(57)【要約】【課題】  生体の生体データを高精度に測定することが可能な圧力センサを提供する。【解決手段】  圧力変化Ｓに応じて変位することによりその圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体が、２つの球部分２１Ａが連結部分２１Ｂを介して連結された構造を有する球状固体変位部分２１であり、すなわち圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体が固体材料により構成された球状構造体である。圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体が液体材料（例えば粘性流体）である場合と比較して、圧電膜１６に伝達される圧力変化Ｓの伝達効率が向上するため、その圧力変化Ｄの検出感度が向上する。これにより、生体の呼吸数や心拍数に代表される生体の生体データの測定精度が向上する。【選択図】    図４
2006133194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力変化を検出することにより生体の生体データを測定する圧力センサであって、
圧力変化を電圧変化に変換させる圧電膜と、
圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を前記圧電膜に伝達させる球状固体変位部分、を含む圧力変化検出部と、を備えた
ことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記圧力変化検出部が、さらに、前記球状固体変位部分から離間されて配置され、前記圧電膜を支持すると共に圧力変化に応じて変位不能な支持部分を含んでいる
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記球状固体変位部分が、前記圧電膜の膜面と交差する方向に延在しており、
前記支持部分が、前記球状固体変位部分の延在方向に沿ってその球状固体変位部分の周囲を囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記支持部分が、前記球状固体変位部分を収納するための開口を有しており、
前記球状固体変位部分が、前記支持部分のうちの前記開口に部分的に突出するように収納されている
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記支持部分のうちの前記開口に、粘性流体が充填されている
ことを特徴とする請求項４記載の圧力センサ。
【請求項６】
さらに、前記圧電膜と前記圧力変化検出部との間に配置され、その圧力変化検出部のうちの前記球状固体変位部分により伝達された圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を前記圧電膜に伝達させる変位膜を備え、
前記球状固体変位部分が、湾曲した端面を有し、その湾曲した端面において前記変位膜と連動して変位可能になっている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記球状固体変位部分が、複数の球部分と、各球部分間を連結させる連結部分とを含み、前記複数の球部分が前記連結部分を介して連結された構造を有している
ことを特徴とする請求項６記載の圧力センサ。
【請求項８】
さらに、前記圧電膜により変換された電圧変化に基づいて圧力を演算することにより、その圧力データに基づいて生体の呼吸数および心拍数を含む生体データを測定する圧力演算部を備えた
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項９】
さらに、前記圧力演算部により測定された生体データを記憶させるための記憶部を備えた
ことを特徴とする請求項８記載の圧力センサ。
【請求項１０】
さらに、前記圧力演算部により測定された生体データを外部へ送信するための送信部を備えた
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
全体の寸法が１ｍｍ×１ｍｍ角以下である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
圧力変化を検出することにより生体の生体データを測定する圧力センサの製造方法であって、
圧力変化を電圧変化に変換させる圧電膜を準備する第１の工程と、
圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を前記圧電膜に伝達させる球状固体変位部分を含むように圧力変化検出部を形成することにより、その圧力変化検出部のうちの前記球状固体変位部分により伝達された圧力変化が前記圧電膜において電圧変化に変換されるようにする第２の工程と、を含む
ことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項１３】
前記第２の工程において、
前記圧電膜の膜面と交差する方向に延在するように前記球状固体変位部分を形成すると共に、
さらに、前記球状固体変位部分の延在方向に沿ってその球状固体変位部分の周囲を囲むと共にその球状固体変位部分から離間されるように、前記圧電膜を支持すると共に圧力変化に応じて変位不能な支持部分を併せて形成する
ことを特徴とする請求項１２記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１４】
前記第２の工程が、
前記球状固体変位部分を準備する工程と、
前記球状固体変位部分を収納するための開口を有するように前記支持部分を形成する工程と、
前記支持部分のうちの前記開口に前記球状固体変位部分を収納させる工程と、
前記球状固体変位部分が収納された前記支持部分のうちの前記開口に粘性流体を充填させる工程と、を含む
を含むことを特徴とする請求項１３記載の圧力センサの製造方法。
【請求項１５】
前記球状固体変位部分を準備する工程において、
複数の球部分と、各球部分間を連結させる連結部分とを準備し、前記複数の球部分が前記連結部分を介して連結された構造を有するように前記変位部分を組み立てる
