(57)【要約】  圧力センサは、固定部と、複数の支持梁によって固定部に支持されたリング状振動子と、固定部に設けられ、リング状振動子の振動方向にギャップを介して配置される複数の電極と、リング状振動子および電極の互いに対向する面のいずれか一方に形成されたエレクトレット膜と、を備える。
2015060071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
複数の支持梁によって前記固定部に支持されたリング状振動子と、
前記固定部に設けられ、前記リング状振動子の振動方向にギャップを介して配置される複数の電極と、
前記リング状振動子および前記電極の互いに対向する面のいずれか一方に形成されたエレクトレット膜と、を備える圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記リング状振動子の形状が円環である、圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、
前記支持梁は、前記リング状振動子における振動の節となる部分を支持し、
前記複数の電極は、前記リング状振動子における振動の腹となる部分に対向するように配置される、圧力センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサを備える圧力検出装置であって、
前記圧力センサに設けられた複数の電極は、２以上の駆動用電極と１以上の検出用電極とを有し、
前記駆動用電極に交流電圧を印加する電源と、
前記検出用電極に生じる前記リング状振動子の振動に伴う電圧信号を検出し、該電圧信号に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える圧力検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の圧力検出装置において、
前記電源は所定の周波数範囲の交流電圧を前記駆動用電極に印加し、
前記圧力算出部は、共振状態において検出される電圧信号のレベルと非共振状態において検出される電圧信号のレベルとの差を前記圧力情報として出力する、圧力検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサと、
前記複数の電極に交流電圧を印加する電源と、
前記交流電圧が印加された前記圧力センサを含む電気機械結合系のアドミッタンスを検出し、その検出値に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
気体の粘性抵抗を利用した圧力センサ、および、圧力センサを備える圧力検出装置。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型な圧力センサとして、特許文献１に記載のようなダイアフラム式の圧力センサが知られている。ダイアフラム式圧力センサは、ダイアフラムの表裏両面に加わる圧力差をダイアフラムの変形として検出するものであり、過大な圧力が加わった場合にダイアフラムが損傷するという問題がある。【０００３】
このようなダイアフラム式圧力センサの欠点を解消する圧力センサとして、気体の粘性抵抗を利用した圧力センサが提案されている（特許文献２参照）。この圧力センサは、固定櫛歯に対して可動櫛歯を振動させ、櫛歯間の気体の粘性抵抗を利用して圧力を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００６−４７１９３号公報
【特許文献２】日本国特許第４６９６２４４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、特許文献２に記載の圧力センサでは、駆動機構として櫛歯駆動機構を用いているが、駆動用の交流電圧に加えて、直流電源を用いて駆動電極と可動電極との間に高い直流バイアス電圧を印加する必要がある。そのため、低消費電力化が難しいという問題がある。また、櫛歯駆動機構では、固定櫛歯電極に対して可動櫛歯電極を挿脱する方向に駆動するので、よりダンピング効果の高いスクィーズフィルムダンピングを利用することができない。そのため、特許文献２に記載の圧力センサでは、スクィーズフィルムダンピングを利用するために、スクィーズフィルムダンピングを発生させるダンピング機構を櫛歯駆動機構とは別に設けて、それを櫛歯駆動機構で駆動するようにしている。そのため、圧力センサ自体が大型化するという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、圧力センサは、固定部と、複数の支持梁によって固定部に支持されたリング状振動子と、固定部に設けられ、リング状振動子の振動方向にギャップを介して配置される複数の電極と、リング状振動子および電極の互いに対向する面のいずれか一方に形成されたエレクトレット膜と、を備える。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の圧力センサにおいて、リング状振動子の形状が円環である、ことが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第１または２の態様の圧力センサにおいて、支持梁は、リング状振動子における振動の節となる部分を支持し、複数の電極は、リング状振動子における振動の腹となる部分に対向するように配置される、ことが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第１乃至３のいずれか一態様の圧力センサを備える圧力検出装置は、圧力センサに設けられた複数の電極は、２以上の駆動用電極と１以上の検出用電極とを有し、駆動用電極に交流電圧を印加する電源と、検出用電極に生じるリング状振動子の振動に伴う電圧信号を検出し、該電圧信号に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える。
