JP2021056129A - Sensor device and method for measuring sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態は、センサデバイスに関する。特に、MEMSを利用したファブリペロー干渉計を含むセンサデバイスに関する。また、センサデバイスの測定方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to a sensor device. In particular, it relates to a sensor device including a Fabry-Perot interferometer using MEMS. The present invention also relates to a method for measuring a sensor device.
ファブリペロー干渉計は、2つの半透過ミラー薄膜の間に間隙(ギャップ)を有し、2つの半透過ミラー薄膜の間で反射または干渉を行う。ファブリペロー干渉計を透過する光は、共振波長での透過率が大きくなることから、ファブリペロー干渉計は分光測定において利用される。なかでも、可動膜によって間隙の距離を調整し、透過する光の波長を変えることができるマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)を利用したファブリペロー干渉計(MEMSファブリペロー干渉計)は、広帯域の波長における分光測定に適している(例えば、特許文献1参照)。 The Fabry-Perot interferometer has a gap between the two semi-transmissive mirror thin films to reflect or interfere between the two semi-transmissive mirror thin films. Since the light transmitted through the Fabry-Perot interferometer has a large transmittance at the resonance wavelength, the Fabry-Perot interferometer is used in spectroscopic measurement. Among them, the Fabry-Perot interferometer (MEMS Fabry-Perot interferometer) using the microelectromechanical system (MEMS), which can adjust the distance of the gap by the movable film and change the wavelength of the transmitted light, has a wavelength in a wide band. Suitable for spectroscopic measurement (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、MEMSファブリペロー干渉計が曲げられると、間隙の距離が変化し、また、可動膜の変形が起きる。そのため、MEMSファブリペロー干渉計が曲げられていない場合と曲げられた場合とでは、共振波長におけるMEMSファブリペロー干渉計の印加電圧が異なるという問題点があった。 However, when the MEMS Fabry-Perot interferometer is bent, the distance between the gaps changes and the movable membrane is deformed. Therefore, there is a problem that the applied voltage of the MEMS Fabry-Perot interferometer at the resonance wavelength differs between the case where the MEMS Fabry-Perot interferometer is not bent and the case where the MEMS Fabry-Perot interferometer is bent.
本発明は、上記問題に鑑み、MEMSファブリペロー干渉計の印加電圧を補正することができるセンサデバイスを提供することを目的の一つとする。また、本発明は、MEMSファブリペロー干渉計の印加電圧を補正するセンサデバイスの測定方法を提供することを目的の一つとする。 In view of the above problems, one object of the present invention is to provide a sensor device capable of correcting the applied voltage of the MEMS Fabry-Perot interferometer. Another object of the present invention is to provide a method for measuring a sensor device that corrects an applied voltage of a MEMS Fabry-Perot interferometer.
本発明の一実施形態に係るセンサデバイスは、第1膜と第2膜との間に間隙を含み、第1膜に接する第1導電膜および前記第2膜に接する第2導電膜の少なくとも一方に電圧を印加することによって間隙が変化するファブリペロー干渉計と、ファブリペロー干渉計の透過光を検出する光学センサと、歪みセンサと、を含み、歪みセンサによって検出された歪みを基にしてファブリペロー干渉計の電圧を補正する。 The sensor device according to an embodiment of the present invention includes a gap between the first film and the second film, and is at least one of a first conductive film in contact with the first film and a second conductive film in contact with the second film. A Fabry-Perot interferometer whose gap changes by applying a voltage to the Fabry-Perot interferometer, an optical sensor that detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer, and a strain sensor are included, and the fabric is based on the strain detected by the strain sensor. Correct the voltage of the Perot interferometer.
本発明の一実施形態に係るセンサデバイスは、第1膜と第2膜との間に間隙を含み、第1膜に接する第1導電膜および前記第2膜に接する第2導電膜の少なくとも一方に電圧を印加することによって間隙が変化するファブリペロー干渉計と、ファブリペロー干渉計の透過光を検出する光学センサと、歪みセンサと、を含み、歪みセンサによって検出された出力電圧の変化を基にしてファブリペロー干渉計の電圧を補正する。 The sensor device according to an embodiment of the present invention includes a gap between the first film and the second film, and is at least one of a first conductive film in contact with the first film and a second conductive film in contact with the second film. Includes a Fabry-Perot interferometer whose gap changes by applying a voltage to the Fabry-Perot interferometer, an optical sensor that detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer, and a distortion sensor, based on the change in output voltage detected by the strain sensor. And correct the voltage of the Fabry-Perot interferometer.
本発明の一実施形態に係るセンサデバイスの測定方法は、歪みセンサが歪みを検出し、第1膜と第2膜との間に間隙を含むファブリペロー干渉計において、第1膜に接する第1導電膜および第2膜に接する第2導電膜の少なくとも一方に歪みと紐付けられた電圧を印加することによって間隙を変化させ、光学センサがファブリペロー干渉計の透過光を検出する。 In the method for measuring a sensor device according to an embodiment of the present invention, in a Fabry-Perot interferometer in which a strain sensor detects strain and includes a gap between the first film and the second film, the first film is in contact with the first film. The gap is changed by applying a voltage associated with the strain to at least one of the conductive film and the second conductive film in contact with the second film, and the optical sensor detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer.
