JP2679349B2 - 振動式半導体トランスデューサ - Google Patents
振動式半導体トランスデューサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は振動式半導体トランスデューサに係り、特に
シリコン基板上に形成された梁状の振動子をその振動子
の持つ固有振動数で振動させておき、このシリコン基板
に印加される力、圧力、或いは差圧などの物理量の変化
に対応して振動子に生じる固有周波数の変化からこれ等
の物理量を検出する振動式半導体トランスデューサに関
する。
シリコン基板上に形成された梁状の振動子をその振動子
の持つ固有振動数で振動させておき、このシリコン基板
に印加される力、圧力、或いは差圧などの物理量の変化
に対応して振動子に生じる固有周波数の変化からこれ等
の物理量を検出する振動式半導体トランスデューサに関
する。
＜従来の技術＞ 第３図は従来の振動式半導体トランスデューサの全体
構成を示す構成図である。
構成を示す構成図である。
10A（10B）は入力端子11A（11B）、12A（12B）と出力
端子13A（13B）、14A（14B）とを有する入力トランスで
あり、12A（12B）は共通電位点COMに接続されている。
端子13A（13B）、14A（14B）とを有する入力トランスで
あり、12A（12B）は共通電位点COMに接続されている。
その出力端子13A（13B）、14A（14B）はＨ形をした振
動子本体15A（15B）の一方側に接続されている。その他
方側は出力トランス16A（16B）の入力端子17A（17B）、
18A（18B）に接続されている。出力トランス16A（16B）
の出力端子19A（19B）、20A（20B）は増幅器21A（21B）
の入力端子に接続されている。
動子本体15A（15B）の一方側に接続されている。その他
方側は出力トランス16A（16B）の入力端子17A（17B）、
18A（18B）に接続されている。出力トランス16A（16B）
の出力端子19A（19B）、20A（20B）は増幅器21A（21B）
の入力端子に接続されている。
増幅器21A（21B）の出力端子は入力トランス10A（10
B）の入力端子11A（11B）に接続されると共に計数回路2
2A（22B）に接続されている。
B）の入力端子11A（11B）に接続されると共に計数回路2
2A（22B）に接続されている。
マイクロプロセッサ23は計数回路22Aと22Bで得た周波
数信号fA、fBの差を演算し、必要に応じてこれ等に対し
て各種の補正演算を実行して出力端24に出力する。
数信号fA、fBの差を演算し、必要に応じてこれ等に対し
て各種の補正演算を実行して出力端24に出力する。
次に、以上のように構成された振動子本体が固定され
るシリコン基板の具体的な構成について第４図を用いて
説明する。
るシリコン基板の具体的な構成について第４図を用いて
説明する。
第４図（イ）はシリコン基板の上面図、第４図（ロ）
はその断面図である。
はその断面図である。
シリコン基板25は外径が矩形状をなしており、周囲に
肉厚部26を有し中央部に凹部27が形成されて薄肉状のダ
イアフラム28とされている。振動子本体15Aはダイアフ
ラム28の上部の中央部分に、振動子本体15Bは肉厚部26
とダイアフラム28との境界部にそれぞれ形成されてい
る。そして、第４図（イ）に示すように振動子本体15A
のＨ形の長手方向の長さは振動子本体15BのＨ形の長さ
に対して、例えば短くして振動子本体15Aと15Bとが互い
に異なる固有周波数になるようにされている。なお、シ
リコン基板25は円形、或いは多角形でも良い。
肉厚部26を有し中央部に凹部27が形成されて薄肉状のダ
イアフラム28とされている。振動子本体15Aはダイアフ
ラム28の上部の中央部分に、振動子本体15Bは肉厚部26
とダイアフラム28との境界部にそれぞれ形成されてい
る。そして、第４図（イ）に示すように振動子本体15A
のＨ形の長手方向の長さは振動子本体15BのＨ形の長さ
に対して、例えば短くして振動子本体15Aと15Bとが互い
に異なる固有周波数になるようにされている。なお、シ
リコン基板25は円形、或いは多角形でも良い。
第５図（イ）に示すように凹部27側から例えば圧力PH
が印加されたときは図中に矢印で示すように振動子本体
15Aには引張応力が、振動子本体15Bには圧縮応力がそれ
ぞれ働く。また、これとは反対にダイアフラム28の外部
から圧力PLが印加されたときは振動子本体15Aには圧縮
応力が、振動子本体15Bには引張応力がそれぞれ働く。P
H＝PLである静圧下では等しく圧縮応力が働く。
が印加されたときは図中に矢印で示すように振動子本体
15Aには引張応力が、振動子本体15Bには圧縮応力がそれ
ぞれ働く。また、これとは反対にダイアフラム28の外部
から圧力PLが印加されたときは振動子本体15Aには圧縮
応力が、振動子本体15Bには引張応力がそれぞれ働く。P
H＝PLである静圧下では等しく圧縮応力が働く。
