(57)【要約】弾性抵抗材料から成り、図示しない高分子フィルムに当接するセンサ層（１２、１４）を備えた圧力センサが開示される。（２２）は、接着剤で被覆されたスペーサの具体例である。一方のセンサ層（１４）には、球状構造部（２０）を作動域（１６）内に包含する微細構造化面が設けられる。これ等構造部の広がりＲが５０μｍの場合、圧縮路は１０μｍとなる。構造部（２０）は特定の表面粗さと比べて大きい。本発明の圧力センサは、射出成形、エッチング、エンボス加工、又は電子ビーム又はレーザビーム法により製造される。作用を異にする、その変更例も開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の感知層を有する第１のキャリアフォイルと第２の感知層を有する第２のキャリアフォイルを備える圧力センサであり、第１及び第２のキャリアフォイルを互いに、第１及び第２の感知層が両者間で接触部を形成するように配置し、第１及び第２の感知層を、センサの端子接点間の電気抵抗が両感知層間の接触面積に依存するように構成した圧力センサであって、
少なくとも第２の感知層には、圧力センサの作動域の部分に、弾性材料の画成構造部を有する微細構造化面が設けられ、第２の感知層の上記構造部が第１の感知層との接触を維持し、該第１の感知層と共に接触面を形成し、且つ
上記構造部が圧力センサに作用する力の影響下で圧縮され、上記接触面の面積が増大するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
第１の感知層が第１の抵抗性材料から成る請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
第２の感知層の構造部が第２の抵抗性材料から成る請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
第２の感知層の構造部が絶縁性材料から成り、これ等構造部の少なくとも一つが少なくとも所定部分において導電性材料又は第２の抵抗性材料で被覆されて成る請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記構造部の少なくとも一つが少なくとも所定部分において導電性材料で被覆されて成る請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項６】
第２の抵抗性材料の抵抗を第１の抵抗性材料の抵抗より低くして成る請求項３〜５の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項７】
端子接点が第１の感知層に、互いに離間して位置付けられた二つの接触点で接触するようにして成る請求項１〜６の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記二つの接触点を、センサの作動域に対して互いに反対となる位置に設けて成る請求項７の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項９】
第１及び第２の感知層の各々に端子接点の一方が、他の感知層に面しない側で広い接触面に沿って接触するようにして成る請求項１〜６の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項１０】
第１及び第２の感知層の各々に端子接点の一方が接点で接触し、両接点をセンサの作動域に対して対向する位置に設けて成る請求項１〜６の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項１１】
第１及び／又は第２の抵抗性材料が導電性エラストマー材料から成る請求項１〜１０の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項１２】
微細構造化面の構造部が、第１の感知層の方向にテーパーを有するように成形されて成る請求項１〜１１の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項１３】
微細構造化面の構造部を射出成形、エッチング、電子ビーム加工又はレーザビーム加工で形成して成る請求項１〜１２の何れか一つに記載の圧力センサ。
【請求項１４】
第１及び第２のキャリアフォイルが互いに積層されて成る請求項１〜１３の何れか一つに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力センサ、特にマイクロメカニカルベースで機能する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
