(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の櫛歯電極が形成された固定部、および前記第１の櫛歯電極と隙間を介して噛合する第２の櫛歯電極が形成された可動部を有し、圧力測定流体中に配置される櫛歯駆動機構と、
前記第１の櫛歯電極と前記第２の櫛歯電極との間に、直流電圧と所定周波数の交流電圧とが重畳された電圧を印加する電源と、
前記電圧が印加された前記櫛歯駆動機構の、圧力測定流体の抵抗によるアドミッタンスの変化を検出する検出部と、
前記検出部の検出値に基づいて圧力測定流体の圧力を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力検出装置において、
アドミッタンス値と圧力値との関係を示すテーブルが記憶されている記憶部を備え、
前記演算部は、前記検出部の検出値と前記記憶部に記憶されているテーブルとに基づいて、前記圧力測定流体の圧力を算出することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧力検出装置において、
前記櫛歯駆動機構は、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で形成されることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の圧力検出装置において、
前記可動部に一体に形成されて、前記圧力測定流体中において前記可動部と一体に振動する可動櫛歯部と、前記第１の櫛歯部と隙間を介して噛合する固定櫛歯部と、を備える流体抵抗発生部を設けたことを特徴とする圧力検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の圧力検出装置において、
前記可動櫛歯部および固定櫛歯部の櫛歯延在方向が、前記可動部の駆動方向と直交していることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の圧力検出装置において、
前記流体抵抗発生部および前記櫛歯駆動機構を、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で形成したことを特徴とする圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の圧力センサとしては、半導体基板に形成されたダイアフラム上にゲージ抵抗体を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４７１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のダイアフラムを有する圧力センサでは、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欠点を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による圧力検出装置は、第１の櫛歯電極が形成された固定部、および第１の櫛歯電極と隙間を介して噛合する第２の櫛歯電極が形成された可動部を有し、圧力測定流体中に配置される櫛歯駆動機構と、第１の櫛歯電極と第２の櫛歯電極との間に、直流電圧と所定周波数の交流電圧とが重畳された電圧を印加する電源と、電圧が印加された櫛歯駆動機構の、圧力測定流体の抵抗によるアドミッタンスの変化を検出する検出部と、検出部の検出値に基づいて圧力測定流体の圧力を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧力検出装置において、アドミッタンス値と圧力値との関係を示すテーブルが記憶されている記憶部を備え、演算部は、検出部の検出値と記憶部に記憶されているテーブルとに基づいて、圧力測定流体の圧力を算出することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の圧力検出装置において、櫛歯駆動機構は、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で形成されることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の圧力検出装置において、可動部に一体に形成されて、圧力測定流体中において可動部と一体に振動する可動櫛歯部と、該可動櫛歯部と隙間を介して噛合する固定櫛歯部と、を備える流体抵抗発生部を設けたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載の圧力検出装置において、可動櫛歯部および固定櫛歯部の櫛歯延在方向が、可動部の駆動方向と直交していることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項４または５に記載の圧力検出装置において、流体抵抗発生部および櫛歯駆動機構を、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、従来のように差圧によるダイアフラムの破損という問題がなく、高信頼性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係る圧力検出装置の概略構成を示す図である。図１の圧力検出装置は、センサ部１、駆動部２および検出部３を備えている。センサ部１は、固定部１１および可動部１２が設けられている。駆動部２には、直流電源２１および交流電源２２が設けられている。
