JP2006332991A - Controller and control method for resonance frequency of piezoelectric resonance type sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば超音波センサ素子、音波センサ素子又は振動センサ素子である圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御装置及び制御方法に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for controlling a resonance frequency of a piezoelectric resonance sensor element, for example, an ultrasonic sensor element, a sound wave sensor element, or a vibration sensor element.
従来、例えば、所定の共振周波数を有し超音波を検出可能な圧電共振型センサ素子にてなる複数の超音波センサ素子を所定の2次元形状で並置してなる超音波アレイセンサ装置を用いて、電子走査による物体認識により立体形状の計測画像を得ることが実用化されているが、超音波アレイセンサ装置では、各超音波センサ素子からの出力信号を処理することにより、センサ素子自身は固定したままで電気的に計測方位を走査することができる。 Conventionally, for example, using an ultrasonic array sensor device in which a plurality of ultrasonic sensor elements each having a predetermined resonance frequency and capable of detecting ultrasonic waves are juxtaposed in a predetermined two-dimensional shape. Although it is practical to obtain a three-dimensional measurement image by object recognition by electronic scanning, in the ultrasonic array sensor device, the sensor element itself is fixed by processing the output signal from each ultrasonic sensor element. It is possible to electrically scan the measurement direction as it is.
例えば、特許文献1においては、被測定物体の位置測定を含む物体認識を行うための超音波センサ素子が開示されており、当該超音波センサ素子では、強誘電体であるPZTセラミックス薄膜層を2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサで構成され、超音波センサ素子の測定動作中において、上記2つの電極間に所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子の共振周波数を変化させることを特徴としている。また、複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置において、複数の超音波センサ素子の測定動作中において、各超音波センサ素子の2つの電極間にそれぞれ所定のバイアス電圧を印加することにより、各超音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一致するように変化させることを特徴としている。 For example, Patent Document 1 discloses an ultrasonic sensor element for performing object recognition including position measurement of an object to be measured. In the ultrasonic sensor element, two PZT ceramic thin film layers that are ferroelectrics are provided. It consists of a piezoelectric sensor that is sandwiched between two electrodes and detects ultrasonic waves with a predetermined resonance frequency, and applies a predetermined bias voltage between the two electrodes during the measurement operation of the ultrasonic sensor element. Thus, the resonance frequency of the ultrasonic sensor element is changed. Further, in the ultrasonic array sensor device in which a plurality of ultrasonic sensor elements are juxtaposed, a predetermined bias voltage is applied between the two electrodes of each ultrasonic sensor element during the measurement operation of the plurality of ultrasonic sensor elements. Thus, the resonance frequency of each ultrasonic sensor element is changed so as to substantially coincide with each other.
フェーズドアレイにより角度走査可能な超音波センサや異常音・異常振動検知センサなどでは、その共振周波数が所望の値に精密に一致している必要があるが、実際にはデバイス作製プロセスの精度の限界により、デバイス作製後にトリミング等の調整を行って共振周波数の調整を行う必要があり、製造工程が複雑になり、製造コストが増大するという問題点があった。 Ultrasonic sensors that can be angle-scanned by phased array, abnormal sound / vibration detection sensors, etc. need to have the resonance frequency precisely matched to the desired value. Therefore, it is necessary to adjust the resonance frequency by adjusting trimming after the device is manufactured, which causes a problem that the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases.
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に比較して製造工程が簡単であって、製造コストを軽減できる圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置及び制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control device and a control method for a resonance frequency of a piezoelectric resonance type sensor element, which solves the above-described problems, has a simpler manufacturing process than the conventional example, and can reduce the manufacturing cost. It is in.
第1の発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置は、強誘電体を2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して振動波を検出して、検出結果の出力信号を出力する圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御装置において、
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するための可変直流電圧源と、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力する電流増幅手段と、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力する周波数計測手段と、
所望の共振周波数を入力する入力手段と、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
The control device for the resonance frequency of the piezoelectric resonance sensor element according to the first invention comprises a ferroelectric substance sandwiched between two electrodes, detects a vibration wave having a predetermined resonance frequency, and detects the result. In the control device for controlling the resonance frequency of the piezoelectric resonance sensor element that outputs the output signal of
A variable DC voltage source for applying a predetermined DC bias voltage to the output signal;
A current amplifying means for amplifying the current of the output signal and outputting the current amplified signal as a detection signal;
Frequency measuring means for measuring the frequency of the detection signal and outputting a signal indicating the measured frequency;
Input means for inputting a desired resonance frequency;
The input resonance frequency is compared with the measured frequency, and the variable DC voltage source is set so that the input resonance frequency and the measured frequency substantially coincide with each other based on the comparison result. And a control means for controlling the direct current bias voltage.
