(57)【要約】【課題】検出範囲を広くすることが可能なセンサ素子を提供する。【解決手段】メンブレンがたわむことで物理量を検出するセンサ素子１において、メンブレン２１〜２４を複数備え、各メンブレン２１〜２４の単位圧力当りのたわみ量が、それぞれ異なるように設定されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブレンがたわむことで物理量を検出するセンサ素子において、
前記メンブレンを複数備え、前記各メンブレンの単位圧力当りのたわみ量が、それぞれ異なるように設定されている、
ことを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
固定電極が複数配設され、前記メンブレンが前記固定電極に対向して配設され、前記メンブレンがたわんで前記固定電極との距離が変化することで前記物理量を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記各メンブレンは、１つの電極板の一部を切り抜いて一体的に形成され、前記各メンブレンに対する切り抜き形状を変えることで、前記各メンブレンの単位圧力当りのたわみ量が異なるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メンブレン（ダイアフラム）がたわむことで物理量を検出するセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、メンブレンがたわむことで、圧力や音声、超音波、加速度、振動などの物理量を検出・検知するセンサ素子が知られている（例えば、特許文献１）。このセンサ素子は、例えば、固定電極に対向して、可動電極としてのメンブレンが可撓自在に配置されている。そして、圧力を受けてメンブレンがたわむと、固定電極とメンブレンとの間の距離が変わって、固定電極とメンブレンとの間の静電容量が変化し、これにより圧力を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２５３４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のセンサ素子では、メンブレンのたわみ係数（単位圧力当りのたわみ量、バネ定数）が固定値であった。つまり、１つのセンサ素子におけるメンブレンのたわみ係数が１値しかなく、検出可能な圧力範囲が狭かった。このため、検出対象の圧力範囲に適合したたわみ係数のメンブレンを備えたセンサ素子を選定して、使用しなければならず、手間と時間を要するばかりでなく、汎用性が低かった。
【０００５】
そこで本発明は、検出範囲を広くすることが可能なセンサ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、メンブレンがたわむことで物理量を検出するセンサ素子において、前記メンブレンを複数備え、前記各メンブレンの単位圧力当りのたわみ量が、それぞれ異なるように設定されている、ことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサ素子において、固定電極が複数配設され、前記メンブレンが前記固定電極に対向して配設され、前記メンブレンがたわんで前記固定電極との距離が変化することで前記物理量を検出する、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のセンサ素子において、前記各メンブレンは、１つの電極板の一部を切り抜いて一体的に形成され、前記各メンブレンに対する切り抜き形状を変えることで、前記各メンブレンの単位圧力当りのたわみ量が異なるように設定されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、１つのセンサ素子において複数のメンブレンを備え、各メンブレンの単位圧力当りのたわみ量（たわみ係数、バネ定数）がそれぞれ異なるように設定されているため、センサ素子全体としての検出範囲を広くすることが可能となる。この結果、検出対象の圧力範囲に適合したたわみ係数のメンブレンのみを備えたセンサ素子を選定する必要性が抑制され、利便性や汎用性が高まる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、複数の固定電極とメンブレンとを対向して配設するだけの簡易な構成で、センサ素子の検出範囲を広くすることが可能となる。
【００１１】
請求項３の発明によれば、１つの電極板の一部を切り抜いて、各メンブレンに対する切り抜き形状を変えるだけで、各メンブレンのたわみ係数が異なるように設定されているため、簡易な構成で、センサ素子の検出範囲を広くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態に係るセンサ素子の可動電極板を示す平面図である。
【図２】この発明の実施の形態に係るセンサ素子の固定電極板を示す平面図である。
【図３】この発明の実施の形態に係るセンサ素子の外装板を示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態に係るセンサ素子を示す側面図である。
【図５】図４のセンサ素子の可動電極板の一部断面図である。
【図６】この発明の実施の形態において、シリコン製のメンブレンと同径のアルミニウム製のメンブレンとの最大たわみ量を示す図（ａ）と、最大たわみ量を同じくする場合のシリコン製のメンブレンの半径とアルミニウム製のメンブレンの半径を示す図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１４】
