JP4492416B2

JP4492416B2 - 物理量センサ

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Publication number: JP4492416B2
Application number: JP2005111219A
Authority: JP
Inventors: 英雄長浜
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: JP2006292478A

Description

本発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサに関するものである。

従来からこの種の物理量センサとしては、半導体結晶に外力が加えられたときに抵抗値が変化するピエゾ抵抗をゲージ抵抗として用いた半導体圧力センサや半導体加速度センサなどが提供されている。

これに対して、近年、ナノテクノロジーの分野で注目されているカーボンナノチューブをゲージ抵抗として用いた物理量センサが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

ここにおいて、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた圧力センサは、例えば、図９に示す構成を有している。

図９に示す構成の圧力センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜２を有するセンサ用構造体１と、センサ用構造体１の絶縁膜２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４と、センサ用構造体１の他表面に固着されたガラス製の台座９とを備えている。

センサ用構造体１は、矩形枠状のフレーム部１ａと、フレーム部１ａの内側でフレーム部１ａに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム部１ｂとで構成されている。すなわち、センサ用構造体１は、フレーム部１ａの内側に位置し全周に亘ってフレーム部１ａに支持されたダイヤフラム部１ｂが形成されており、ダイヤフラム部１ｂの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラム部が湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３は、ダイヤフラム部１ｂとフレーム部１ａとに跨るように配置されており、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、フレーム部１ａ上に配置されている。なお、センサ用構造体１は、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより上記シリコン基板の他表面に凹所１ｃを設けることにより形成されている。一方、台座９には、センサ用構造体１の凹所１ｃへ流体を導入するための導入孔９ａが厚み方向に貫設されている。

また、上述の２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側において絶縁膜２上に形成された複数の金属配線４などにより図１０に示すブリッジ回路を構成するように接続される。

したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Ｅを接続するとともに対角位置の他方の端子Ｖｏ１，Ｖｏ２間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム部１ｂに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、上述の圧力センサでは、４つの金属配線４それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。

ところで、上述の各抵抗Ｒ１〜Ｒ４と各抵抗Ｒ１〜Ｒ４に電気的に接続される各金属配線４との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる電極５が介在しており、対となる電極５，５間に電圧を印加し且つセンサ用構造体１の上記一表面側に炭素を含む原料ガスを供給して対となる電極５，５間にカーボンナノチューブを成長させている。したがって、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極５，５間に介在している。

次に、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた加速度センサの一例について、図１１を参照しながら説明する。

図１１に示す構成の加速度センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２を有するセンサ用構造体１１と、センサ用構造体１１の絶縁膜１２上に配置されそれぞれ１本のカーボンナノチューブからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２および２個の基準抵抗Ｒ１３，Ｒ１４と、センサ用構造体１１の他表面に固着されたガラス製のカバー１９と、センサ用構造体１１の一表面側に固着されたガラス製のカバー（図示せず）とを備えている。

センサ用構造体１１は、矩形枠状のフレーム部１１ａを備え、フレーム部１１ａの内側にフレーム部１１ａから離間して配置された重り部１１ｂの周囲の１辺がフレーム部１１ａよりも薄肉である２つの撓み部１１ｃを介してフレーム部１１ａに連続一体に連結された構造を有している。すなわち、センサ用構造体１１は、フレーム部１１ａの内側に位置し加速度に感応する重り部１１ｂが２つの撓み部１１ｃを介してフレーム部１１ａに支持されており、重り部１１ｂの周囲には撓み部１１ｃを除いてフレーム部１１ａとの間にスリット１１ｄが形成されている。また、撓み部１１ｃは重り部１１ｂの１辺に沿う方向に離間して２箇所に形成されている。

