共振周波数を変化させるのではなく、振動子と電極の間のギャップを変化させて、それらの間に作用する電界強度に変化を生じさせ、それにより振動子の共振周波数に変化が生じる原理に着目した。その結果、本構成、すなわち、電極を変位させて、振動子と電極の間のギャップを変化させる構成により、圧力を高精度に検出できるＭＥＭＳ圧力センサを実現できることを見出した。
【００１４】
本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ圧力センサは、
基板と、
機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子と、
前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも１つの電極と、
前記少なくとも１つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構と
を有するＭＥＭＳ共振器と、
前記振動子および前記少なくとも１つの電極のうち、一つを入力電極とし、別の一つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路と
を含み、
前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、前記圧力を検出する
ＭＥＭＳ圧力センサである。
【００１５】
この構成のＭＥＭＳ圧力センサは、振動子との間で静電容量を形成する少なくとも１つの電極が、外部の圧力に応じて変位し、それによりギャップの変化が生じたときに、振動子−電極間を流れる交流信号の伝達特性が変化することを利用して、圧力を検出する。このような圧力検出機構は、従来のＭＥＭＳ圧力センサにおいて無いものである。また、この構成によれば、外部の圧力変化に対応して振動子に応力を生じさせる必要が無くなるため、高いＱ値の共振を用いることができ、圧力を高分解能で検出するＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
【００１６】
前記ＭＥＭＳ圧力センサは、例えば、
前記ＭＥＭＳ共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムが、前記圧力伝達機構を構成し、
前記少なくとも１つの電極が、前記ダイアフラムの少なくとも一部を形成している、
ように構成される。この構成によれば、構成が簡素であり、製造工程も簡素化可能なＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
あるいは、前記ＭＥＭＳ圧力センサは、例えば、
前記ＭＥＭＳ共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムおよび前記ダイアフラムを前記少なくとも１つの電極に接続する少なくとも１つの結合部材が、前記圧力伝達機構を構成している、
ように構成される。この構成によれば、基板の表面に対して垂直な方向に振動する振動モードだけでなく、基板の表面に対して平行に振動する振動モード、またはねじり振動モードなどの高いＱ値を有する振動モードで振動する振動子に対応したＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
【００１７】
あるいは、前記ＭＥＭＳ圧力センサは、例えば、
前記ＭＥＭＳ共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムと前記基板との間に、前記振動子および前記少なくとも１つの電極が配置され、
前記基板と前記ダイアフラムとの間に、前記少なくとも１つの電極によって隔てられる第１のキャビティおよび第２のキャビティが形成されており、
前記第１のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも１つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子側に位置し、
前記第２のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも１つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子とは反対側に位置し、
