JP3374775B2 - Vibration wave sensor - Google Patents
Vibration wave sensorInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、所定周波数の振動
波に共振すべく寸法設定された板状のカンチレバー（共
振子）の振動を利用して前記振動波を検出する構成とし
てあり、共振周波数が異なる複数のカンチレバーを備え
ることにより、コンパクトな構成でありながら周波数分
解機能を持たせることができ、音声認識、音響計測、振
動計測等の技術分野において好便に用い得る振動波セン
サに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention has a structure in which the vibration wave is detected by utilizing the vibration of a plate-shaped cantilever (resonator) dimensioned to resonate with the vibration wave of a predetermined frequency. By providing a plurality of cantilevers with different frequencies, it is possible to provide a frequency decomposition function in spite of its compact configuration, and it is convenient to use the vibration wave sensor in the technical fields of voice recognition, acoustic measurement, vibration measurement, etc.
About the service.
【０００２】[0002]
【従来の技術】各種の音声をコンピュータに認識させる
ための音声認識システム等の技術分野においては、種々
の周波数成分を有する振動波として与えられる振動（音
声）を周波数分解して検出する機能を有するコンパクト
な構成の振動波センサの開発が重要な課題となってお
り、この課題に応え得る振動波センサの一つとして、例
えば、W.Benecke et al., "A Frequency-Selective, Pi
ezoresistive Silicon Vibration Sensor," Digest of
Technical Papersof TRANSDUCERS '85, pp.105-108(198
5)、又はE.Peeters et al., "Vibration Signature Ana
lysis Sensors forPredictive Diagnostics," Proceedi
ngs of SPIE '97, vol.3224, pp-220-230(1997) 等に記
載された共振子アレイ形の振動波センサが知られてい
る。2. Description of the Related Art In the technical field of a voice recognition system for causing a computer to recognize various voices, it has a function of frequency-decomposing and detecting vibrations (voices) given as vibration waves having various frequency components. The development of a compact vibration wave sensor has become an important issue. One of the vibration wave sensors that can meet this challenge is, for example, W. Benecke et al., "A Frequency-Selective, Pi
ezoresistive Silicon Vibration Sensor, "Digest of
Technical Papers of TRANSDUCERS '85, pp.105-108 (198
5), or E. Peeters et al., "Vibration Signature Ana
lysis Sensors for Predictive Diagnostics, "Proceedi
A resonator array type vibration wave sensor described in ngs of SPIE '97, vol.3224, pp-220-230 (1997) is known.
【０００３】この振動波センサは、夫々異なる周波数の
振動波に対して共振するように寸法設定された複数のカ
ンチレバー（共振子）を、夫々の端部を共通の支持体に
支持させてアレイ状に並設してなるセンサ素子を用い、
前記カンチレバーの一面に、夫々の振動に応じた電気的
出力を発する検知部を各別に形成して、前記支持体を介
して伝播する振動波により前記カンチレバーのいずれか
が共振したとき、対応する検知部の出力により、周波数
毎の振動レベルが得られるように構成したものである。In this vibration wave sensor, a plurality of cantilevers (resonators) dimensioned so as to resonate with vibration waves having different frequencies are arrayed with each end supported by a common support. Using the sensor elements arranged in parallel
Each of the cantilevers is provided with a detection part that emits an electric output according to the vibration of the cantilever, and when any one of the cantilevers resonates due to a vibration wave propagating through the support, a corresponding detection is performed. The vibration level for each frequency can be obtained by the output of the section.
【０００４】前記検知部は、例えば、各カンチレバーの
一面に形成したピエゾ抵抗とし、夫々に対応するカンチ
レバーの共振によって生じる抵抗値の変化を、各ピエゾ
抵抗を含めて構成された各別のホイートストンブリッジ
の出力として取り出す構成とすることができる。複数の
カンチレバーは、これらの基部を支持する支持体等と共
に、マイクロマシン加工技術を用いて半導体シリコン基
板上に一体形成されている。The detection unit is, for example, a piezoresistor formed on one surface of each cantilever, and a change in resistance value caused by resonance of the cantilever corresponding to each cantilever is included in each Wheatstone bridge. Can be taken out as the output of. The plurality of cantilevers are integrally formed on a semiconductor silicon substrate by using a micromachining technique together with a support body that supports these bases.
