(57)【要約】【課題】精密な圧力の測定が可能な圧力センサを提供する。【解決手段】ダイアフラム４０の圧力測定面が測定対象に直接接触し、圧力測定面に作用する圧力がダイアフラム４０の変位に基づいて検出される圧力センサであって、ダイアフラム４０の圧力測定面の裏面により、基板を貫通する貫通孔２６の開口する一方の面が塞がれたシリコン基板２１と、ダイアフラム４０の変位をシリコン基板２１の貫通孔２６の側から検出する変位検出手段５０とを備え、ダイアフラム４０がポリイミド薄膜から成る。シリコン基板２１のダイアフラムが配置される側の基板面は平坦であり、測定対象領域の気体を乱す凸部、凹部、穴等が圧力測定面側に存在しないため、高精度の圧力測定が可能である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムの圧力測定面が測定対象に直接接触し、前記圧力測定面に作用する圧力が前記ダイアフラムの変位に基づいて検出される圧力センサであって、
前記ダイアフラムの前記圧力測定面の裏面により、基板を貫通する貫通孔の開口する一方の面が塞がれたシリコン基板と、
前記ダイアフラムの変位を前記シリコン基板の前記貫通孔の側から検出する変位検出手段と、
を備え、
前記ダイアフラムは、高分子の薄膜から成り、
前記シリコン基板の前記ダイアフラムが配置される側の基板面は、平坦であり、
前記ダイアフラムは、前記貫通孔の周囲の前記基板面上に支持されている、
ことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサであって、前記シリコン基板は、複数個の前記貫通孔を有し、前記複数個の貫通孔の開口が、連続する前記ダイアフラムによって塞がれていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の圧力センサであって、前記変位検出手段が、前記ダイアフラムの前記貫通孔側の面に積層された金属被膜と、前記金属被膜にレーザを照射して反射波を検出するレーザ変位計とを備え、前記レーザ変位計で計測した前記金属被膜までの距離の変化から前記ダイアフラムの変位を検出することを特徴とする圧力センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の圧力センサであって、前記変位検出手段が、前記ダイアフラムの前記貫通孔側の面に配置されたピエゾ抵抗素子を備え、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化から前記ダイアフラムの変位を検出することを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の圧力センサであって、前記変位検出手段が、前記ダイアフラムの前記貫通孔側の面に配置された平面電極と、該平面電極に対向する対向電極とを備え、前記平面電極と前記対向電極との間の静電容量の変化から前記ダイアフラムの変位を検出することを特徴とする圧力センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の圧力センサであって、前記ダイアフラムが、ポリイミド樹脂の薄膜から成ることを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力分布の測定に適した圧力センサに関し、高い分解能を持つように構成したものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）技術を用いて、種々の小型圧力センサが作成されている。
下記特許文献１には、ＭＥＭＳ技術を応用した圧力分布測定用の圧力センサアレイが開示されている。
この圧力センサアレイは、図１０（ａ）（断面図）及び図１０（ｂ）（平面図）に示すように、二次元的に配置された複数の圧力センサ素子から成り、これらの圧力センサ素子は、第１のシリコン基板１１と第２のシリコン基板１２とが接合され、それにＭＥＭＳ技術が適用されて形成されている。
【０００３】
第１のシリコン基板１１は、凹部１４と、凹部１４を外界に接続する連通部１５とが形成された後、第２のシリコン基板１２に接合される。接合された第２のシリコン基板１２は、その厚さがエッチング等で薄くされてダイアフラム１６となる。ダイアフラム１６の上面には、感圧素子１７と、それに接触する導電部１８とが形成され、導電部１８に導通する貫通配線部１９が第１のシリコン基板１１の裏面側に導出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８６４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者等は、図１１に示すように、超音波振動子９０の振動面９１を板状物体９２に上方から近付けると、板状物体９２が振動面９１から数十ミクロンｍの位置で非接触支持される“超音波支持現象”の解析を進めている。そのためには、振動面９１の超音波振動で生じる板状物体９２上の圧力分布を高い分解能で精密に測定する必要がある。
