JP2010216846A - Sensor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor device operable without being supplied with external electric power. <P>SOLUTION: The sensor device includes: a base substrate 10 that is formed using a first glass substrate 10a; an oscillator formation substrate 20 having a frame 21 that is formed using a semiconductor substrate 20a and fixed to one surface side of the base substrate 10 and an oscillator 23 that is disposed inside the frame 21 and swingingly supported via a flexible deflection part 22; a cover substrate 30 that is formed using a second glass substrate 30a and fixed to the oscillator formation substrate 20 so as to form a displacement space 35 between the cover substrate and the oscillator formation substrate 20 in which the oscillator 23 is displaceable; a power generation part 24 that is formed in the deflection part 22 and composed of a piezoelectric transducing part for generating an AC voltage according to the oscillation of the oscillator 23; and a sensor 25 that is composed of a movable electrode 27 also disposed in a diaphragm 26 of the frame 21 and a fixed electrode 37 disposed on the cover substrate 30 and biased by the AC voltage from the power generation part 24. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、センサデバイスに関するものである。   The present invention relates to a sensor device.

従来から、MEMS(micro electro mechanical systems)デバイスの一種として、車の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスが各所で研究開発されている(例えば、非特許文献1参照)。   Conventionally, as one type of MEMS (micro electro mechanical systems) devices, power generation devices that convert vibration energy caused by arbitrary vibrations such as car vibrations and vibrations caused by human movements into electrical energy have been researched and developed in various places. (For example, refer nonpatent literature 1).

ここにおいて、上記非特許文献1に開示された発電デバイスは、図10に示すように、ベース基板110と、ベース基板110の一表面側においてベース基板110に支持された2つの櫛形状の固定電極124,124と、ベース基板110の上記一表面から離間して2つの固定電極124,124の間に配置され支持ばね部122を介してアンカー部(図示せず)に支持された振動子123に設けられた櫛形状の可動電極125と、ベース基板110における可動電極125との対向部位に形成されたエレクトレット130とを備えている。なお、上述の発電デバイスは、支持ばね部122の剛性が低くなるように設計されている。   Here, as shown in FIG. 10, the power generation device disclosed in Non-Patent Document 1 includes a base substrate 110 and two comb-shaped fixed electrodes supported by the base substrate 110 on one surface side of the base substrate 110. 124, 124 and the vibrator 123, which is disposed between the two fixed electrodes 124, 124 apart from the one surface of the base substrate 110 and supported by an anchor portion (not shown) via a support spring portion 122. A comb-shaped movable electrode 125 is provided, and an electret 130 is formed on a portion of the base substrate 110 facing the movable electrode 125. Note that the above-described power generation device is designed so that the rigidity of the support spring portion 122 is low.

上述の発電デバイスでは、固定電極124と可動電極125とを電極とする可変容量コンデンサ126が形成されるから、振動子123がベース基板110の上記一表面に沿って2つの固定電極124,124の並設方向(図10(b)の左右方向)に振動する(図10(a)中の白抜きの矢印は振動子123の振動方向を示している)ことにより固定電極124と可動電極125との間の距離および対向面積が変化し、可変容量コンデンサ126の静電容量が変化する。したがって、可変容量コンデンサ126と当該可変容量コンデンサ126に電圧を印加する電圧印加手段であるエレクトレット130との直列回路の両端間に負荷抵抗200を接続しておけば、可変容量コンデンサ126の静電容量の変化に応じて電荷が移動して電流が発生するから、振動子123の振動によって生じる可動子123の振動エネルギを電気エネルギに変換することができる。ここにおいて、上述の発電デバイスのエネルギ変換効率を大きくするには、可変容量コンデンサ126の静電容量の変化量を大きくすればよい。   In the power generation device described above, the variable capacitor 126 having the fixed electrode 124 and the movable electrode 125 as the electrodes is formed. Therefore, the vibrator 123 is formed of the two fixed electrodes 124 and 124 along the one surface of the base substrate 110. By vibrating in the parallel direction (left and right direction in FIG. 10B) (the white arrow in FIG. 10A indicates the vibration direction of the vibrator 123), the fixed electrode 124 and the movable electrode 125 And the opposing area change, and the capacitance of the variable capacitor 126 changes. Therefore, if the load resistor 200 is connected between both ends of the series circuit of the variable capacitor 126 and the electret 130 which is a voltage applying means for applying a voltage to the variable capacitor 126, the capacitance of the variable capacitor 126 Since the electric charge is moved in accordance with the change of the current and the current is generated, the vibration energy of the mover 123 generated by the vibration of the vibrator 123 can be converted into electric energy. Here, in order to increase the energy conversion efficiency of the power generation device described above, the amount of change in the capacitance of the variable capacitor 126 may be increased.

T.Sterken,et al,「AN ELECTRET-BASED ELECTROSTATIC μ-GENERATOR」,TRANSDUCERS ‘03,The 12th InternationalConference on Solid State Sensors,Actuators and Microsystems,Boston,June8-12,2003,p.1291-1294T. Sterken, et al, "AN ELECTRET-BASED ELECTROSTATIC μ-GENERATOR", TRANSDUCERS '03, The 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston, June8-12,2003, p.1291-1294

ところで、従来から知られている各種のセンサデバイス(例えば、圧力センサ、温度センサなど)は外部の電源や電池から電力を供給するようにしており、センサデバイスに外部の電源や電池からの電力を供給するための金属細線を接続する必要があった。また、電池からセンサデバイスに電力を供給している場合には、電池の容量がなくなると、電池を交換する必要があった。   By the way, various conventionally known sensor devices (for example, pressure sensors, temperature sensors, etc.) are designed to supply power from an external power source or battery, and power from the external power source or battery is supplied to the sensor device. It was necessary to connect a thin metal wire for supply. Further, when power is supplied from the battery to the sensor device, it is necessary to replace the battery when the battery capacity is exhausted.