ことを特徴とする請求項１４記載の圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変化を検出することにより生体の生体データを測定する圧力センサおよびその製造方法に係り、特に、例えばマウスなどの小動物の呼吸運動や心拍運動に基づく圧力変化を検出することにより呼吸数や心拍数などの生体データを測定する圧力センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体分野および遺伝子分野等において、生体の生理機能を調査するために微小な圧力センサ（いわゆるマイクロ圧力センサ）が開発されている。この微小な圧力センサの開発過程では、例えば、各種実験用のマウス（例えば遺伝子ノックアウトマウス）に代表される小動物の皮下に圧力センサを埋め込み、その圧力センサを使用して圧力変化、すなわち呼吸運動や心拍運動に基づく圧力変化を検出することにより、小動物の呼吸数や心拍数などの生体データを測定する技術が実用化に向けて検討されている。もちろん、この種の圧力センサの使用用途としては、上記した小動物に適用する実験的用途に限らず、将来的には医療分野等において人間に適用する実用的用途も併せて検討されている。
【０００３】
この微小な圧力センサに関連する技術としては、例えば、密閉空気式音センサを使用した生体情報収集装置が既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。この生体情報収集装置は、荷重に応じて変形可能な弾性構造体により構成された空気室を備えると共に、荷重に応じて空気室が密閉されたときに、その密閉された空気室（密閉空気室）内の空気圧を検出する無指向性マイクロホンまたは圧力センサを備えている。この生体情報収集装置では、密閉空気室内の空気圧を検出することにより、心拍数などの生体情報を入手可能である。
【特許文献１】特開２００３−２１０４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、微小な圧力センサを使用して生体の呼吸数や心拍数などの生体データを高精度に測定するためには、その生体の呼吸運動や心拍運動に基づく圧力変化を正確に検出する必要がある。より具体的には、例えば、センササイズの極小型化を目的として約１ｍｍ×１ｍｍ角以下となるように圧力センサを構成した場合に、その微小な圧力センサを使用して小動物の生体データを高精度に測定するためには、小動物の皮下における表皮筋の僅かな振動を圧力変化として高感度に検出する必要がある。しかしながら、従来は、上記した小動物の僅かな振動を圧力変化として高感度に検出する観点において具体的な技術が十分に成熟していなかったため、小動物の生体データを高精度に測定可能な微小な圧力センサが実現に至っていなかった。したがって、微小な圧力センサを使用して生体の生理機能を詳細に調査するためには、小動物に代表される生体の生体データを高精度に測定可能な技術の確立が急務である。この場合には、特に、微小な圧力センサの生産性を考慮して、その圧力センサを容易に製造可能な技術を確立することも重要である。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、生体の生体データを高精度に測定することが可能な圧力センサを提供することにある。
【０００６】
また、本発明の第２の目的は、高精度な測定精度を有する圧力センサを容易に製造することが可能な圧力センサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る圧力センサは、圧力変化を検出することにより生体の生体データを測定するものであり、圧力変化を電圧変化に変換させる圧電膜と、圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる球状固体変位部分を含む圧力変化検出部とを備えたものである。
【０００８】
本発明に係る圧力センサでは、圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる媒体が球状固体変位部分であり、すなわち圧力変化を圧電膜に伝達させる媒体が固体材料により構成された球状構造体である。この場合には、圧力変化を圧電膜に伝達させる媒体が液体材料（例えば粘性流体）である場合と比較して、圧電膜に伝達される圧力変化の伝達効率が向上するため、その圧力変化の検出感度が向上する。これにより、生体データの測定精度が向上する。なお、「生体」とは、各種実験用のマウス（例えば遺伝子ノックアウトマウス）に代表される小動物や、人間などである。また、「生体データ」とは、生体の振動運動（例えば呼吸運動や心拍運動）に基づいて計測可能な呼吸数や心拍数などの生体情報である。
【０００９】
本発明に係る圧力センサの製造方法は、圧力変化を検出することにより生体の生体データを測定する圧力センサを製造する方法であり、圧力変化を電圧変化に変換させる圧電膜を準備する第１の工程と、圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる球状固体変位部分を含むように圧力変化検出部を形成することにより、その圧力変化検出部のうちの球状固体変位部分により伝達された圧力変化が圧電膜において電圧変化に変換されるようにする第２の工程とを含むものである。
【００１０】
本発明に係る圧力センサの製造方法では、圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる球状固体変位部分を含むように圧力変化検出部を形成すると共に、その球状固体変位部分により伝達された圧力変化を圧電膜において電圧変化に変換させるため、すなわち上記したように生体データの測定精度が向上した圧力センサを製造するために、エッチング技術に代表される既存の製造技術のみを使用し、新規かつ煩雑な製造技術を使用しない。
【００１１】