本発明の第５の態様によると、第４の態様の圧力検出装置において、電源は所定の周波数範囲の交流電圧を駆動用電極に印加し、圧力算出部は、共振状態において検出される電圧信号のレベルと非共振状態において検出される電圧信号のレベルとの差を圧力情報として出力する、ことが好ましい。
本発明の第６の態様によると、圧力検出装置は、第１乃至３のいずれか一態様の圧力センサと、複数の電極に交流電圧を印加する電源と、交流電圧が印加された圧力センサを含む電気機械結合系のアドミッタンスを検出し、その検出値に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、従来の粘性抵抗式圧力センサに比べて低消費電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明による圧力センサの一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図２は、圧力センサ２の平面図である。
【図３】図３は、リング振動子２１と駆動電極２２ｂとの対向部分を示す断面図である。
【図４】図４は、リング振動子２１の振動を説明する図である。
【図５】図５は、スクィーズフィルムダンピングを説明する図である。
【図６】図６は、圧力検出装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図７】図７は、ゲイン特性を示す図である。
【図８】図８は、ゲイン差と圧力との関係を示す図である。
【図９】図９は、圧力センサ２の製造方法の第１工程を説明する図である。
【図１０】図１０は、圧力センサ２の製造方法の第２工程および第３工程を説明する図である。
【図１１】図１１は、圧力センサ２の製造方法の第４工程および第５工程を説明する図である。
【図１２】図１２は、圧力センサ２の製造方法の第６工程および第７工程を説明する図である。
【図１３】図１３は、圧力センサ２の製造方法の第８工程および第９工程を説明する図である。
【図１４】図１４は、圧力センサ２の製造方法の第１０工程および第１１工程を説明する図である。
【図１５】図１５は、エレクトレット膜製造条件の一例を示す図である。
【図１６】図１６は、アドミッタンス検出方式を採用した場合の圧力検出装置１０１を示す図である。
【図１７】図１７は、アドミッタンス検出方式を採用した場合の圧力センサ１０２の構成を示す図である。
【図１８】図１８は、リング振動子の他の例を示す図である。
【図１９】図１９は、圧力センサ１０３の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１，２は、本発明による圧力センサの一実施の形態を示す図である。図１は圧力センサの斜視図であり、図２は平面図である。圧力センサ２は、後述するようにＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造技術を用いて形成される。
【００１０】
圧力センサ２は、ベース２０と、リング振動子２１と、駆動電極２２ａ，２２ｂと、検出電極２３ａ，２３ｂとを備えている。ベース２０には円形の貫通孔２４が形成されている。円環状のリング振動子２１は貫通孔２４上に配置され、４つのビーム２１０によってベース２０に固定されている。各ビーム２１０には、配線を接続するためのパッド２１１が形成されている。
【００１１】
リング振動子２１の外周側には、ギャップＧを介して駆動電極２２ａ，２２ｂおよび検出電極２３ａ，２３ｂが、リング振動子２１の外周側面に対向するように配置されている。駆動電極２２ａ，２２ｂは、リング振動子２１を間に挟むような配置でベース２０上に形成されている。駆動電極２２ａ，２２ｂの側面は、ギャップＧを介してリング振動子２１の側面に対向している。各駆動電極２２ａ，２２ｂには、配線を接続するためのパッド２２１，２２２が形成されている。
【００１２】
同様に、検出電極２３ａ，２３ｂはリング振動子２１を間に挟むような配置でベース２０上に形成されており、それらの側面はギャップＧを介してリング振動子２１の側面にそれぞれ対向している。検出電極２３ａ，２３ｂには、配線を接続するためのパッド２３１，２３２が形成されている。駆動電極２２ａ，２２ｂと検出電極２３ａ，２３ｂとは、リング振動子２１の中心の回りに角度９０度だけずれた配置となっている。
【００１３】
本実施の形態の圧力センサ２では、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂの側面（すなわち、リング振動子２１に対向する面）にエレクトレット膜が形成されている。図３は、図２の符号Ｂを付した部分の断面図、すなわち、リング振動子２１と駆動電極２２ｂとの対向部分の断面図である。
【００１４】
後述するように、Ｓｉで形成されたリング振動子２１および駆動電極２２ｂの表面にはカリウムイオンを含むＳｉＯ２膜２００が形成され、さらにＢ−Ｔ処理（Bias Temperature procedure）が施されることによって、電極側のＳｉＯ２膜２００（一点鎖線２００ｅで示す領域）がエレクトレット化されている。エレクトレット化されたＳｉＯ２膜２００においては、リング振動子２１と対向する面にカリウムイオン２０１が分布している。以下では、このエレクトレット化されたＳｉＯ２膜２００を、エレクトレット膜２００ｅと呼ぶことにする。一方、リング振動子２１の側面には、エレクトレット膜２００ｅの電界により負電荷が誘導されている。
