JP2011226995A

JP2011226995A - Acceleration sensor

Info

Publication number: JP2011226995A
Application number: JP2010098993A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 健小林; Hisahiro Ito; 寿浩伊藤; Hironao Okada; 浩尚岡田; Ryutaro Maeda; 龍太郎前田; Yi Chang; 毅張; Homare Masuda; 誉増田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; University of Tokyo NUC
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; University of Tokyo NUC
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: JP5896395B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acceleration sensor which enables an acceleration detection of high accuracy and can cope with changing of acceleration to be detected easily and at low cost.SOLUTION: In an acceleration sensor 210A, voltage according to degree of added acceleration is output from a piezoelectric material part 212. The voltage passes through capacitors 214A, 214B and 214C, which are provided to switching circuits 216A, 216B and 216C and have different capacities, to be determined at CMOS inverters 215A, 215B and 215C. Since the number of the CMOS inverters which are turned on changes according to the magnitude of the voltage output from the piezoelectric material part 212, the acceleration can be determined digitally.

Description

本発明は、加速度を検出する加速度センサに関する。 The present invention relates to an acceleration sensor that detects acceleration.

従来より、加速度センサは、センサの質量部分の変位を、静電容量の変化、ピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化、歪ゲージ、圧電効果による電荷の変化等により、加速度を計測している。近年、このような加速度センサは、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）技術を用いて小型化が図られている。 Conventionally, the acceleration sensor measures the acceleration of the displacement of the mass portion of the sensor by a change in capacitance, a change in electrical resistance due to the piezoresistance effect, a strain gauge, a change in charge due to the piezoelectric effect, or the like. In recent years, such acceleration sensors have been miniaturized using MEMS (micro electro mechanical systems) technology.

上記したような加速度センサのうち、静電容量や抵抗変化を検出するタイプのものにおいては、加速度を計測するためには駆動電力を必要とする。すなわち、常時電圧を印加しておき、通常時の静電容量や抵抗を基準として、静電容量や抵抗の変化を検出する。このため、加速度センサの用途によっては、加速度の計測対象に取り付けた場合、電源の確保が問題となる。特にこのような加速度センサを、動物に装着するような用途の場合、外部から電力を供給したり、バッテリの充電や交換を行うのは困難である。さらにこのような用途においては、電源を含めた加速度センサ全体を小型化・軽量化する必要があるために、大型のバッテリ等を備えることもできない。 Among the acceleration sensors as described above, a type that detects capacitance or resistance change requires driving power to measure acceleration. That is, a voltage is always applied, and changes in capacitance and resistance are detected with reference to normal capacitance and resistance. For this reason, depending on the use of the acceleration sensor, securing the power supply becomes a problem when it is attached to an acceleration measurement target. In particular, when such an acceleration sensor is used on an animal, it is difficult to supply electric power from the outside or to charge or replace the battery. Furthermore, in such an application, since it is necessary to reduce the size and weight of the entire acceleration sensor including the power source, it is not possible to provide a large battery.

そこで、本発明者らは、加速度に応じて変形する変形部材の表面に、変形部材の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部を複数備えるとともに、これら圧電材料部を電気的に直列に接続した加速度センサを既に提案した（特許文献１参照。）。この加速度センサにおいては、圧電材料部から印加された電圧が予め定めた設定電圧を超えたときに信号を発する信号処理回路を複数備え、これら信号処理回路は、直列に接続された複数の圧電材料部のうち、互いに異なる少なくとも２つの圧電材料部に接続した。そして、複数の信号処理回路のそれぞれにおいては、基準電位と、その信号処理回路が接続された圧電材料部との間に直列に接続されている圧電材料部の数に応じた電圧が印加されるようになっている。
このような加速度センサにおいては、加速度が作用すると変形部材が変形し、これにともない圧電材料部がその変形量に応じた電荷を発生する。そして、この圧電材料部は複数が電気的に直列に接続されているので、基準電位側からの配置（順番）によって、基準電位との間に直列に接続されている圧電材料部から印加される電圧が異なる。信号処理回路に圧電材料部から印加された電圧が設定電圧を超えた場合、信号処理回路は信号を発するが、この信号を発した信号処理回路を認識することで、作用した加速度の程度(レベル)を得ることができるものとなっている。つまり、複数の信号処理回路から発する信号に基づいて、加速度をデジタル的に測定することができる。 Therefore, the present inventors include a plurality of piezoelectric material portions that generate electric charges according to deformation of the deformable member on the surface of the deformable member that deforms according to acceleration, and electrically connect these piezoelectric material portions in series. An acceleration sensor has already been proposed (see Patent Document 1). The acceleration sensor includes a plurality of signal processing circuits that emit a signal when a voltage applied from the piezoelectric material portion exceeds a predetermined set voltage, and the signal processing circuits include a plurality of piezoelectric materials connected in series. Of the parts, they were connected to at least two different piezoelectric material parts. In each of the plurality of signal processing circuits, a voltage corresponding to the number of piezoelectric material portions connected in series is applied between the reference potential and the piezoelectric material portion to which the signal processing circuit is connected. It is like that.
In such an acceleration sensor, when an acceleration is applied, the deformable member is deformed, and accordingly, the piezoelectric material portion generates a charge corresponding to the amount of deformation. Since a plurality of the piezoelectric material portions are electrically connected in series, the piezoelectric material portions are applied from the piezoelectric material portions connected in series with the reference potential by arrangement (order) from the reference potential side. The voltage is different. When the voltage applied from the piezoelectric material part to the signal processing circuit exceeds the set voltage, the signal processing circuit emits a signal.By recognizing the signal processing circuit that issued this signal, the degree of acceleration (level) ) Can be obtained. That is, the acceleration can be measured digitally based on signals emitted from a plurality of signal processing circuits.

