(57)【要約】【課題】本発明は、検出可能な圧力変動の下限周波数を低周波数化でき、外部の圧力変動が上昇する場合と低下する場合とでセンサの検出感度を等しくできる小型の圧力センサを提供することを目的とする。【解決手段】圧力センサ１００は、キャビティを有するセンサ本体３と、キャビティを封止するように配置され、先端部がセンサ本体３との間にキャビティの内外に空気を流通させるためのギャップ１３を形成するように片持ち状に支持され、キャビティの内外における圧力差に応じて撓み変形する気圧計測用カンチレバー４と、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部５と、ギャップを流通する空気量が、気圧計測用カンチレバー４の変形によって変化することを抑制するための流量制御部１１と、を有するように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力変動を検出する圧力センサであって、
キャビティを有するセンサ本体と、
前記キャビティを封止するように配置され、先端部が前記センサ本体との間に前記キャビティの内外に空気を流通させるためのギャップを形成するように片持ち状に支持され、前記キャビティの内外における圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、
前記ギャップを流通する空気量が、前記カンチレバーの変形によって変化することを抑制するための流量制御部と、
を有することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記流量制御部は、前記キャビティの外部側かつ前記ギャップの外端近傍に設置され、前記カンチレバーの厚み方向に沿って延伸した側面を有する壁部からなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記壁部の側面は、前記キャビティの内部における圧力が外部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記カンチレバーは、一部に通気孔を有するカバー部で覆われてなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記通気孔を覆うように防水透湿フィルムを設けることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記通気孔は、前記カンチレバーの直上からずれた位置に設けられることを特徴とする請求項４又は５に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記壁部は、前記キャビティの内部側へ延伸した第２の側面を有し、
当該第２の側面は、前記キャビティの外部における圧力が内部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力差に基づいて、微細な圧力変動を検出する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力変動を検出する圧力センサ（「差圧センサ」ともいう）として、例えば、透孔又は凹部を有する基板と、通気孔を有する収納容器と、収納容器内に配設され、透孔又は凹部内で振動可能に基板に片持ち支持された圧電素子と、を具備した圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記構成の圧力センサによれば、通気孔を介して収納容器内に伝わる圧力変動と、伝わった圧力変動に遅れて追従する透孔又は凹部内部の圧力と、の差圧の大きさに応じて圧電素子が変形する。その結果、上記圧力センサは、圧電素子に生ずる電圧変化に基づいて、収納容器に伝わる圧力変動を検出することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２０８８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の圧力センサ（特許文献１に開示された圧力センサを含む）では、その用途に応じて仕様が決定され、その仕様を満たすべくセンサが設計される。このとき、圧力センサの仕様を決定する要因としては、例えば、圧電素子の形状、透孔又は凹部の容積、圧電素子と透孔又は凹部との隙間の形状、透孔又は凹部内部と外部との間を出入りする流量等があげられる。
【０００６】
また、圧力センサの性能を定める一つの要素として、例えば、圧力変動を検知可能な周波数帯域がある。圧力センサが検出可能な圧力変動の上限周波数は、圧電素子の共振周波数近傍であると考えられる。一方、下限周波数については、透孔又は凹部の容積を大きく、また透孔又は凹部内部と外部との間を出入りする流量を小さくするほど、下限周波数を低周波数化しやすいことが分かっている。圧力センサは、透孔又は凹部の容積が大きく、また透孔又は凹部内部と外部との隙間を狭い構成にすると、透孔又は凹部外部の圧力変動に対して、透孔又は凹部内部の圧力変動の遅れ時間が長くなるためである。
【０００７】
つまり、透孔又は凹部外部の圧力が非常にゆっくりと変動しても、この圧力変動以上に透孔又は凹部内部の圧力が遅れて変動する。このため、外部の圧力と透孔又は凹部内部の圧力との差圧が得られ、圧力センサの出力を得ることができる。
このように非常にゆっくりとした圧力変動を検出でき、かつ小型構成の圧力センサを実現するには、透孔又は凹部内部と外部との隙間を非常に狭く構成する必要があった。
【０００８】
ところが、この透孔又は凹部内部と外部との隙間を非常に狭く構成するには、圧電素子と透孔又は凹部を有する基板とを非常に高い寸法精度で形成した後、非常に高い位置精度で相互を接着もしくは接合する必要がある。また、例えば、圧電薄膜等を用いて透孔又は凹部を有する基板と一体で形成する構成にすると、圧電薄膜で片持ち梁構成を形成時に、内部応力が残留し、厚さ方向に湾曲することが多い。このため、片持ち梁の表面方向における透孔又は凹部内部と外部との隙間は非常に小さくできても、厚さ方向の隙間が大きくなり、下限周波数を低周波数化できないという課題があった。
