磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー
第１基板上に複数の環状電極が直列連結されるコイル部が形成され、第１基板と一定距離で平行に対向する第２基板上に環状電極と一対一対応する磁歪物質薄膜が形成され、コイル部と磁歪物質薄膜とがインダクターを構成し、外部の圧力によって磁歪物質薄膜の透磁率変化を誘導させてコイル部のインダクタンスを変化させるインダクターアレイ部と、インダクターアレイ部とＬＣ共振回路とを構成し、インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタと、を備える磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーである。これにより、本発明は、既存の圧抵抗型または静電容量型センサーに比べてさらに敏感であるので、解像度が優秀であり、半導体工程と互換可能なＭＥＭＳ工程技術を利用して製作されるので、小型化及び大量一括工程が可能であるので、生産コストが減らせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサーに係り、さらに詳細には、磁歪物質をコアとして外部で作用する圧力によって透磁率が大きく変化する磁歪効果を利用する可変インダクタンス型の圧力センサーを、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して形成した圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体圧力センサーは、最近に実用化された圧力センサーであって、圧力を加える場合の特性曲線と加圧した状態から圧力を減少する場合の特性曲線とが相異なる現象、すなわち、ヒステリシス現象が無く、かつ直線性に優れ、小型・軽量であるので、振動にも非常に強いことが特徴である。また、半導体圧力センサーは、機械式より高感度・高信頼性であり、量産性に優れる。
【０００３】
ＭＥＭＳ工程技術を利用したマイクロ圧力センサーとしては、圧抵抗効果を利用した圧抵抗型センサー、加圧による薄膜の挙動によるキャパシタンスの変化を測定する静電容量型センサー、及びビームの共振周波数の変化を測定する振動型センサーが代表的である。
【０００４】
圧抵抗型圧力センサーは、シリコンウェーハのダイアフラム上にブリッジ形態に構成された拡散抵抗を利用して抵抗成分の変化量を感知した後に、この抵抗成分の変化量を信号検出部を通じて検出する方式で圧力が測定されるセンサーである。このような圧抵抗型圧力センサーは、最も普遍的に使われるセンサーであるが、温度によるピエゾ物質の敏感度のため、センサー製作時にホイートストンブリッジ形態の方法を取るなど、付加的な回路構成を必要とし、遠隔測定に容易でない。
【０００５】
静電容量型圧力センサーは、相互対向している電極板の間隔が外部からの応力によって変化して電極間の静電容量が変化すれば、この変化を電気信号に変換させて応力を検出するセンサーである。このような静電容量型圧力センサーは、温度による敏感度が低く、ＭＥＭＳ技術で製作可能であり、低い圧力変化にも作動するので、精密計測が要求される所で多く使われているが、センサーの感度を表すＦＯＭ（Ｆｉｇｕｒｅ Ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）が小さくて、作動領域（Ｓｐａｎ領域）が狭帯域であり、圧抵抗型センサーより、製造工程が容易ではない。
【０００６】
また、圧抵抗型や静電容量型圧力センサーを高周波（ＵＨＦ帯域以上）帯域で使用する場合に、周波数が高まるにつれて、半導体（Ｓｉ系列）の抵抗成分及び高周波寄生成分の影響が大きくなるので、特別の構造または特別の高周波帯域で使用しうる物質／構造を考案せねばならず、現在使用のために発売された高周波用圧力センサーは、ほとんどない現実である。
【０００７】
インダクタンスの変化を利用して圧力を測定する方法は、去る１０余年間進められてきたが、センサー自体に対する結果よりは、ＲＦタグと関連した応用として発展しており、一般的に、コイルの形態は、マイクロセンサーに適用するのに過度に大きいか、たとえＭＥＭＳ構造で製作しうるとしても、非常に難しい工程を行わねばならないので、実用性が低かった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題を解決するための本発明の目的は、高周波適用に適しており、ＭＥＭＳ工程と互換可能でありつつ、ＦＯＭ（センサーの感度）が高くて、精密な計測の可能なインダクター型圧力センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するための本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、第１基板上に複数の環状電極が直列連結されるコイル部が形成され、前記第１基板と一定距離で平行に対向する第２基板上に前記環状電極と一対一対応する磁歪物質薄膜が形成されて前記コイル部と前記磁歪物質薄膜とがインダクターを構成し、外部の圧力によって前記磁歪物質薄膜の透磁率変化を誘導させて前記コイル部のインダクタンスを変化させるインダクターアレイ部と、前記インダクターアレイ部とＬＣ共振回路とを構成して前記インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタ部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、既存の圧抵抗型または静電容量型センサーに比べてさらに敏感であるので、解像度が優秀であり、半導体工程と互換可能なＭＥＭＳ工程技術を利用して製作されるので、小型化及び大量一括工程が可能であるので、生産コストを減らせる。また、本発明の圧力センサーは、電源が必要なく、無電源状態で圧力を計測できる無電源／無線センサーを作りうるので、人体挿入型あるいはリアルタイム状態診断システムとして活用する可能性が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例をさらに詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーの構成を示す平面図である。
