(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、ダイヤフラム１０と、ダイヤフラム１０の面上に配置され、表面に凹凸形状を有する感応膜２０と、ダイヤフラム１０において、感応膜２０の外縁２１が配置された位置に配置される検出部４０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置され、表面に凹凸形状を有する感応膜と、
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た位置に配置される検出部と、を備える応力センサ。
【請求項２】
前記感応膜が配置される前記ダイヤフラムの面上は凹凸形状を有する、請求項１に記載の応力センサ。
【請求項３】
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又は２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、
ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの面上に配置され、表面に凹凸形状を有する感応膜と、
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た位置に配置される検出部と、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】図１に示す感応膜の表面の凹凸形状を説明するための上面図である。
【図４】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５】本発明の実施形態に係る応力センサの製造に用いるＳＯＩ基板の概略構成を示す断面図である。
【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。
【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、拡散又は吸収等によって、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】
（実施形態）
図１は、本発明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、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が流体中の特定の物質を吸着することにより、流体中の物質を検出する。本実施形態に係る応力センサ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、上面視におい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】
感応膜２０は、本実施形態では、上面視において円形状である。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、収縮又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。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。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。
【００１４】
また、図２に示すように、感応膜２０の、少なくともダイヤフラム１０に接していない側の面（以降、「上面」という）は凹凸形状を有する。本実施形態では、感応膜２０の上面及び下面のいずれもが凹凸形状を有しているとして説明する。凹凸形状は、例えば、円錐形状部が配列されているものであってもよい。また、凹凸形状は、図３に示すように同心円状に凹部（図３の破線）と凸部（図３の一点鎖線）とが交互に配列されているものであってよい。このような凹凸形状を有するため、感応膜２０の上面の表面積は、感応膜２０が平坦である場合の上面の表面積より大きい。なお、感応膜２０の上面の凹凸形状において、凹部は、感応膜２０に吸着等する分子等よりも大きく設定されている。また、感応膜２０の上面の形状は、上記の例に限られるものでなく、感応膜２０の上面が平面である場合に比べて、表面積が大きい任意の形状であればよい。上面の凹凸形状は、規則的に配列された形状でなくてもよい。
【００１５】
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に生じる応力が、感応膜２０の外縁２１の近辺で大きくなる。この原理の詳細については、後述する。
【００１６】
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である場合には、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、感応膜２０の変形に伴うダイヤフラム１０の変形によって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、感応膜２０の外縁２１及び外縁２１の近辺が位置するダイヤフラム１０上の領域を含む。応力変化領域は、後述する図４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。ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、例えば、帯状である。
【００１７】
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。
【００１８】
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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
次に、感応膜２０の凹凸形状とダイヤフラム１０に生じる応力との関係について、図４を参照して説明する。図４（ａ）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。
【００２２】
図４（ａ）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、ダイヤフラム１０における外縁２１が配置される位置を基準に内側（図４（ａ）の領域Ｂ）と外側（図４（ａ）の領域Ｃ）とで、感応膜２０の影響を受けやすい領域Ｂと受けにくい領域Ｃとが形成される。
【００２３】
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。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Ｂと領域Ｃとの境界付近に存在する領域Ｄでは、図４（ａ）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。
【００２４】