【０００９】
また、圧電薄膜の変形がなくても、外部の圧力が上昇する場合と、低下する場合とでは、透孔又は凹部の側壁の有無により外部との空気流量が異なる。つまり、図１７に示す圧力センサ１００のように、圧電素子１１０は、外部の圧力が上昇すると透孔又は凹部１２０の内部方向へと変形し、圧力が低下すると反対側へと変形する。そして、圧力の変化幅が同じであれば、圧電素子１１０の先端は上下で同じだけ変位する。ただし、透孔又は凹部１２０と外気との流量は、例えば図１７に示すように、透孔又は凹部１２０の側壁の有無により、圧力上昇時に比べて圧力低下時のほうが大きくなる。このため、図１８（Ａ）（Ｂ）に示すように、流量が大きいほど外気と透孔又は凹部１２０内部との差圧が維持される時間が短くなる。そして。圧力センサ１１０の出力は、外気と透孔又は凹部内部との差圧に比例するため、外気の圧力変化量が同じであっても、流量が大きいほど圧力センサの出力が小さくなる。このため、従来の圧力センサでは、外部の圧力が上昇する場合と低下する場合とでセンサ感度が異なるという課題もあった。
【００１０】
そこで本発明は、検出可能な圧力変動の下限周波数を低周波数化でき、外部の圧力変動が上昇する場合と低下する場合とでセンサの検出感度を等しくできる小型の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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の圧力センサの第１の特徴は、圧力変動を検出する圧力センサであって、キャビティを有するセンサ本体と、前記キャビティを封止するように配置され、先端部が前記センサ本体との間に前記キャビティの内外に空気を流通させるためのギャップを形成するように片持ち状に支持され、前記キャビティの内外における圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み変形に応じた変位を測定する変位測定部と、前記ギャップを流通する空気量が、前記カンチレバーの変形によって変化することを抑制するための流量制御部と、を有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、カンチレバーが変形しても、キャビティ内外の圧力伝達媒体の流量が急激に増加しないため、キャビティ内外の差圧を長時間維持でき、非常にゆっくりとした圧力変動でも高感度に検出することが可能となる。さらに、気圧変動が上昇時もしくは下降時でも、キャビティ内外を流通する圧力伝達媒体の流量を一定にできるため、気圧上昇時及び下降時の圧力センサの感度を一定にすることができる。さらに、大きな圧力変動が加わり、カンチレバーの変位が大きくなっても、圧力伝達媒体の流量の上昇を抑えられるため、広い範囲の圧力変動でセンサ出力信号の線形性を維持できる。
【００１２】
さらに、本発明の圧力センサの第２の特徴は、前記流量制御部は、前記キャビティの外部側かつ前記ギャップの外端近傍に設置され、前記カンチレバーの厚み方向に沿って延伸した側面を有する壁部からなることを要旨とする。
かかる特徴によれば、非常に簡易な構造で流量制御部を形成できるため、圧力センサを安価に製造できる。また、カンチレバーが製造時に上下どちらに変形していても、変形量に関わらず圧力伝達媒体の流量が大きく増加しないため、気圧の上昇もしくは下降時の圧力センサの感度を等しくすることができる。
【００１３】
さらに、本発明の圧力センサの第３の特徴は、前記壁部の側面は、前記キャビティの内部における圧力が外部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを特徴とすることを要旨とする。
かかる特徴によれば、カンチレバーの変形量に関わらず圧力伝達媒体の流量をほぼ一定に保つことができるため、気圧の上昇もしくは下降時の圧力センサの感度を等しくすることができる。
【００１４】
さらに、本発明の圧力センサの第４の特徴は、前記カンチレバーは、一部に通気孔を有するカバー部で覆われてなることを要旨とする。
かかる特徴によれば、外部からの接触等によりカンチレバーの破損を防止することが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明の圧力センサの第５の特徴は、前記通気孔を覆うように防水透湿フィルムを設けることを要旨とする。
かかる特徴によれば、圧力センサ内部に水滴が侵入せず、水滴付着による破損、電気短絡による破損等を防止できる。また、圧力センサに水滴がかかる環境でも、圧力伝達媒体だけが圧力センサ内外を流動できるため、正確な圧力変化を検出することが可能となる。
【００１６】
さらに、本発明の圧力センサの第６の特徴は、通気孔は、前記カンチレバーの直上からずれた位置に設けられることを要旨とする。
かかる特徴によれば、外部から浮遊する塵などが圧力センサ内部に侵入し、気圧計測用カンチレバーの破損や、塵等の付着による感度低下を防止することが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の圧力センサの第７の特徴は、前記壁部は、前記キャビティの内部側へ延伸した第２の側面を有し、当該第２の側面は、前記キャビティの外部における圧力が内部における圧力よりも大きい場合の、前記カンチレバーの先端部の変形による軌跡に沿って縦断面視円弧状に形成されることを要旨とする。