特に、本発明に係る圧力センサでは、圧力変化検出部が、さらに、球状固体変位部分から離間されて配置され、圧電膜を支持すると共に圧力変化に応じて変位不能な支持部分を含んでいると共に、球状固体変位部分が圧電膜の膜面と交差する方向に延在しており、支持部分が球状固体変位部分の延在方向に沿ってその球状固体変位部分の周囲を囲むように配置されていてもよい。この場合には、支持部分が球状固体変位部分を収納するための開口を有しており、球状固体変位部分が支持部分のうちの開口に部分的に突出するように収納されていると共に、支持部分のうちの開口に粘性流体が充填されているのが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る圧力センサでは、さらに、圧電膜と圧力変化検出部との間に配置され、その圧力変化検出部のうちの球状固体変位部分により伝達された圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる変位膜を備え、球状固体変位部分が湾曲した端面を有し、その湾曲した端面において変位膜と連動して変位可能になっているのが好ましい。この場合には、球状固体変位部分が複数の球部分と各球部分間を連結させる連結部分とを含み、複数の球部分が連結部分を介して連結された構造を有していてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る圧力センサでは、さらに、圧電膜により変換された電圧変化に基づいて圧力を演算することにより、その圧力データに基づいて生体の呼吸数および心拍数を含む生体データを測定する圧力演算部を備えていてもよい。この場合には、さらに、圧力演算部により測定された生体データを記憶させるための記憶部を備えると共に、圧力演算部により測定された生体データを外部へ送信するための送信部を備えていてもよい。
【００１４】
なお、本発明に係る圧力センサの全体の寸法は、１ｍｍ×１ｍｍ角以下である。
【００１５】
特に、圧力センサの製造方法では、第２の工程において、圧電膜の膜面と交差する方向に延在するように球状固体変位部分を形成すると共に、さらに、球状固体変位部分の延在方向に沿ってその球状固体変位部分の周囲を囲むと共にその球状固体変位部分から離間されるように、圧電膜を支持すると共に圧力変化に応じて変位不能な支持部分を併せて形成してもよい。この場合には、第２の工程が、球状固体変位部分を準備する工程と、球状固体変位部分を収納するための開口を有するように支持部分を形成する工程と、支持部分のうちの開口に球状固体変位部分を収納させる工程と、球状固体変位部分が収納された支持部分のうちの開口に粘性流体を充填させる工程とを含むようにし、特に、球状固体変位部分を準備する工程において、複数の球部分と各球部分間を連結させる連結部分とを準備し、複数の球部分が連結部分を介して連結された構造を有するように変位部分を組み立ててもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る圧力センサによれば、圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる媒体が球状固体変位部分である構造的特徴に基づき、圧電膜に伝達される圧力変化の伝達効率が向上するため、その圧力変化の検出感度が向上する。したがって、生体データの測定精度が向上するため、生体の生体データを高精度に測定することができる。
【００１７】
本発明に係る圧力センサの製造方法によれば、圧力変化に応じて変位することによりその圧力変化を圧電膜に伝達させる球状固体変位部分を含むように圧力変化検出部を形成すると共に、その球状固体変位部分により伝達された圧力変化を圧電膜において電圧変化に変換させるために、既存の製造技術のみを使用する製法的特徴に基づき、高精度な測定精度を有する圧力センサを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る圧力センサの構成について説明する。図１および図２は圧力センサの構成を表しており、図１は平面構成（Ｚ軸方向から見た平面構成）を示し、図２は図１に示したＡ−Ａ線に沿った断面構成（ＸＺ面に沿った断面構成）を示している。
【００２０】
本実施の形態に係る圧力センサは、圧力変化を検出することにより生体の生体データを測定するものであり、例えば、各種実験用のマウスに代表される小動物の呼吸運動や心拍運動に基づく圧力変化を検出することにより呼吸数や心拍数などの生体データを測定するものである。この圧力センサは、例えば、図１および図２に示したように、圧力の測定機能を担う圧力測定部１０と、圧力変化の検出機能を担う圧力変化検出部２０とを備えている。
【００２１】
圧力測定部１０は、圧力変化検出部２０により検出された圧力変化に基づいて圧力を演算することにより生体データを測定するものである。この圧力測定部１０は、例えば、主に、圧力変化検出部２０に近い側から順に、絶縁膜１１と、変位膜１２と、キャップ膜１３と、絶縁膜１４と、保護膜１５とが積層されており、その変位膜１２中に圧電膜１６が埋設された構成を有している。
【００２２】
絶縁膜１１は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）などの絶縁性材料により構成されており、その厚さは約１．０μｍである。
【００２３】
変位膜１２は、圧力変化検出部２０の変位に応じて変位することにより、その圧力変化検出部２０の変位に基づく圧力変化を圧電膜１６に伝達させるゲージ膜である。この変位膜１２は、例えば、イオン打ち込み処理（例えばホウ素（Ｂ）イオン）が施されることにより抵抗変化したケイ素（Ｓｉ）などの絶縁性材料により構成されており、その厚さは約３．０μｍ〜１０．０μｍである。
【００２４】
キャップ膜１３は、イオン打ち込み処理を行うために使用されるものである。このキャップ膜１３は、例えば、ケイ素の熱酸化膜（酸化ケイ素）である、その厚さは約２０ｎｍである。
【００２５】
絶縁膜１４は、例えば、酸化ケイ素などの絶縁性材料により構成されており、その厚さは約３００ｎｍである。この絶縁膜１４のうち、圧電膜１６に対応する箇所にはコンタクトホールが設けられており、そのコンタクトホールに圧電膜１６と接続されるように配線膜１７が挿通されている。この配線膜１７は、例えば、アルミニウム−ケイ素−銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）などの導電性材料により構成されている。
【００２６】
保護膜１５は、圧力測定部１０を保護するものである。この保護膜１５は、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により構成されており、その厚さは約３００ｎｍである。この保護膜１５には、複数箇所に開口が設けられており、その開口に外部配線用の複数のパッド１８Ａ（ＶＧ１），１８Ｂ（Ｖｃｃ），１８Ｃ（ＶＧ２），１８Ｄ（ＧＮＤ）が組み込まれている。これらのパッド１８Ａ〜１８Ｄは、圧電膜１６および配線膜１７を介して電気的に接続されている。
