JP2007187494A - Vibration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動検出器に係り、特に、MEMS技術を用いて作られる、加速度センサ、速度センサあるいは変位センサとして用いるのに好適な、低ノイズの振動検出器に関する。 The present invention relates to a vibration detector, and more particularly to a low noise vibration detector suitable for use as an acceleration sensor, a speed sensor, or a displacement sensor, which is manufactured using MEMS technology.
特許文献1に記載されているように、図1に示す如く、弾性部22によって変位自在に支持された可動極板21と、該可動極板21と対面する位置に固定された固定極板12、32とを備え、前記可動極板21と固定極板12、32で形成されるキャパシタの静電容量に基づいて可動極板21を変位せしめる被測定体の変位、速度、加速度のいずれかを検出する振動検出器が知られている。この振動検出器は、例えば、地震計や自動車用エアバックの加速度センサ等として用いられる。
As described in
図において、2は、中央に配置されたシリコン基盤、1及び3は、該シリコン基盤2を上下両側から挟む2つの透光材としてのガラス基盤、20は、前記シリコン基盤2の大部分を占める、板ばね状に形成された弾性部22と、該弾性部22によって厚さ方向に変位自在に支持された平面視円形の可動極板21とがエッチングによって一体的に設けられた本体部、23〜26は、電極取出し用のシリコン製の島、27は、ガス吸着剤としてのゲッタGを受け入れる収容部、11、31は制動用極板、13〜17はテーパ状の貫通孔であるリード線取付部、11a、31aは制動用電極、12aは検出用電極である。
In the figure, 2 is a silicon substrate disposed in the center, 1 and 3 are glass substrates as two light-transmitting materials sandwiching the
この状態において、当該検出部に対して外部から振動が印加されると、当該振動に起因して、弾性部22によって中立位置(平行位置)に支持された可動極板21が、当該弾性部22に拘束されながら板厚方向に変位する。これにより、上側の固定極板12と可動極板21によって形成される可変容量キャパシタの静電容量と、下側の固定極板32と可動極板21によって形成される可変容量キャパシタの静電容量とが相互に増減し、これに伴って両者の容量差が変動する。すると、図示しない制御部は、当該容量差の変動分に応じた電圧を、リード線取付部13及び14を通してボンディングされた各リード線(図示省略)を介して、制動用極板11、31に印加(フィードバック)することにより、当該各制動用極板11、31が生ぜしめる静電気力と、可動極板21の慣性力とを相殺する制御を行なう。これにより、外部からの振動に起因する可動極板21の変位を最小限に抑えることができる。その過程で、制御部は、各制動用極板11、31にフィードバックした電圧の大きさに基づいて、当該振動センサに印加された振動(例えば加速度)を検出し、外部に出力する。
In this state, when a vibration is applied to the detection unit from the outside, the
このような振動検出器の分解能は、可動極板(振動子とも称する)21の上下の隙間(サブミクロン〜5μm程度)に存在する気体分子の運動による熱雑音に起因している。 Such a resolution of the vibration detector is caused by thermal noise due to the movement of gas molecules existing in the upper and lower gaps (submicron to about 5 μm) of the movable electrode plate (also referred to as a vibrator) 21.
そこで、特許文献1には、ゲッタGを設けて、気体分子の数を低減することが記載されている。
Therefore,
又、前記熱雑音は、次式で表わされる。 The thermal noise is expressed by the following equation.
a=√(4kbλT)/m …(1) a = √ (4k b λT) / m ... (1)
ここで、aは振動検出器の入力換算のノイズ、kbはボルツマン定数、λは減衰係数、Tは温度、mは振動子21の質量である。
Here, a is noise input referred vibration detector, k b is the Boltzmann constant, lambda is the attenuation coefficient, T is the temperature, m is the mass of the
(1)式より、振動検出器の入力換算ノイズaは、減衰係数λに依存することが示されているが、この減衰係数λは、次式に示す如く、固定極板(固定電極とも称する)12、32と振動子21により構成されるギャップの形状に依存する。
The equation (1) shows that the input conversion noise a of the vibration detector depends on the attenuation coefficient λ. This attenuation coefficient λ is a fixed plate (also called a fixed electrode) as shown in the following expression. ) 12 and 32 and the shape of the gap formed by the
λ=(μeffS2/d0 3)α …(2) λ = (μ eff S 2 / d 0 3 ) α (2)
ここで、μeffは有効粘性係数、Sは面積、d0はギャップ、αは圧力に依存する係数で、低周波域では定数である。 Here, μ eff is an effective viscosity coefficient, S is an area, d 0 is a gap, α is a coefficient depending on pressure, and is a constant in a low frequency range.