前記第１のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Ａの内側表面が、前記第２のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Ｂの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において外側に位置し、
前記ダイアフラム、前記隔壁層Ａおよび前記隔壁層Ｂが、前記圧力伝達機構を構成している、
ように構成することによって実現される。この構成によれば、構成が簡素であり、かつ製造工程も簡素化可能なＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
【００１８】
前記ＭＥＭＳ圧力センサにおいて、前記ＭＥＭＳ共振器が前記いずれかの構成を有する場合には、前記振動子の固定される部分が、前記基板に固定されていることが好ましい。例えば、前記振動子の固定される部分は、前記振動子の機械的振動を可能にする空間を囲む隔壁層であって、前記基板に固定されている隔壁層によって、固定されていてよい。基板は外部の圧力によって殆ど変位しないので、この構成によれば、振動子の振動の変化がギャップの変化以外の要因で生じにくくなり、高いＱ値で圧力を高分解能で検出するＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
【００１９】
また、前記ＭＥＭＳ圧力センサにおいて、
前記振動子が、前記振動子の振動する部分が、前記振動子の固定される部分の間で、基板表面と平行に延びる梁である、梁構造体であり、
前記梁は、
底辺が基板表面と平行である三角形または台形である断面を有し、
前記梁の長手軸を中心としたねじり共振モードで機械的振動を行う
ものであってよい。この構成によれば、高いＱ値で圧力を高分解能で検出するＭＥＭＳ圧力センサを実現できる。
【００２０】
また、前記ＭＥＭＳ圧力センサを構成する検出回路は、例えば、増幅器を介したフィードバック回路を含み、
前記フィードバック回路の一部の信号が、周波数−電圧変換回路に送られるようになっており、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記振動子を所定の振動モードで発振させて、振動子の発振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じてギャップが変化したときに、前記振動子の共振周波数が変化することに起因する発振周波数の変化を、前記周波数−電圧変換回路により電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力するものであってよい。この検出回路によれば、圧力による共振周波数の変化を電気信号として出力できる。
【００２１】
あるいは、前記ＭＥＭＳ圧力センサを構成する検出回路は、例えば、
前記入力電極に一定周波数の交流信号を入力し、前記出力電極から出力される交流信号の電圧変化を監視する回路であって、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記入力電極に一定信号の交流信号を入力したときの、前記振動子の共振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じて、ギャップが変化したときに生じる前記振動子の共振周波数の変化を、周波数−電圧変換回路により交流信号の電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力するものであってよい。この構成によれば、圧力による共振周波数の変化を電気信号として出力できる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつさらに詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１のＭＥＭＳ圧力センサの構成を説明する断面図であり、ＭＥＭＳ共振器の振動子と振動子に近接して配置された電極との間に直流電位差が加えられている状態を示している。図１（ａ）は横断面図（振動子の梁が延びる方向と垂直な方向に沿って切断した断面図）、図１（ｂ）は殻構造を除いた状態の基板１１２上に形成された振動子１０２を示す上面図である。
【００２４】