【０００５】前記ピエゾ抵抗は、各カンチレバーの基部
近傍の一面にポリシリコンを積層して形成され、これら
の支持体の表面に導電性金属によりパターン形成された
出力取り出し用の回路パターンに接続されており、後者
の文献（Vibration Signature Analysis Sensors for P
redictive Diagnostics,）に記載されているように、各
ピエゾ抵抗を含むホイートストンブリッジを構成し、各
ホイートストンブリッジの出力をマルチプレクサにより
スイッチングして逐次読み出し、周波数毎の振動レベル
を得るようにしている。The piezoresistor is formed by laminating polysilicon on one surface in the vicinity of the base of each cantilever, and is connected to a circuit pattern for extracting output which is formed by patterning a conductive metal on the surface of these supports. , The latter document (Vibration Signature Analysis Sensors for P
As described in "Redictive Diagnostics," a Wheatstone bridge including each piezoresistor is constructed, and the output of each Wheatstone bridge is switched by a multiplexer and sequentially read out to obtain a vibration level for each frequency.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】さて、以上の如く構成
された振動波センサにおいて、各カンチレバーの一面に
おけるピエゾ抵抗の形成部分、及び前記回路パターンの
形成部分は、その絶縁を確保する必要があることから、
複数のカンチレバー及びこれらの支持体における前記ピ
エゾ抵抗及び回路パターンの形成面の全面に、ＳｉＯ2
等の絶縁材料製の被膜を成膜してピエゾ抵抗及び回路パ
ターンの形成部分を覆い、前記絶縁を確保する構成とす
る必要がある。In the vibration wave sensor constructed as described above, it is necessary to secure insulation between the piezoresistive formation portion and the circuit pattern formation portion on one surface of each cantilever. From that,
SiO 2 is formed on the entire surface of the plurality of cantilevers and their supports on which the piezoresistive and circuit patterns are formed.
It is necessary to form a film made of an insulating material such as to cover the portion where the piezoresistor and the circuit pattern are formed to secure the insulation.
【０００７】ところが、前記カンチレバーの夫々は、数
μｍ〜十数μｍ程度の厚みと、数十μｍ程度の幅とを有
する薄肉細幅のビームとして構成されており、これらの
一面に前記被膜を形成した場合、該被膜の内部応力の作
用により各カンチレバーに反りが発生すると共に、これ
らの振動が阻害されて各別に設定された共振周波数に狂
いが生じ、センサ特性及び検出精度の低下を招くという
問題があることが新たに判明した。However, each of the cantilevers is formed as a thin thin beam having a thickness of about several μm to several tens of μm and a width of about several tens μm, and the coating film is formed on one surface of these beams. In this case, the cantilever is warped due to the action of the internal stress of the coating, and the vibrations of these cantilevers are hindered to cause a deviation in the resonance frequency set for each, resulting in a decrease in sensor characteristics and detection accuracy. It turns out that there is.
【０００８】[0008]
【０００９】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、板状の支持体と、該支持体に支持された板状の
共振子（カンチレバー）とを備えるセンサ素子における
被膜の形成範囲を限定し、この被膜形成による共振子の
振動阻害を可及的に低減して、このセンサ素子を用いる
ことにより、センサ特性及び検出精度に優れた振動波セ
ンサを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a range in which a coating film is formed in a sensor element including a plate-shaped support member and a plate-shaped resonator (cantilever) supported by the support member. It is an object of the present invention to provide a vibration wave sensor having excellent sensor characteristics and detection accuracy by limiting the vibration inhibition of the resonator due to the film formation as much as possible and using this sensor element.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の第１発明に係る
振動波センサは、板状の支持体と、該支持体に根元部を
支持された板状の共振子とをシリコン基板上に一体形成
し、前記支持体から伝播する振動波の作用による前記共
振子の共振を検知する検知手段の電気的出力によって前
記振動波を検出する振動波センサにおいて、前記検知手
段は、前記共振子の根元部近傍の可動部分の一面に形成
され、前記共振に応じてその抵抗値を変えるピエゾ抵抗
と、該ピエゾ抵抗に接続され、前記支持体の一面に延設
された回路パターンとを備え、前記共振子の根元部近傍
の一面に、前記ピエゾ抵抗及び回路パターンの形成部分
を被覆すべく形成された絶縁被膜を備えることを特徴と
する。According to the first invention of the present invention
The vibration wave sensor has a plate-shaped support body and a plate-shaped resonator whose root is supported by the support body integrally formed on a silicon substrate.
However, due to the action of the vibration wave propagating from the support,
By the electrical output of the detection means to detect the resonance of the pendulum
In the vibration wave sensor for detecting the serial vibration wave, the detection hand
The step is formed on one surface of the movable portion near the root of the resonator.
A piezoresistor that changes its resistance value according to the resonance
And connected to the piezoresistor and extending on one surface of the support
And the vicinity of the root of the resonator.
On one surface, the formation portion of the piezoresistor and the circuit pattern
It is characterized by comprising an insulating coating formed to cover .
【００１１】この発明においては、支持体に根元部を支
持された共振子の一面に形成される絶縁被膜の形成域
を、根元部近傍の可動部分に検知手段として形成された
ピエゾ抵抗と、該ピエゾ抵抗に接続される回路パターン
の形成部分に限定し、支持体を介して伝播する振動波に
共振して生じる共振子の振動が前記被膜の存在により阻
害される程度を軽減して、ピエゾ抵抗から回路パターン
を介して取り出される電気的出力により振動波を高精度
に検出する。前記共振子は、好適にはカンチレバーとし
て構成される。In the present invention, the formation region of the insulating film formed on one surface of the resonator having the root portion supported by the support member is formed.
