CN102439405A - 物理量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种物理量传感器，具备梁状的振动体和支撑梁状的振动体的两端的固定部。另外，在梁状的振动体的中央部形成驱动元件，在两端部形成反馈元件。构成为使梁状的振动体进行固有振动，并通过检测振动体的固有振动频率来检测作用于梁状的振动体的物理量。由此，能够以稳定的状态检测作用于物体的应变和载荷等物理量。
Description
技术领域
本发明涉及检测作用于物体的应变和载荷的物理量传感器。
背景技术
一般地，作为检测作用于物体的应变和载荷的物理量传感器，公知图5A～C所示的结构(参照专利文献1)。图5A、B表示现有的物理量传感器的俯视图、侧视图，在该图5A、B中弯曲体(flexure element)1由高弹性金属材料构成。之后，穿透孔2，由此形成了薄壁的应力集中部3a～3d。并且，在该弯曲体1的上表面侧的应力集中部3a、3b，设有沿着连结弯曲体1的固定端4和可动端5的长边方向并且与孔2连通的切口长孔6a、6b、7a、7b。并且，另外在由切口长孔6a、7a夹持的中央的梁部8a的背面和由切口长孔6b、7b夹持的中央的梁部8b的背面，形成有切口部9、10。此外，在应力集中部3b的梁部8b的端部，粘贴着驱动用的第1压电元件11和反馈用的第2压电元件12。
图5C是在图5B的A部连接了振荡器13的要部侧视图。如图5C所示，第1压电元件11与振荡器13的输出侧连接，第2压电元件12与振荡器13的输入侧连接。另外，第1、第2压电元件11、12的谐振频率被选定在梁部8b的固有振动频率fe的附近。
在上述构成中，若从振荡器13向第1压电元件11施加具有梁部8b的固有振动频率fe的附近频率的交流电压，则设置于梁部8b的一端的第1压电元件11产生机械振动。由于该机械振动，使得梁部8b以固有振动频率fe开始纵向弦振动(vertical string vibration)。该弦振动被第2压电元件12接收，并且从该第2压电元件12向振荡器13的输入侧反馈具有与梁部8b的固有振动频率fe相等的频率的交流信号。由此，梁部8b以与该固有振动频率fe相等的频率持续进行弦振动。
这样，在梁部8b纵向弦振动的状态下，由于若作用于弯曲体1的可动端5的载荷F变大则作用于梁部8b的拉伸力变大，因而梁部8b的固有振动频率fe上升。相反，由于若作用于弯曲体1的可动端5的载荷F变小则作用于梁部8b的拉伸力变小，因而梁部8b的固有振动频率fe下降。这样一来，通过测量被输出到端子的固有振动频率fe，能够测量作用于弯曲体1的可动端5的应变和载荷F。
另一方面，随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术等微细加工技术的进展，可制作极其小且薄的机械振子。根据该技术可将振子自身的质量构成得较小，因而能够制作即便所施加的载荷变小频率或阻抗也变动大的高精度的振子。通过使用这种微型机械振子，从而无需在弯曲体自身内形成应力集中点，就能构成仅贴着弯曲体即可简便地测量作用于弯曲体的载荷和应变的物理量传感器。
图6A～C示出使用本发明者们根据该MEMS技术制成的振子而形成的现有的物理量传感器。图6A是现有的物理量传感器的俯视图，图6B是图6A的6B-6B线剖视图，图6C是图6A的6C-6C线剖视图。在该图6A～C中，在半导体基板101的表面形成了由氧化硅层或氮化硅层构成的绝缘层(未图示)。梁部102是通过对半导体基板101实施蚀刻处理而形成的。固定部103围住梁部102。另外，在梁部102的表面的中央部，按照自下而上的顺序依次形成下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的驱动元件104。此外，在梁部102的端部，按照自下而上的顺序依次形成下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的反馈元件105。并且，驱动元件104、反馈元件105经由布线图案(未图示)与焊盘(land)106电连接。另外，振子被Au-Au接合等金属系接合材或环氧树脂等具有刚性的物质108连接固定在梁部102的两端的固定部103，以使在弯曲体107产生的应变被传递到振子。