ＭＥＭＳ共振器１００において、振動子１０２は導電性を有する材料で構成された両持ち梁であり、機械的振動を行う振動部分（以下、「振動子振動部」とも呼ぶ）１０２ａと、振動子の両端に位置する振動子が固定される部分（以下、「振動子アンカー部」とも呼ぶ）１０２ｂとから構成されている。両端の振動子アンカー部１０２ｂは絶縁性の支持仲介層１０４を介して基板１１２に固定されている。基板１１２の振動子１０２が取り付けられた側の面には、振動子１０２を取り囲むように隔壁層１０７が形成され、さらに隔壁層１０７の上部にはダイアフラム１０８となる膜が形成されている。ダイアフラム１０８と隔壁層１０７により、殻構造１０６が形成されている。殻構造１０６は、ダイアフラム１０８と隔壁層１０７とから構成され、基板１１２とともに振動子１０２周辺に振動子振動部１０２ａの機械的振動を可能にする空間である閉空間１１０を形成している。基板１１２は、例えば、シリコンから成る基板である。
【００２５】
閉空間１１０の圧力Ｐｉは殻構造１０６外部の圧力Ｐｏと同等でよい。もしくは振動子のＱ値を向上させるために、Ｐｉ＜Ｐｏとして閉空間１１０の内部を減圧してもよい。ダイアフラム１０８を導電性材料で形成するか、あるいは複数層の積層構造からなるダイアフラムの少なくとも１層を導電性材料で形成することによって、ダイアフラムと振動子間のギャップ１０９に静電容量を形成することができる。
【００２６】
振動子はギャップを縮める又は広げる方向、すなわち基板表面に対して垂直な方向に振動する振動モードを利用する。図において、振動子１０２が振動する方向を両矢印で示している。ダイアフラムと振動子との間のギャップにバイアスＤＣ電圧を印加しておくと、振動子の共振周波数ｆ０の変動Δｆ０／ｆ０は、ギャップの寸法をｇとすると、ｇの−３乗に比例する。これは、静電型トランスデューサで一般に「ｓｐｒｉｎｇ  ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ」と呼ばれている現象である。従って、ダイアフラム１０８に外圧がかかるとダイアフラム１０８が変形し、さらにギャップ１０９が変化することによって、振動子の共振周波数が変化する。この共振周波数変化により、ダイアフラムに加わった力、即ち、圧力を検出することができる。したがって、この実施の形態においては、ダイアフラム１０８が、それと振動子１０２との間で静電容量を形成する電極として機能するとともに、外部から加わる圧力に応じて変位して、ギャップ１０９を変化させる。即ち、電極であるダイアフラム１０８はそれ自体変位して、ギャップ１０９を変化させる、圧力伝達機構として機能する。
【００２７】
図２（ａ）に圧力の検出方法を示す。ダイアフラムを入力電極として、ダイアフラムに接続されたＤＣ電源１１４により、ダイアフラム１０８と振動子１０２との間にバイアスＤＣ電圧を印加する。ここでは、振動子１０２を出力電極とし、出力電極から出力された交流信号が、ダイアフラムと振動子との間の静電容量、アンプ２０４、および位相調整器２０６を通過するループを形成するように、閉回路を形成する。アンプ２０４のゲインおよび位相調整器２０６の位相シフト量を調整して発振条件を満たすことによって、振動子の共振周波数にて発振する。ダイアフラムにかかる外圧に応じて発振周波数が変化する。発振信号を周波数−電圧変換器（Ｆ−Ｖ変換器）２０８に入力することにより、出力信号を圧力検出信号として得ることができる。したがって、図２（ａ）に示す検出回路においては、入力電極（図においてはダイアフラム１０８（多層構造の場合には、導電性材料層））と出力電極（図においては振動子１０２）との間に直流電位差を加えながら、入力電極から出力電極に至る交流信号の伝達特性として、振動子の共振周波数を検出し、これの変化に基づいて圧力を検出している。
【００２８】
あるいは、図２（ｂ）に示すように、ループを形成せずに、ある単一の周波数ｆｍｏｎを有するモニタ信号源２１０を入力電極（図においては、ダイアフラム１０８）に接続し、入力した交流信号をダイアフラム１０８と振動子１０２との間に形成された静電容量を通過させて、出力電極（図においては、振動子１０２）から出力させ、さらにアンプ２０４およびＦ−Ｖ変換器２０８を介して電気信号を得ることによって、圧力を検出することもできる。これは同図に示すように、共振特性のピーク位置が周波数軸上で圧力に依存しながらシフトしたときに、ある周波数の一点ｆｍｏｎにおける共振器出力信号が、共振波形の裾野位置を相対的に移動することを利用する検出方法である。例えば、図２（ｂ）に示すように、破線で示す共振周波数から実線で示す共振周波数に変化したとき、ｆｍｏｎの周波数のレベルが実線で示す共振周波数においては高く、破線で示す共振周波数においては低くなる。このレベルの変化を利用することにより、圧力を検出することが可能となる。図２（ｂ）に示す圧力の検出方法において、Ｆ−Ｖ変換器はモニタ信号源をリファレンス信号とした同期検波回路でもよい。図２（ｂ）に示す検出回路においても、入力電極から出力電極に至る交流信号の伝達特性として、振動子の共振周波数を検出し、これの変化に基づいて圧力を検出している。