なお、重り部１１ｂは、例えば、シリコン基板においてスリット１１ｄに対応する部位を他表面側からアルカリ系溶液を用いて異方性エッチングを行った後、スリット１１ｄに対応する部位をシリコン基板の一表面側からエッチングすることで形成してある。また、センサ用構造体１１の他表面側のカバー１９におけるセンサ用構造体１１との対向面には、重り部１１ｂの揺動空間を確保するための凹所１９ｂが形成されている。同様に、センサ用構造体１１の一表面側のカバーにおけるセンサ用構造体１１との対向面にも、重り部１１ｂの揺動空間を確保するための凹所が形成されている。

また、上述の２個のゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２および２個の基準抵抗Ｒ１３，Ｒ１４は、センサ用構造体１１の上記一表面側において絶縁膜１２上に形成された金属配線１４などによりブリッジ回路を構成するように接続される（なお、センサ用構造体１１の厚み方向において重なる金属配線１４，１４間には図示しない層間絶縁膜を介在させてある）。

上述の加速度センサでは、センサ用構造体１１の厚み方向の成分を含む外力（加速度）が重り部１１ｂに作用すると、重り部１１ｂの慣性によって重り部１１ｂがフレーム部１１ａに対してセンサ用構造体１１の厚み方向へ相対的に変位し、結果的に撓み部１１ｃが撓んでゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２が変形し、ゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値が変化することになる。これに対して、フレーム部１１ａに重なるように配置されている基準抵抗Ｒ１３，Ｒ１４は、重り部１１ｂが変位したとしても抵抗値が変化しない。

したがって、ゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値の変化を検出することにより、センサ用構造体１１に作用した加速度を検出することができる。言い換えれば、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、重り部１１ｂに作用する加速度に比例する電圧を得ることができるのである。

なお、ゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２は、撓み部１１ｃの延長方向を長手方向として配置されており、撓み部１１ｃと同じように変形する。ここにおいて、上述の各抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４と各抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４に電気的に接続される各金属配線１４との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど）からなる電極１５が介在しており、対となる電極１５，１５間に電圧を印加し且つセンサ用構造体１１の上記一表面側に炭素を含む原料ガスを供給して対となる電極１５，１５間にカーボンナノチューブを成長させている。したがって、各抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極１５，１５間に介在している。
特開２００４−５３４２４号公報特開２００４−１６３３７３号公報

ところで、上述のようにゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた物理量センサでは、ゲージ抵抗のゲージ率の向上による高感度化が期待されている。

しかしながら、本願発明者らが、図１２の一点鎖線で示すように長さＬが５μｍのカーボンナノチューブＣＮＴを実線で示すように曲げ角度βで曲げたときの曲げ角度βとゲージ率との関係について調べたところ、図１３に示すように、曲げ角度βが１７２°〜１７９°の範囲ではゲージ率が１２０程度であり、シリコンのピエゾ抵抗について同様の関係について調べたところ、曲げ角度βによらずゲージ率が略１２０であるという知見が得られた。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化が可能な物理量センサを提供することにある。

請求項１の発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面側において突設した対となる支持台部間に架設されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の前記一表面側に、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧し当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする。

この発明によれば、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えているので、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブが折曲されていない従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。また、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブが支持台部間に架設されているので、当該カーボンナノチューブの中間部をバイアス部により折曲させやすく、当該カーボンナノチューブのゲージ率を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコンにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、支持台部の融点がゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、カーボンナノチューブの形成工程で支持台部が熱劣化するのを防止することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、支持台部は、導電性を有し、ゲージ抵抗の電極を兼ねてなることを特徴とする。

この発明によれば、支持台部とは別にゲージ抵抗の電極を設ける場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、低コスト化を図れる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、多結晶シリコン層からなることを特徴とする。

この発明によれば、支持台部の融点がゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程で支持台部が熱劣化するのを防止することができる。

請求項５の発明は、請求項３の発明において、支持台部は、金属層からなることを特徴とする。

この発明によれば、請求項４の発明に比べてゲージ抵抗の電極の低抵抗化を図れる。

請求項６の発明は、請求項３の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコン層と当該シリコン層に積層された高融点金属層とで構成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、支持台部の融点がゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程で支持台部が熱劣化するのを防止することができ、また、請求項４の発明に比べてゲージ抵抗の電極の低抵抗化を図れる。