【００１３】
本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、ＬＣ共振回路を構成するインダクターアレイ部１００とキャパシタ部２００とを備える。
【００１４】
インダクターアレイ部１００は、外部から加えられる圧力によって磁歪物質薄膜の変形を誘導して、磁歪物質薄膜の透磁率を可変させることによってセンサーのインダクタンスを変化させる。このようなインダクターアレイ部１００は、ガラス基板上に直列連結されるように形成される複数のコイル様環状電極１１０及びガラス基板と一定間隔で平行に対向する誘電体薄膜上に、コイル様環状電極１１０と一対一対応するように環状電極１１０の中心部に形成される複数の磁歪物質薄膜１２０がそれぞれ一つずつ対をなす複数の単位セル１３０を備える。すなわち、インダクターアレイ部１００は、磁歪物質をコアとするソレノイドをＭＥＭＳ工程技術を利用して具現するために、同じ基板上に複数の環状電極を形成した後、これらを電気的に直列連結させてインダクターのコイル部を形成する。そして、各環状電極１１０の中央部に対応するように磁歪物質薄膜１２０を形成することによって、図２のように磁歪物質をコアとする複数のソレノイドが直列連結されたインダクターネットワークと等価の回路を構成する。このとき、磁歪物質としては、非晶質及び単結晶合金が使われる。
【００１５】
キャパシタ部２００は、インダクターアレイ部１００で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存し、インダクターアレイ部１００で直列連結された環状電極１１０のうち、両端の環状電極と連結されて、インダクターアレイ部１００と共にＬＣタンク（ＴＡＮＫ）回路（ＬＣ共振回路）を形成する。
【００１６】
外部の圧力によってインダクターアレイ部１００のコイル部（１次側コイル）で発生したエネルギー変化は、相互インダクタンス作用によって外部計測装置（図示せず）のインダクター（２次側コイル）に伝えられ、外部計測装置（図示せず）で２次コイルを通じて計測されたインダクタンスの変化を計算することによって、インダクターアレイ部１００に加えられた圧力に対する無電源／無線の遠隔測定が可能になる。
【００１７】
図３は、図１のセンサーをＡ−Ａ’方向に切断した断面図であって、インダクターアレイ部１００の構成をさらに詳細に示す。
【００１８】
インダクターアレイ部１００は、ハウジング４００の内部に下部基板１４０と上部基板１５０とが一定間隔をおいて平行に形成され、上部基板１５０に対向する下部基板１４０の上面上には、環状電極１１０が形成される。このとき、環状電極１１０は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）からなり、電気メッキまたはその他の厚膜金属形成過程を通じて形成される。そして、下部基板１４０としては、パイレックス（登録商標）または石英ガラスが使われる。
【００１９】
下部基板１４０の下面上には、外部の振動を吸収し、センサーをハウジング４００に接着させるための支持基板１７０が形成される。このような、支持基板１７０は、ソフトポリマーで形成される。
【００２０】
下部基板１４０の上面に対向する上部基板１５０の下面には、各環状電極１１０と一対一対応するように磁歪物質薄膜１２０が形成されて単位セル１３０を形成する。このような磁歪物質薄膜１２０は、インダクターアレイ部１００の各単位セル１３０に対するインダクターコアであって、非晶質の磁歪物質または単結晶合金形態の磁歪物質が金属膜蒸着技法によって上部基板１５０の下面に薄膜形態に形成される。
【００２１】
そして、上部基板１５０の上面には、外部から加えられる圧力を磁歪物質薄膜１２０に容易に伝達させるために、磁歪物質薄膜１２０と一対一対応するように圧力導入溝１８０が形成される。このような上部基板１５０としては、誘電体薄膜が使われる。
【００２２】
また、外部から加えられる圧力によって誘電体薄膜が変形される時に、下部基板１４０の環状電極１１０と上部基板１５０の磁歪物質薄膜１２０とを接触させないために、下部基板１４０と上部基板１５０とは、スペーサ１６０によって一定間隔離隔されるように維持される。このようなスペーサ１６０によって形成された空間は、基準圧力チャンバの役割も行う。このようなスペーサ１６０は、シリコンのような物質で形成される。
【００２３】
そして、外部の圧力が印加されるセンサーの上面は、外部物質との直接接触を遮断するためのシリコンゴムからなるダイアフラム３００が形成され、センサーの上面を除外した他の表面を保護し、センサーとダイアフラム３００とを固定させるためのハウジング４００が下部基板１４０及び上部基板１５０の側面を覆い包むように形成される。
【００２４】
図４ないし図１１は、図３のインダクターアレイ部１００の製造工程を示す断面図であって、一つの単位セルについての製造工程を表す。
【００２５】
まず、シリコンウェーハにＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎｘのようなシリコンエッチマスクをエッチマスクとしての役割を行えるほど十分な厚さに成長または蒸着させた後、図４のように圧力導入溝１８０を形成しようとする領域が厚さｔほどのダイヤグラムで形成されるように湿式エッチングを行うことによって上部基板１５０を形成する。
【００２６】