表面に作用する力又は圧力を検出する圧力センサの適用分野は近年、かなり広がっている。これ等の適用対象の殆どに主として求められものは、適度のコストで製造が可能な圧力センサである。この理由で、特にフォイル型圧力センサが際立って普及するようになってきた。
【０００３】
製造に経済性があり、用途の広いこの種の圧力センサは、例えばＵＳ４３１４２２７Ａに記載されている。この文献に記載されているフォイル型圧力センサには、スペーサで所定距離、離間して保持される２枚の支持板が設けられている。これ等支持板の少なくとも一方は構造的に可撓性であり、センサに力が作用すると、可撓性支持板はその復元力に逆らって他の支持板に押圧されるようになっている。一方のキャリアフォイルには二つの電極構造体が所定距離互いに離間して配置され、他の支持板には半導電性材料層が配置され、これが外力の作用下で二つの電極構造体に押圧される。
【０００４】
半導電性材料は粒状構造を呈するため、半導電性材料の表面は多数の、突出し、ランダムに分布する接触点のある面粗さを呈する。センサ素子への圧力の印加が始まると、二つの支持板は先ず互いに近接し、電極構造体と半導電性層との間に第１の接点又は接触面ができる。このターンオン点の下方では、センサの電気抵抗は無限である。圧力が増大するに伴い、半導電性層は電極構造体に更に押圧され、電極構造体と半導電性層の間の接触面積を増大する。このとき、半導電性層が電極構造体に接する接触点の数が同時に増大し、半導電性層と電極構造体間の電気的表面抵抗が小さくなる。この減少した表面抵抗は測定でき、センサに働く圧力の測定値として役立つ。センサに働く圧力が取り除かれると、支持板の弾性的復元力が半導電性層と電極構造体間の距離を増大させ、その結果、接触点の数は減少していく。
【０００５】
かかる圧力センサのセルメカニズムは膜モデルで記述できる。膜の変形はそれに作用する圧力に比例し、また膜の物性としての弾性、機械的強度及び張力に依存する。ターンオン点の上方では、結果として生ずる抵抗は略、接触面の圧力依存半径の関数である。従って、圧力センサの電気的応答関数は特定のセル構成の変化に強く反応し、例えば膜が湿度や温度の変化の理由で変形する場合は、かなりのばらつきを受けることになる。このため、かかるセンサは、比較的低圧で正確なターンオン点を要する分野では、特に不適当である。実際は、例えば膜の変形により極めて小さいばらつきがあっても、ターンオン点を要求される反応閾値と同一程度の大きさで変位させてしまう。更には、半導電性層における接触点のセンサの動作が反応閾値を越えることを困難なものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って本発明の目的は、改良された圧力センサ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は本発明に従って、請求項１による圧力センサにより達成される。本圧力センサは、第１の感知層を有する第１のキャリアフォイルと第２の感知層を有する第２のキャリアフォイルを備える圧力センサであり、第１及び第２のキャリアフォイルを互いに、第１及び第２の感知層が互いに接触部を形成するように配置した圧力センサである。第１及び第２の感知層を、センサの端子接点間の電気抵抗が両感知層間の接触面積に依存するように構成する。本発明によれば、少なくとも第２の感知層には、圧力センサの作動域に、弾性材料から形成された予め画成された構造の微細構造化面が設けられ、第２の感知層の上記構造部が第１の感知層との接触を維持し、該第１の感知層と共に接触面を形成し、且つ上記構造部が圧力センサに作用する力の影響下で圧縮され、上記接触面の面積が増大するようにして成る。
【０００８】
このセンサでは、第２の感知層に弾性材料で形成された画成構造部が、センサに作用する力の影響下で弾性的に圧縮される。これ等の構造部が結果として受ける変形のため、これ等構造部と感知層間の接触面積が増大する。圧力センサに作用する力が取り除かれると、弾性構造部の復元力が、圧縮により生じた変形を反転させ、これ等構造部と第１の感知層間の接触面積が再び小さくなる。
【０００９】
既知のフォイル型圧力センサとは異なり、この圧力センサではその電気的動作と弾性的動作の両方が第２の感知層の微細構造化面により常に決定される。従って、圧力センサの抵抗動作の殆どはキャリアフォイルの機械的特性によらない。従って、フォイルに発生する変形や温度変動による機械的フォイル特性の変化がセンサの応答機能に有意の影響をもたらすことはない。圧力センサの復元力をキャリアフォイルにより供給する必要はもはや無いので、キャリアフォイルは廉価な材料で、且つ従来のフォイル型圧力センサと同様に厚みを薄くして製作すれば良い。このため、特に、用途によっては比較的高価なＰｔキャリアフォイルを用いる必要のあるフォイル型圧力センサに関しては、かなりの節約が得られる。