本発明の一実施形態に係るセンサデバイスの測定方法は、歪みセンサが出力電圧の変化量を検出し、第1膜と第2膜との間に間隙を含むファブリペロー干渉計において、第1膜に接する第1導電膜および前記第2膜に接する第2導電膜の少なくとも一方に歪みセンサの出力電圧の変化量と紐付けられた電圧を印加することによって間隙を変化させ、光学センサがファブリペロー干渉計の透過光を検出する。 In the measurement method of the sensor device according to the embodiment of the present invention, the strain sensor detects the amount of change in the output voltage, and the Fabry Perot interferometer including a gap between the first film and the second film has the first film. The gap is changed by applying a voltage associated with the amount of change in the output voltage of the strain sensor to at least one of the first conductive film in contact with the first conductive film and the second conductive film in contact with the second film, and the optical sensor becomes a Fabry Perot. Detects the transmitted light of the interferometer.
以下、本発明の各実施形態において、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その技術的思想の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. However, the present invention can be implemented in various aspects without departing from the gist of the technical idea, and is not construed as being limited to the description contents of the embodiments illustrated below.
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、図示の形状そのものが本発明の解釈を限定するものではない。また、図面において、明細書中で既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、別図であっても同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。 In order to clarify the explanation, the drawings may schematically show the width, thickness, shape, etc. of each part as compared with the actual mode, but this is just an example, and the illustrated shape itself is a book. It does not limit the interpretation of the invention. Further, in the drawings, elements having the same functions as those described with respect to the drawings already mentioned in the specification may be designated by the same reference numerals even if they are separate drawings, and duplicate explanations may be omitted. ..
ある一つの膜を加工して複数の構造体を形成した場合、各々の構造体は異なる機能、役割を有する場合があり、また各々の構造体はそれが形成される下地が異なる場合がある。しかしながらこれら複数の構造体は、同一の工程で同一層として形成された膜に由来するものであり、同一の材料を有する。従って、これら複数の膜は同一層に存在しているものと定義する。 When one film is processed to form a plurality of structures, each structure may have a different function or role, and each structure may have a different base on which it is formed. However, these plurality of structures are derived from films formed as the same layer in the same process and have the same material. Therefore, these multiple films are defined as existing in the same layer.
ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」または「上方に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接して、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。「下に」または「下方に」の表記も同様とする。 In expressing the mode of arranging another structure on one structure, when simply expressing "above" or "above", unless otherwise specified, it is in contact with one structure and directly above it. It includes both the case of arranging another structure and the case of arranging another structure above one structure via yet another structure. The same applies to the notation of "below" or "below".
<第1実施形態>
図1〜図8を用いて、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10について説明する。
<First Embodiment>
The
[1.センサデバイス]