次いで、圧力導入溝１８０に対応する上部基板１５０の下面（図５では、上面）に磁歪物質を真空蒸着した後に、蒸着された磁歪物質薄膜をエッチングして図５のように上部基板１５０上に磁歪物質薄膜１２０を形成する。
【００２７】
次いで、磁歪物質薄膜１２０が形成された上部基板１５０と別途に、図６のように、パイレックス（登録商標）または石英ガラス１４０にメタルシード層１４２を蒸着した後、メタルシード層１４２上に厚膜フォトレジスト（ＰＲ）１４４をコイル状にパターニングする。そして、パターニングされた形態によって金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）を電気メッキして環状電極１１０を形成した後、図７のように厚膜ＰＲ １４４を除去する。
【００２８】
次いで、メタルシード層１４２で環状電極１１０とガラス基板１４０との間の部分を除外した残りの部分に対して、図８のようにエッチング処理を行う。このとき、環状電極１１０とメタルシード層１４２との間には、メタルシードエッチング溶液に対して選択度をＥＲｃｏｉｌ：ＥＲｓｅｅｄ＝１：１０以上にする。ここで、ＥＲは、エッチング率を表す。
【００２９】
次いで、図９のようにシリコンで形成したスペーサ１６０を陽極接合を通じてガラス基板１４０上に形成する。
【００３０】
次いで、図１０のように磁歪物質薄膜１２０が環状電極１１０の中心部に対応するように、スペーサ１６０の他の面に図５の上部基板１５０を接合させる。このとき、接合方法としては、溶解接合、共融接合、有機接合などを使用しうる。
【００３１】
次いで、射出成形を通じて形成されたハウジング４００の内部底面をエポキシ１７０で塗布した後に、センサーをハウジング４００に載置させる。次いで、図１１のように、素子の上面をシリコンゴムのような保護膜で塗布する。
【００３２】
前述した構成を有する本発明による可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーの動作を簡略に説明すれば、次の通りである。
【００３３】
ＡＣ条件下で、磁歪物質の印加応力に対する透磁率の微分方程式は、数式１及び２のように表せる。
【数１】
【数２】
ここで、λ：磁歪定数
Ｋ：異方性定数
Ｍ：磁気モーメント
σ：印加された応力
μＡＣ：ＡＣ状態での透磁率
【００３４】
数式１及び２を通じて、磁歪物質に応力が印加されれば、透磁率が変化されることが分かり、この変化は、インダクタンスの変化を誘導する。したがって、インダクタンスの変化を測定することによって、磁歪物質に印加される圧力を演算しうる。
【００３５】
すなわち、図１２のように、磁歪物質をコアとするソレノイドのインダクタンスは、数式３と同じであり、ソレノイドコアの面（Ａ）方向に圧縮応力が作用すれば、磁歪物質に対する透磁率と応力との関係を表す数式１を数式３に代入することによって、その変化を計算しうる。
【数３】
ここで、Ｌ：インダクタンス
μ０：自由空間での透磁率
μｒ：ソレノイドコアの相対透磁率
Ｎ：ソレノイド導線の巻数
Ａ：ソレノイドの断面積
ｌ：ソレノイドの長さ
【数４】
【００３６】
このような原理によって、ダイアフラム３００に圧力が加えられれば、ダイアフラム３００が反りつつ、その圧力が圧力導入溝１８０を通じて誘電体薄膜１５０に伝えられて誘電体薄膜１５０が変形される。
【００３７】
図１３は、図１のインダクターアレイ部１００で一つの単位セルに圧力が印加される形態を示す図面であって、圧力によって誘電体薄膜１５０が変形され、この変形によって発生した応力によって誘電体薄膜１５０上に蒸着された磁歪物質薄膜１２０に応力が印加される。これにより、磁歪物質薄膜１２０は、変形を起こし、この変形によって磁歪物質薄膜１２０の相対透磁率が変わる。
【００３８】
そして、ソレノイドコアである磁歪物質薄膜１２０の相対透磁率が変われば、数式４のようにインダクターアレイ部１００のインダクタンスが変化する。
【００３９】
インダクターアレイ部１００を１次側インダクターとし、外部計測装置（図示せず）のインダクターを２次側インダクターとする時に、インダクターアレイ部１００のインダクタンス変化による１次側インダクターのエネルギー変化は、相互インダクタンス作用によって２次側インダクターに伝えられる。
【００４０】
図１４は、相互インダクタンスを利用した無線遠隔測定の原理を示す回路図であって、図１３のような単位セルに対して図１４のような回路の原理を適用しても、一般的に使われる数式は、何れも同一に使用しうる。
【００４１】
すなわち、共振周波数ω０で１次側入力インピーダンスは、数式５の通りであり、ここで、１次側インダクターと２次側インダクターとの間の相互インダクタンスＭは、数式６の通りである。
【数５】
Ｒｐ：１次側の抵抗（寄生的）
Ｌｐ：１次側のインダクタンス
Ｒｓ：２次側の抵抗（寄生的）
Ｌｓ：２次側のインダクタンス
Ｃｓ：２次側のキャパシタンス（センサー）
Ｍ：相互インダクタンス
Ｋ：カップリング係数
ω０：共振周波数
【数６】
ここで、ｋは、二インダクター間のカップリング係数であり、数式７のように表現される。
【数７】
ここで、ｚ：二つのインダクター間の距離
ｒｐ：２次側インダクター（コイル）の半径
ｒｓ：１次側インダクター（コイル）の半径
【００４２】
外部計測装置では、数式５のように入力インピーダンスを計算してエネルギー変化量を計算することによって、センサーに加えられた圧力を無線で計測しうる。
【００４３】
数式５ないし数式７を参照すれば、最大エネルギーが１次側インダクター１００から２次側インダクターに伝えられて初めて数式５の２次側インピーダンスに大きい変化を見せるが、このような最大エネルギーが伝えられる条件は、共振周波数ｆ０が発生する場合である。
【００４４】
そして、各単位セルで圧力導入溝１８０は、数式８のように表せ、その時の品質係数Ｑｔａｎｋは、数式９の通りである。
【数８】
【数９】
【００４５】