【００１０】
更に、本発明による圧力センサでは抵抗の変化が、第１及び第２の感知層間の接触点の数の増大によらず、微細構造化面上に画成され、或いはその内部に組み込まれて成る構造部の圧縮の結果として起こる接触面積の増大による。本発明によるセンサの接触面積の圧力依存変化、従ってセンサの電気的動作は、十分に画成された微細構造部の形成、即ち十分に画成された、第２感知層の面の形態により、確定的に制御することができる。従って、粒状材料のランダム分布に圧力下の動作が影響されるのを効果的に防いでいる。これに関連して、第２の感知層に組み込まれる画成構造部は層材料の典型的な面粗さと比較して大きいことは当業者に理解されるであろう。例えば、構造部の広がりは典型的な面粗さより少なくとも一桁大きい。このため、電気的動作が予め画成されて組み込まれた構造部により引き起こされ、層の面粗さにより生ずる現象によることはない。電気的動作がこのように確率的現象から明確に分離されるので、極めて感度の高いセンサの反復可能な製造が可能になる。
【００１１】
このセンサでは、センサ素子に外力がかからなくても第１と第２の感知層は接触面を既に形成しているのである。その結果、センサ素子は無負荷の状態で使用されても、有限の、従って測定可能な電気抵抗を示す。従って、本発明による圧力センサは、その電気的動作で反応の閾値を呈することはなく、たとえ力が最小であってもその電気抵抗に変化をもたらすようになっている。更に、抵抗が有限であり、有限な抵抗は何時でも測定可能であることから、圧力センサの導体を効率的に検査することができる。既述のフォイル型圧力センサでは、無負荷状態で導体をそのように検査することは全く不可能である。
【００１２】
また、第１の感知層が、弾性を有する第１の抵抗性材料から成るようにすると良い。この場合、両層は圧力の影響下で圧縮されるが、二つの感知層の復元力が負荷が除かれると初期形状へ復帰させるようになる。更に、第１の感知層も微細構造化面を呈して、第１感知層の構造部と第２感知層の構造部が同様又は異種の形状及び／又は広がりを有するようにしても良い。
【００１３】
本圧力センサの好適な一実施例では、第１の感知層が第１の抵抗性材料から成るものであり、これが圧力センサの作動域の部分で、例えば平らな層としてキャリアフォイルに当接するようにしても良い。ここで、抵抗性材料とは導電性を呈するが、その電気的比抵抗が例えば金属等の導電性材料より著しく高い材料を意味するものと取られるべきである。かかる抵抗性材料では、感知層に複雑な形状を与えることなく、接触面積に依存する抵抗作用を容易に発生することができる。
【００１４】
本圧力センサの好適な一実施例では、第２の感知層の構造部が第２の抵抗性材料から成る。第２の抵抗性材料を第１の抵抗性材料と、二感知層間に所定の面積抵抗作用が生じるように整合させると良い。第２の感知層全体が第２の抵抗性材料から成るようにすると良い。この実施例の特徴は、組み立てが特に容易なことと、製造を経済的にすることである。だが、圧力センサの用途によっては、第２の感知層がベース層と、ベース層上に配置した構造体層から成り、ベース層を特定の機械的又は電気的特性を有する材料で構成すると共に、構造部が内部に形成される構造体層のみを第２の抵抗性材料で構成するようにすると良い。
【００１５】
圧力センサの特に動的作用を確実にするため、これ等構造部の少なくとも一つを少なくとも部分的に導電性材料、例えば金属で被覆しても良い。かかる実施例では、センサに作用する力の変化が僅かでも、圧力センサの抵抗には比較的大きな変化が生じる。かかる実施例では、全構造部を所定域において導電性材料で被覆し、電気回路設計によっては、個々の構造部の導電性層を絶縁部で互いに分離するようにしても良いことは当業者に容易に理解されることであろう。
【００１６】
第２の感知層のもう一つの実施例では、第２の感知層の構造部が絶縁性材料から成り、これ等構造部の少なくとも一つが少なくとも所定部分において導電性材料又は第２の抵抗性材料で被覆される。用いられる材料によっては、第２の感知層のかかる実施例は、全構造部を抵抗性材料で構成するようにする実施例より製造の経済性が高い。また、適用分野によっては、かかる実施例は上記他の実施例より機械的又は電気的に有利である。
【００１７】
圧力センサの実施態様によっては、第１の抵抗性材料と第２の抵抗性材料とが同一材料から成るようにしても良い。或いはまた、第１の抵抗性材料と第２の抵抗性材料とが異種材料から成るようにしても良い。この場合、第２の抵抗性材料は、例えば抵抗が第１の抵抗性材料より低いようにする。特に、第２の感知層の構造部が絶縁性材料から成るようにする上記実施例では、圧力センサの電気回路によっては、個々の構造部上の被膜を絶縁部で分離する必要のある場合もある。