【００２７】
圧電膜１６は、圧力変化検出部２０の変位に応じて変形し、その圧力変化検出部２０の変位に基づく圧力変化を抵抗変化として検出することにより、圧力変化を電圧変化に変換させるものである。この圧電膜１６は、例えば、外力に応じて変形することにより抵抗が変化可能なピエゾ薄膜、具体的にはイオン打ち込み処理が施された珪素（Ｓｉ）薄膜により構成されている。特に、圧電膜１６は、例えば、配線膜１７を介して互いに直列に接続されるように４つ（圧電膜１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ）設けられている。これらの圧電膜１６Ａ〜１６Ｄの寸法は、例えば、いずれも約５μｍ×１００μｍ〜４００μｍである。なお、４つの圧電膜１６Ａ〜１６Ｄの配置関係に関しては、後述する。
【００２８】
圧力変化検出部２０は、生体の呼吸運動や心拍運動に基づく圧力変化を検出し、その圧力変化を圧力測定部１０に伝達させるものである。この圧力変化検出部２０は、圧力測定部１０のうちの絶縁膜１１に連結され、圧力変化に応じて変位可能な球状固体変位部分２１を含んで構成されている。この球状固体変位部分２１は、圧力変化に応じてＺ軸方向において上下に変位することにより変位膜１２と連動して変位可能になっており、例えば、絶縁膜１１の膜面内のほぼ中央に位置し、所定の方向（ここではＺ軸方向）に延在している。特に、球状固体変位部分２１は、湾曲した端面（湾曲面）２１Ｍを有し、その湾曲した端面２１Ｍにおいて変位膜１２と連動して変位可能になっている。具体的には、球状固体変位部分２１は、例えば、複数の球部分２１Ａと、各球部分２１Ａ間を連結させる連結部分２１Ｂとを含み、その複数の球部分２１Ａが連結部分２１Ｂを介して連結された構造を有している。ここでは、例えば、２つの球部分２１Ａが１つの連結部分２１Ｂを介して連結された構造を有するように球状固体変位部分２１が構成されている。この球部分２１Ａは、固体材料により構成されており、例えば、アクリル、塩化ビニルまたはポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂により構成されている。また、連結部分２１Ｂは、例えば、樹脂や金属などにより構成されており、具体的には球部分２１Ａの構成材料と同様の樹脂により構成されている。
【００２９】
この圧力変化検出部２０は、例えば、上記した球状固体変位部分２１と共に、絶縁膜１１に連結され、圧電膜１６（１６Ａ〜１６Ｄ）を含む圧力測定部１０を支持すると共に圧力変化に応じて変位不能な支持部分２２を併せて含んで構成されている。この支持部分２２は、例えば、球状固体変位部分２１の延在方向（Ｚ軸方向）に沿ってその球状固体変位部分２１の周囲を囲み、具体的には球状固体変位部分２１を収納するための開口２０Ｋを構成するように配置されており、矩形型の開口パターンを構成する角柱型の筒状構造を有している。この開口２０Ｋには、例えば、粘性流体２３が充填されている。この粘性流体２３は、開口２０Ｋ内において球状固体変位部分２１の姿勢が維持されるように、その球状固体変位部分２１を保持するものである。支持部分２２は、固体材料により構成されており、例えば、シリコン（Ｓｉ）系の半導体材料により構成されている。また、粘性流体２３は、例えば、ゼラチンまたは寒天などのゲル状物質により構成されている。特に、球状固体変位部分２１は、例えば、支持部分２２により構成された開口２０Ｋから部分的に突出している。この球状固体変位部分２１の下端（球状固体変位部分２１を構成している下側の球部分２１Ａの下端）と支持部分２２の下端との間の距離（突出長さＬ）は、約５０μｍ〜１００μｍである。
【００３０】
この圧力センサは、生体の皮下に埋め込まれ、より詳細には生体に違和感を与えないように装着可能となるように極めて小型化されている。具体的には、圧力センサの全体の寸法、すなわち図１に示した圧力センサの平面寸法は、例えば、約１ｍｍ×１ｍｍ角以下である。特に、例えばマウスなどに代表される小動物の皮下に圧力センサを埋め込む場合に関して一例を挙げれば、圧力センサの平面寸法は、例えば、約０．８ｍｍ×０．８ｍｍ（約８００μｍ×８００μｍ）である。なお、上記した「圧力センサの平面寸法」とは、詳細には、図１に示した圧力センサの平面形状の輪郭（外縁）の縦横寸法である。
【００３１】
この圧力センサでは、図１および図２に示したように、絶縁膜１１のうちの一部分に支持部分２２が変位不能に連結されている一方で、残りの部分に球状固体変位部分２１が変位可能に連結されており、すなわち開口２０Ｋ内においてメンブレン構造を有している。特に、例えば、図１に示したように、４つの圧電膜１６Ａ〜１６Ｄは、ＸＹ面内において球状固体変位部分２１を４方向から囲むように配置されている。これらの４つの圧電膜１６Ａ〜１６Ｄのうち、２つの圧電膜１６Ａ，１６Ｄは開口２０Ｋ（メンブレン構造）を横切るように位置し、すなわち球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化を検出し得るように配置されており、残りの２つの圧電膜１６Ｂ，１６Ｃは開口２０Ｋ（メンブレン構造）を横切らないように位置し、すなわち球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化を検出し得ないように配置されている。
【００３２】
なお、確認までに説明しておくと、「生体」とは、各種実験用のマウス（例えば遺伝子ノックアウトマウス）に代表される小動物や、人間などである。また、「生体データ」とは、上記したように、生体の振動運動（例えば呼吸運動や心拍運動）に基づいて計測可能な呼吸数や心拍数などの生体情報である。
【００３３】
次に、図１〜図３を参照して、圧力センサの詳細な構成について説明する。図３は、圧力測定部１０のブロック構成を表している。
【００３４】
圧力測定部１０は、例えば、図３に示したように、上記した圧電膜１６Ａ〜１６Ｄ、配線膜１７およびパッド１８Ａ〜１８Ｄを含んで構成された回路パターン１１１と、圧力測定部１０全体を制御するコントローラ１１２と、データを記憶させるためのメモリ１１３と、電源としてのバッテリ１１４と、外部にデータを送信するための送信機１１５とを含んで構成されている。なお、図３では、回路パターン１１１の構成を判りやすくするために、その回路パターン１１１に関しては回路構成（回路図）を示している。
【００３５】
