JP2013088272A

JP2013088272A - 物理量センサ

Info

Publication number: JP2013088272A
Application number: JP2011228589A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Mizuno; 悠市水野; Tsutomu Nakanishi; 努中西
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-05-13

Abstract

【課題】本発明は、基準クロック信号を精度よく発生させるとともに、センサを小型化し、物体に働く歪や荷重を、常に安定した状態で検出を行う物理量センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の物理量センサは、前記半導体基板２１の表面に形成された梁状の振動体２３を含み前記半導体基板２１に働く力学量の作用により弦振動周波数が変化する第１の振動子と、半導体基板２１に働く力学量の作用により振動周波数が変化しない位置にクロック信号発生用の第２の振動子３１とを設けるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体に働く歪や荷重を検知する物理量センサに関する。

近年、マイクロマシン技術を応用して、物体に働く歪や張力を検出する小形で高性能の物理量センサが開発されつつある。このような物理量センサとしては図３に示すようなものが知られている（特許文献１参照）。図３は従来の物理量センサの断面図を示したもので、この図３において、１はシリコン等の半導体基板で、この半導体基板１の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層２が形成され、かつこの絶縁層２の表面には多結晶シリコンや金属層からなる下部電極３と上部電極５とを有する振動素子部が設けられている。また、前記上部電極５はリボン状弾性体をなし、かつその長手方向の両端部は絶縁層２の表面に固定され、そして、その中央部は空洞４を介して下部電極３と対向しているものである。さらに、前記半導体基板１の略中央には空洞部６が設けられており、かつこの半導体基板１は、前記空洞部６の両側の部分によって、歪や張力を測定する被測定体７に固定されているものである。

上記構成において、振動素子部の下部電極３と上部電極５との間に、上部電極５の中央部が有する固有周波数に対応する交流電圧を印加すると、下部電極３と上部電極５間に生ずる静電引力と上部電極５の弾性応力の相互作用により、上部電極５の中央部は共振して特定の周波数と振幅で振動する。

このように振動素子部が振動している状態で、被測定体７に矢印Ｆ、Ｆの方向の伸び歪が生じると、半導体基板１に絶縁層２を介して固定された上部電極５の長手方向の両端部も矢印Ｆ、Ｆと同じ方向に拡げられる。この時、半導体基板１における空洞部６の上に位置する部分は薄く形成されているため、上部電極５の中央部に発生する歪は前記空洞部６の両側の部分に発生する歪よりも大きくなる。これにより、上部電極５の中央部に張力が印加されることになるため、上部電極５の中央部の振動周波数または振動振幅が変化する。そして、この物理量センサはこの振動周波数または振動振幅の変化を検出することにより、被測定体７に生じた歪や張力を求めることができるものである。

特開平７−３３３０７７号公報

上記した従来の物理量センサにおいて、被測定体７に生じた歪や張力に対応する情報をデジタル信号の形式で出力する場合などには水晶発振子等の機械振動子を含む発振回路を設けて基準クロック信号を発生させる必要がある。

しかしながら、この機械振動子を物理量センサ以外の位置に設けると、センサシステムが大型化するという課題を有していた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、基準クロック信号を精度よく発生させるとともに、センサを小型化し、物体に働く歪や荷重を、常に安定した状態で検出を行う物理量センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された梁状の振動体と、前記振動体の表面に配置された駆動素子および検出素子とからなり前記半導体基板に印加される力学量の作用により弦振動周波数が変化する第１の振動子と、前記半導体基板の表面上であって、前記半導体基板に印加される力学量の作用により振動周波数が変化しない位置に設けたクロック信号発生用の第２の振動子と、を有するもので、この構成によれば、センサを小型化できるとともに、物体に働く歪や荷重を常に安定した状態で検出できるという効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に前記第１の振動子は複数であることを特徴としたもので、この構成によれば、これら複数の振動子の振動周波数の差を検出することにより検出感度を向上できるという効果を有するものである。

以上のように本発明の物理量センサは、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された梁状の振動体と、前記振動体の表面に配置された駆動素子および検出素子とからなり前記半導体基板に印加される力学量の作用により弦振動周波数が変化する第１の振動子と、前記半導体基板の表面上であって、前記半導体基板に印加される力学量の作用により振動周波数が変化しない位置に設けたクロック信号発生用の第２の振動子と、を有するもので、センサを小型化できるとともに、物体に働く歪や荷重を常に安定した状態で検出できるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１における物理量センサの上面図、（ｂ）同物理量センサのＡ−Ａ線断面図、（ｃ）同物理量センサのＢ−Ｂ線断面図本発明の実施の形態２における物理量センサの上面図従来の物理量センサの断面図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における物理量センサについて、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における物理量センサの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１（ａ）〜（ｃ）において、２１はシリコン等からなる半導体基板で、この半導体基板２１の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層が形成されている。２２は第１の振動子であり、前記半導体基板２１の中央部をエッチング処理して形成した梁状の振動体２３と、前記梁状の振動体２３の表面上で、各々中央部および両端部に配置された検出素子２４、駆動素子２５とからなる。２６は前記梁状の振動体２３の両端を支持するとともに、この梁状の振動体２３を取り囲む周辺固定部である。ここで前記検出素子２４、駆動素子２５は順に下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層、上部電極（図示せず）を積層して形成したものである。

３１は前記周辺固定部２６の表面上で、前記梁状の振動体２３の長手方向に垂直な位置に形成されている第２の振動子であり、前記検出素子２４、駆動素子２５と同様にして、下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層、上部電極（図示せず）とからなる。そして、前記検出素子２４、駆動素子２５、第２の振動子３１は配線パターン（図示せず）により周辺固定部２６に電気的に接続されている。