【００１８】
感知層の上記諸実施例によれば、所望の感圧作用を得るために複雑な形状を感知層に要しないので、これ等層を特に簡単に製作することができる。従って、このようにして構成される圧力センサは確実、且つ経済的製造が可能になる。
【００１９】
圧力センサの電気配線は種々の方法で行うことができる。例えば、端子接点が第１の感知層に、互いに離間して位置付けられた二つの連結点で接触するようにする。これ等二つの連結点は、例えばセンサの作動域上で互いに反対側となるように位置付けられる。無負荷時のかかる圧力センサの電気抵抗は、これ等２接点間に位置付けられる第１の感知層の第１の抵抗性材料で略決定される。力が圧力センサに作用すると、構造部が圧縮され、第２の感知層を第１の感知層に並列に電気的に切り替え、２感知層間の接触面積の増大が２端子接点間の抵抗を低減する。
【００２０】
代替的一実施例によれば、第１及び第２の感知層の各々に端子接点の一方が、他の感知層に面しない側で広い接触面に沿って接触するようにする。接触は、両端子接点が平坦に作られ、各感知層がその対応端子接点に平らに当接するように行うと良い。この場合、圧力センサの抵抗を決定するのは２感知層の垂直方向の複合抵抗であるが、両感知層間の境界面の抵抗が優勢又は支配的である。２感知層間の接触面積が大きければ大きいほど、この表面抵抗は小さくなろう。
【００２１】
二つの抵抗層の並列接続に基づくもう一つの実施例によれば、第１及び第２の感知層の各々に端子接点の一方が接点で接触し、両接点はセンサの作動域に付いて対向する位置に設けられるようにする。
【００２２】
第１及び／又は第２の抵抗性材料が導電性エラストマー材料から成るようにすると良い。この導電性エラストマー材料は例えば導電性顔料の充填剤を含んだポリマー又は自己導電性ポリマーであるが、低コストであり、且つ加工が容易である。また、これ等の材料は高い弾性を呈し、構造部の可逆的圧縮を可能にする。
【００２３】
微細構造化面の構造部は種々の方法で形成することができる。当業者には明らかなように、かかる構造部は感知層に均一に組み込まれるべきであるが、射出成形、化学的、電気化学的又は光化学的エッチング、スタンピング、電子ビーム加工及び／又はレーザビーム加工法で形成することができる。これ等の形成法は感知層を能動的に構造化でき、或いは感知層形成用の型（負）を形成する受動的方法として用いることができる。
【００２４】
これ等の技術で形成される微細構造化面は、第１の感知層の方向にテーパーを有する形状にすると良い。可能な形状には、例えば半球、角錐、角錐台、円錐、円錐台等が含まれる。
【００２５】
最後に、第１及び第２のキャリアフォイルが互いに積層されるようにすると有利である。これは例えば、第２の感知層の非構造化部（スペーサ）に接着剤層を付加し、第１のキャリアフォイルを距離Ｒで位置付けるようにして得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の圧力センサは微細構造化面の弾性機械的変形に基づいている。図１ａに、かかる圧力センサ１０の構成を概略的に示す。センサ１０には要部として、弾性抵抗材料から成る第１及び第２の感知層１２及び１４が備わり、その各々は一般にキャリアフォイル（高分子フォイル）（図示せず）に当接している。感知層１２及び１４は互いに、圧力センサ１０の作動域１６で両者の接触部を形成するように配置されている。
【００２７】
第２の感知層１４は圧力センサ１０の作動域１６に微細構造化面１８を有し、この微細構造化面には弾性材料から成る、予め画成された構造部２０が形成されている。図１ａは、かかる感圧微細構造１８の典型的な実施態様を示す。このため、第２の感知層１４は作動域１６に、図示の実施態様では半径Ｒの球状構造部２０の形式を取る、十分に画成された、即ち輪郭の明確な形態を有している。これ等の構造部は通常の表面粗さと比較して、例えば少なくとも一桁大きい。感知層１４の非構造化域は接着剤２２（スペーサ）で被覆され、第１の感知層１２をこの非構造化域からは距離Ｒ隔てて位置付け、第１の感知層１２が構造部２０に接するようにしている。
【００２８】
