(57)【要約】【課題】特定周波数帯の圧力を検出することが可能な圧力検知素子を提供する。【解決手段】圧力検知素子１は、貫通孔１１から気体を導入して基板表面に形成された流路１２に導き、流路１２を介して圧力を検出する圧力センサ部３０まで気体を導くものである。この圧力検知素子１の圧力センサ部３０は、気体の圧力に応じて変位するダイアフラム１３と、当該ダイアフラム１３の変位により一対の電極３１間の距離が増減する空間部２１と、電極３１間の距離の増減に応じた信号を出力するセンサ部３１とを有している。また、流路１２の長さｌ及び流路径ｄとにより、検出対象となる周波数域が設定されている。【選択図】図１
2012173005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力導入孔から流体を導入して基板表面に形成された抵抗通路に導き、抵抗通路を介して圧力を検出する圧力センサ部まで流体を導く圧力検知素子であって、
前記圧力センサ部は、流体の圧力に応じて変位するダイアフラムと、当該ダイアフラムの変位により容積が増減する空間部と、前記空間部の容積の増減に応じた信号を出力するセンサ部とを有し、
前記抵抗通路の長さ、断面積及びターン数により、検出対象となる周波数域が設定されている
ことを特徴とする圧力検知素子。
【請求項２】
前記抵抗通路は、蛇行した流路として形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出素子。
【請求項３】
前記抵抗通路は、幅が数マイクロメートル程度の直線の流路として形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出素子。
【請求項４】
前記空間部の容積に応じて、検出対象となる周波数域が設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンデンサの静電容量変化を利用して圧力を検出する圧力検知素子が知られている。この圧力検知素子は、圧力導入部より検知対象となる圧力を有した気体を導入し、導入した気体の圧力によりコンデンサ電極の一方を有した平板が撓むことで、他方のコンデンサ電極との距離が変化する。これにより、コンデンサの静電容量が変化し、この変化により圧力を検出することができる。
【０００３】
特許文献１に記載された圧力検知素子は、一対の対向した電極の距離が圧力変動により変化することで静電容量が変化し、圧力を検出できる。また、圧力の他に振動を検知するために一方の平板に振動検知体を有し、振動検知体により振動をとらえるようになっている。この圧力検知素子からの信号は判別回路に接続されており、判別回路による判断により圧力と振動とが区別して検出される。さらに、圧力導入部には、圧力導入孔側にオリフィス状の絞り部と、絞り部により形成された空間部分とが形成され、絞り部と空間部分との高周波減衰効果により、振動する圧力のうち高周波成分が取り除かれるようになっている。このため、平板には平均的な圧力が導入されることとなり、振動する圧力が入力されても、外部振動による振動と区別することができる。特に、この圧力検出素子では、絞り部と空間部分との大きさを調整することで取り除く高周波の周波数を調整することができる（特許文献１参照）。
【０００４】
また、基板（符号２２参照）裏面に形成された圧力導入部（符号２６参照）から基板表面のバッファ空間（符号２４参照）まで圧力を導入し、導入した圧力を基板表面において形成された圧力検知部まで導圧通路を通じて導き、圧力検知部においてコンデンサの静電容量変化を利用して圧力を検出する圧力検知素子が知られている。この圧力検出素子によれば、圧力導入部の大きさやバッファ空間の大きさを調整することにより必要な周波数応答に調整することができる（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７０３７５号公報（図１及び図７参照）
【特許文献２】特開２００３−４５６７号公報（図２参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１及び２に記載の圧力検知素子では、設計精度が高くなければ狙った周波数を検知することができなくなってしまう可能性がある。すなわち、特許文献１に記載の圧力検知素子において樹脂材料は切削や金型により加工されるため、加工限界が１００μｍ程度であり、精度良く絞り部等を形成できないことから、取り除く高周波の周波数を調整できず、狙った周波数を検知することができなくなってしまう可能性がある。特許文献２に記載の圧力検知素子については、圧力導入部の断面形状が台形となっており、上底にあたる部分が絞りとなっているが、絞りの後ろには符号２４に示すようなバッファ空間を確保する必要があり、チップサイズが大きくなってしまう可能性がある、また、絞りはＴＭＡＨなどによるエッチングにより形成されるが、ＴＭＡＨなどのウェットエッチングは温度、不純物及び使用回数によるバラつきが大きく、絞りの大きさの調整が困難であるため、狙った周波数を検知することができなくなってしまう可能性がある。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、特定周波数帯の圧力を検出することが可能な圧力検知素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の圧力検知素子は、圧力導入孔から流体を導入して基板表面に形成された抵抗通路に導き、抵抗通路を介して圧力を検出する圧力センサ部まで流体を導く圧力検知素子であって、圧力センサ部は、流体の圧力に応じて変位するダイアフラムと、当該ダイアフラムの変位により容積が増減する空間部と、空間部の容積の増減に応じた信号を出力するセンサ部とを有し、抵抗通路の長さ、断面積、及びターン数により、検出対象となる周波数域が設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この圧力検知素子によれば、空間部の容積Ｃと流路Ｒとによる擬似的なＲＣ回路となり、空間部の容積と抵抗通路の長さ、断面積、及びターン数とにより、検出対象となる周波数域が設定されているため、特定周波数帯の圧力を検出することができる。