【０００６】
しかし、この測定に用いる圧力センサが、図１０に示すように圧力測定面側に凸部を有していたり、或いは、圧力測定面側に凹部や穴等を有していたりする場合は、測定対象領域の気体が、凸部、凹部或いは穴により乱されるため、精密な圧力分布の測定ができない虞がある。
【０００７】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、精密に圧力を測定することができる圧力センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ダイアフラムの圧力測定面が測定対象に直接接触し、圧力測定面に作用する圧力がダイアフラムの変位に基づいて検出される圧力センサであって、ダイアフラムの圧力測定面の裏面により、基板を貫通する貫通孔の開口する一方の面が塞がれたシリコン基板と、ダイアフラムの変位をシリコン基板の貫通孔の側から検出する変位検出手段と、を備え、ダイアフラムが、高分子の薄膜から成り、シリコン基板のダイアフラムが配置される側の基板面が、平坦であり、ダイアフラムが、貫通孔の周囲の基板面上に支持されている、ことを特徴とする。
この圧力センサは、圧力測定面側が平坦であり、測定対象領域の気体や液体を乱す凸部、凹部、穴等が圧力測定面側に存在しないため、高精度の圧力測定が可能である。
【０００９】
また、本発明の圧力センサでは、シリコン基板が複数個の貫通孔を有し、複数個の貫通孔の開口が、連続するダイアフラムによって塞がれている。
そのため、高い分解能で圧力分布を測定することができる。
【００１０】
また、本発明の圧力センサでは、変位検出手段が、ダイアフラムの貫通孔側の面に積層された金属被膜と、この金属被膜にレーザを照射して反射波を検出するレーザ変位計とで構成され、レーザ変位計で計測した金属被膜までの距離の変化からダイアフラムの変位が検出される。
【００１１】
また、本発明の圧力センサでは、変位検出手段を、ダイアフラムの貫通孔側の面に配置したピエゾ抵抗素子で構成し、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化からダイアフラムの変位を検出するようにしても良い。
【００１２】
また、本発明の圧力センサでは、変位検出手段を、ダイアフラムの貫通孔側の面に配置した平面電極と、この平面電極に対向する対向電極とで構成し、平面電極と対向電極との間の静電容量の変化からダイアフラムの変位を検出するようにしても良い。
【００１３】
また、本発明の圧力センサでは、ダイアフラムを、ポリイミド樹脂の薄膜で構成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の圧力センサは、測定対象の気体等が直接接触するダイアフラムの圧力測定面の側に凸部、凹部、穴等が一切存在しないため、高精度の圧力測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサアレイを示す図
【図２】図１の圧力センサアレイのＡ−Ａ位置での断面を示す図
【図３】図１の圧力センサアレイの作成工程を示す図
【図４】図１の圧力センサアレイの変位をレーザ変位計で検出するときの構成を示す図
【図５】図４の構成の詳細図
【図６】図１の圧力センサアレイの変位をピエゾ抵抗素子で検出するときの構成を示す図
【図７】圧力センサアレイの変位をピエゾ抵抗素子で検出するときの検出回路を示す図
【図８】図１の圧力センサアレイの変位をキャパシタで検出するときの構成を示す図
【図９】本発明の圧力センサに加わる圧力とダイアフラムの変位との関係の測定結果を示す図
【図１０】従来の圧力センサアレイを示す図
【図１１】圧力センサアレイの高い分解能が要求される研究事例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る圧力センサアレイ２０を示している。
この圧力センサアレイ２０は、複数の貫通孔２６（図２）を有するシリコン基板２１と、シリコン基板２１の一面に支持されたポリイミド膜２２とを備えている。ポリイミド膜２２は、シリコン基板２１の複数の貫通孔２６の開口を塞いでおり、各圧力センサ３０のダイアフラムとして機能する。
【００１７】
図２は、図１のＡ−Ａ位置での断面図であり、圧力センサアレイ２０を構成する複数の圧力センサ３０のダイアフラム（ポリイミド膜）４０が、圧力測定面４１側の圧力により変位した状態を模式的に示している。
各圧力センサ３０のダイアフラム４０の変位は、後述する変位検出手段により検出される。その検出結果から、各圧力センサ３０の位置の圧力測定面４１側に作用する圧力の分布を得ることができる。