また、図10に示した構成の発電デバイスをセンサデバイス(例えば、圧力センサ、温度センサ)の電源として用いることも考えられるが、この場合も発電デバイスとセンサデバイスとを金属細線により接続する必要があり(要するに、この場合もセンサデバイスに対して外部から電力を供給するための金属細線を接続する必要があり)、発電デバイスとセンサデバイスとを含めたセンサシステム全体のサイズが大きくなってしまう。また、センサデバイスとは別に発電デバイスが必要であり、低コスト化が難しい。   In addition, it is conceivable to use the power generation device having the configuration shown in FIG. 10 as a power source for a sensor device (for example, a pressure sensor or a temperature sensor). Yes (in short, it is necessary to connect a thin metal wire for supplying electric power to the sensor device from the outside in this case), and the size of the entire sensor system including the power generation device and the sensor device is increased. In addition, a power generation device is required separately from the sensor device, and it is difficult to reduce the cost.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、外部から電力を供給することなく動作可能なセンサデバイスを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a sensor device that can operate without supplying electric power from the outside.

請求項1の発明は、ベース基板と、半導体基板を用いて形成されてベース基板の一表面側に固着されるフレーム部およびフレーム部の内側に配置され可撓性の撓み部を介して揺動自在に支持された振動子を有する振動子形成基板と、撓み部に形成され振動子の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部と、少なくとも一部がフレーム部に設けられ発電部からの交流電圧によりバイアスされるセンサ部とを備えることを特徴とする。   According to the first aspect of the present invention, a base substrate, a frame portion that is formed using a semiconductor substrate and is fixed to one surface side of the base substrate, and is arranged inside the frame portion and swings via a flexible bending portion. At least a part is provided in the frame part, a vibrator forming substrate having a freely supported vibrator, a power generation part formed of a piezoelectric conversion part that is formed in a bending part and generates an AC voltage according to the vibration of the vibrator, and And a sensor unit biased by an AC voltage from the power generation unit.

この発明によれば、フレーム部およびフレーム部の内側に配置され可撓性の撓み部を介して揺動自在に支持された振動子を有する振動子形成基板と、撓み部に形成され振動子の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部とを備え、少なくとも一部がフレーム部に設けられるセンサ部が、発電部からの交流電圧によりバイアスされるので、外部から電力を供給することなく動作可能となる。   According to the present invention, the vibrator unit substrate having the frame part and the vibrator disposed inside the frame part and supported to be swingable via the flexible flexure part, and the vibrator formed on the flexure part. And a power generation unit composed of a piezoelectric conversion unit that generates an AC voltage in response to vibration, and at least a part of the sensor unit provided in the frame unit is biased by the AC voltage from the power generation unit, so power is supplied from the outside It becomes possible to operate without doing.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記センサ部の出力を電波として放射させるアンテナを備えることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, an antenna that radiates the output of the sensor unit as a radio wave is provided.

この発明によれば、前記センサ部の出力を取り出すための金属細線が不要となり、センサデバイスを用いたシステムの低コスト化を図れ、前記発電部で発電できる微量な交流電力を整流、昇圧、蓄電などすることなく前記センサ部の出力を送信できる。   According to the present invention, a thin metal wire for taking out the output of the sensor unit is not required, the cost of the system using the sensor device can be reduced, and a small amount of AC power that can be generated by the power generation unit is rectified, boosted, and stored. The output of the sensor unit can be transmitted without doing so.

請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記センサ部は、センシング対象の物理量の変化に応じて、容量値もしくは抵抗値が変化することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the sensor unit changes in capacitance value or resistance value in accordance with a change in a physical quantity to be sensed.

この発明によれば、センシング対象の物理量の変化を前記センサ部の容量値もしくは抵抗値の変化から検出することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to detect a change in the physical quantity to be sensed from a change in the capacitance value or resistance value of the sensor unit.

請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記センサ部は、センシング対象の物理量が圧力であって、前記フレーム部に形成したダイヤフラム部に設けられた可動電極と当該可動電極に対向配置される固定電極とで構成され圧力の変化に応じて容量値が変化する可変容量コンデンサであり、前記フレーム部に形成された参照抵抗を介して前記発電部の出力端間に接続されてなることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the sensor unit is configured such that a physical quantity to be sensed is a pressure, and a movable electrode provided in a diaphragm unit formed on the frame unit and the movable electrode are opposed to the movable electrode. And a variable capacitor whose capacitance value changes in accordance with a change in pressure, and is connected between the output terminals of the power generation unit via a reference resistor formed in the frame unit. It is characterized by.

この発明によれば、前記発電部で発生する交流電圧と、前記発電部から可変容量コンデンサと参照抵抗とで構成されるRC直列回路に流れる交流電流との位相差が、センシングされる圧力に応じた可変容量コンデンサの容量値に基づいて変化するので、当該位相差に基づいて圧力を検知することが可能となる。   According to the present invention, the phase difference between the AC voltage generated in the power generation unit and the AC current flowing from the power generation unit to the RC series circuit composed of the variable capacitor and the reference resistance depends on the sensed pressure. Since it changes based on the capacitance value of the variable capacitor, the pressure can be detected based on the phase difference.

請求項5の発明は、請求項3の発明において、前記センサ部は、センシング対象の物理量が温度であって、温度の変化に応じて抵抗値が変化する感温抵抗であり、前記フレーム部に設けられた参照コンデンサを介して前記発電部の出力端間に接続されてなることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the sensor unit is a temperature-sensitive resistor whose sensing target physical quantity is a temperature and whose resistance value changes according to a change in temperature. It is connected between the output ends of the power generation unit through a provided reference capacitor.