回路パターン１１１は、圧電膜１６Ａ〜１６Ｄのそれぞれの抵抗変化に基づき、コントローラ１１２において圧力Ｐを演算可能にするためのものである。この回路パターン１１１は、例えば、図３に示したように、バッテリ１１４から電源電圧（Ｖｃｃ）が供給されると共に一端が接地（ＧＮＤ）された状態において、圧電膜１６Ａ，１６Ｃに基づいて検出された一方の分圧信号（ＶＧ１）をコントローラ１１２に出力すると共に、同様に圧電膜１６Ｂ，１６Ｄに基づいて検出された他方の分圧信号（ＶＧ２）をコントローラ１１２に出力するようになっている。
【００３６】
コントローラ１１２は、主に、圧電膜１６Ａ〜１６Ｄにより変換された電圧変化、より具体的には回路パターン１１１から出力された２系統の分圧信号に基づいて圧力Ｐを演算する圧力演算部であり、その圧力データ（圧力Ｐ）に基づいて生体の呼吸数や心拍数を含む生体データＤを測定するものである。このコントローラ１１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）などの制御デバイスを含んで構成されている。特に、コントローラ１１２は、例えば、生体データＤを測定すると、その生体データＤをメモリ１１３に記憶させると共に、必要に応じて送信機１１５を介して生体データＤを外部へ送信するようになっている。
【００３７】
メモリ１１３は、コントローラ１１２により測定された生体データＤに代表される各種データを記憶させるためのものである。このメモリ１１３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶デバイスを含んで構成されている。
【００３８】
送信機１１５は、コントローラ１１２により測定された生体データＤを外部へ送信するために使用されるものである。この送信機１１５は、例えば、コントローラ１１２から指示信号が出力されると、その指示信号に応じて生体データＤを外部へ送信するようになっている。
【００３９】
次に、図１〜図４を参照して、圧力センサの動作について説明する。図４は、圧力センサの使用態様を説明するためのものであり、図２に対応する断面構成を示している。
【００４０】
この圧力センサでは、例えば、図４に示したように、生体の皮下に埋め込まれ、具体的には圧力変化検出部２０（球状固体変位部分２１，支持部分２２）が皮下組織３０に接触するように埋め込まれた状態において、その皮下組織３０において生体の呼吸運動や心拍運動に基づく圧力変化Ｓが生じると、その圧力変化Ｓが圧力変化検出部２０において検出される。具体的には、球状固体変位部分２１が圧力変化Ｓに応じて変位可能な一方で、支持部分２２が圧力変化Ｓに応じて変位不能なため、その支持部分２２により圧電膜１６Ａ〜１６Ｄを含む圧力測定部１０が支持された状態において、球状固体変位部分２１のみが圧力変化Ｓに応じて変位し、具体的には球状固体変位部分２１の延在方向（Ｚ軸方向）において上下に変位する。
【００４１】
球状固体変位部分２１が圧力変化Ｓに応じて変位すると、その球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化が圧力測定部１０に伝達されるため、圧力測定部１０が圧力変化に基づいて圧力Ｐを演算することにより生体データＤを測定する。具体的には、球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化が変位膜１２を介して圧電膜１６Ａ〜１６Ｄに伝達されると、それらの圧電膜１６Ａ〜１６Ｄにより圧力変化が電圧変化に変換されるため、コントローラ１１２が電圧変化に基づいて圧力Ｐを演算したのち、その圧力Ｐに基づいて呼吸数や心拍数などの生体データＤを測定する。
【００４２】
特に、コントローラ１１２は、例えば、生体データＤを測定時ごとにメモリ１１３に随時記憶させておき、所定の時間間隔ごとに送信機１１５を介して生体データＤを外部へ送信する。この「外部」とは、生体データＤの送信先であり、例えば、生体データＤを収集して管理するために準備されている管理端末装置である。この管理端末装置とは、例えば、生体データＤに基づいてデータベースを構築可能なコンピュータである。
【００４３】
次に、図１、図２、図５および図６を参照して、本発明の一実施の形態に係る圧力センサの製造方法について説明する。図５および図６は圧力センサの製造方法を説明するためのものであり、いずれも図２に対応する断面構成を示している。なお、以下では、圧力センサの製造方法のうち、圧力変化検出部２０の形成工程について言及する。
【００４４】
図１および図２に示した圧力センサは、既存の製造技術のみを使用して圧力変化検出部２０を形成することにより製造される。すなわち、圧力変化検出部２０を形成することにより圧力センサを製造する際には、図１および図２に示したように、圧電膜１６Ａ〜１６Ｄ、配線膜１７およびパッド１８Ａ〜１８Ｄを含む圧力測定部１０（絶縁膜１１／変位膜１２／キャップ膜１３／絶縁膜１４／保護膜１５）を準備したのち、球状固体変位部分２１を含むように圧力変化検出部２０を形成することにより、その圧力変化検出部２０のうちの球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化が圧電膜１６において電圧変化に変換されるようにし、特に、圧電膜１６を支持すると共に圧力変化に応じて変位不能な支持部分２２を併せて含むように圧力変化検出部２０を形成する。
【００４５】
具体的には、まず、図２に示したように、あらかじめ球状固体変位部分２１を準備しておく。この球状固体変位部分２１を準備する際には、例えば、複数の球部分２１Ａと、各球部分２１Ａ間を連結させる連結部分２１Ｂとを準備したのち、接着剤等を使用して複数の球部分２１Ａと連結部分２１Ｂとを互いに接着させることにより、複数の球部分２１Ａが連結部分２１Ｂを介して連結されることにより所定の方向（ここではＺ軸方向）に延在した構造を有するように、球状固体変位部分２１を組み立てる。ここでは、例えば、２つの球部分２１Ａが１つの連結部分２１Ｂを介して連結された構造を有するように球状固体変位部分２１を組み立てる。
【００４６】
続いて、図５に示したように、絶縁膜１１の一面に、開口２０Ｋを有するように支持部分２２を形成する。この支持部分２２を形成する際には、例えば、絶縁膜１１の一面に、シリコン系の半導体材料などの固体材料を使用して前駆膜（支持部分２２を形成するための前準備膜）を形成したのち、イオンミリングなどのドライエッチングを使用して絶縁膜１１が部分的に露出するまで前駆膜を部分的に掘り下げることにより、支持部分３３に開口２０Ｋが設けられるようにする。