驱动元件104与放大器(未图示)的输出侧连接，反馈元件105经由移相器(未图示)与放大器的输入侧连接。另外，驱动元件104、反馈元件105的谐振频率被选定在梁部102的固有振动频率fe的附近。
在上述构成中，若从放大器向驱动元件104施加具有梁部102的固有振动频率fe的附近频率的交流电压，则驱动元件104产生机械振动。由于该机械振动，使得梁部102以固有振动频率fe开始纵向弦振动。该弦振动被反馈元件105接收，并且从该反馈元件105将具有与梁部102的固有振动频率fe相等的频率的交流信号经由移相器而反馈到放大器的输入侧。由此，梁部102以与该固有振动频率fe相等的频率持续进行弦振动。
这样，在梁部102纵向弦振动的状态下，由于若作用于弯曲体107的载荷f变大则作用于梁部102的拉伸力变大，因而梁部102的固有振动频率fe上升。相反，由于若作用于弯曲体107的载荷f变小则作用于梁部102的拉伸力变小，因而梁部102的固有振动频率fe下降。这样一来，通过测量被输出到端子的固有振动频率fe，能够测量作用于弯曲体107的应变和载荷f。
可是，在图5A～C示出的现有的物理量传感器中，由于驱动用的第1压电元件11贴在梁部8b的端部，因而在梁部8b容易产生3次或5次的高次谐振模式。这种高次谐振模式较之基本振动模式也就是梁部8b的中央为腹、两端部为节点的最低次振动模式，表示谐振的锐度的Q值低，有时也容易产生高次模式之间的耦合。因此，若氛围气温度或向振荡器13施加的电源电压发生变化，则梁部8b的振动频率有时会变大。由此，有时难以准确测量作用于弯曲体1的可动端5的应变和载荷F。
另一方面，在图6A～C示出的现有的物理量传感器中，由于驱动元件104形成在梁部102的中央，因而在梁部102产生基本振动模式。可是，反馈元件105却只形成在梁部102的一端。因此，由于反馈元件105和梁部102之间的刚性差、或者反馈元件105的质量，使得振动模式相对于梁部102的中心呈非对称。图7是表示将在厚度为10μm、长度为1.2mm的梁部102上形成了厚度为3μm、长度为0.45mm的驱动元件104和厚度为3μm、长度为0.2mm的反馈元件105的情况下所产生的振动位移分布进行模拟出的结果的图。如图7所示可知，虽然在梁部102产生中央为腹、两端部为节点的基本振动模式，但是振幅最大点却从梁部102的中央向左侧移动了。这种非对称模式较之对称模式，表示谐振的锐度的Q值低。由于反馈元件105中的振幅下降，因而振动频率的精度下降并且反馈元件105产生的输出电荷减少。由此，具有作用于弯曲体107的应变和载荷f的测量精度有时会下降的课题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平3-103735号公报
发明内容
本发明的物理量传感器，具备：梁状的振动体和支撑该振动体的两端的固定部。并且，具备：形成于振动体的中央部的第1压电元件、形成于振动体的两端部的第2压电元件和第3压电元件。并且，将第1压电元件作为驱动元件，将第2压电元件和第3压电元件作为反馈元件，使梁状的振动体进行固有振动。构成为通过测量振动体的固有振动频率来检测作用于梁状的振动体的物理量。根据该构成，能够使梁状的振动体产生具有中心对称的振动位移分布的基本振动模式，因而具有能够以稳定的状态检测作用于物体的应变和载荷等物理量的作用效果。