図1は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10の構成を示す概略図である。図1に示すように、センサデバイス10は、光源11、ファブリペロー干渉計12、コリメーター13、光学センサ14、および歪みセンサ15を含む。光源11は、ファブリペロー干渉計12の上方に設けられている。また、コリメーター13、光学センサ14、および歪みセンサ15は、ファブリペロー干渉計12の下方に設けられている。コリメーター13は、ファブリペロー干渉計12と光学センサ14との間に設けられている。歪みセンサ15は、光学センサ14の下方に設けられている。なお、センサデバイス10は、曲げることができるように、ファブリペロー干渉計12、コリメーター13、光学センサ14、および歪みセンサ15は、可撓性基板上に設けられていることが好ましい。
[1. Sensor device]
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a
図2は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10の使用の一例を示す概略図である。センサデバイス10は、光源11から照射され、対象物500を透過した光を光学センサ14で検出する。図2に示すように、対象物500は、光源11とファブリペロー干渉計12との間に設置される。光源11から照射された光は、対象物500を透過し、または対象物500で反射される。また、所定の波長の光は、対象物500で吸収される。そのため、対象物500を透過する光は、所定の波長において強度が低下する。したがって、特定の波長範囲における光の強度を測定することによって、所定の波長から対象物500を特定することができる。なお、対象物500は、生体であってもよい。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of use of the
また、センサデバイス10は、対象物500の性質を特定することもできる。例えば、対象物500が果物であれば、果物に含まれる糖が所定の波長の光を吸収する。そのため、特定の波長範囲における光の強度を測定し、所定の波長の光の強度の比較から果物の糖度を特定することができる。また、対象物500が静脈であれば、静脈に含まれる赤血球が所定の波長の光を吸収するため、所定の波長の光の強度を測定することで、静脈のパターンを特定することができる。
The
対象物500は、固体に限られず、液体または気体でもよい。対象物500が液体または気体の場合は、液体または気体が滞留できるような機構を光源11とファブリペロー干渉計12との間に設けてもよく、液体または気体がフローされるような機構を光源11とファブリペロー干渉計12との間に設けてもよい。例えば、対象物500がガスである場合、ガスを光源11とファブリペロー干渉計12との間にフローさせ、ガスが吸収する波長の光を検出することで、ガスを特定することができる。
The
センサデバイス10は、複数のピクセルに分割し、各ピクセルでの検出から対象物500を特定することもできる。ピクセルの配置は、マトリクス状だけでなく、ハニカム状または千鳥格子状とすることもできる。また、センサデバイス10は、光源11、ファブリペロー干渉計12、光学センサ14、および歪みセンサ15を制御するため、トランジスタなどの能動素子を含むこともできる。
The
以下では、センサデバイス10の各構成について詳細に説明する。
Hereinafter, each configuration of the
[2.光源]
光源11は、対象物500に光を照射することができる。光源11は、例えば、白熱電球、ハロゲン電球、水銀ランプ、蛍光ランプ、LED(Light Emitting Diode)、またはOLED(Organic Light Emitting Diode)などを用いることができる。なお、LEDは、ミニLEDまたはマイクロLEDを含む。
[2. light source]
The
また、光源11は、測定する対象物500に応じて光の波長を選択することができる。光源11の波長は、例えば、X線、紫外線、可視光線、近赤外線、中間赤外線、または遠赤外線を用いることができる。
Further, the
センサデバイス10は、光源11を含まない構成とすることもできる。すなわち、センサデバイス10は、他の光源を使用して対象物500を特定することもできる。
The
[3.ファブリペロー干渉計]
ファブリペロー干渉計12は、2つの半透過ミラー薄膜の間で光を反射または干渉させることによって共振波長の光を取り出すことができる。センサデバイス10に含まれるファブリペロー干渉計12は、MEMSファブリペロー干渉計を用いることができる。MEMSファブリペロー干渉計では、印加電圧によって間隙の距離を変化させることができるため、広帯域の波長における分光が可能である。以下では、本実施形態に係るファブリペロー干渉計12がMEMSファブリペロー干渉計であるとし、MEMSファブリペロー干渉計12の表記を用いて説明する。
[3. Fabry Perot Interferometer]
The Fabry-
図3を用いて、MEMSファブリペロー干渉計12について説明する。
The MEMS Fabry-
図3は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10のMEMSファブリペロー干渉計12の概略断面図である。図3に示すように、MEMSファブリペロー干渉計12は、第1膜100、第2膜110、第1導電膜120、第2導電膜130、第1支持部140、および第2支持部150を含む。第1膜100の一方の面には第1導電膜120が設けられている。第2膜110の一方の面には第2導電膜130が設けられている。第1膜100および第2膜110は、第1支持部140および第2支持部150によって離間され、第1膜100と第2膜110との間に間隙200が形成されている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the MEMS Fabry-
MEMSファブリペロー干渉計12は、第1膜100上の第1導電膜120と第2膜110上の第2導電膜130との間に発生する静電引力を用いて第2膜110を動かすことができる。すなわち、第1導電膜120および第2導電膜130の少なくとも一方に電圧を印加して第2膜110を動かすことができる。第1導電膜120と第2導電膜130とが異符号の電荷を有する場合は、第1導電膜120と第2導電膜130との間に引力が生じ、間隙200の距離が小さくなる。一方、第1導電膜120と第2導電膜130とが同符号の電荷を有する場合は、第1導電膜120と第2導電膜130との間に斥力が生じ、間隙200の距離が大きくなる。MEMSファブリペロー干渉計12では、間隙200の距離を変化させることで、特定の波長(共振波長)を取り出すことができる。すなわち、MEMSファブリペロー干渉計12の間隙200を変化させながら光学センサ14で光の強度を検出することで、一定の波長の範囲における光の強度を測定することができる。
The MEMS Fabry-
図4は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10のMEMSファブリペロー干渉計12において、間隙200の距離を変化させた場合の光の波長と透過率との相関関係を示すグラフである。MEMSファブリペロー干渉計12では、共振波長において、光の透過率が最大となる。間隙200の距離が小さくなると、共振波長は短波長側にシフトする(図4の矢印301)。一方、間隙200の距離が大きくなると、共振波長は長波長側にシフトする(図4の矢印302)。センサデバイス10が曲げられると、図3に示した間隙200の距離が変化する。そのため、センサデバイス10が曲げられて間隙200の距離が変化した場合では、MEMSファブリペロー干渉計12に電圧を印加して間隙200の距離を調整する必要がある。また、センサデバイス10が曲げられると、図3に示した第2膜110も変形する。この場合においても、MEMSファブリペロー干渉計12の印加電圧を調整する必要がある。具体的には、MEMSファブリペロー干渉計12において、第1導電膜120または第2導電膜130に印加する電圧を補正する必要があるが、この補正方法については、後述する。