かかる特徴によれば、キャビティの外部における圧力が内部における圧力よりも大きい場合における圧力伝達媒体の流量が、カンチレバーの変形量によらず一定量となるので、圧力センサの感度を一層高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、検出可能な圧力変動の下限周波数を低周波数化でき、外部の圧力変動が上昇する場合と低下する場合とでセンサの検出感度を等しくできる小型の圧力センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサの平面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサの出力と圧力変化を示す説明図である。
【図４】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサの動作を示す説明図である。
【図５】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサに加わる差圧とキャビティ内外の流量との関係を示す説明図である。
【図６】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサのキャビティ内外を出入りする圧力伝達媒体の流れを示す説明図である。
【図７】本発明の第一の実施形態に係る圧力センサの気圧計測用カンチレバーの製造工程を示す説明図である。
【図８】本発明の第二の実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図９】本発明の変形例１に係る圧力センサの断面図である。
【図１０】本発明の第三の実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【図１１】本発明の変形例２に係る圧力センサの断面図である。
【図１２】本発明の変形例３に係る圧力センサの気圧計測用カンチレバー及びリファレンス用カンチレバーの構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）はＡ−Ａ断面線に沿った断面図を、それぞれ示す。
【図１３】図１２に示す圧力センサの変位測定部の構成を示す回路図である。
【図１４】本発明の変形例４に係る圧力センサの断面図である。
【図１５】本発明の変形例４に係る別の圧力センサの断面図である。
【図１６】本発明の変形例５に係る圧力センサの断面図である。
【図１７】従来の圧力センサにおける空気流の様子を示す説明図である。
【図１８】従来の圧力センサに加わる圧力変化と、その時の圧力センサの出力との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る圧力センサの実施形態について図面を参照して説明する。
（第一の実施形態）
（全体構成）
図１は本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ１の構成を示す平面図である。図２は、図１中に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサ１の断面図である。
【００２１】
第一の実施形態の圧力センサ１は、図１及び図２に示すように、所定の周波数帯域（例えば、０．０５Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）の圧力変動を検出するセンサであって、センサ本体３と、センサ本体３の上部に配設された気圧計測用カンチレバー４と、一端が気圧計測用カンチレバー４と対向するように配設された蓋部１２と、気圧計測用カンチレバー４の変位を測定するための変位測定部５と、蓋部１２の上部に配設された流量制御部１１と、を有する。
【００２２】
センサ本体３は、内部に空隙部分であるキャビティ１０の形成された箱状の部材である。センサ本体３は、例えば、キャビティ１０を構成する樹脂材よりなる第１の部分３１と、第１の部分３１上に配置され、かつ後述のシリコン支持層２ａ、及びシリコン酸化膜等の酸化層２ｂよりなる第２の部分３２と、を有する。
【００２３】
気圧計測用カンチレバー４は、例えば、シリコン支持層２ａ、シリコン酸化膜等の酸化層２ｂ、及びシリコン活性層２ｃを熱的に張り合わせたＳＯＩ基板２を加工することで形成される。具体的には、気圧計測用カンチレバー４は、気圧計測用カンチレバー４は、ＳＯＩ基板２を構成するシリコン活性層２ｃよりなり、平板状のシリコン活性層２ｃより、平面視コ字状に形成されたギャップ１３を切り出した形状からなる。
これにより、気圧計測用カンチレバー４は、基端部４ａを固定端とし、蓋部１２と対向する側の端部である先端部４ｂを自由端とした片持ち梁構造となる。
【００２４】
また、気圧計測用カンチレバー４は、センサ本体３に形成されたキャビティ１０の上面を囲うよう配置される。つまり、気圧計測用カンチレバー４は、キャビティ１０の開口を略閉塞している。
気圧計測用カンチレバー４は、基端部４ａを介してセンサ本体３に第２の部分３２上に対して一体的に固定されることで、片持ち支持される。これにより、気圧計測用カンチレバー４は、基端部４ａを中心としてキャビティ１０の内部と外部との圧力差に応じた撓み変形が可能となる。
【００２５】
気圧計測用カンチレバー基端部４ａには、気圧計測用カンチレバー４が撓み変形しやすいように、平面視コ字状の貫通孔１５が形成される。ただし、この貫通孔１５の形状は、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形を容易にする形状ならば、上記コ字状に限定されるものではない。
蓋部１２は、キャビティ１０の上方に位置し、ギャップ１３を介して、気圧計測用カンチレバー４の周囲に配置される。当該蓋部１２は、シリコン活性層２ｃで構成される。  
【００２６】