Is formed as a detection means in a movable part near the root part.
Piezoresistors and circuit patterns connected to the piezoresistors
Of the piezoresistor to reduce the extent to which the vibration of the resonator that resonates with the vibration wave propagating through the support is hindered by the presence of the film.
High accuracy of vibration wave by electric output taken out via
To detect. The resonator is preferably configured as a cantilever.
【００１２】[0012]
【００１３】[0013]
【００１４】[0014]
【００１５】[0015]
【００１６】本発明の第２発明に係る振動波センサは、
第１発明におけるピエゾ抵抗が、前記回路パターンへの
接続のための接続端を、前記支持体と前記共振子との連
結部近傍に備えることを特徴とする。A vibration wave sensor according to a second aspect of the present invention is
The piezoresistor in the first invention is
It is characterized in that a connection end for connection is provided in the vicinity of a connecting portion between the support and the resonator.
【００１７】この発明においては、共振子の一面におけ
るピエゾ抵抗の形成態様を工夫し、このピエゾ抵抗に接
続される回路パターンの形成域を限定して、共振子にお
ける絶縁被膜の形成域を減じ、該絶縁被膜による共振子
の振動阻害を可及的に軽減して高精度での振動波の検出
を可能とする。In the present invention, the mode of forming the piezoresistor on one surface of the resonator is devised, and the piezoresistor is connected to this surface.
By limiting the formation area of the circuit pattern to be continued, it reduced the formation region of the insulating coating in the resonator, the detection of the vibration wave in as much as possible reduce to accurate vibration inhibition of resonator by insulating the film Is possible.
【００１８】本発明の第３発明に係る振動波センサは、
第１発明又は第２発明におけるピエゾ抵抗が、前記支持
体と前記共振子との連結部に開放側を向けたコの字形の
平面形状を有し、開放側端部に設けた接続端を前記回路
パターンに接続してあることを特徴とする。A vibration wave sensor according to a third aspect of the present invention is
The piezoresistor in the first invention or the second invention is the support
U-shaped with the open side facing the connection between the body and the resonator
It has a planar shape, and the connection end provided on the open side end is connected to the circuit.
It is characterized by being connected to a pattern .
【００１９】この発明においては、共振子の根元部のピ
エゾ抵抗を、支持体との連結部に開放側を向けたコの字
形の平面形状を有して形成し、開放側の２つの端部を出
力用及び給電用の接続端として利用し、このピエゾ抵抗
に接続される回路パターンの形成域を限定して、共振子
における絶縁被膜の形成域を減じ、該絶縁被膜による共
振子の振動阻害を可及的に軽減して高精度での振動波の
検出を可能とする。According to the present invention, the pin at the root of the resonator is
Ezo resistance, U-shaped with the open side facing the connection with the support
It has a flat shape, and the two ends on the open side are exposed.
This piezoresistor is used as a connection end for power and power supply.
The area where the circuit pattern connected to the
It is possible to detect the vibration wave with high accuracy by reducing the formation area of the insulating coating in (3) and reducing the vibration inhibition of the resonator by the insulating coating as much as possible.
【００２０】本発明の第４発明に係る振動波センサは、
第１乃至第３発明のいずれかの振動波センサにおいて、
共通の支持体に夫々の両面を揃えて支持され、各別に異
なる共振周波数を有する複数の共振子を備えることを特
徴とする。A vibration wave sensor according to a fourth aspect of the present invention is
In the vibration wave sensor according to any one of the first to third inventions,
It is characterized in that it has a plurality of resonators which are supported by a common support with their both surfaces aligned and each have a different resonance frequency.
【００２１】この発明においては、共振周波数が異なる
複数の共振子を共通の支持体に支持させてなるセンサ素
子を用いて振動波センサを構成し、種々の周波数成分を
含む振動波を、周波数毎の振動レベルを含めて精度良く
検出する。[0021] In the present invention, to support the resonance frequencies different resonators on a common support constitute a vibration wave sensor by using a sensor element comprising, a vibration wave containing various frequency components, the frequency Accurately detect the vibration level for each.
【００２２】[0022]
【００２３】[0023]
【００２４】[0024]
【００２５】[0025]
【００２６】[0026]
【００２７】[0027]
【００２８】[0028]
【発明の実施の形態】以下本発明をその実施の形態を示
す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明の振動波セ
ンサの第１の実施の形態を示す平面図である。図示の如
く振動波センサは、振動波を受ける板状のダイヤフラム
２と、該ダイヤフラム２にその一端を連設された横断ビ
ーム３と、該横断ビーム３の他端に連設された終止板４
とを備え、該終止板４と前記ダイヤフラム２との間にて
前記横断ビーム３の一方の側に、これの長手方向に複数
本のカンチレバー（共振子）５，５…を並設して構成さ
れたセンサ素子１を備えている。このようなセンサ素子
１は、マイクロマシン加工技術により、図示の如く半導
体シリコン基板20の一部に一体形成することができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below with reference to the drawings showing the embodiments thereof. FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of a vibration wave sensor of the present invention. As shown in the figure, the vibration wave sensor includes a plate-shaped diaphragm 2 for receiving a vibration wave, a cross beam 3 having one end connected to the diaphragm 2, and a stop plate 4 connected to the other end of the cross beam 3.