另外，本发明的另一物理量传感器，具备：梁状的振动体和支撑该振动体的两端的固定部。并且，具备：形成于振动体的中央部的第1压电元件、形成于振动体的两端部的第2压电元件和第3压电元件。将形成于梁状的振动体的中央部的第1压电元件作为反馈元件，且将形成于梁状的振动体的两端部的第2、第3压电元件作为驱动元件。并且，构成为以同振幅、同相位驱动第2压电元件和第3压电元件。根据该构成，能够使梁状的振动体产生具有中心对称的振动位移分布的基本振动模式。进而，将反馈元件配置于梁状的振动体的中央的振动振幅最大的位置。因此，能够增大来自反馈元件的输出电压，由此具有能以稳定的状态检测作用于物体的应变和载荷等物理量的作用效果。
本发明的又一物理量传感器，具备：梁状的振动体和支撑该振动体的两端的固定部。并且，具备：形成于振动体的中央部的第1压电元件、形成于振动体的两端部的第2压电元件和第3压电元件。将形成于振动体的中央部的第1压电元件作为检测元件。将形成于梁状的振动体的两端部的第2、第3压电元件作为驱动元件。进而，在第2、第3压电元件的附近形成第4、第5压电元件来作为反馈元件。构成为通过以同振幅、同相位驱动第2压电元件和第3压电元件，由此使振动体进行固有振动，由反馈元件测量梁状的振动体的固有振动。根据该构成，通过由反馈元件检测驱动元件附近的梁状的振动体的振动状态，从而能使梁状的振动体可靠地产生具有中心对称的振动位移分布的基本振动模式。进而，由于将检测元件配置于梁状的振动体的中央的振动振幅最大的位置，因而能够增大来自检测元件的输出电压。由此，具有能以更稳定的状态检测作用于物体的应变和载荷等物理量的作用效果。
附图说明
图1A是本发明的实施方式1中的物理量传感器的俯视图。
图1B是图1A的1B-1B线剖视图。
图1C是图1A的1C-1C线剖视图。
图1D是在图1B的物理量传感器连接了放大器及增益调整/移相器的图。
图2是表示图1所示的物理量传感器的梁部的振动位移分布的模拟结果的图。
图3A是本发明的实施方式2中的物理量传感器的俯视图。
图3B是图3A的3B-3B线剖视图。
图3C是在图3B的物理量传感器连接了放大器及增益调整/移相器的图。
图4A是本发明的实施方式3中的物理量传感器的俯视图。
图4B是图4A的4B-4B线剖视图。
图4C是在图4B的物理量传感器连接了放大器及增益调整/移相器的图。
图5A是现有的物理量传感器的俯视图。
图5B是现有的物理量传感器的侧视图。
图5C是在图5B的A部连接了振荡器的要部侧视图。
图6A是现有的物理量传感器的俯视图。
图6B是图6A的6B-6B线剖视图。
图6C是图6A的6C-6C线剖视图。
图7是表示现有的物理量传感器的梁部的振动位移分布的模拟结果的图。
具体实施方式
实施方式1
图1A是本发明的实施方式1中的物理量传感器的俯视图。图1B是图1A的1B-1B线剖视图。图1C是图1A的1C-1C线剖视图。图1D是在图1B的物理量传感器连接了放大器及增益调整/移相器的图。在图1A～D中，半导体基板21由硅等构成，并在表面形成了由氧化硅层或氮化硅层构成的绝缘层(未图示)。梁部22是通过对半导体基板21实施蚀刻处理而形成的，并构成了因物理量的作用导致固有振动频率发生变化的梁状的振动体。固定部23围住梁部22，并支撑梁状的振动体的两端。在梁部22的表面的中央部，按照自下而上的顺序依次形成下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的驱动元件24(第1压电元件)。另外，在梁部22的两端部，在相对于梁部22的中心呈对称的位置处，按照自下而上的顺序依次形成下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的反馈元件25、26(第2、第3压电元件)。并且，驱动元件24、反馈元件25、26经由布线图案(未图示)与焊盘27电连接。另外，该物理量传感器被Au-Au接合等金属系接合材或环氧树脂等具有刚性的物质29连接固定在梁部22的两端的固定部23，以使在构成物体的弯曲体28产生的应变被传递到振子。