特開２００８−１５１５６２号公報JP 2008-151562 A

しかしながら、上記したような加速度センサについて、本発明者らが研究を継続したところ、圧電材料部の直列接続による出力電圧の増幅が、必ずしもリニアにならないという問題があることを見出した。
その原因を追及したところ、複数の圧電材料部間において、その膜厚や、圧電材料部が形成されるシリコン基板表面に形成される絶縁膜（ＳｉＯ_２）と、その表面に形成されるＰｔ、Ｔｉ等からなる配線層との間に形成される寄生容量等に、ばらつきがあることが影響していることが判明した。
これらの影響により、特定の加速度を上回ったときに信号が切り替わるよう、直列接続された複数の圧電材料部の中から選定された圧電材料部に対し、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ;相補型金属酸化膜半導体）インバータ等からなる信号処理回路を接続しても、実際にセンサを作動させると、前記の特定の加速度を上回っても、出力電圧が設計通りに変化せず、信号が切り替わらない、といった現象が生じた。 However, when the present inventors have continued research on the acceleration sensor as described above, it has been found that there is a problem that the amplification of the output voltage due to the series connection of the piezoelectric material portions is not necessarily linear.
In pursuit of the cause, the film thickness, the insulating film (SiO ₂ ) formed on the silicon substrate surface on which the piezoelectric material part is formed, and the Pt formed on the surface between the piezoelectric material parts are investigated. It has been found that variations in the parasitic capacitance formed between the wiring layer made of Ti and the like have an influence.
Due to these effects, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is selected for the piezoelectric material part selected from a plurality of piezoelectric material parts connected in series so that the signal is switched when a specific acceleration is exceeded. Membrane semiconductor) Even if a signal processing circuit consisting of an inverter or the like is connected, if the sensor is actually operated, the output voltage will not change as designed and the signal will not switch even if the specified acceleration is exceeded. A phenomenon occurred.

また、用途に応じて、信号が切り替わる加速度を変更する場合には、直列接続された複数の圧電材料部の中から、信号処理回路を接続する圧電材料部を変更する必要がある。これには、基板上の配線を変更しなければならず、手間とコストがかかるという問題がある。 Further, when changing the acceleration at which the signal is switched according to the application, it is necessary to change the piezoelectric material portion to which the signal processing circuit is connected from among the plurality of piezoelectric material portions connected in series. This has the problem that the wiring on the substrate has to be changed, which takes time and cost.

加えて、図８に示すように、基板１上に、絶縁膜２、下部電極層３を介して形成された複数の圧電材料部５Ａ、５Ｂ、…を直列接続するには、圧電材料部５Ａを覆う絶縁膜６に形成された開口に露出する上部電極７と、隣接する圧電材料部５Ｂの下方に位置する下部電極層３とを、配線パターン８によって接続する必要がある。このとき、配線パターン８は、圧電材料部５Ａ、５Ｂによる段差を乗り越えて形成されるため、その作成プロセスが複雑化、困難化し、品質の安定性の確保が難しく、コストもかかる。 In addition, as shown in FIG. 8, in order to connect a plurality of piezoelectric material portions 5A, 5B,... Formed on the substrate 1 via the insulating film 2 and the lower electrode layer 3, in series, the piezoelectric material portion 5A It is necessary to connect the upper electrode 7 exposed in the opening formed in the insulating film 6 covering the lower electrode layer 3 and the lower electrode layer 3 located below the adjacent piezoelectric material portion 5B by the wiring pattern 8. At this time, since the wiring pattern 8 is formed over the steps formed by the piezoelectric material portions 5A and 5B, the production process becomes complicated and difficult, and it is difficult to ensure the quality stability, and the cost is high.

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、精度の高い加速度検出を行うことができ、また、検出する加速度を変更する場合にも容易かつ低コストに対応することのできる加速度センサ等を提供することを目的とする。
他の目的は、その作成プロセスを容易かつ確実なものとすることのできる加速度センサ等を提供することにある。 The present invention has been made based on such a technical problem, and can perform highly accurate acceleration detection, and can easily and cost-effectively change the detected acceleration. An object is to provide an acceleration sensor or the like.
Another object is to provide an acceleration sensor or the like that can make the production process easy and reliable.

かかる目的のもと、本発明の加速度センサは、加速度に応じて変形する変形部材と、変形部材の表面に形成され、変形部材の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部と、圧電材料部で発生した電荷量に応じて得られる電圧が印加され、印加された電圧が予め定めた設定電圧を超えたときに信号を発するスイッチ回路を有した信号処理部と、を備える。そして、信号処理部は、複数のスイッチ回路を並列に備え、これら複数のスイッチ回路は、圧電材料部から印加される電圧によって信号が切り替わる設定電圧が互いに異なることを特徴とする。
このような加速度センサでは、加速度が加わると変形部材が変形し、その変形に応じた電圧が圧電材料部から信号処理部に印加される。信号処理部は、複数のスイッチ回路を並列に備えており、それぞれのスイッチ回路には、同じ電圧が印加される。それぞれのスイッチ回路は、印加される電圧によって設定電圧が互いに異なる。これにより、印加される電圧に応じ、複数のスイッチ回路のうち、信号が切り替わるスイッチ回路の数が段階的に異なることになる。これにより、信号処理部は、複数のスイッチ回路から発する信号に基づいて、加速度をデジタル的に測定することができる。
このとき、設定電圧の異なる複数のスイッチ回路を用いることで、変形部材や圧電材料部は一つであってもデジタル的な加速度の測定が行えるので、変形部材や圧電材料部のばらつきの影響を受けることもない。また、検出する加速度のレベルを変更する場合にも、スイッチ回路を構成するキャパシタや抵抗、スイッチ本体等を交換すればよいだけである。 For this purpose, the acceleration sensor of the present invention includes a deformable member that deforms according to acceleration, a piezoelectric material portion that is formed on the surface of the deformable member and generates an electric charge according to deformation of the deformable member, and a piezoelectric material portion. And a signal processing unit having a switch circuit that emits a signal when a voltage obtained according to the amount of charge generated in step S1 is applied and the applied voltage exceeds a predetermined set voltage. The signal processing unit includes a plurality of switch circuits in parallel, and the plurality of switch circuits have different setting voltages at which signals are switched depending on a voltage applied from the piezoelectric material unit.
In such an acceleration sensor, when acceleration is applied, the deformable member is deformed, and a voltage corresponding to the deformation is applied from the piezoelectric material portion to the signal processing portion. The signal processing unit includes a plurality of switch circuits in parallel, and the same voltage is applied to each switch circuit. Each switch circuit has a different set voltage depending on the applied voltage. As a result, the number of switch circuits for switching signals among the plurality of switch circuits varies stepwise according to the applied voltage. Thereby, the signal processing unit can digitally measure the acceleration based on the signals emitted from the plurality of switch circuits.
At this time, by using a plurality of switch circuits having different set voltages, digital acceleration can be measured even if there is only one deformable member or piezoelectric material portion. I don't get it. Also, when changing the level of acceleration to be detected, it is only necessary to replace the capacitor, resistor, switch body, and the like constituting the switch circuit.