【００１５】
例えば、ギャップＧの寸法を２μｍに設定したとき、約１×１０８Ｖ／ｍの電界強度がエレクトレット膜２００ｅにより得られた。すなわち、リング振動子２１と電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂとの間には、約２００Ｖの電位差が発生していることになる。
【００１６】
（リング振動子の駆動）
本実施の形態の圧力センサ２においては、駆動電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加して、図４に示すような振動を発生させる。図４に示す振動は、リング振動子２１の２次の振動モードを示しており、リング振動子２１と駆動電極２２ａ，２２ｂとのギャップが狭くなった図４（ａ）に示す状態（第１楕円形状と呼ぶ）と、リング振動子２１と駆動電極２２ａ，２２ｂとのギャップが広くなった図４（ｂ）に示す状態（第２楕円形状と呼ぶ）とが周期的に繰り返される。上述したビーム２１０の各々は、２次の振動モードにおける振動の節（固定点）Ｎの部分に接続されている。
【００１７】
図４に示すようにリング振動子２１を静電駆動して励振させるためには、駆動電極２２ａ，２２ｂに対して、交流電圧と、バイアス電圧と呼ばれる直流電圧とを印加する必要がある。直流のバイアス電圧は、機械系と電気系とを結合する働きをしており、その結合を表す力係数（force factor）はバイアス電圧が高いほど大きくなる。力係数は、リング振動子２１の振動時における、電気エネルギーと機械エネルギーとの間のエネルギー変換の程度を示している。圧力センサとしてリング振動子２１を励振するためには、リング振動子２１の径寸法、幅寸法、ギャップ寸法等にも依存するが、２００〜３００Ｖ程度のバイアス電圧を印加する必要がある。
【００１８】
前述した従来の圧力検出装置では、直流電源と交流電源とを用いて外部からバイアス電圧および交流電圧を印加する構成であったが、本実施の形態では、電極側にエレクトレット膜２００ｅを形成し、それによりバイアス電圧を印加する構成とした。なお、リング振動子側にエレクトレット膜を形成しても良い。このようにエレクトレット膜を形成することにより、外部から直流電圧を印加する必要がなく、従来の粘性抵抗を利用する圧力センサと比較した場合、低消費電力化を図ることができる。
【００１９】
（圧力検出原理）
ここでは、本実施の形態の圧力センサ２による圧力検出に関して説明する。図４に示したように、励振されたリング振動子２１は、ビーム２１０によって支持された４箇所を固定点として第１楕円形状と第２楕円形状との間で変形を繰り返す。このとき、リング振動子２１と駆動電極２２ａ，２２ｂおよび検出電極２３ａ，２３ｂとの間の流体（この場合には気体）によって、リング振動子２１の振動に対してスクィーズフィルムダンピングが働く。
【００２０】
スクィーズフィルムダンピングとは、面と面との間の流体が押しつぶされるときと、面と面とが離れる際に流体を引き込むときに働くダンピング作用である。このダンピング作用は２つの成分からなり、一つは速度に比例する成分である機械抵抗(Viscous damping）、もう一つは変位に比例する成分であるスプリング抵抗(Elastic damping)である。図４に示す例では、駆動電極２２ａ，２２ｂおよび検出電極２３ａ，２３ｂの全ての箇所（４箇所）Ｃで、スクィーズフィルムダンピング効果が発生している。
【００２１】
上述の機械抵抗成分およびスプリング抵抗成分は、レイノルズ方程式を解析的に解くことで得られる。例えば、図５に示すように、固定面に対して面積Ａ（＝Ｌ×ｗ）の平板がｙ方向に変位するモデルを仮定した場合、等温条件下の（線形化）レイノルズ方程式は、次式（１）のように表される。境界条件は、式（２）のようになる。Δｐは圧力の微小変化分、ｐaは周囲圧力の時間平均、ｕは平板の振動方向の変位、ｈ0はギャップ寸法（非振動時）である。
【数１】
2015060071.tif 000003
【００２２】
式（１）をグリーン関数を用いた解法により解析的に解くと、機械抵抗ｒfは次式（３）のようになり、スプリング抵抗ｋｆは次式（４）のようになる。なお、式（３）、（４）において、ｒ＝ｗ／Ｌであり、σはスクィーズ数、ωはリング振動子の角振動数である。スクィーズ数σは、流体の粘度μを用いて次式（５）で表される。
【数２】
2015060071.tif 000004
【００２３】
ここで、リング振動子２１と駆動電極２２ａ，２２ｂおよび検出電極２３ａ，２３ｂとのギャップ寸法をｈとしたとき、クヌーセン数Ｋｎは次式（６）となる。このクヌーセン数Ｋｎを用いて、式（５）における流体の粘度（物性値）μを、次式（７）で表されるスクィーズフィルムダンピングの実効粘度μeffで置き換えることができ、その場合のスクィーズ数σeffは次式（８）のようになる。
【数３】
2015060071.tif 000005
【００２４】
式（６）に含まれる平均自由行程λは流体の圧力ｐに反比例するので、式（８）で表されるスクィーズ数σeffは、圧力ｐに依存することになる。すなわち、圧力ｐが変化すると、式（３）で表される機械抵抗も、式（４）で表されるスプリング抵抗も共に変化することが分かる。その結果、圧力ｐの変化がリング振動子２１の振動状態に影響することになる。式（３）、（４）のいずれにも面積Ａが含まれており、面積Ａが大きいほどダンピング効果は大きい。図４に示す例では、リング振動子２１の外側面は、固定点を除くほとんどがギャップＧを介して駆動電極２２ａ，２２ｂおよび検出電極２３ａ，２３ｂに対向しているので、圧力変化をダンピングの変化として効果的に捉えることができる。