流量制御部１１（壁部）は、蓋部１２上面かつギャップ１３外周近傍に配置される。流量制御部１１は、平面視コ字状の形状をしており、特にコ字内側の側壁は蓋部１２の表面に対して略垂直の側面（気圧計測用カンチレバー４の厚み方向に亘って延伸した形状）を有する。つまり、コ字内側の側壁流量制御部１１は、絶縁性の高アスペクトを実現できるＭＥＭＳ用レジスト（例えば、ドライフィルムやＳＵ−８等）で構成されている。
【００２７】
変位測定部５は、気圧計測用カンチレバー４の撓み量（変位量）に応じて電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗２０と、この電気抵抗値変化を取り出す検出回路２２から構成されている。図１に示すように、ピエゾ抵抗２０は、気圧計測用カンチレバー４の短手方向において、貫通孔１５を挟んだ両側に対となって配置されている。
これら一対のピエゾ抵抗２０は、導電性材料からなる配線部２１を介して相互に電気的に接続されている。
【００２８】
この配線部２１及びピエゾ抵抗２０を含む全体的な形状は、例えば図１に示すように平面視Ｕ字状とすることができるが、別の配置形状としても勿論よい。また、ピエゾ抵抗２０には、ピエゾ抵抗２０の電気抵抗値変化に基づいて気圧計測用カンチレバー４の変位を測定する検出回路２２が電気的に接続されている。
【００２９】
上記構成とされた変位測定部５において、検出回路２２を通じてピエゾ抵抗２０に所定電圧が印加された際に発生する電流は、貫通孔１５を回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗２０から配線部２１を経由して他方のピエゾ抵抗２０に流れる。
このため、検出回路２２は、気圧計測用カンチレバー４の変位（撓み変形）に応じて変化するピエゾ抵抗２０の電気抵抗値変化を、電気的な出力信号として取り出すことが可能となる。
【００３０】
したがって、変位測定部５は、検出回路２２の出力信号（センサ出力）に基づいて、気圧計測用カンチレバー４の変位を測定することが可能である。つまり、変位測定部５は、キャビティ１０の内部と外部との差圧に基づいて気圧計測用カンチレバー４が変形するため、キャビティ１０外部の気圧変化を出力信号として取り出すことができる。
なお、上記ピエゾ抵抗２０は、例えば、イオン注入法や拡散法等の各種方法により、リン等のドープ剤（不純物）をシリコン活性層２ｃにドーピングすることで形成される。
【００３１】
また、一対のピエゾ抵抗２０は、配線部２１のみで電気的導通するよう構成されている。このため、図示していないが、気圧計測用カンチレバー４の周囲に位置するシリコン活性層２ｃは、配線部２１以外でピエゾ抵抗２０双方が導通しないようにエッチングされている。
なお、上記ピエゾ抵抗２０に替えて、圧電薄膜を用いてもよい。この場合、気圧計測用カンチレバー４の基端部４ｂに加わる応力に応じて起電力が発生し、この起電力を検出することで、気圧計測用カンチレバー４の変位を検出することが可能となる。
【００３２】
（圧力センサの動作）
次いで、図３及び図４を用いて本実施形態に係る圧力センサ１が微小な圧力変動を検出した際の当該圧力センサ１の動作について説明する。ここで、図３は、図１に示す圧力センサ１の出力の一例を模式的に示す図であり、（Ａ）はキャビティ内外の圧力の経時変化を、（Ｂ）は圧力センサの出力の経時変化をそれぞれ表す。また、図４は、図１に示す圧力センサの動作の一例を模式的に示す断面図であり、（Ａ）は初期状態の圧力センサの断面図を、（Ｂ）はキャビティ外部の圧力が内部の圧力より高い場合の圧力センサの断面図を、（Ｃ）はキャビティ内外の圧力が同じに戻ったときの圧力センサの断面図をそれぞれ表す。なお、図４において、圧力センサ１を構成する検出回路２２の図示を省略する。
【００３３】
初めに、図３（Ａ）に示す期間Ａのように、キャビティ１０外部の圧力（以下、「外圧Ｐｏｕｔ」）と、キャビティ１０内部の圧力（以下、「内圧Ｐｉｎ」）との差がゼロである場合には、図４（Ａ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４は撓み変形しない。
ここで、図３（Ａ）に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、例えば、外圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇すると、キャビティ１０外部と内部との間に差圧が生じるため、図４（Ｂ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４はキャビティ１０内部に向けて撓み変形する。
【００３４】
気圧計測用カンチレバー４の撓み変形に応じてピエゾ抵抗２０に歪が生じ、電気抵抗値が変化するので、図３（Ｂ）に示すように、圧力センサ１の出力信号が増大する。
また、外圧Ｐｏｕｔの上昇以降において、ギャップ１３を介してキャビティ１０の外部から内部へと圧力伝達媒体が徐々に流動する。このため、図３（Ａ）に示すように、内圧Ｐｉｎは時間の経過とともに、外圧Ｐｏｕｔに遅れながら、かつ外圧Ｐｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。
【００３５】
その結果、内圧Ｐｉｎが外圧Ｐｏｕｔに徐々に近づくので、キャビティ１０の外部と内部との圧力が均衡状態になり、気圧計測用カンチレバー４の撓みが徐々に小さくなり、図３（Ｂ）に示すように上記出力信号が徐々に低下する。
そして、図３（Ａ）に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように、内圧Ｐｉｎが外圧Ｐｏｕｔと同じになると、図４（Ｃ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４の撓み変形が解消されて元の状態に復帰する。さらに、図３（Ｂ）に示すように、圧力センサ１の出力信号もゼロに回帰する。
【００３６】