【０００８】
図２は、センサ部１を詳細に示す斜視図である。センサ部１は、絶縁層を挟んだ上下２つのシリコン層からなる３層構造の基板、例えばＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハを用いて、半導体微細加工技術により一体で製作される。ＳＯＩウエハは上部Ｓｉ層５１、ＳｉＯ２層５２および下部Ｓｉ層５３で構成され、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ２層５２を形成し、そのＳｉＯ２層５２を挟むように貼り合わせたものである。
【０００９】
固定部１１および可動部１２は上部Ｓｉ層５１により形成されており、これらはＳＯＩウエハのＳｉＯ２層５２および下部Ｓｉ層５３で構成される基部１３上に配置されている。上部Ｓｉ層５１は一部が基部１３に対して庇状に加工され、可動部１２はその庇状部分に形成されている。
【００１０】
基部１３上に設けられた上部Ｓｉ層５１は、幅の狭い弾性支持部１２ｂにより可動部１２に連結されている。すなわち、可動部１２は、弾性支持部１２ｂのみにより支持されている。固定部１１および可動部１２の各対向部には、櫛歯状凹凸部１１ａ，１２ａが形成されている。固定部１１側に形成された櫛歯状凹凸部１１ａと可動部１２側に形成された櫛歯状凹凸部１２ａとは、隙間を介して噛合している。
【００１１】
図３は、センサ部１の櫛歯駆動機構を説明する模式図である。固定部１１と可動部１２との間には、直流電源２１によりバイアス電圧Ｅ０が印加され、さらに交流電源２２により交流電圧ｅが重畳して印加される。櫛歯状凹凸部１１ａ，１２ａ間に電圧を印加すると静電力が発生し、交流電圧ｅの印加により固定部１１に対して可動部１２が振動することになる。
【００１２】
図４は、図３に示す櫛歯駆動機構における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。Ｃ０は櫛歯状凹凸部１１ａ，１２ａ間におけるトータルの静電容量であり、ＣＳは固定部１１の基部１３上の部分における浮遊容量である。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立する。ここでは、外力ｆ、電圧ｅが小さく、変位量、電荷量の変動も小さいとしてモデル化した。
【００１３】
直流電源２１によるバイアス電圧Ｅ０は機械系と電気系とを結合する働きをし、結合係数Ａによって表される。ｉは電流、ｍは可動部１２の質量、ｋはバネ定数、ｒｆは機械抵抗である。この機械抵抗ｒｆには、空気中で可動部１２が振動することによる流体抵抗も含まれている。図４の等価回路で示される櫛歯駆動機構に関して、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。
ｉ１＝ｊω（Ｃ０＋ＣＳ）ｅ１＋（Ｅ０Ｃ０／Ｘ０）ν１            （１）
ｆ１＝ｊωｍν１＋ｒｆν１＋ｋν１／ｊω＋Ｅ０Ｃ０ｅ１／Ｘ０      （２）
但し、ｉ１は交流電流値、ｅ１は入力交流電圧の振幅、ν１は可動部１２の振動速度であり、ｆ１は櫛歯駆動機構に作用する外力である。また、Ｘ０は初期状態の櫛歯間距離である。
【００１４】
式（１），（２）より、外力が零の場合、櫛歯駆動機構のアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωの関係は式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ０Ｃ０／Ｘ０である。なお、本実施の形態の圧力検出装置は、櫛歯駆動機構のアドミッタンスを検出して圧力を計測するようにしているが、より広い概念で言えば、アドミッタンスやインピーダンスを含むイミタンスを検出して圧力を計測するものである。
【数１】
0004696244.tif 000002
【００１５】
図５は、アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。このアドミッタンス曲線は、電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ０＋ＣＳ）で表される直線は、機械系がない電気系のみの場合の特性曲線、すなわち、式（３）において次式（４）が成り立つ場合の特性曲線を表している。
Ａ２−２ω（Ｃ０＋ＣＳ）（ωｍ−ｋ／ω）＝０          （４）
【００１６】
共振角周波数ω０はアドミッタンス曲線のピーク位置より僅かに高いところに位置しており、関数ｆ(ω２)＝｜Ｙ｜２−ω２（Ｃ０＋ＣＳ）に対して、ｄｆ(ω２)／ｄω２＝０を解くことにより、アドミッタンス曲線のピークの角周波数ωｐ、凹カーブを示す部分のボトムの角周波数ωｂが得られる。図６は、関数ｆ(ω２)の模式図である。
【数２】
0004696244.tif 000003
【００１７】