上記圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置において、上記周波数計測手段と上記制御手段と上記電流増幅手段とはFPGA(Field Programmable Gate Array)、A/D変換器及びD/A変換器により構成されたことを特徴とする。 In the resonance frequency control device for the piezoelectric resonance type sensor element, the frequency measuring means, the control means, and the current amplifying means are configured by an FPGA (Field Programmable Gate Array), an A / D converter, and a D / A converter. It is characterized by that.
第2の発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御方法は、強誘電体を2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して振動波を検出して、検出結果の出力信号を出力する圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御方法において、
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するステップと、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力するステップと、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力するステップと、
所望の共振周波数を入力するステップと、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御するステップとを含むことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for controlling a resonance frequency of a piezoelectric resonance type sensor element comprising a ferroelectric substance sandwiched between two electrodes, detecting a vibration wave having a predetermined resonance frequency, and detecting results. In the control method for controlling the resonance frequency of the piezoelectric resonance sensor element that outputs the output signal of
Applying a predetermined DC bias voltage to the output signal;
Amplifying the current of the output signal and outputting the current amplified signal as a detection signal;
Measuring the frequency of the detection signal, and outputting a signal indicating the measured frequency;
Inputting a desired resonance frequency;
The input resonance frequency is compared with the measured frequency, and the variable DC voltage source is set so that the input resonance frequency and the measured frequency substantially coincide with each other based on the comparison result. And controlling the direct current bias voltage.
従って、本発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置及び制御方法によれば、素子デバイスの完成後に動的に共振周波数を制御することができるので、素子デバイス作製に非常に高度な精度を要求せず、また完成後のトリミング等の工程が不要になる。これによりデバイス作製工程が簡略化されるとともに不良品率も低下し、トータルコストを大幅に下げることができる。また、当該装置の使用中も動的に共振周波数を制御できるので、経時変化による周波数ずれも自動的に補正することができ、メンテナンスの手間とランニングコストを下げることができる。さらに、単一の素子デバイスでも、使用状況に応じて初期値の特定周波数以外の周波数に逐次変更することができるため、測定の仕様変更があっても同一の素子デバイスを使用し続けることができる。 Therefore, according to the control device and the control method of the resonance frequency of the piezoelectric resonance type sensor element according to the present invention, the resonance frequency can be dynamically controlled after the element device is completed. No accuracy is required, and a trimming process after completion is not necessary. As a result, the device manufacturing process is simplified, the defective product rate is reduced, and the total cost can be greatly reduced. In addition, since the resonance frequency can be dynamically controlled even during use of the apparatus, it is possible to automatically correct a frequency shift due to a change with time, thereby reducing maintenance labor and running costs. Furthermore, even a single element device can be sequentially changed to a frequency other than the specific frequency of the initial value according to the usage situation, so that the same element device can continue to be used even if there is a change in measurement specifications. .
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.
第1の実施形態.
図1は本発明に係る第1の実施形態である超音波センサ素子20の共振周波数の制御装置の構成を示すブロック図であり、図3は第1の実施形態及び後述する第2の実施形態で用いる超音波センサ素子20の構造を示す縦断面図である。
First embodiment.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a resonance frequency control device for an