このような信号処理部に備えられる複数のスイッチ回路は、それぞれ、容量が互いに異なるキャパシタまたは抵抗値が互いに異なる抵抗と、設定電圧が共通とされたスイッチ本体とを直列に接続してなるものとすることができる。
また、複数のスイッチ回路は、設定電圧が互いに異なるスイッチ本体からなるものとすることもできる。 Each of the plurality of switch circuits provided in such a signal processing unit is formed by connecting capacitors having different capacitances or resistors having different resistance values and a switch body having a common set voltage in series. can do.
Further, the plurality of switch circuits may be composed of switch bodies having different setting voltages.

ところで、変形部材は、当該変形部材を制御する制御回路を備えたチップ基板上に積層した構成とすることができる。
この場合、圧電材料部が複数個備えられるとともに、これら複数個の圧電材料部が直列に接続されたとき、互いに前後する一方の圧電材料部の上部電極と、他方の圧電材料部の下部電極とを、ワイヤーボンディングにより形成された配線により接続するのが好ましい。
これにより、圧電材料部による段差を乗り越えた配線を行う必要ない。 By the way, the deformable member can be configured to be stacked on a chip substrate provided with a control circuit for controlling the deformable member.
In this case, a plurality of piezoelectric material portions are provided, and when the plurality of piezoelectric material portions are connected in series, an upper electrode of one piezoelectric material portion and a lower electrode of the other piezoelectric material portion Are preferably connected by wiring formed by wire bonding.
Thereby, it is not necessary to perform wiring over the step due to the piezoelectric material portion.

また、本発明は、管理対象となる鳥に装着され、少なくとも加速度を測定するとともに、測定の結果をデータとして無線送信するセンサと、センサから送信されたデータに基づき、鳥の健康状態に異常が生じているか否かの判定を行う判定装置と、を備え、センサが、上記したような加速度センサを備えることを特徴とする鳥インフルエンザ監視システムとすることもできる。 In addition, the present invention is attached to a bird to be managed, measures at least acceleration, wirelessly transmits the measurement result as data, and based on the data transmitted from the sensor, abnormality in the health state of the bird It is possible to provide a bird flu monitoring system characterized in that it includes a determination device that determines whether or not it has occurred, and the sensor includes an acceleration sensor as described above.

本発明によれば、設定電圧の異なる複数のスイッチ回路を用いることで、変形部材や圧電材料部のばらつきの影響を受けることもなく、精度の高い加速度検出を行うことができる。また、検出する加速度のレベルを変更する場合にも、スイッチ回路を構成するキャパシタや抵抗、スイッチ本体等の交換をすればよいだけなので、容易かつ低コストに対応することができる。
また、本発明によれば、圧電材料部による段差を乗り越えた配線を行う必要ないため、その作成プロセスが容易であり、品質の安定性の確保、低コスト化を図ることもできる。 According to the present invention, by using a plurality of switch circuits having different set voltages, highly accurate acceleration detection can be performed without being affected by variations in the deformable member and the piezoelectric material portion. Further, when changing the level of acceleration to be detected, it is only necessary to replace the capacitor, resistor, switch body, and the like constituting the switch circuit, so that it is possible to cope with it easily and at low cost.
In addition, according to the present invention, since it is not necessary to perform wiring over the level difference due to the piezoelectric material portion, the manufacturing process is easy, and it is possible to ensure quality stability and reduce costs.

本実施の形態における鳥インフルエンザ監視システムの概念図である。It is a conceptual diagram of the bird flu monitoring system in this Embodiment. センサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a sensor. センサの具体的構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of a sensor. シリコン基板のチップパッケージへの複数の積層例を示すものである。A plurality of stacked examples of a silicon substrate on a chip package are shown. 圧電材料部を直列接続する場合のワイヤーボンディングによる配線例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example of wiring by wire bonding in the case of connecting a piezoelectric material part in series. センサの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of a sensor. 加速度を異ならせたときのセンサにおける電圧変化の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the voltage change in a sensor when changing acceleration. 従来のセンサの断面図を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing of the conventional sensor.