このように、気圧計測用カンチレバー４の変位に基づいた出力信号の変動をモニタすることで、キャビティ１０外部の圧力変動を検出することができる。
特に、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃを利用して半導体プロセス技術により気圧計測用カンチレバー４を形成できるので、従来の圧電素子に比べて薄型化（例えば数十から数百ｎｍ厚）しやすい。したがって、微小な圧力変動の検出を精度よく行うことができる。
【００３７】
（流量制御部の機能）
次に、流量制御部１１の機能について以下に説明する。
図５は、ギャップ１３内外の差圧と、差圧によってキャビティ１０内外を流動する圧力伝達媒体の流量と、の関係を示す図である。ここで、図５の横軸は差圧＝外圧Ｐｏｕｔ−内圧Ｐｉｎ、縦軸はキャビティ１０内に流れ込む圧力伝達媒体の単位時間当たりの容積（流量）を示している。また、図５において、実線は圧力センサに流量制御部１１が備わる場合（本実施形態に係る圧力センサ１）、破線は圧力センサに流量制御部１１を設けない場合（従来の圧力センサ）、の差圧と流量の関係を示す。
【００３８】
図５に示すように、流量制御部１１の有無に関わらず、キャビティ１０内外を流動する圧力伝達媒体の流量は、差圧がゼロから離れるほど大きくなり、徐々に飽和する曲線を描く。ただし、その差圧に対する流量の増加傾向は、流量制御部１１の有無により異なる。具体的には、流量制御部１１を設けない構成の場合、キャビティ１０外に流れ出す流量は、差圧が負方向に大きくなる方が、差圧が正方向に大きくなる場合に比較して、非常に大きくなる。これは、図６（Ａ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４の変形によるものである。つまり、差圧が負方向（Ｐｏｕｔ＜Ｐｉｎ）の場合、気圧測定用カンチレバー４はキャビティ１０外側に変形し、差圧が正方向（Ｐｏｕｔ＞Ｐｉｎ）の場合、キャビティ１０内側に変形する。そして、正方向の差圧が発生する場合（気圧測定用カンチレバー４がキャビティ１０内側方向へ変形する場合）、キャビティ１０内壁と気圧測定用カンチレバー４との間を抜けて圧力伝達媒体が流動する。一方、負方向の差圧が発生する（気圧測定用カンチレバー４がキャビティ１０外側へ変形する）場合、圧力伝達媒体は、気圧計測用カンチレバー４と蓋部１２との間を流動する。ここで、キャビティ１０内外を流動する圧力伝達媒体の流量は、正方向の差圧が発生する場合、キャビティ１０内壁に阻まれて急激に増加することはないが、負方向の差圧が発生する場合、気圧計測用カンチレバー４と蓋部１２との隙間が開くにしたがって、急激に増加することとなる。つまり、流量制御部１１の備わる圧力センサ１では、たとえしたがって、差圧の正負によりキャビティ１０内外を流動する圧力伝達媒体の流量が異なるため、差圧の正負で圧力センサの感度が異なることとなる。
【００３９】
一方、圧力センサ１に流量制御部１１を設けた場合、図６（Ｂ）に示すように、負方向の差圧が発生する場合（気圧計測用カンチレバー４がキャビティ１０外側へ変形する場合）では、気圧測定用カンチレバー４と蓋部１２の上部に設けられた流量制御部１１との間を抜けて、圧力伝達媒体が流動することとなる。つまり、流量制御部１１を備える圧力センサ１は、気圧計測用カンチレバー４がキャビティ１０外側へ変形するにつれて、蓋部１２と気圧計測用カンチレバー４との間隙が増大したとしても、流量制御部１１により圧力伝達媒体の流動量を規制することができるので、図５に示されるように流量制御部１１を有さない圧力センサに比べて流量の増大を防止することができる。このため、本実施形態に係る圧力センサ１では、差圧が正負どちらでも、圧力伝達媒体の流量に大きな変化を生じさせないので、差圧が正負何れであっても圧力センサの感度を維持することができる。
【００４０】
さらに、圧力センサ１は、流量制御部１１を設けることで、図５の実線で示されるように、差圧と流量とが線形性を保つ差圧範囲が広くなる。このため、圧力センサ１は、感度が線形性を有する差圧範囲を広くすることができる。
また、圧力センサ１は、製造上の理由で、差圧がゼロでも気圧測定用カンチレバー４が平坦はなく、変形している場合においても、差圧に対する流量の増加が抑えられるため、差圧が正負どちらに変化しても、感度を等しく維持できる。
【００４１】
（製造方法）
次いで、上述の圧力センサ１の製造方法について説明する。ここで、図７は、図１に示す圧力センサ１の製造工程を模式的に示す図である。
まず、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃ表面にリンＭ１をイオン注入法でドーピングする。このとき、リンＭ１は、シリコン活性層２ｃの不要な領域をマスクされた状態で注入される。さらに、リンＭ１は、シリコン活性層２ｃの厚さ方向に一様の濃度となるよう注入されるのではなく、シリコン活性層２ｃの表面近傍が最も濃度が高くなるよう注入される（図７（Ａ））。
【００４２】
次に、シリコン活性層２ｃ上面にクロム及び金Ｍ２を蒸着し、パターニングする（図７（Ｂ））。
次に、図７（Ｂ）にてパターニングしたクロム及び金Ｍ２をマスクとして、シリコン活性層２ｃをエッチングする（図７（Ｃ））。
【００４３】
次に、シリコン活性層２ｃ表面のクロム及び金Ｍ２の不要な領域をエッチングする（図７（Ｄ））。
次に、シリコン活性層２ｃ上面に、ドライレジストフィルムＭ３を貼付し、現像、露光し、気圧計測用カンチレバー周囲のギャップ外周内部を取り除いた構造を作製する（図７（Ｅ））。
【００４４】
その後、シリコン支持層２ａ表面にレジストＭ４を塗布し、現像及び露光処理を行い、シリコン支持層２ａと酸化層２ｂをエッチングする（図７（Ｆ））。これにより、気圧計測用カンチレバー４が形成される。
さらに、ドライレジストフィルムＭ３上面のレジストを除去し、センサ本体３の第一の部分３１に形成された凹部との位置合わせを行い、センサ本体３の第一の部分３１と接合もしくは接着する（図示省略）。