この発明によれば、前記発電部で発生する交流電圧と、前記発電部から参照コンデンサと感温抵抗とで構成されるRC直列回路に流れる交流電流との位相差が、センシングされる温度に応じた感温抵抗の抵抗値に基づいて変化するので、当該位相差に基づいて温度を検知することが可能となる。   According to this invention, the phase difference between the AC voltage generated in the power generation unit and the AC current flowing from the power generation unit to the RC series circuit including the reference capacitor and the temperature sensitive resistor depends on the sensed temperature. Therefore, the temperature can be detected based on the phase difference.

請求項1の発明では、外部から電力を供給することなく動作可能になるという効果がある。   In the invention of claim 1, there is an effect that it becomes possible to operate without supplying electric power from the outside.

実施形態1のセンサデバイスを示し、(a)は概略斜視図、(b)は概略分解斜視図である。The sensor device of Embodiment 1 is shown, (a) is a schematic perspective view, (b) is a schematic exploded perspective view. 同上のセンサデバイスにおける振動子形成基板の概略平面図である。It is a schematic plan view of the vibrator formation board in the sensor device same as the above. 同上のセンサデバイスを示し、(a)は図2のA−A’断面に対応する概略断面図、(b)は図2のB−B’断面に対応する概略断面図、(c)は図2のD−D’断面に対応する概略断面図である。Fig. 2 shows the sensor device of the above, (a) is a schematic sectional view corresponding to the section AA 'in Fig. 2, (b) is a schematic sectional view corresponding to the section BB' in Fig. 2, and (c) is a diagram. It is a schematic sectional drawing corresponding to 2 DD 'cross section. 同上のセンサデバイスの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a sensor device same as the above. 同上の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing same as the above. 実施形態2のセンサデバイスを示し、(a)は概略斜視図、(b)は概略分解斜視図である。The sensor device of Embodiment 2 is shown, (a) is a schematic perspective view, (b) is a schematic exploded perspective view. 同上のセンサデバイスにおける振動子形成基板の概略平面図である。It is a schematic plan view of the vibrator formation board in the sensor device same as the above. 同上のセンサデバイスを示し、(a)は図6のA−A’断面に対応する概略断面図、(b)は図6のB−B’断面に対応する概略断面図、(c)は図6のD−D’断面に対応する概略断面図である。The sensor device is shown, (a) is a schematic cross-sectional view corresponding to the cross section AA ′ of FIG. 6, (b) is a schematic cross-sectional view corresponding to the cross section BB ′ of FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view corresponding to a DD ′ cross section of FIG. 6. 同上のセンサデバイスの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a sensor device same as the above. 従来例を示し、(a)は一部破断した概略斜視図、(b)は概略断面図である。A prior art example is shown, (a) is a schematic perspective view partly broken, (b) is a schematic sectional view.

(実施形態1)
以下、本実施形態のセンサデバイスについて図1〜図3を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the sensor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施形態のセンサデバイスは、圧力センサデバイスであり、第1のガラス基板10aを用いて形成された矩形板状のベース基板10と、半導体基板(シリコン基板)20aを用いて形成されてベース基板10の一表面側に固着されるフレーム部21およびフレーム部21の内側に配置され可撓性の撓み部22を介して揺動自在に支持された振動子23を有する振動子形成基板20と、第2のガラス基板30aを用いて形成され振動子形成基板20との間に振動子23の変位を可能とする変位空間35を形成する形で振動子形成基板20におけるベース基板10側とは反対側に固着されたカバー基板30とを備え、振動子形成基板20の撓み部22に、振動子23の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部(圧電変換素子)からなる発電部24が形成されている。   The sensor device of the present embodiment is a pressure sensor device, and is formed using a rectangular plate-like base substrate 10 formed using the first glass substrate 10a and a semiconductor substrate (silicon substrate) 20a. 10. A vibrator forming substrate 20 having a frame portion 21 that is fixed to one surface side and a vibrator 23 that is disposed inside the frame portion 21 and is swingably supported via a flexible bending portion 22; Opposite to the base substrate 10 side of the vibrator forming substrate 20 in the form of a displacement space 35 that is formed using the second glass substrate 30a and that allows the vibrator 23 to be displaced between the vibrator forming substrate 20 and the second glass substrate 30a. And a cover substrate 30 fixed to the side, and a power generation unit comprising a piezoelectric conversion unit (piezoelectric conversion element) that generates an alternating voltage in response to the vibration of the vibrator 23 at the bending portion 22 of the vibrator forming substrate 20. 24 is formed.

上述の振動子形成基板20は、半導体基板20aの上記一表面上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜20bが形成されており、発電部24を構成する圧電変換部は、絶縁膜20b上に形成された金属膜(例えば、Pt膜)からなる下部電極24aと、下部電極24aにおける絶縁膜20b側とは反対側に形成されたPZT膜からなる圧電層24bと、圧電層24bにおける下部電極24a側とは反対側に形成された金属膜(例えば、Al膜)からなる上部電極24cとで構成されている。なお、圧電層24bの圧電材料はPZTに限らず、例えば、鉛フリーのKNNやAlNなどを採用してもよく、これらの材料を採用すれば、環境負荷を軽減できる。   In the vibrator forming substrate 20 described above, the insulating film 20b made of a silicon oxide film is formed on the one surface of the semiconductor substrate 20a, and the piezoelectric conversion portion constituting the power generation unit 24 is formed on the insulating film 20b. A lower electrode 24a made of a metal film (for example, a Pt film), a piezoelectric layer 24b made of a PZT film formed on the opposite side of the lower electrode 24a from the insulating film 20b side, and a lower electrode 24a side of the piezoelectric layer 24b Is composed of an upper electrode 24c made of a metal film (for example, an Al film) formed on the opposite side. Note that the piezoelectric material of the piezoelectric layer 24b is not limited to PZT, and for example, lead-free KNN, AlN, or the like may be employed. If these materials are employed, the environmental load can be reduced.