共振角周波数ω０と発振角周波数ω１との関係は次式（７）のように表される。発振角周波数ω１、ピーク角周波数ωｐおよびボトム角周波数ωｂとの間には、２（１／ω１）２＝（１／ωｐ）２＋（１／ωｂ）２という関係がある。
【数３】
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【００１８】
上述した式（３）において、ω＝ω０＝√（ｋ／ｍ）とおくと、共振角周波数ω０におけるアドミッタンス値｜Ｙ０｜が得られる。｜Ｙ０｜は次式（８）のようになる。また、図６の曲線のω２＝ω０２における傾きａは、次式（９）によって求められる。
【数４】
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【００１９】
式（８）で表される共振角周波数ω０におけるアドミッタンス値｜Ｙ０｜、および式（９）で表される傾きａのいずれにも、機械抵抗ｒｆが含まれている。上述したように、この機械抵抗ｒｆは可動部１２の振動に起因する流体抵抗が含まれているので、圧力変化による流体抵抗の変化をアドミッタンスの変化として検出することができる。すなわち、アドミッタンス値｜Ｙ０｜または傾きａを計測することにより、圧力を検出することができる。
【００２０】
例えば、センサ部１を共振角周波数ω０で駆動し、その時のアドミッタンス値｜Ｙ０｜を検出する。本実施の形態では、図１の検出部３にインピーダンスアナライザが設けられており、そのインピーダンスアナライザによりアドミッタンス値｜Ｙ０｜を検出する。図７は、実験により求めた圧力とアドミッタンス値との関係を示す図であり、センサ部１を大気圧における共振角周波数ω０で駆動した。図から分かるように、圧力とアドミッタンス値｜Ｙ０｜とはほぼ比例関係あり、検出されたアドミッタンス値｜Ｙ０｜から圧力を求めることができる。検出部３にはアドミッタンス値｜Ｙ０｜と圧力値との関係を示すテーブルが記憶され、検出されたアドミッタンス値｜Ｙ０｜とテーブルを参照することにより、対応する圧力信号が出力される。
【００２１】
図８は、機械抵抗と圧力との関係を示したものである。種々の圧力に対して傾きａをそれぞれ計測し、各傾きａからそれぞれの場合の機械抵抗ｒｆが求められる。この場合も、機械抵抗ｒｆと圧力とがほぼ比例関係にあることが分かる。なお、図７，８に示すような圧力特性は、計測する気体の種類によって異なるので、気体毎にテーブルを記憶しておき、計測する気体に合わせてテーブルを切り替えるようにすれば、種々の気体の圧力を計測することができる。
【００２２】
《製造工程の説明》
図９は、センサ部１の製造工程を説明する図である。図９の（ａ１）および（ｂ１）は第１工程を示す図であり、（ａ１）は平面図、（ｂ１）はＩ−Ｉ断面図である。第１工程では、ＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層５１の表面を熱酸化法により酸化し、表面保護用の酸化膜５６を形成する。なお、上部Ｓｉ層５１の表面を単結晶Ｓｉの主面（００１）とし、図示上下方向を＜０１０＞とする。
【００２３】
図９の（ａ２）および（ｂ２）は第２工程を示す図であり、（ａ２）は平面図、（ｂ２）はＩＩ−ＩＩ断面図である。第２工程では、マスクを用いたフォトリソグラフィーにより、図９（ａ２）に示すようなパターン形状のレジスト層５７を形成する。
【００２４】
図９の（ａ３）および（ｂ３）は第３工程を示す図であり、（ａ３）は平面図、（ｂ３）はＩＩ−ＩＩ断面図である。第３工程では、レジスト層５７をマスクとして酸化膜５６を部分的に除去する。さらに、パターニングされた酸化膜５６をマスクの代用としてＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により上部Ｓｉ層５１を厚さ方向にエッチングする。ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング作用は、ＳｉＯ２層５２で停止するので、櫛歯状凹凸部の厚さを均一かつ高精度に形成することができる。エッチングされた部分には、ＳｉＯ２層５２の表面が露出する。
【００２５】
図９の（ａ４）および（ｂ４）は第４工程を示す図であり、（ａ４）は平面図、（ｂ４）はＩＩ−ＩＩ断面図である。第４工程では、残存するレジスト層５７を除去した後に、上部Ｓｉ層５１が露出している側壁に表面保護のための酸化膜５８を熱酸化法で形成する。その後、可動部１２が中空に支持されるような構造とするために、破線Ｄよりも上側の部分の下部Ｓｉ層５３を裏面側からＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングした後に、その部分のＳｉＯ２層５２を緩衝フッ化水素溶液を用いて除去する。その結果、図２に示すようなセンサ部１が形成される。
【００２６】
《変形例》
気体圧力と機械抵抗ｒｆとの関係は、センサ部１で生じる流体抵抗、特に、櫛歯駆動機構部分の流体抵抗の大きさに依存する。そこで、可動部１２の形状を工夫することにより、圧力の変化をより高精度に検出することができる。図１０は、センサ部１の第１の変形例を示す図であり、気体の粘性による剪断力を効果的に利用するような構成とした。ここでは、櫛歯駆動機構とは別に粘性検出部１Ａを形成し、この粘性検出部１Ａにおける流体抵抗が大きくなるように構成した。