【００１０】
また、本発明の圧力検知素子は、抵抗通路は、蛇行した流路として形成されていてもよいし、幅が数マイクロメートル程度の直線の流路であってもよい。
【００１１】
この圧力検知素子によれば、抵抗通路は蛇行した流路や幅が数マイクロメートル程度の流路として形成されているため、特許文献２の絞りと比較して大きな抵抗を生み出すことができ、特許文献２のようなバッファ空間を形成する必要がなく、圧力センサ部の空間部で充分であるため、全体として小型化することに寄与することができる。また、抵抗通路の長さや断面積、抵抗通路を蛇行させたときには、例えばターン数を変えることで空間部の容積を変えなくとも、検出対象となる周波数域を設定することができる。
【００１２】
また、本発明の圧力検知素子は、空間部の容積に応じて、検出対象となる周波数域が設定されていることが好ましい。
【００１３】
この圧力検知素子によれば、流路のみならず、空間部の容積に応じて検出対象となる周波数域が設定されるため、一層的確に検出対象となる周波数域を設定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、特定周波数帯の圧力を検出することが可能な圧力検知素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力検知素子を示す構成図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧力検知素子を示す構成図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、圧力検知素子１は、シリコン基板１０と、ガラス板２０と、圧力センサ部３０とから構成され、シリコン基板１０の表面とガラス板２０の裏面とが付き合わされて構成されている。このような圧力検知素子１は、例えばガスメータ内など気体圧力が変動する部位に設けられる。
【００１８】
このうちシリコン基板１０は、貫通孔（圧力導入孔）１１と、流路（抵抗通路）１２と、ダイアフラム１３とを有している。貫通孔１１は、シリコン基板１０の裏面から異方性エッチングやＲＩＥ（Reactive ion・etching）により形成され、シリコン基板１０の裏面側の気体を表面側へ導く機能を有する。なお、本実施形態において貫通孔１１は断面略台形状に形成されているが、これに限らず、断面長方形状など他の形状に形成されていてもよい。
【００１９】
流路１２は、シリコン基板１０の表面において形成され、貫通孔１１から導入した流体を圧力センサ部３０まで導くものであって、幅が数マイクロメートル程度されている。この流路１２は、フォトリソグラフィによるパターニングとＲＩＥなどによるエッチングとにより形成される。また、流路１２は蛇行して形成されている。ダイアフラム１３は、シリコン基板１０の裏面における流体圧力と表面における流体圧力との差分に応じて、シリコン基板１０とガラス板２０との積層方向に変位する薄膜である。なお、図１において流路１２は蛇行しているが、これに限らず、直線であってもよい。
【００２０】
ガラス板２０は、シリコン基板１０上に載置されるものであって、載置状態においてダイアフラム１３に相当する箇所が刳り貫かれ、空間部２１が形成されている。
【００２１】
圧力センサ部３０は、上記したダイアフラム１３と空間部２１と、センサ部３１とにより構成されている。センサ部３１は、具体的に上部電極３１ａと下部電極３１ｂとにより構成されている。上部電極３１ａは、空間部２１の上部においてアルミニウムなどの金属膜がガラス板２０に蒸着されて形成されている。下部電極３１ｂは、上部電極３１ａと対向配置されており、シリコン上（ダイアフラム１３上）にＢ（ボロン）やＰ（リン）を拡散させて形成されている。なお、シリコン上にガラス板２０と同様に金属膜を形成して下部電極３１ｂとしてもよい。
【００２２】
次に、本実施形態に係る圧力検知素子１の基本動作を説明する。なお、以下では、本実施形態に係る圧力検知素子１をガス流路等に配置した場合を例に説明する。
【００２３】
まず、シリコン基板１０の裏面側の圧力変化が無い場合、空間部２１とシリコン基板１０の裏面側とが連通していることから、双方の圧力は等しくなる。これにより、ダイアフラム１３は撓むことなく、上部電極３１ａと下部電極３１ｂとの距離は一定に保たれる。このため、上部電極３１ａと下部電極３１ｂとにより構成されるセンサ部３１からの出力（すなわち静電容量）は特定の値で安定する。より具値的に静電容量は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄにより表され、ε、Ｓ及びｄについてはいずれも変化がないことから、センサ部３１からの出力は特定の値で安定する。なお、εは誘電率であり、Ｓは電極面積であり、ｄは電極間の距離である。