【００２９】
以上、本実施の形態のＭＥＭＳ圧力センサを用いると、振動子アンカー部が剛性の高い基板に固定および支持された場合でも、振動子の応力変化に依らずに、ダイアフラムが受ける圧力を検出することができる。また、この形態においては、振動子アンカー部は剛性の高い基板に固定および支持されているので、振動子のＱ値の劣化は抑制され、高い分解能で圧力を検出することができる。
【００３０】
図１および図２に示す形態のＭＥＭＳ圧力センサは、例えば、基板１１２上に支持仲介層１０４に相当する厚さの絶縁体層（例えば、酸化シリコン層）を形成し、その上に、振動子１０２となる導電性層を形成し、さらに、ダイアフラム１０８と振動子１０２との間で所望のギャップが得られるように、所定の厚みを有する絶縁体層（例えば、酸化シリコン層）を形成し、絶縁体層の上に導電体材料から成るダイアフラム１０８を形成した後、エッチングにより、振動子振動部１０２ａの下の空間を含む閉空間１１０を形成する方法で製造される。この製造方法において、支持仲介層１０４と隔壁層１０７を同一材料で形成する場合、図３（ａ）に示すように、エッチングにより支持仲介層１０４も一部エッチングされる。その結果、支持仲介層１０４の大きさ（上面から見たときの大きさ）が振動子アンカー部１０２ｂのそれよりも小さくなり、振動子アンカー部１０２ｂの周縁は、その下部に構造体が存在せずに水平方向に突き出した形状（アンダーエッチ形状）になる。
【００３１】
振動子アンカー部１０２ｂがかかる形状を有すると、振動子振動部１０２ａの共振振動の一部は、振動子アンカー部１０２ｂの周縁のアンダーエッチ部分の振動に変換されて、支持仲介層１０４を介して基板１１２に散逸される。かかる散逸は、振動子１０２のＱ値を劣化させる。このＱ値の劣化を避けるためには、図３（ｂ）のように、振動子アンカー部１０２ｂの上部および側面にも隔壁層１０７を充填して、アンダーエッチ形状が発生しないようにすることが望ましい。
【００３２】
図３（ｂ）に、本実施の形態の変形例として、アンダーエッチ形状が発生していないＭＥＭＳ共振器を含むＭＥＭＳ圧力センサを示す。この変形例においては、振動子１０２の振動子アンカー部１０２ｂが、基板１１２に固定された隔壁層１０７によって固定されている。このように振動子１０２が固定されている場合にも、振動子１０２は隔壁層１０７を介して基板１１２に固定されているといえる。したがって、この変形例もダイアフラム１０８の変位によるギャップ１０９の変化に起因する、振動子１０２の共振周波数の変化を測定して、ダイアフラム１０８に加わる圧力を高い分解能で検出することを可能にする。図３（ｂ）に示す変形例においても、隔壁層１０７は２段階の工程で形成される。具体的には、まず、振動子１０２を形成する表面を与える下側隔壁層となる絶縁体層を形成し、振動子１０２となる導電層を形成した後、エッチングにより所望の形状の振動子１０２を形成する。それから、振動子１０２の上に上側隔壁層となる絶縁体層およびダイアフラム１０８を形成し、閉空間１１０となる部分および振動子振動部分１０２ａが形成されるように、エッチングをすることにより、振動子１０２を固定する隔壁層１０７が形成される。
【００３３】
図３（ｂ）においては、振動子１０２とダイアフラム１０８との間に、直流電源１１４を接続し、それらの間にバイアスＤＣ電圧が印加されている状態を簡略的に示している。必要に応じて、直流電源または他のデバイスと振動子１０２との電気的な接続のために、隔壁層にビアを設けてもよい。
【００３４】
（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態のＭＥＭＳ圧力センサの構成を説明する図であり、ＭＥＭＳ共振器の振動子と振動子に近接して配置された電極との間に直流電位差が加えられている状態を示している。図４（ａ）は横断面図（振動子の梁の長さ方向に垂直な方向で切断した断面図）、図４（ｂ）は梁型振動子の長さ方向に沿って切断した断面図、図４（ｃ）はダイアフラムを除いた状態の基板上に形成された振動子と隔壁層を示す上面図である。図４において、図１〜３で使用した符号と同じ符号で示した部分または部材は、図１〜３で説明した、それらの符号を付した部分または部材と同じであり、ここではその説明を省略することがある。