請求項７の発明は、請求項１の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、二酸化シリコン若しくは窒化シリコンにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成時に触媒金属部がシリサイド化して抵抗が増大するのを防止することができる。また、支持台部の形成工程とは別に支持台部と触媒金属部との間に介在して触媒金属部のシリサイド化を防止するバリア層を形成する場合に比べて、製造プロセスの簡略化を図れる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、センサ用構造体の前記一表面側にカバーを固着することによって、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部をバイアス部により折曲させることができる。

請求項１の発明では、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブが折曲されていない従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となるという効果がある。

本実施形態では、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサの一例として例示する圧力センサについて、図１〜図３を参照しながら説明する。

本実施形態の圧力センサは、半導体基板であるシリコン基板（以下、第１のシリコン基板と称す）をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜２を有するセンサ用構造体１と、センサ用構造体１の上記一表面側に配置されそれぞれカーボンナノチューブＣＮＴからなる２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４と、センサ用構造体１とは別のシリコン基板（以下、第２のシリコン基板と称す）をマイクロマシンニング技術により加工して形成されセンサ用構造体１の上記一表面側に固着されたカバー７とを備えている。なお、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４それぞれを構成するカーボンナノチューブＣＮＴの本数は特に限定するものではなく、１本でも複数本でもよい。また、カバー７は、第２のシリコン基板に限らず、ガラス基板により形成してもよい。

センサ用構造体１は、矩形枠状のフレーム部１ａと、フレーム部１ａの内側でフレーム部１ａに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム部１ｂとで構成されている。すなわち、センサ用構造体１は、フレーム部１ａの内側に位置し全周に亘ってフレーム部１ａに支持されたダイヤフラム部１ｂが形成されており、ダイヤフラム部１ｂの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラム部１ｂが撓んで湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３は、センサ用構造体１の上記一表面側でダイヤフラム部１ｂの周部に対応する部位においてダイヤフラム部１ｂとフレーム部１ａとの境界に直交する方向を長手方向として配設されており、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側でフレーム部１ａに対応する部位においてダイヤフラム部１ｂとフレーム部１ａとの境界に直交する方向を長手方向として配設されている。すなわち、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３は、ダイヤフラム部１ｂの湾曲変形に伴う抵抗値の変化量が大きくなるようにダイヤフラム部１ｂの外周（ダイヤフラム部１ｂとフレーム部１ａとの境界）を構成する４辺のうちの２辺それぞれに略直交する方向に配設され、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４はダイヤフラム部１ｂが湾曲変形しても抵抗値が変化しないようにフレーム部１ａに対応する部位に配設されている。

ここにおいて、センサ用構造体１は、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ系溶液などを用いた異方性エッチングによって第１のシリコン基板の裏面（センサ用構造体１の他表面）に凹所１ｃを設け、第１のシリコン基板の表面に絶縁膜２を設けることにより形成されている。

なお、センサ用構造体１の基礎となる半導体基板としての第１のシリコン基板の代わりに、厚み方向の中間に埋込酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁層が形成された所謂ＳＯＩ基板（表面側のシリコン層と裏面側のシリコン基板との間に上記絶縁層が介在した基板）を採用すれば、裏面側からのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、ダイヤフラム部１ｂの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。

また、上述の２個のゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３および２個の基準抵抗Ｒ２，Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側において絶縁膜２上に形成された複数（例えば、４つ）の金属配線（図示せず）などにより上述の図１０に示すブリッジ回路を構成するように接続される。

したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Ｅを接続するとともに対角位置の他方の端子Ｖｏ１，Ｖｏ２間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム部１ｂに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態の圧力センサにおいても、４つの金属配線それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。