【００２４】
一方、シリコン基板１０の裏面側の圧力が高くなった場合、シリコン基板１０の裏面側のガスは空間部２１に伝わるまでに貫通孔１１及び流路１２を経ることから、空間部２１内の圧力は即座に高くならない。よって、ダイアフラム１３は上方へ変位することとなり、センサ部３１からの出力（すなわち静電容量）は変化する。すなわち、ｄが小さくなることから静電容量は大きくなる。ＣＰＵ等の圧力算出部（図示せず）は、この変化量をとらえることで圧力を検出することとなる。なお、シリコン基板１０の裏面側の圧力が低くなった場合はダイアフラム１３が下方に撓むこととなり、同様に圧力が検出される。
【００２５】
さらに、本実施形態において圧力検知素子１は、空間部２１の容積と流路１２の長さ（例えば蛇行させるターン数により調整）及び断面積とにより、検出対象となる周波数域が設定されている。すなわち、本実施形態において圧力検知素子１は、空間部２１の容積をＣとし、流路１２をＲとした擬似的なＲＣ回路となり、特定の周波数成分のみを検出することができる。しかも、流路Ｒは、フォトリソグラフィによるパターンニングとＲＩＥによるエッチングとにより形成できるため、フォトリソグラフィの線幅を変えるだけで流路１２の断面積を変化させることができ、流路１２の長さや形状についても変化させることは比較的容易である。よって、特許文献１及び２に示したような精度を要せず、特定の周波数成分のみを検出することができる。また、シリコン基板１０の表面上に流路を形成しているため、フォトリソグラフィを用いなくとも、例えばスクリーン印刷によるパターニングやレーザ加工を用いてもよい。
【００２６】
次に、本実施形態に係る圧力検知素子１の作用について説明する。本実施形態に係る圧力検知素子１は、流路１２を長さ（例えば蛇行させるターン数により調整）や断面積を変更することにより、狙った周波数成分のみを検出することができる。これは、流路１２の圧力損失によるものであり、以下のファニングの式により表すことができる。
【数１】
2012173005.tif 000003
【００２７】
この式から明らかなように、流路長さｌや流路径ｄ（すなわち断面積）を変化させることで圧力損失が変化することがわかる。すなわち、流路長さｌや流路径ｄを変更することで抵抗Ｒを変えることができ、空間部２１の容積を変えることなく、特定の周波数成分のみを検知することができることとなる。
【００２８】
このようにして、本実施形態に係る圧力検知素子１によれば、空間部２１の容積Ｃと流路Ｒとによる擬似的なＲＣ回路となり、空間部２１の容積と流路１２の長さｌ及び流路径ｄ（すなわち断面積）とにより、検出対象となる周波数域が設定されているため、特定の周波数成分のみを検出することができる。
【００２９】
また、流路１２は蛇行した流路や幅が数マイクロメートル程度の流路として形成されているため、特許文献２の絞りと比較して大きな抵抗を生み出すことができ、特許文献２のようなバッファ空間を形成する必要がなく、圧力センサ部３０の空間部２１で充分であるため、全体として小型化することに寄与することができる。また、流路１２の長さや断面積、流路１２を蛇行させたときには、例えばターン数を変えることで空間部２１の容積Ｃを変えなくとも、検出対象となる周波数域を設定することができる。
【００３０】
また、流路Ｒのみならず、空間部２１の容積Ｃに応じて検出対象となる周波数域が設定されるため、一層的確に検出対象となる周波数域を設定することができる。
【００３１】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態に係る圧力検知素子１は気体の圧力を検出する例を説明したが、特にこれに限らず、液体の圧力検出に用いられてもよい。
【００３２】
また、本実施形態に係る圧力検知素子１は、上部電極３１ａと下部電極３１ｂとからなるコンデンサを例に説明しているが、これに限らず、例えば上部電極と下部電極とに形成された接点のオン及びオフを検出するセンサを用いてもよいし、ダイアフラム１３にピエゾ抵抗を形成してダイアフラム１３の変動を抵抗値変化として検出するセンサであってもよい。さらに、応力が加わると電荷を発生する圧電膜をダイアフラム１３に用いて圧力変動を検出するセンサであってもよいし、ダイアフラム１３の変動をレーザ光により測定するセンサであってもよい。すなわち、圧力センサ部３０は、上記のようなセンサと、ダイアフラム１３と、空間部２１とを備えていれば、その構成に限定されるものではない。
【００３３】
また、本実施形態に係る圧力検知素子１は、シリコン基板１０に貫通孔１１が形成されているが、これに限らず、ガラス板２０に貫通孔１１が形成されていてもよい。
【００３４】
また、本実施形態に係る圧力検出素子１は、ガラス板２０を刳り貫いているが、ガラスを加工しないでシリコン基板１０をエッチングして空間部２１を形成してもよいし、シリコン基板１０に薄膜を堆積させて空間部２１を形成してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…圧力検知素子
１０…シリコン基板
１１…貫通孔（圧力導入孔）
１２…流路（抵抗通路）
１３…ダイアフラム
２０…ガラス板
２１…空間部
３０…圧力センサ部
３１…センサ部
３１ａ…上部電極
３１ｂ…下部電極
【図１】
2012173005.tif 000004