したがって、圧力導入溝１８０を大きくして品質係数を向上させれば、高周波または無線センサーの適用に有利になる。
【００４６】
さらに、表１は、圧力導入部のサイズに対するパラメータの関係を表すものであって、表１のように、センサーの透磁率μｓが大きく、数個のインダクターが直列に連結されており、全体的なインダクタンスＬＳが大きくなる構造でインダクターアレイ部１００を構成すれば、従来のＭＥＭＳ ＬＣ共振型の圧力センサーに比べて非常に優秀な性能を奏すると予測される。
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、従来のピエゾ（圧電）抵抗型または静電容量型センサーに比べ高感度であるため、優れた解像度を有する。それに加え、この可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、半導体工程と互換可能なＭＥＭＳ加工技術を利用して製造されるため、小型化及び高密度実装を可能とし、生産コストを低減することができる。更に、この圧力センサーは、電源を使用しない無電力状態で圧力を計測できる無電源／無線センサーとすることができるので、植え込み型あるいはリアルタイム診断システムとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーの構成を示す平面図である。
【図２】図１の等価回路図である。
【図３】図１のセンサーをＡ−Ａ’方向に切断した断面図である。
【図４】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図５】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図６】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図７】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図８】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図９】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図１０】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図１１】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図１２】磁歪物質をコアとする一般的なソレノイドモデルである。
【図１３】図１のインダクターアレイ部で一つの単位セルに圧力が印加される形態を示す図面である。
【図１４】相互インダクタンスを利用した無線遠隔測定の原理を示す回路図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサーに係り、さらに詳細には、磁歪物質をコアとして外部で作用する圧力によって透磁率が大きく変化する磁歪効果を利用する可変インダクタンス型の圧力センサーを、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して形成した圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体圧力センサーは、最近に実用化された圧力センサーであって、圧力を加える場合の特性曲線と加圧した状態から圧力を減少する場合の特性曲線とが相異なる現象、すなわち、ヒステリシス現象が無く、かつ直線性に優れ、小型・軽量であるので、振動にも非常に強いことが特徴である。また、半導体圧力センサーは、機械式より高感度・高信頼性であり、量産性に優れる。
【０００３】
ＭＥＭＳ工程技術を利用したマイクロ圧力センサーとしては、圧抵抗効果を利用した圧抵抗型センサー、加圧による薄膜の挙動によるキャパシタンスの変化を測定する静電容量型センサー、及びビームの共振周波数の変化を測定する振動型センサーが代表的である。
【０００４】
圧抵抗型圧力センサーは、シリコンウェーハのダイアフラム上にブリッジ形態に構成された拡散抵抗を利用して抵抗成分の変化量を感知した後に、この抵抗成分の変化量を信号検出部を通じて検出する方式で圧力が測定されるセンサーである。このような圧抵抗型圧力センサーは、最も普遍的に使われるセンサーであるが、温度によるピエゾ物質の敏感度のため、センサー製作時にホイートストンブリッジ形態の方法を取るなど、付加的な回路構成を必要とし、遠隔測定に容易でない。
【０００５】
静電容量型圧力センサーは、相互対向している電極板の間隔が外部からの応力によって変化して電極間の静電容量が変化すれば、この変化を電気信号に変換させて応力を検出するセンサーである。このような静電容量型圧力センサーは、温度による敏感度が低く、ＭＥＭＳ技術で製作可能であり、低い圧力変化にも作動するので、精密計測が要求される所で多く使われているが、センサーの感度を表すＦＯＭ（Ｆｉｇｕｒｅ Ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）が小さくて、作動領域（Ｓｐａｎ領域）が狭帯域であり、圧抵抗型センサーより、製造工程が容易ではない。
【０００６】
また、圧抵抗型や静電容量型圧力センサーを高周波（ＵＨＦ帯域以上）帯域で使用する場合に、周波数が高まるにつれて、半導体（Ｓｉ系列）の抵抗成分及び高周波寄生成分の影響が大きくなるので、特別の構造または特別の高周波帯域で使用しうる物質／構造を考案せねばならず、現在使用のために発売された高周波用圧力センサーは、ほとんどない現実である。
【０００７】