ところで、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、センサ用構造体１の上記一表面側において突設した対となる支持台部３，３間に架設されたカーボンナノチューブにより構成されている。すなわち、センサ用構造体１には、対となる支持台部３，３が４箇所に設けられている。また、各支持台部３には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなど）からなる触媒金属部６（図１（ｄ）参照）が積層されている。

各支持台部３の平面形状は対となる支持台部３，３の並設方向に交差する方向を長手方向とする細長の長方形状であって、対となる支持台部３，３間の距離は略一定となっており、触媒金属部６，６の平面形状も支持台部３，３と同様の形状となっている。したがって、対となる触媒金属部６，６間に適宜の電圧を印加し且つセンサ用構造体１の上記一表面側に炭素を含む原料ガス（例えば、炭化水素を含むＣ_２Ｈ_２ガス、Ｃ_２Ｈ_４ガス、ＣＨ_４ガスなど）を供給してＣＶＤ法によって対となる触媒金属部６，６間にカーボンナノチューブを成長させることができ、対となる支持台部３，３上の触媒金属部６，６間に架設されるカーボンナノチューブＣＮＴは直線状に成長する。

ここにおいて、各支持台部３は導電性材料により形成されており、各抵抗Ｒ１〜Ｒ４の電極を兼ねているので、支持台部３とは別に各抵抗Ｒ１〜Ｒ４の電極を設ける場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、低コスト化を図れる。また、各支持台部３それぞれにより構成される各電極と電気的に接続された金属配線（図示せず）を各抵抗Ｒ１〜Ｒ４の形成前にセンサ用構造体１の絶縁膜２上に形成しておけば、カーボンナノチューブＣＮＴの形成工程において、対となる触媒金属部６，６間に電圧を印加するにあたって、対となる触媒金属部６，６にそれぞれ電極を兼ねる支持台部３，３を介して電気的に接続された金属配線間に電圧を印加すればよい。ただし、金属配線の形成工程は、必ずしもカーボンナノチューブＣＮＴの形成工程の前に行う必要はなく、カーボンナノチューブＣＮＴの形成工程の後で行うようにしてもよい。

上述の各支持台部３は、導電性を付与したシリコン層（例えば、不純物をドーピングすることにより導電性を付与した低抵抗の単結晶シリコン層、不純物をドーピングすることにより導電性を付与した低抵抗の多結晶シリコン層など）３ａと高融点金属（例えば、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｃｒなど）からなる高融点金属層３ｂとの積層構造を有しており、比較的高温のプロセスであるカーボンナノチューブＣＮＴの形成工程におけるプロセス温度（例えば、５００〜１０００℃程度）に比べて、シリコン層３ａおよび高融点金属層３ｂそれぞれの融点が高いので、カーボンナノチューブＣＮＴの形成工程での各支持台部３の熱劣化を防止することができる。また、導電性を付与したシリコン層３ａと触媒金属部６との間には高融点金属層３ｂが介在しているので、カーボンナノチューブＣＮＴの形成工程で触媒金属部６がシリサイド化してコンタクト抵抗が増大するのを防止することができる。なお、各支持台部３は、上述のような導電性を付与したシリコン層３ａと高融点金属層３ｂとの積層構造に限らず、導電性を付与した低抵抗の多結晶シリコン層の単層構造や高融点金属などからなる金属層の単層構造により構成してもよい。ここで、各支持台部３を導電性を付与した多結晶シリコン層の単層構造により構成した場合にも、各支持台部３の融点がカーボンナノチューブＣＮＴの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、各支持台部３の熱劣化を防止することができる。また、各支持台部３を高融点金属からなる金属層により構成した場合にも、各支持台部３の融点がカーボンナノチューブＣＮＴの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、各支持台部３の熱劣化を防止することができ、しかも、多結晶シリコン層により構成する場合に比べて、電極の低抵抗化を図れる。

