JP2005140614A - Oscillating type pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、S/N比が向上された振動式圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a vibration type pressure sensor having an improved S / N ratio.
振動式圧力センサに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
図10は、従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図で、例えぱ実開平4−116748号、考案の名称「振動形圧カ測定装置」に示されている。
図11は図10の要部拡大説明図詳細図、図12は図11の要部拡大説明図、図13は図10の動作説明図、図14は図10の動作説明図である。
振動形センサを圧カ測定装置に使用した例である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the structure of a main part of a conventional example that is generally used in the past. For example, it is shown in Japanese Utility Model Publication No. 4-116748 and the name of the device “vibration type pressure measuring device”.
FIG. 11 is an enlarged detailed view of the main part of FIG. 10, FIG. 12 is an enlarged explanatory view of the main part of FIG. 11, FIG. 13 is an operational explanatory view of FIG. 10, and FIG.
This is an example in which a vibration sensor is used in a pressure measuring device.
図において、1は半導体単結晶からなるセンサチツプである。
2は、センサチップ1に設けられた凹部3により形成され測定圧Pmを受圧する測定ダイアフラムである。
In the figure, reference numeral 1 denotes a sensor chip made of a semiconductor single crystal.
4は測定ダイアフラム2に埋込み設けられた歪み検出センサで、振動子が使用されている。
5は封止用の半導体エピタキシャル成長層からなるシェルで、振動子4を測定ダイアフラム2に封止する。
Reference numeral 4 denotes a strain detection sensor embedded in the
Reference numeral 5 denotes a shell made of a semiconductor epitaxial growth layer for sealing, which seals the vibrator 4 to the
6は、振動子4の周囲の、振動子4と、測定ダイアフラム2およびシェル5との間に設けられた真空室である。
Reference numeral 6 denotes a vacuum chamber provided around the vibrator 4 and between the vibrator 4, the
振動子4は、図13、図14に示す如く、永久磁石7による磁場と、振動子4に接続された閉ループ自励発振回路とにより、振動子4の固有振動で発振するように構成されている。
永久磁石7は、ヨーク8,ヨークホルダ9,スペーサ11を介して、振動子4に対向して配置されている。
なお、図14においては、振動子4はH形状が採用されている。
As shown in FIGS. 13 and 14, the vibrator 4 is configured to oscillate with the natural vibration of the vibrator 4 by a magnetic field generated by the permanent magnet 7 and a closed-loop self-excited oscillation circuit connected to the vibrator 4. Yes.
The permanent magnet 7 is disposed to face the vibrator 4 via the
In FIG. 14, the vibrator 4 has an H shape.
21は、底部22側にヨークホルダ9がすきま嵌めされ、振動子4の方向に底部22が、ヨークホルダ9をスペーサ11に押圧し、開口部23側に支持体12がすきま嵌めされ、開口縁部24において支持体12に溶接25固定される弾性を有する断面U字形状のキャツプ体である。 21, the yoke holder 9 is loosely fitted on the bottom 22 side, the bottom 22 is pressed against the spacer 11 in the direction of the vibrator 4, the support 12 is loosely fitted on the opening 23 side, and the opening edge 24 2 is a cap body having a U-shaped cross section and having elasticity that is fixed to the support 12 by welding 25.
キャップ体21は、ヨークホルダ9と支持体12に対して熱膨脹係数が近い材料からなり、振動子4と磁石7との相対位置を精度よく設定する。
26は底部22の中央部に設けられた孔である。
The cap body 21 is made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the yoke holder 9 and the support body 12, and accurately sets the relative position between the vibrator 4 and the magnet 7.
A
以上の構成において、測定ダイアフラム2に測定圧力Pmが加わると、振動子4の軸カが変化し、固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測定圧カPmの測定が出来る。
この場合、振動子4の励振側に駆動電流i0を流してH型の振動子4を励振させ、検出側に発生する誘導起電力eoutにより共振周波数を検出する。
ここで、図14に示す如く、R1は振動子4の抵抗、R2はシェル5の抵抗である。
In the above configuration, when the measurement pressure Pm is applied to the
In this case, the drive current i0 is supplied to the excitation side of the vibrator 4 to excite the H-type vibrator 4, and the resonance frequency is detected by the induced electromotive force eout generated on the detection side.