And a plurality of cantilevers (resonators) 5 arranged in parallel in the longitudinal direction of the cross beam 3 between the stop plate 4 and the diaphragm 2 on one side thereof. The sensor element 1 is provided. Such a sensor element 1 can be integrally formed on a part of the semiconductor silicon substrate 20 by a micromachining technique as shown in the figure.
【００２９】カンチレバー５，５…の支持体としての横
断ビーム３は、ダイヤフラム２の側が広幅であり、終止
板４の側が狭幅であって、これらの間にて連続的に変化
する幅を有して形成されている。このような横断ビーム
３の一方側に並設された複数本のカンチレバー５，５…
は、夫々が異なる周波数の振動に共振するように、即
ち、夫々が異なる共振周波数を有するように寸法設定さ
れた薄肉細幅のビームであり、夫々の長手方向の一端を
横断ビーム３に片持ち支持させ、これと略直交する向き
に突設されている。The transverse beam 3 serving as a support for the cantilevers 5, 5 ... Has a wide width on the diaphragm 2 side and a narrow width on the end plate 4 side, and has a width that continuously changes between them. Is formed. A plurality of cantilevers 5, 5 arranged in parallel on one side of the transverse beam 3 as described above.
Are thin-walled narrow beams dimensioned so that they each resonate with vibrations of different frequencies, that is, each has a different resonance frequency, and one end of each longitudinal direction thereof is cantilevered in the transverse beam 3. It is supported and protrudes in a direction substantially orthogonal to this.
【００３０】以上の如きカンチレバー５，５…の寸法
は、夫々を共振させるべき共振周波数ｆを与えたとき、
下記（１）式に従って設定することができる。
ｆ＝（ＣａＹ1/2 ）／（Ｘ2 ｓ1/2 ） …（１）
但し、Ｃ：実験的に決定される定数
ａ：各カンチレバー５の厚さ
Ｘ：各カンチレバー５の長さ
Ｙ：材料物質（半導体シリコン）のヤング率
ｓ：材料物質（半導体シリコン）の密度The dimensions of the cantilevers 5, 5 ... As described above are such that when a resonance frequency f for resonating each of them is given,
It can be set according to the following equation (1). f = (CaY 1/2 ) / (X 2 s 1/2 ) ... (1) where C: an experimentally determined constant a: the thickness of each cantilever 5 X: the length of each cantilever 5 Y: Young's modulus s of material (semiconductor silicon): Density of material (semiconductor silicon)
【００３１】なお実際には、夫々のカンチレバー５，５
…の厚さａは、ダイヤフラム２，横断ビーム３及び終止
板４を含めて一定とし、夫々の長さＸを変えることによ
り各別の共振周波数ｆを得るようにしている。このよう
にして定められた夫々の長さＸを有するカンチレバー
５，５…は、支持体としての横断ビーム３に、図におけ
る右側（ダイヤフラム２側）から左側（終止板４側）に
向かうにつれて順次長くなるように並設され、各カンチ
レバー５，５…の共振周波数が、ダイヤフラム２の側か
ら終止板４の側に向かうに従って高周波数から低周波数
に移行するように配置されている。Actually, the respective cantilevers 5 and 5 are
The thickness a of ... Is constant, including the diaphragm 2, the transverse beam 3 and the stop plate 4, and the respective resonance frequencies f are obtained by changing the respective lengths X. The cantilevers 5, 5 ... Having the respective lengths X thus determined are sequentially arranged on the transverse beam 3 as a support from the right side (diaphragm 2 side) to the left side (stop plate 4 side) in the figure. Are arranged side by side so as to be long, and the resonance frequencies of the respective cantilevers 5, 5 ... Are arranged so as to shift from the high frequency to the low frequency as going from the diaphragm 2 side to the stop plate 4 side.
【００３２】以上の如く構成されたセンサ素子１におい
て、音声、音響等、種々の周波数の振動を含む振動波が
大面積のダイヤフラム２に入力されると、該ダイヤフラ
ム２が振動し、この振動が横断ビーム３を経て終止板４
にまで伝播する間に、該横断ビーム３に片持ち支持され
た複数のカンチレバー５，５…が、前記振動波に含まれ
る夫々の共振周波数の振動成分に応答して共振する。In the sensor element 1 constructed as described above, when a vibration wave including vibrations of various frequencies such as voice and sound is input to the large-area diaphragm 2, the diaphragm 2 vibrates, and this vibration is generated. End plate 4 through traverse beam 3
While propagating up to, the plurality of cantilevers 5, 5, ... Cantilevered by the transverse beam 3 resonate in response to the vibration components of the respective resonance frequencies contained in the vibration wave.