一般に、振動子21が振動したときの内部圧が低くなるようにギャップの形状を決定すると、減衰係数λが小さくなり、気体分子の運動による熱雑音に起因した振動検出器の入力換算ノイズaを小さくすることができる。
In general, when the shape of the gap is determined so that the internal pressure when the
そこで、特許文献1の図7には、内部圧が最も大きくなる振動子21の中心に孔を開けることも記載されている。
Therefore, FIG. 7 of
しかしながら、前者のゲッタGを設ける方法は、コストアップに繋がり、後者の振動子21の中心に孔を開ける方法では、振動子21の質量mも小さくなるため、振動検出器の入力換算ノイズaを小さくするための効率が良くないという問題点を有していた。
However, the former method of providing the getter G leads to an increase in cost. In the latter method of making a hole in the center of the
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、コストアップを生じることなく低ノイズの振動検出器を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a low noise vibration detector without increasing the cost.
本発明は、弾性部によって変位自在に支持された振動子と、該振動子と対面する位置に固定された固定電極とを備え、前記振動子と固定電極とで形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかを検出する振動検出器において、前記固定電極の中央部における前記振動子とのギャップを、周辺部より大とすることにより、前記課題を解決したものである。 The present invention includes a vibrator that is displaceably supported by an elastic portion, and a fixed electrode fixed at a position facing the vibrator, and a capacitance of a capacitor formed by the vibrator and the fixed electrode In the vibration detector that detects any one of the displacement, velocity, and acceleration of the measured object based on the above, the gap between the fixed electrode and the vibrator is made larger than the peripheral portion, whereby the problem is solved. It has been solved.
又、前記固定電極の中央部に凹部又は貫通孔を設けたものである。 Further, a concave portion or a through hole is provided in the central portion of the fixed electrode.
更に、前記振動子の中央部における前記固定電極とのギャップを、周辺部より大としたものである。 Further, the gap between the vibrator and the fixed electrode at the center is larger than that at the periphery.
又、前記振動子の中央部に凹部を設けたものである。 Further, a concave portion is provided in the central portion of the vibrator.
又、前記固定電極と振動子の両方の中央部に凹部を設けたものである。 Further, a concave portion is provided in the central portion of both the fixed electrode and the vibrator.
又、前記固定電極と振動子の両方の中央部に貫通孔を設けたものである。 Further, a through hole is provided in the central part of both the fixed electrode and the vibrator.
又、前記固定電極の振動子の中央部に凹部を設けると共に、前記振動子の中央部に貫通孔を設けたものである。 In addition, a concave portion is provided in the central portion of the vibrator of the fixed electrode, and a through hole is provided in the central portion of the vibrator.
又、前記固定電極の振動子の中央部に貫通孔を設けると共に、前記振動子の中央部に凹部を設けたものである。 In addition, a through hole is provided in the central portion of the vibrator of the fixed electrode, and a concave portion is provided in the central portion of the vibrator.
本発明によれば、固定電極の中央部における振動子とのギャップを、周辺部より大としたので、振動子が振動した場合に該拡大されたギャップでの内部圧が低くなるため、減衰定数λが小さくなる。その結果、よりノイズレベルの低い振動検出器を得ることができ、周波数特性を向上することができる。この方法は、従来の方法と比較して、振動子の質量を減らさずに減衰係数λのみを小さくできるため、入力換算ノイズaを効果的に小さくできる。 According to the present invention, since the gap with the vibrator in the central portion of the fixed electrode is made larger than that in the peripheral portion, when the vibrator vibrates, the internal pressure at the enlarged gap is reduced, and therefore the damping constant λ becomes smaller. As a result, a vibration detector with a lower noise level can be obtained, and the frequency characteristics can be improved. Since this method can reduce only the attenuation coefficient λ without reducing the mass of the vibrator as compared with the conventional method, the input conversion noise a can be effectively reduced.