【００２５】
図６は、上述の圧力センサ２を備える圧力検出装置１の概略構成を示すブロック図である。圧力検出装置１は、圧力センサ２、駆動部３および検出部４を備える。駆動部３に設けられた交流電源３１は、圧力センサ２の駆動電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加する。この交流電圧は検出部４にも入力される。圧力センサ２の検出電極２３ａ，２３ｂは検出部４に接続されている。圧力センサ２の振動リング２１は、グランド電位とされる。
【００２６】
交流電源３１から駆動電極２２ａ，２２ｂに交流電圧が印加されると、リング振動子２１は静電駆動されて振動する。リング振動子２１が振動すると、その振動に応じた交流電圧信号が検出電極２３ａ，２３ｂに生じる。検出電極２３ａ，２３ｂで検出された交流電圧信号は検出部４に入力される。検出部４では、検出電極２３ａ，２３ｂで検出された交流電圧信号と交流電源３１から入力された交流電圧信号との比であるゲインが算出される。
【００２７】
図７はゲイン特性を示す図であり、縦軸はゲイン（ｄＢ）、横軸は印加した交流電圧の周波数（ｋＨｚ）である。なお、ここでは、交流電源３１により４ＶP-Pの交流電圧を印加した。図７では、気体（空気）の圧力（絶対圧）を、１０kPa（ラインＬ１），４０kPa（ラインＬ２），１００kPa（ラインＬ３），１９０kPa（ラインＬ４），４００kPa（ラインＬ５），７００kPa（ラインＬ６），１MPa（ラインＬ７）と変化させたときの、ゲイン特性の変化を示した。
【００２８】
各共振ピーク（丸印で示す）を比較すると、最も圧力の低い１０kPaのときの共振ピークが最も大きく、圧力が高くなるにつれて共振ピークが小さくなっているのがわかる。すなわち、圧力が高いほど、スクィーズフィルムダンピングによる振動エネルギーの散逸が大きい。図７に示す共振ピークは、エレクトレット膜２００ｅの帯電量が大きければ大きいほど、また、ギャップＧが狭ければ狭いほど鋭くなり、圧力変化をより高感度で捉えることができる。
【００２９】
図８は、ゲイン差と圧力との関係を示したものである。ゲイン差とは、図７の共振時のゲインと５１０ｋＨｚ時のゲインとの差である。図８に示すように、圧力とゲイン差とは一定の関係があることがわかり、大気圧以下の圧力領域（真空領域）、大気圧付近の圧力領域、大気圧よりも高い圧力領域の各領域に対して、一つの圧力センサ２で圧力計測が可能であることを示している。
【００３０】
（圧力センサ２の製造方法）
次に、図９〜１４の工程図を参照して、圧力センサ２の製造方法の一例について説明する。本実施の形態では、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを加工することにより、圧力センサ２を形成する。先ず、図９（ａ）に示すようなＳＯＩウエハ５００を用意する。ＳＯＩウエハ５００は、ベース基板となるＳｉ層（以下ではハンドル層と呼ぶ）５０１と、中間層を構成するＳｉＯ２層（以下ではＢＯＸ層（Buried Oxide）と呼ぶ）５０２と、上層を構成するＳｉ層（以下ではデバイス層と呼ぶ）５０３とから成る３層構造の基板である。ここでは、ハンドル層５０１の厚さが４００μｍ、ＢＯＸ層５０２の厚さが２μｍ、デバイス層５０３の厚さが３０μｍのＳＯＩウエハ５００を用いた。
【００３１】
図９（ｂ）に示す第１工程では、ＬＰＣＶＤにより、ＳＯＩウエハ５００のデバイス層５０３の上面にＳｉ３Ｎ４膜５０４を成膜する。このＳｉ３Ｎ４膜５０４は、後述するＳｉＯ２膜形成の際にパッド形成領域の酸化を防止するためのものである。
【００３２】
図１０（ａ）に示す第２工程では、Ｓｉ３Ｎ４膜５０４をパッド形状にパターニングするためのフォトレジストパターン５０５ａ，５０５ｂを、フォトリソグラフィーにより形成する。フォトレジストパターン５０５ａはリング振動子２１のパッド２１１に対応するパターンであり、フォトレジストパターン５０５ｂは電極２２ａ，２２ｂおよび２３ａ，２３ｂのパッド２２１，２２２，２３１，２３２に対応するパターンである。
【００３３】
図１０（ｂ）に示す第３工程では、フォトレジストパターン５０５ａ，５０５ｂをマスクに用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりＳｉ３Ｎ４膜５０４をエッチングし、パッド形状にＳｉ３Ｎ４膜５０４をパターニングする。その結果、デバイス層５０３上には、パッド形状のＳｉ３Ｎ４膜パターン５０４ａ，５０４ｂが形成される。
【００３４】
図１１（ａ）に示す第４工程では、デバイス層５０３を電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂおよびリング振動子２１の形状にパターニングするためのフォトレジストパターン５０６ａ〜５０６ｅを、フォトリソグラフィーにより形成する。フォトレジストパターン５０６ａ〜５０６ｄは電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに対応するパターンであり、フォトレジストパターン５０６ｅはリング振動子２１に対応するパターンである。
【００３５】
