(57)【要約】【課題】検出能力を向上する。【解決手段】応力センサ１は、貫通領域１１を有するダイヤフラム１０と、貫通領域１１の少なくとも一部を覆って前記ダイヤフラム１０の面上に配置される感応膜２０と、ダイヤフラム１０において感応膜２０の外縁２１と接触する領域に位置する検出部４０と、を備える。【選択図】図２
2017181433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通領域を有するダイヤフラムと、
前記貫通領域の少なくとも一部を覆って前記ダイヤフラムの面上に配置される感応膜と、
前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁が配置される領域を含む領域に位置する検出部と、を備える応力センサ。
【請求項２】
前記外縁が配置される領域を含む領域は、前記感応膜の外縁が配置されている領域及び該領域の近辺を含む、請求項１に記載の応力センサ。
【請求項３】
前記感応膜の外縁は、前記ダイヤフラムの面上の、前記貫通領域の境界の近辺に配置される、請求項１又は２に記載の応力センサ。
【請求項４】
前記検出部はピエゾ抵抗素子を含んで構成される、請求項１から３の何れか一項に記載の応力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイヤフラムを用いて圧力又は応力等を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラムに加えられる圧力を、ダイヤフラムの撓みに基づいて検出する圧力センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１４３７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ダイヤフラムを用いた応力センサにおいて、応力の検出能力が必ずしも高くない場合がある。
【０００５】
かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、検出能力を向上できる応力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る応力センサは、
貫通領域を有するダイヤフラムと、
前記貫通領域の少なくとも一部を覆って前記ダイヤフラムの面上に配置される感応膜と、
前記ダイヤフラムにおいて前記感応膜の外縁が配置される領域に位置する検出部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る応力センサによれば、検出能力を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る応力センサの概略構成を示す上面図である。
【図２】図１に示す応力センサのＬ−Ｌ線に沿った断面図である。
【図３】ガス分子が感応膜に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係る応力センサの変形例の概略構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る応力センサの他の変形例の概略構成を示す上面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る実施形態では、ダイヤフラムの面上に配置された膜（感応膜）への物質の吸着、拡散または吸収等によって、ダイヤフラムが変形し、ダイヤフラムに応力が生じるものとして説明する。また、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る応力センサ１の概略構成を示す上面図であり、図２は、図１に示す応力センサ１のＬ−Ｌ線に沿った断面図である。なお、本明細書では、ｚ軸正方向が上側、ｚ軸負方向が下側であるとして、以下説明する。
【００１１】
応力センサ１は、貫通領域１１を有するダイヤフラム１０と、感応膜２０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１，４２，４３とを備える。感応膜２０は、ダイヤフラム１０の上面に配置される。応力センサ１は、感応膜２０が流体中の物質の吸着等によって、流体中の物質を検出する。応力センサ１には、例えば上面側から気体が吹きかけられる。応力センサ１は、吹きかけられた気体中に、検出対象となる所定のガス分子が含まれるか否かを検出できる。応力センサ１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて製造される。応力センサ１の製造方法の一例については後述する。
【００１２】
ダイヤフラム１０は、変形可能な部材である。ダイヤフラム１０は、例えば、薄い基板である。ダイヤフラム１０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板とすることができる。ダイヤフラム１０は、図１に示すように、上面側から見て矩形状としてもよい。ダイヤフラム１０は、その周囲において、ダイヤフラム１０よりも厚い基板と一体として構成されている。ダイヤフラム１０は、上面に配置された感応膜２０が変形すると、感応膜２０の変形の度合いに応じて変形する。