【００４７】
続いて、図６に示したように、支持部分２２により構成された開口２０Ｋに、支持部分２２により球状固体変位部分２１の延在方向に沿ってその球状固体変位部分２１の周囲が囲まれるように、あらかじめ準備しておいた球状固体変位部分２１を収納させる。この球状固体変位部分２１を開口２０Ｋに収納させる際には、その球状固体変位部分２１を構成している上側の球部分２１Ａが湾曲した端面２１Ｍにおいて絶縁膜１１のうちのほぼ中央部に隣接するようにすると共に、下側の球部分２１Ａが開口２０Ｋから部分的に突出するようにする。
【００４８】
最後に、図２に示したように、球状固体変位部分２１が収納された開口２０Ｋに、粘性流体２３を充填する。これにより、開口２０Ｋ内において粘性流体２３により球状固体変位部分２１の姿勢が維持される結果、球状固体変位部分２１、支持部分２２および粘性流体２３を含むように圧力変化検出部２０が形成されるため、圧力測定部１０および圧力変化検出部２０を含む圧力センサが完成する。
【００４９】
本実施の形態に係る圧力センサでは、圧力変化Ｓに応じて変位することによりその圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体が球状固体変位部分２１であり、すなわち圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体が固体材料により構成された球状構造体であるので、以下の理由により、生体の生体データＤを高精度に測定することができる。
【００５０】
図７は本実施の形態に係る圧力センサに対する比較例としての圧力センサの構成を表しており、図４に対応する断面構成を示している。この比較例の圧力センサは、図７に示したように、球状固体変位部分２１および支持部分２２の双方を含むように圧力変化検出部２０が構成されている本実施の形態に係る圧力センサ（図４参照）とは異なり、球状固体変位部分２１を含まずに支持部分２２のみを含むと共に、その支持部分２２により構成された開口２０Ｋ内に全体に渡って粘性流体２３が充填されている点を除き、本実施の形態に係る圧力センサと同様の構成を有している。
【００５１】
この比較例の圧力センサ（図７参照）では、皮下組織３０において圧力変化Ｓが生じると、圧力変化検出部２０において粘性流体２３が圧力変化Ｓに応じて流動することにより圧電膜１６に圧力変化が伝達される。しかしながら、この場合には、圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体として液体（粘性流体２３）を使用していることに起因して、粘性流体２３から圧電膜１６に伝達される圧力変化Ｓの伝達効率が不十分なため、その圧力変化Ｓの検出感度が不十分である。これにより、比較例の圧力センサでは、生体データＤの測定精度を向上させることが困難であるため、生体の生体データＤを高精度に測定することが困難である。
【００５２】
これに対して、本実施の形態に係る圧力センサ（図４参照）では、圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体として液体（粘性流体２３）を使用している比較例の圧力センサとは異なり、その液体に代えて固体（球状固体変位部分２１）を使用しているため、皮下組織３０において圧力変化Ｓが生じると、圧力変化検出部２０において球状固体変位部分２１が圧力変化Ｓに応じて変位することにより圧電膜１６に圧力変化が伝達される。この場合には、圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体として固体（球状固体変位部分２１）を使用していることに基づき、粘性流体２３から圧電膜１６に圧力変化Ｓが伝達される比較例の場合と比較して、球状固体変位部分２１から圧電膜１６に伝達される圧力変化Ｓの伝達効率が向上するため、その圧力変化Ｓの検出感度が向上する。したがって、本実施の形態に係る圧力センサでは、生体データＤの測定精度が向上するため、生体の生体データＤを高精度に測定することができるのである。
【００５３】
また、本実施の形態では、球状固体変位部分２１が開口２０Ｋから部分的に突出するようにしたので、球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化を変位膜１２まで十分に伝達し得るように突出長さＬを適正に設定することにより、球状固体変位部分２１が圧力変化Ｓに応じて変位した際に力学的影響を受けて収縮したとしても、圧電膜１６において圧力変化を十分に検出することが可能である。したがって、この観点においても生体データＤの測定精度の高精度化に寄与することができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、球部分２１Ａを含むように球状固体変位部分２１を構成することにより、その球状固体変位部分２１が湾曲した端面２１Ｍにおいて変位膜１２と連動して変位可能になるようにしたので、いかなる方向に圧力変化Ｓが生じた場合においても、球状固体変位部分２１の変位に基づいて圧力変化Ｓが変位膜１２に対して局所的に伝達される。より具体的には、圧力変化ＳがＺ軸と平行な方向に生じた場合においても、あるいは圧力変化ＳがＺ軸からずれた（傾いた）方向に生じた場合においても、その圧力変化Ｓの発生方向に関係せずに、変位膜１２のうちの一定箇所に集中するように圧力変化Ｓが伝達される。この場合には、変位部分が平坦な端面において変位膜１２と連動して変位可能であり、すなわち変位膜１２のうちの圧力変化の集中箇所が圧力変化Ｓの発生方向に応じて変動し得る場合とは異なり、変位膜１２のうちの一定箇所に集中して伝達された圧力変化Ｓに基づいて圧電膜１６により電圧変換されるため、その圧電膜１６による電圧変換精度が向上する。したがって、この観点においても生体データＤの測定精度の高精度化に寄与することができる。
【００５５】