本実施形態に係る、圧電共振型センサ素子である超音波センサ素子20は、図3に示すように、強誘電体であるPZTセラミックス薄膜層17を2つの電極16,18で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電共振型センサ素子で構成され、超音波センサ素子20の測定動作中において、上記2つの電極16,18間に図1の可変直流電圧源30から所定の直流バイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子20の共振周波数を変化させる。当該超音波センサ素子20において、図1に示すように、超音波センサ素子20からの出力信号の電流を電流増幅アンプ31により増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力し、周波数カウンタ32は上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号をコンパレータ33により、可変直流電圧源34からの設定された所望の共振周波数に対応する直流電圧と比較し、上記所望の共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように可変直流電圧源30の直流バイアス電圧を制御することを特徴としている。
As shown in FIG. 3, the
まず、本実施形態において用いる、超音波センサ素子20の構造及び製造方法について以下に説明する。超音波センサ素子20の感音部の薄板構造としては、ダイアフラム(四辺固定)、ブリッジ(二辺固定)又はカンチレバー(一辺固定)の形状が一般によく用いられる。これらの薄板構造は、公知の通り、その材質及び寸法が同じであれば、正方形板においてそれぞれの共振周波数fd、fb、fcが次式の関係にある。なお、当該明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数式番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式(1)」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して用いることとする。
First, the structure and manufacturing method of the
[数1]
fd:fb:fc=35.99:22.37:3.494 (1)
[Equation 1]
fd: fb: fc = 35.99: 22.37: 3.494 (1)
また、同じ形状については共振周波数は一辺の長さの二乗に反比例して低くなる。従って、共振周波数が同じであれば、ダイアフラムよりブリッジ、ブリッジよりカンチレバーの方が小型の超音波センサ素子20を作製することができ、それだけ限られたチップ面積に多数の超音波センサ素子20からなる超音波アレイセンサ装置を構成できる。
For the same shape, the resonance frequency decreases in inverse proportion to the square of the length of one side. Therefore, if the resonance frequency is the same, the
しかしながら、
(1)シリコンの異方性エッチングを利用したバルクマイクロマシニングによりこれら薄板構造を作る。
(2)圧電層として、良好な圧電性を有するゾルゲル製膜法によるPZTセラミックス薄膜が有効である。
というプロセス上の要求、及び
(3)アレイの一部でも不良部分があると、そのチップ全体の機能が失われるというアレイセンサ(特に合成開口型)の問題点に対処するためには、異方性エッチングが完了したダイアフラム上に、ポストプロセスとしてゾルゲル製膜法により圧電層を製膜するというプロセスが最も作製歩留まりが高いと考えられる。そこで本実施形態に係るプロセスではこの方針で超音波センサ素子20を作製することとした。
However,
(1) These thin plate structures are formed by bulk micromachining using anisotropic etching of silicon.
(2) As the piezoelectric layer, a PZT ceramic thin film by a sol-gel film forming method having good piezoelectricity is effective.
In order to deal with the problem of array sensors (especially synthetic aperture type) that the function of the whole chip is lost when there is a defective part in the part of the array and (3) part of the array, it is anisotropic. The process of forming a piezoelectric layer by a sol-gel film forming method as a post process on a diaphragm that has been subjected to reactive etching is considered to have the highest production yield. Therefore, in the process according to the present embodiment, the
本実施形態に係る超音波センサ素子20の構造を示す断面図を図3に示す。一辺の長さa[m]の正方形ダイアフラムの共振周波数fr[Hz]は次式により求めることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the
ここで、各変数は以下の表に示す通りである。 Here, each variable is as shown in the following table.
[表1]
ダイアフラムの共振周波数を決める各変数
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
変数 単位 意味
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
α 振動モードによる係数。正方形板の最低次ではα≒35.99。
ν ダイアフラム全体のポアソン比(ここでは、0.3)。
t [m] ダイアフラムの全厚。
ti [m] 第i層の膜厚。
ρ [kg/m3] ダイアフラム全体の体積質量密度。
ρi [kg/m3] 第i層の材料の密度。
Ei [Pa] 第i層の材料のヤング率。
hi [m] 第i層の高さ。
K [Nm] ダイアフラムの曲げ剛性。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
[Table 1]
Each variable that determines the resonance frequency of the diaphragm ―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Variable Unit Meaning ――――――――――――――――――――――――――――――――――――
α Coefficient by vibration mode. In the lowest order of the square plate, α ≒ 35.99.
ν Poisson's ratio of the entire diaphragm (here 0.3).
t [m] The total thickness of the diaphragm.
t i [m] Film thickness of the i-th layer.
ρ [kg / m 3 ] Volume mass density of the entire diaphragm.
ρ i [kg / m 3 ] Density of the material of the i-th layer.
E i [Pa] Young's modulus of the material of the i-th layer.
h i [m] Height of the i-th layer.
K [Nm] Bending rigidity of the diaphragm.
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ダイアフラムの1辺の長さを0.5mm又は0.6mmとすると、上記式(2)から図2に示す構造の共振周波数frを計算すると次式のようになる。 When the length of one side of the diaphragm is 0.5 mm or 0.6 mm, the resonance frequency fr of the structure shown in FIG. 2 is calculated from the above equation (2), and the following equation is obtained.