Here, as shown in FIG. 14, R 1 is the resistance of the vibrator 4, and
しかしながら、このような装置においては、
(1)振動子形状、磁束密度などの制限により、出力電圧eoutが小さい。
(2)振動子とシェル部が電気的に絶縁されていないため、駆動電流i0がシェル側に漏れる。
(3)振動子の励振側と検出側が電気的に絶縁されていないため、駆動電流i0が検出側にもれ、クロストークレベルを増大させる。
However, in such a device,
(1) The output voltage eout is small due to limitations on the vibrator shape and magnetic flux density.
(2) Since the vibrator and the shell portion are not electrically insulated, the drive current i0 leaks to the shell side.
(3) Since the excitation side and the detection side of the vibrator are not electrically insulated, the drive current i0 leaks to the detection side and increases the crosstalk level.
上記(1)〜(3)により、振動子4の出力電圧のS/N比が悪化する。
また、H型の構造に特有の高調波共振モードによるモードクロスにより、差圧・圧力センサとして設計上の制約(差圧感度が大きく取れない、正常動作条件:静圧が大きく取れない)問題があった。
Due to the above (1) to (3), the S / N ratio of the output voltage of the vibrator 4 is deteriorated.
In addition, due to the mode crossing in the harmonic resonance mode unique to the H-type structure, there is a design restriction as a differential pressure / pressure sensor (differential pressure sensitivity cannot be increased, normal operating conditions: static pressure cannot be increased). there were.
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、S/N比に優れ、使用上の制限をなくした高感度かつダイナミックレンジの大きな振動式センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide a vibration sensor having a high sensitivity and a large dynamic range that has an excellent S / N ratio and eliminates restrictions on use.
このような課題を達成するために、本発明では、請求項1の振動式圧力センサにおいては、
測定圧が加えられる測定ダイアフラムと、この測定ダイアフラムに設けられた振動梁と を具備する振動式圧力センサにおいて、
前記測定ダイアフラムに設けられたI形状の絶縁材よりなる振動梁本体と、この振動梁本体の一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、この振動梁本体の他側面側に設けられ導電体よりなる検出振動梁部とを具備したことを特徴とする。
In order to achieve such a subject, in the present invention, in the vibration type pressure sensor of claim 1,
In a vibration type pressure sensor comprising: a measurement diaphragm to which a measurement pressure is applied; and a vibrating beam provided on the measurement diaphragm.
A vibrating beam main body made of an I-shaped insulating material provided on the measurement diaphragm, a driving vibrating beam portion made of a conductor provided on one side of the vibrating beam main body, and provided on the other side of the vibrating beam main body. And a detection vibration beam portion made of a conductor.
本発明の請求項2においては、請求項1記載の振動式圧力センサにおいて、
前記振動梁本体は,シリコン材よりなることを特徴とする。
According to
The vibrating beam body is made of a silicon material.
本発明の請求項3においては、請求項1又は請求項2記載の振動式圧力センサにおいて、
前記駆動振動梁部は、前記振動梁本体にボロンあるいはリンを注入して形成されたことを特徴とする。
In Claim 3 of this invention, in the vibration type pressure sensor of Claim 1 or
The drive vibration beam portion is formed by injecting boron or phosphorus into the vibration beam main body.
本発明の請求項4においては、請求項1又は請求項2記載の振動式圧力センサにおいて、
前記検出振動梁部は、前記振動梁本体にボロンあるいはリンを注入して形成されたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the vibration type pressure sensor according to the first or second aspect,
The detection vibration beam portion is formed by injecting boron or phosphorus into the vibration beam main body.
本発明の請求項5においては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載の振動式圧力センサにおいて、
前記振動梁本体は、前記測定ダイアフラムに絶縁膜を介して設けられたことを特徴とする。
According to Claim 5 of the present invention, in the vibration type pressure sensor according to any one of Claims 1 to 4,
The vibrating beam main body is provided on the measurement diaphragm via an insulating film.
本発明の請求項6においては、請求項5記載の振動式圧力センサにおいて、
前記絶縁膜は、酸化シリコン膜であることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the vibration type pressure sensor according to the fifth aspect,
The insulating film is a silicon oxide film.