両感知層１２及び１４が印加力Ｆで圧縮されるとき、微細構造部がｎ個ある場合、その各々はＦ／ｎの負荷を支持する。第２又は第１の感知層の弾性機械的変形Δｄ１、△ｄ２は従って、これ等両感知層１２及び１４間に圧力依存接触部（面）２４を生じる（図１ｂ）。接触部２４の形状、及びこの部分の力又は圧力依存形成は、材料の弾性特性及び選択面の形態に依存する。このことを考慮し、材料の弾性特性を、結果として弾性変形のみが生じ（例えば、一つの圧力センサの典型的な圧縮距離は、約５０μｍの構造の広がりに対して、１０μｍ程度である）、従って力Ｆが取り除かれるとき、圧力センサは感知層の復元力の作用下でその初期状態に戻るように選ぶと良い。
【００２９】
電気配線に応じて、接触部の決定と評価は種々の方法で行うことができる。これに関して、圧力センサの第１の実施例を図２ａおよび２ｂに示す。この実施例では、未構造化感知層１２は抵抗性材料から成り、第２の感知層１４の構造部２０の少なくとも幾つかが導電性物質で被覆される。圧力の増大に伴い、抵抗性の第１感知層１２に接触する導電性アイランド部２８の大きさは次第に増大する（図２ｂも参照）。２つの電気接点３０及び３２を第１感知層１２に、図２ａ及び２ｂに示すように互いに離間して位置付けると、連結電気接点３０と３２間で測定される電気抵抗はアイランド部の増大による圧力の増大と共に低下する。この電気的構成の前提条件は構造化面の不連続な導電層（面導電性）である。
【００３０】
図３は、電気接点３０及び３２を第１感知層１２に位置付ける圧力センサのもう一つの実施例を示す。この実施例では、第２の感知層１４は導電性被覆面を有しない抵抗性材料から成る。この実施例においては、（被覆面の）面導電性のみなでなく、感知層材料の体積導電性も用いられる。
【００３１】
図４及び５は、各感知層に電気接点３０、３２の一方のみを設けた圧力センサの実施例を示す。これ等の実施例でも、電気抵抗が圧力の増大と共に低下する。図４の実施例では、面導電性のみでなく、感知層材料の体積導電性も用いられる。図５に示す圧力センサの実施例は、類似の比抵抗をもつ２つの層の感圧並列スイッチングに基づく。圧力の上昇と共に接触部が増大し、それと共に二層間の電気的相互作用が増大する。その結果、電気抵抗が低下する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】圧力センサの概略的断面図（ａ）とその詳細断面図（ｂ）であり、圧力センサに作用する力により起動される過程を示す。
【図２】圧力センサの第一の実施態様の断面図とその上面図である。
【図３】圧力センサのもう一つの実施態様を示す。
【図４】圧力センサのもう一つの実施態様を示す。
【図５】圧力センサのもう一つの実施態様を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１０   圧力センサ
１２   第１の感知層
１４   第２の感知層
１６   作動域
１８   感圧微細構造
２０   構造部
２２   接着剤
２４   接触面
２６   導電性物質
２８   導電性アイランド
３０   電気接点
３２   電気接点
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2006513408.tif 000004
【図３】
2006513408.tif 000005
【図４】
2006513408.tif 000006
【図５】
2006513408.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月14日(2005.1.14)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
第１の感知層を有する第１のキャリアフォイルと第２の感知層を有する第２のキャリアフォイルを備える圧力センサであり、第１及び第２のキャリアフォイルを互いに、第１及び第２の感知層が互いに向き合うように配置し、第１及び第２の感知層を、センサの端子接点間の電気抵抗が両感知層間の接触面積に依存するように構成し、及び圧力センサの作動域において、少なくとも第２の感知層は弾性材料からなる予め画成された構造の微細構造化面を有する圧力センサであって、
第１及び第２のキャリアフォイルは、もし圧力センサに力が加わらない限りは、第２の感知層の上記構造部が第１の感知層との接触を維持し、該第１の感知層との接触面を形成するように、相互に配置され、且つ
上記構造部が圧力センサに作用する力の影響下で圧縮され、上記接触面の面積が増大するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
【国際調査報告】
2006513408.tif 000008
2006513408.tif 000009
2006513408.tif 000010
2006513408.tif 000011
2006513408.tif 000012
2006513408.tif 000013