[数2]
fr=147[kHz],a=0.5[mm]のとき (3)
[数3]
fr=102[kHz],a=0.6[mm]のとき (4)
[Equation 2]
When fr = 147 [kHz] and a = 0.5 [mm] (3)
[Equation 3]
When fr = 102 [kHz] and a = 0.6 [mm] (4)
なお、これらの値はすべてバルクでの材料定数であるので、実際に作製した薄膜で構成される圧電共振型センサ素子ではこの値からずれる可能性がある。アレイのサイズは、実際には特定のアプリケーション毎に決まるチップサイズから制限を受ける。ここでは、本実施形態に係るアプリケーションに対して包括的に適用し得るチップサイズとして、TO−79型金属パッケージを基準サイズとした。例えば、複数の超音波センサ素子20を用いてアレイ配置することより、最大で三重リングプラス中心で例えば合計37個の超音波センサ素子のアレイを構成できる。このような構成にしておけば、たとえ各素子の特性がばらついていても、比較的特性の揃った一群の素子を選ぶことによって、リニアアレイや小規模なリングアレイを構成して特性評価を行うこともできる。
Since these values are all material constants in bulk, there is a possibility of deviation from this value in a piezoelectric resonance type sensor element composed of an actually manufactured thin film. The size of the array is actually limited by the chip size determined for each specific application. Here, the TO-79 type metal package is used as a reference size as a chip size that can be comprehensively applied to the application according to the present embodiment. For example, by arranging an array using a plurality of
次いで、超音波センサ素子20の作製プロセスについて以下に説明する。上述のように、薄板構造をダイアフラム構造とし、圧電層としてスピンコートによるゾルゲル製膜法を用いる。このゾルゲル製膜法は、複合金属アルコキシド溶液を加水分解と重縮合等により粘度調整した前駆体溶液を,スピンコートによって製膜し(ゲル膜)、熱処理で結晶化させる製膜プロセスのことである。なお、圧電層の形成は異方性エッチングが完了した後である。上記ゾルゲル製膜法で用いるPZTゾルゲル前駆体溶液の組成を次の表に示す。
Next, a manufacturing process of the
[表2]
PZTゾルゲル前駆体溶液の組成
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
溶媒 2−メトキシエタノール
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Pb成分 酢酸鉛3水和物
Zr成分 Zrノルマルブトキシド
Ti成分 Tiイソプロポキシド
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
PZT組成 Pb:Zr:Ti=115:52:48
濃度 Pb1.15Zr0.52Ti0.48O3.15として15%wt
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
[Table 2]
Composition of PZT sol-gel precursor solution ―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Solvent 2-Methoxyethanol ――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Pb component Lead acetate trihydrate Zr component Zr normal butoxide Ti component Ti isopropoxide ――――――――――――――――――――――――――――――― ――――
PZT composition Pb: Zr: Ti = 115: 52: 48
Concentration Pb 1.15 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3.15 as 15% wt
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
(a)出発基板として市販のSOI(Silicon On Insulator)構造を有する半導体チップウエハ10を用いる。ここで、半導体チップウエハ10は、裏面に厚さ0.4μmのSiO2にてなる絶縁膜層11を有するSi半導体基板10上に、厚さ0.1μmのSiO2にてなる絶縁膜層13を介して厚さ2.2μmのSi半導体活性層14が形成されてなる。4インチ基板1枚を2枚にダイシングして用いる。1ウエハ当たり4チップを配置している。
(A) A
(b)異方性エッチング時のマスク用及び下部電極層16間の絶縁のために半導体チップウエハ10の両面を熱酸化する。炉内温度1,000°Cにて、最初O2を5.0リットル/分のみで5分間ドライ酸化した後、O2(5.0リットル/分)+H2(4.5リットル/分)で90分ウェット酸化する。絶縁膜層17の厚さは0.38〜0.44μmで、EPW(Ethylenediamine Pyrocatechol Water;エチレンジアミン(強アルカリ性の液体)と、ピロカテコール(粒状のアルコール)と、水との混合液で、シリコンの異方性エッチングに用いるエッチング液である。)による異方性エッチングに十分耐える厚さである。