インダクタンスの変化を利用して圧力を測定する方法は、去る１０余年間進められてきたが、センサー自体に対する結果よりは、ＲＦタグと関連した応用として発展しており、一般的に、コイルの形態は、マイクロセンサーに適用するのに過度に大きいか、たとえＭＥＭＳ構造で製作しうるとしても、非常に難しい工程を行わねばならないので、実用性が低かった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題を解決するための本発明の目的は、高周波適用に適しており、ＭＥＭＳ工程と互換可能でありつつ、ＦＯＭ（センサーの感度）が高くて、精密な計測の可能なインダクター型圧力センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するための本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、第１基板上に複数の環状電極が直列連結されるコイル部が形成され、前記第１基板と一定距離で平行に対向する第２基板上に前記環状電極と一対一対応する磁歪物質薄膜が形成されて前記コイル部と前記磁歪物質薄膜とがインダクターを構成し、外部の圧力によって前記磁歪物質薄膜の透磁率変化を誘導させて前記コイル部のインダクタンスを変化させるインダクターアレイ部と、前記インダクターアレイ部とＬＣ共振回路とを構成して前記インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタ部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、既存の圧抵抗型または静電容量型センサーに比べてさらに敏感であるので、解像度が優秀であり、半導体工程と互換可能なＭＥＭＳ工程技術を利用して製作されるので、小型化及び大量一括工程が可能であるので、生産コストを減らせる。また、本発明の圧力センサーは、電源が必要なく、無電源状態で圧力を計測できる無電源／無線センサーを作りうるので、人体挿入型あるいはリアルタイム状態診断システムとして活用する可能性が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例をさらに詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーの構成を示す平面図である。
【００１３】
本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、ＬＣ共振回路を構成するインダクターアレイ部１００とキャパシタ部２００とを備える。
【００１４】
インダクターアレイ部１００は、外部から加えられる圧力によって磁歪物質薄膜の変形を誘導して、磁歪物質薄膜の透磁率を可変させることによってセンサーのインダクタンスを変化させる。このようなインダクターアレイ部１００は、ガラス基板上に直列連結されるように形成される複数のコイル様環状電極１１０及びガラス基板と一定間隔で平行に対向する誘電体薄膜上に、コイル様環状電極１１０と一対一対応するように環状電極１１０の中心部に形成される複数の磁歪物質薄膜１２０がそれぞれ一つずつ対をなす複数の単位セル１３０を備える。すなわち、インダクターアレイ部１００は、磁歪物質をコアとするソレノイドをＭＥＭＳ工程技術を利用して具現するために、同じ基板上に複数の環状電極を形成した後、これらを電気的に直列連結させてインダクターのコイル部を形成する。そして、各環状電極１１０の中央部に対応するように磁歪物質薄膜１２０を形成することによって、図２のように磁歪物質をコアとする複数のソレノイドが直列連結されたインダクターネットワークと等価の回路を構成する。このとき、磁歪物質としては、非晶質及び単結晶合金が使われる。
【００１５】
キャパシタ部２００は、インダクターアレイ部１００で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存し、インダクターアレイ部１００で直列連結された環状電極１１０のうち、両端の環状電極と連結されて、インダクターアレイ部１００と共にＬＣタンク（ＴＡＮＫ）回路（ＬＣ共振回路）を形成する。
【００１６】
外部の圧力によってインダクターアレイ部１００のコイル部（１次側コイル）で発生したエネルギー変化は、相互インダクタンス作用によって外部計測装置（図示せず）のインダクター（２次側コイル）に伝えられ、外部計測装置（図示せず）で２次コイルを通じて計測されたインダクタンスの変化を計算することによって、インダクターアレイ部１００に加えられた圧力に対する無電源／無線の遠隔測定が可能になる。
【００１７】
図３は、図１のセンサーをＡ−Ａ’方向に切断した断面図であって、インダクターアレイ部１００の構成をさらに詳細に示す。
【００１８】
インダクターアレイ部１００は、ハウジング４００の内部に下部基板１４０と上部基板１５０とが一定間隔をおいて平行に形成され、上部基板１５０に対向する下部基板１４０の上面上には、環状電極１１０が形成される。このとき、環状電極１１０は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）からなり、電気メッキまたはその他の厚膜金属形成過程を通じて形成される。そして、下部基板１４０としては、パイレックス（登録商標）または石英ガラスが使われる。
【００１９】
下部基板１４０の下面上には、外部の振動を吸収し、センサーをハウジング４００に接着させるための支持基板１７０が形成される。このような、支持基板１７０は、ソフトポリマーで形成される。
【００２０】
下部基板１４０の上面に対向する上部基板１５０の下面には、各環状電極１１０と一対一対応するように磁歪物質薄膜１２０が形成されて単位セル１３０を形成する。このような磁歪物質薄膜１２０は、インダクターアレイ部１００の各単位セル１３０に対するインダクターコアであって、非晶質の磁歪物質または単結晶合金形態の磁歪物質が金属膜蒸着技法によって上部基板１５０の下面に薄膜形態に形成される。
【００２１】