【００１３】
また、ダイヤフラム１０は、その一部に、ｚ方向に貫通する貫通領域１１を有する。本実施形態では、貫通領域１１は、図１に示すように、上面側から見ると円形状である。また、貫通領域１１はダイヤフラム１０の中央部に位置する。
【００１４】
感応膜２０は、検出対象となる物質がその表面に吸着されると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、膨潤、膨張、収縮または伸長等して変形する。感応膜２０には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。感応膜２０は、貫通領域１１の少なくとも一部を覆ってダイヤフラム１０の面上に配置される。一例として、感応膜２０の材料は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレート、又はニトロセルロース等が挙げられる。
【００１５】
具体的には、感応膜２０は、上面側から見ると、ダイヤフラム１０の面上に配置される領域、及び貫通領域１１を覆う領域を有する。また、感応膜２０におけるダイヤフラム１０の面上に配置される領域は、感応膜２０の外縁２１と外縁２１の近辺を含む領域である。また、感応膜２０は、貫通領域１１の縁１２の外側で、縁１２の近辺でダイヤフラム１０の面上に配置される。ダイヤフラム１０及び感応膜２０の厚さは、感応膜２０に用いられる材料、検出対象となる物質等を考慮して適宜選択することができる。なお、本実施形態に係る感応膜２０の外縁２１は、貫通領域１１の縁１２と相似形である。
【００１６】
応力センサ１では、貫通領域１１の存在に起因して、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際にダイヤフラム１０における感応膜２０の外縁２１が位置している領域に生じる応力が大きくなる。この原理の詳細については、後述する。
【００１７】
ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、自身が受ける応力によって抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えばｐ型Ｓｉである。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０がｎ型Ｓｉである場合にボロン（Ｂ）を拡散させて形成したものであってもよい。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０上に配置される。本明細書において、ダイヤフラム１０上に配置されるとは、平板状のダイヤフラム１０の上面に配置された状態と、図２に示すようにダイヤフラム１０の上面側においてダイヤフラム１０に埋め込まれた状態とを含む。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ダイヤフラム１０上において、応力変化領域に位置する。ここで、応力変化領域とは、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、ダイヤフラム１０の変形に伴い応力が大きく変化する領域である。応力変化領域は、例えば、ダイヤフラム１０において感応膜２０の外縁２１が配置される領域及び該領域の近辺を含む。外縁２１は、ダイヤフラム１０における縁１２の近辺に配置される。応力変化領域は、後述する図３において、一例として領域Ｄとして示されている。本実施形態では、図１に示すように、４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３は、上面視において感応膜２０の外縁２１が配置される、ダイヤフラム１０上の領域に等間隔に配置されている。なお、応力変化領域は、例えば、感応膜２０の外縁２１から±２０μｍ以下の範囲であればよい。
【００１８】
また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。応力センサ１は、ピエゾ抵抗素子４０〜４３で構成されたホイートストンブリッジ回路から、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、検出対象となる物質の感応膜２０への吸着を検出できる。なお、ホイートストンブリッジ回路は、必ずしも４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３の全てを用いて構成する必要はなく、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いて構成してもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の何れか１個、２個又は３個を用いてホイートストンブリッジ回路を構成する際には、応力センサ１は、ホイートストンブリッジ回路に用いられる個数のピエゾ抵抗素子を、ダイヤフラム１０上に備えるようにしてもよい。
【００１９】
