JP2006003186A - 振動式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 出力が２倍に出来、信号増加によるＳ／Ｎ比が向上された振動式圧力センサを実現する。
【解決手段】 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半導体よりなる振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、
互いに平行に配置された第１，第２の振動梁と前記第１の振動梁と第２の振動梁とを連結する少なくとも１個の連結梁部とを有する振動梁本体と、前記第１の振動梁と第２の振動梁の軸方向の少なくとも一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、前記第１の振動梁と第２の振動梁の軸方向の他側面側にそれぞれ設けられた第１，第２の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である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、出力が２倍に出来、信号増加による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。

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。
特開平４−１１６７４８号（第４−５頁、図４、図６、図７）

図８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９は図８の要部拡大説明図詳細図、図１０は図９の要部拡大説明図、図１１は図８の動作説明図、図１２は図８の動作説明図、図１３は図８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。

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。

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。

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。

振動子４は、図１１、図１２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１２においては、振動子４はＨ形状が採用されている。

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。

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。

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１３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。

しかしながら、このような装置においては、振動子の励振側に駆動電流i0を流してＨ型の振動子を振動させる。そのとき検出側に発生する誘導起電力eoutにより周波数を検出する。入力梁と出力梁は分かれている。
振動子形状、磁束密度強さ等の制限により、出力電圧eoutが小さい。
素子を現在よりも小型化しようとすると出力電圧が小さくなりＳ/Ｎ比が低下し、信号検出が困難になるため、小型化できない。

要するに、
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。
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。
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。
上記により、振動子４の出力電圧のＳ／Ｎ比が悪化する。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、出力が２倍に出来、信号増加によるＳ／Ｎ比が向上され、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。

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半導体よりなる振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、
互いに平行に配置された第１，第２の振動梁と前記第１の振動梁と第２の振動梁とを連結する少なくとも１個の連結梁部とを有する振動梁本体と、前記第１の振動梁と第２の振動梁の軸方向の少なくとも一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、前記第１の振動梁と第２の振動梁の軸方向の他側面側にそれぞれ設けられた第１，第２の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。

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、
前記第１の検出振動梁部の一端と前記第２の検出振動梁部の一端とを電気的に接続する検出振動梁部接続部を具備したことを特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。
ことを特徴とする。

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、
前記検出振動梁部接続部は前記連結梁部に設けられたことを特徴とする。

本発明の請求項４においては、請求項１乃至請求項３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,シリコン材よりなることを特徴とする。
を特徴とする。

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、
前記駆動振動梁部と前記検出振動梁部とが絶縁帯もしくはＰＮジャンクションで電気的に絶縁されたことを特徴とする。

本発明の請求項６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。

本発明の請求項７においては、請求項１乃至請求項６の何れかに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。

本発明の請求項８においては、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の振動式圧力センサにおいて、
前記第１の振動梁と前記第２の振動梁とは逆相に振動されたことを特徴とする。

本発明の請求項１及び請求項２によれば、次のような効果が得られる。
検出振動梁部が、従来例より２倍の長さにすることができるので、振動子の出力を２倍にすることができる振動式圧力センサが得られる。
出力が大きく出来るので、Ｓ／Ｎ比が向上された振動式圧力センサが得られる。

出力が２倍になれば振動子長を半分にすることができるため、素子の小型化が可能となる。
素子の小型化ができるとセンサチップの小型化ができるため、センサチップのコストダウンが図れる振動式圧力センサが得られる。

素子の小型化により振動子とダイアフラムの質量比を大きくすることが可能であり、スプリアスの影響が小さくなる振動式圧力センサが得られる。
素子の小型化により素子を使用する計測器としての小型化も可能となり、大幅なコストダウンが見込める振動式圧力センサが得られる。

本発明の請求項３によれば、次のような効果が得られる。
検出振動梁部接続部は連結梁部に設けられたことので、半導体製造プロセスにおいて、同時に作り込むことができ、安価な振動式圧力センサが得られる。

本発明の請求項４によれば、次のような効果が得られる。
振動梁本体は,シリコン材よりなるので、シリコン材は市場性があり安価に入手出来るので、安価な振動式圧力センサが得られる。