このため、圧力による振動子本体15Aと15Bとの固有振
動数の変化の差をマイクロプロセッサ23で演算すること
により静圧の影響を相殺しながら感度を大きくすること
ができる。
動数の変化の差をマイクロプロセッサ23で演算すること
により静圧の影響を相殺しながら感度を大きくすること
ができる。
次に、振動子自体の具体的な構成を含む自励発振回路
に付いて説明する。添字がＡ側の自励発振回路と添字が
Ｂ側の自励発振回路の構成は基本的に同一であるので、
Ａ側をベースとしてその概要について第６図と第７図を
用いて説明する。
に付いて説明する。添字がＡ側の自励発振回路と添字が
Ｂ側の自励発振回路の構成は基本的に同一であるので、
Ａ側をベースとしてその概要について第６図と第７図を
用いて説明する。
第６図は振動子自体の具体的な構成を含む自励発振回
路の構成を示す構成図である。第７図は第６図に示す振
動子本体の要部の構成を示し、第７図（イ）は振動子本
体の上部を覆うシェルを除去したときの上面図、第７図
（ロ）は第７図（イ）のＸ−Ｘ′断面を示している。
路の構成を示す構成図である。第７図は第６図に示す振
動子本体の要部の構成を示し、第７図（イ）は振動子本
体の上部を覆うシェルを除去したときの上面図、第７図
（ロ）は第７図（イ）のＸ−Ｘ′断面を示している。
振動子本体15Aは、例えば伝導形式がｎ形のシリコン
単結晶で出来たダイアフラム28の上に一体に形成された
ｐ形のシリコンで出来た第１振動子29A、30Aと第２振動
子31Aで構成されるＨ形の振動子として構成されてい
る。
単結晶で出来たダイアフラム28の上に一体に形成された
ｐ形のシリコンで出来た第１振動子29A、30Aと第２振動
子31Aで構成されるＨ形の振動子として構成されてい
る。
ダイアフラム28は、周囲に肉厚部（図示せず）26を有
するｎ形のシリコン基板の下面の中央部をエッチングし
て薄肉として形成されており、測定圧力がこの面に印加
されることによって全体として変位する。このダイアフ
ラム28の上面の結晶面（100）の一部にはエッチングに
より各振動子が収納されるＨ形状の凹部32Aが形成され
ている。
するｎ形のシリコン基板の下面の中央部をエッチングし
て薄肉として形成されており、測定圧力がこの面に印加
されることによって全体として変位する。このダイアフ
ラム28の上面の結晶面（100）の一部にはエッチングに
より各振動子が収納されるＨ形状の凹部32Aが形成され
ている。
この凹部32Aを跨ぐようにして、梁状の第１振動子29
A、30Aがそれぞれ結晶軸＜001＞に平行にダイアフラム2
8と一体にｐ形で形成され、これ等の中央部をこれ等の
振動子に直角にｐ形の梁状の第２振動子31Aで結合して
Ｈ形の振動子が形成されている。
A、30Aがそれぞれ結晶軸＜001＞に平行にダイアフラム2
8と一体にｐ形で形成され、これ等の中央部をこれ等の
振動子に直角にｐ形の梁状の第２振動子31Aで結合して
Ｈ形の振動子が形成されている。
この第１振動子29Aの両端には電極33Aと34Aが、更に
第１振動子30Aの両端には電極35Aと36Aが形成されてい
る。
第１振動子30Aの両端には電極35Aと36Aが形成されてい
る。
第２振動子31Aの上部にはこれと平行に磁石37Aが配置
され、第１振動子29A、30Aに直角に磁場を発生させてい
る。
され、第１振動子29A、30Aに直角に磁場を発生させてい
る。
励磁手段として機能する入力トランス10Aの出力端子
は電極33A、34Aに、その入力端子11Aは増幅器21Aの出力
端子に、入力端子12Aは共通電位点COMにそれぞれ接続さ
れている。
は電極33A、34Aに、その入力端子11Aは増幅器21Aの出力
端子に、入力端子12Aは共通電位点COMにそれぞれ接続さ
れている。
振動検出手段として機能する出力トランス16Aの入力
端子は電極35A、36Aに接続され、その出力端子19A、20A
は増幅器21Aの入力端にそれぞれ接続されている。
端子は電極35A、36Aに接続され、その出力端子19A、20A
は増幅器21Aの入力端にそれぞれ接続されている。
なお、以上の第６図、第７図においては説明の便宜
上、ダイアフラム18の上部を覆うシェルを除いて記載し
ているが、実際には第１振動子29A、30A、および第２振
動子31Aの周囲は所定の間隙を以てエピタキシャル成長
などの半導体技術でダイアフラム28と一体に覆われ、更
にこの間隙の内部は真空に保持され振動子の振動に対し
て高いＱフアクタが維持されるようになっている。
上、ダイアフラム18の上部を覆うシェルを除いて記載し
ているが、実際には第１振動子29A、30A、および第２振
動子31Aの周囲は所定の間隙を以てエピタキシャル成長
などの半導体技術でダイアフラム28と一体に覆われ、更
にこの間隙の内部は真空に保持され振動子の振動に対し
て高いＱフアクタが維持されるようになっている。
以上の構成において、入力トランス10Aに増幅器21Aか
ら入力された電圧により、第一振動子29Aが磁石37Aの磁