図１〜図６は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この実施の形態に係るセンサ素子１の各メンブレン２１〜２４を示す平面図である。このセンサ素子１は、メンブレン２１〜２４がたわむことで、圧力や音声、超音波、加速度、振動などの物理量を検出する素子であり、この実施の形態では、静電容量式の素子の場合について、主として説明する。
【００１５】
センサ素子１は、図１に示すように、メンブレン２１〜２４を複数、この実施の形態では４つ備え、各メンブレン２１〜２４のたわみ係数（単位圧力当りのたわみ量、バネ定数）がそれぞれ異なるように設定されている。このセンサ素子１は、図４に示すように、下から順に、固定電極板３と可動電極板（電極板）２と外装板４とが積層されて構成されている。
【００１６】
可動電極板２は、シリコンで構成された平板状の薄膜で、一部を切り抜くことで複数のメンブレン２１〜２４が一体的にアレイ状に形成、配設され、かつ、各切り抜き部２１ａ〜２４ａの形状や数（各メンブレン２１〜２４に対する切り抜き形状）を変えることで、各メンブレン２１〜２４のたわみ係数が異なるように設定されている。
【００１７】
具体的には、各メンブレン２１〜２４は円板状で、第１のメンブレン２１と第２のメンブレン２２とが同径で、第３のメンブレン２３と第４のメンブレン２４とが同径となっている。また、第１のメンブレン２１と第２のメンブレン２２の外径は、第３のメンブレン２３と第４のメンブレン２４の外径よりも小さく設定されている。一方、第１のメンブレン２１と第３のメンブレン２３は、それぞれ４つのアーム２１ｂ、２３ｂで可撓自在に支持され、第２のメンブレン２２と第４のメンブレン２４は、それぞれ３つのアーム２２ｂ、２４ｂで可撓自在に支持されている。
【００１８】
すなわち、可動電極板２に、約９０°の扇状で径長（扇面の径方向の長さ）が長い第１の切り抜き部２１ａが、円周状に４つ形成されて、４つの長い第１のアーム２１ｂで支持された小径の第１のメンブレン２１が形成されている。同様に、可動電極板２に、約１２０°の扇状で径長が長い第２の切り抜き部２２ａが、円周状に３つ形成されて、３つの長い第２のアーム２２ｂで支持された小径の第２のメンブレン２２が形成されている。また、可動電極板２に、約９０°の扇状で径長が短い第３の切り抜き部２３ａが、円周状に４つ形成されて、４つの短い第３のアーム２３ｂで支持された大径の第３のメンブレン２３が形成されている。さらに、可動電極板２に、約１２０°の扇状で径長が短い第４の切り抜き部２４ａが、円周状に３つ形成されて、３つの短い第４のアーム２４ｂで支持された大径の第４のメンブレン２４が形成されている。
【００１９】
このようにして可動電極板２に各メンブレン２１〜２４が形成されていることで、各メンブレン２１〜２４を支持するアーム２１ｂ〜２４ｂの長さや数が異なり、これにより、各メンブレン２１〜２４のたわみ係数が異なるようになっている。具体的に、この実施の形態では、たわみ係数（たわみ量）が大きい順に、第２のメンブレン２２、第１のメンブレン２１、第４のメンブレン２４、第３のメンブレン２３となるように設定されている。
【００２０】
さらに、各メンブレン２１〜２４のたわみ係数は、所定の圧力範囲において各メンブレン２１〜２４が連続的にたわむように設定されている。すなわち、圧力が小さい場合には、まず、第２のメンブレン２２が所定量たわみ、圧力が上昇すると第１のメンブレン２１が所定量たわみ、さらに圧力が上昇すると第４のメンブレン２４が所定量たわみ、さらに圧力が上昇すると第３のメンブレン２３が所定量たわむようになっている。このようにして、広範囲の圧力において、いずれかの各メンブレン２１〜２４が所定量たわむようになっている。
【００２１】
一方、可動電極板２の下面（固定電極板３側の面）には、図５に示すように、突起２５が複数設けられている。これにより、各メンブレン２１〜２４と固定電極板３（後述する各固定電極３１〜３４）との間に所定の隙間が設けられ、各メンブレン２１〜２４が固定電極板３側にたわめるようになっている。また、各切り抜き部２１ａ〜２４ａ内には、圧力の漏洩を防止・抑制するためのＡｌ、Ａｕ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ポリイミドなどの封止材が充填されている。
【００２２】
固定電極板３は、ガラスで構成された平板で、上面（可動電極板２側の面）に４つの固定電極３１〜３４が配設されている。各固定電極３１〜３４は、同径の円板状で、第１の固定電極３１と第１のメンブレン２１とが同心で対向し、第２の固定電極３２と第２のメンブレン２２とが同心で対向し、第３の固定電極３３と第３のメンブレン２３とが同心で対向し、第４の固定電極３４と第４のメンブレン２４とが同心で対向するように配設されている。ここで、固定電極３１〜３４の外径は、メンブレン２１〜２４の外径よりも大きく設定されている。
【００２３】
また、各固定電極３１〜３４は、固定電極板３の上面に配設されたリード線３１１〜３４１を介して、それぞれ端子３１２〜３４２に接続されている。また、各端子３１２〜３４２は、外部回路・素子に接続可能となっており、各メンブレン２１〜２４と各固定電極３１〜３４とによる検出結果（物理量）が、各端子３１２〜３４２を介して外部回路に伝達されるようになっている。
【００２４】