【００３３】各カンチレバー５，５…は、夫々の根元部
（横断ビーム３との連設部）近傍の一面に、検知部とし
てのピエゾ抵抗６，６…を備えている。これらのピエゾ
抵抗６，６…は、前述した振動の伝播により該当するカ
ンチレバー５，５…が共振したとき、これにより、自身
に生じる歪みに応じてその抵抗値を変える公知の抵抗素
子である。Each of the cantilevers 5, 5 ... Has a piezoresistor 6, 6 ... As a detecting portion on one surface in the vicinity of the root portion (a portion connected to the transverse beam 3). These piezoresistors 6, 6 ... Are well-known resistance elements that change their resistance values according to the strain that occurs when the corresponding cantilevers 5, 5 ... Resonate due to the above-described vibration propagation.
【００３４】図２は、カンチレバー５，５…の根元部近
傍におけるピエゾ抵抗６，６…の形成態様の説明図であ
る。図示の如くピエゾ抵抗６，６…は、夫々のカンチレ
バー５，５…の一面に、これらに長手方向を沿わせた矩
形の平面形状を有するシリコン基板の表面に、拡散抵抗
として形成されている。これらのピエゾ抵抗６，６…の
カンチレバー５，５…の先端側の端部は、共通の給電線
８により図示しない直流電源に接続されており、また各
ピエゾ抵抗６，６…のカンチレバー５，５…の根元側の
端部は、各別の出力線７，７…により図示しない出力回
路に並列接続されている。2A and 2B are explanatory views of a mode of forming the piezoresistors 6, 6 ... In the vicinity of the root portions of the cantilevers 5, 5. As shown in the drawing, the piezoresistors 6, 6 ... Are formed as diffusion resistors on one surface of each cantilever 5, 5, ... On the surface of a silicon substrate having a rectangular planar shape along the longitudinal direction thereof. The ends of the cantilevers 5, 5 of the piezoresistors 6, 6 ... Are connected to a DC power source (not shown) by a common power supply line 8, and the cantilevers 5, 6 of the piezoresistors 6, 6 ... .. are connected in parallel to an output circuit (not shown) by separate output lines 7, 7 ...
【００３５】以上の如く構成されたピエゾ抵抗６，６…
には、前記直流電源から所定のバイアス電圧が、共通の
給電線８を介して印加されており、前述の如く伝播する
振動波によりカンチレバー５，５…が共振したとき、こ
れに応じた各別のピエゾ抵抗６，６…の抵抗値の変化
が、前記出力線７，７…を介して接続された出力回路の
出力として各別に検出され、前記振動波に含まれる周波
数毎の振動レベルが得られるようになっている。The piezoresistors 6, 6 ...
Is applied with a predetermined bias voltage from the DC power source through the common power supply line 8, and when the cantilevers 5, 5 ... Of the piezoresistors 6, 6 ... Are individually detected as the output of the output circuit connected via the output lines 7, 7 ..., and the vibration level for each frequency included in the vibration wave is obtained. It is designed to be used.
【００３６】検知部としてのピエゾ抵抗６，６…に連な
る回路配線としての前記給電線８及び出力線７，７…
は、前記カンチレバー５，５…の支持体としての横断ビ
ーム３の一方の面（ピエゾ抵抗６の形成面と同側の面）
に、導電性金属による回路パターンとして形成されてお
り、前記給電線８は、各カンチレバー５，５…と横断ビ
ーム３との連設部において、夫々のピエゾ抵抗６，６…
の形成部分を囲うように先端側に延長され、この延長部
の中途にて各ピエゾ抵抗６，６…の他端に接続されてい
る。The feed line 8 and the output lines 7, 7 serving as circuit wiring connected to the piezoresistors 6, 6 serving as the detection unit.
Is one surface of the transverse beam 3 serving as a support for the cantilevers 5, 5 (the surface on the same side as the surface on which the piezoresistor 6 is formed).
Is formed as a circuit pattern made of a conductive metal, and the feed line 8 is provided at each connecting portion of the cantilevers 5, 5 ...
Of the piezoresistors 6, 6 ... Are connected to the other end of the piezoresistors 6, 6 ...
