JP3501845B2 - 振動素子及び振動素子の使用方法 - Google Patents
振動素子及び振動素子の使用方法Info
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- JP3501845B2 JP3501845B2 JP12884694A JP12884694A JP3501845B2 JP 3501845 B2 JP3501845 B2 JP 3501845B2 JP 12884694 A JP12884694 A JP 12884694A JP 12884694 A JP12884694 A JP 12884694A JP 3501845 B2 JP3501845 B2 JP 3501845B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は振動素子に関し、特にマ
イクロマシン技術を応用して気体の圧力や物体の歪を検
出するために利用される振動素子に関する。
イクロマシン技術を応用して気体の圧力や物体の歪を検
出するために利用される振動素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、マイクロマシン技術を応用して検
出素子に電子回路を組み込んだ小型で高性能のセンサが
実現されてきている。そのようなセンサのひとつとし
て、気体の圧力や物体の歪みを検出するため、圧電振動
子の原理を応用した振動素子に電子回路を組み込んで構
成したセンサがある。
出素子に電子回路を組み込んだ小型で高性能のセンサが
実現されてきている。そのようなセンサのひとつとし
て、気体の圧力や物体の歪みを検出するため、圧電振動
子の原理を応用した振動素子に電子回路を組み込んで構
成したセンサがある。
【０００３】図１２は、そのような圧電振動子の原理を
応用した振動素子の構造を示す。図１２（ａ）は上面
図、図１２（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断
面図である。基板２１上に形成された絶縁膜２２の表面
に下部電極２３が形成され、その下部電極２３の上方に
下部電極２３に対向して、弾性を有する上部電極２４が
形成されている。上部電極２４は幅約１００μｍ，長さ
約２５０μｍ，厚さ約１μｍを有し、下部電極２３と上
部電極２４との間には約１μｍの空隙２５が形成されて
いる。また、上部電極２４の両端部は絶縁膜２２に固定
され、その中央部分は上下に振動する振動部２４ｂとな
っている。
応用した振動素子の構造を示す。図１２（ａ）は上面
図、図１２（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断
面図である。基板２１上に形成された絶縁膜２２の表面
に下部電極２３が形成され、その下部電極２３の上方に
下部電極２３に対向して、弾性を有する上部電極２４が
形成されている。上部電極２４は幅約１００μｍ，長さ
約２５０μｍ，厚さ約１μｍを有し、下部電極２３と上
部電極２４との間には約１μｍの空隙２５が形成されて
いる。また、上部電極２４の両端部は絶縁膜２２に固定
され、その中央部分は上下に振動する振動部２４ｂとな
っている。
【０００４】このような振動素子では、下部電極２３と
上部電極２４との間に電圧を印加することによって、下
部電極２３および上部電極２４に異なる極性の電荷が帯
電して両電極間に静電引力が生じる。また同時に、この
静電引力による変形により、上部電極２４には静電引力
に対応して静電引力とは逆方向の弾性応力が生じる。し
たがって、下部電極２３と上部電極２４に印加する電圧
を時間的に変化させると、その電圧変化により上部電極
２４の振動部２４ｂが振動する。
上部電極２４との間に電圧を印加することによって、下
部電極２３および上部電極２４に異なる極性の電荷が帯
電して両電極間に静電引力が生じる。また同時に、この
静電引力による変形により、上部電極２４には静電引力
に対応して静電引力とは逆方向の弾性応力が生じる。し