FIG. 4 is a graph showing the correlation between the wavelength of light and the transmittance when the distance of the
第1膜100および第2膜110の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、窒化チタン、酸化タンタル、窒化タンタルなどの無機絶縁性材料を用いることができる。第1膜100および第2膜110は、上述した無機絶縁性材料の単膜であってもよく、上述した無機絶縁性材料の積層膜であってもよい。また、第1膜100および第2膜110の材料は、アモルファスシリコンまたはポリシリコンなどを用いることもできる。但し、第1膜100および第2膜110は、光学センサ14で測定する波長の範囲において、透光性を有することが好ましい。さらに、第1膜100および第2膜110の材料は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、またはシロキサン樹脂などの有機樹脂材料を用いることもできる。
As the material of the
第1膜100の間隙200と反対側の面は、基板または他の膜に固定されていることが好ましい。また、第2膜110は可動膜となる膜厚であることが好ましい。第2膜110の膜厚は、例えば、1μm以上10μm以下であり、好ましくは2μm以上4μm以下である。なお、第2膜110の膜厚は、共振波長を考慮して決定することもできる。
The surface of the
第1導電膜120および第2導電膜130の材料は、酸化スズ・インジウム(ITO)または酸化亜鉛・インジウム(IZO)などの透明導電性酸化物を用いることができる。また、第1導電膜120および第2導電膜130の材料は、ドープしたアモルファスシリコンまたはドープしたポリシリコンなどを用いることもできる。但し、第1導電膜120および第2導電膜130は、光学センサ14で測定する波長の範囲において、透光性を有することが好ましい。
As the material of the first
第1導電膜120および第2導電膜130は、それぞれ、第1膜100および第2膜110の間隙200側の面に設けることができるが、これに限られない。第1導電膜120および第2導電膜130は、間隙200と反対側の面に設けることもできる。
The first
第1導電膜120および第2導電膜130の各々の膜厚は、例えば、20nm以上200nm以下であり、好ましくは30nm以上60nm以下である。第1導電膜120および第2導電膜130の各々の膜厚が小さい場合は、第1導電膜120および第2導電膜130の抵抗が高くなり、間隙200内での電場が不均一となる。また、第1導電膜120および第2導電膜130の各々の膜厚が大きい場合は、第1導電膜120および第2導電膜130の透過率が低下する。そのため、第1導電膜120および第2導電膜130の各々の膜厚は、上記範囲が好ましい。
The film thickness of each of the first
第1支持部140および第2支持部150は、第1膜100または第2膜110の端部に設けることができるが、これに限られない。第1支持部140および第2支持部150は、間隙200が形成されるように設けられていればよい。また、第1支持部140および第2支持部150の膜厚で間隙200の距離を調整することができる。第1支持部140および第2支持部150の材料は、第1膜100および第2膜110と同様の材料を用いることができる。
The
間隙200は、犠牲膜の上に第2膜110を形成した後で、犠牲膜をエッチングすることによって形成することができる。犠牲膜の材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコンなどのシリコン絶縁性材料、アルミニウムまたは銅などの金属材料、もしくはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、またはシロキサン樹脂などの有機樹脂材料を用いることができる。犠牲膜は、第1膜100、第2膜110、第1支持部140、および第2支持部150とエッチング選択比の高い材料であることが好ましい。
The
MEMSファブリペロー干渉計12は、可撓性基板上に形成することもできる。例えば、シリコン基板を用いてMEMSファブリペロー干渉計12を形成した後、MEMSファブリペロー干渉計12を可撓性基板に転写する。これにより、MEMSファブリペロー干渉計12は、曲げることが可能となる。
The MEMS Fabry-
[4.コリメーター]
コリメーター13は、対象物500の透過光を平行な光とすることができる。センサデバイス10が複数のピクセルに分割されている場合、ピクセルごとに設けられた光学センサ14で光を検出するが、隣接したピクセルから光学センサ14に対して斜め方向から入射する光はノイズとなる。そのため、コリメーター13を用いて、光学センサ14に入射する光を垂直方向からの光となるように調整する。
[4. Collimator]
The
図5は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10のコリメーター13の概略図である。図5に示すコリメーター13は、黒色樹脂層160に貫通孔170を有する。貫通孔170の一方には、MEMSファブリペロー干渉計12が設けられ、貫通孔170の他方には、光学センサ14が設けられる。貫通孔170は光学センサ14に対して垂直になるように設けられ、貫通孔170を通過する光は光学センサ14に対して垂直に入射することができる。貫通孔170を通過する光の光量は、貫通孔170の径や黒色樹脂層160の膜厚を調整することで制御することができる。なお、貫通孔内170には透明樹脂を充填することもできる。
FIG. 5 is a schematic view of the
コリメーター13は、図5に示すピンホール式のコリメーターに限られない。コリメーター13は、例えば、レンズを用いるコリメーターであってもよく、レンズを用いて光の進行方向(焦点)を調節した平行光とすることができる。
The
センサデバイス10は、コリメーター13を含まない構成とすることもできる。但し、コリメーター13を設けることで、上述したようにノイズとなる光が光学センサ14に侵入することを防止することができる。そのため、センサデバイス10では、コリメーター13を含むことが好ましい。
The
[5.光学センサ]
光学センサ14は、光源11からの光または対象物500を透過した光を検出することができる。光学センサ14は、対象物500が吸収する光を広く検出することができるように、広帯域の波長を有するセンサであることが好ましい。光学センサ14は、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、またはCMOSなどを用いたセンサとすることができる。
[5. Optical sensor]
The
また、光学センサ14は、検出する光に応じて測定する波長を選択することができる。光学センサ14の測定する波長は、例えば、X線、紫外線、可視光線、近赤外線、または遠赤外線を用いることができる。光学センサ14の測定する波長は、光学センサ14に含まれる半導体材料を変えることで調整することができる。光学センサ14に含まれる半導体材料として、例えば、シリコン(アモルファスシリコン、ポリシリコン、または単結晶シリコン)、ガリウム・リン、ガリウム・ヒ素・リン、インジウム・ガリウム・ヒ素、インジウム・アンチモン、酸化亜鉛、または硫化亜鉛などを用いることができる。