【００３７】以上の如くピエゾ抵抗６，６…、出力線
７，７…及び給電線８が形成されたカンチレバー５，５
…並びに横断ビーム３の一方の面は、検知部としてのピ
エゾ抵抗６，６…、並びに回路パターンとしての出力線
７，７…及び給電線８の形成部分における絶縁確保のた
めに、シリコンの熱酸化により得られるＳｉＯ2 膜等の
絶縁材料製の被膜９により覆われているが、本発明に係
る振動波センサにおいては、以上の如き被膜９が、図２
中にハッチングを施して示す如く、絶縁が不可欠な前記
ピエゾ抵抗６，６…、出力線７，７…及び給電線８の形
成域を覆うように形成されている。The above as piezoresistive 6,6 ..., cantilever 5,5 output lines 7, 7 and the power supply line 8 is formed
... and one surface of the transverse beam 3 is made of silicon heat for securing insulation in the formation portion of the piezoresistors 6, 6 as the detection portion and the output lines 7, 7 as the circuit pattern and the power supply line 8. The coating 9 made of an insulating material such as a SiO 2 film obtained by oxidation is covered, but in the vibration wave sensor according to the present invention, the coating 9 as described above is formed as shown in FIG.
As shown by hatching in the insulation is essential the piezoresistive 6,6 ..., it is formed in Migihitsuji covering a formation area of the output lines 7, 7 and the feed line 8.
【００３８】これによりカンチレバー５，５…の一面
は、ピエゾ抵抗６，６…、及びこれらを囲う給電線８が
形成された夫々の根元部近傍のみが前記被膜９により覆
われ、先端側の大部分が被膜９の非形成域として残され
た状態となる。従って、前記被膜９の内部応力の作用に
よる各カンチレバー５，５…の反りの発生を抑えること
ができ、これに起因するカンチレバー５，５…の振動阻
害が抑制されて、前述の如き振動波の伝播に伴う各カン
チレバー５，５…の共振が、前述した寸法設定により決
定された夫々の周波数の振動に対して正確に生じるよう
になり、検知部としてのピエゾ抵抗６，６…の出力によ
り正確な振動波の検出が可能となる。As a result, one surface of the cantilevers 5, 5 ... Is covered with the coating 9 only near the roots of the piezoresistors 6, 6 ... The portion is left as a non-formed area of the coating film 9. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of warping of the cantilevers 5, 5, ... Due to the action of the internal stress of the coating film 9, and the inhibition of the vibration of the cantilevers 5, 5 ,. Resonance of each of the cantilevers 5, 5 ... Accompanied by the propagation can be accurately generated with respect to the vibration of each frequency determined by the dimension setting described above, and the output of the piezoresistors 6, 6 ... It is possible to detect various vibration waves.
【００３９】なお、以上の如き被膜９の非形成域は、前
記ＳｉＯ2 膜の場合、例えば、カンチレバー５，５…及
び横断ビーム３を含めたセンサ素子１の一面の全体の熱
酸化により、全面を覆うＳｉＯ2 膜を形成しておき、そ
の後のエッチングにより、各カンチレバー５，５…の先
端側のＳｉＯ2 膜を除去する手順により実現することが
できる。In the case of the SiO 2 film, the non-formed area of the coating film 9 as described above is entirely formed by thermal oxidation of the entire one surface of the sensor element 1 including the cantilevers 5, 5, ... And the transverse beam 3. Can be realized by a procedure of forming a SiO 2 film covering the film and removing the SiO 2 film on the tip side of each cantilever 5, 5, ... By etching thereafter.
【００４０】図３は、本発明に係る振動波センサのカン
チレバー５，５…の根元部近傍におけるピエゾ抵抗６，
６…の形成態様の他の実施の形態を示す説明図である。
本図に示すピエゾ抵抗６，６…は、夫々のカンチレバー
５，５…の一面に、これらの根元側、即ち、支持体とし
ての横断ビーム３との連結側にその開口側の端部を臨ま
せたコの字形の平面形状を有して形成され、前記端部の
夫々を、横断ビーム３の一面（ピエゾ抵抗６の形成面と
同側の面）に回路パターンとして形成された各別の出力
線７，７…、及び共通の給電線８に接続して振動波セン
サが構成されている。FIG. 3 shows a piezoresistor 6 near the roots of the cantilevers 5, 5 ... Of the vibration wave sensor according to the present invention.
It is explanatory drawing which shows other embodiment of the formation aspect of 6 ....
The piezoresistors 6, 6, ... Shown in this figure have their ends on the opening side on one side of each cantilever 5, 5, ... On their root side, that is, on the connection side with the transverse beam 3 as a support. Each of the end portions is formed as a circuit pattern on one surface of the transverse beam 3 (the surface on the same side as the surface on which the piezoresistor 6 is formed). A vibration wave sensor is configured by being connected to the output lines 7, 7 ... And the common power supply line 8.
【００４１】以上の如く構成された振動波センサにおい
ても、カンチレバー５，５…及び横断ビーム３の一面
は、図３中にハッチングを施して示す如く、絶縁が不可
欠なピエゾ抵抗６，６…、出力線７，７…及び給電線８
の形成部分を絶縁材料製の被膜９により覆ってあり、カ
ンチレバー５，５…の一面は、その先端側の大部分が被
膜９により覆われていない非形成域として残されてい
る。Also in the vibration wave sensor constructed as described above, the cantilevers 5, 5 ... And the one surface of the transverse beam 3 are shown by hatching in FIG. Output lines 7, 7 ... and power supply line 8
Of the cantilever 5, 5 ... Is left as a non-formed region where most of the tip end side thereof is not covered with the coating 9.