また、本実施形態のセンサデバイスは、発電部24からの交流電圧によりバイアスされるセンサ部25と、カバー基板30における振動子形成基板20側とは反対側の一表面側に形成されセンサ部25の出力を電波(電磁波)として放射させるアンテナ39とを備えている。   Further, the sensor device of the present embodiment is formed on the sensor unit 25 biased by the AC voltage from the power generation unit 24 and the one surface side of the cover substrate 30 opposite to the transducer forming substrate 20 side. And an antenna 39 that radiates the output as radio waves (electromagnetic waves).

センサ部25は、センシング対象の物理量が圧力であって、フレーム部21に形成したダイヤフラム部26に設けられた可動電極27と、カバー基板30に設けられ可動電極27に対向配置される固定電極37とを備え、ダイヤフラム部26の受ける圧力の変化に応じて容量値が変化する可変容量コンデンサであり、フレーム部21に形成された金属膜からなる参照抵抗38を介して発電部24の出力端間に接続されている。ここで、ダイヤフラム部26は、上述の半導体基板20aの他表面に凹所20cをエッチング技術により形成することによって、振動子形成基板20のフレーム部21に形成されている。また、参照抵抗38は、絶縁膜20b上で平面視形状が蛇行した形状(図示例では、つづら折れ状の形状)に形成されている。上述の説明から分かるように、センサ部25は、一部がフレーム部21に設けられている。   The sensor unit 25 includes a movable electrode 27 provided on a diaphragm unit 26 formed on the frame unit 21 and a fixed electrode 37 provided on the cover substrate 30 and opposed to the movable electrode 27 when the physical quantity to be sensed is pressure. And a variable capacitance capacitor whose capacitance value changes according to a change in pressure received by the diaphragm portion 26, and between the output ends of the power generation portion 24 via a reference resistor 38 formed of a metal film formed on the frame portion 21. It is connected to the. Here, the diaphragm part 26 is formed in the frame part 21 of the vibrator forming substrate 20 by forming the recess 20c on the other surface of the semiconductor substrate 20a by the etching technique. The reference resistor 38 is formed in a meandering shape in the plan view on the insulating film 20b (in the illustrated example, a folded shape). As can be seen from the above description, a part of the sensor unit 25 is provided in the frame unit 21.

上述のセンサ部25は、可動電極27が、フレーム部21に形成された金属配線29aを介して発電部24の一対の電極の一方の電極である下部電極24aと接続され、固定電極37が、カバー基板30に形成された金属配線37bおよびフレーム部21に形成された金属配線28bを介して参照抵抗28の一端部と接続されている。また、参照抵抗28は、他端部が金属配線29bを介して発電部24の他方の電極である上部電極24cと接続されている。また、金属配線29bには、上述のアンテナ39が接続されている。しかして、センサデバイスの等価回路は、発電部24を交流電圧源Vs、参照抵抗28を抵抗R、センサ部25を可変容量コンデンサCとすれば、図4に示すように、交流電圧源Vsに抵抗Rと可変容量コンデンサCとのRC直列回路が接続され、交流電圧源Vsと抵抗Rとを接続している金属配線29bにアンテナ39が接続された回路構成となる。   In the sensor unit 25, the movable electrode 27 is connected to the lower electrode 24a, which is one of the pair of electrodes of the power generation unit 24, via the metal wiring 29a formed in the frame unit 21, and the fixed electrode 37 is It is connected to one end of the reference resistor 28 through a metal wiring 37 b formed on the cover substrate 30 and a metal wiring 28 b formed on the frame portion 21. The reference resistor 28 has the other end connected to the upper electrode 24c, which is the other electrode of the power generation unit 24, via the metal wiring 29b. The above-described antenna 39 is connected to the metal wiring 29b. Therefore, the equivalent circuit of the sensor device is such that, if the power generation unit 24 is an AC voltage source Vs, the reference resistor 28 is a resistor R, and the sensor unit 25 is a variable capacitor C, as shown in FIG. An RC series circuit of the resistor R and the variable capacitor C is connected, and the antenna 39 is connected to the metal wiring 29b connecting the AC voltage source Vs and the resistor R.

なお、本実施形態では、振動子形成基板20の基礎となる半導体基板20aとしてシリコン基板20aを用いているが、シリコン基板20aに限らず、例えば、シリコン基板からなる支持基板上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)上にn形のシリコン層(活性層)を有するSOI基板を用いて形成してもよく、当該絶縁層をダイヤフラム部26および撓み部22の形成時のエッチングストッパ層として利用することでダイヤフラム部26および撓み部22の厚さの高精度化を図るようにしてもよい。   In the present embodiment, the silicon substrate 20a is used as the semiconductor substrate 20a serving as the basis of the vibrator forming substrate 20. However, the silicon substrate 20a is not limited to the silicon substrate 20a. For example, the silicon substrate 20a is formed of a silicon oxide film on a support substrate made of a silicon substrate. The insulating layer (buried oxide film) may be formed using an SOI substrate having an n-type silicon layer (active layer), and the insulating layer is formed as an etching stopper when the diaphragm portion 26 and the flexible portion 22 are formed. By using it as a layer, the thickness of the diaphragm portion 26 and the bending portion 22 may be increased in accuracy.