図１１（ｂ）に示す第５工程では、フォトレジストパターン５０６ａ〜５０６ｅを用いたＤｅｅｐ  ＲＩＥにより、デバイス層５０３をＢＯＸ層（ＳｉＯ２）５０２に達するまでエッチングする。その結果、図１２（ａ）に示すように、ＢＯＸ層（ＳｉＯ２）５０２上にＳｉによる電極パターン５０３ａ〜５０３ｄおよびリング振動子パターン５０３ｅが形成される。
【００３６】
図１２（ａ）に示す第６工程では、フォトレジストパターン５０６ａ〜５０６ｅを除去する。図１２（ｂ）に示す第７工程では、ＳＯＩウエハの裏面側、すなわちハンドル層５０１の表面に、マスク用のＡｌ膜５０７を真空蒸着により成膜する。
【００３７】
図１３（ａ）に示す第８工程では、フォトレジストパターン５０８を、フォトリソグラフィーにより形成する。図１３（ｂ）に示す第９工程では、フォトレジストパターン５０８をマスクに用いてＡｌ膜５０７をエッチングして、マスクパターン５０７ａを形成する（図１４（ａ）参照）。このマスクパターン５０７ａは、貫通孔２４（図２参照）を形成するためのマスクパターンである。
【００３８】
図１４（ａ）に示す第１０工程では、マスクパターン５０７ａ上のフォトレジストパターン５０８を除去した後に、マスクパターン５０７ａを用いたＤｅｅｐ  ＲＩＥにより、ハンドル層５０１をＢＯＸ層（ＳｉＯ２）５０２に達するまでエッチングする。その結果、ハンドル層５０１に円形断面の貫通孔２４が形成される。図１４（ｂ）に示す第１１工程では、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いてＢＯＸ層５０２のエッチングを行い、露出している部分のＢＯＸ層５０２を除去する。ＢＯＸ層５０２は、ハンドル層５０１とデバイス層５０３とで挟まれた領域のみがエッチングされずに残る。その結果、ビーム２１０により支持されたリング振動子２１が、貫通孔２４の上方に形成される。
【００３９】
（エレクトレット膜の形成）
上述のようにしてＳＯＩウエハ上に圧力センサ２を形成したならば、パッド上に酸化保護用のＳｉ３Ｎ４膜パターン５０４ａ，５０４ｂが形成された状態で、エレクトレット膜を形成する。エレクトレット膜の形成方法としては、コロナ放電により発生したイオンによって電荷を絶縁膜に蓄積するコロナ放電法や、軟Ｘ線照射により発生したイオンを利用する方法等が知られているが、本実施の形態では、カリウムイオン含有シリコン酸化膜によるエレクトレット膜製造技術を用いてエレクトレット膜２００ｅを形成する。カリウムイオン含有シリコン酸化膜によるエレクトレット膜製造技術は、非特許文献「“SiO2 Electret Generated by Potassium Ions on a Comb-Drive Actuator”Applied Physics Express 4(2011)」や、特許文献：特開2013-13256号公報等に詳細に記載されている。このエレクトレット膜製造技術は、狭ギャップの側壁にエレクトレット膜を形成する場合に適している。
【００４０】
エレクトレット膜２００ｅを形成する工程としては、ＳＯＩウエハから形成された圧力センサ２の表面にカリウムイオン含有シリコン酸化膜を形成する工程と、Ｂ−Ｔ処理によってカリウムイオン含有シリコン酸化膜をエレクトレット化する工程とがある。先ず、カリウムイオン含有シリコン酸化膜を形成する工程について説明する。上述したようにＳＯＩウエハ上にリング振動子２１や電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ等を形成したならば、そのＳＯＩウエハを酸化炉に入れ、通常の熱酸化で使われるＨ2Ｏのバブリングに代えて、ＫＯＨ水溶液をバブリングして熱酸化を行う。その結果、上述したＳｉ３Ｎ４膜５０４が形成された領域を除く圧力センサ２の表面全体に、カリウムイオンを内包したＳｉＯ２層２００が形成される（図３参照）。
【００４１】
次に、形成したカリウムイオン含有ＳｉＯ２層２００の所望の領域に対してＢ−Ｔ処理を施し、エレクトレット膜２００ｅを形成する。本実施の形態では、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂの、リング振動子２１に対向する側面にエレクトレット膜２００ｅを形成する。Ｂ−Ｔ処理では、カリウムイオンが移動可能な温度までＳＯＩウエハを加熱し、さらに、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂとリング振動子２１との間にカリウムイオンを移動させるための電圧を印加する。具体的には、エレクトレット膜を形成する側の電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂをグランド側に接続し、リング振動子２１を直流電圧源のプラス側に接続する。そして、電圧印加状態を所定時間保持した後、温度を下げてから電圧印加を停止する。
【００４２】
その結果、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに形成されたカリウムイオン含有ＳｉＯ２層２００の、リング振動子２１に対向する面にカリウムイオン２０１が移動し、その領域がプラスに帯電するようにエレクトレット化される（図３参照）。一方、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂと対向するリング振動子２１側の面には、エレクトレット膜の電界により負電荷が誘導される。上述したように、ギャップＧの寸法が２μｍのときに、約１×１０８Ｖ／ｍの電界強度がエレクトレット膜により得られた。なお、リング振動子２１の外径は９００μｍである。エレクトレット膜製造条件の一例を図１５に示す。
【００４３】