Further, the
さらに、光学センサ14は、複数の光学センサを組み合わせてもよい。例えば、可視光線の波長領域を測定する第1光学センサと、近赤外線の波長領域を測定する第2光学センサとを組み合わせて光学センサ14とし、光学センサ14の測定する波長の範囲を広げることができる。また、近赤外線の第1領域を測定する第3光学センサと、第1領域と重畳し、近赤外線の第2領域を測定する第4光学センサとを組み合わせて光学センサ14とし、光学センサ14の赤外線の一部の領域(第1領域と第2領域とが重畳する領域)の精度を向上させることもできる。
Further, the
センサデバイス10は、曲げられた状態で使用することができるようにするため、光学センサ14は、可撓性基板の上に設けられることが好ましい。可撓性基板として、例えば、アクリル基板、ポリイミド基板、ポリエチレンテレフタレート基板、またはポリエチレンナフタレート基板などを用いることができる。
The
[6.歪みセンサ]
歪みセンサ15は、センサデバイス10が曲げられた時の歪みを検出することができる。具体的には、歪みセンサ15は、歪みセンサ15が設けられる可撓性基板の歪みを測定する。歪みセンサ15は、抵抗式の歪みセンサであってもよく、静電容量式の歪みセンサであってもよい。抵抗式の歪みセンサは、ホイートストーンブリッジ回路の出力電圧の変化から歪みを検出することができる。一方、静電容量式の歪みセンサは、弾性体の容量の変化から歪みを検出することができる。歪みセンサ15が抵抗式の歪みセンサである場合は、作製が容易であるため、センサデバイス10の作製コストを抑制することができる。一方、歪みセンサ15が静電容量式の歪みセンサである場合は、歪み量がnmオーダーであっても検出できるため、高精度で歪みを検出することができる。
[6. Strain sensor]
The
図6は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10において、抵抗式の歪みセンサ15の測定方法を示す回路図である。第1抵抗体410の歪みによる抵抗値R1の変化量ΔRは、歪みεおよびゲージ率Kを用いて(式1)で表される。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a measurement method of the resistance
また、図6に示すように、第1抵抗体410の抵抗値R1は、ホイートストーンブリッジ回路を用いて測定することができる。ホイートストーンブリッジ回路の入力電圧Vin(第3抵抗体430と第4抵抗体440への入力電圧)に対する出力電圧Vout(第2抵抗体420と第3抵抗体430からの出力電圧)は、(式2)で表される。
Further, as shown in FIG. 6, the resistance value R 1 of the
ここで、R=R1=R2=R3=R4とすると、出力電圧Voutの変化量Δeは、(式3)で表される。 Here, assuming that R = R 1 = R 2 = R 3 = R 4 , the amount of change Δe of the output voltage V out is expressed by (Equation 3).
また、(式3)においてΔR≪Rであるとすると、出力電圧Voutの変化量Δeは、(式4)で表される。 Further, assuming that ΔR << R in (Equation 3), the amount of change Δe of the output voltage V out is represented by (Equation 4).
したがって、第1抵抗体410の歪みεは、出力電圧の変化量Δeに比例する。
Therefore, the strain ε of the
センサデバイス10は、曲げられた状態で使用することができるようにするため、歪みセンサ15は、可撓性基板の上に設けられることが好ましい。可撓性基板として、例えば、アクリル基板、ポリイミド基板、ポリエチレンテレフタレート基板、またはポリエチレンナフタレート基板などを用いることができる。
The
光学センサ14および歪みセンサ15は、1つの可撓性基板の上に設けることができる。すなわち、可撓性基板の上に、歪みセンサ15を作製し、その歪みセンサ15の上に光学センサ14を作製することができる。
The
[7.歪センサによるファブリペロー干渉計の補正]
本実施形態に係るセンサデバイス10は支持基板として可撓性基板を有するため、曲げられることが可能である。しかし、センサデバイス10が曲げられると、上述したように、MEMSファブリペロー干渉計12の間隙200の距離が変化する可能性がある。また、可動膜である第2膜110が変形する可能性もある。しかしながら、本実施形態に係るセンサデバイス10では、歪みセンサ15によって検出された歪みを基にして、MEMSファブリペロー干渉計12の印加電圧を補正することができる。以下、この補正について説明する。
[7. Fabry-Perot Interferometer Correction with Strain Sensor]
Since the
図7は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10のMEMSファブリペロー干渉計12の模式図である。図7には、第2膜110の長さL(mm)、膜厚h(mm)、および断面積S(mm2)ならびに間隙200の距離d(mm)が示されている。第2膜110の静電引力F(N)または荷重P(N)は、比誘電率ε0および変位量x、ならびにMEMSファブリペロー干渉計12の印加電圧V(V)を用いて、(式5)のように表される。
FIG. 7 is a schematic view of the MEMS Fabry-
一方、第2膜110に対して両端固定等分布荷重モデルを適用すると、第2膜110の変位量x(mm)は、第2膜110の縦弾性係数E(N/mm)を用いて、(式6)のように表される。
On the other hand, when an evenly distributed load model with both ends fixed is applied to the
ここで、第2膜110の断面が長方形である場合の断面2次モーメントlは、(式7)のように表される。
Here, the moment of inertia of area l when the cross section of the
センサデバイス10が曲げられていない状態では、(式4)〜(式7)における変数は変位量x(mm)および印加電圧V(V)のみであるため、MEMSファブリペロー干渉計12の第2膜110の変位量x(mm)は、印加電圧V(V)によって決定することができる。言い換えると、印加電圧V(V)によって、間隙200の距離d+x(mm)を制御し、MEMSファブリペロー干渉計12を透過する光の波長を制御する(分光する)ことができる。
When the
しかしながら、センサデバイス10が曲げられると、間隙200の距離d(mm)が変化し、また、第2膜110の変形によって長さL(mm)、膜厚h(mm)、および断面積S(mm2)なども変化するため、第2膜110の変位量x(mm)と印加電圧V(V)との関係は(式4)〜(式7)を満たさなくなる。そのため、本実施形態に係るセンサデバイス10では、歪みセンサ15によって検出された歪みを用いて印加電圧V(V)を補正する。具体的には、歪みを入力パラメータとし、補正印加電圧Vcomp(V)を出力パラメータとした補正テーブルを生成しておき、歪みセンサ15によって歪が検出された場合、補正テーブルの補正印加電圧Vcomp(V)を印加してMEMSファブリペロー干渉計12を駆動する。入力パラメータは、歪みだけでなく、歪みを検出するための物理量であってもよい。歪みを検出するための物理量は、例えば、電圧、容量、電流、または抵抗などである。