また、上述のベース基板10は、振動子形成基板20の凹所20c内の空間に連通する貫通孔10cが厚み方向に貫設されている。要するに、振動子形成基板20の凹所20c内の空間はセンサデバイスの外部空間と連通している。また、ベース基板10の上記一表面には、振動子23の変位空間15を確保するための変位空間形成用凹部10bが形成されている。なお、ベース基板10に変位空間形成用凹部10bを形成せずに、振動子23の厚みを薄くすることでベース基板10側への変位空間15を確保するようにしてもよい。   Further, the above-described base substrate 10 has a through-hole 10c that penetrates the space in the recess 20c of the transducer forming substrate 20 in the thickness direction. In short, the space in the recess 20c of the transducer forming substrate 20 communicates with the external space of the sensor device. A displacement space forming recess 10 b for securing the displacement space 15 of the vibrator 23 is formed on the one surface of the base substrate 10. Note that the displacement space 15 toward the base substrate 10 may be secured by reducing the thickness of the vibrator 23 without forming the displacement space forming recess 10 b in the base substrate 10.

また、上述のカバー基板30は、上述のアンテナ39が形成された一表面側とは反対側(つまり、振動子形成基板20側)の他表面に、振動子23の変位空間35を形成するための変位空間形成用凹部30b(図3(a),(c)参照)と、可動電極27と固定電極37との間にギャップを形成するためのギャップ形成用凹部30c(図3(c)参照)と、参照抵抗28を収納するための参照抵抗収納用凹部30d(図3(b)参照)とが形成されている。また、カバー基板30には、アンテナ39と振動子形成基板20のフレーム部21に形成されている金属配線29bとを電気的に接続する貫通配線38が厚み方向に貫設されている。   Further, the above-described cover substrate 30 forms a displacement space 35 of the vibrator 23 on the other surface opposite to the one surface side where the above-described antenna 39 is formed (that is, the vibrator forming substrate 20 side). Displacement space forming recess 30b (see FIGS. 3A and 3C) and a gap forming recess 30c for forming a gap between the movable electrode 27 and the fixed electrode 37 (see FIG. 3C). ) And a reference resistance housing recess 30 d (see FIG. 3B) for housing the reference resistor 28. The cover substrate 30 is provided with a through-wiring 38 that connects the antenna 39 and the metal wiring 29 b formed on the frame portion 21 of the vibrator forming substrate 20 in the thickness direction.

上述のベース基板10およびカバー基板30は、所望の真空度(例えば、10Pa程度)の真空中で振動子形成基板20のフレーム21に気密的に固着されており、ベース基板10とフレーム部21とカバー基板30とで気密パッケージが構成されるので、当該気密パッケージ内を真空とすることで、振動子23の空気によるエアダンピングを防止することができてエネルギ変換効率の向上を図れるとともに、信頼性を高めることができる。なお、本実施形態のセンサデバイスでは、振動子23の周囲空間(振動子形成基板20における振動子23の周囲の空間と上述の各変位空間15,35とで構成される空間)の圧力、ギャップ形成用凹部10b内の圧力、参照抵抗収納用凹部30d内の圧力、それぞれが上記所望の真空度となっている。   The base substrate 10 and the cover substrate 30 described above are hermetically fixed to the frame 21 of the vibrator forming substrate 20 in a vacuum with a desired degree of vacuum (for example, about 10 Pa). Since the airtight package is configured with the cover substrate 30, by making the inside of the airtight package evacuated, air damping by the air of the vibrator 23 can be prevented and energy conversion efficiency can be improved and reliability can be improved. Can be increased. In the sensor device of the present embodiment, the pressure and gap in the surrounding space of the vibrator 23 (the space formed by the space around the vibrator 23 in the vibrator forming substrate 20 and the above-described displacement spaces 15 and 35). Each of the pressure in the forming recess 10b and the pressure in the reference resistance housing recess 30d has the desired degree of vacuum.

本実施形態のセンサデバイスでは、発電部24が下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとで構成される圧電変換部により構成されているから、振動子23の振動によって発電部24の圧電層24bが応力を受け上部電極24cと下部電極24aとに電荷の偏りが発生し、発電部24において交流電圧が発生する。また、本実施形態のセンサデバイスでは、センサ部25として、可動電極27と固定電極37とを一対の電極とする可変容量コンデンサCを備えているから、ダイヤフラム部26がセンサデバイスの外部からベース基板10の貫通孔10cおよび振動子形成基板20の凹所20cの内部空間を通して導入される気体や液体などの圧力により可動電極27と固定電極37との距離が変化し、可変容量コンデンサCの容量値が変化する。   In the sensor device of the present embodiment, the power generation unit 24 is configured by a piezoelectric conversion unit including the lower electrode 24a, the piezoelectric layer 24b, and the upper electrode 24c. 24b receives stress, and a bias of electric charge occurs between the upper electrode 24c and the lower electrode 24a, and an AC voltage is generated in the power generation unit 24. Further, in the sensor device of the present embodiment, the sensor unit 25 includes the variable capacitor C having the movable electrode 27 and the fixed electrode 37 as a pair of electrodes, so that the diaphragm unit 26 is connected to the base substrate from the outside of the sensor device. The distance between the movable electrode 27 and the fixed electrode 37 is changed by the pressure of gas or liquid introduced through the internal space of the through-hole 10c and the recess 20c of the vibrator forming substrate 20, and the capacitance value of the variable capacitor C is changed. Changes.

ここにおいて、本実施形態のセンサデバイスの等価回路は、上述の図4に示したように、発電部24により構成される交流電圧源Vsに、参照抵抗28とセンサ部25とのRC直列回路が接続された構成となるから、センサ部25の出力をアンテナ39から電波として放射させることができる。   Here, the equivalent circuit of the sensor device of the present embodiment is such that an RC series circuit of the reference resistor 28 and the sensor unit 25 is added to the AC voltage source Vs constituted by the power generation unit 24 as shown in FIG. Since it becomes the connected structure, the output of the sensor part 25 can be radiated | emitted from the antenna 39 as a radio wave.