上述した実施の形態では、駆動電極２２ａ，２２ｂとは別に検出電極２３ａ，２３ｂを設けて、ゲイン差を圧力情報として検出する構成としたが、圧力情報としてはこれに限らない。例えば、共振ピーク値が所定値となるように交流電圧を調整し、その調整量を圧力情報としても良い。この場合、調整量と圧力値との関係を予めマップとして用意しておく。図７からも分かるように、ゲインがピークとなる周波数が圧力によって変化しているので、ピーク周波数を圧力情報に使用することも可能である。
【００４４】
さらにまた、上述した特許第４６９６２４４号公報に記載の発明のように、アドミッタンス（具体的にはアドミッタンスＹの絶対値｜Ｙ｜）を圧力情報として検出するようにしても良い。図１６はアドミッタンス検出方式を採用した場合の圧力検出装置１０１を示し、図１７はその場合の圧力センサ１０２の構成を示す。
【００４５】
図１７に示すように、アドミッタンス検出方式においては、検出電極２３ａ，２３ｂが省略され、駆動電極２２ａ，２２ｂのみが電極として設けられる。その他の構成は、図２に示した圧力センサ２と同様である。図１６に示すように、交流電源３１から交流電圧が駆動電極２２ａ，２２ｂに印加され、検出部４によってアドミッタンス値｜Ｙ｜が検出される。詳しい説明は特許第４６９６２４４号公報に記載されているのでここでは省略するが、圧力変化をアドミッタンス値｜Ｙ0｜の変化として検出することができる。
【００４６】
なお、図１７に示す構成では検出電極２３ａ，２３ｂを省略したが、図２に示す構成の圧力センサ２を、アドミッタンス検出方式の圧力検出装置１０１の圧力センサとして適用することもできる。その場合、検出電極２３ａ，２３ｂは検出部４には接続されず、スクィーズフィルムダンピングを発生させる構成要素の一つとして用いられる。そのため、検出電極２３ａ，２３ｂにはエレクトレット膜２００ｅが形成されていても、形成されていなくてもどちらでも良い。この場合、検出電極２３ａ，２３ｂとリング振動子２１との間においてもスクィーズフィルムダンピング効果が生じるので、リング振動子２１のほぼ全周においてスクィーズフィルムダンピングを生じさせることができるという利点を有する。
【００４７】
［変形例］
図１８、図１９は、圧力センサの変形例を示す図である。上述した圧力センサ２，１０２ではリング振動子２１の形状を円環状としたが、円環状に限らず、図１８（ａ）または図１８（ｂ）に示すような形状であっても良い。図１８（ａ）に示すリング振動子２１Ａは、楕円リング形状を有している。この楕円リング形状は、２次の振動モードにおけるリング振動子２１の形状であって、図４（ｂ）に示す第２楕円形状と同一形状である。駆動電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加すると、リング振動子２１Ａは、図４に示すような第２楕円形状と第１楕円形状とを繰り返す２次の振動モードで振動する。
【００４８】
図１８（ｂ）に示すリング振動子２１Ｂの形状は、リング振動子２１が３次の振動モードで振動した場合の形状と同一形状を有している。外形形状は略三角形状を有しており、凸状部分は軸回りに１２０度ピッチで配置されている。凸状部分に対向する位置には検出電極２３ａ〜２３ｃが配置され、駆動電極２２ａ〜２２ｃは、検出電極２３ａ〜２３ｃに対して反時計回りに６０度ずれた位置に配置されている。駆動電極２２ａ〜２２ｃに交流電圧を印加すると、リング振動子２１Ｂは、実線で示す状態と破線で示す状態とを繰り返すように振動する。駆動電極２２ａ〜２２ｃは、破線で示す状態における凸状部分に対向する配置となっている。なお、検出電極の数は１〜３のいずれであっても良い。
【００４９】
なお、図１８（ａ）の構成において、ビーム２１０は、図２の場合と同様に２次の振動モードにおける節の位置に接続されている。また、図１８（ｂ）の場合も、３次の振動モードの節の位置Ｄにビーム（不図示）が接続される。３次の振動モードの共振周波数は２次の振動モードの場合よりも高くなる。
【００５０】
上述したように、リング振動子２１に対してギャップＧを介して配置された電極２２ａ〜２２ｃ，２３ａ〜２３ｃは、電極として機能すると共に、スクィーズフィルムダンピングを発生させるための部材として機能している。しかし、上述した図２の圧力センサ２をアドミッタンス検出方式に適用した場合の検出電極２３ａ，２３ｂのように、スクィーズフィルムダンピングを発生させる機能に特化した部材を、電極とは別に配置するようにしても良い。
【００５１】
また、図１９に示す圧力センサ１０３のように、リング振動子２１の内周側にダンピング生成用部材２５を配置するようにしても良い。この場合のギャップ寸法は、駆動電極２２ａ，２２ｂにおけるギャップ寸法と同一に設定される。図１９では、リング振動子２１の内周の一部分に対向するようにダンピング生成用部材２５を配置したが、リング振動子２１の内周側の全周に亘って対向するように配置しても良い。さらには、リング振動子２１の振動方向の面（すなわち内周側または外周側の側面）であって、駆動電極や検出電極が対向していない側面に対向する位置であれば、どの位置であっても、ダンピング生成用部材２５を配置することが可能であり、トータルの対向面積が大きければ大きいほど、スクィーズフィルムダンピング効果は大きくなる。
【００５２】