なお、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１に示す例では、上面視において感応膜２０の外縁２１に位置しているが、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は応力変化領域に位置していればよい。従って、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、感応膜２０の外縁２１の内側又は外側に外縁２１に沿って位置していてもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、図１及び図２では、ダイヤフラム１０の上面側に位置しているが、ダイヤフラム１０の内部又は下面側に位置していてもよい。また、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば、帯状である。
【００２０】
また、本実施形態では、応力センサ１は４個のピエゾ抵抗素子４０〜４３を備えるが、応力センサ１が備えるピエゾ抵抗素子の個数は４個に限られない。応力センサ１は、検出対象となる物質を検出可能な任意の個数のピエゾ抵抗素子を備えていればよい。
【００２１】
また、ダイヤフラム１０に生じる応力を検出する検出部として、ピエゾ抵抗素子の代わりに、他の圧電素子が用いられてもよい。
【００２２】
次に、感応膜２０とダイヤフラム１０に生じる応力との関係について、図３を参照して説明する。図３は、ガス分子２が感応膜２０に吸着された際の図２に示す範囲Ａの拡大図である。なお、ガス分子２は、応力センサ１を用いて検出する対象のガス分子を模式的に示すものである。
【００２３】
図３に示すように、ガス分子２が感応膜２０に吸着されると、感応膜２０が変形する。感応膜２０の変形に伴い、ダイヤフラム１０において感応膜２０が配置された領域も変形する。一方、ダイヤフラム１０における感応膜２０が配置されていない領域は、感応膜２０による変形が生じにくい。このように、外縁２１を境にして感応膜２０が配置されており、その影響を受けやすい領域（図３の領域Ｂ）と感応膜２０が配置されていず、その影響を受けにくい領域（図３の領域Ｃ）とが形成される。
【００２４】
さらに、感応膜２０における外縁２１の近辺を除く中央領域（図３の領域Ｅ）は貫通領域１１を覆って配置されている。感応膜２０がダイヤフラム１０上に形成された場合、感応膜２０に物質が吸着されると、感応膜２０が変形しようとすると同時に、感応膜２０に接触しているダイヤフラム１０によってその変形を妨げる作用が働く。それに対し、貫通領域１１を覆う感応膜２０の領域には変形を妨げる作用は働かない。従って、貫通領域１１を覆うように配置されている感応膜２０の中央領域は、ダイヤフラム１０上に配置されている場合と比較して変形の度合いがより大きくなる。
【００２５】
具体的には、ダイヤフラム１０の領域Ｂは、感応膜２０の中心側が上側に盛り上がった凸形状に変形する。特に、領域Ｂ内の領域Ｅにおいては、上述のように変形の度合いが大きいため、領域Ｂは全体としてより大きく変形する。一方、ダイヤフラム１０の領域Ｃは、感応膜２０の変形の影響をあまり受けないため、変形しにくく、例えばｘｙ平面に対してほぼ平行なままである。このとき、領域Ｃと領域Ｂとの境界付近に存在する領域Ｄでは、図３に示すように、ダイヤフラム１０が大きく変形する。そのため、領域Ｄでは、ダイヤフラム１０の変形の度合いが大きくなり、当該箇所に生じる応力が大きくなる。そして、このように大きな応力が生じやすい領域Ｄにピエゾ抵抗素子４０〜４３が配置されているため、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際におけるピエゾ抵抗素子４０〜４３の変形も大きくなる。そのため、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値も、大きく変化しやすくなる。
【００２６】
以上のように、第１の実施形態に係る応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、感応膜２０に貫通領域１１を覆う領域があるため、感応膜２０の全ての領域がダイヤフラム１０上に形成された場合と比較して、感応膜２０の変形の度合いがより大きくなる。このように、貫通領域１１を覆う部分の感応膜２０が大きく変化することにより、応力変化領域に生じる応力もより大きくなる。従って、応力変化領域である、感応膜２０の外縁２１の近辺に位置するピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値の変化もより大きくなる。これにより、応力センサ１では、検出対象となる物質が感応膜２０に吸着された際に、ダイヤフラム１０に生じる応力の検出能力を向上させることができる。そのため、応力センサ１では、検出対象となる物質の検出能力を向上させることができる。従って、応力センサ１によれば、検出能力を向上できる。
【００２７】
貫通領域１１の内面１３は、テーパー状であってもよい。具体的には、図２に示すように、貫通領域１１の内面１３が、上下方向に対して傾斜面となっている。この場合、貫通領域１１の縁部の厚みを小さくすることができる、その結果、ダイヤフラム１０を変形しやすくすることができる。
【００２８】