【００４２】ここで、図３に示す実施の形態において
は、カンチレバー５，５…の一面におけるピエゾ抵抗
６，６…が、前述したコの字形の平面形状を有して形成
され、出力線７，７…及び給電線８との接続が、横断ビ
ーム３との連結側に向けた端部においてなされる構成と
してあり、カンチレバー５，５…の一面に出力線７，７
…及び給電線８が形成されていないことから、カンチレ
バー５，５…における前記被膜９の形成域が、ピエゾ抵
抗６，６…の形成部分にのみ限られ、該被膜９の非形成
域をより大きくすることができる。これにより各カンチ
レバー５，５…の反りの発生、及び振動阻害が一層有効
に抑制され、これらのカンチレバー５，５…の共振を予
め設定された共振周波数においてより正確に生ぜしめる
ことができ、検知部としてのピエゾ抵抗６，６…の出力
により正確な振動検出が可能となる。Here, in the embodiment shown in FIG. 3, the piezoresistors 6, 6 on one surface of the cantilevers 5, 5 ... Are formed to have the above-mentioned U-shaped planar shape, and the output line 7 is formed. , 7 ... and the power supply line 8 are connected at the end toward the side connecting with the transverse beam 3, and the output lines 7, 7 are provided on one surface of the cantilevers 5, 5.
.. and the power supply line 8 are not formed, the formation region of the coating film 9 on the cantilevers 5, 5 ... Is limited only to the formation portion of the piezoresistors 6, 6 ,. Can be large. As a result, the occurrence of warpage and vibration inhibition of each cantilever 5, 5, ... Is suppressed more effectively, and the resonance of these cantilevers 5, 5, ... Can be generated more accurately at the preset resonance frequency, and the detection can be performed. The output of the piezoresistors 6, 6, ... As a unit enables accurate vibration detection.
【００４３】図４は、図２及び図３に示す本発明に係る
振動波センサの出力特性を、カンチレバー５，５…の全
面が被膜９（厚さ５０００ÅのＳｉＯ2 膜）により覆わ
れた従来の振動波センサと比較した結果を示すグラフで
ある。図の横軸は、ダイヤフラム２に入力される振動波
としての音波の音圧レベル、同じく縦軸は、ピエゾ抵抗
６，６…の出力側に得られる出力電圧のレベルであり、
図中の一点鎖線は、従来の振動波センサの出力特性を、
同じく実線は、図２に示す振動波センサの出力特性を、
同じく破線は、図３に示す振動波センサの出力特性を夫
々示している。FIG. 4 shows the output characteristics of the vibration wave sensor according to the present invention shown in FIGS. 2 and 3, in which the cantilevers 5, 5 ... Are covered with a coating 9 (a SiO 2 film having a thickness of 5000 Å) on the entire surface. 5 is a graph showing the result of comparison with the vibration wave sensor of FIG. The horizontal axis of the figure is the sound pressure level of the sound wave as the vibration wave input to the diaphragm 2, and the vertical axis is the level of the output voltage obtained at the output side of the piezoresistors 6, 6.
The alternate long and short dash line in the figure shows the output characteristics of the conventional vibration wave sensor,
Similarly, the solid line shows the output characteristics of the vibration wave sensor shown in FIG.
Similarly, the broken lines respectively show the output characteristics of the vibration wave sensor shown in FIG.
【００４４】本図に示す如く、本発明に係る振動波セン
サにより得られる出力電圧のレベルは、従来の振動波セ
ンサのそれよりも極めて高く、同一の音圧レベルの振動
を与えた場合の出力電圧を比較した場合、図２に示す振
動波センサの出力電圧Ｖ1 は、従来の振動波センサの出
力電圧Ｖ0 の略２．３倍、図３に示す振動波センサの出
力電圧Ｖ2 は、従来の振動波センサの出力電圧Ｖ0 の略
２．５倍にも達し、本発明に係る振動波センサによれ
ば、正確な振動検出に加えて、出力特性の改善が図られ
ることが明らかとなった。As shown in the figure, the level of the output voltage obtained by the vibration wave sensor according to the present invention is much higher than that of the conventional vibration wave sensor, and the output when the vibration of the same sound pressure level is applied. When comparing the voltages, the output voltage V 1 of the vibration wave sensor shown in FIG. 2 is approximately 2.3 times the output voltage V 0 of the conventional vibration wave sensor, and the output voltage V 2 of the vibration wave sensor shown in FIG. The output voltage V 0 of the conventional vibration wave sensor reaches approximately 2.5 times, and it is clear that the vibration wave sensor according to the present invention can improve the output characteristics in addition to accurate vibration detection. Became.