また、本実施の形態では、圧力変化Ｓに応じて変位可能な球状固体変位部分２１と共に、圧電膜１６を含む圧力測定部１０を支持すると共に圧力変化Ｓに応じて変位不能な支持部分２２を併せて含むように圧力変化検出部２０を構成したので、圧力変化Ｓが生じた際に、支持部分２２によって支持されることにより圧電膜１６が相対的に静止したまま、球状固体変位部分２１のみが相対的に変位する。この場合には、圧電膜１６が支持部分２２の変位に基づく圧力変化を検出せず、その圧電膜１６が球状固体変位部分２１の変位に基づく圧力変化のみを検出するため、その支持部分２２の変位に基づく圧力変化を検出しない分だけ、生体データＤに誤差が含まれにくくなる。したがって、この観点においても生体データＤの測定精度の高精度化に寄与することができる。
【００５６】
なお、圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体として固体（球状固体変位部分２１）を使用した場合（図４参照）には、比較例の場合（図７参照）と比較して、以下の観点においても利点を有する。すなわち、比較例の場合には、支持部分２２により構成された開口２０Ｋ内に粘性流体２３を充填させなければならないが、圧力センサの小型化に応じて開口２０Ｋの容積が小さくなると、表面張力に起因して粘性流体２３を開口２０Ｋに充填させにくくなる。この場合には、粘性流体２３が絶縁膜１１に十分に接触しないと、その粘性流体２３により検出された圧力変化Ｓが変位膜１２を介して圧電膜１６まで十分に伝達しにくくなるため、圧力測定部１０において圧力Ｐの測定精度が低下してしまう。これに対して、本実施の形態の場合は、圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる媒体として粘性流体２３に代えて球状固体変位部分２１を使用していることに基づき、当然ながら、粘性流体２３の充填不良に起因して圧力Ｐの測定精度が低下しないため、この観点においても比較例の場合よりも生体データＤの測定精度を向上させることができるのである。
【００５７】
ここで、確認までに説明しておくと、比較例の場合には、例えば、真空環境中において開口２０Ｋに長時間に渡って粘性流体２３を浸透させれば、その開口２０Ｋに粘性流体２３を充填させることが可能であるが、上記したように、粘性流体２３を使用している限りにおいて本実施の形態の場合よりも圧力変化Ｓの検出感度が低くなるため、生体データＤの測定精度はやはり本実施の形態の場合よりも低くなる。また、本実施の形態の場合には、球状固体変位部分２１が収納された開口２０Ｋに粘性流体２３が充填されているが、比較例の場合とは異なり、この粘性流体２３は上記したように球状固体変位部分２１の姿勢を維持させるために使用されており、圧力変化Ｓを検出するために使用されていないため、その粘性流体２３の存在に起因して生体データＤの測定精度が低下することはない。
【００５８】
特に、本実施の形態では、上記したように生体データＤの測定精度が向上する点に基づき、その生体データＤの測定精度を確保したまま、圧力センサを小型化することが可能となり、具体的には、圧力センサの平面寸法を約１ｍｍ×１ｍｍ角以下とすることができる。これにより、本実施の形態に係る圧力センサを小動物、例えば全長が２ｃｍ程度のマウスにまで適用することができる。
【００５９】
また、上記した他、本実施の形態に係る圧力センサの製造方法では、圧力変化Ｓに応じて変位することによりその圧力変化Ｓを圧電膜１６に伝達させる球状固体変位部分２１を含むように圧力変化検出部２０を形成すると共に、その球状固体変位部分２１により伝達された圧力変化Ｓを圧電膜１６において電圧変化に変換させるため、すなわち上記したように生体データＤの測定精度が向上した圧力センサを製造するために、支持部分２２を形成するためのエッチング技術に代表される既存の製造技術のみを使用し、新規かつ煩雑な製造技術を使用しない。したがって、本実施の形態では、既存の製造技術のみを使用して、高精度な測定精度を有する圧力センサを容易に製造することができる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、２つの球部分２１Ａが１つの連結部分２１Ｂを介して連結された構造を有するように球状固体変位部分２１を構成したが、必ずしもこれに限られるものではなく、その球部分２１Ａの個数および連結部分２１Ｂの個数は自由に変更可能である。この場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また、本実施の形態では、複数の球部分２１Ａが連結部分２１Ｂを介して連結された構造を有するように球状固体変位部分２１を構成したが、必ずしもこれに限られるものではなく、球状固体変位部分２１が湾曲した端面２１Ｍにおいて変位膜１２と連動して変位可能な限り、その球状固体変位部分２１の立体構造は自由に変更可能である。もちろん、立体構造に関する自由度は、球状固体変位部分２１に限らず、支持部分２２に関しても同様である。この場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、生体データＤの測定主体（コントローラ１１２）を備えるように圧力測定部１０を構成し、すなわち圧電膜１６により変換された電圧変化に基づいて圧力Ｐを演算することにより自ら生体データＤを測定し得るように圧力測定部１０を構成したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、コントローラ１１２を備えないように圧力測定部１０を構成し、すなわち自ら生体データＤを測定し得ないように圧力測定部１０を構成してもよい。この場合には、例えば、圧電膜１６により変換された電圧変化を出力信号として出力し得るように圧力測定部１０が構成され、すなわち生体データＤの測定機能を外部に委ねるように圧力測定部１０が構成される。この場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、生体データＤを記憶させるためのメモリ１１３や生体データＤを外部に送信するための送信機１１５を備えるように圧力測定部１０を構成したが、必ずしもこれに限られるものではなく、圧力測定部１０がメモリ１１３や送信機１１５を備えるか否かは自由に設定可能である。この場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
以上をもって、本発明の一実施の形態に係る圧力センサおよびその製造方法についての説明を終了する。
【００６５】
次に、図８を参照して、本発明の圧力センサの適用例について説明する。図８は、圧力センサを適用した生体管理システムのブロック構成を表している。