(B) Both sides of the
(c)下部電極層16としてPt/TiをRFスパッタ装置により製膜する。Arガス流量44sccmでかつ1Paの雰囲気において、まず、Tiを500Wで1分、次に、Ptを200Wで10分間スパッタリングすることにより、それぞれ膜厚0.02μm及び0.2μmを得る。フォトレジストによるリフトオフによりパターニングするため製膜時に加熱することはできないが、作製した膜をX線回折装置(以下、XRD(X-Ray Diffractometer)により評価すると、Pt(111)単一配向でPZTセラミックス薄膜層17の下部電極層16として十分良質の薄膜が形成されることを確認している。
(C) Pt / Ti is formed as the
(d)異方性エッチング用の窓として裏面の絶縁膜層11をBHF(Buffered Hydro-Fluoric acid;緩衝弗酸(弱酸性の液体)、すなわち、弗酸と弗化アンモニウムの混合溶液で、主にシリコン酸化物をエッチングするために用いる。)のエッチング液でエッチングする。この際、裏面の窓のパターンが表面のセンサ用ダイアフラムの下部電極16の電極パターンと正確に重なるように、両面マスクアライナによりパターン合わせを行う。
(D) The insulating
(e)異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成する。エッチャントとしてはEPWを用い、114°Cで8〜10時間エッチングを行う。半導体チップウエハ10内の各エッチングホールで、エッチングレートが若干ばらついたが、SOI構造のI層である絶縁膜層13でエッチングはほぼ停止するので、最もエッチングレートの遅いエッチホールに合わせてエッチングを行うことにより、ダイアフラム構造を完成した。
(E) A diaphragm structure is formed by anisotropic etching. Etch is used as an etchant, and etching is performed at 114 ° C. for 8 to 10 hours. Although the etching rate varies slightly in each etching hole in the
(f)SOI構造のI層である絶縁膜層13は上述の異方性エッチングの停止層として不可欠であるが、最終的な構造としては内部応力の原因となり得るので、異方性エッチング終了後除去する必要がある。通常の熱酸化膜であるので、BHFによりエッチングすることで除去する。
(F) The insulating
(g)ゾルゲル製膜法により圧電層としてPZTセラミックス薄膜層17を製膜する。圧電層製膜後下部電極のコンタクトホールとしてPZTセラミックスを弗硝酸(HF:HNO3:H2O=1:1:1)でエッチングする。1μmの厚みのPZTセラミックス薄膜層17をエッチングするために要する時間は10〜30秒で、この際のサイドエッチング量は5〜10μmである。
(G) A PZT ceramic
(h)PZTセラミックス薄膜層17の短絡保護及び上部電極層18の面積制御のための絶縁膜層25としてフォトレジスト層を形成してパターニングする。フォトレジストの対有機溶媒耐性を上げるために、ポストベイクにて120°Cから200°Cまで徐々に温度を上げ硬化させる。これによりレジストはアセトンにほとんど溶解しなくなる。
(H) A photoresist layer is formed and patterned as an insulating
(i)上部電極層18としてPtをRFスパッタ装置により製膜する。製膜条件は工程(c)と同じで膜厚0.2μmである。超音波センサ素子20の上部電極層18としては工程(h)のフォトレジスト層で電極形状を形成しているので特にパターニングを必要としない。また、工程(h)での高温のベイクによりレジストの段差部に十分緩やかなテーパが生じるので、上部電極層18が断線することはない。なお、下部電極層16のコンタクトホール上のマスキングには耐熱性カプトンテープを使用する。
(I) Pt is formed as the
以上のプロセスで超音波センサ素子20を作製した後、ウエハ10をダイシングしチップを分離して、パッケージに固定し各電極層16,18に対してボンディング19により引き出し導線21,22を接続した後、それぞれの引き出し導線21,22を端子T1,T2に接続し、ボンディングしてセンサチップを完成する。
After the
図4は図3の超音波センサ素子20における共振周波数のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。すなわち、図4は、超音波センサ素子20の共振点の周波数、すなわち共振周波数の変化を直流バイアス電圧に対してプロットしたものである。図4から明らかなように、二つの山のあるヒステリシスを描くことがわかる。従って、超音波センサ素子20に印加する直流バイアス電圧を変化することにより共振周波数を調整することができる。すなわち、超音波センサ素子20の測定動作中において、強誘電体に対してダメージを与えるおそれがあるバイアス電圧を使用せず、上記2つの電極16,18間に所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子20の共振周波数を変化させることができる。
FIG. 4 is a graph showing the bias voltage dependence characteristics of the resonance frequency in the
さらに、図1の共振周波数の制御装置の構成について以下に詳述する。 Further, the configuration of the resonance frequency control device of FIG. 1 will be described in detail below.