本発明の実施の形態１における物理量センサは、半導体基板２１における前記周辺固定部２６の底面においてＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質２８で接続固定され、起歪体２９に発生する歪が第１の振動子２２に伝達されるようになっている。また、駆動素子２５は増幅器（図示せず）の出力側に接続され、かつ検出素子２４はゲイン調整・移相器（図示せず）を介して前記増幅器の入力側に接続されている。そしてまた検出素子２４、駆動素子２５の共振周波数は梁状の振動体２３の固有振動数ｆ_ｅの近傍に選定されているものである。上記構成において、増幅器から梁状の振動体２３の両端に設けられた駆動素子２５に梁状の振動体２３の固有振動数ｆ_ｅの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、駆動素子２５は梁状の振動体２３の長手方向に平行な方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって梁状の振動体２３は固有振動数ｆ_ｅで上下に弦振動を開始する。この弦振動は検出素子２４によって受信され、そして、この検出素子２４から梁状の振動体２３の固有振動数ｆ_ｅと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。これらの交流信号はゲイン調整・移相器で位相調整されて前記増幅器の入力側にフィードバックされる。これにより、梁状の振動体２３はその固有振動数ｆ_ｅと等しい周波数で弦振動を持続する。

このように梁状の振動体２３が上下に弦振動している状態で、起歪体２９に働く荷重Ｆが大きくなると前記梁状の振動体２３に働く引張り力が大きくなるため、前記梁状の振動体２３の固有振動数ｆ_ｅは上昇する。逆に起歪体２９に働く荷重Ｆが小さくなると梁状の振動体２３に働く引張り力が小さくなるため、梁状の振動体２３の固有振動数ｆ_ｅは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆ_ｅを測定することにより起歪体２９に働く歪や荷重Ｆを測定できるものである。

第２の振動子３１の上部、下部電極は増幅・移相器（図示せず）の入出力端子に接続されており、圧電体層の膜厚から決まる固有の周波数を持つ交流電圧が増幅・移相器より印加されると、電極面に垂直な方向（厚み方向）に伸縮振動（厚み縦振動）を開始し、発振を持続する。これにより、基準クロック信号を発生させることができる。ここで、起歪体２９に荷重Ｆが印加された場合、歪は梁状の振動体２３に集中して発生し、前記周辺固定部２６の表面上で、前記梁状の振動体２３の長手方向に垂直な位置にはほとんど発生することがない。これにより、前記周辺固定部２６の表面上で、前記梁状の振動体２３の長手方向に垂直な位置に形成された第２の振動子３１が発生する基準クロック信号の周波数は起歪体２９に荷重Ｆが働いても変化することなく、安定したクロック信号を得ることが出来るものである。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における物理量センサについて、図面を参照しながら説明する。図２は本発明の実施の形態２における物理量センサの上面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図２において、本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、半導体基板２１上に複数の第１の振動子２２、４１を有する点であり、その他の構成は図１に示したものと同様である。ここで振動子４１は梁状の振動体４２を有しており、振動子２２の梁状の振動体２３の長手方向と振動子４１の梁状の振動体４２の長手方向は互いに直交するように配置したものである。この構成によれば、起歪体２９に振動子２２の梁状の振動体２３の長手方向に平行な方向の荷重Ｆが印加された時、起歪体２９は長手方向に伸びるとともに、起歪体２９のポアソン比に相当する長さだけ幅方向に縮む。これにより、振動子２２の梁状の振動体２３には引張り力が働くために、振動子２２の振動周波数は上昇する。これと同時に振動子４１の梁状の振動体４２には圧縮力が働くために、振動子４１の振動周波数は低下することになる。したがって、振動子２２の振動周波数と、振動子４１の振動周波数の差をとることにより、起歪体２９に働く荷重を高感度で測定することができる。また、前記振動子２２、４１は同一素材の半導体基板から形成しているため、温度変化に対する振動周波数の変化の方向と変化率は同一となる。これにより、温度変化による振動周波数の変動をキャンセルできるため、温度変化にかかわらず起歪体２９に働く荷重を正確に測定できるものである。なお、振動子２２の振動と、振動子４１の振動が干渉しないように、振動子２２と振動子４１の振動周波数とに差を設けている。

第２の振動子３１は本発明の第１の実施の形態と同様にして、半導体基板２１の周辺固定部２６の表面上で、前記梁状の振動体２３の長手方向に垂直な位置に形成されている。これにより、第２の振動子３１が発生する基準クロック信号の周波数は起歪体２９に荷重Ｆが働いても変化することなく、安定したクロック信号を得ることが出来るものである。

本発明に係る物理量センサは、半導体基板に印加される力学量の作用がクロック信号発生用の振動子に及ばないようにすることができ、これにより、基準クロック信号を精度よく発生させるとともに、センサを小型化し、物体に働く歪や荷重を、常に安定した状態で検出を行うことができるという効果を有するものであり、特に、物体に働く歪や荷重を検出する物理量センサとして有用なものである。

２１半導体基板
２２、４１第１の振動子
２３、４２梁状の振動体
２４検出素子
２５駆動素子
３１第２の振動子

Claims

半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された梁状の振動体と、前記振動体の表面に配置された駆動素子および検出素子とからなり、前記半導体基板に印加される力学量の作用により弦振動周波数が変化する第１の振動子と、前記半導体基板の表面上であって、前記半導体基板に印加される力学量の作用により振動周波数が変化しない位置に設けたクロック信号発生用の第２の振動子と、を有する物理量センサ。
前記第１の振動子は複数であることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。