【００３５】
振動子１４２は、単結晶シリコンの結晶異方性エッチングにより形成された梁型振動子であり、振動子振動部１４２ａの断面形状は、三角形または台形である。振動子１４２ａは断面のおよそ重心を回転中心としてねじり振動を行う。ねじり振動モードを利用することにより、たわみ振動モードよりも高いＱ値が得られる。たとえば、振動子振動部１４２ａの長さを１００μｍとすると、たわみ振動モードは２ＭＨｚ、ねじり振動モードは２０ＭＨｚ付近の値となり、そのＱ値は、たわみ振動モードでは数万、ねじり振動モードでは２０万以上となる。このようにねじり振動モードのＱ値が高いのは、主に、ねじり振動モードはたわみ振動モードに比べて、振動子振動部１４２ａの振動が振動子アンカー部１４２ｂに漏れにくいこと、そして、ねじり振動モードはたわみ振動モードとは異なり、熱弾性損失が原理上発生しないことに起因する。
【００３６】
ねじり振動の励振とその検出には、第１の実施の形態のようにダイアフラムを電極として用いることはできない。ねじり振動を利用する共振器においては、図４（ａ）に示すように、振動子振動部１４２ａの断面形状の傾斜面の一部に近接して、ギャップ１４９を介して対向するように電極１４８を形成する。したがって、ダイアフラム１４５の変位をギャップ１４９の変化に変換するためには、ダイアフラム１４５の変位を電極１４８に伝達する別の要素が必要であり、そのような要素は、具体的には、ダイアフラム１４５と電極１４８とを接合する結合部材である。
【００３７】
図４（ａ）では、導電性のダイアフラム１４５と同一の材料で形成されているピラー１５２を結合部材として林立させ、ピラー１５２によりダイアフラム１４５と電極１４８とを接続している。即ち、ダイアフラム１４５とピラー（結合部材）１５２とが圧力伝達機構として機能する。ダイアフラム１４５の変位は結合部材１５２により電極１４８に伝達されて、電極１４８を変位させ、それによりギャップ１４９を変化させる。この形態においても、ギャップ１４９の変化により、振動子振動部１４２ａと電極１４８との間の電界強度に変化が生じて、振動子１４２の共振周波数が変化し、圧力をその共振周波数の変化として検出することが可能となる。
【００３８】
閉空間１５０は、基板１１２の上面から見ると、図４（ｃ）のように円形としている。すなわち、ダイアフラム１４５は円板状のダイアフラムとして圧力を受ける。ダイアフラム１４５とピラー１５２と電極１４８とは、およそ一体の弾性複合材料として考えることができる。この弾性複合材料が、平面方向において一様な性質を有するように、振動子１４２をはさんで対称となるようにダミー電極１４８’を設けている。図示した形態において、ダミー電極１４８’は振動子１４２との間で静電容量を形成しないので、電極としては機能しない。
【００３９】
この形態においては、図３（ｂ）に示すＭＥＭＳ圧力センサと同様に、振動子アンカー部１４２ｂは、その上下面に位置する隔壁層１４７によって固定されている。より詳細には、振動子アンカー部１４２ｂの下面の全体は、支持仲介層とも言える下側の隔壁層１４７ａによって、基板１１２に固定されるとともに、振動子アンカー部１４２ｂの上面全部および側面の大部分は、上側の隔壁層１４７ｂにより覆われている。これにより、アンダーエッジ形状が生じることなく、振動子１４２が基板１１２側に固定された構成が実現されている。また、隔壁層１４７はダイアフラム１４５とともに、殻構造１４６を形成して、閉空間１５０を形成している。
【００４０】
図示するように、振動子アンカー部１４２ｂの上面に位置する上側隔壁層１４７ｂの一部は、エッチングされて、貫通孔を形成している。この貫通孔には導電性材料が充填されて、ビア１５４が形成されている。ビア１５４は、振動子１４２との導通をとるために形成されている。このビア１５４を利用して、ダイアフラム１４５と振動子１４２との間にバイアスＤＣ電圧を印加することができる。印加は、図４（ａ）のＡと図４（ｂ）のＡ’とを結線して行う。
【００４１】
さらに、このＭＥＭＳ圧力センサ１４０においては、ダイアフラム１４５を二分する空隙１５６が設けられている。これは、ダイアフラム１４５が導電性材料から成る場合において、図４（ａ）のＡ（電極１４８からの電気的導通）と図４（ｂ）のＡ’（振動子１４２からの電気的導通）とを電気的に互いに分離するためである。
【００４２】
