JP2002062311A - センサ - Google Patents

センサ

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JP2002062311A
JP2002062311A JP2001182929A JP2001182929A JP2002062311A JP 2002062311 A JP2002062311 A JP 2002062311A JP 2001182929 A JP2001182929 A JP 2001182929A JP 2001182929 A JP2001182929 A JP 2001182929A JP 2002062311 A JP2002062311 A JP 2002062311A
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クビステロイ テルイエ
Jacobsen Henrik
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】定期的または連続的に機能性のテストができる
圧力およびフローセンサ、アクチュエータの加速度計等
に使用するセンサを提供する。 【解決手段】センサは、半導体物質で形成される。この
装置は、サポートフレーム、検出要素、および第一共振
周波数振動モードに実質的に対応する周波数で検出部を
振動させるための手段から構成されている。エラー検出
手段は共振周波数振動モードを検出し、エラー検出手段
の出力によって励振に対する共振周波数モードの予想レ
スポンスの有無を表示することができる。検出要素の歪
みを検出する手段は検出されたパラメータを表示した出
力を提供できる。歪み検出手段とエラー検出手段とは同
じ要素から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧力およびフロー
センサ、アクチュエータの加速度計等のセンサに関する
ものであり、特にそれらの機能性のテストを可能とした
この種の装置の特徴に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、加速度、圧力やフローの変化とい
った異なる物理的性質を測定するためのマイクロマシー
ン装置の発達がたくさん進められてきた。そのような装
置はいろいろな応用に有用で、例えば、航空宇宙や自動
車産業などで幅広く使われている。そのような装置は加
速度計の質量ばねシステム、圧力センサにおいては板ま
たはダイヤフラム、そして更に一般的な場合には、柔軟
性のあるスプリング要素のような弾性部品を使用する。
例えば、このような応用での加速判定のアプローチの一
つは、半導体物質から形成された装置を提供することで
あり、この装置は、半導体物質で形成され、この装置の
他の部分に懸架された質量部を有する。装置の加速度の
変化は、質量ピエゾ抵抗的、容量的、静電気的または熱
的な運動で、装置の歪みを測定することにより検出する
ことができる。このようなアプローチが効果的であるの
と同時に、装置がダメージを受けたり、非効果的な使用
により問題が生じることもある。それは、外部加速度よ
り発せられている信号なのか、装置のほかの部分で起き
ているダメージによるものなのか、作動中に装置の中の
ダメージにより信号が欠如しているのかを区別すること
が難しいからである。
【０００３】加速度計で使われるほかのアプローチは、
共振周波数で装置を励振させることである。このような
装置には、装置の共振周波数を検出することができる検
出器が設けられ、それは外部加速力に左右される。この
ように共振周波数を調査することにより外部加速度を見
つけることができる。間接的には、共振周波数の継続的
な検出により、連続的機能テストを提供することができ
るが、追加回路などの必要性に起因して、実現するため
には多くの費用がかかる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、試験
指示計（または自己テスト）をもたらす機能性と能力と
の両方を組み合わせた、費用効果がある装置を提供する
ことにある。
【０００５】本発明の目的は、信頼性や費用効果がある
が、定期的または連続的にテストができ、使用している
間確実に適切に機能する、マイクロマシーン装置を提供
することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によると、半導体
物質で形成されたセンサであって： サポートフレーム； 検出部； 一般的に第一共振周波数振動モードに実質的に対応する
周波数で検出部を振動させる振動手段；共振周波数振動
モードを検出するエラー検出手段であって、エラー検出
手段の出力によって加振に対する共振周波数振動モード