さらに、本実施形態の感応膜２０は表面に凹凸形状を有するため、図４（ｂ）に示すような凹凸形状を有さない感応膜２０ａと比較して表面積が大きい。そのため、吸着されるガス分子２の数が多い。従って、感応膜２０が変化する度合も大きく、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の抵抗値は変化しやすい。
【００２５】
以上のように、本実施形態に係る応力センサ１では、検出対象となる物質の、感応膜２０に吸着される量が増加するため、応力変化領域におけるダイヤフラム１０の変形の度合いが、感応膜２０が表面に凹凸形状を有さない場合と比較して、より大きくなる。そのため、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が配置される位置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。
【００２６】
ダイヤフラム１０の上面は、図２及び図４に示すように、凹凸形状を有していてもよい。言い換えれば、ダイヤフラム１０の上面は、凹凸形状の第１領域１０１を有していてもよい。その結果、ダイヤフラム１０と感応膜２０との接触面積が大きくなるため、感応膜２０の剥離を低減することができる。
【００２７】
なお、本実施形態において、ダイヤフラム１０の表面粗さ（Ｒａ）は、感応膜２０の表面粗さ（Ｒａ）よりも大きい。ダイヤフラム１０の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば、１μｍ以上３μｍ以下に設定される。また、感応膜の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば、ダイヤフラム１０の表面粗さ（Ｒａ）の９０％以下に設定される。
【００２８】
ピエゾ抵抗素子４０〜４３は、第１領域１０１よりも外側に位置していてもよい。その結果、ピエゾ抵抗素子４０〜４３が断線することを低減することができる。すなわち、ピエゾ抵抗素子４０〜４３の導通を確保することができる。
【００２９】
ダイヤフラム１０の第１領域１０１は、感応膜２０よりも大きくてもよい。この場合、第１領域１０１の外縁は、感応膜２０の外縁２１よりも外側に位置している。また、ダイヤフラム１０の第１領域１０１は、感応膜２０よりも小さくてもよい。この場合、第１領域１０１の外縁は、感応膜２０の外縁２１よりも内側に位置している。
【００３０】
また、感応膜２０の上面のうち中央部のみ凹凸形状であってもよいし、感応膜２０の上面の全てが凹凸形状であってもよい。
【００３１】
第１領域１０１の凹凸形状は、感応膜２０の形状に相似形の、同心形状であってもよい。具体的には、凹部として、感応膜２０の外縁２１に沿った複数の溝を有していてもよい。その結果、例えば感応膜２０の膨張によって外縁２１が拡大するときに、第１領域１０１の凹凸形状が外縁２１の拡大方向に垂直又は垂直に近い状態で位置するため、感応膜２０の変形による力を受けやすくなる。その結果、ダイヤフラム１０が変形しやすくなる。
【００３２】
なお、感応膜２０の上面視における形状は、円形状以外にも、他の任意の形状とすることができる。
【００３３】
（本実施形態に係る応力センサの製造工程）
次に、本発明の本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５〜図１１を参照して説明する。なお、図５〜図１１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。
【００３４】
（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５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５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。
【００３５】
（２）拡散配線（高ドープ層）の形成
次に、図５に示すＳＯＩ基板１００に、拡散配線を形成する。図６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。
【００３６】
（３）ピエゾ抵抗素子（低ドープ層）の形成
図６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７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。
【００３７】
（４）金属配線の形成
図７に示すマスクパターン２０１を除去し、図８（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。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８（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８（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。
【００３８】
（５）凹凸形状の形成
図８に示す金属配線を形成し、マスクパターン２０２を除去した後、第１基板１１０の表面に凹凸形状を形成する。図９（ａ）に示すように、第１基板１１０に形成した拡散配線４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ、及びピエゾ抵抗素子４０〜４３の上にマスクパターン２０３を形成する。次に、研磨材を圧縮空気に混ぜて吹き付けるサンドブラストによって、図９（ｂ）に示すようにマスクパターン２０３により保護されていない第１基板１１０の表面を粗化処理する。その結果。第１基板１１０の表面を凹凸形状に加工することができる。
【００３９】
（６）ダイヤフラムの形成
図９（ｂ）に示すマスクパターン２０３を除去し、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１０を形成する。
【００４０】
（７）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２０を形成する。図１１に示すように、感応膜材料をダイヤフラム１０上に塗布し、乾燥させると、ダイヤフラム１０における凹凸形状に沿って感応膜２０の表面は凹凸形状となる。
【００４１】
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。
【００４２】
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】
【００４３】
１  応力センサ
２  ガス分子
１０  ダイヤフラム
２０  感応膜
２１  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
１０１  第１領域
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】
2017181435.tif 000003
【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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