たがって、下部電極２３と上部電極２４に印加する電圧
を時間的に変化させると、その電圧変化により上部電極
２４の振動部２４ｂが振動する。
【０００５】また、振動部２４ｂは、その長さ、重量、
張力、弾性などのパラメータに依存する機械的な固有振
動を有し、下部電極２３と上部電極２４に印加する電圧
の周波数をその固有振動に合わせることにより、振動部
２４ｂを特定の周波数で共振させることができる。更
に、上部電極２４に掛かる張力が変化して振動部２４ｂ
の固有振動が変化すると、振動部２４ｂの共振状態は変
化し、振動の振幅や周波数が変化する。
張力、弾性などのパラメータに依存する機械的な固有振
動を有し、下部電極２３と上部電極２４に印加する電圧
の周波数をその固有振動に合わせることにより、振動部
２４ｂを特定の周波数で共振させることができる。更
に、上部電極２４に掛かる張力が変化して振動部２４ｂ
の固有振動が変化すると、振動部２４ｂの共振状態は変
化し、振動の振幅や周波数が変化する。
【０００６】したがって、逆に振動部２４ｂの振幅や振
動周波数を求めることによって、振動部２４ｂの振動状
態を決めるさまざまなパラメータの値を導出することが
でき、振動部２４ｂの振動に関係する物理的な値を測定
することができる。たとえば、図１２に示すような振動
素子を利用して気体の圧力を測定することができる。
動周波数を求めることによって、振動部２４ｂの振動状
態を決めるさまざまなパラメータの値を導出することが
でき、振動部２４ｂの振動に関係する物理的な値を測定
することができる。たとえば、図１２に示すような振動
素子を利用して気体の圧力を測定することができる。
【０００７】即ち、図１２の振動素子では、下部電極２
３と振動部２４ｂと間の空隙２５の厚さが振動部２４ｂ
の幅と比べて非常に小さいので、図１２の振動素子が空
気中に置かれている場合、振動部２４ｂが振動する際の
ポンプ作用によって空隙２５中を横方向に移動する空気
の速度は極めて大きくなり、振動部２４ｂの振動の振幅
や周波数は、その空隙２５にある空気の粘性の影響を大
きく受ける。
３と振動部２４ｂと間の空隙２５の厚さが振動部２４ｂ
の幅と比べて非常に小さいので、図１２の振動素子が空
気中に置かれている場合、振動部２４ｂが振動する際の
ポンプ作用によって空隙２５中を横方向に移動する空気
の速度は極めて大きくなり、振動部２４ｂの振動の振幅
や周波数は、その空隙２５にある空気の粘性の影響を大
きく受ける。
【０００８】空気などの気体の粘性率は、その気体の温
度の上昇および圧力の上昇に応じて高くなるため、気体
の粘性率と温度を測定することによって、その気体の圧
力を求めることができる。したがって、振動部２４ｂの
振動の振幅や周波数を検出し、これらから振動部２４ｂ
周囲の空気の粘性率を求めて、その粘性率と空気の温度
からその空気の圧力を求めることができる。
度の上昇および圧力の上昇に応じて高くなるため、気体
の粘性率と温度を測定することによって、その気体の圧
力を求めることができる。したがって、振動部２４ｂの
振動の振幅や周波数を検出し、これらから振動部２４ｂ
周囲の空気の粘性率を求めて、その粘性率と空気の温度
からその空気の圧力を求めることができる。
【０００９】図２（ｂ）は、図１２に示した振動素子の
振動部２４ｂの振動振幅と気体の圧力との関係を表す特
性図である。この特性図において、縦軸が振動部２４ｂ
の振幅、横軸が振動部２４ｂの周囲の空気の圧力を表
す。この特性図より、上部電極２４の振動部２４ｂの振
幅は、空気の圧力がある値になるまでは振動部２４ｂの
固有振動による一定の値Ａｍに維持されるが、圧力が一
定の値を越えると、圧力の上昇に反比例して減少し始
め、圧力Ｐ０近くで０になる。Ｐ０は大気圧よりも低い
値に相当する。即ち、このような従来の振動素子を利用
する圧力検出装置は、１気圧より低い気体の圧力でしか
使用できない。
振動部２４ｂの振動振幅と気体の圧力との関係を表す特
性図である。この特性図において、縦軸が振動部２４ｂ
の振幅、横軸が振動部２４ｂの周囲の空気の圧力を表