なお、上述のセンサデバイスは、MEMSデバイスの製造技術などを利用して形成されている。また、振動子形成基板20とベース基板10およびカバー基板30とは、例えば、陽極接合法や、常温接合法や、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法などにより固着すればよい。   The sensor device described above is formed using a MEMS device manufacturing technique or the like. The vibrator forming substrate 20, the base substrate 10 and the cover substrate 30 may be fixed by, for example, an anodic bonding method, a room temperature bonding method, a resin bonding method using an epoxy resin, or the like.

以上説明した本実施形態のセンサデバイスによれば、フレーム部21およびフレーム部21の内側に配置され可撓性の撓み部22を介して揺動自在に支持された振動子23を有する振動子形成基板20と、撓み部22に形成され振動子23の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部24とを備え、センサ部25が、発電部24からの交流電圧によりバイアスされるので、外部から電力を供給することなく動作可能となる。ここで、センサ部25は、センシング対象の物理量である圧力の変化に応じて、容量値が変化するので、圧力の変化をセンサ部25の容量値の変化から検出することが可能となる。   According to the sensor device of the present embodiment described above, a vibrator is formed that includes the frame portion 21 and the vibrator 23 that is disposed inside the frame portion 21 and is swingably supported via the flexible bending portion 22. The substrate 20 includes a power generation unit 24 formed of a piezoelectric conversion unit that is formed in the bending unit 22 and generates an AC voltage according to the vibration of the vibrator 23, and the sensor unit 25 is biased by the AC voltage from the power generation unit 24. Therefore, it becomes possible to operate without supplying power from the outside. Here, since the capacitance value of the sensor unit 25 changes according to a change in pressure, which is a physical quantity to be sensed, it is possible to detect a change in pressure from a change in the capacitance value of the sensor unit 25.

また、本実施形態のセンサデバイスは、センサ部25の出力を電波として放射させるアンテナ39を備えているので、センサ部25の出力を取り出すための金属細線が不要となり、センサデバイスを用いたシステムの低コスト化を図れ、発電部24で発電できる微量な交流電力を整流、昇圧、蓄電などすることなくセンサ部25の出力を送信できる。しかして、例えば、アンテナ39から送信された電波を受信する受信アンテナおよび当該受信アンテナの出力に基づいて圧力を求めるマイクロコンピュータなどからなる信号処理部を備えた受信装置において、圧力の情報を得ることが可能となる。なお、センサデバイスは、例えば、車両などに搭載して用いられるが、車載用途に限らず、他の用途にも用いられる。   In addition, since the sensor device of the present embodiment includes the antenna 39 that radiates the output of the sensor unit 25 as a radio wave, a metal thin line for taking out the output of the sensor unit 25 is not necessary, and the system using the sensor device is not necessary. The cost can be reduced, and the output of the sensor unit 25 can be transmitted without rectifying, boosting, or accumulating a small amount of AC power that can be generated by the power generation unit 24. Thus, for example, in a receiving apparatus including a receiving antenna that receives a radio wave transmitted from the antenna 39 and a microcomputer that obtains pressure based on the output of the receiving antenna, information on pressure is obtained. Is possible. The sensor device is used by being mounted on a vehicle, for example.

また、本実施形態のセンサデバイスによれば、センサ部25は、センシング対象の物理量が圧力であって、フレーム部21に形成したダイヤフラム部26に設けられた可動電極27と当該可動電極27に対向配置される固定電極37とで構成され圧力の変化に応じて容量値が変化する可変容量コンデンサCであり、フレーム部21に形成された参照抵抗28を介して発電部24の出力端間に接続されているので、図5に示すように、発電部24で発生する交流電圧「イ」と、発電部24からセンサ部25と参照抵抗28とで構成されるRC直列回路に流れる交流電流「ロ」との位相差δが、センシングされる圧力に応じたセンサ部25の容量値に基づいて変化する。なお、参照抵抗28の抵抗値をR、センサ部25の容量値をC、交流電圧「イ」の角周波数をωとすると、tanδ=1/ωRCとなる。   Further, according to the sensor device of the present embodiment, the sensor unit 25 is opposed to the movable electrode 27 and the movable electrode 27 provided on the diaphragm unit 26 formed on the frame unit 21 when the physical quantity to be sensed is pressure. This is a variable capacitor C that is composed of a fixed electrode 37 that is arranged and whose capacitance value changes in accordance with a change in pressure, and is connected between the output ends of the power generation unit 24 through a reference resistor 28 formed in the frame unit 21. Therefore, as shown in FIG. 5, the AC voltage “A” generated in the power generation unit 24 and the AC current “B” flowing from the power generation unit 24 to the RC series circuit including the sensor unit 25 and the reference resistor 28 are reduced. The phase difference δ changes with the capacitance value of the sensor unit 25 according to the sensed pressure. If the resistance value of the reference resistor 28 is R, the capacitance value of the sensor unit 25 is C, and the angular frequency of the AC voltage “A” is ω, tanδ = 1 / ωRC.

したがって、センサデバイスにおける可変容量コンデンサCの代わりに容量値が一定のコンデンサを形成したリファレンス用デバイスをセンサデバイスの隣りに配置しておけば、両者の位相差δに基づいて圧力を検知することが可能となる。   Therefore, if a reference device in which a capacitor having a constant capacitance is formed instead of the variable capacitor C in the sensor device is arranged adjacent to the sensor device, the pressure can be detected based on the phase difference δ between the two. It becomes possible.

(実施形態2)
図6〜図8に基づいて説明する本実施形態のセンサデバイスは温度センサデバイスであるが、基本構成は実施形態1と略同じなので、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
Although the sensor device of the present embodiment described based on FIGS. 6 to 8 is a temperature sensor device, the basic configuration is substantially the same as that of the first embodiment, and thus the same reference numerals are given to the same components as those of the first embodiment. Therefore, the description is omitted as appropriate.