また、図２に示す構成の場合とは逆に、リング振動子２１の内周側に電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを設けても構わない。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態の圧力センサは、例えば図２に示すように、固定部としてのベース２０と、複数のビーム２１０によってベース２０に支持されたリング振動子２１と、ベース２０に設けられ、リング振動子２１の振動方向にギャップＧを介して配置される複数の電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂと、複数の電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂのリング振動子２１に対向する面に形成されたエレクトレット膜２００ｅと、を備える。なお、エレクトレット膜２００ｅは、リング振動子２１および複数の電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂおよびリング振動子２１の互いに対向する面のいずれか一方に形成されていれば良い。
【００５４】
このように構成された圧力センサにおいては、エレクトレット膜２００ｅにより高い直流バイアス電圧を与えることができ、駆動電極２２ａ，２２ｂに外部から交流電圧を印加するだけで、リング振動子２１を容易に励振させることができる。そのため、外部電源から直流電圧を印加する構成の従来の圧力センサに比べて、省電力化を図ることができる。さらに、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂとリング振動子２１との間においてスクィーズフィルムダンピングを発生させることができるので、高感度に圧力を検出することができ、圧力センサの小型化も図ることができる。そのため、省電力化および小型化が要求される圧力センサ、例えば、タイヤ空気圧モニタ用の圧力センサ等への適用に最適である。さらに、上述のようなリング振動子２１を備える圧力センサにおいては、図７に示すように共振周波数が非常に高いので、外部からのノイズの影響を受け難く、耐ノイズ性能に優れている。
【００５５】
なお、ビーム２１０は、リング振動子２１における振動の節となる部分を支持し、電極２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは、リング振動子２１における振動の腹となる部分に対向するように配置するのが好ましい。
【００５６】
図６に示すように、圧力センサ２に２つの駆動電極２２ａ，２２ｂと２つの検出電極２３ａ，２３ｂとを設け、交流電源３１により駆動電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加し、検出電極２３ａ，２３ｂに生じるリング振動子２１の振動に伴う電圧信号を検出部４で検出し、該電圧信号に基づく圧力情報を検出部４から出力することにより、圧力センサ２が配置された領域の圧力を検出することができる。なお、検出電極の数は、一つであっても構わない。
【００５７】
例えば、交流電源３１から出力される交流電圧の周波数を、図７の周波数５１０ｋＨｚ〜５１６ｋＨｚの範囲でスイープし、共振状態において検出される電圧信号のレベルと非共振状態（例えば、周波数５１０Ｈｚの交流電圧を印加した状態）において検出される電圧信号のレベルとの差を、圧力情報として検出部４から出力するように構成する。圧力と前記差（ゲイン差）との間には図８に示すような関係があるので、前記差から圧力を求めることができる。例えば、検出部４に図８に示すような対応関係をマップとして予め記憶しており、前記差とマップとを用いて得られる圧力を、検出部４から圧力情報として出力するようにしても良い。
【００５８】
また、図１６に示すように、複数の電極は駆動電極２２ａ，２２ｂから構成され、その駆動電極２２ａ，２２ｂに交流電圧を印加し、交流電圧が印加された圧力センサ２を含む電気機械結合系のアドミッタンスを検出し、その検出値に基づく圧力情報（例えば、アドミッタンスＹの絶対値｜Ｙ｜）を検出部４から出力するようにしても良い。
【００５９】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００６０】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１３年第２２２１５１号（２０１３年１０月２５日出願）
【符号の説明】
【００６１】
１，１０１：圧力検出装置、２，１０２，１０３：圧力センサ、２０：ベース、２１、２１Ａ，２１Ｂ：リング振動子、２２ａ，２２ｂ：駆動電極、２３ａ，２３ｂ：検出電極、２００ｅ：エレクトレット膜、２０１：カリウムイオン、２１０：ビーム、Ｇ：ギャップ
【図１】
2015060071.tif 000006
【図２】
2015060071.tif 000007
【図３】
2015060071.tif 000008
【図４】
2015060071.tif 000009
【図５】
2015060071.tif 000010
【図６】
2015060071.tif 000011
【図７】
2015060071.tif 000012
【図８】
2015060071.tif 000013
【図９】
2015060071.tif 000014
【図１０】
2015060071.tif 000015
【図１１】
2015060071.tif 000016
【図１２】
2015060071.tif 000017
【図１３】
2015060071.tif 000018
【図１４】
2015060071.tif 000019
【図１５】
2015060071.tif 000020
【図１６】
2015060071.tif 000021
【図１７】