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による鳥インフルエンザ監視システム１００を概念的に描いた図である。
図１に示すように、鳥インフルエンザ監視システム１００は、管理区域１１０内で管理される鳥（生体）に装着されるセンサ１２０、管理区域１１０内をカバーするように１つ又は複数個設置される中継局１３０、管理区域１１０内に設置される全ての中継局１３０を集中制御する中継局コントローラ１４０、送受信装置１５０、制御装置（判定コンピュータ）１６０などから構成される。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a bird flu monitoring system 100 according to the present invention.
As shown in FIG. 1, one or more avian influenza monitoring systems 100 are installed to cover a sensor 120 attached to a bird (living body) managed in the management area 110 and the management area 110. The relay station 130 includes a relay station controller 140 that centrally controls all the relay stations 130 installed in the management area 110, a transmission / reception device 150, a control device (determination computer) 160, and the like.

管理区域１１０は、鳥舎等、鳥を飼育するために設けられたものである。
管理区域１１０内においては、センサ１２０と中継局１３０との間は無線により通信が行われる。 The management area 110 is provided for raising birds such as a birdhouse.
In the management area 110, the sensor 120 and the relay station 130 communicate with each other wirelessly.

センサ１２０は、鳥の姿勢や行動、バイタルサインなどを検出するセンサ群と、検出処理回路、通信回路、電源およびパワーマネージメントデバイスを高密度集積化した、鳥の健康状態をモニタするためのシステムインパッケージである。
このセンサ１２０における測定データは無線により送信される。送信された測定データは中継局１３０によって受信され、さらに、中継局コントローラ１４０に転送される。 The sensor 120 is a system for monitoring the health state of a bird, which is a high-density integration of a sensor group that detects the posture, behavior, vital signs, and the like of a bird and a detection processing circuit, a communication circuit, a power source, and a power management device. It is a package.
Measurement data in the sensor 120 is transmitted wirelessly. The transmitted measurement data is received by the relay station 130 and further transferred to the relay station controller 140.

中継局１３０と中継局コントローラ１４０とは、無線又は有線の各種通信ネットワークを介して接続される。中継局コントローラ１４０は、管理区域１１０に設置される中継局１３０のみならず、他の管理区域１１２や１１４の中継局も制御し、これらの中継局で受信されたセンサ１２０のデータを集めて送受信装置１５０へと転送する。
送受信装置１５０は、各種通信ネットワークを介してセンサ１２０の測定データを制御装置１６０へと送信する。 The relay station 130 and the relay station controller 140 are connected via various wireless or wired communication networks. The relay station controller 140 controls not only the relay station 130 installed in the management area 110 but also the relay stations in the other management areas 112 and 114, and collects and transmits data of the sensors 120 received by these relay stations. Transfer to device 150.
The transmission / reception device 150 transmits the measurement data of the sensor 120 to the control device 160 via various communication networks.

制御装置１６０は、ハードウエア的にはコンピュータ装置であり、必要な機能を備えたソフトウエアを汎用のコンピュータにインストールすることで実現することができる。このため制御装置１６０の多くの機能は、一般的なコンピュータが備えている、ＣＰＵやメモリ、ネットワークアダプタ、モデム等のハードウエアと、ソフトウエアとの協働によって実現されている。
この制御装置１６０は、センサ１２０から送信された測定データに基づき、鳥インフルエンザの発生の有無を監視している。そして、センサ１２０から送信された測定データが、鳥インフルエンザの発生を示すものであると判定された場合には、その判定結果、すなわち鳥インフルエンザが発生したことを表す情報を、アラームの出力、印刷物のプリントアウト、予めインプットされた送付先への電子メールの送信等によって出力することもできる。制御装置１６０は管理区域１１０の近辺に設置されていてもよいが、全く離れた遠隔地に設置されていても良い。 The control device 160 is a computer device in terms of hardware, and can be realized by installing software having necessary functions in a general-purpose computer. For this reason, many functions of the control device 160 are realized by the cooperation of hardware such as a CPU, memory, network adapter, and modem provided in a general computer and software.
The control device 160 monitors the presence or absence of avian influenza based on the measurement data transmitted from the sensor 120. If it is determined that the measurement data transmitted from the sensor 120 indicates the occurrence of avian influenza, the determination result, that is, information indicating that avian influenza has occurred, is output as an alarm, printed matter It is also possible to output by printing out, sending an e-mail to a destination input in advance, or the like. The control device 160 may be installed in the vicinity of the management area 110, but may be installed in a remote place that is completely separated.

次に、図２を用いてセンサ１２０の構成について説明する。
図２はセンサ１２０の構成を示す図である。
図２に示すように、センサ１２０は、例えば、所定の物理量を測定するセンサ部２１０と、センサ１２０として所定の動作を行うように各部をコントロールするためのＩＣとメモリとから構成される回路からなるセンサ制御部２２０と、センサ制御部２２０の動作に必要な電力を蓄えるバッテリやコンデンサ等からなる蓄電部２３０と、中継局１３０との間で電波の送受信を行うための通信制御を行うための通信制御部２４０と、アンテナ２５０とを、薄帯状（フィルム状）、薄板状の基板上に実装した超小型ネットワークセンサチップである。
このようなセンサ１２０は、ＭＥＭＳ加工技術を用いることで、数ｃｍ四方以内の小型なものとすることができる。 Next, the configuration of the sensor 120 will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the sensor 120.
As shown in FIG. 2, the sensor 120 includes, for example, a sensor unit 210 that measures a predetermined physical quantity, and a circuit that includes an IC and a memory for controlling each unit so as to perform a predetermined operation as the sensor 120. Communication control for performing transmission / reception of radio waves between the sensor control unit 220 and the power storage unit 230 including a battery or a capacitor that stores electric power necessary for the operation of the sensor control unit 220, and the relay station 130. It is an ultra-small network sensor chip in which a communication control unit 240 and an antenna 250 are mounted on a thin band (film) or thin plate substrate.
Such a sensor 120 can be made small in a few cm square by using MEMS processing technology.