【００１８】
図３は、この圧力センサアレイ２０の作成手順を示している。
まず、両面研磨したシリコン基板２１の両面にアルミニウム膜２４、２５を蒸着し、一方のアルミニウム膜２４の上にレジスト膜２３をスピンコートで形成し、他方のアルミニウム膜２５の上に、ダイアフラムになるポリイミド膜２２を成膜する（図３（ａ））。
ポリイミド膜２２は、アルミニウム膜２５上にポリアミド酸溶液をスピンコートした後、熱処理して生成する。
次に、シリコン基板２１の貫通孔形成位置からレジスト膜２３を除去するようにレジスト膜２３の露光・現像を行い、次いで、アルミニウム膜２４をエッチングして、シリコン基板２１の貫通孔形成位置を露出させる（図３（ｂ））。
【００１９】
次に、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりシリコン基板２１に貫通孔２６を形成する。このとき、アルミニウム膜２５は、ポリイミド膜２２をエッチングから保護する役割を果たす（図３（ｃ））。
最後に、レジスト膜２３をエタノールで除去することにより、ダイアフラム４０を構成するポリイミド膜２２で貫通孔２６が塞がれたシリコン基板２１が完成する。
【００２０】
ポリイミド膜２２が形成されるシリコン基板２１の基板面は平坦であり、ポリイミド膜２２は、貫通孔２６の周囲の平坦なシリコン基板面に支持される。
また、ポリイミド膜から成るダイアフラム４０の変位を検出する変位検出手段は、シリコン基板２１の貫通孔２６の側に配置される。そのため、測定対象の気体に直接接触するダイアフラム４０の圧力測定面４１の側には、気体を乱す凸部、凹部、穴等が全く存在しない。
【００２１】
図４は、各圧力センサ３０のダイアフラム４０の変位を検出する変位検出手段の一例として、レーザ変位計５０を用いる場合を示している。
レーザ変位計５０は、シリコン基板２１の各貫通孔内のダイアフラム４０を順番にスキャンして、各圧力センサ３０のダイアフラム４０における変位を検出する。このとき、図３（ｄ）において、ポリイミド膜２２に積層されたアルミニウム膜２５は、レーザ光を反射する反射体の役割を果たす。
【００２２】
図５は、圧力センサ３０の一つに対向するレーザ変位計５０を示している。レーザ変位計３０から照射されたレーザ光は、ダイアフラム４０に積層されたアルミニウム膜２５で反射されてレーザ変位計５０に入射し、その反射光に基づいて、アルミニウム膜２５が積層されたダイアフラム４０の変位が検出される。
【００２３】
また、変位検出手段は、ピエゾ抵抗素子を用いて構成しても良い。
この場合、図６に示すように、シリコン基板２１の各貫通孔２６に臨むダイアフラム４０の面（圧力測定面４１の反対側の面）にピエゾ抵抗素子５１を配置し、リード線７１、７２をシリコン基板２１の裏側（ダイアフラム４０が存在しない側）に導出する。
各圧力センサ３０のダイアフラム４０が変位すると、そのダイアフラム３０に配置されたピエゾ抵抗素子５１の抵抗値が変化し、その変化量から、ダイアフラム４０の圧力測定面４１に作用する圧力を求めることができる。
【００２４】
図７は、圧力センサアレイの各圧力センサのピエゾ抵抗素子５１で検出されたデータを収集し、出力する検出回路を示している。
この検出回路は、各圧力センサ３０に配置されたピエゾ抵抗素子５１の正極側のデータ（電圧値）が入力し、その中の選択されたデータを出力するマルチプレクサ５２と、各圧力センサ３０に配置されたピエゾ抵抗素子５１の負極側のデータ（電圧値）が入力し、その中の選択されたデータを出力するマルチプレクサ５３と、マルチプレクサ５２、５３が出力するデータを選択する制御回路５４と、マルチプレクサ５２、５３から入力するデータを用いて各圧力センサ３０で検出された圧力を算出する計測回路５５と、計測回路５５の算出結果を順次蓄積し、外部に圧力分布として提供する通信回路５６とを備えている。
【００２５】
この検出回路の制御回路５４は、圧力センサアレイ２０の圧力センサ３０を順に選択し、その圧力センサ３０に配置されたピエゾ抵抗素子５１のデータをマルチプレクサ５２、５３から出力させる。計測回路５５は、マルチプレクサ５２、５３から入力するデータを用いて、その圧力センサ３０で検出された圧力値を算出する。算出された値は、通信回路５６に順次蓄積され、全ての圧力センサ３０で検出された値が蓄積されると、制御回路５４の指示を受けて、通信回路５６が圧力分布データを外部に送信する。
この検出回路は、圧力センサアレイ２０を形成したシリコン基板２１上に設けることができる。
【００２６】
また、変位検出手段は、キャパシタを用いて構成しても良い。