す。この特性図より、上部電極２４の振動部２４ｂの振
幅は、空気の圧力がある値になるまでは振動部２４ｂの
固有振動による一定の値Ａｍに維持されるが、圧力が一
定の値を越えると、圧力の上昇に反比例して減少し始
め、圧力Ｐ０近くで０になる。Ｐ０は大気圧よりも低い
値に相当する。即ち、このような従来の振動素子を利用
する圧力検出装置は、１気圧より低い気体の圧力でしか
使用できない。
【００１０】また、図１２の振動素子を応用した別の測
定装置として歪検出装置がある。歪検出装置は、基板２
１は歪みを測定すべき物体の表面に固着されており、物
体の伸縮によって変化する振動部２４ｂの張力を振動部
２４ｂの振幅あるいは振動周波数から求め、その張力の
変化から基板２１が固着された物体の歪を検出する。
定装置として歪検出装置がある。歪検出装置は、基板２
１は歪みを測定すべき物体の表面に固着されており、物
体の伸縮によって変化する振動部２４ｂの張力を振動部
２４ｂの振幅あるいは振動周波数から求め、その張力の
変化から基板２１が固着された物体の歪を検出する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の振動素子は、周囲の気体の圧力が１気圧より
も低いときにしか振動部が振動しないため、減圧環境下
でしか使用できない。従って、圧力検出装置の測定圧力
範囲が限定され、用途が限られてしまう。また、振動素
子を歪検出装置に利用する場合には、振動素子を大気中
に置くと振動部の振動が微弱になるかまたは振動が止ま
ってしまい、歪の測定誤差が大きくなったり、ときには
全く測定できなくなって使用できなくなるという問題も
あった。
うな従来の振動素子は、周囲の気体の圧力が１気圧より
も低いときにしか振動部が振動しないため、減圧環境下
でしか使用できない。従って、圧力検出装置の測定圧力
範囲が限定され、用途が限られてしまう。また、振動素
子を歪検出装置に利用する場合には、振動素子を大気中
に置くと振動部の振動が微弱になるかまたは振動が止ま
ってしまい、歪の測定誤差が大きくなったり、ときには
全く測定できなくなって使用できなくなるという問題も
あった。
【００１２】そのため、振動素子を歪検出装置として動
作させるためには、振動素子を機密容器に入れて内部を
真空かまたは減圧状態にしなければならないため、装置
が大型化するという不都合があった。本発明は、係る従
来の問題点に鑑みて創作されたもので、感度を低下させ
ることなく、検出可能な圧力範囲及び動作可能な圧力範
囲を高圧側に広げることができる圧電振動子の原理を応
用した振動素子を提供することを目的とするものであ
る。
作させるためには、振動素子を機密容器に入れて内部を
真空かまたは減圧状態にしなければならないため、装置
が大型化するという不都合があった。本発明は、係る従
来の問題点に鑑みて創作されたもので、感度を低下させ
ることなく、検出可能な圧力範囲及び動作可能な圧力範
囲を高圧側に広げることができる圧電振動子の原理を応
用した振動素子を提供することを目的とするものであ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題は、第１に、基
板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電
極上に空隙を介して対向し、両端部が前記基板に固定さ
れた上部電極と、前記上部電極を振動させる駆動手段
と、前記上部電極の振動の振幅または周波数を検出する
検出手段とを有し、前記上部電極の振動部分に貫通孔が
設けられていることを特徴とする振動素子によって達成
され、第２に、前記貫通孔の平面形状は、円形、楕円
形、方形又はこれらの組み合わせであることを特徴とす
る第１の発明に記載の記載の振動素子によって達成さ
れ、第３に、前記上部電極における前記貫通孔の配置
は、千鳥状、格子状、環状又は放射状であることを特徴
とする第１の発明に記載の振動素子により達成され、第
４に、前記上部電極の材料は、多結晶シリコン、単結晶
シリコン、ポリサイド、高融点金属又は銅であることを