センサ部２１０は、少なくとも加速度を測定する。本実施の形態においては、センサ部２１０として、加速度センサ２１０Ａに加え、対象物の温度（体温）を検出する温度センサ２１０Ｔを備えることもできる。 The sensor unit 210 measures at least acceleration. In the present embodiment, in addition to the acceleration sensor 210A, the sensor unit 210 may include a temperature sensor 210T that detects the temperature (body temperature) of the object.

図３は、センサ部２１０において、加速度を検出するための加速度センサ２１０Ａの構成を示す図である。
この図３に示すように、加速度センサ２１０Ａは、加速度センサ２１０Ａに作用した加速度に応じて変形する変形部材２１１と、変形部材２１１の変形に応じて電荷を発生する圧電材料部２１２と、圧電材料部２１２で発生した電荷量に応じて得られる電圧が印加される信号処理回路（信号処理部）２１３とを備えている。 FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an acceleration sensor 210 </ b> A for detecting acceleration in the sensor unit 210.
As shown in FIG. 3, the acceleration sensor 210 </ b> A includes a deformation member 211 that deforms according to the acceleration applied to the acceleration sensor 210 </ b> A, a piezoelectric material portion 212 that generates an electric charge according to deformation of the deformation member 211, A signal processing circuit (signal processing unit) 213 to which a voltage obtained in accordance with the amount of charge generated in the unit 212 is applied.

ここで変形部材２１１としては、例えばカンチレバー２１１ａと錘２１１ｂとからなるカンチレバー式のものを用いることができる。カンチレバー式の変形部材２１１においては、加速度が作用すると、錘２１１ｂの質量が加わっているカンチレバー２１１ａが、作用した加速度に応じた変形量で撓み変形する。このような変形部材２１１は、シリコン基板をＭＥＭＳ技術により所定形状に形成することで得ることができる。変形部材２１１としては、加速度に応じて変形を生じるものであれば、カンチレバー式に限らず、ダイヤフラム式等、他のタイプのものを採用しても良い。 Here, as the deformable member 211, for example, a cantilever type composed of a cantilever 211a and a weight 211b can be used. In the cantilever-type deformable member 211, when acceleration is applied, the cantilever 211a to which the mass of the weight 211b is added is bent and deformed with a deformation amount corresponding to the applied acceleration. Such a deformable member 211 can be obtained by forming a silicon substrate into a predetermined shape by MEMS technology. The deformation member 211 is not limited to the cantilever type as long as it deforms according to the acceleration, and other types such as a diaphragm type may be employed.

また、変形部材２１１が形成されたシリコン基板２０１は、チップパッケージ２００上に積層して設けるのが好ましい。
図４は、シリコン基板２０１のチップパッケージ２００への積層例を示すものである。
例えば、図４（ａ）に示すように、シリコン基板２０１は、チップパッケージ２００上に、センサ制御部２２０を構成するチップと並べて実装し、これらをワイヤーボンディングによる配線２５０により電気的に接続することができる。
また、図４（ｂ）に示すように、チップパッケージ２００の表面に、センサ制御部２２０を構成するチップを実装し、その上にシリコン基板２０１を積層した構成とすることもできる。この場合、チップパッケージ２００、シリコン基板２０１、センサ制御部２２０は、ワイヤーボンディングによる配線２５１により電気的に接続することができる。また、図４（ｃ）に示すように、チップパッケージ２００の表面に、センサ制御部２２０、シリコン基板２０１を同様に積層し、シリコン基板２０１、センサ制御部２２０に設けた電極パッド２５３により、これらを電気的に接続することもできる。図４（ｂ）、（ｃ）に示す構成では、センサ１２０をコンパクトな構成とすることができる。 Further, the silicon substrate 201 on which the deformable member 211 is formed is preferably provided by being stacked on the chip package 200.
FIG. 4 shows an example of stacking the silicon substrate 201 on the chip package 200.
For example, as shown in FIG. 4A, the silicon substrate 201 is mounted on the chip package 200 side by side with the chips constituting the sensor control unit 220, and these are electrically connected by wiring 250 by wire bonding. Can do.
Further, as shown in FIG. 4B, a chip constituting the sensor control unit 220 may be mounted on the surface of the chip package 200, and a silicon substrate 201 may be stacked thereon. In this case, the chip package 200, the silicon substrate 201, and the sensor control unit 220 can be electrically connected by the wiring 251 by wire bonding. Further, as shown in FIG. 4C, the sensor control unit 220 and the silicon substrate 201 are similarly laminated on the surface of the chip package 200, and these are provided by the electrode pads 253 provided on the silicon substrate 201 and the sensor control unit 220. Can also be electrically connected. In the configuration shown in FIGS. 4B and 4C, the sensor 120 can be made compact.

圧電材料部２１２は、変形部材２１１の表面に形成された圧電薄膜からなる。このような圧電薄膜を形成する材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材料のほか、ＢａＴｉＯ_３、ＺｎＯ、ＡｌＮ、水晶、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の周知の圧電材料を用いることが可能である。このような圧電材料部２１２は、作用した加速度に応じて変形部材２１１が変形すると、その変形量に応じた電荷を発生する。つまり、作用した加速度が大きいほど、圧電材料部２１２では大きな電荷を発生する。発生した電荷と、圧電材料部２１２における負荷容量によって、圧電材料部２１２で得られる電圧が決まる。 The piezoelectric material part 212 is made of a piezoelectric thin film formed on the surface of the deformable member 211. As a material for forming such a piezoelectric thin film, in addition to a PZT (lead zirconate titanate) material, a well-known piezoelectric material such as BaTiO ₃ , ZnO, AlN, quartz, PVDF (polyvinylidene fluoride), or the like can be used. It is. When the deformable member 211 is deformed according to the applied acceleration, the piezoelectric material part 212 generates electric charges according to the deformation amount. That is, the larger the applied acceleration, the larger the electric charge is generated in the piezoelectric material part 212. The voltage obtained in the piezoelectric material portion 212 is determined by the generated charge and the load capacity in the piezoelectric material portion 212.