そして、上部基板１５０の上面には、外部から加えられる圧力を磁歪物質薄膜１２０に容易に伝達させるために、磁歪物質薄膜１２０と一対一対応するように圧力導入溝１８０が形成される。このような上部基板１５０としては、誘電体薄膜が使われる。
【００２２】
また、外部から加えられる圧力によって誘電体薄膜が変形される時に、下部基板１４０の環状電極１１０と上部基板１５０の磁歪物質薄膜１２０とを接触させないために、下部基板１４０と上部基板１５０とは、スペーサ１６０によって一定間隔離隔されるように維持される。このようなスペーサ１６０によって形成された空間は、基準圧力チャンバの役割も行う。このようなスペーサ１６０は、シリコンのような物質で形成される。
【００２３】
そして、外部の圧力が印加されるセンサーの上面は、外部物質との直接接触を遮断するためのシリコンゴムからなるダイアフラム３００が形成され、センサーの上面を除外した他の表面を保護し、センサーとダイアフラム３００とを固定させるためのハウジング４００が下部基板１４０及び上部基板１５０の側面を覆い包むように形成される。
【００２４】
図４ないし図１１は、図３のインダクターアレイ部１００の製造工程を示す断面図であって、一つの単位セルについての製造工程を表す。
【００２５】
まず、シリコンウェーハにＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎｘのようなシリコンエッチマスクをエッチマスクとしての役割を行えるほど十分な厚さに成長または蒸着させた後、図４のように圧力導入溝１８０を形成しようとする領域が厚さｔほどのダイヤグラムで形成されるように湿式エッチングを行うことによって上部基板１５０を形成する。
【００２６】
次いで、圧力導入溝１８０に対応する上部基板１５０の下面（図５では、上面）に磁歪物質を真空蒸着した後に、蒸着された磁歪物質薄膜をエッチングして図５のように上部基板１５０上に磁歪物質薄膜１２０を形成する。
【００２７】
次いで、磁歪物質薄膜１２０が形成された上部基板１５０と別途に、図６のように、パイレックス（登録商標）または石英ガラス１４０にメタルシード層１４２を蒸着した後、メタルシード層１４２上に厚膜フォトレジスト（ＰＲ）１４４をコイル状にパターニングする。そして、パターニングされた形態によって金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）を電気メッキして環状電極１１０を形成した後、図７のように厚膜ＰＲ １４４を除去する。
【００２８】
次いで、メタルシード層１４２で環状電極１１０とガラス基板１４０との間の部分を除外した残りの部分に対して、図８のようにエッチング処理を行う。このとき、環状電極１１０とメタルシード層１４２との間には、メタルシードエッチング溶液に対して選択度をＥＲｃｏｉｌ：ＥＲｓｅｅｄ＝１：１０以上にする。ここで、ＥＲは、エッチング率を表す。
【００２９】
次いで、図９のようにシリコンで形成したスペーサ１６０を陽極接合を通じてガラス基板１４０上に形成する。
【００３０】
次いで、図１０のように磁歪物質薄膜１２０が環状電極１１０の中心部に対応するように、スペーサ１６０の他の面に図５の上部基板１５０を接合させる。このとき、接合方法としては、溶解接合、共融接合、有機接合などを使用しうる。
【００３１】
次いで、射出成形を通じて形成されたハウジング４００の内部底面をエポキシ１７０で塗布した後に、センサーをハウジング４００に載置させる。次いで、図１１のように、素子の上面をシリコンゴムのような保護膜で塗布する。
【００３２】
前述した構成を有する本発明による可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーの動作を簡略に説明すれば、次の通りである。
【００３３】
ＡＣ条件下で、磁歪物質の印加応力に対する透磁率の微分方程式は、数式１及び２のように表せる。
【数１】
【数２】
ここで、λ：磁歪定数
Ｋ：異方性定数
Ｍ：磁気モーメント
σ：印加された応力
μＡＣ：ＡＣ状態での透磁率
【００３４】
数式１及び２を通じて、磁歪物質に応力が印加されれば、透磁率が変化されることが分かり、この変化は、インダクタンスの変化を誘導する。したがって、インダクタンスの変化を測定することによって、磁歪物質に印加される圧力を演算しうる。
【００３５】
すなわち、図１２のように、磁歪物質をコアとするソレノイドのインダクタンスは、数式３と同じであり、ソレノイドコアの面（Ａ）方向に圧縮応力が作用すれば、磁歪物質に対する透磁率と応力との関係を表す数式１を数式３に代入することによって、その変化を計算しうる。
【数３】
ここで、Ｌ：インダクタンス
μ０：自由空間での透磁率
μｒ：ソレノイドコアの相対透磁率
Ｎ：ソレノイド導線の巻数
Ａ：ソレノイドの断面積
ｌ：ソレノイドの長さ
【数４】
【００３６】
このような原理によって、ダイアフラム３００に圧力が加えられれば、ダイアフラム３００が反りつつ、その圧力が圧力導入溝１８０を通じて誘電体薄膜１５０に伝えられて誘電体薄膜１５０が変形される。
【００３７】
図１３は、図１のインダクターアレイ部１００で一つの単位セルに圧力が印加される形態を示す図面であって、圧力によって誘電体薄膜１５０が変形され、この変形によって発生した応力によって誘電体薄膜１５０上に蒸着された磁歪物質薄膜１２０に応力が印加される。これにより、磁歪物質薄膜１２０は、変形を起こし、この変形によって磁歪物質薄膜１２０の相対透磁率が変わる。
【００３８】
そして、ソレノイドコアである磁歪物質薄膜１２０の相対透磁率が変われば、数式４のようにインダクターアレイ部１００のインダクタンスが変化する。
【００３９】
インダクターアレイ部１００を１次側インダクターとし、外部計測装置（図示せず）のインダクターを２次側インダクターとする時に、インダクターアレイ部１００のインダクタンス変化による１次側インダクターのエネルギー変化は、相互インダクタンス作用によって２次側インダクターに伝えられる。