本発明の請求項５によれば、次のような効果が得られる。
駆動振動梁部と検出振動梁部とが絶縁帯もしくはＰＮジャンクションで電気的に絶縁されたので、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。

本発明の請求項６によれば、次のような効果が得られる。
駆動振動梁部は、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ので、半導体プロセスを容易に利用することが出来、ＰＮジャンクションによる検出振動梁部と絶縁が容易に出来、安価な振動式圧力センサが得られる。

本発明の請求項７によれば、次のような効果が得られる。
検出振動梁部は、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ので、半導体プロセスを容易に利用することが出来、ＰＮジャンクションによる検出振動梁部と絶縁が容易に出来、安価な振動式圧力センサが得られる。

本発明の請求項８によれば、次のような効果が得られる。
第１の振動梁と第２の振動梁とは逆相に振動されたので、差動結合により、２本の梁に同相で存在するノイズは容易に打ち消すことが出来、しかも２倍の出力が容易に得られる振動式圧力センサが得られる。

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は図１の動作説明図である。
図において、振動梁本体３０は、第１，第２の振動梁３１，３２と連結梁部３３とを有する。

第１，第２の振動梁３１，３２とは、互いに平行に配置されている。
少なくとも１個の連結梁部３３は、第１の振動梁３１と第２の振動梁３２とを連結する。
駆動振動梁部３４は、第１の振動梁３１と第２の振動梁３２の軸方向の少なくとも一側面側に設けられ導電体よりなる。
検出振動梁部３５、３６は、第１の振動梁３１と第２の振動梁３２の軸方向の他側面側にそれぞれ設けられている。

検出振動梁部接続部３７は、第１の検出振動梁部の一端と前記第２の検出振動梁部の一端とを電気的に接続する。
この場合は、振動梁本体３０は、シリコン材よりなる。
また、振動梁本体３０は、測定ダイアフラム２に絶縁膜（図示せず）を介して設けられている。この場合は、絶縁膜は酸化シリコン膜が使用されている。

駆動振動梁部３４と検出振動梁部３５，３６とは、絶縁帯もしくはＰＮジャンクションで電気的に絶縁されている。
駆動振動梁部３４は、振動梁本体３０にボロンあるいはリンを注入して形成されている。
検出振動梁部３５，３６は、振動梁本体３０にボロンあるいはリンを注入して形成されている。

以上の構成において、Ｈ型振動子は、駆動振動梁部３４に交流電流を流すと、検出振動梁部３５と検出振動梁部３６とで逆相の誘導起電力が発生し、図２に示す如く、検出振動梁部３５と検出振動梁部３６とが逆相で振動する。
直，図２において、点線は振動前の形状Ｃを示す。
導体が磁束を横切ることにより、検出振動梁部３５と検出振動梁部３６には交流の誘導起電力が発生する。

検出振動梁部接続部３７を基準とすると、検出振動梁部３５には+Ｅ(または-Ｅ)の起電力が発生し、検出振動梁部３６には-Ｅ(または+Ｅ)の起電力が発生する。検出振動梁部接続部３７を基準とした場合、検出振動梁部３５と、検出振動梁部３６とには常に逆相の起電力が発生する。

検出振動梁部３５-検出振動梁部３６から起電力を取り出すと+Ｅ-(-E)=2Eとなり、を入力、出振動梁部３６を出力とするよりも同じ振動子の長さで２倍の出力が取り出せる。

この結果、
本発明によれば、次のような効果がある。
検出振動梁部３５，３６が、従来例より２倍の長さにすることができるので、振動子の出力を２倍にすることができる振動式圧力センサが得られる。
出力が大きく出来るので、Ｓ／Ｎ比が向上された振動式圧力センサが得られる。

出力が２倍になれば振動子長を半分にすることができるため、素子の小型化が可能となる。
素子の小型化ができるとセンサチップ１の小型化ができるため、センサチップ１のコストダウンが図れる振動式圧力センサが得られる。