図1において、超音波センサ素子20の両端子T1,T2からの出力信号の電流を比較的小さい入力インピーダンスを有する電流増幅アンプ31により電流増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として端子T3及び周波数カウンタ33に出力する。次いで、周波数カウンタ32は上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号をコンパレータ33の非反転入力端子に出力する。一方、設定すべき所望の共振周波数は、操作者により入力制御装置である周波数設定器35に入力され、周波数設定器35は入力された所望の共振周波数に対応する直流電圧が出力するように可変直流電圧源34を制御する。可変直流電圧源34からの所望の共振周波数に対応する直流電圧はコンパレータ33の反転入力端子に入力される。コンパレータ33は、計測された周波数を、可変直流電圧源34からの設定された所望の共振周波数に対応する直流電圧と比較し、上記所望の共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように可変直流電圧源30の直流バイアス電圧を制御する。
In FIG. 1, the current of the output signal from both terminals T1 and T2 of the
すなわち、当該制御装置の原理は以下の通りである。強誘電体にバイアス電圧を印加するとその分極特性を変化させることができ誘電率を制御することができる。強誘電体の圧電性は分極特性と密接な関係があり、バイアス電圧印加により同様に圧電率も制御することができる。圧電共振型センサ素子の圧電型振動体において、誘電率と圧電率の変化により、電気・機械結合を通して等価的に弾性率を変化させることと同等の効果を得ることができ、機械的振動の共振周波数を変化させることができる。電流出力としてセンサ信号を取り出し、その周波数の値からセンサに印加するバイアス電圧を適切な値にフィードバックすることにより、動的に共振周波数を制御することができる。 That is, the principle of the control device is as follows. When a bias voltage is applied to the ferroelectric, its polarization characteristics can be changed and the dielectric constant can be controlled. The piezoelectricity of the ferroelectric has a close relationship with the polarization characteristics, and the piezoelectricity can be similarly controlled by applying a bias voltage. In the piezoelectric vibrating body of the piezoelectric resonance sensor element, the effect equivalent to changing the elastic modulus equivalently through electrical / mechanical coupling can be obtained by changing the dielectric constant and the piezoelectric constant. The frequency can be changed. By extracting a sensor signal as a current output and feeding back a bias voltage applied to the sensor from the value of the frequency to an appropriate value, the resonance frequency can be controlled dynamically.
以上説明したように、本実施形態に係る制御装置によれば、可変直流電圧源30から超音波センサ素子20への直流バイアス電圧の印加により、超音波センサ素子20の強誘電体の分極状態を制御することにより、超音波センサ素子20の共振周波数を動的に制御することができる。共振周波数はセンサ出力信号波形から計測できるので、所望の共振周波数とのずれを補正するための直流バイアス電圧を超音波センサ素子20に印加することにより共振周波数を制御する。ここで、センサ出力信号は電流増幅アンプ31により電流増幅するので、バイアス電圧印加の影響を受けずに出力信号を取り出すことができる。
As described above, according to the control device according to the present embodiment, the polarization state of the ferroelectric substance of the
本実施形態の具体例としては、以下が考えられる。厳密に共振周波数の一致が必要とされるフェーズドアレイ型の超音波センサ素子において、全素子の共振周波数を同一の一定値に保つことに利用する。異常音・異常振動検知センサ素子において、検知すべき特定音・特定振動の周波数にあわせるために使用するとともに、さらに検知周波数を順次変えることにより単一素子でスペクトル分析を行う。振動型加速度センサ・ジャイロにおいて、振動の周波数を高精度に制御する。 The following can be considered as specific examples of the present embodiment. In a phased array type ultrasonic sensor element in which matching of the resonance frequencies is strictly required, it is used to keep the resonance frequencies of all elements at the same constant value. In the abnormal sound / abnormal vibration detection sensor element, it is used to match the frequency of the specific sound / specific vibration to be detected, and the spectrum is analyzed with a single element by sequentially changing the detection frequency. In the vibration type acceleration sensor / gyro, the vibration frequency is controlled with high accuracy.
従って、本実施形態に係る超音波センサ素子20の共振周波数の制御装置及び制御方法によれば、素子デバイスの完成後に動的に共振周波数を制御することができるので、素子デバイス作製に非常に高度な精度を要求せず、また完成後のトリミング等の工程が不要になる。これによりデバイス作製工程が簡略化されるとともに不良品率も低下し、トータルコストを大幅に下げることができる。また、当該装置の使用中も動的に共振周波数を制御できるので、経時変化による周波数ずれも自動的に補正することができ、メンテナンスの手間とランニングコストを下げることができる。さらに、単一の素子デバイスでも、使用状況に応じて初期値の特定周波数以外の周波数に逐次変更することができるため、測定の仕様変更があっても同一の素子デバイスを使用し続けることができる。
Therefore, according to the control device and the control method for the resonance frequency of the
第2の実施形態.