なお、固定電極側だけでなく、振動子の中央部における固定電極とのギャップも周辺部より大として、該ギャップにおける内部圧を更に低めることも可能である。この場合には、更に入力換算ノイズを小さくすることができる。 Note that not only the fixed electrode side but also the gap with the fixed electrode in the central portion of the vibrator is made larger than the peripheral portion, so that the internal pressure in the gap can be further reduced. In this case, input conversion noise can be further reduced.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の第1実施形態は、図2(分解斜視図)、図3(平面図)及び図4(図3のIV−IV線に沿う横断面図)に示す如く、従来例と同様の固定電極12、32を円環形状とし、その中央部12c、32cを窪ませることにより、該中央部12c、32cにおける振動子21とのギャップd0を、周辺部より大としたものである。
As shown in FIG. 2 (disassembled perspective view), FIG. 3 (plan view), and FIG. 4 (transverse sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3), the first embodiment of the present invention is fixed as in the conventional example. the
他の点については、配線パターン41〜43がガラス基盤1の上面にのみ設けられ、配線取出し用の島が23、24の2つのみとされている点を除き、図1に示した従来例と基本的に同じであるので、対応する部品には同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。
As for other points, the
本実施形態によれば、固定電極12、32が従来のように平坦であった場合には、図5の破線Aに示す如くであった内部圧が、中央部12c、32cを凹ませることにより、実線Bに示す如く低下し、減衰係数λが小さくなるため、ノイズレベルの低い加速度センサを得ることができる。例えば2μmであったギャップを4μmに拡げれば、中央部の内部圧を1/8にすることができる。
According to the present embodiment, when the
次に図6を参照して、本発明の第2実施形態を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態は、固定電極12、32の中央部に貫通孔12h、32hを設けて、中央部における振動子21とのギャップを周辺部より大としたものである。他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
In the present embodiment, through
本実施形態によれば、中央部の内部圧をほぼ0(外気圧基準)にすることができ、第1実施形態よりも更に低くなるため、一層ノイズレベルの低い加速度センサを得ることができる。 According to the present embodiment, the internal pressure at the central portion can be substantially 0 (referenced to the external atmospheric pressure), and is further lower than that in the first embodiment, so that an acceleration sensor with a lower noise level can be obtained.
次に図7を参照して、本発明の第3実施形態を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態は、第1実施形態と同様に固定電極12、32の中央部12c、32cを凹ませるだけでなく、振動子21の中央部21cも凹ませたものである。他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
In the present embodiment, not only the central portions 12c and 32c of the
本実施形態によれば、第1実施形態に比べて、ギャップを大きくすることができる。 According to the present embodiment, the gap can be increased as compared with the first embodiment.
次に図8を参照して、本発明の第4実施形態を詳細に説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
本実施形態は、第1実施形態と同様の加速度センサにおいて、振動子21の中央部に貫通孔21hを設けたものである。他の点については、第1実施形態と同様であるので、説明は省略する。
In the present embodiment, in the same acceleration sensor as in the first embodiment, a through-
本実施形態によれば、第1、第2実施形態に比べて、中央部のギャップをより大きくすることができる。 According to this embodiment, the gap at the center can be made larger than in the first and second embodiments.
なお、中央部のギャップを大とする方法は、前記実施形態に限定されず、図9に示す第5実施形態のように、振動子21の中央部21cのみに凹部を設けたり、図10に示す第6実施形態のように、固定電極12、32の中央部と振動子21の中央部の両方に貫通孔12h、32h、21hを設けたり、図11に示す第7実施形態のように、固定電極12、32の中央部に貫通孔12h、32hを設ける一方、振動子21の中央部21cに凹部を設けることも可能である。
Note that the method of increasing the gap at the center is not limited to the above embodiment, and a recess is provided only in the
又、前記実施形態においては、いずれも固定電極12、32が円環状とされていたが、固定電極の形状はこれに限定されず、例えば図12に示す第8実施形態のように、固定電極32を矩形状とすることも可能である。又、振動子21と固定電極12、32のいずれか一方を円形とし、他方を矩形としたり、更に他の形状とすることも可能である。
In the above embodiment, the fixed
前記実施形態においては、いずれも、振動子21の上下に固定電極12、32が設けられていたので、感度や温度特性が良好である。なお、上下のいずれか一方のみとすることも可能である。
In the above embodiment, since the fixed
前記実施形態においては、いずれも、シリコン基盤2をガラス基盤1、3で挟んでいたが、シリコンの表面を絶縁処理してガラス基盤1、3の代わりとし、シリコンを剥き出しとした部分を電極化して、全てシリコンで作ることも可能である。
In each of the above embodiments, the
なお、前記説明においては、いずれも、検出すべき振動の周波数が検出器の固有周波数よりも小さい加速度センサの場合で説明したが、検出すべき振動の周波数が検出器の固有周波数近傍の場合には速度センサ、検出すべき振動の周波数が検出器の固有周波数より大きい場合には変位センサとして用いることができる。 In the above description, the description has been made in the case of the acceleration sensor in which the frequency of the vibration to be detected is smaller than the natural frequency of the detector. Can be used as a velocity sensor, or a displacement sensor when the frequency of vibration to be detected is greater than the natural frequency of the detector.
1、3…ガラス基盤
2…シリコン基盤
12、32…固定電極
12c、21c、32c…中央部
12h、21h、32h…貫通孔
21…振動子
22…弾性部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記固定電極の中央部における前記振動子とのギャップを、周辺部より大としたことを特徴とする振動検出器。 A vibrator supported by the elastic portion so as to be displaceable, and a fixed electrode fixed at a position facing the vibrator, and is covered based on a capacitance of a capacitor formed by the vibrator and the fixed electrode. In a vibration detector that detects any of the displacement, speed, or acceleration of the measurement object,
The vibration detector according to claim 1, wherein a gap between the fixed electrode and the vibrator is larger than that of a peripheral portion.
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