本発明の請求項1から請求項4によれば、次のような効果がある。
(1)励振側と検出側が電気的に絶縁されているため、クロストークレベルが下がる振動式圧力センサが得られる。
(2)I型の単純構造を採用することにより、H型の設計上の制限であった高調波共振によるモードクロスがおこらない振動式圧力センサが得られる。
上記の理由により、S/N比が優れた振動式センサが得られる。
According to the first to fourth aspects of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) Since the excitation side and the detection side are electrically insulated, a vibration type pressure sensor with a reduced crosstalk level can be obtained.
(2) By adopting the I-type simple structure, it is possible to obtain a vibration type pressure sensor that does not cause mode crossing due to harmonic resonance, which is a limitation of the H-type design.
For the above reasons, a vibration sensor having an excellent S / N ratio can be obtained.
本発明の請求項5,請求項6によれば、次のような効果がある。
振動子とシェルが絶縁膜により絶縁されているため、駆動電流がシェルにもれない振動式圧力センサが得られる。
According to claims 5 and 6 of the present invention, the following effects can be obtained.
Since the vibrator and the shell are insulated by the insulating film, a vibration type pressure sensor in which the drive current does not flow in the shell can be obtained.
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例の要部構成説明図、図2から図9は、図1の製作説明図である。
図において、振動梁本体31は、測定ダイアフラム2に絶縁膜32(図示せず)を介して設けられたI形状の絶縁材よりなる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram of a main part configuration of an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 9 are manufacturing explanatory diagrams of FIG.
In the figure, the vibrating beam
駆動振動梁部33は、この振動梁本体31の一側面側に設けられ導電体よりなる。
検出振動梁部34は、この振動梁本体31の他側面側に設けられ導電体よりなる。
この場合は、振動梁本体31は,シリコン材よりなること
この場合は、駆動振動梁部33は、振動梁本体31にボロンあるいはリンを注入して形成されている。
The drive
The detection
In this case, the vibrating
この場合は、検出振動梁部34は、振動梁本体31にボロンあるいはリンを注入して形成されている。
41はリード部で,4箇所設けられている。
42はリード部に接続された電極である。
In this case, the detection
Reference numeral 41 denotes a lead portion, which is provided at four locations.
Reference numeral 42 denotes an electrode connected to the lead portion.
そして、(1)I型振動子の駆動振動梁部33と検出振動梁部34はPN接合部により電気的に絶縁されているので、駆動電流i0が検出側にもれ、クロストークレベルを増大させる恐れがない振動式センサが得られる。
(2)構造がI型で単純化でき,安価な振動式センサが得られる。
(3)振動子とシェルの間に絶縁膜 (SiO2)をはさむことによりシェルに流れてしまう駆動電流を大幅に減少させることができる。
(1) Since the drive
(2) The structure can be simplified with type I, and an inexpensive vibration sensor can be obtained.
(3) The drive current flowing in the shell can be significantly reduced by sandwiching an insulating film (SiO2) between the vibrator and the shell.
以上の構成において、測定ダイアフラム2に測定圧力Pmが加わると、振動梁33,34の軸カが変化し、固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測定圧カPmの測定が出来る。
この場合、振動33の励振側に駆動電流i0を流して振動梁34を励振させ、検出側に発生する誘導起電力eoutppにより共振周波数を検出する。
In the above configuration, when the measurement pressure Pm is applied to the
In this case, the drive current i0 is supplied to the excitation side of the
このような振動子は図2から図9に示す如くして製作する。
図2に示す如く、SOI基板を使用する。
図3に示す如く、SOI層101の駆動振動梁部33と検出振動梁部34とリード部41の相当部分に、ボロンあるいはリンを注入する。
Such a vibrator is manufactured as shown in FIGS.
As shown in FIG. 2, an SOI substrate is used.