素子の小型化により振動子とダイアフラム２の質量比を大きくすることが可能であり、スプリアスの影響が小さくなる振動式圧力センサが得られる。
素子の小型化により素子を使用する計測器としての小型化も可能となり、大幅なコストダウンが見込める振動式圧力センサが得られる。

第１の検出振動梁部３５の一端と第２の検出振動梁部３６の一端とを電気的に接続する検出振動梁部接続部３７が設けられたので、検出振動梁部３５，３６は従来例より実質的に２倍の長さとなり、振動子の出力を２倍にすることができる振動式圧力センサが得られる。

振動梁本体３０は,シリコン材よりなるので、シリコン材は市場性があり安価に入手出来るので、安価な振動式圧力センサが得られる。

駆動振動梁部３４と検出振動梁部３５，３６とが絶縁帯もしくはＰＮジャンクションで電気的に絶縁されたので、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。

駆動振動梁部３４は、振動梁本体３０にボロンあるいはリンを注入して形成されたので、半導体プロセスを容易に利用することが出来、安価な振動式圧力センサが得られる。

検出振動梁部３５，３６は、振動梁本体３０にボロンあるいはリンを注入して形成されたので、半導体プロセスを容易に利用することが出来、安価な振動式圧力センサが得られる。

振動梁本体３０は、測定ダイアフラム２に絶縁膜を介して設けられたので、振動子とダイアフラム２が絶縁膜により絶縁されているため、駆動電流がダイアフラム２に洩れない振動式圧力センサが得られる。

絶縁膜は、酸化シリコン膜が使用されたので、酸化シリコン膜は半導体プロセスを容易に利用することが出来、安価な振動式圧力センサが得られる。

第１の振動梁３１と第２の振動梁３２とは逆相に振動されたので、差動結合により、ノイズは容易に打ち消すことが出来、しかも２倍の出力が容易に得られる振動式圧力センサが得られる。

図３は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、検出振動梁部接続部３７は連結梁部３に設けられている。
この結果、検出振動梁部接続部３７は連結梁部３３に設けられたので、半導体製造プロセスにおいて、同時に作り込むことができ、安価な振動式圧力センサが得られる。

図４は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、連結梁部３３が３個設けられたものである。

図５は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、連結梁部３３が２個途中に設けられたものである。

図６は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、連結梁部３３が１個途中に設けられたものである。

図７は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、駆動振動梁部３４が、第１，第２の振動梁に設けられたものである。

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。

本発明の一実施例の要部構成説明図である。 図１の製作説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図である。 従来の振動式圧力センサの一例を示す要部構成説明図である。 図８の要部拡大説明図である。 図９の要部拡大説明図である。 図８の動作説明図である。 図８の動作説明図である。 図８の動作説明図である。

符号の説明

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
３０ 振動梁本体
３１ 第１の振動梁
３２ 第２の振動梁
３３ 連結梁部
３４ 駆動振動梁部
３５ 検出振動梁部
３６ 検出振動梁部
３７ 検出振動梁部接続部
Ｃ 振動前の形状
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

Claims (8)

1. 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半導体よりなる振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、
   互いに平行に配置された第１，第２の振動梁と
   前記第１の振動梁と第２の振動梁とを連結する少なくとも１個の連結梁部と
   を有する振動梁本体と、
   前記第１の振動梁と第２の振動梁の軸方向の少なくとも一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、
   前記第１の振動梁と第２の振動梁の軸方向の他側面側にそれぞれ設けられた第１，第２の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。
2. 前記第１の検出振動梁部の一端と前記第２の検出振動梁部の一端とを電気的に接続する検出振動梁部接続部
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。
3. 前記検出振動梁部接続部は前記連結梁部に設けられたこと
   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。
4. 前記振動梁本体は,シリコン材よりなること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の振動式圧力センサ。
5. 前記駆動振動梁部と前記検出振動梁部とが絶縁帯もしくはＰＮジャンクションで電気的に絶縁されたこと
   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。
6. 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
   を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の振動式圧力センサ。
7. 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
   を特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の振動式圧力センサ。
8. 前記第１の振動梁と前記第２の振動梁とは逆相に振動されたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の振動式圧力センサ。
   
   
   

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