在图1D中，驱动元件24与放大器30的输出侧连接，反馈元件25、26经由增益调整/移相器31与放大器30的输入侧连接。另外，驱动元件24、反馈元件25、26的谐振频率被选定在梁部22的固有振动频率fe的附近。
在上述构成中，若从放大器30向驱动元件24施加具有梁部22的固有振动频率fe的附近频率的交流电压，则设置于梁部22的中央的驱动元件24沿着与梁部22的长边方向平行的方向开始伸缩振动。由于该伸缩振动，使得梁部22以固有振动频率fe开始纵向弦振动。该弦振动被反馈元件25、26接收，并且从该反馈元件25、26产生具有与梁部22的固有振动频率fe相等的频率的交流信号。这些交流信号被增益调整/移相器31进行相位调整，并反馈到放大器30的输入侧。由此，梁部22以与该固有振动频率fe相等的频率持续进行弦振动。此时，也可在由加法器相加了来自反馈元件25、26的交流信号之后，经由增益调整/移相器31向放大器30的输入侧进行反馈。
这样，在梁部22纵向弦振动的状态下，由于若作用于弯曲体28的载荷f变大则作用于梁部22的拉伸力变大，因而梁部22的固有振动频率fe上升。相反，由于若作用于弯曲体28的载荷f变小则作用于梁部22的拉伸力变小，因而梁部22的固有振动频率fe下降。这样一来，通过测量被输出到端子的固有振动频率fe，能够测量作用于弯曲体28的应变和载荷f。
这里，驱动元件24设置于梁部22的中央，反馈元件25、26设置于梁部22的两端部且相对于梁部22的中心呈对称的位置。因而，在梁部22产生相对于梁部22的中心具有对称的振动位移分布的基本振动模式。图2是表示将在厚度为10μm、长度为1.2mm的梁部22上形成了厚度为3μm、长度为0.45mm的驱动元件24和厚度为3μm、长度为0.2mm的反馈元件25、26的情况下所产生的振动位移分布进行模拟出的结果的图。由该图2可知，在梁部22产生中央为腹、两端部为节点的基本振动模式，并且相对于梁部22的中心具有对称的振动位移分布。具有这种对称的振动位移分布的基本振动模式，由于表示谐振的锐度的Q值大，因而以稳定的频率持续进行弦振动。由此，能够以稳定的状态检测作用于弯曲体的应变和载荷等物理量。
实施方式2
图3A是本发明的实施方式2中的物理量传感器的俯视图，图3B是图3A的3B-3B线剖视图，图3C是在图3B的物理量传感器连接了放大器及增益调整/移相器的图。此外，在该实施方式2中，关于具有与上述的实施方式1的构成同样的构成，赋予同一符号并省略其说明。
在图3A～C中，在梁部22的中央部按照自下而上的顺序依次配置下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的反馈元件40(第1压电元件)。并且，在梁部22的两端部，在相对于梁部22的中心呈对称的位置处，按照自下而上的顺序依次配置下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的驱动元件41、42(第2、第3压电元件)。这些点是本发明的实施方式2与本发明的实施方式1不同之处。在图3C中，驱动元件41、42与放大器30的输出侧连接。另外，反馈元件40经由增益调增/移相器31与放大器30的输入侧连接。并且，另外驱动元件41、42、反馈元件40的谐振频率被选定在梁部22的固有振动频率fe的附近。