この実施の形態の変形例において、ダイアフラムおよびピラーは、絶縁性材料で形成されていてよい。その場合、ダミー電極を、振動子との間で静電容量を形成するように構成して、電極として機能させることもできる。ダミー電極に代えて、電極を形成する場合には、２つの電極それぞれと、振動子とから、電気的導通をとって、三端子回路を構成することができる。そのようなＭＥＭＳ圧力センサの一例を、図１０に示す。
【００４３】
図１０は、ＭＥＭＳ共振器の振動子と振動子に近接して配置された電極との間に直流電位差が加えられている状態を示している。図１０（ａ）は横断面図（振動子の梁の長さ方向に垂直な方向で切断した断面図）、図１０（ｂ）は梁型振動子の長さ方向に沿って切断した断面図、図１０（ｃ）はダイアフラムを除いた状態の基板上に形成された振動子と隔壁層を示す上面図である。図１０において、図１〜４で使用した符号と同じ符号で示した部分または部材は、図１〜４で説明した、それらの符号を付した部分または部材と同じであり、ここではその説明を省略することがある。
【００４４】
図１０において、ダイアフラム１４５およびピラー１５２はともに絶縁性材料で形成されている。また、振動子振動部１４２ａの断面形状の２つの傾斜面の一部にそれぞれ近接して、ギャップ１４９を介して対向するように、２つの電極１４８ａ、１４８ｂが形成されている。２つの電極１４８ａ、１４８ｂはともに、振動子振動部１４２ａとの間で静電容量を形成する。ダイアフラム１４５の周囲には、導電性材料１５８が配置されている。導電性材料１５８には、電極１４８ａからの電気的導通、１４８ｂからの電気的導通、および振動子１４２からの電気的導通を、電気的に互いに分離するため、空隙１５６および１５９が設けられている。
【００４５】
また、電極１４８ａ、１４８ｂの上面に位置する上側隔壁層１４７ｂの一部はエッチングされて、貫通孔を形成しており、この貫通孔には導電性材料が充填されてビア１５５、１５７が形成されている。このダイアフラムの周囲に配置された導電性材料およびビアによって、２つの電極の導通をとることができる。さらに、ビア１５５、１５７から導通を取り出す部分において、導電性材料１５８はギャップ１５９を介して他の導電性材料１５８から分離されており、２つの電極１４８ａ、１４８ｂからの電気的導通を、互いに、かつ振動子１４２からの電気的導通から分離している。図示したＭＥＭＳ圧力センサにおいては、振動子１４２と、電極１４８ａ、１４８ｂの間に直流電位差が加えられ、電極１４８ｂから入力され、１４８ａから出力される交流信号の伝達特性がそれぞれ検出回路によって検出される。
【００４６】
あるいは、図１０に示すＭＥＭＳ圧力センサにおいては、振動子１４２を入力電極とし、電極１４８ａ、１４８ｂを出力電極としてよい。その場合には、電極１４８ａ、１４８ｂから出力される交流信号は互いに逆相であるため、２つの電極から出力される信号の差分を出力する差動出力によって交流信号の伝達特性を検出する。また、この場合、電極１４８ａが−Ｖｐ、電極１４８ｂが＋Ｖｐ、振動子１４２が０となるように、直流電位差を加える必要がある。
【００４７】
図４に示す形態のＭＥＭＳ圧力センサにおいて、ダイアフラム１４５、ピラー１５２、および電極１４８からなる弾性複合材料の曲げ剛性が２×１０−８ｋｇ・ｍであり、円板ダイアフラム１４５の直径が１００μｍであり、閉空間の圧力が１０Ｐａであり、外圧Ｐ０が１気圧（１０３１２５Ｐａ）から、±５０ｈＰａ変化すると（約９６０ｈＰａ〜約１０６０ｈＰａの間で変化すると）、図５（ａ）に示すように、内圧Ｐｉと外圧Ｐｏの差に起因して、ギャップは、基板に近づく方に約２０ｎｍ（図では「−」で表示）、基板から遠ざかる方に約２０ｎｍ（図では「＋」で表示）変化して、合計約４０ｎｍの変化を生じる。なお、内圧Ｐｉと外圧Ｐｏの差が０であるときのギャップは４３５ｎｍである。図５（ｂ）は、この４０ｎｍのギャップ変化に対応する２０ＭＨｚのねじり共振の周波数変化を示しており、およそ２．４ｋＨｚの周波数変化が得られる。この周波数変化は、第１の実施の形態において図２を用いて説明した方法と同じ方法で検出することができる。
以上、本実施の形態により、高いＱ値を有するねじり振動モード共振器を利用して圧力を高分解に検出することができる。
【００４８】
（実施の形態３）
ねじり振動モードを利用するＭＥＭＳ圧力センサにおいて、より広範囲の圧力を検出することは、実施の形態２のＭＥＭＳ圧力センサから伝達機構のピラーを除くことによって実現できる。その場合には、下側隔壁層の内側表面を、上側隔壁層の内側表面よりも外側に配置することにより、ダイアフラムに印加された圧力を電極に伝達して、ギャップを変化させる機構、即ち、圧力伝達機構が得られる。