特徴とする第１の発明に記載の振動素子によって達成さ
れ、第５に、前記駆動手段と前記検出手段により誘導型
発振回路が構成されることを特徴とする第１の発明に記
載の振動素子によって達成され、第６に、前記下部電極
は、前記駆動手段に接続された駆動電極と、前記検出手
段に接続された検出電極とに分離していることを特徴と
する第１の発明に記載の振動素子によって達成され、第
７に、前記駆動手段は前記下部電極と前記上部電極間に
一定の周期で変動する電圧を印加する手段であり、前記
検出手段は前記下部電極と前記上部電極間に直流電圧を
印加して前記振動による電流を検出する手段であること
を特徴とする第６の発明に記載の振動素子によって達成
され、第８に、第５の発明に記載の誘導型発振回路によ
り前記上部電極の機械的振動と電気的振動を共振状態に
して前記上部電極の振動の振幅又は周波数を検出するこ
とを特徴とする振動素子の使用方法によって達成され、
第９に、第７の発明に記載の振動素子を用い、前記検出
手段により前記検出電極に流れる電流値の変動を検出
し、前記駆動手段により前記検出手段が検出した電流値
の変動の周期に対応して変動する電圧を前記駆動電極に
印加して前記上部電極の機械的振動と電気的振動を共振
状態にし、前記上部電極の振動の振幅又は周波数を検出
することを特徴とする振動素子の使用方法によって達成
され、第１０に、第７の発明に記載の振動素子を用い、
前記駆動手段により一定の周期で変動する電圧を前記駆
動電極に印加し、前記検出手段により前記検出電極に流
れる電流値の変動を検出して、前記上部電極の振動の振
幅又は周波数を検出することを特徴とする振動素子の使
用方法によって達成され、第１１に、前記駆動手段によ
り前記一定の周期で変動する電圧に直流電圧を重畳する
ことを特徴とする第８、第９又は第１０の発明のいずれ
かに記載の振動素子の使用方法によって達成され、第１
２に、第１の発明に記載の振動素子を用い、前記検出手
段が検出した前記上部電極の振動の振幅又は周波数から
前記上部電極の周囲の気体の粘性率を導出し、前記粘性
率に基づいて前記上部電極の周囲の気体の圧力を求める
ことを特徴とする圧力検出方法によって達成され、第１
３に、第１の発明に記載の振動素子を用い、前記検出手
段が検出した前記上部電極の振動の振幅または周波数か
ら前記上部電極の応力を導出し、前記応力から前記基板
或いは前記基板が設置された被測定体の歪みを求めるこ
とを特徴とする歪み検出方法によって達成される。
板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電
極上に空隙を介して対向し、両端部が前記基板に固定さ
れた上部電極と、前記上部電極を振動させる駆動手段
と、前記上部電極の振動の振幅または周波数を検出する
検出手段とを有し、前記上部電極の振動部分に貫通孔が
設けられていることを特徴とする振動素子によって達成
され、第２に、前記貫通孔の平面形状は、円形、楕円
形、方形又はこれらの組み合わせであることを特徴とす
る第１の発明に記載の記載の振動素子によって達成さ
れ、第３に、前記上部電極における前記貫通孔の配置
は、千鳥状、格子状、環状又は放射状であることを特徴
とする第１の発明に記載の振動素子により達成され、第
４に、前記上部電極の材料は、多結晶シリコン、単結晶
シリコン、ポリサイド、高融点金属又は銅であることを
特徴とする第１の発明に記載の振動素子によって達成さ
れ、第５に、前記駆動手段と前記検出手段により誘導型
発振回路が構成されることを特徴とする第１の発明に記
載の振動素子によって達成され、第６に、前記下部電極
は、前記駆動手段に接続された駆動電極と、前記検出手
段に接続された検出電極とに分離していることを特徴と
する第１の発明に記載の振動素子によって達成され、第
７に、前記駆動手段は前記下部電極と前記上部電極間に
一定の周期で変動する電圧を印加する手段であり、前記
検出手段は前記下部電極と前記上部電極間に直流電圧を
印加して前記振動による電流を検出する手段であること