2015060071.tif 000022
【図１８】
2015060071.tif 000023
【図１９】
2015060071.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月9日(2016.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
複数の支持梁によって前記固定部に支持されたリング状振動子と、
前記固定部に設けられ、前記リング状振動子の振動方向にギャップを介して配置される複数の電極と、
前記リング状振動子および前記電極の互いに対向する面のいずれか一方に形成されたエレクトレット膜と、を備え、
前記支持梁は、前記リング状振動子が少なくとも２次の振動モードの間で変形を繰り返すときの振動の節となる部分を支持する、圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記リング状振動子の形状が円環である、圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力センサにおいて、
前記複数の電極は、前記リング状振動子における振動の腹となる部分に対向するように配置される、圧力センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧力センサを備える圧力検出装置であって、
前記圧力センサに設けられた複数の電極は、２以上の駆動用電極と１以上の検出用電極とを有し、
前記駆動用電極に交流電圧を印加する電源と、
前記検出用電極に生じる前記リング状振動子の振動に伴う電圧信号を検出し、該電圧信号に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える圧力検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の圧力検出装置において、
前記電源は所定の周波数範囲の交流電圧を前記駆動用電極に印加し、
前記圧力算出部は、共振状態において検出される前記電圧信号のレベルと非共振状態において検出される前記電圧信号のレベルとの差を前記圧力情報として出力する、圧力検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサと、
前記複数の電極に交流電圧を印加する電源と、
前記交流電圧が印加された前記圧力センサを含む電気機械結合系のアドミッタンスを検出し、その検出値に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える圧力検出装置。
【請求項７】
請求項４または５に記載の圧力検出装置において、
前記検出用電極は、前記リング状振動子が前記振動モードの間で変形を繰り返すことによって生じる、前記リング状振動子と前記複数の電極との間の流体の圧力の変化を前記電圧信号として検出する、圧力検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、圧力センサは、固定部と、複数の支持梁によって固定部に支持されたリング状振動子と、固定部に設けられ、リング状振動子の振動方向にギャップを介して配置される複数の電極と、リング状振動子および電極の互いに対向する面のいずれか一方に形成されたエレクトレット膜と、を備え、支持梁は、リング状振動子が少なくとも２次の振動モードの間で変形を繰り返すときの振動の節となる部分を支持する。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の圧力センサにおいて、リング状振動子の形状が円環である、ことが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第１または第２の態様の圧力センサにおいて、複数の電極は、リング状振動子における振動の腹となる部分に対向するように配置される、ことが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第１乃至３の何れか一態様の圧力センサを備える圧力検出装置は、圧力センサに設けられた複数の電極は、２以上の駆動用電極と１以上の検出用電極とを有し、駆動用電極に交流電圧を印加する電源と、検出用電極に生じるリング状振動子の振動に伴う電圧信号を検出し、該電圧信号に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える。
本発明の第５の態様によると、第４の態様の圧力検出装置において、電源は所定の周波数範囲の交流電圧を駆動用電極に印加し、圧力算出部は、共振状態において検出される電圧信号のレベルと非共振状態において検出される電圧信号のレベルとの差を圧力情報として出力する、ことが好ましい。
本発明の第６の態様によると、圧力検出装置は、第１乃至第３のいずれか一態様の圧力センサと、複数の電極に交流電圧を印加する電源と、交流電圧が印加された圧力センサを含む電気機械結合系のアドミッタンスを検出し、その検出値に基づく圧力情報を出力する圧力算出部と、を備える。
本発明の第７の態様によると、第４または第５の態様の圧力検出装置において、検出用電極は、リング状振動子が振動モードの間で変形を繰り返すことによって生じる、リング状振動子と複数の電極との間の流体の圧力の変化を電圧信号として検出する、ことが好ましい。
【国際調査報告】
2015060071.tif 000025
2015060071.tif 000026
2015060071.tif 000027
2015060071.tif 000028