また、各支持台部３としては、例えば、図４（ｃ）に示すように、シリコン層３ｃとシリコン層３ｃ上のシリコン酸化膜３ｄとの積層構造を採用してもよく、このような積層構造を採用した場合にも支持台部３の融点がカーボンナノチューブＣＮＴの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、カーボンナノチューブＣＮＴの形成工程で支持台部３が熱劣化するのを防止することができる。

ここで、支持台部３の熱劣化を防止するだけであれば支持台部３はシリコンにより形成すればよい（つまり、シリコン層３ｃのみにより構成すればよい）が、シリコン層３ｃと触媒金属部６との間にシリコン酸化膜３ｄを介在させることにより、支持台部３上の触媒金属部６のシリサイド化を防止することができる。

各支持台部３をシリコン層３ｃとシリコン層３ｃ上のシリコン酸化膜３ｄとにより構成する場合には、センサ用構造体１の基礎となる半導体基板として図４（ａ）に示すように厚み方向の中間にシリコン酸化膜からなる絶縁膜２を有するＳＯＩ基板１００を用意し、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用して図４（ｂ）に示すようにＳＯＩ基板１００の一表面側のシリコン層１００ｃをパターニングすることによって各支持台部３それぞれの一部を構成する複数のシリコン層３ｃを形成してから、図４（ｃ）に示すように各シリコン層３ｃそれぞれの表面側にシリコン酸化膜３ｄを形成すればよい。

また、各支持台部３は、例えば、図５（ｃ）に示すようにセンサ用構造体１の基礎となるシリコン基板の一表面側の一部をＬＯＣＯＳ（Local Oxidation Of Silicon）法により選択的に酸化することによって形成されたシリコン酸化膜２ｃのうち絶縁膜２よりも突出した部分により構成し（つまり、各支持台部３を二酸化シリコンにより形成し）、各支持台部３に触媒金属部６を積層してもよい。図５（ｃ）に示す構造を得るには、センサ用構造体１の第１のシリコン基板上の絶縁膜２上にシリコン窒化膜８をＣＶＤ法などによって成膜し、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用してシリコン窒化膜８のうち支持台部３の形成予定領域に重なる部位を除去することにより図５（ａ）に示す構造を得てから、ＬＯＣＯＳ法により上記第１のシリコン基板を選択的に酸化することによって上記シリコン酸化膜２ｃを形成することで図５（ｂ）に示す構造を得て、その後、シリコン窒化膜８を除去してから、上記シリコン酸化膜２ｃの一部からなる支持台部３上に触媒金属部６を形成することで図５（ｃ）に示す構造を得ればよい。上述のように、支持台部３を二酸化シリコンにより形成すれば、支持台部３の形成工程とは別に支持台部３と触媒金属部６との間に介在して触媒金属部５のシリサイド化を防止するバリア層を形成する場合に比べて、製造プロセスの簡略化を図れる。なお、支持台部３を二酸化シリコンで形成する代わりに窒化シリコンにより形成してもよく、支持台部３を窒化シリコンにより形成した場合にも、支持台部３の形成工程とは別に支持台部３と触媒金属部６との間に上記バリア層を形成する場合に比べて、製造プロセスの簡略化を図れる。

次に、センサ用構造体１の上記一表面側に固着されるカバー７について説明する。

上述のカバー７は、矩形板状であって、センサ用構造体１との対向面に、センサ用構造体１のダイヤフラム部１ｂの変位空間を確保するための凹所７ａが形成されており、周部が全周にわたってセンサ用構造体１に固着されている。ここで、カバー７とセンサ用構造体１とは陽極接合により固着されている。なお、カバー７は、センサ用構造体１の上記一表面側の上記各パッドを露出させることができるように、センサ用構造体１よりも図１（ａ）における左右方向の寸法を短く設定してある。