【００２７】
粘性検出部１Ａは、複数の櫛歯１２１が形成された可動櫛歯部１２０と、複数の櫛歯１０１が形成された静止櫛歯部１００とで構成されている。これらの櫛歯１０１，１２１は、振動方向に互いに挿入されている。そのため、粘性検出部１Ａにおける流体抵抗は、気体の剪断力によって主に発生する。可動櫛歯部１２０は可動部１２と一体に形成され、可動部１２とともに振動駆動される。一方、静止櫛歯部１００は、固定部１１と同様に図２の基部１３上に配置されている。
【００２８】
一方、図１１に示す第２の変形例の粘性検出部１Ｂにおいては、可動櫛歯部１２０の櫛歯１２１と静止櫛歯部１００の櫛歯１０１とが、振動方向と直角な方向に挿入されている。そのため、可動部１２が振動すると、櫛歯１０１，１２１間に挟まれた気体が圧縮されるスクイーズ効果による流体抵抗が発生する。いずれの変形例においても、櫛歯駆動機構と独立して粘性検出部１Ａ，１Ｂが形成されているため、駆動機構と粘性検出機構とを個別に最適設計することができ、より感度の良いセンサ部１を形成することができる。
【００２９】
上述した本実施の形態は、次のような作用効果を奏する。
（１）静電力により所定周波数で振動し、圧力に応じたイミタンスを発生する振動機構、例えば、櫛歯状凹凸部１２ａを有する可動部１２のような振動する櫛歯電極を備えたことにより、そのイミタンスを検出することで圧力を計測することができる。振動機構で圧力を計測するようにしているので、ダイアフラムを用いた従来のセンサのように差圧のより破損するおそれがない。
（２）さらに、粘性検出部１Ａ，１Ｂのような流体抵抗発生部を、櫛歯電極とは別に設けたので、圧力検出精度を向上させることができる。
【００３０】
（３）振動機構をフォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で形成したことにより、センサ自体の大きさを非常に小さくすることができ、圧力検出の適用範囲が広がる。例えば、車両用タイヤの空気圧を検出するためのセンサとして、タイヤのホイールに搭載することができる。そのような場合、車両側に電磁波送信部を設けて、そこからセンサ部１に向けて電磁波を送出して振動駆動させるようにしても良い。センサ部１は圧力測定時のみ駆動させれば良い。
【００３１】
この場合、車両側には電磁波送信部と受信部とが設けられ、タイヤ側にはセンサ部１と電磁反射器して作用するアンテナとが設けられる。電磁波送信部からセンサ部１に向けて電磁波を送出すると、電磁反射器から反射される電磁波は、電磁反射器に接続されたセンサ部１のイミタンスにより変調され、その周波数がわずかに変化する。車両側の受信部によりこの電磁波を受信して、その周波数変化からイミタンスの変化が検出される。
【００３２】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、櫛歯状凹凸部１１ａ，１２ａは櫛歯電極を、粘性検出部１Ａ，１Ｂは流体抵抗発生部をそれぞれ構成する。なお、上述した実施の形態では、櫛歯状凹凸部が設けられた一方の部材（可動部１２）だけを振動駆動させたが、両方を駆動してもかまわない。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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る圧力計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】センサ部１を詳細に示す斜視図である。
【図３】センサ部１の駆動構造を説明する模式図である。
【図４】櫛歯駆動機構における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。
【図５】アドミッタンス曲線を示す図である。
【図６】関数ｆ(ω２)の概略的な形状を示す図である。
【図７】圧力とアドミッタンス値との関係を示す図である。
【図８】機械抵抗と圧力との関係を示す図である。
【図９】センサ部１の製造工程を説明する図であり、（ａ１），（ｂ１）は第１の工程を、（ａ２），（ｂ２）は第２の工程を、（ａ３），（ｂ３）は第３の工程を、（ａ４），（ｂ４）は第４の工程をそれぞれ示す。
【図１０】センサ部１の第１の変形例を示す図である。
【図１１】センサ部１の第２の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：センサ部    １Ａ，１Ｂ：粘性検出部    ２：駆動部    ３：検出部
１１：固定部    １２：可動部    １１ａ，１２ａ：櫛歯状凹凸部
１３：基部    ２１：直流電源    ２２：交流電源    ５１：上部Ｓｉ層
５２：ＳｉＯ２層    ５３：下部Ｓｉ層    １００：静止櫛歯部
１０１，１２１：櫛歯    １２０：可動櫛歯部
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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