場との相互作用により励振されて振動する。この振動に
より、第一振動子29Aは第二振動子31Aを介して振動させ
られこの振動は磁石37Aとの相互作用により出力トラン
ス16Aの入力端に起電力ｅを発生させる。この起電力ｅ
は出力トランス16Aを介して増幅器21Aに入力され増幅さ
れて出力端に取出される。この増幅された電圧は入力ト
ランス10Aに正帰還され、これが繰り返されて系が自励
発振をする。
ら入力された電圧により、第一振動子29Aが磁石37Aの磁
場との相互作用により励振されて振動する。この振動に
より、第一振動子29Aは第二振動子31Aを介して振動させ
られこの振動は磁石37Aとの相互作用により出力トラン
ス16Aの入力端に起電力ｅを発生させる。この起電力ｅ
は出力トランス16Aを介して増幅器21Aに入力され増幅さ
れて出力端に取出される。この増幅された電圧は入力ト
ランス10Aに正帰還され、これが繰り返されて系が自励
発振をする。
以上のように、振動子本体15Aは励振用の第一振動子2
9Aと、起電力検出用の第一振動子30Aとに分けられ、第
二振動子31Aで第一振動子29Aと30Aの振動の腹の部分を
機械的に結合するようにしたので、励振電流ｉが起電力
ｅに重畳せず、高い励振成分除去比（S/N比）が得られ
る。
9Aと、起電力検出用の第一振動子30Aとに分けられ、第
二振動子31Aで第一振動子29Aと30Aの振動の腹の部分を
機械的に結合するようにしたので、励振電流ｉが起電力
ｅに重畳せず、高い励振成分除去比（S/N比）が得られ
る。
＜本発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、以上のような従来の振動式半導体トラ
ンスデューサでは、静圧を相殺しながら感度を向上させ
るために自励発振回路を２系統用意する必要があるの
で、入力トランス２個と出力トランス２個との合計４個
のトランスを必要とし、このため実装上多くのスペース
を確保せねばならず、コスト高となっている。
ンスデューサでは、静圧を相殺しながら感度を向上させ
るために自励発振回路を２系統用意する必要があるの
で、入力トランス２個と出力トランス２個との合計４個
のトランスを必要とし、このため実装上多くのスペース
を確保せねばならず、コスト高となっている。
＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、以上の課題を解決するために、測定すべき
歪が印加されるシリコン基板上に設けられた一対の振動
子本体に入力トランスを介して交流電流が流され、これ
等の振動子本体に印加された磁場との相互作用により発
生する起電力を各出力トランスを介して各増幅器で増幅
し、これ等の増幅器出力を入力トランスに帰還して自励
発振する一対の自励発振ループを有し、各自励発振ルー
プで得られる周波数差から歪に対応する出力信号を得る
振動式半導体トランスデューサにおいて、入力トランス
の入力端子に各増幅器出力をそれぞれ印加して合成し、
その出力端子から各振動子本体に共通に交流電流を流す
ようにしたものである。
歪が印加されるシリコン基板上に設けられた一対の振動
子本体に入力トランスを介して交流電流が流され、これ
等の振動子本体に印加された磁場との相互作用により発
生する起電力を各出力トランスを介して各増幅器で増幅
し、これ等の増幅器出力を入力トランスに帰還して自励
発振する一対の自励発振ループを有し、各自励発振ルー
プで得られる周波数差から歪に対応する出力信号を得る
振動式半導体トランスデューサにおいて、入力トランス
の入力端子に各増幅器出力をそれぞれ印加して合成し、
その出力端子から各振動子本体に共通に交流電流を流す
ようにしたものである。
＜作 用＞ 一対の振動子本体による固有振動数はそれぞれ異なっ
ているので、２個の自励発振ループに各々含まれる振動
子本体は互いに一方の振動子本体の固有周波数では他方
の振動子本体が振動しない関係にある。
ているので、２個の自励発振ループに各々含まれる振動
子本体は互いに一方の振動子本体の固有周波数では他方
の振動子本体が振動しない関係にある。
このため、入力トランスの入力端子に各増幅器出力を
それぞれ印加して合成し、この入力トランスの出力端子
から各振動子本体に共通に交流電流を流しても他の自励
発振ループに影響を与えることはなく、このため入力ト
ランスを１個とすることができる。
それぞれ印加して合成し、この入力トランスの出力端子
から各振動子本体に共通に交流電流を流しても他の自励
発振ループに影響を与えることはなく、このため入力ト
ランスを１個とすることができる。
＜実施例＞ 以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図である。
なお、従来の振動式半導体トランスデューサと同一の機
能を有する部分については同一の符号を付して適宜にそ
の説明を省略する。
第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図である。