最後に、ＳＯＩ基板２上に形成された気圧計測用カンチレバー４と変位測定部５とを電気的に接続することで、圧力センサ１が形成される（図示省略）。
【００４５】
上記製造方法により、圧力センサ１を製造することで、気圧計測用カンチレバー４の裏面側にキャビティを設け、かつ気圧計測用カンチレバー４の周囲に非常に狭い寸法でギャップを構成できる。その上、ギャップの外周近傍に垂直壁構造を有する流量制御部１１を形成することができるため、広い圧力範囲で線形性の高い出力信号を得ることができる。また、製造プロセス時に生じる内部応力により、気圧計測用カンチレバー４を平坦に形成できなくとも、気圧の上昇もしくは下降時において、同じ感度特性での出力信号を得ることが可能となる。
【００４６】
なお、製造工程において、不純物はリンＭ１に限られるものではなく、不純物半導体に用いる不純物、例えば、ホウ素、ヒ素であってもよい。また、ＳＯＩ基板全面に不純物を注入して、周囲の適切な領域に電極を形成することで、必要な領域のみがピエゾ抵抗として機能するようにしてもよい。この場合、ピエゾ抵抗同士が導通しないよう、シリコン活性層２ｃに溝１６を形成する必要がある。
【００４７】
そして、第一の実施形態の圧力センサ１は、以下の各種用途に適用することができる。第一の実施形態の圧力センサ１は、例えば、自動車用ナビゲーション装置に適用することが可能である。この場合、自動車用ナビゲーション装置は、例えば、圧力センサ１を利用して高低差に基づく圧力差を検出することが可能となるので、自動車用ナビゲーション装置が搭載された自動車が高架道路と高架下道路との何れを走行中であるかを正確に判断できる。つまり、圧力センサ１を備える自動車用ナビゲーション装置は、上記判断をナビゲーション結果に反映させることで、一層正確なナビゲーション情報をユーザに提供することができる。
【００４８】
さらに、第一の実施形態の圧力センサ１は、例えば、携帯用ナビゲーション装置に適用することも可能である。この場合、上記圧力センサ１を用いた携帯用ナビゲーション装置は、例えば、圧力センサ１を利用して高低差に基づく圧力差を検出することができるので、装置携帯者が建物内の何階に位置しているのかを正確に判別してナビゲーション結果に反映させることができる。また、携帯用ナビゲーション装置は、階数移動にエレベーターを利用したか、階段を利用したか等の詳細な上下動も圧力変化から判別できる。このため、携帯用ナビゲーション装置は、階数移動による装置携帯者の消費エネルギーを正確に測定することが可能となる。
【００４９】
また、携帯用ナビゲーション装置は、エレベーターの移動のような大きな圧力変化でも、階段昇降移動のような微小な圧力変化でも、精度よく高低差を検出することができる。
このように、第一の実施形態の圧力センサ１は、各種用途に適用することが可能であり、気圧変動の上下動によらず、線形性の高い出力信号を得ることができる。
【００５０】
（第二の実施形態）
以下、本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ１について説明する。
なお、前述の第一の実施形態に係る圧力センサ１と同等の構成及び機能については符号を同一とし、説明を省略する。
図８は、本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ１の構成を示す断面図である。
【００５１】
圧力センサ１は、図８に示すように、キャビティ１０を有するセンサ本体３、気圧計測用カンチレバー４、変位測定部５、流量制御部１１から構成されている。
本実施形態に係る圧力センサ１の第一の実施形態との相違点は、センサ本体３内部に気圧計測用カンチレバー４を設けた点である。
【００５２】
センサ本体３は、略凹状の形状を有する第１の部分３１と、ＳＯＩ基板の酸化層２ｂ及びシリコン支持層２ａからなる第２の部分３２と、配線基板３３とを有する。また、このセンサ本体３で略閉塞された空間がキャビティ１０を構成する。
また、圧力センサ１は、上述の第一の実施形態と同様に、気圧計測用カンチレバー４周囲のギャップ１３外周近傍に、凹状の側壁を有する流量制御部１１を備える。
【００５３】
ここで、気圧計測用カンチレバー４を形成したＳＯＩ基板は、配線基板３３上に実装され、基板上に構成された配線３ｅと接続される。同様に、配線基板３３上に実装された検出回路２２と、この配線３ｅを経由して気圧計測用カンチレバー４とが電気的に接続されている。
【００５４】
なお、配線基板３３には、当該配線基板３３を貫通する通気孔３４が設けられており、この通気孔３４の上方に気圧計測用カンチレバー４を構成するＳＯＩ基板２を設置している。さらに、通気孔３４とＳＯＩ基板２との間には、防水透湿フィルム３５が設けられる。
【００５５】
防水透湿フィルム３５は、多孔質の樹脂フィルムであり、水滴は透過しないが、水蒸気や圧力伝達媒体に対して透過性を有する素材で構成されている。そのため、この防水透湿フィルム３５と気圧計測用カンチレバー４周囲のギャップ１３を経由して、圧力伝達媒体がキャビティ１０内外を流通できるため、前述の第一の実施形態と同様に、圧力センサ１は、キャビティ１０外部の圧力変動を検出することができる。
【００５６】
さらに、前述の第一の実施形態と同様、流体制御部１１により、気圧計測用カンチレバー４が上下どちらに変形しても、ギャップ１３を移動する圧力伝達媒体の流量が大きく変化しない。このため、広い圧力範囲でも線形性の高い出力信号を得ることができる。
なお、凹状の側壁を有する流体制御部１１は、半導体プロセス等で製造しにくい形状であるため、樹脂等で成形した部材を、気圧計測用カンチレバー４を形成したＳＯＩ基板２に接着もしくは接合してもよい。
【００５７】