本実施形態では、振動子形成基板20において、実施形態1で説明した参照抵抗28(図1〜3参照)の代わりに、平面視形状が蛇行した金属膜(例えば、Pt膜)からなる感温抵抗よりなるセンサ部48が形成されている点、振動子形成基板20において、実施形態1で説明した凹所20c(図3(b)参照)およびダイヤフラム部26(図3(b)参照)を形成せずに可動電極27(図3(b)参照)の代わりに、固定電極47が形成されており、振動子形成基板20の固定電極47とカバー基板30の固定電極37とで容量値が一定の参照コンデンサ45を構成している点、などが相違する。また、本実施形態におけるベース基板10には、実施形態1にて説明した貫通孔10cは形成されていない点も相違する。   In the present embodiment, in the vibrator forming substrate 20, instead of the reference resistor 28 (see FIGS. 1 to 3) described in the first embodiment, a temperature sensitivity made of a metal film (for example, a Pt film) having a meandering shape in plan view. The sensor portion 48 made of a resistor is formed. In the vibrator forming substrate 20, the recess 20c (see FIG. 3B) and the diaphragm portion 26 (see FIG. 3B) described in the first embodiment are used. A fixed electrode 47 is formed instead of the movable electrode 27 (see FIG. 3B) without being formed, and the capacitance value between the fixed electrode 47 of the transducer forming substrate 20 and the fixed electrode 37 of the cover substrate 30 is increased. The difference is that a fixed reference capacitor 45 is formed. Further, the base substrate 10 in this embodiment is different in that the through hole 10c described in the first embodiment is not formed.

ここにおいて、センサ部48を構成する感温抵抗はPt膜などの金属膜により形成されている。   Here, the temperature sensitive resistor constituting the sensor unit 48 is formed of a metal film such as a Pt film.

上述の参照コンデンサ45は、一方の固定電極47が、フレーム部21に形成された金属配線29aを介して発電部24の一対の電極の一方の電極である下部電極24aと接続され、固定電極37が、カバー基板30に形成された金属配線37bおよびフレーム部21に形成された金属配線48bを介して感温抵抗48の一端部と接続されている。また、感温抵抗48は、他端部が金属配線29bを介して発電部24の他方の電極である上部電極24cと接続されている。また、金属配線29bには、上述のアンテナ39が接続されている。しかして、センサデバイスの等価回路は、発電部24を交流電圧源Vs、センサ部48を可変抵抗R、参照コンデンサ45をコンデンサCとすれば、図9に示すように、交流電圧源Vsに可変抵抗RとコンデンサCとのRC直列回路が接続され、交流電圧源Vsと可変抵抗Rとを接続している金属配線29bにアンテナ39が接続された回路構成となる。   In the above-described reference capacitor 45, one fixed electrode 47 is connected to the lower electrode 24 a that is one electrode of the pair of electrodes of the power generation unit 24 via the metal wiring 29 a formed in the frame portion 21, and the fixed electrode 37. Is connected to one end of the temperature sensitive resistor 48 through a metal wiring 37 b formed on the cover substrate 30 and a metal wiring 48 b formed on the frame portion 21. The other end of the temperature-sensitive resistor 48 is connected to the upper electrode 24c, which is the other electrode of the power generation unit 24, through the metal wiring 29b. The above-described antenna 39 is connected to the metal wiring 29b. Therefore, the equivalent circuit of the sensor device can be changed to an AC voltage source Vs as shown in FIG. 9, if the power generation unit 24 is an AC voltage source Vs, the sensor unit 48 is a variable resistor R, and the reference capacitor 45 is a capacitor C. An RC series circuit of a resistor R and a capacitor C is connected, and the antenna 39 is connected to a metal wiring 29b that connects the AC voltage source Vs and the variable resistor R.

本実施形態のセンサデバイスでは、上述の説明から分かるように、フレーム部21に設けられる感温抵抗からなるセンサ部48が発電部24からの交流電圧によりバイアスされるので、外部から電力を供給することなく動作可能となる。また、本実施形態のセンサデバイスにおけるセンサ部48は、センシング対象の物理量である温度の変化に応じて、抵抗値が変化するので、センシング対象の物理量の変化をセンサ部48の抵抗値の変化から検出することが可能となる。   In the sensor device of the present embodiment, as can be seen from the above description, the sensor unit 48 formed of the temperature-sensitive resistor provided in the frame unit 21 is biased by the AC voltage from the power generation unit 24, and thus power is supplied from the outside. It becomes possible to operate without. In addition, since the resistance value of the sensor unit 48 in the sensor device of the present embodiment changes in accordance with a change in temperature, which is a physical quantity to be sensed, a change in the physical quantity to be sensed is detected from a change in the resistance value of the sensor unit 48. It becomes possible to detect.

ここにおいて、本実施形態のセンサデバイスの等価回路は、上述の図9に示したように、発電部24により構成される交流電圧源Vsに、センサ部48と参照コンデンサ45とのRC直列回路が接続された構成となるから、センサ部48の出力をアンテナ39から電波として放射させることができる。しかして、例えば、アンテナ39から送信された電波を受信する受信アンテナおよび当該受信アンテナの出力に基づいて温度を求めるマイクロコンピュータなどからなる信号処理部を備えた受信装置において、温度の情報を得ることが可能となる。なお、センサデバイスは、例えば、車両などに搭載して用いられるが、車載用途に限らず、他の用途にも用いられる。   Here, the equivalent circuit of the sensor device of the present embodiment is such that an RC series circuit of the sensor unit 48 and the reference capacitor 45 is added to the AC voltage source Vs constituted by the power generation unit 24 as shown in FIG. Since it becomes the connected structure, the output of the sensor part 48 can be radiated | emitted from the antenna 39 as a radio wave. Thus, for example, in a receiving apparatus including a receiving antenna that receives a radio wave transmitted from the antenna 39 and a microcomputer that obtains temperature based on the output of the receiving antenna, temperature information is obtained. Is possible. The sensor device is used by being mounted on a vehicle, for example. However, the sensor device is not limited to an on-vehicle use, and is used for other uses.