このような圧電材料部２１２を備えた変形部材２１１は、加速度センサ２１０Ａにおいて、圧電材料部２１２どうしが電気的に直列に接続されて複数が備えられた構成とすることもできる。その場合、互いに隣接する圧電材料部２１２を直列に接続するには、図５に示すように、チップパッケージ２００上に形成された配線パターンの電極部２５４と、圧電材料部２１２の下部電極２１２ａと、シリコン基板２０１に形成された圧電材料部２１２の上部電極２１２ｂと、をワイヤーボンディングによる金配線２５５により容易に接続することができる。 Such a deformable member 211 including the piezoelectric material portion 212 may have a configuration in which a plurality of piezoelectric material portions 212 are electrically connected in series in the acceleration sensor 210A. In that case, in order to connect the piezoelectric material portions 212 adjacent to each other in series, as shown in FIG. 5, the electrode portion 254 of the wiring pattern formed on the chip package 200, and the lower electrode 212a of the piezoelectric material portion 212, The upper electrode 212b of the piezoelectric material part 212 formed on the silicon substrate 201 can be easily connected by the gold wiring 255 by wire bonding.

信号処理回路２１３は、図６に示すような回路構成を有している。すなわち、この図６に示すように、圧電材料部２１２の出力側が複数のスイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃに分岐され、それぞれには、キャパシタ２１４と、ＣＭＯＳインバータ２１５とが直列に設けられている。
ここで、各スイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃにおいて、キャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃの容量は互いに異なったものに設定されている。
この信号処理回路２１３は、センサ制御部２２０を構成するＩＣ中に設けることができる。 The signal processing circuit 213 has a circuit configuration as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 6, the output side of the piezoelectric material portion 212 is branched into a plurality of switch circuits 216A, 216B, and 216C, and a capacitor 214 and a CMOS inverter 215 are provided in series with each of them.
Here, in each of the switch circuits 216A, 216B, 216C, the capacitors 214A, 214B, 214C have different capacities.
This signal processing circuit 213 can be provided in an IC constituting the sensor control unit 220.

このような信号処理回路２１３においては、変形部材２１１の圧電材料部２１２からの電圧が印加される。各スイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃにおいては、キャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃの容量が互いに異なるので、ＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃに印加される電圧は互いに異なる。
信号処理回路２１３においては、ＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５ＣがＯＮに切り替わる設定電圧は予め統一されている。つまり印加された電圧が設定電圧を上回ればＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５ＣはＯＮとなる。 In such a signal processing circuit 213, a voltage from the piezoelectric material part 212 of the deformable member 211 is applied. In each of the switch circuits 216A, 216B, and 216C, the capacitors 214A, 214B, and 214C have different capacities, so that the voltages applied to the CMOS inverters 215A, 215B, and 215C are different from each other.
In the signal processing circuit 213, the set voltages at which the CMOS inverters 215A, 215B, and 215C are turned ON are unified in advance. That is, when the applied voltage exceeds the set voltage, the CMOS inverters 215A, 215B, and 215C are turned on.

加速度センサ２１０Ａに加速度が作用し、変形部材２１１が変形するに伴い、圧電材料部２１２からは、各スイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃに同じ電圧が印加される。信号処理回路２１３では、圧電材料部２１２から出力される電圧の大きさに応じ、ＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃのうち、ＯＮになるものの数が異なることになる。
このような構成により、作用した加速度によって印加される電圧は異なるので、センサ制御部２２０においては、ＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃのうち、ＯＮになるものの数を認識することで、加速度をデジタル的に決定することができる。 As the acceleration acts on the acceleration sensor 210A and the deformation member 211 is deformed, the same voltage is applied from the piezoelectric material portion 212 to the switch circuits 216A, 216B, and 216C. In the signal processing circuit 213, the number of CMOS inverters 215A, 215B, and 215C that are turned on differs depending on the magnitude of the voltage output from the piezoelectric material portion 212.
With such a configuration, the applied voltage differs depending on the applied acceleration. Therefore, the sensor control unit 220 recognizes the number of CMOS inverters 215A, 215B, and 215C that are turned on, thereby digitally determining the acceleration. Can be determined.

信号処理回路２１３が接続されたセンサ制御部２２０においては、信号処理回路２１３からの信号がＯＦＦからＯＮ、あるいはＯＮからＯＦＦに切り替わると、ＯＦＦからＯＮ、あるいはＯＮからＯＦＦに切り替わったこと、およびその時刻情報をメモリに記憶させ、所定のタイミングで、記憶したそれらの情報を、中継局１３０を介して制御装置１６０に送信するようになっている。 In the sensor control unit 220 to which the signal processing circuit 213 is connected, when the signal from the signal processing circuit 213 is switched from OFF to ON, or from ON to OFF, the switching from OFF to ON, or from ON to OFF, and Time information is stored in a memory, and the stored information is transmitted to the control device 160 via the relay station 130 at a predetermined timing.