在上述构成中，从放大器30向设置于梁部22的两端部的驱动元件41、42以同振幅、同相位的方式施加具有梁部22的固有振动频率fe的附近频率的交流电压。于是，驱动元件41、42沿着与梁部22的长边方向平行的方向开始伸缩振动。由于该伸缩振动，使得梁部22以固有振动频率fe开始纵向弦振动。该弦振动被反馈元件40接收，并且从该反馈元件40产生具有与梁部22的固有振动频率fe相等的频率的交流信号。该交流信号被增益调整/移相器31进行相位调整，并反馈到放大器30的输入侧。由此，梁部22以与该固有振动频率fe相等的频率持续进行弦振动。
这样，在梁部22纵向弦振动的状态下，由于若作用于弯曲体28的载荷f变大则作用于梁部22的拉伸力变大，因而梁部22的固有振动频率fe上升。相反，由于若作用于弯曲体28的载荷f变小则作用于梁部22的拉伸力变小，因而梁部22的固有振动频率fe下降。这样一来，通过测量被输出到端子的固有振动频率fe，能够测量作用于弯曲体28的应变和载荷f。
这里，反馈元件40设置于梁部22的中央，驱动元件41、42设置于梁部22的两端部且相对于梁部22的中心呈对称的位置。因而，在梁部22产生与图2所示的情形同样的相对于梁部22的中心具有对称的振动位移分布的基本振动模式。具有这种对称的振动位移分布的基本振动模式，由于表示谐振的锐度的Q值大，因而能够以稳定的频率持续进行弦振动。另外，由于将反馈元件40配置在振动体的中央的振动振幅最大的位置处，因而能够增大来自反馈元件40的输出电压。由此，得到了能以稳定的状态检测作用于弯曲体的应变和载荷等物理量这样的效果。
实施方式3
图4A是本发明的实施方式3中的物理量传感器的俯视图，图4B是图4A的4B-4B线剖视图，图3C是在图3B的物理量传感器连接了放大器及增益调整/移相器的图。此外，在该实施方式3中，关于具有与上述的实施方式1的构成同样的构成，赋予同一符号并省略其说明。
在图4A～C中，在梁部22的中央部按照自下而上的顺序依次配置下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的检测元件50(第1压电元件)。并且，在梁部22的两端部，在相对于梁部22的中心呈对称的位置处，按照自下而上的顺序依次配置下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的驱动元件51、52(第2、第3压电元件)。在梁部22的两端部，在相对于梁部22的中心呈对称的位置处，按照自下而上的顺序依次配置下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的反馈元件53、54(第4、第5压电元件)。反馈元件53、54(第4、第5压电元件)分别配置于驱动元件51、52的附近。另外。在图4C中，反馈元件53、54与第1放大器30的输入侧连接，且来自第1放大器30的输出信号经由增益调整/移相器31施加到驱动元件51、52。并且，由检测元件50获得的交流信号经由第2放大器55进行输出。这里，检测元件50、驱动元件51、52、反馈元件53、54的谐振频率被选定在梁部22的固有振动频率fe的附近。
在上述构成中，从第1放大器30向设置于梁部22的两端部的驱动元件51、52以同振幅、同相位的方式施加具有梁部22的固有振动频率fe的附近频率的交流电压。于是，驱动元件51、52沿着与梁部22的长边方向平行的方向开始伸缩振动。由于该伸缩振动，使得梁部22以固有振动频率fe开始纵向弦振动。该弦振动被配置于驱动元件51、52的附近的反馈元件53、54接收。并且从该反馈元件53、54产生具有与梁部22的固有振动频率fe相等的频率的交流信号。该交流信号被放大器30放大之后，经由增益调整/移相器31反馈到第1放大器30的输入侧。由此，梁部22以与该固有振动频率fe相等的频率持续进行弦振动。并且，由检测元件50产生的具有与梁部22的固有振动频率fe相等的频率的交流信号，被第2放大器55放大后输出。