貫通領域１１の内面１３がテーパー状の場合には、ダイヤフラム１０の下面から上面に向かって内側に傾いていてもよい。その結果、ダイヤフラム１０の上面の面積を確保することができる。したがって、貫通領域１１の内面１３をテーパー状にしても、感応膜２０を効果的に支持することができる。
【００２９】
貫通領域１１の内面１３がテーパー状の場合には、感応膜２０の外縁２１は貫通領域１１の内面１３よりも外側に位置していてもよい。すなわち、図２に示すように、感応膜２０の外縁２１は、貫通領域１１の内面１３とダイヤフラム１０の下面との交点よりも、外側に位置していてもよい。その結果、感応膜２０が変形したときに、ダイヤフラム１０が欠けることを低減することができる。
【００３０】
（変形例１）
次に、本実施形態に係る応力センサ１の変形例１について説明する。
【００３１】
図４は、本発明の実施形態に係る応力センサ１の変形例１（応力センサ１ａ）を示す上面図である。なお、図４に示す各構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
応力センサ１ａは、貫通領域１１ａを有するダイヤフラム１０ａと、感応膜２０ａと、ピエゾ抵抗素子（検出部）４０，４１，４２，４３とを備える。貫通領域１１ａ及び感応膜２０ａは、図４に示すように、上面側から見ると矩形状である。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、本実施形態における応力センサ１と同様に、応力変化領域に配置されている。
【００３３】
このような応力センサ１ａであっても、第１の実施形態に係る応力センサ１と同様の効果を得ることができる。なお、貫通領域１１ａ及び感応膜２０ａは、円形状及び矩形状以外にも、他の任意の形状とすることができる。
【００３４】
なお、この場合には、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、感応膜２０ａの外縁２１ａの角部の領域に位置していてもよい。
【００３５】
（変形例２）
図５は、本発明の実施形態に係る応力センサ１の変形例２（応力センサ１ｂ）を示す上面図である。なお、図５に示す各構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３６】
応力センサ１ｂは、貫通領域１１ｂを有するダイヤフラム１０ｂを備える。貫通領域１１ｂは、図５に示すように、複数の貫通孔を有している。言い換えれば、貫通領域１１ｂは、上面側から見ると、網目状である。その結果、ダイヤフラム１０ｂの強度を向上させることができる。
【００３７】
（本実施形態に係る応力センサの製造工程）
次に、本発明の実施形態に係る応力センサの製造工程の一例について、図６〜図１３を参照して説明する。なお、図６〜図１３に示す各構成要素において、同一の構成要素には同一符号を付す。
【００３８】
（１）ＳＯＩ基板の準備
まず、応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板を準備する。図６に、本発明の実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構造を示す。図６に示すように、ＳＯＩ基板１００は、第１基板１１０と、ＳｉＯ２層１１１と、第２基板１１２とを備える。第１基板１１０及び第２基板１１２は、Ｓｉ基板である。第１基板１１０は、ダイヤフラムとして機能させるものであり、第２基板１１２よりも薄い。ＳＯＩ基板１００では、第２基板１１２上にＳｉＯ２層１１１が配置され、ＳｉＯ２層１１１上に第１基板１１０が配置されている。ＳＯＩ基板１００は、例えばいわゆる貼り合わせ法によって製造される。なお、以下では、第１基板１１０はｎ型であるとする。
【００３９】
（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図６に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図７に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２００を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２００の開口部に高濃度のボロン（Ｂ）を注入し、拡散配線４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂを形成する。
【００４０】
（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図７に示すマスクパターン２００を除去した後、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。図８に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２０１を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２０１の開口部に低濃度のボロン（Ｂ）を注入し、ピエゾ抵抗素子４０〜４３を形成する。
【００４１】
（４）金属配線の形成