なお、従来の振動式半導体トランスデューサと同一の機
能を有する部分については同一の符号を付して適宜にそ
の説明を省略する。
40は入力トランスであり、この入力トランス40はN1、
N2の２つの１次巻線と、１つの出力巻線N3を有してい
る。
N2の２つの１次巻線と、１つの出力巻線N3を有してい
る。
入力巻線N1は入力端子41と42に、入力巻線N2は入力端
子43と44に、出力巻線N3は出力端子45、46にそれぞれ接
続され、さらに入力端子42と43はそれぞれ共通電位点CO
Mに接続されている。さらに、入力端子41と44は増幅器2
1Aと21Bの出力端にそれぞれ接続されている。
子43と44に、出力巻線N3は出力端子45、46にそれぞれ接
続され、さらに入力端子42と43はそれぞれ共通電位点CO
Mに接続されている。さらに、入力端子41と44は増幅器2
1Aと21Bの出力端にそれぞれ接続されている。
そして、入力トランス40は回路側の消費電流を低減さ
せるために巻線数をN1、N2＞N3の関係になるようにして
電流増幅作用を持たせ、また出力トランス16A、16Bは電
圧増幅作用を持たせるために、１次巻線数＜２次巻線
数、の関係になるように選定されてある。
せるために巻線数をN1、N2＞N3の関係になるようにして
電流増幅作用を持たせ、また出力トランス16A、16Bは電
圧増幅作用を持たせるために、１次巻線数＜２次巻線
数、の関係になるように選定されてある。
出力端子45は振動子本体15Aの電極33Aと振動子本体15
Bの電極33Bに、出力端子46は振動子本体15Aの電極34Aと
振動子本体15Bの電極34Bに接続されている。
Bの電極33Bに、出力端子46は振動子本体15Aの電極34Aと
振動子本体15Bの電極34Bに接続されている。
その他の構成は、第３図〜第７図に示す構成とほぼ同
様な構成である。
様な構成である。
以上の構成において、振動子本体15A、出力トランス1
6A、増幅器21A、入力トランス40、振動子本体15Aで構成
されるループで固有振動数f1を持つ第１の発振ループを
形成し、振動子本体15B、出力トランス16B、増幅器21
B、入力トランス40、振動子本体15Bで構成されるループ
で固有振動数f2を持つ第２の発振ループを形成してい
る。
6A、増幅器21A、入力トランス40、振動子本体15Aで構成
されるループで固有振動数f1を持つ第１の発振ループを
形成し、振動子本体15B、出力トランス16B、増幅器21
B、入力トランス40、振動子本体15Bで構成されるループ
で固有振動数f2を持つ第２の発振ループを形成してい
る。
この場合に、振動子本体15Aは固有振動数f2では共振
せず、逆に振動子本体15Bは固有振動数f1では共振しな
い。したがって、入力トランス40を振動子本体15A側と1
5B側とに共用しても何等問題が生じない。これは、振動
子本体15A、15Bが各々周波数f1、f2のバンドパスフイル
タを形成するからである。
せず、逆に振動子本体15Bは固有振動数f1では共振しな
い。したがって、入力トランス40を振動子本体15A側と1
5B側とに共用しても何等問題が生じない。これは、振動
子本体15A、15Bが各々周波数f1、f2のバンドパスフイル
タを形成するからである。
第２図は本発明の他の実施例を示す構成図である。
この実施例は、第１図に示すように入力トランスそれ
自体に周波数混合の機能を持たせる代りに、１次巻線と
２次巻線を各々１つだけ有する入力トランス41を用いて
この前段に周波数混合用の増幅器42を設けて、この入力
端に増幅器21A、21Bの出力を印加しその出力端に生じる
出力電圧で入力トランス41を駆動するようにしたもので
ある。
自体に周波数混合の機能を持たせる代りに、１次巻線と
２次巻線を各々１つだけ有する入力トランス41を用いて
この前段に周波数混合用の増幅器42を設けて、この入力
端に増幅器21A、21Bの出力を印加しその出力端に生じる
出力電圧で入力トランス41を駆動するようにしたもので
ある。
＜発明の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明に
よれば、１対の自励発振ループに共通した入力トランス
を用いるようにしたので、従来に比べて実装スペースが
少なくてすみ、またより安価な振動式半導体トランスデ
ューサを実現することができる。
よれば、１対の自励発振ループに共通した入力トランス
を用いるようにしたので、従来に比べて実装スペースが
少なくてすみ、またより安価な振動式半導体トランスデ
ューサを実現することができる。
第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は本発明の他の実施例の構成を示す構成図、第３図は従
来の振動式半導体トランスデューサの全体構成を示す構
成図、第４図は（イ）はシリコン基板の上面図、第４図
（ロ）はその断面図、第５図（イ）（ロ）は第４図に示