As shown in FIG. 3, boron or phosphorus is implanted into the corresponding portions of the drive
図4に示す如く、SOI層101をドライエッチングして、振動子部分を形成する。
図5に示す如く、CVD法(化学気相成長法)により酸化シリコン層102と、駆動振動梁部33と検出振動梁部34とリード部41の相当部分に酸化シリコン層104を形成する。
As shown in FIG. 4, the
As shown in FIG. 5, the
図6に示す如く、CVD法(化学気相成長法)により酸化シリコン層104上にポリシリコン層105を形成する。
図7に示す如く、ポリシリコン層105に、酸化シリコン層102,104エッチング用の細穴106をドライエッチングにより空ける。
As shown in FIG. 6, a
As shown in FIG. 7, a
同時に、電極14形成部分のポリシリコン層105もエッチングする。
図8に示す如く、細穴106を介して酸化シリコン層102,104をウエットエッチングする。
図9に示す如く、ポリシリコン層105にポリシリコン層106を積層して、封止する。
At the same time, the
As shown in FIG. 8, the
As shown in FIG. 9, a
なお、前述の実施例においては、振動式センサを形成するウェハーはSOIよりなると説明したが、これに限ることはなく、たとえば、SIOXであっても良い。 In the above-described embodiment, it has been described that the wafer on which the vibration sensor is formed is made of SOI. However, the present invention is not limited to this, and may be, for example, SIOX.
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。 The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
この結果、
本発明によれば、次のような効果がある。
(1)励振側33と検出側34が電気的に絶縁されているため、クロストークレベルが下がる振動式圧力センサが得られる。
As a result,
The present invention has the following effects.
(1) Since the
(2)I型31の単純構造を採用することにより、H型の設計上の制限であった高調波共振によるモードクロスがおこらない振動式圧力センサが得られる。
(3)振動子とシェルが絶縁膜32により絶縁されているため、駆動電流がシェルにもれない振動式圧力センサが得られる
上記(1)〜(3)の理由により、S/N比が優れた振動式センサが得られる。
(2) By adopting the simple structure of the I-
(3) Since the vibrator and the shell are insulated by the insulating film 32, a vibration type pressure sensor in which the drive current does not flow in the shell is obtained. For the reasons (1) to (3) above, the S / N ratio is An excellent vibration sensor can be obtained.
1 センサチップ
2 測定ダイアフラム
3 凹部
4 歪み検出センサ
5 シェル
6 真空室
7 永久磁石
8 ヨーク
9 ヨークホルダ
11 スペーサ
21 キャツプ体
22 底部
23 開口部
24 開口縁部
25 溶接
26 孔
31 振動梁本体
32 絶縁膜
33 駆動振動梁部
34 検出振動梁部
41 リード部
42 電極
eout 誘導起電力
i0 駆動電流
R1 振動子の抵抗
R2 シェルの抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記測定ダイアフラムに設けられたI形状の絶縁材よりなる振動梁本体と、
この振動梁本体の一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、
この振動梁本体の他側面側に設けられ導電体よりなる検出振動梁部と
を具備したことを特徴とする振動式圧力センサ。 In a vibration type pressure sensor comprising a measurement diaphragm to which a measurement pressure is applied and a vibrating beam provided on the measurement diaphragm,
A vibrating beam main body made of an I-shaped insulating material provided on the measurement diaphragm;
A drive vibration beam portion made of a conductor provided on one side of the vibration beam body;
A vibration type pressure sensor comprising: a detection vibration beam portion made of a conductor provided on the other side surface of the vibration beam main body.
を特徴とする請求項1記載の振動式圧力センサ。 The vibration type pressure sensor according to claim 1, wherein the vibration beam main body is made of a silicon material.
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動式圧力センサ。 The vibration type pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein the drive vibration beam portion is formed by injecting boron or phosphorus into the vibration beam main body.
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動式圧力センサ。 The vibration type pressure sensor according to claim 1, wherein the detection vibration beam portion is formed by injecting boron or phosphorus into the vibration beam main body.
を特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の振動式圧力センサ。 The vibration type pressure sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration beam main body is provided on the measurement diaphragm via an insulating film.
を特徴とする請求項5記載の振動式圧力センサ。
The vibration type pressure sensor according to claim 5, wherein the insulating film is a silicon oxide film.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003376707A JP2005140614A (en) | 2003-11-06 | 2003-11-06 | Oscillating type pressure sensor |
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
JP2013117419A (en) * | 2011-12-02 | 2013-06-13 | Yokogawa Electric Corp | Manufacturing method of oscillatory transducer |
-
2003
- 2003-11-06 JP JP2003376707A patent/JP2005140614A/en active Pending
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JP2013117419A (en) * | 2011-12-02 | 2013-06-13 | Yokogawa Electric Corp | Manufacturing method of oscillatory transducer |
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