【００６６】
この生体管理システムは、例えば、上記実施の形態において説明した圧力センサ（圧力センサ１００）をマウスなどの生体Ｌの皮下に埋め込み、その圧力センサ１００を使用して生体Ｌの生体データＤ（例えば心拍数や心拍数）を継続的に測定して管理するものである。この生体管理システムは、例えば、図８に示したように、圧力センサ１００が埋め込まれた生体Ｌと共に、データ管理用の管理端末装置２００を含んで構成されている。
【００６７】
管理端末装置２００は、例えば、生体データＤに基づいてデータベースを構築可能なコンピュータである。この管理端末装置２００は、例えば、装置全体を制御するコントローラ２０１と、各種データを記憶させるためのメモリ２０２と、外部からデータを受信するための受信機２０３とを含んで構成されている。コントローラ２０１は、主に、圧力センサ１００から生体データＤを取得することにより、その生体データをメモリ２０２に記憶させるものであり、例えば、ＣＰＵなどの制御デバイスを含んで構成されている。メモリ２０２は、コントローラ２０１により取得された生体データＤに代表される各種データを記憶させるためのものであり、例えば、ＲＡＭなどの記憶デバイスを含んで構成されている。受信機２０３は、圧力センサ１００から送信された生体データＤを受信するために使用されるものである。
【００６８】
なお、圧力センサ１００の構成および機能については上記実施の形態において既に詳細に説明したので、その説明を省略する。
【００６９】
この生体管理システムでは、例えば、生体Ｌに埋め込まれている圧力センサ１００から生体データＤが送信されると、その生体データＤが管理端末装置２００において受信される。具体的には、受信機２０３が生体データＤを受信すると、コントローラ２０１が生体データＤを取得することにより、その生体データＤをメモリ２０２に記憶させる。なお、圧力センサ１００から管理端末装置２００へ生体データＤを送信する頻度は、自由に設定可能である。これにより、圧力センサ１００において測定された生体データＤが管理端末装置２００において蓄積されるため、その管理端末装置２００において生体Ｌの生体データＤが継続的かつ統括的に管理される。
【００７０】
この生体管理システムでは、上記実施の形態において説明した圧力センサ１００を備えるようにしたので、その圧力センサ１００により生体Ｌの生体データＤが高精度に測定される。したがって、管理端末装置２００において生体Ｌの生理データＤを高精度に管理することができる。
【００７１】
なお、生体管理システムに適用されている圧力センサ１００に関する上記以外の動作、作用および効果は上記実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００７２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態で説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。具体的には、例えば、上記実施の形態では、マウスに代表される生体の生体データを取得するために本発明の圧力センサを適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、本発明の圧力センサを使用して生体データを取得する対象（生体）は自由に変更可能である。具体的には、例えば、マウスに代えて人間の生体データを取得するために本発明の圧力センサを適用するようにしてもよい。この場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
また、上記実施の形態では、生体データとして呼吸数や心拍数を測定するために本発明の圧力センサを適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、生体データとして呼吸数や心拍数以外の他のデータを測定するために本発明の圧力センサを適用してもよい。この「他のデータ」としては、例えば、樹脂製または金属製のフレキシブルチューブ内を流れる流体の圧力や、薄板を介した密閉構造内の圧力変動などが挙げられる。この場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る圧力センサおよびその製造方法は、例えばマウスなどの生体の生体データ（例えば呼吸数や心拍数）を測定する圧力センサおよびその製造方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る圧力センサの平面構成を表す平面図である。
【図２】図１に示したＡ−Ａ線に沿った圧力センサの断面構成を表す断面図である。
【図３】図１に示した圧力センサのうちの圧力測定部のブロック構成を表すブロック図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る圧力センサの使用態様を説明するための断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】図５に続く工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る圧力センサに対する比較例としての圧力センサの断面構成を表す断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係る圧力センサを適用した生体管理システムのブロック構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０…圧力測定部、１１，１４…絶縁膜、１２…変位膜、１３…キャップ膜、１５…保護膜、１６（１６Ａ〜１６Ｄ）…圧電膜、１７…配線膜、１８Ａ〜１８Ｄ…パッド、２０…圧力変化検出部、２０Ｋ…開口、２１…球状固体変位部分、２１Ａ…球部分、２１Ｂ…連結部分、２１Ｍ…端面、２２…支持部分、２３…粘性流体、３０…皮下組織、１００…圧力センサ、１１１…回路パターン、１１２，２０１…コントローラ、１１３，２０２…メモリ、１１４…バッテリ、１１５…送信機、２００…管理端末装置、２０３…受信機、Ｄ…生体データ、Ｌ…生体、Ｐ…圧力、Ｓ…圧力変化。
【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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