すシリコン基板に圧力が印加されたときの動作について
説明する説明図、第６図は振動子自体の具体的な構成を
含む自励発振回路の構成を示す構成図、第７図は第６図
に示す振動子本体の要部の構成を示す構成図である。 10A、10B……入力トランス、15A、15B……振動子本体、
16A、16B……出力トランス、21A、21B……増幅器、22
A、22B……計数回路、23……マイクロプロセッサ、25…
…シリコン基板、28……ダイアフラム、40、41……入力
トランス。
は本発明の他の実施例の構成を示す構成図、第３図は従
来の振動式半導体トランスデューサの全体構成を示す構
成図、第４図は（イ）はシリコン基板の上面図、第４図
（ロ）はその断面図、第５図（イ）（ロ）は第４図に示
すシリコン基板に圧力が印加されたときの動作について
説明する説明図、第６図は振動子自体の具体的な構成を
含む自励発振回路の構成を示す構成図、第７図は第６図
に示す振動子本体の要部の構成を示す構成図である。 10A、10B……入力トランス、15A、15B……振動子本体、
16A、16B……出力トランス、21A、21B……増幅器、22
A、22B……計数回路、23……マイクロプロセッサ、25…
…シリコン基板、28……ダイアフラム、40、41……入力
トランス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 洋二 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横 河電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−186725（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−114730（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】測定すべき歪が印加されるシリコン基板上
に設けられた一対の振動子本体に入力トランスを介して
交流電流が流され、これ等の振動子本体に印加された磁
場との相互作用により発生する起電力を各出力トランス
を介して各増幅器で増幅し、これ等の増幅器出力を前記
入力トランスに帰還して自励発振する一対の自励発振ル
ープを有し、各自励発振ループで得られる周波数差から
前記歪に対応する出力信号を得る振動式半導体トランス
デューサにおいて、前記入力トランスの入力端子に前記
各増幅器出力をそれぞれ印加して合成し、その出力端子
から各振動子本体に共通に交流電流を流すようにしたこ
とを特徴とする振動式半導体トランスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8550590A JP2679349B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | 振動式半導体トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8550590A JP2679349B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | 振動式半導体トランスデューサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03282341A JPH03282341A (ja) | 1991-12-12 |
| JP2679349B2 true JP2679349B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=13860792
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8550590A Expired - Fee Related JP2679349B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | 振動式半導体トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2679349B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007263679A (ja) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Yokogawa Electric Corp | 振動検出装置、圧力検出装置、振動検出方法及び圧力検出方法 |
-
1990
- 1990-03-30 JP JP8550590A patent/JP2679349B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03282341A (ja) | 1991-12-12 |
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