【００４０】
図１４は、相互インダクタンスを利用した無線遠隔測定の原理を示す回路図であって、図１３のような単位セルに対して図１４のような回路の原理を適用しても、一般的に使われる数式は、何れも同一に使用しうる。
【００４１】
すなわち、共振周波数ω０で１次側入力インピーダンスは、数式５の通りであり、ここで、１次側インダクターと２次側インダクターとの間の相互インダクタンスＭは、数式６の通りである。
【数５】
Ｒｐ：１次側の抵抗（寄生的）
Ｌｐ：１次側のインダクタンス
Ｒｓ：２次側の抵抗（寄生的）
Ｌｓ：２次側のインダクタンス
Ｃｓ：２次側のキャパシタンス（センサー）
Ｍ：相互インダクタンス
Ｋ：カップリング係数
ω０：共振周波数
【数６】
ここで、ｋは、二インダクター間のカップリング係数であり、数式７のように表現される。
【数７】
ここで、ｚ：二つのインダクター間の距離
ｒｐ：２次側インダクター（コイル）の半径
ｒｓ：１次側インダクター（コイル）の半径
【００４２】
外部計測装置では、数式５のように入力インピーダンスを計算してエネルギー変化量を計算することによって、センサーに加えられた圧力を無線で計測しうる。
【００４３】
数式５ないし数式７を参照すれば、最大エネルギーが１次側インダクター１００から２次側インダクターに伝えられて初めて数式５の２次側インピーダンスに大きい変化を見せるが、このような最大エネルギーが伝えられる条件は、共振周波数ｆ０が発生する場合である。
【００４４】
そして、各単位セルで圧力導入溝１８０は、数式８のように表せ、その時の品質係数Ｑｔａｎｋは、数式９の通りである。
【数８】
【数９】
【００４５】
したがって、圧力導入溝１８０を大きくして品質係数を向上させれば、高周波または無線センサーの適用に有利になる。
【００４６】
さらに、表１は、圧力導入部のサイズに対するパラメータの関係を表すものであって、表１のように、センサーの透磁率μｓが大きく、数個のインダクターが直列に連結されており、全体的なインダクタンスＬＳが大きくなる構造でインダクターアレイ部１００を構成すれば、従来のＭＥＭＳ ＬＣ共振型の圧力センサーに比べて非常に優秀な性能を奏すると予測される。
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、従来のピエゾ（圧電）抵抗型または静電容量型センサーに比べ高感度であるため、優れた解像度を有する。それに加え、この可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーは、半導体工程と互換可能なＭＥＭＳ加工技術を利用して製造されるため、小型化及び高密度実装を可能とし、生産コストを低減することができる。更に、この圧力センサーは、電源を使用しない無電力状態で圧力を計測できる無電源／無線センサーとすることができるので、植え込み型あるいはリアルタイム診断システムとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサーの構成を示す平面図である。
【図２】図１の等価回路図である。
【図３】図１のセンサーをＡ−Ａ’方向に切断した断面図である。
【図４】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図５】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図６】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図７】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図８】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図９】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図１０】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図１１】図３のインダクターアレイ部の製造工程を示す断面図である。
【図１２】磁歪物質をコアとする一般的なソレノイドモデルである。
【図１３】図１のインダクターアレイ部で一つの単位セルに圧力が印加される形態を示す図面である。
【図１４】相互インダクタンスを利用した無線遠隔測定の原理を示す回路図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板上に複数の環状電極が直列連結されてコイル部が形成され、前記第１基板と一定距離で平行に対向する第２基板上に前記環状電極と一対一対応する磁歪物質薄膜が形成されて、前記コイル部と前記磁歪物質薄膜とがインダクターを構成し、外部の圧力によって前記磁歪物質薄膜の透磁率変化を誘導させて、前記インダクターのインダクタンスを変化させるインダクターアレイ部と、
前記インダクターアレイ部とＬＣ共振回路を構成して、前記インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタ部と、を備える磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項２】
前記磁歪物質薄膜は、
非晶質物質または単結晶合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項３】
前記インダクターアレイ部は、
第１表面上に前記環状電極が直列連結されるように形成される前記第１基板と、
前記第１表面に対向する第２表面上には、前記環状電極と一対一対応するように前記磁歪物質薄膜が蒸着され、前記第２表面の背面である第３表面上には、外部圧力を前記磁歪物質薄膜に伝達させる圧力導入溝が形成される前記第２基板と、