の予想レスポンスの有無を表示するところのエラー検出
手段；そして、検出部の歪みを検出して、検出されるべ
きパラメータを表示する出力を提供するための手段から
構成され、歪みを検出するための前記手段と前記エラー
検出手段とが同じ要素から形成され、歪みを検出するた
めの前記手段が前記振動手段と同一であり、検出信号と
エラー検出信号との両方を電子的に検出することができ
るところのセンサ。
【０００７】検出部は膜でもよく、センサは圧力センサ
でもよい。検出部は単一もしくは複数の質量部または単
一もしくは複数の支持ビームでもよく、センサは加速度
計でもよい。
【０００８】検出部はばねでもよい。振動手段は一つあ
るいはそれ以上の抵抗素子であってもよい。共振周波数
検出手段は一つあるいはそれ以上の、装置に配置したピ
エゾ抵抗器でもよい。サポートや検出部は単一の半導体
基板で形成してもよい。半導体はシリコンでもよい。
【０００９】ピエゾ抵抗器／コンデンサ等を使い、ばね
／質量部やプレート／ダイヤフラムまたは外力によるな
んらかのばね要素の歪みを検出できる。作動周波数帯域
は基本的な共振（第一）モードより下であり、これによ
り、セグメントが容易に分離される。更に、もし一つの
共振周波数のうちの一つで加振が行われる場合には、こ
の共振周波数はピエゾ抵抗器や容量要素などを使い検出
できる。装置から生じるレスポンスは従って二つの重要
な情報を示す。それはすなわち、正常にそれが働いてい
るかという機能性の情報と、外部的な加速度や圧力やフ
ローなどの情報である。この発明の装置の自己テスト
は、電気消費量を減らすために加速度計を連続的に、ま
たは、規則的な間隔のどちらで使用中であっても、実行
できるという利点がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、添付図面を
参照して説明する。
【００１１】図１ａおよび１ｂに示す本発明による速度
計はサポートフレーム４から平行なビーム２，３上に懸
架された質量部１を有している。この実施例では、全て
の構成要素は、好ましくはシリコンの単一の半導体基板
から製造されている。
【００１２】ビーム２の一つは、これに接続された抵抗
素子５を有している。他のビーム３は、ホイートストン
・ブリッジをもたらすために形成されたピエゾ抵抗性検
出要素６を備えている。加振要素５や検出要素６がほか
の位置であってもよいことが理解できる。
【００１３】使用するときは、交流を加振要素５に印加
することによりサポート部材２を加熱し、そして振動さ
せ、それにより、質量部１やほかのサポート部材３も加
熱し、そして振動させる。このシステムの振動は検出要
素６に信号を生成し、振動数は、装置の正常運転力を示
す値である共振周波数で質量部１およびビーム２，３を
継続的に振動するよう、閉ループの方法によりコントロ
ールすることができる。Ｚ−方向での質量部への加速力
や減速力の適用は質量部／ビーム構造を歪ませ、そして
それが検出される。この歪み（二次振動系）は基本周波
数で線形応答（図４）を有する。
【００１４】図２および図３は本発明において可能な代
替質量部／ビーム構造を示している。図２は適切なビー
ム、さらには適切な加振や検出装置に支えられた二つの
別々の質量部の配列を表している。図３は番号をそれぞ
れの構成要素と一致するように付与した、質量部が一つ
の支持ビームを持つ構造の横断面図を示す。
【００１５】図５の回路は図１から３に示すようなタイ
プの装置の信号の変化（図４で示したものに類似した）
を示す出力を提供しており、従って、装置に適用した加
速度／減速度を示すことができる。この実施例において
は、線型応答を提供するには、パラメータ検出信号は、
１×１０４Ｈｚの領域のほぼ中央にある。
【００１６】図６を参照しながら下記に説明するよう
に、本発明の装置は、いくつかのピークをともなった、
加振周波数に対して様々な応答がある。前述したよう
に、この実施例では検出信号周波数は通常この場合では
１×１０４Ｈｚの範囲に位置する。これにより、例えば
１×１０５Ｈｚの範囲で検出信号に影響を与えることな
く共振周波数を励振させることができるが、ある意味で
継続的にあるいは断続的な方法で装置の機能性を決定す
るために使用することができる。
【００１７】図７は上述した実施例の加速度計に対応し
て構成要素にそれぞれ番号付けした、圧力検出器の平面
図である。この場合、ビームと質量配列の代わりに、中
心膜（サポートフレーム４と同じ半導体物質で形成する
ことができる）には加振要素５と検出要素６が形成され
ている。また、装置１（この場合、膜）の検出要素の加
振は一つまたはそれ以上の抵抗器５（この実施例１では
中央）を使うことにより振動モードの熱励起によって実
行することができる。検出要素６は検出器が設置された