このような加速度センサ２１０Ａにおいては、作用した加速度によって、圧電材料からなる圧電材料部２１２が直接電荷を発生させるため、待機中の消費電力がほぼ０である。
そして、一つの圧電材料部２１２から出力される、加わった加速度の大きさに応じた電圧の大きさを、スイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃに設けられたＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃで判定するので、従来のように複数の圧電材料部を直列接続した場合のように、圧電材料部の膜厚や寄生容量のばらつきの影響を受けることなく、精度良く加速度を検出することが可能となる。
また、用途に応じて、信号がＯＮに切り替わる加速度の設定値を変更する場合には、キャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃの容量を変更するだけでよいため、容易かつ低コストで設定値変更に対応することができる。 In such an acceleration sensor 210A, the piezoelectric material portion 212 made of a piezoelectric material directly generates electric charges due to the applied acceleration, so that power consumption during standby is almost zero.
Then, the magnitude of the voltage according to the magnitude of the applied acceleration output from one piezoelectric material unit 212 is determined by the CMOS inverters 215A, 215B, and 215C provided in the switch circuits 216A, 216B, and 216C. The acceleration can be detected with high accuracy without being affected by variations in the film thickness and parasitic capacitance of the piezoelectric material portion as in the case where a plurality of piezoelectric material portions are connected in series as in the prior art.
Further, when changing the set value of the acceleration at which the signal is turned on according to the application, it is only necessary to change the capacitance of the capacitors 214A, 214B, and 214C. be able to.

また、変形部材２１１に備えた圧電材料部２１２を直列に備えることで、加速度が作用したときの発電量を高めることができるので、この加速度センサ２１０Ａをより高感度なものとすることができる。このとき、各圧電材料部２１２は、ワイヤーボンディングにより配線して直列に接続できるので、センサ１２０の製造プロセスを容易かつ確実なものとすることができ、品質の安定化を容易に図れる。 In addition, since the piezoelectric material portion 212 provided in the deformable member 211 is provided in series, the amount of power generation when an acceleration is applied can be increased, so that the acceleration sensor 210A can be made more sensitive. At this time, since each piezoelectric material part 212 can be wired and connected in series by wire bonding, the manufacturing process of the sensor 120 can be made easy and reliable, and the quality can be easily stabilized.

また、このようなセンサ１２０を鳥に装着して無線で監視することにより、鳥の行動を妨げることなく、多数の鳥の行動を低コスト且つオンラインでモニタリングすることが可能となる。これによって鳥の健康状態を容易に把握し、感染症の発生などの非常事態も迅速に発見することができる。さらに、このような加速度センサ２１０Ａは、ＭＥＭＳ技術によって小型に形成することができ、また消費電力を抑えることでバッテリを小型化し、軽量化を図ることが可能となる。 Further, by mounting such a sensor 120 on a bird and monitoring it wirelessly, it becomes possible to monitor the behavior of a large number of birds at low cost and online without disturbing the behavior of the birds. As a result, it is possible to easily grasp the health condition of birds and quickly detect emergencies such as the occurrence of infectious diseases. Further, such an acceleration sensor 210A can be formed in a small size by the MEMS technology, and the battery can be reduced in size and weight by suppressing power consumption.

以上、本願発明の好適な実施態様について例を挙げて説明してきたが、本願発明は、その範囲を逸脱することなく、ここで説明した実施態様の他にも様々な実施態様を取りうることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態においては、キャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃの容量を互いに異ならせる構成としたが、これは、交流電源を用いる場合である。直流電源を用いる場合、キャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃに替えて抵抗をそれぞれ設け、その抵抗値を互いに異ならせればよい。
またキャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃの容量や、抵抗の抵抗値を、スイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃ間で共通とし、ＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃにおいて出力信号がＯＮとなる設定電圧（しきい値）が互いに異なるものを用いても良い。
もちろん、３系統のスイッチ回路２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃを設ける構成としたが、これを２系統、あるいは４系統以上とすることも可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above by way of examples. However, the present invention can take various embodiments in addition to the embodiments described herein without departing from the scope thereof. Needless to say.
For example, in the above embodiment, the capacitors 214A, 214B, and 214C have different capacities, but this is the case where an AC power supply is used. When a DC power supply is used, resistors may be provided in place of the capacitors 214A, 214B, and 214C, and the resistance values may be different from each other.
Also, the capacitances of the capacitors 214A, 214B, and 214C and the resistance values of the resistors are common between the switch circuits 216A, 216B, and 216C, and the set voltage (threshold value) at which the output signal is turned on in the CMOS inverters 215A, 215B, and 215C Different from each other may be used.
Of course, although the three-system switch circuits 216A, 216B, and 216C are provided, it is possible to provide two systems or four systems or more.

例えば、センサ１２０は、鳥インフルエンザの発生の監視以外の用途にも用いることが可能である。例えば、養鳥用・牧畜用・野生動物用等、その用途に応じて大きさ・センサの種類・通信機の出力等を専用設計されてもよい。
また、センサ１２０を、動物ではなく、他の用途での加速度の測定に用いることもできる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。 For example, the sensor 120 can be used for purposes other than monitoring the occurrence of avian influenza. For example, the size, the type of sensor, the output of the communication device, etc. may be specially designed according to the use, such as for aquaculture, pastoral, and wild animals.
The sensor 120 can also be used to measure acceleration in other applications than animals.
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.