前記環状電極と前記磁歪物質薄膜とが直接接触しないように、前記第１基板と前記第２基板とを一定間隔で維持させるスペーサと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項４】
前記第１基板は、
パイレックス（登録商標）または石英ガラスであることを特徴とする請求項３に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項５】
前記第２基板は、
誘電体薄膜であることを特徴とする請求項３に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項６】
外部の圧力が印加される前記センサーの上面を保護するダイアフラムと、
前記センサーの上面を除いて、前記センサーの外郭を覆い包むように形成されて、前記センサーと前記ダイアフラムを固定させるハウジングとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項７】
前記インダクターアレイ部のインダクタンスの変化を無線で伝達される２次側コイル部を備え、前記２次側コイルを通じて伝達された前記インダクターアレイ部のインダクタンス変化を計測して、前記インダクターアレイ部に加えられた圧力を測定する計測装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項１】
第１基板上に複数の環状電極が直列連結されてコイル部が形成され、前記第１基板と一定距離で平行に対向する第２基板上に前記環状電極と一対一対応する磁歪物質薄膜が形成されて、前記コイル部と前記磁歪物質薄膜とがインダクターを構成し、外部の圧力によって前記磁歪物質薄膜の透磁率変化を誘導させて、前記インダクターのインダクタンスを変化させるインダクターアレイ部と、
前記インダクターアレイ部とＬＣ共振回路を構成して、前記インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタ部と、を備える磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項２】
前記磁歪物質薄膜は、
非晶質物質または単結晶合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項３】
前記インダクターアレイ部は、
第１表面上に前記環状電極が直列連結されるように形成される前記第１基板と、
前記第１表面に対向する第２表面上には、前記環状電極と一対一対応するように前記磁歪物質薄膜が蒸着され、前記第２表面の背面である第３表面上には、外部圧力を前記磁歪物質薄膜に伝達させる圧力導入溝が形成される前記第２基板と、
前記環状電極と前記磁歪物質薄膜とが直接接触しないように、前記第１基板と前記第２基板とを一定間隔で維持させるスペーサと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項４】
前記第１基板は、
パイレックス（登録商標）または石英ガラスであることを特徴とする請求項３に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項５】
前記第２基板は、
誘電体薄膜であることを特徴とする請求項３に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項６】
外部の圧力が印加される前記センサーの上面を保護するダイアフラムと、
前記センサーの上面を除いて、前記センサーの外郭を覆い包むように形成されて、前記センサーと前記ダイアフラムを固定させるハウジングとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【請求項７】
前記インダクターアレイ部のインダクタンスの変化を無線で伝達される２次側コイル部を備え、前記２次側コイルを通じて伝達された前記インダクターアレイ部のインダクタンス変化を計測して、前記インダクターアレイ部に加えられた圧力を測定する計測装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のＭＥＭＳ圧力センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２００８−５２３３８５（Ｐ２００８−５２３３８５Ａ）
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４５３５５（Ｐ２００７−５４５３５５）
【出願日】平成１７年５月３日（２００５．５．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００５／００１２８１
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６２２７５
【国際公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（５０７１８２２０９）エムディーティー カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３日（２００５．５．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００５／００１２８１
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６２２７５
【国際公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（５０７１８２２０９）エムディーティー カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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