図８に示すマスクパターン２０１を除去し、図９（ａ）に示すように、所定のパターンの絶縁層３１０ａ，３１０ｂを積層した後、アルミニウム等の金属配線を形成する。図９（ａ）に示すように、第１基板１１０上の全面にスパッタによって金属（例えばアルミニウム）を堆積させ、金属層３００（例えばアルミニウム層）を形成する。次に、図９（ｂ）に示すように、金属層３００上にマスクパターン２０２を形成する。その後、図９（ｃ）に示すように、マスクパターン２０２により保護されていない金属層３００をエッチングすることにより、金属配線３００ａ，３００ｂを形成する。金属配線３００ａ等及び拡散配線４１ａ等による接続によって、ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、ホイートストンブリッジ回路を構成する。
【００４２】
（５）ダイヤフラムの形成
ＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、ダイヤフラムを形成する。図１０（ａ）に示すように、第２基板１１２上にマスクパターン２０４を形成した後、マスクパターン２０４により保護されていない第２基板１１２を、ドライエッチングして凹部４００を形成する。このとき、ＳｉＯ２層１１１がストップ層の役割を果たすように、予めドライエッチングの条件を設定する。その後、ドライエッチングの条件を変更し、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層１１１を除去してダイヤフラム１０Ａを形成する。なお、本実施形態において多様なダイヤフラムについて説明したが、図１０（ｂ）では、ダイヤフラム１０Ａと表記している。
【００４３】
（６）感応膜の形成
図１０（ｂ）に示すマスクパターン２０４を除去し、さらにＳＯＩ基板１００の上下を反転させた後、感応膜２０Ａを形成する。図１１に示すように、感応膜２０Ａの外縁２１Ａがピエゾ抵抗素子４０〜４３が配置された位置となるように感応膜２０Ａを形成する。なお、本実施形態において多様な感応膜について説明したが、図１１では、感応膜２０Ａと表記している。
【００４４】
（７）貫通領域の形成
図１１に示す感応膜２０Ａを形成した後、ピエゾ抵抗素子の近辺であって、感応膜２０Ａによって覆われる位置に貫通領域１１Ａを形成する。まず、ＳＯＩ基板１００を再度上下に反転させた後、ＳｉＯ２層１１１を除去する。その後、図１２に示すように、第１基板１１０上にマスクパターン２０３を形成する。次いで、図１３に示すように、マスクパターン２０３を介したウェットエッチングにより貫通領域１１Ａを形成した後、マスクパターン２０３を除去する。なお、この際、感応膜２０Ａがエッチングされないように、予めエッチングの条件を設定する。なお、本実施形態において多様なダイヤフラムについて説明したが、図１３では、貫通領域１１Ａと表記している。なお、本工程において、第２基板１１２を保護するために、第２基板１１２上にマスクパターン２０３を配置してもよい。
【００４５】
そして、図１３に示すＳＯＩ基板１００を反転することによって、図１４に示すような応力センサ１を製造することができる。
【００４６】
なお、ここでは第１基板１１０がｎ型であるとして説明したが、例えば第１基板１１０がｐ型である場合には、上記（２）拡散配線（高ドープ層）の形成及び（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成において、ボロン（Ｂ）に替えてリン（Ｐ）を注入する。
【００４７】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１，１ａ，１ｂ  応力センサ
２  ガス分子
１０，１０Ａ，１０ａ，１０ｂ  ダイヤフラム
１１，１１Ａ，１１ａ，１１ｂ  貫通領域
１２，１２ａ  縁
１３  内面
２０，２０Ａ，２０ａ  感応膜
２１，２１Ａ，２１ａ  外縁
４０，４１，４２，４３  ピエゾ抵抗素子（検出部）
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ  拡散配線
１００  ＳＯＩ基板
１１０  第１基板
１１１  ＳｉＯ２層
１１２  第２基板
２００，２０１，２０２，２０３，２０４  マスクパターン
３００  金属層
３００ａ，３００ｂ  金属配線
３１０ａ，３１０ｂ  絶縁層
４００  凹部
【図１】
2017181433.tif 000003
【図２】
2017181433.tif 000004
【図３】
2017181433.tif 000005
【図４】
2017181433.tif 000006
【図５】
2017181433.tif 000007
【図６】
2017181433.tif 000008
【図７】
2017181433.tif 000009
【図８】
2017181433.tif 000010
【図９】
2017181433.tif 000011
【図１０】
2017181433.tif 000012
【図１１】
2017181433.tif 000013
【図１２】
2017181433.tif 000014
【図１３】
2017181433.tif 000015
【図１４】
2017181433.tif 000016