また、圧力センサ１は、防水透湿フィルム３５が設けられることで、圧力センサ１外部に水滴が付着するような使用環境下にあっても、水がキャビティ内部に侵入することなく、気圧計測用カンチレバー４の破損や変位測定部５の短絡等を防止することができる。  また、気圧計測用カンチレバー４は、防水透湿フィルム３５等で覆われた構造となっているため、外部からの接触などにより、気圧計測用カンチレバー４の破損を防止することができる。
【００５８】
（変形例１）
第二の実施形態に係る圧力センサ１は、配線基板３３の通気孔３４と気圧計測用カンチレバー４を同一直線上に配置しない構成も可能である。ここで、当該同一直線上に配置しない構成からなる圧力センサ１の例（変形例１）を図９に示す。図９に示す圧力センサ１において、気圧計測用カンチレバー４と通気孔３４とは、上下方向にわたって非直線上に配置されてなる。また、図９に示す圧力センサ１において、流量制御部１１は、正方向の差圧が発生する際のカンチレバー４の変形時における先端部の軌跡に沿って、断面視円弧状に加工されている。そのため、圧力センサ１は、このような構成にすることで、防水透湿フィルムを設けなくとも、キャビティ１０外部を浮遊する塵等は、直接気圧計測用カンチレバー４に接触する前に、シリコン支持層２ａに設けた孔や溝の側壁と衝突することで、気圧計測用カンチレバー４の破損や塵の付着による感度低下を抑制することができる。また、流量制御部１１が上記のような形状からなるので、気圧計測用カンチレバー４が差圧により変形しても、気圧計測用カンチレバー４と流量制御部１１との隙間を一定に保つことができる。このため、キャビティ１０内外を流動する流量を一定にできる差圧範囲を広い範囲にできるため、気圧変化に対する出力信号の線形性を広範囲で保証することが可能となる。
【００５９】
以上、本実施形態又は変形例１に係る圧力センサ１によると、気圧変化に対する出力信号の線形性を保つと同時に、製造時に生じる気圧計測用カンチレバーの変形があっても、気圧の上昇と下降時で同感度に維持できる。
【００６０】
（第三の実施形態）
以下、本発明の第三の実施形態に係る圧力センサ１について説明する。
なお、前述の第一及び第二の実施形態に係る圧力センサ１と同等の構成及び機能については符号を同一とし、説明を省略する。
本実施形態に係る圧力センサ１が上記第一及び第二の実施形態に係る圧力センサと異なる点は、ＳＯＩ基板２を覆うカバー部３６を設けた点である。
【００６１】
図１０は、本発明の第三の実施形態に係る圧力センサ１の構成を示す断面図である。
圧力センサ１は、キャビティ１０を有するセンサ本体３と、気圧計測用カンチレバー４と、変位測定部５と、流量制御部１１とから構成されている。
【００６２】
センサ本体３は、略凹状の形状を有する第１の部分３１と、ＳＯＩ基板２の酸化層２ｂ及びシリコン支持層２ａと、配線基板３３とからなり、これらの部材で略閉塞された空間がキャビティ１０を構成する。さらに、配線基板３３のうち第１の部分３１を設置した面と対向する面には、略凹状のカバー部３６が設置される。そして、当該カバー部３６の凹形状内部に、気圧計測用カンチレバー４が設置される。
【００６３】
カバー部３６は、略凹状に形成された金属もしくは樹脂材からなり、上端の一部に通気孔３６ａが設けられている。当該カバー部３６は光透過性が低く、熱伝導率が低い材質で構成するのが望ましい。このため、カバー部３６は、圧力センサ１の外部との意図せぬ接触などによる気圧計測用カンチレバー４の破壊を防止することができる。さらに、圧力伝達媒体は、通気孔３６ａを経由して出入りすることができるため、キャビティ外部の圧力変動が通気孔３６ａを経由して気圧計測用カンチレバー４に伝わる。そして、上記第一及び第二の実施形態と同様、加圧計測用カンチレバー４に伝達された圧力変動は、検出回路２２の出力信号へと変換される。また、検出回路２２の出力信号は、基板３３上に設けられた電気配線３ｅ、端子３ｆを経由して外部へと出力される。
【００６４】
さらに、前述の第一及び第二の実施形態と同様、流体制御部１１により、気圧計測用カンチレバー４が上下どちらに変形しても、ギャップ１３を移動する圧力伝達媒体の流量が大きく変化しない。このため、広い圧力範囲でも線形性の高い出力信号を得ることができる。
【００６５】
また、本実施形態に係る圧力センサ１において、前述の第二の実施形態と同様に、通気孔３６ａに防水透湿フィルムを設ける構成にしてもよい。このような構成にすると、水滴等の侵入を防止できるため、水滴付着による基板３３上に設けられた検出回路２２や電気配線３ｅの短絡、気圧計測用カンチレバー４の破損等を防止することができる。
なお、通気孔３６ａを通じて圧力伝達媒体だけではなく塵等も出入りするため、通気孔３６ａは、気圧計測用カンチレバー４直上からずらした位置に設けたほうがよい。
【００６６】
（変形例２）
第三の実施形態に係る圧力センサ１は、カバー部３６と流量制御部１１とが一体的に構成されてもよい。当該一体的な構成からなる圧力センサ１の例（変形例２）を図１１に示す。図１１に示す圧力センサ１において、流量制御部１１と一体的に構成されたカバー部３６は、第２の部分３２及び蓋部１２の外周を覆うように形成される。さらに、本変形例に係る圧力センサ１では、通気孔３６ａを通じて流入する塵等を防ぐため、カバー部３６に設けられた通気孔３６ａを防水透湿フィルム３５で覆う構成とした。これにより、圧力センサ１は、流量制御部１１の形成工程と、ＳＯＩ基板２と流量制御部１１との実装工程と、ＳＯＩ基板を実装した基板とカバー部との実装工程と、を一工程化することができるので、安価に製造することが可能となる。
【００６７】
（変形例３）
第三の実施形態に係る圧力センサ１において、カバー部３６は光透過性が低く熱伝導率が低い材質で構成するのが望ましいものとしたが、仮にカバー部３６を要求される仕様等により上記の材質で構成できない場合、ピエゾ抵抗２０は、温度変化、光照射によって電気抵抗値が変化することとなる。このため、温度変化や光照射を圧力変動と誤認することとなる。