ここに、カバー７における凹所７ａの内底面には、センサ用構造体１に力（本実施形態では、圧力）が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成する各カーボンナノチューブＣＮＴそれぞれの中間部を押圧し当該各カーボンナノチューブＣＮＴの中間部を折曲させる突起状の２つのバイアス部７ｂが突設されている。すなわち、本実施形態では、センサ用構造体１に上記力が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成する各カーボンナノチューブＣＮＴそれぞれの中間部がバイアス部７ｂにより押圧されて折曲されるように、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成する各カーボンナノチューブＣＮＴの位置とバイアス部７ｂとの相対的な位置関係を設定してある。より具体的には、バイアス部７ｂの先端面とカバー７におけるセンサ用構造体１との接合面とを同一平面上に揃えて、センサ用構造体１に上記力が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成する各カーボンナノチューブＣＮＴそれぞれの中間部がバイアス部７ｂにより押圧されて折曲されるように対となる支持台部３，３の絶縁膜２からの突出高さを設定してある。なお、バイアス部７ｂは、カバー７の厚み方向に直交する断面が細長の長方形状であって、凹所７ａの内底面から離れるにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されており、図１（ｄ）に示すように、バイアス部７ｂの先端部と対となる支持台部３，３との間に隙間が形成されるようになっている。

しかして、本実施形態では、センサ用構造体１に力が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部を折曲させるバイアス部７ｂ，７ｂを備えているので、センサ用構造体１に力が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴが折曲されていない従来の圧力センサと比較して、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。また、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴが対となる支持台部３，３間に架設されているので、当該カーボンナノチューブＣＮＴの中間部をバイアス部７ｂにより折曲させやすく、当該カーボンナノチューブＣＮＴのゲージ率を高めることができる。

ところで、センサ用構造体１において絶縁膜２から突出する支持台部３，３を設けずに、図７（ａ）に示すように絶縁膜２に凹溝２ｂを設けて、センサ用構造体１のダイヤフラム部１ｂに圧力が加えられていない状態でバイアス部７ｂの先端面をカーボンナノチューブＣＮＴの中間部に当接させるように構成することが考えられ、この図７（ａ）の構成では、センサ用構造体１のダイヤフラム部１ｂに図７（ａ）の下方から圧力が加えられると、ダイヤフラム部１ｂが図７（ｂ）中に二点鎖線で示すように湾曲変形する一方で、カーボンナノチューブＣＮＴの中間部がバイアス部７ｂによってダイヤフラム部１ｂの変位方向とは反対側に凸となるＶ字状の形状に折曲され凹溝２ｂの内側に入り込む。しかしながら、上述のようにバイアス部７ｂを一体に備えたカバー７は周部がセンサ用構造体１のフレーム１ａに陽極接合などにより固着されるので、センサ用構造体１を多数形成したウェハおよびカバー７を多数形成したウェハそれぞれの反りや、絶縁膜２の厚みのばらつきなどに起因して、センサ用構造体１の厚み方向におけるカーボンナノチューブＣＮＴとバイアス部７ｂとの相対的な位置が互いに離れる向きにずれた場合には、センサ用構造体１に圧力が作用してもバイアス部７ｂによりカーボンナノチューブＣＮＴの中間部が押圧されなくなってしまうことが考えられる。

これに対して、本実施形態の圧力センサでは、センサ用構造体１の上記一表面側に対となる支持台部３，３を突設し、センサ用構造体１に圧力が働いていない状態でカーボンナノチューブＣＮＴの中間部がバイアス部７ｂにより押圧されて折曲されるように対となる支持台部３，３の突出高さを設定してあるので、センサ用構造体１に圧力が働いていない状態でも確実にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部を折曲させることができ、圧力が働いたときのゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３のゲージ率が高くなるから、従来の圧力センサと比較して、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。なお、基準抵抗Ｒ２，Ｒ４を構成するカーボンナノチューブＣＮＴについては、対となる支持台部３，３間に架設する必要はなく、絶縁膜２上に対となる触媒金属部６，６を形成して、対となる触媒金属部６，６間に成長させるようにしてもよい。