However, when the
図8Aおよび図8Bを用いて、補正テーブルについて説明する。図8Aおよび図8Bの各々は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイス10の概略的な補正テーブルの一例である。図8Aおよび図8Bの中の記号「xxx」は数値を示すものである。同じ記号「xxx」が記載されているが、数値は異なっていてもよい。
The correction table will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. Each of FIGS. 8A and 8B is an example of a schematic correction table of the
歪みセンサ15に、図6に示した抵抗式の歪みセンサを用いた場合、歪みセンサ15は出力電圧Voutの変化量Δeを検出することができる。図8Aに示す補正テーブル450では、出力電圧Voutの変化量Δeが入力されると、MEMSファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが出力される。すなわち、補正テーブル450では、1つの入力パラメータからMEMSファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが得られる。光学センサ14で検出する光が特定の波長である場合、ファブリペロー干渉計12は、特定の波長が共振波長となるように制御される。そのため、特定の波長において、出力電圧Voutの変化量Δeと補正印加電圧Vcompとが紐付けられた補正テーブル450を生成しておき、歪みが検出された場合、補正テーブル450から得られた補正印加電圧VcompをMEMSファブリペロー干渉計12に印加する。センサデバイス10が曲げられた場合でも、補正テーブル450を用いることで、対象物500の測定を行うことができる。なお、光学センサ14が複数の波長の光を検出する場合、その複数の波長ごとに補正テーブル450を生成しておく。
When the resistance type strain sensor shown in FIG. 6 is used as the
また、図8Bに示す補正テーブル460では、出力電圧Voutの変化量Δeおよび共振波長が入力されると、MEMSファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが出力される。すなわち、補正テーブル460では、2つの入力パラメータからMEMSファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが得られる。光学センサ14で分光測定を行う場合、ファブリペロー干渉計12は、一定の波長の範囲で共振波長を変化させる。そのため、出力電圧Voutの変化量Δe、共振波長、および補正印加電圧Vcompが紐付けられた補正テーブル460を生成しておく。例えば、出力電圧Voutの変化量Δeを固定し、MEMSファブリペロー干渉計12の共振波長を変化させて印加電圧を測定する。これを出力電圧Voutの変化量Δeごとに繰り返すと、図8Bに示す補正テーブル460が生成される。歪みが検出された場合、共振波長を変化させながら、補正テーブル460から得られた補正印加電圧VcompをMEMSファブリペロー干渉計12に印加する。センサデバイス10が曲げられた場合でも、補正テーブル460を用いることで、対象物500に対する分光測定を行うことができる。
Further, in the correction table 460 shown in FIG. 8B, when the change amount Δe of the output voltage V out and the resonance wavelength are input, the correction applied voltage V comp of the MEMS Fabry-
図8Bに示す補正テーブル460では、ファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが、歪み(または歪みセンサ15の出力電圧Voutの変化量Δe)と共振波長に紐付けられたものであるが、補正テーブルは、これに限られない。例えば、ファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが、歪み(または歪みセンサ15の出力電圧Voutの変化量Δe)と間隙の距離に紐付けられていてもよい。
In the correction table 460 shown in FIG. 8B, the correction applied voltage V comp of the Fabry-
また、補正テーブルは、センサデバイス10が曲げられていない時の共振波長と、センサデバイス10が曲げられた時の共振波長および歪みセンサ15の出力電圧Voutの変化量Δe(V)を測定し、共振波長の差分を調整した電圧を補正印加電圧Vcomp(V)とすることもできる。この場合においても、ファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompが、歪み(または歪みセンサ15の出力電圧Voutの変化量Δe)および共振波長の差分に紐付けられた補正テーブルを生成することができる。
Further, the correction table measures the resonance wavelength when the
さらに、センサデバイス10が複数のピクセルを含み、ピクセルごとにMEMSファブリペロー干渉計12が設けられている場合、各ピクセルのMEMSファブリペロー干渉計12ごとに補正テーブルを生成することもできる。
Further, when the
センサデバイス10は、処理部および記憶部を含んでいてもよい。記憶部に補正テーブルを記憶しておき、処理部で補正テーブルを参照して印加電圧を決定してもよい。
The
補正テーブルの生成は、例えば、センサデバイス10を販売する前、すなわち出荷前の検査工程で行うことができるが、これに限られない。例えば、センサデバイス10の販売後において、センサデバイス10の使用形態に合わせた補正テーブルを作成し、センサデバイス10の記憶部に書き込むこともできる。
The correction table can be generated, for example, before the
センサデバイス10での測定においては、歪みセンサ15が歪み(または歪みセンサ15の出力電圧Voutの変化量Δe)を検出し、補正テーブルを基にファブリペロー干渉計12の補正印加電圧Vcompを決定することにより、対象物500に対しての分光測定を行うことができる。
In the measurement with the
以上、本実施形態に係るセンサデバイス10によれば、センサデバイス10が曲げられると歪みセンサ15が歪みを検出し、補正テーブルを用いてMEMSファブリペロー干渉計12の印加電圧を補正する。そのため、センサデバイス10は、曲げられた状態においても使用することができる。したがって、センサデバイス10は、さまざまな環境において、高精度な測定が可能である。
As described above, according to the
本実施形態は、さまざまな変形または修正が可能である。以下では、本実施形態のいくつかの変形例について説明する。但し、本実施形態の変形例は、以下に限定されない。なお、以下の変形例では、センサデバイス10と同様の構成については、説明を省略する。