ここで、上記構成について実証実験を行ったのでその結果について示す。
まず、図６に示したようなセンサ１２０を用意した。変形部材２１１は、単結晶シリコンからなる厚さ４００ｕｍのシリコン基板からＭＥＭＳ技術によりエッチングすることにより、長さ１．６５ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ５ｕｍのカンチレバー式とした。変形部材２１１のカンチレバー２１１ａの基端部の表面に、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１００：５２：４８の組成比のＰＺＴ材料からなる圧電材料部２１２を、長さ１．６５ｍｍ、幅１．９８ｍｍ、厚さ３ｕｍで形成した。このような変形部材２１１上に設けられた圧電材料部２１２は、共振周波数１０９Ｈｚにおいて２Ｖ／ｇの出力電圧の感度を有する。
このような圧電材料部２１２に、図６に示すように、信号処理回路２１３を接続し、キャパシタ２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃの容量を、２２ｐＦ、３３ｐＦ、３３０ｐＦとした。 Here, since the verification experiment was conducted about the said structure, it shows about the result.
First, a sensor 120 as shown in FIG. 6 was prepared. The deformable member 211 was made into a cantilever type having a length of 1.65 mm, a width of 2 mm, and a thickness of 5 μm by etching a silicon substrate made of single crystal silicon having a thickness of 400 μm by a MEMS technique. A piezoelectric material portion 212 made of a PZT material having a composition ratio of Pb: Zr: Ti = 100: 52: 48 is formed on the surface of the base end portion of the cantilever 211a of the deformable member 211. The length is 1.65 mm, the width is 1.98 mm, It was formed with a thickness of 3 um. The piezoelectric material part 212 provided on the deformable member 211 has a sensitivity of an output voltage of 2 V / g at a resonance frequency of 109 Hz.
As shown in FIG. 6, a signal processing circuit 213 is connected to such a piezoelectric material portion 212, and the capacitances of the capacitors 214A, 214B, and 214C are set to 22 pF, 33 pF, and 330 pF.

このようなセンサ１２０に、加振器により、１．０ｍ／ｓ^２未満、１．０〜２．５ｍ／ｓ^２、２．５〜５．０ｍ／ｓ^２、５．０ｍ／ｓ^２以上の加速度を与えた。
このときの、ＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５ＣのＯＮ・ＯＦＦ状態、信号処理回路２１３からの出力信号（デジタル信号）を図７および表１に示した。 Such sensor 120, the vibrator, less than ^{^{1.0m / s 2, 1.0~2.5m / s}} 2, 2.5~5.0m / s 2, 5.0m / s 2 or more Gave acceleration.
FIG. 7 and Table 1 show the ON / OFF states of the CMOS inverters 215A, 215B, and 215C and the output signal (digital signal) from the signal processing circuit 213 at this time.

図７および表１に示すように、加速度の増大にともない、圧電材料部２１２からの出力電圧変動が大きくなると、ＣＭＯＳインバータ２１５Ｃ、２１５Ｂ、２１５Ａの順に、ＯＮ状態となった。これにより、加速度が大きくなるほど、ＯＮ状態となるＣＭＯＳインバータ２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃの数が増え、加速度のレベルをデジタル値として段階的に検出することができることが確認された。 As shown in FIG. 7 and Table 1, when the output voltage fluctuation from the piezoelectric material portion 212 increased with the increase in acceleration, the CMOS inverters 215C, 215B, and 215A were turned on in this order. Thus, it was confirmed that as the acceleration increases, the number of CMOS inverters 215A, 215B, and 215C that are turned on increases, and the level of acceleration can be detected stepwise as a digital value.

１００…鳥インフルエンザ監視システム、１２０…センサ、１６０…制御装置（判定装置）、２００…チップパッケージ（チップ基板）、２０１…シリコン基板、２１０…センサ、２１０Ａ…加速度センサ、２１０Ｔ…温度センサ、２１１…変形部材、２１１ａ…カンチレバー、２１１ｂ…錘、２１２…圧電材料部、２１３…信号処理回路（信号処理部）、２１４、２１４Ａ〜２１４Ｃ…キャパシタ、２１５、２１５Ａ〜２１５Ｃ…ＣＭＯＳインバータ（スイッチ本体）、２１６Ａ〜２１６Ｃ…スイッチ回路、２２０…センサ制御部、２３０…蓄電部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Bird flu monitoring system, 120 ... Sensor, 160 ... Control device (determination device), 200 ... Chip package (chip substrate), 201 ... Silicon substrate, 210 ... Sensor, 210A ... Acceleration sensor, 210T ... Temperature sensor, 211 ... Deformable member, 211a ... cantilever, 211b ... weight, 212 ... piezoelectric material part, 213 ... signal processing circuit (signal processing part), 214, 214A-214C ... capacitor, 215, 215A-215C ... CMOS inverter (switch body), 216A 216C ... Switch circuit, 220 ... Sensor control unit, 230 ... Power storage unit

Claims

A deformable member that deforms in response to acceleration;
A piezoelectric material portion that is formed on the surface of the deformable member and generates electric charge in accordance with deformation of the deformable member;
A signal processing unit having a switch circuit that emits a signal when a voltage obtained according to the amount of charge generated in the piezoelectric material unit is applied and the applied voltage exceeds a predetermined set voltage; ,
The signal processing unit includes a plurality of the switch circuits in parallel, and the plurality of the switch circuits have different set voltages depending on a voltage applied from the piezoelectric material unit.

2. The switch circuit according to claim 1, wherein each of the plurality of switch circuits is formed by connecting capacitors having different capacitances or resistors having different resistance values and a switch body having the common set voltage in series. The acceleration sensor described.

The acceleration sensor according to claim 1, wherein the plurality of switch circuits include switch bodies having different set voltages.

4. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the signal processing unit digitally measures acceleration based on the signals emitted from a plurality of the switch circuits. 5.

The acceleration sensor according to claim 1, wherein the deformable member is stacked on a chip substrate including a control circuit that controls the deformable member.

A plurality of the piezoelectric material portions are provided, and the plurality of piezoelectric material portions are connected in series,
6. The acceleration according to claim 5, wherein an upper electrode of one of the piezoelectric material portions that is front and rear is connected to a lower electrode of the other piezoelectric material portion by a wire formed by wire bonding. Sensor.

A bird flu monitoring system,
A sensor that is mounted on a bird to be managed, measures at least acceleration, and wirelessly transmits the result of the measurement as data;
A determination device that determines whether an abnormality has occurred in the health state of the bird based on the data transmitted from the sensor;
The avian influenza monitoring system, wherein the sensor includes the acceleration sensor according to any one of claims 1 to 6.