【００６８】
そこで、上記材質を用いないカバー部３６からなる圧力センサ１（変形例３に係る圧力センサ１）では、例えば、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、気圧計測用カンチレバー４近傍にリファレンス用カンチレバー４１及び当該リファレンス用カンチレバー４１と接続されたピエゾ抵抗２０ａを設ける。リファレンス用カンチレバー４１は、気圧計測用カンチレバー４と異なり裏面の酸化層２ｂ及びシリコン支持層２ａを取り除かない構成からなり、差圧によって変形しないようになっている。このため、リファレンス用カンチレバー４１のピエゾ抵抗２０ａは、気圧計測用カンチレバー４とほぼ同時に、温度変化や光照射のみで電気抵抗値が変化することとなる。
【００６９】
そして図１３に示すように、本変形例に係る圧力センサ１では、この気圧計測用カンチレバー４のピエゾ抵抗２０と、リファレンス用カンチレバー４１のピエゾ抵抗２０ａとでホイートストンブリッジ回路を構成する。このホイートストンブリッジ回路の出力は、温度変化や光照射によるピエゾ抵抗２０の抵抗値変化とピエゾ抵抗２０ａの抵抗値変化との差分を出力するため、差圧による応力変化を抵抗値変化として出力することが可能となる。
【００７０】
したがって、本変形例に係る圧力センサ１では、このような構成とするため、外部からの光や熱によりピエゾ抵抗の抵抗値が変化しても、出力から光や熱による影響を除去でき、差圧により気圧計測用カンチレバー４の変位によるピエゾ抵抗の抵抗値変化のみを取り出すことが可能となる。
【００７１】
以上により、第三の実施形態及び変形例２，３に係る圧力センサ１によれば、流量制御部１１をギャップ１３外周部近傍に設けることで、ゆっくりとした圧力変動を高感度で検出できると同時に、広い圧力範囲で出力信号の線形性を維持できる。また、第三の実施形態及び変形例２，３に係る圧力センサ１では、製造工程でカンチレバーに微小な変形が生じても、気圧変化の上昇時もしくは下降時の感度をほぼ等しく維持することができる。さらに、第三の実施形態及び変形例２，３に係る圧力センサ１では、気圧計測用カンチレバー４と流量制御部１１を半導体プロセスで一括製造することも可能であるため、高い寸法精度で安価に製造することが可能となる。
【００７２】
（変形例４）
上記実施形態に係る圧力センサ１において、流量制御部１１は、蓋部１２の上部に別体として設けることとしたが、例えば、図１４や図１５に示すように構成してもよい（変形例４）。具体的には、図１４に示す圧力センサ１の場合、流量制御部１１は、カンチレバー４を形成する高さ位置がギャップ１３を介して対向するセンサ本体３の壁部（センサ本体３のシリコン活性層２ｃのうち酸化層２ｂと当接する位置の近傍）となるように設けられる。つまり、図１２に示す圧力センサ１では、センサ本体３（のシリコン活性層２ｃ）が流量制御部１１として機能する。
【００７３】
また、図１５に示す圧力センサ１の場合、カンチレバー４が差圧の無い状態（外圧と内圧が等圧の状態）で、先端がキャビティ１０の底面に向けて傾斜するように設けられる。つまり、図１５に示す圧力センサ１では、センサ本体３（のＳＯＩ基板２）が流量制御部１１として機能する。
そのため、本変形例に係る圧力センサ１では、センサ本体３（のＳＯＩ基板２）が流量制御部１１として機能するので、流量制御部を別体として設ける手間が省ける分、製造工程が簡素化するとともに小型化を実現できる。
【００７４】
（変形例５）
上記実施形態に係る圧力センサ１では、流量制御部１１を設けることで負方向の差圧が発生する（気圧測定用カンチレバー４がキャビティ１０外側へ変形する）場合の圧力伝達媒体の流量を低減させる構成を例示したが、正方向の差圧が発生する場合の圧力伝達媒体の流量を一定化させる構成をさらに設けても良い（変形例５）。具体的には、本変形例に係る圧力センサ１では、図１６に示すように、ギャップ１３を介してカンチレバー４の先端と対向するＳＯＩ基板２（第２の側面）が、正方向の差圧が発生する際のカンチレバー４の変形時における先端部の軌跡に沿って、断面視円弧状に加工されてなる。
そのため、圧力伝達媒体の流量が、圧力センサ１の正方向の差圧による変形量によらず一定量となるので、圧力センサ１の感度を一層高めることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、１００  圧力センサ
２  ＳＯＩ基板
３  センサ本体
４  気圧計測用カンチレバー（カンチレバー）
５  変位測定部
１１  流量制御部
１２  蓋部
１３  ギャップ
２０  ピエゾ抵抗
２２  検出回路
３５  防水透湿フィルム
３６  カバー部
１１０  圧電素子
１２０  透孔又は凹部内部
【図１】
2014235095.tif 000003
【図２】
2014235095.tif 000004
【図３】
2014235095.tif 000005
【図４】
2014235095.tif 000006
【図５】
2014235095.tif 000007
【図６】
2014235095.tif 000008
【図７】
2014235095.tif 000009
【図８】
2014235095.tif 000010
【図９】
2014235095.tif 000011
【図１０】
2014235095.tif 000012
【図１１】
2014235095.tif 000013
【図１２】
2014235095.tif 000014
【図１３】
2014235095.tif 000015
【図１４】
2014235095.tif 000016
【図１５】
2014235095.tif 000017
【図１６】
2014235095.tif 000018
【図１７】
2014235095.tif 000019
【図１８】
2014235095.tif 000020