The present embodiment can be modified or modified in various ways. Hereinafter, some modifications of the present embodiment will be described. However, the modification of this embodiment is not limited to the following. In the following modification, the description of the same configuration as that of the
<変形例1>
図9は、本発明の一実施形態の変形例に係るセンサデバイス10Aの構成を示す概略図である。図9に示すように、センサデバイス10Aは、光源11、コリメーター13A、ファブリペロー干渉計12、光学センサ14、および歪みセンサ15を含む。光源11は、コリメーター13Aの上方に設けられている。また、ファブリペロー干渉計12、光学センサ14、および歪みセンサ15は、コリメーター13Aの下方に設けられている。すなわち、コリメーター13Aは、ファブリペロー干渉計12の上方に設けられている。
<Modification example 1>
FIG. 9 is a schematic view showing the configuration of the
センサデバイス10Aでは、コリメーター13Aが、ファブリペロー干渉計12の上に設けられているため、ファブリペロー干渉計12に入射する光を平行な光とすることができる。したがって、調整された光がファブリペロー干渉計12で分光されるため、センサデバイス10Aは、高精度な測定が可能である。
In the
<変形例2>
図10は、本発明の一実施形態の変形例に係るセンサデバイス10Bの構成を示す概略図である。図10に示すように、センサデバイス10Bは、光源11、歪みセンサ15B、ファブリペロー干渉計12、コリメーター13、および光学センサ14を含む。光源11は、歪みセンサ15Bの上方に設けられている。また、ファブリペロー干渉計12、コリメーター13、および光学センサ14は、歪みセンサ15Bの下方に設けられている。すなわち、歪みセンサ15Bは、ファブリペロー干渉計12の上方に設けられている。なお、歪みセンサ15Bは光を透過する必要があるため、透光性を有していることが好ましい。
<Modification 2>
FIG. 10 is a schematic view showing the configuration of the
センサデバイス10Bでは、歪みセンサ15Bが、ファブリペロー干渉計12の上に設けられているため、歪みセンサ15Bの歪みは、ファブリペロー干渉計12の可動膜の歪みに近いものとなる。したがって、可動膜の補正が正確なものとなるため、センサデバイス10Bは、高精度な測定が可能である。
In the
<変形例3>
図11は、本発明の一実施形態の変形例に係るセンサデバイス10Cの構成を示す概略図である。図11に示すように、センサデバイス10Cは、コリメーター13C、ファブリペロー干渉計12、光学センサ14、歪みセンサ15、および光源11Cを含む。ファブリペロー干渉計12の上方にコリメーター13Cが設けられ、ファブリペロー干渉計12の下方に光学センサ14および歪みセンサ15が設けられている。光源11Cは、歪みセンサ15の下方に設けられている。
<Modification example 3>
FIG. 11 is a schematic view showing the configuration of the
センサデバイス10Cでは、対象物500はコリメーター13C上に設置される。光源11Cから照射された光は、歪みセンサ15、光学センサ14、ファブリペロー干渉計12、コリメーター13Cを通過し、対象物500で反射される。対象物500からの反射光は、コリメーター13Cおよびファブリペロー干渉計12を透過し、光学センサ14で検出される。歪みセンサ15、光学センサ14、ファブリペロー干渉計12、およびコリメーター13Cには、光源11Cから照射された光が通過する部分が設けられていてもよい。
In the
センサデバイス10Cの光源11Cは、スマートフォンまたはタブレットなどの携帯情報端末の光源を用いることができる。すなわち、センサデバイス10Cは、携帯情報端末の画面上に設けることができる。携帯情報端末の画面上にセンサデバイス10Cを設けることで、センサデバイス10Cを指紋認証または静脈認証として使用することが可能である。センサデバイス10Cは曲げられることができるため、携帯情報端末の画面上だけでなく、携帯情報端末の側面部に設けることもできる。また、センサデバイス10Cは、携帯情報端末の一部に設けることもできる。
As the light source 11C of the
以上、本実施形態の変形例に係るセンサデバイス10A、10B、および10Cにおいても、センサデバイス10A、10B、および10Cが曲げられた場合、歪みセンサ15または歪みセンサ15Bが歪みを検出し、補正テーブルを用いてMEMSファブリペロー干渉計12の印加電圧を補正する。そのため、センサデバイス10A、10B、および10Cは曲げられた状態においても使用することができる。したがって、センサデバイス10A、10B、および10Cは、さまざまな環境において、高精度な測定が可能である。
As described above, also in the
本発明の実施形態として上述したセンサデバイス10、10A、10B、および10Cを元にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのセンサデバイスも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
All sensor devices that can be appropriately designed and implemented by those skilled in the art based on the
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に相当し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。 In the scope of the idea of the present invention, those skilled in the art can correspond to various modified examples and modified examples, and it is understood that these modified examples and modified examples also belong to the scope of the present invention. For example, those skilled in the art appropriately adding, deleting, or changing the design of each of the above-described embodiments, or adding, omitting, or changing the conditions of the process are also gist of the present invention. Is included in the scope of the present invention as long as the above is provided.