外装板４は、平板で、円形状の検出孔４１〜４３が、それぞれメンブレン２１〜２３と同心で対向するように形成されている。そして、検出孔４１〜４３を介して各メンブレン２１〜２３に圧力が印加されると、各メンブレン２１〜２３がたわんで各固定電極３１〜３３との距離が変化する。これにより、各メンブレン２１〜２３と各固定電極３１〜３３との間の静電容量が変化して、物理量が検出されるものである。
【００２５】
ここで、第４のメンブレン２４に対向する位置には検出孔が形成されていない。これは、第４のメンブレン２４には圧力を印加しないで、第４のメンブレン２４と第４の固定電極３４とによる検出結果を基準値として、各メンブレン２１〜２３と各固定電極３１〜３３とによる各検出結果を校正・補正できるようにするためである。
【００２６】
このような構成のセンサ素子１によれば、１つのセンサ素子１において複数のメンブレン２１〜２４を備え、各メンブレン２１〜２４のたわみ係数がそれぞれ異なるように設定されているため、センサ素子１全体としての検出範囲・ダイナミックレンジを広くすることが可能となる。具体的には、圧力が小さい場合には、第２のメンブレン２２と第２の固定電極３２とによって物理量が検出され、圧力が上昇すると、第１のメンブレン２１と第１の固定電極３１とによって物理量が検出され、さらに圧力が上昇すると、第３のメンブレン２３と第３の固定電極３３とによって物理量が検出され、広範囲・広レンジにわたって物理量を検出することができる。この結果、検出対象の圧力範囲に適合したたわみ係数のメンブレンのみを備えたセンサ素子を選定する必要性がなくなり、利便性や汎用性が高まる。
【００２７】
また、複数のメンブレン２１〜２４と固定電極３１〜３４とを対向して配設するだけの簡易な構成で、センサ素子１の検出範囲を広くすることが可能となる。さらに、１つの可動電極板２の一部を切り抜いて、切り抜き部２１ａ〜２４ａの形状や数を変えるだけで、たわみ係数が異なる複数のメンブレン２１〜２４が形成されているため、簡易な構成で、センサ素子１の検出範囲を広くすることが可能となる。また、切り抜き部２１ａ〜２４ａの形状や数を変えるだけで、任意のたわみ係数のメンブレン２１〜２４を容易に形成することが可能となる。しかも、１つの可動電極板２に４つのメンブレン２１〜２４が一体的に形成されているため、センサ素子１の製作が容易となる。
【００２８】
ここで、上記のように、検出範囲を広くすることが可能となる効果について検証する。まず、メンブレンの半径をｒ、膜厚をｈ、曲げ剛性をＤ、ヤング率をＥ、ポアソン比をν、印加圧力をＰとし、メンブレンの全周縁が支持されて全面に等分布荷重が印加された場合、最大たわみ量Ｗｍａｘは次式で算出される。
Ｗｍａｘ＝Ｐｒ４／６４Ｄ
Ｄ＝Ｅｈ／１２（１−ν２）
【００２９】
そして、メンブレンをシリコン（Ｓｉ）で構成した構造Ａの最大たわみ量Ｗｍａｘ（Ｓｉ）と、同径のメンブレンをアルミニウム（Ａｌ）で構成した構造Ｂの最大たわみ量Ｗｍａｘ（Ａｌ）とを算出すると、図６（ａ）に示すような結果となり、最大たわみ量Ｗｍａｘ（Ａｌ）は最大たわみ量Ｗｍａｘ（Ｓｉ）の約３７倍となる。つまり、構造Ａと構造Ｂとによって、圧力感度が３７倍異なるセンサ素子を構成することが可能となる。
【００３０】
このような感度のセンサ素子をシリコンのメンブレンのみで構成しようとする場合、同一材料の同一チップ上で厚みが異なるメンブレンを製作することが困難なため、メンブレンの半径を変える。つまり、構造Ｂと同じ感度のセンサを同一チップ上にシリコン製のメンブレンで製作する場合を考えると、図６（ｂ）に示すような構成Ｃとなる。しかしながら、構成Ｂのメンブレンの半径が２５０μｍであるのに対して、構成Ｃではメンブレンの半径が６１８μｍとなり、センサの面積を約６倍大きくする必要がある。
【００３１】
これに対して、この実施の形態のセンサ素子１によれば、アーム２１ｂ〜２４ｂの長さや数（支持形状）を変えてメンブレン２１〜２４のたわみ係数を変えることで、面積を大きくすることなく所望の感度の素子を構成することが可能となる。つまり、感度が異なるメンブレン２１〜２４をアレイ化しても、１チップで小型の素子を構成することが可能となる。
【００３２】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、各アーム２１ｂ〜２４ｂの幅寸法が一定となっているが、各アーム２１ｂ〜２４ｂの幅寸法を変えることで、各メンブレン２１〜２４のたわみ係数を設定・調整するようにしてもよい。また、センサ素子１が静電容量式の素子の場合について説明したが、圧力が印加されるとメンブレンがたわんで比抵抗値が変化することで物理量を検出する、ピエゾ抵抗式の素子にも適用することができる。一方、１つの可動電極板２に４つのメンブレン２１〜２４を一体的に形成しているが、独立した４つの電極板にそれぞれメンブレン２１〜２４を形成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  センサ素子
２  可動電極板（電極板）
２１〜２４  メンブレン
２５  突起
２１ａ〜２４ａ  切り抜き部
２１ｂ〜２４ｂ  アーム
３  固定電極板
３１〜３４  固定電極
３１１〜３４１  リード線
３１２〜３４２  端子
４  外装板
４１〜４３  検出孔
【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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