図2は本発明に係る第2の実施形態である超音波センサ素子20の共振周波数の制御装置の構成を示すブロック図である。第2の実施形態に係る超音波センサ素子20のための共振周波数の制御装置は、図1の周波数カウンタ32と、コンパレータ33と、可変直流電圧源34と、可変直流電圧源30とを、データ入力装置50を備えたFPGA(Field Programmable Gate Array)40、A/D変換器36及びD/A変換器37により構成したことを特徴としております。以下、第1の実施形態との相違点について詳述する。
Second embodiment.
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the resonance frequency control device of the
図2において、電流増幅アンプ31からの検出信号は、A/D変換器36によりディジタル検出信号にA/D変換された後、入出力インターフェース44を介してFPGA40に入力される。FPGA40は、中央演算装置であるコントローラのCPU41と、FPGA40において実行するソフトウェアのプログラム及びデータを記憶するとともにワーキングメモリとして動作するRAM42と、データ入力装置50に接続された入力インターフェース43と、A/D変換器36及びD/A変換器37が接続された入出力インターフェース44とがバス45を介して構成されてなる。ここで、FPGA40に格納されるソフトウェアプログラムは、少なくとも周波数カウンタ32と、コンパレータ33と、可変直流電圧源34の機能を有する。操作者が設定したい所望の共振周波数は予めデータ入力装置50を用いて入力され、そのデータは入力インターフェース43を介してCPU42に入力され、さらにRAM42に一時的に記憶される。CPU41は、A/D変換器36から入出力インターフェース44を介して入力される検出信号の周波数を計測し、計測された周波数と、予め入力された所望の共振周波数とを比較し、上記所望の共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するような直流バイアス電圧を計算して、それを示すディジタル電圧信号を入出力インターフェース44を介してD/A変換器37に出力する。D/A変換器37は入力されるディジタル電圧信号をアナログ直流電圧にD/A変換した後、超音波センサ素子20の両端子T1,T2に印加する。
In FIG. 2, the detection signal from the current amplification amplifier 31 is A / D converted into a digital detection signal by the A /
以上のように構成された第2の実施形態に係る制御装置では、第1の実施形態に係る制御装置と同様に、超音波センサ素子20の共振周波数を所望の共振周波数に動的に設定することができ、すなわち、第1の実施形態と同様の作用効果を有する。
In the control device according to the second embodiment configured as described above, similarly to the control device according to the first embodiment, the resonance frequency of the
変形例.
以上の実施形態においては、圧電共振型センサ素子の一例として、超音波センサ素子20について説明しているが、本発明はこれに限らず、圧電共振型センサ素子を用いた、音波センサ素子、機械振動検出センサ素子などであってもよい。
Modified example.
In the above embodiment, the
以上の実施形態においては、圧電共振型センサ素子のための強誘電体として、PZTセラミックスを用いたが、本発明はこれに限らず、チタン酸バリウム又はチタン酸鉛などのセラミックス、もしくはポリ弗化ビニリデンなどの高分子材料を用いてもよい。 In the above embodiments, PZT ceramics are used as the ferroelectric for the piezoelectric resonance sensor element. However, the present invention is not limited to this, and ceramics such as barium titanate or lead titanate, or polyfluoride are used. A polymer material such as vinylidene may be used.
以上の実施形態においては、2つの電極16,18で挟設された強誘電体にてなる圧電共振型センサ素子を用いて強誘電体に対して縦方向(厚さ方向)の電界が印加されるようにしているが、本発明はこれに限らず、強誘電体上に所定の間隔をおいて形成された2つの電極にバイアス電圧又はポーリング電圧を印加することにより、強誘電体に対して横方向(平行平板方向)の電界が印加するようにしてもよい。
In the above embodiment, an electric field in the vertical direction (thickness direction) is applied to the ferroelectric using the piezoelectric resonance type sensor element made of the ferroelectric sandwiched between the two
以上詳述したように、本発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置及び制御方法によれば、素子デバイスの完成後に動的に共振周波数を制御することができるので、素子デバイス作製に非常に高度な精度を要求せず、また完成後のトリミング等の工程が不要になる。これによりデバイス作製工程が簡略化されるとともに不良品率も低下し、トータルコストを大幅に下げることができる。また、当該装置の使用中も動的に共振周波数を制御できるので、経時変化による周波数ずれも自動的に補正することができ、メンテナンスの手間とランニングコストを下げることができる。さらに、単一の素子デバイスでも、使用状況に応じて初期値の特定周波数以外の周波数に逐次変更することができるため、測定の仕様変更があっても同一の素子デバイスを使用し続けることができる。 As described above in detail, according to the control device and the control method of the resonance frequency of the piezoelectric resonance type sensor element according to the present invention, the resonance frequency can be dynamically controlled after the element device is completed. Therefore, a very high accuracy is not required, and a process such as trimming after completion is not necessary. As a result, the device manufacturing process is simplified, the defective product rate is reduced, and the total cost can be greatly reduced. In addition, since the resonance frequency can be dynamically controlled even during use of the apparatus, it is possible to automatically correct a frequency shift due to a change with time, thereby reducing maintenance labor and running costs. Furthermore, even a single element device can be sequentially changed to a frequency other than the specific frequency of the initial value according to the usage situation, so that the same element device can continue to be used even if there is a change in measurement specifications. .