この場合、図８に示すように、シリコン基板２１の各貫通孔２６に臨むダイアフラム４０の面（圧力測定面４１の反対側の面）にキャパシタを構成する一方の平面電極６１を配置し、キャパシタを構成する他方の電極（対向電極）６２を平面電極６１に対向して配置する。平面電極６１及び対向電極６２に接続するリード線７１、７２は、シリコン基板２１の裏側（ダイアフラム４０が存在しない側）に導出する。
各圧力センサ３０のダイアフラム４０が変位すると、平面電極６１と対向電極６２との間の静電容量が変化し、その変化量から、ダイアフラム４０の圧力測定面４１の側に作用する圧力を求めることができる。
また、圧力センサアレイ２０の各圧力センサ３０のキャパシタで検出されたデータは、図７と同様の検出回路を用いて収集し、出力することができる。
【００２７】
図９は、“圧力センサ３０に作用する圧力”と“ポリイミド膜から成るダイアフラム４０の変位”との関係について測定した結果を示している。
ここでは、図５に示す一つの圧力センサ２０を測定対象としている。圧力センサ２０に加わる圧力（横軸）は、＋６［ｋＰａ］から−６［ｋＰａ］まで減少させた後、−６［ｋＰａ］から＋６［ｋＰａ］まで増加させており、その間のポリイミド膜２２から成るダイアフラム４０の変位（縦軸）をレーザ変位計５０で測定している。
図９から明らかなように、ダイアフラム４０は圧力に応じて直線的に変化している。測定範囲ではヒステリシスが見られず、ダイアフラム４０の変位は、高い線形性を示している。従って、ダイアフラム４０の変位から、圧力センサ３０に作用する圧力を高精度に求めることが可能である。
【００２８】
このように、この圧力センサアレイ２０は、次のような特徴を有している。
（１）ＭＥＭＳ技術を用いて形成した多数の微小圧力センサ３０から成る。
（２）測定対象の気体が直接接触するダイアフラム４０の圧力測定面４１の側には、気体を乱す凸部や凹部、穴等が全く存在しない。
（３）ダイアフラム４０の圧力による変位は、高い線形性を有している。
そのため、各圧力センサ３０により、局所的な圧力を精確に測定することができ、高い分解能で測定領域の圧力分布を求めることができる。
また、極めて小型であり、広い設置場所を必要としないため、狭い空間の圧力分布を測定することができる。
【００２９】
なお、ここでは、圧力センサアレイを用いて気体の圧力を測定する場合について説明したが、この圧力センサアレイは、液体の圧力測定にも使用可能であり、例えば、流体軸受の流体に加わる圧力を測定するために用いることができる。また、人体の心臓等の生理的データを収集するためにも使用可能である。
また、ここでは、ダイアフラムをポリイミド膜で形成する場合について説明した。ポリイミドは、熱的、機械的、化学的に優れた高分子樹脂であり、ダイアフラムの素材に適しているが、ポリイミド以外の高分子樹脂をダイアフラムに用いることも可能である。
【００３０】
また、ここでは、図３（ｄ）に示すように、シリコン基板２１とポリイミド膜２２との間にアルミニウム膜２５を介在させているが、その他の金属（合金を含む）であっても、シリコン基板２１のエッチング時にポリイミド膜２２をエッチングから保護する機能を持ち、且つ、レーザ変位計５０のレーザ光を反射する機能を持つものであれば、アルミニウムに代えて用いることができる。
また、この圧力センサアレイ２０を構成する複数の圧力センサ３０を個々に分割して、単独の圧力センサとして用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の圧力センサは、小型であって局所的な圧力を精確に測定することが可能であり、気体や液体の圧力測定が必要な研究現場や生産現場、人体の生理的データの収集が必要な医療現場などで広く用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１１  第１のシリコン基板
１２  第２のシリコン基板
１４  凹部
１５  連通部
１６  ダイアフラム
１７  感圧素子
１８  導電部
１９  貫通配線部
２０  圧力センサアレイ
２１  シリコン基板
２２  ポリイミド膜
２３  レジスト膜
２４  アルミニウム膜
２５  アルミニウム膜
２６  貫通孔
３０  圧力センサ
４０  ダイアフラム
４１  圧力測定面
５０  レーザ変位計
５１  ピエゾ抵抗素子
５２  マルチプレクサ
５３  マルチプレクサ
５４  制御回路
５５  計測回路
５６  通信回路
６１  キャパシタの平面電極
６２  キャパシタの対向電極
７１  リード線
７２  リード線
９０  超音波振動子
９１  振動面
９２  板状物体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2014219318.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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