这样，在梁部22纵向弦振动的状态下，由于若作用于弯曲体28的载荷f变大则作用于梁部22的拉伸力变大，因而梁部22的固有振动频率fe上升。相反，由于若作用于弯曲体28的载荷f变小则作用于梁部22的拉伸力变小，因而梁部22的固有振动频率fe下降。这样一来，通过测量被输出到端子的固有振动频率fe，能够测量作用于弯曲体28的应变和载荷f。
这里，检测元件50设置于梁部22的中央，驱动元件51、52设置于梁部22的两端部且相对于梁部22的中心呈对称的位置。此外，在梁部22的两端部，在相对于梁部22的中心呈对称的位置处，反馈元件53、54分别配置于驱动元件51、52的附近。因而，通过反馈驱动元件附近的振动体的振动状态并由检测元件50进行检测，从而能够使振动体可靠地产生具有中心对称的振动位移分布的基本振动模式。另外，由于将检测元件50配置于振动体的中央的振动振幅最大的位置处，因而能够增大来自检测元件50的输出电压。由此，得到了能以更稳定的状态检测作用于弯曲体的应变和载荷等物理量这样的效果。
产业上的可利用性
本发明涉及的物理量传感器，能够使梁状的振动体产生具有中心对称的振动位移分布的基本振动模式。由此，具有能以稳定的状态检测作用于物体的应变和载荷这样的效果，尤其是作为检测作用于物体的应变和载荷的物理量传感器是有用的。
符号说明：
21-半导体基板，22-梁部(梁状的振动体)，23-固定部，24-驱动元件，25、26-反馈元件，28-弯曲体，29-具有刚性的物质，30-放大器，31-增益调整/移相器，40-反馈元件，41、42-驱动元件，50-检测元件，51、52-驱动元件，53、54-反馈元件。
Claims (5)
1.一种物理量传感器，构成为具备：
梁状的振动体；
固定部，支撑所述振动体的两端；
第1压电元件，形成于所述振动体的中央部；
第2压电元件，形成于所述振动体的一个端部；和
第3压电元件，形成于所述振动体的另一端部，
将所述第1压电元件作为驱动元件，
将所述第2压电元件和所述第3压电元件作为反馈元件，
使所述振动体进行固有振动，并通过测量所述振动体的固有振动频率来检测作用于所述振动体的物理量。
2.一种物理量传感器，构成为具备：
梁状的振动体；
固定部，支撑所述振动体的两端；
第1压电元件，形成于所述振动体的中央部；
第2压电元件，形成于所述振动体的一个端部；和
第3压电元件，形成于所述振动体的另一端部，
将所述第1压电元件作为反馈元件，
将所述第2压电元件和所述第3压电元件作为驱动元件，
通过以同振幅、同相位驱动所述第2压电元件和所述第3压电元件，从而使所述振动体进行固有振动，并通过测量所述振动体的固有振动频率来检测作用于所述振动体的物理量。
3.一种物理量传感器，构成为具备：
梁状的振动体；
固定部，支撑所述振动体的两端；
第1压电元件，形成于所述振动体的中央部；
第2压电元件，形成于所述振动体的一个端部；
第3压电元件，形成于所述振动体的另一端部；
第4压电元件，形成于所述第2压电元件的附近；和
第5压电元件，形成于所述第3压电元件的附近，
将所述第1压电元件作为检测元件，
将所述第2压电元件及所述第3压电元件作为驱动元件，
将所述第4压电元件及所述第5压电元件作为反馈元件，
通过以同振幅、同相位驱动所述第2压电元件和所述第3压电元件，从而使所述振动体进行固有振动，
由所述第4压电元件和所述第5压电元件反馈振动状态，
通过由所述第1压电元件检测所述振动体的固有振动频率来检测作用于所述振动体的物理量。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的物理量传感器，其特征在于，
所述第2压电元件和所述第3压电元件相对于所述振动体的中心形成在对称位置。
5.根据权利要求3所述的物理量传感器，其特征在于，
所述第4压电元件和所述第5压电元件相对于所述振动体的中心形成在对称位置。
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