10…半導体チップウエハ、
11…半導体基板、
12,13,15,25…絶縁膜層、
14…半導体活性層、
16,18…電極層、
17…PZTセラミックス薄膜層
19…ボンディング、
20…超音波センサ素子、
21,22…引き出し導線、
30,34…可変直流電圧源、
31…電流増幅アンプ、
32…周波数カウンタ、
33…コンパレータ、
35…周波数設定器、
36…A/D変換器、
37…D/A変換器、
40…FPGA、
41…CPU、
42…RAM、
43…入力インターフェース、
44…入出力インターフェース、
45…バス、
50…データ入力装置、
T1,T2,T3…端子。
10: Semiconductor chip wafer,
11 ... Semiconductor substrate,
12, 13, 15, 25 ... insulating layer,
14 ... Semiconductor active layer,
16, 18 ... electrode layer,
17 ... PZT ceramic
20 ... ultrasonic sensor element,
21, 22 ... Lead-out conductors,
30, 34 ... Variable DC voltage source,
31 ... Current amplification amplifier,
32 ... Frequency counter,
33 ... Comparator,
35 ... frequency setting device,
36 ... A / D converter,
37 ... D / A converter,
40 ... FPGA,
41 ... CPU,
42 ... RAM,
43 ... Input interface,
44 ... I / O interface,
45 ... Bus
50 ... Data input device,
T1, T2, T3 ... terminals.
Claims (3)
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するための可変直流電圧源と、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力する電流増幅手段と、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力する周波数計測手段と、
所望の共振周波数を入力する入力手段と、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置。 For controlling the resonance frequency of a piezoelectric resonance type sensor element that sandwiches a ferroelectric material between two electrodes, detects a vibration wave having a predetermined resonance frequency, and outputs an output signal as a detection result In the control device,
A variable DC voltage source for applying a predetermined DC bias voltage to the output signal;
A current amplifying means for amplifying the current of the output signal and outputting the current amplified signal as a detection signal;
Frequency measuring means for measuring the frequency of the detection signal and outputting a signal indicating the measured frequency;
Input means for inputting a desired resonance frequency;
The input resonance frequency is compared with the measured frequency, and the variable DC voltage source is set so that the input resonance frequency and the measured frequency substantially coincide with each other based on the comparison result. And a control means for controlling the direct current bias voltage of the piezoelectric resonance type sensor element.
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するステップと、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力するステップと、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力するステップと、
所望の共振周波数を入力するステップと、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御するステップとを含むことを特徴とする圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御方法。
For controlling the resonance frequency of a piezoelectric resonance type sensor element that sandwiches a ferroelectric material between two electrodes, detects a vibration wave having a predetermined resonance frequency, and outputs an output signal as a detection result In the control method,
Applying a predetermined DC bias voltage to the output signal;
Amplifying the current of the output signal and outputting the current amplified signal as a detection signal;
Measuring the frequency of the detection signal, and outputting a signal indicating the measured frequency;
Inputting a desired resonance frequency;
The input resonance frequency is compared with the measured frequency, and the variable DC voltage source is set so that the input resonance frequency and the measured frequency substantially coincide with each other based on the comparison result. And a method for controlling the resonance frequency of the piezoelectric resonance sensor element.
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JP2005152754A JP2006332991A (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Controller and control method for resonance frequency of piezoelectric resonance type sensor element |
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US9348027B2 (en) | 2011-06-13 | 2016-05-24 | Denso Corporation | Ultrasonic sensor device |
CN110324769A (en) * | 2018-03-28 | 2019-10-11 | 精工爱普生株式会社 | Ultrasonic sensor and ultrasonic unit |
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