【００４５】なお以上の実施の形態においては、カンチ
レバー５の振動を検知する検知部として、これの根元部
に構成されたピエゾ抵抗６を用いた振動波センサについ
て述べたが、前記検知部の構成は、ピエゾ抵抗６に限ら
ず、他の構成とすることも可能である。In the above embodiment, the vibration wave sensor using the piezoresistor 6 formed at the root of the cantilever 5 as the detection unit for detecting the vibration of the cantilever 5 has been described. Is not limited to the piezoresistor 6, and other configurations are possible.
【００４６】[0046]
【００４７】[0047]
【００４８】[0048]
【００４９】[0049]
【００５０】[0050]
【発明の効果】以上のように本発明に係る振動波センサ
においては、板状の支持体に支持された板状の共振子の
一面に、根元部近傍のピエゾ抵抗及び該ピエゾ抵抗へ接
続される回路パターンの形成域に限って絶縁被膜を形成
したから、該絶縁被膜の内部応力による共振子の反り、
及び振動阻害の発生を抑制でき、良好な特性下にて正確
な振動波の検出が可能となる等、本発明は優れた効果を
奏する。In Doha sensor vibration Ru engaged with the present invention as described above, according to the present invention, the <br/> one surface of a plate-shaped by the holder is plate-shaped resonator, of the base portion near piezoresistive And contact the piezoresistor
Insulation film is formed only in the area where the continuous circuit pattern is formed.
Therefore , the warpage of the resonator due to the internal stress of the insulating film,
Also, the present invention has excellent effects such as suppressing the occurrence of vibration inhibition and enabling accurate detection of vibration waves with good characteristics.
【図１】本発明に係る振動波センサの第１の実施の形態
を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of a vibration wave sensor according to the present invention.
【図２】図１に示す振動波センサのカンチレバーの根元
部近傍におけるピエゾ抵抗の形成態様の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a piezoresistance formation mode in the vicinity of a root portion of a cantilever of the vibration wave sensor shown in FIG.
【図３】本発明に係る振動波センサのカンチレバーの根
元部近傍におけるピエゾ抵抗の形成態様の他の実施の形
態を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing another embodiment of a mode of forming a piezoresistor near the root of the cantilever of the vibration wave sensor according to the present invention.
【図４】本発明の振動波センサによる出力特性の向上効
果の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of an effect of improving output characteristics by the vibration wave sensor of the present invention.
１ センサ素子 ２ ダイヤフラム ３ 横断ビーム ４ 終止板 ５ カンチレバー ６ ピエゾ抵抗 ７ 出力線 ８ 給電線 ９ 被膜 1 sensor element 2 diaphragm 3 transverse beams 4 end plate 5 cantilevers 6 Piezoresistive 7 output lines 8 power lines 9 film
Claims (4)
持された板状の共振子とをシリコン基板上に一体形成
し、前記支持体から伝播する振動波の作用による前記共
振子の共振を検知する検知手段の電気的出力によって前
記振動波を検出する振動波センサにおいて、前記検知手段は、前記共振子の根元部近傍の可動部分の
一面に形成され、前記共振に応じてその抵抗値を変える
ピエゾ抵抗と、該ピエゾ抵抗に接続され、前記支持体の
一面に延設された回路パターンとを備え、 前記共振子の根元部近傍の一面に、前記ピエゾ抵抗及び
回路パターンの形成部分を被覆すべく形成された絶縁被
膜 を備えることを特徴とする振動波センサ。 1. A plate-shaped support member and a plate-shaped resonator having a root portion supported by the support member are integrally formed on a silicon substrate.
However, due to the action of the vibration wave propagating from the support,
By the electrical output of the detection means to detect the resonance of the pendulum
In the vibration wave sensor for detecting the vibration wave , the detection means is a movable part near the root of the resonator.
It is formed on one surface and changes its resistance value according to the resonance.
A piezoresistor, connected to the piezoresistor, of the support
And a circuit pattern extended on one surface, the piezoresistor and
An insulating coating formed to cover the circuit pattern formation area.
A vibration wave sensor comprising a film .
の接続のための出力端を、前記支持体と前記共振子との
連結部近傍に備える請求項１記載の振動波センサ。2. The piezoresistor is connected to the circuit pattern.
The output end for connection of the support and the resonator
The vibration wave sensor according to claim 1, which is provided in the vicinity of the connecting portion .
振子との連結部に開放側を向けたコの字形の平面形状を
有し、開放側端部に設けた出力端を前記回路パターンに
接続してある請求項１又は請求項２記載の振動波セン
サ。3. The piezoresistor is the same as the support and the piezoresistor.
Place a U-shaped planar shape with the open side facing the connection with the pendulum.
Has an output end provided at the open side end portion in the circuit pattern
The vibration wave sensor according to claim 1 or 2, which is connected .
され、各別に異なる共振周波数を有する複数の共振子を
備える請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の振動波
センサ。4. Both sides of a common support are aligned and supported.
Multiple resonators, each with a different resonant frequency
Vibration wave sensor according to any one of claims 1 to 3 comprising.
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