また、本実施形態のセンサデバイスによれば、センサ部48は、センシング対象の物理量が温度であって、フレーム部21に形成され温度の変化に応じて抵抗値が変化する感温抵抗であり、フレーム部21に形成された参照コンデンサ45を介して発電部24の出力端間に接続されているので、上述の図5と同様に、発電部24で発生する交流電圧「イ」と、発電部24からRC直列回路に流れる交流電流「ロ」との位相差δが、センシングされる温度に応じたセンサ部48の抵抗値に基づいて変化する。なお、センサ部48の抵抗値をR、参照コンデンサ45の容量値をC、交流電圧「イ」の角周波数をωとすると、tanδ=1/ωRCとなる。   Further, according to the sensor device of the present embodiment, the sensor unit 48 is a temperature-sensitive resistor whose sensing target physical quantity is temperature and whose resistance value changes according to the temperature change formed in the frame unit 21. Since it is connected between the output ends of the power generation unit 24 via the reference capacitor 45 formed in the frame unit 21, the AC voltage “I” generated in the power generation unit 24 and the power generation unit are the same as in FIG. The phase difference δ with respect to the alternating current “B” flowing from 24 to the RC series circuit changes based on the resistance value of the sensor unit 48 according to the sensed temperature. If the resistance value of the sensor unit 48 is R, the capacitance value of the reference capacitor 45 is C, and the angular frequency of the AC voltage “A” is ω, tan δ = 1 / ωRC.

したがって、センサデバイスにおけるセンサ部48の代わりに抵抗値が一定の参照抵抗を形成したリファレンス用デバイスをセンサデバイスの隣りに配置しておけば、両者の位相差δに基づいて温度を検知することが可能となる。   Therefore, if a reference device in which a reference resistance having a constant resistance value is formed instead of the sensor unit 48 in the sensor device is arranged next to the sensor device, the temperature can be detected based on the phase difference δ between the two. It becomes possible.

10 ベース基板
10a 第1のガラス基板
20 振動子形成基板
20a シリコン基板
21 フレーム部
22 撓み部
23 振動子
24 発電部
25 センサ部
26 ダイヤフラム部
27 可動電極
28 参照抵抗
30 カバー基板
30a 第2のガラス基板
35 変位空間
37 固定電極
39 アンテナ
45 参照コンデンサ
48 センサ部(感温抵抗)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Base substrate 10a 1st glass substrate 20 Vibrator formation board | substrate 20a Silicon substrate 21 Frame part 22 Deflection part 23 Vibrator 24 Electric power generation part 25 Sensor part 26 Diaphragm part 27 Movable electrode 28 Reference resistance 30 Cover substrate 30a 2nd glass substrate 35 Displacement space 37 Fixed electrode 39 Antenna 45 Reference capacitor 48 Sensor part (temperature-sensitive resistance)

Claims (5)

ベース基板と、半導体基板を用いて形成されてベース基板の一表面側に固着されるフレーム部およびフレーム部の内側に配置され可撓性の撓み部を介して揺動自在に支持された振動子を有する振動子形成基板と、撓み部に形成され振動子の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部と、少なくとも一部がフレーム部に設けられ発電部からの交流電圧によりバイアスされるセンサ部とを備えることを特徴とするセンサデバイス。   A base substrate, a frame portion that is formed using a semiconductor substrate and is fixed to one surface side of the base substrate, and a vibrator that is disposed inside the frame portion and is swingably supported via a flexible bending portion An oscillator forming substrate having a power generation section formed of a piezoelectric conversion section that is formed in a flexure section and generates an AC voltage according to the vibration of the oscillator, and at least part of which is provided in the frame section by an AC voltage from the power generation section A sensor device comprising a sensor unit to be biased. 前記センサ部の出力を電波として放射させるアンテナを備えることを特徴とする請求項1記載のセンサデバイス。   The sensor device according to claim 1, further comprising an antenna that radiates the output of the sensor unit as a radio wave. 前記センサ部は、センシング対象の物理量の変化に応じて、容量値もしくは抵抗値が変化することを特徴とする請求項1または請求項2記載のセンサデバイス。   The sensor device according to claim 1, wherein the sensor unit changes in capacitance value or resistance value in accordance with a change in a physical quantity to be sensed. 前記センサ部は、センシング対象の物理量が圧力であって、前記フレーム部に形成したダイヤフラム部に設けられた可動電極と当該可動電極に対向配置される固定電極とで構成され圧力の変化に応じて容量値が変化する可変容量コンデンサであり、前記フレーム部に形成された参照抵抗を介して前記発電部の出力端間に接続されてなることを特徴とする請求項3記載のセンサデバイス。   The sensor unit includes a movable electrode provided on a diaphragm unit formed on the frame unit and a fixed electrode disposed opposite to the movable electrode, and a physical quantity to be sensed is pressure. The sensor device according to claim 3, wherein the sensor device is a variable capacitor whose capacitance value changes, and is connected between output terminals of the power generation unit via a reference resistor formed in the frame unit. 前記センサ部は、センシング対象の物理量が温度であって、温度の変化に応じて抵抗値が変化する感温抵抗であり、前記フレーム部に設けられた参照コンデンサを介して前記発電部の出力端間に接続されてなることを特徴とする請求項3記載のセンサデバイス。   The sensor unit is a temperature-sensitive resistor in which a physical quantity to be sensed is temperature, and a resistance value changes according to a change in temperature, and an output terminal of the power generation unit via a reference capacitor provided in the frame unit The sensor device according to claim 3, wherein the sensor device is connected between them.
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