本実施形態では、センサ用構造体１に圧力が働いていない状態でゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの中間部をバイアス部７ｂが押圧して中間部を図１（ｄ）に示すように折曲させているが、図６に示すようにカーボンナノチューブＣＮＴの曲げ角度βを１７２°とするように、支持台部３，３の突出高さを設定しておけば、センサ用構造体１に圧力が作用したときに圧力が小さくてもゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴの曲げ角度が１７２°よりも小さくなってゲージ率が高くなるので、より高感度化を図ることができる。ここで、カーボンナノチューブＣＮＴにおいてバイアス部７ｂにより押圧される位置は当該カーボンナノチューブＣＮＴの長手方向の中間部であればいずれの位置でもよい。なお、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴのひずみを大きくしてゲージ率を高くするには長手方向の略中央位置を押圧することが望ましい。また、ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴそれぞれについて中間部を押圧して折曲させるバイアス部７ｂの数は１つに限らず、複数でもよい（ゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を構成するカーボンナノチューブＣＮＴそれぞれに対してバイアス部７ｂを複数設ける場合には、対となる支持台部３，３の並設方向に複数のバイアス部７ｂを並設すればよい）。

ところで、本実施形態では、センサ用構造体１が圧力センサ用の構造体を構成しており、センサ用構造体１のダイヤフラム部１ｂにおける周部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を配設してあるが、圧力によるダイヤフラム部１ｂの変位量の大きな中央部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を配設すれば、圧力によるダイヤフラム部１ｂの変位量の小さな周部にゲージ抵抗Ｒ１，Ｒ３を配設している場合と同じ感度であれば、ダイヤフラム部１ｂの厚みを厚くすることができ、センサ用構造体１の機械的強度を高めることができる。

なお、上述の実施形態では、物理量センサの一例として圧力センサについて例示したが、本願発明の技術思想は、圧力センサに限らず、例えば、ゲージ抵抗を利用した他の物理量センサ（例えば、加速度センサ、ジャイロセンサなど）にも適用することができ、一例として、加速度センサに適用する場合には、例えば、図１１に示した従来例と同様の加速度センサにおいてゲージ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を構成するカーボンナノチューブＣＮＴを、図８に示すように、センサ用構造体１１の一表面側において突設した対となる支持台部３，３間に架設し（図８ではゲージ抵抗Ｒ１２のみ表れている）、センサ用構造体１１の上記一表面側に固着するカバー７に、凹所７ａの内底面から突出する上述のバイアス部７ｂを設ければよい。

実施形態を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ｂ）の要部Ｃの拡大図である。同上におけるセンサ用構造体を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。同上におけるカバーを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は下面図である。同上の他の構成例の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の他の構成例の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の要部説明図である。同上の比較例の動作説明図である。他の実施形態を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の要部Ｃの拡大図である。従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は（ｂ）の要部拡大図である。同上の動作説明図である。他の従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は（ｂ）の要部拡大図である。カーボンナノチューブの曲げ角度の説明図である。カーボンナノチューブの曲げ角度とゲージ率との関係図である。

符号の説明

１センサ用構造体
１ａフレーム部
１ｂダイヤフラム部
１ｃ凹所
２絶縁膜
３支持台部
３ａシリコン層
３ｂ高融点金属層
６触媒金属部
７カバー
７ａ凹所
７ｂバイアス部
ＣＮＴカーボンナノチューブ
Ｒ１，Ｒ３ゲージ抵抗
Ｒ２，Ｒ４基準抵抗

Claims

検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面側において突設した対となる支持台部間に架設されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の前記一表面側に、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧し当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする物理量センサ。
ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
支持台部は、導電性を有し、ゲージ抵抗の電極を兼ねてなることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、多結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項３記載の物理量センサ。
支持台部は、金属層からなることを特徴とする請求項３記載の物理量センサ。
ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコン層と当該シリコン層に積層された高融点金属層とで構成されてなることを特徴とする請求項３記載の物理量センサ。
ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、二酸化シリコン若しくは窒化シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項１記載の物理量センサ。
センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の物理量センサ。