【００４９】
そのようなＭＥＭＳ圧力センサを図６に示す。図６の圧力センサを構成するＭＥＭＳ共振器１６０は、ねじり振動モードで振動する振動子１４２と、電極１６８と、ダイアフラム１４５と、基板１１２を有する。基板１１２とダイアフラム１４５との間には、電極１６８およびダミー電極１６８’によって隔てられる第１のキャビティ１６２および第２のキャビティ１６４が形成されている。第１のキャビティ１６２は、振動子１４２と電極１６８が重なる領域にある電極（図６において、三角形の振動子振動部１４２ａの斜面と平行に位置する電極）１６８から見て、基板１１２表面に垂直な方向において振動子１４２側に位置し、第２のキャビティ１６４は、振動子１４２とは反対側に位置している。
【００５０】
さらに、図示した形態においては、第１のキャビティ１６２の電極１６８と接する側壁、即ち、下側隔壁層１６７ａの内側表面が、第２のキャビティの電極１６８と接する側壁、即ち、上側隔壁層１６７ｂの内側表面よりも、基板１１２表面と平行な方向において外側に位置する。そのため、電極１６８は、上側隔壁層１６７ｂと接しているが、下側隔壁層１６７ａとは接していない部分を有する。電極１６８において、上側隔壁層１６７ｂと下側隔壁層１６７ａの両方と接している部分は、固定された電極アンカー部１６８ｂであり、上側隔壁層１６７ｂとのみ接している又はいずれの隔壁層とも接していない部分は、撓むことの可能な電極可撓部１６８ａである。
【００５１】
かかる構成において、ダイアフラム１４５に圧力が加わると、圧力は上側隔壁層１６７ｂに伝達され、さらに、上側隔壁層１６７ｂの内側表面（上側隔壁層１６７ｂと電極１６８との接点）にて、電極１６８に伝達される。このとき、電極１６８の下側が空間となっているため、電極可撓部１６８ａはそれに下向きに加わる力により撓み、ギャップ１４９を変化させる。このように、この構成によれば、ピラーを設けることなく、ダイアフラム１４５ならびに上下の隔壁層１６７ｂおよび１６７ａを圧力伝達機構として機能させることができる。
【００５２】
このような隔壁層１６７は、下側隔壁層１６７ａの材料として、上側隔壁層１６７ｂの材料よりもエッチングレートの小さい材料を選択して、エッチング犠牲層エッチングすることにより得られる。あるいは、上側隔壁層１６７ａにエッチングストップを設ける方法で、第１キャビティ１６２が第２キャビティ１６４より大きくなるようにしてよい。図示した形態においても、隔壁層１６７はダイアフラム１４５とともに、閉空間１５０を形成する殻構造１６６を形成している。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明にかかるＭＥＭＳ圧力センサは、高いＱ値のＭＥＭＳ共振器の共振周波数変化により圧力を高分解に検出可能であるので、気圧センサ、流体圧センサ、圧覚センサ、およびマイクロホン等、種々の分野において利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００、１４０  ＭＥＭＳ共振器
１０２、１４２  振動子
１０４  支持仲介層
１０６、１４６、１６６  殻構造
１０７、１４７、１６７  隔壁層
１０８、１４５  ダイアフラム
１０９、１４９  ギャップ
１１０、１５０  閉空間
１１２  基板
１１４  ＤＣ電源
１４８、１６８  電極
１４８’、１６８’  ダミー電極
１５２  結合部材（ピラー）
１５４  ビア
２０４  アンプ
２０６  位相調整器
２０８  周波数−電圧変換器
２１０  モニタ信号源
【図１】
2012140846.tif 000003
【図２】
2012140846.tif 000004
【図３】
2012140846.tif 000005
【図４】
2012140846.tif 000006
【図５】
2012140846.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2012140846.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2012140846.tif 000012
【国際調査報告】
2012140846.tif 000013
2012140846.tif 000014
2012140846.tif 000015
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