ガスの圧力の変化に起因する膜の変位に基づき検出信号
を提供するために異なった周波数率での出力を使うこと
ができる。その間、第一モードの共振周波数振動が自己
テスト信号を提供するために用いられるように図５で示
したようなタイプの回路に出力を供給する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａおよび１ｂは、それぞれ、本発明の装置
の概略側面図および平面図である。
【図２】図２は本発明の第２実施例による装置の平面斜
視図である。
【図３】図３は本発明の第３実施例による装置の横断面
図である。
【図４】図４は加速力を適用した図１から３の装置の出
力の変化を示すグラフである。
【図５】図５は図１および２の装置を利用した回路の実
施例を示す回路図である。
【図６】図６は実施例の装置の開ループレスポンス、即
ち図３の回路の出力のグラフである。
【図７】図７は本発明のさらに他の実施例の装置の平面
図である。
フロントページの続き (71)出願人 599143793 ＰＯ Ｂｏｘ 196，Ｎ−3192 Ｈｏｒｔ ｅｎ，Ｎｏｒｗａｙ (72)発明者 ヤコブセン ヘンリク ノールウェー国，エヌ−3192 ホルテン, ピーオウ ボックス 196 センソノール エイエスエイ内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE13 FF49 GG49 HH01 4M112 AA01 AA02 BA08 CA01 CA08 FA20

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体物質で形成されたセンサであっ
    て、 サポートフレーム； 検出部； 一般的に第一共振周波数振動モードに実質的に対応する
    周波数で検出部を振動させる振動手段； 共振周波数振動モードを検出するエラー検出手段であっ
    て、エラー検出手段の出力によって加振に対する共振周
    波数振動モードの予想レスポンスの有無を表示するとこ
    ろのエラー検出手段；そして、 検出部の歪みを検出して、検出されるべきパラメータを
    表示する出力を提供するための手段から構成され、歪み
    を検出するための前記手段と前記エラー検出手段とが同
    じ要素から形成され、歪みを検出するための前記手段が
    前記振動手段と同一であり、検出信号とエラー検出信号
    との両方を電子的に検出することができるところのセン
    サ。
  2. 【請求項２】 振動手段が一つまたはそれ以上の抵抗素
    子である、請求項１に記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 共振周波数検出手段が一つまたはそれ以
    上のピエゾ抵抗器である、先行請求項のうちのいずれか
    一つに記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 半導体がシリコンである、いずれか一つ
    の先行請求項に記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 サポートフレームと検出部とが単一の半
    導体基板から形成された、先行請求項のうちのいずれか
    一つに記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 検出部が少なくとも一つの支持ビームと
    少なくとも一つの質量部とから構成される、加速器とし
    て作動するようにアレンジされた、先行請求項のうちの
    いずれか一つに記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 振動手段が一つまたはそれ以上の支持ビ
    ーム上に配置された、請求項６に記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 ピエゾ抵抗器が一つまたはそれ以上の支
    持ビーム上に配置された、請求項６または７に記載のセ
    ンサ。
  9. 【請求項９】 検出部が膜である、圧力センサとして作
    動するようにアレンジされた、請求項１から５のいずれ
    か一つに記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 フローセンサとして作動するようにア
    レンジされた、請求項１から５のいずれか一つに記載の
    センサ。
JP2001182929A 2000-06-16 2001-06-18 センサ Pending JP2002062311A (ja)

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