また、本実施形態において態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。 In addition, other actions and effects brought about by the embodiments in the present embodiment are clearly understood from the description of the present specification, or those which can be appropriately conceived by those skilled in the art are naturally understood to be brought about by the present invention.
10、10A、10B、10C:センサデバイス、 11、11C:光源、 12:ファブリペロー干渉計(MEMSファブリペロー干渉計)、 13、13A、13C:コリメーター、 14:光学センサ、 15、15B:歪みセンサ、 100:第1膜、 110:第2膜、 120:第1導電膜、 130:第2導電膜、 140:第1支持部、 150:第2支持部、 160:黒色樹脂層、 170:貫通孔、 200:間隙、 301、302:矢印、 410:第1抵抗体、 420:第2抵抗体、 430:第3抵抗体、 440:第4抵抗体、 450A、450B:補正テーブル、 500:対象物 10, 10A, 10B, 10C: Sensor device, 11, 11C: Light source, 12: Fabry-Perot interferometer (MEMS Fabry-Perot interferometer), 13, 13A, 13C: Collimator, 14: Optical sensor, 15, 15B: Distortion Sensor, 100: 1st film, 110: 2nd film, 120: 1st conductive film, 130: 2nd conductive film, 140: 1st support part, 150: 2nd support part, 160: black resin layer, 170: Through hole, 200: Gap, 301, 302: Arrow, 410: First resistor, 420: Second resistor, 430: Third resistor, 440: Fourth resistor, 450A, 450B: Correction table, 500: Object
Claims (14)
前記ファブリペロー干渉計の透過光を検出する光学センサと、
歪みセンサと、を含み、
前記歪みセンサによって検出された歪みを基にして前記ファブリペロー干渉計の前記電圧を補正するセンサデバイス。 A gap is included between the first film and the second film, and the distance between the gaps is provided by applying a voltage to at least one of the first conductive film in contact with the first film and the second conductive film in contact with the second film. With a Fabry-Perot interferometer that changes
An optical sensor that detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer,
Including strain sensor,
A sensor device that corrects the voltage of the Fabry-Perot interferometer based on the strain detected by the strain sensor.
前記ファブリペロー干渉計の透過光を検出する光学センサと、
歪みセンサと、を含み、
前記歪みセンサによって検出された出力電圧の変化量を基にして前記ファブリペロー干渉計の前記電圧を補正するセンサデバイス。 A gap is included between the first film and the second film, and the distance between the gaps is provided by applying a voltage to at least one of the first conductive film in contact with the first film and the second conductive film in contact with the second film. With a Fabry-Perot interferometer that changes
An optical sensor that detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer,
Including strain sensor,
A sensor device that corrects the voltage of the Fabry-Perot interferometer based on the amount of change in the output voltage detected by the strain sensor.
前記コリメーターは、前記ファブリペロー干渉計と前記光学センサとの間に位置する請求項1または請求項2に記載のセンサデバイス。 In addition, including a collimator,
The sensor device according to claim 1 or 2, wherein the collimator is located between the Fabry-Perot interferometer and the optical sensor.
前記ファブリペロー干渉計は、前記コリメーターと前記光学センサとの間に位置する請求項1または請求項2に記載のセンサデバイス。 In addition, including a collimator,
The sensor device according to claim 1 or 2, wherein the Fabry-Perot interferometer is located between the collimator and the optical sensor.
補正テーブルが記憶された記憶部と、
前記補正テーブルを参照して前記電圧を決定する処理部と、を含む請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のセンサデバイス。 further,
The storage unit where the correction table is stored and
The sensor device according to any one of claims 1 to 6, comprising a processing unit that determines the voltage with reference to the correction table.
第1膜と第2膜との間に間隙を含むファブリペロー干渉計において、前記第1膜に接する第1導電膜および前記第2膜に接する第2導電膜の少なくとも一方に前記歪みと紐付けられた電圧を印加することによって前記間隙の距離を変化させ、
光学センサが前記ファブリペロー干渉計の透過光を検出するセンサデバイスの測定方法。 The strain sensor detects the strain and
In a Fabry-Perot interferometer containing a gap between the first film and the second film, the strain is associated with at least one of the first conductive film in contact with the first film and the second conductive film in contact with the second film. By applying the applied voltage, the distance between the gaps is changed.
A method for measuring a sensor device in which an optical sensor detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer.
第1膜と第2膜との間に間隙を含むファブリペロー干渉計において、前記第1膜に接する第1導電膜および前記第2膜に接する第2導電膜の少なくとも一方に前記歪みセンサの前記出力電圧の変化量と紐付けられた電圧を印加することによって前記間隙の距離を変化させ、
光学センサが前記ファブリペロー干渉計の透過光を検出するセンサデバイスの測定方法。 The strain sensor detects the amount of change in the output voltage and
In a Fabry-Perot interferometer containing a gap between the first film and the second film, the strain sensor is used on at least one of the first conductive film in contact with the first film and the second conductive film in contact with the second film. By applying a voltage associated with the amount of change in the output voltage, the distance between the gaps is changed.
A method for measuring a sensor device in which an optical sensor detects the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer.
The method for measuring a sensor device according to claim 12 or 13, wherein the associated voltage is obtained by referring to a correction table.
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