を特徴とする第６の発明に記載の振動素子によって達成
され、第８に、第５の発明に記載の誘導型発振回路によ
り前記上部電極の機械的振動と電気的振動を共振状態に
して前記上部電極の振動の振幅又は周波数を検出するこ
とを特徴とする振動素子の使用方法によって達成され、
第９に、第７の発明に記載の振動素子を用い、前記検出
手段により前記検出電極に流れる電流値の変動を検出
し、前記駆動手段により前記検出手段が検出した電流値
の変動の周期に対応して変動する電圧を前記駆動電極に
印加して前記上部電極の機械的振動と電気的振動を共振
状態にし、前記上部電極の振動の振幅又は周波数を検出
することを特徴とする振動素子の使用方法によって達成
され、第１０に、第７の発明に記載の振動素子を用い、
前記駆動手段により一定の周期で変動する電圧を前記駆
動電極に印加し、前記検出手段により前記検出電極に流
れる電流値の変動を検出して、前記上部電極の振動の振
幅又は周波数を検出することを特徴とする振動素子の使
用方法によって達成され、第１１に、前記駆動手段によ
り前記一定の周期で変動する電圧に直流電圧を重畳する
ことを特徴とする第８、第９又は第１０の発明のいずれ
かに記載の振動素子の使用方法によって達成され、第１
２に、第１の発明に記載の振動素子を用い、前記検出手
段が検出した前記上部電極の振動の振幅又は周波数から
前記上部電極の周囲の気体の粘性率を導出し、前記粘性
率に基づいて前記上部電極の周囲の気体の圧力を求める
ことを特徴とする圧力検出方法によって達成され、第１
３に、第１の発明に記載の振動素子を用い、前記検出手
段が検出した前記上部電極の振動の振幅または周波数か
ら前記上部電極の応力を導出し、前記応力から前記基板
或いは前記基板が設置された被測定体の歪みを求めるこ
とを特徴とする歪み検出方法によって達成される。
【００１４】
【作用】本発明の振動素子によれば、基板上の下部電極
と空隙を介して対向する上部電極が形成され、かつ上部
電極の振動部分に貫通孔が形成されている。また、上部
電極を振動させる駆動手段と、上部電極の振動の振幅あ
るいは周波数を検出する検出手段が設けられている。
と空隙を介して対向する上部電極が形成され、かつ上部
電極の振動部分に貫通孔が形成されている。また、上部
電極を振動させる駆動手段と、上部電極の振動の振幅あ
るいは周波数を検出する検出手段が設けられている。
【００１５】駆動手段として、例えば、下部電極と上部
電極の間に一定の周期で変動する電圧を印加する手段を
用いることにより、電圧印加すると下部電極と上部電極
の間に静電引力が生じるとともに、その静電引力とそれ
に応じた上部電極の弾性応力とによって上部電極が振動
する。このとき、上部電極には貫通孔が形成されている
ため、空隙にある気体は上部電極の振動のポンプ作用に
よって下部電極と上部電極間の空隙内を横方向に移動す
るとともに、貫通孔を通流して上部電極の上方に移動す
る。
電極の間に一定の周期で変動する電圧を印加する手段を
用いることにより、電圧印加すると下部電極と上部電極
の間に静電引力が生じるとともに、その静電引力とそれ
に応じた上部電極の弾性応力とによって上部電極が振動
する。このとき、上部電極には貫通孔が形成されている
ため、空隙にある気体は上部電極の振動のポンプ作用に
よって下部電極と上部電極間の空隙内を横方向に移動す
るとともに、貫通孔を通流して上部電極の上方に移動す
る。
【００１６】従って、空隙内を横方向に流れて上部電極
の振動に影響を与える気体の量が相対的に減少し、上部
電極の振動に対する気体の粘性の影響が低下する。この
ため、より高い気圧においても上部電極の振動板として
の動作が可能になる。しかも、貫通孔の大きさや数量を
制限することにより、単に上部電極の幅を狭くした場合
と異なり、上部電極の機械的な弾性や対向する電極面積
による電気的な容量をあまり低下させずに済む。これに
より、振動の振幅や感度（共振時の増幅度或いは選択度
Ｑに相当する。）の低下を防止することができる。
の振動に影響を与える気体の量が相対的に減少し、上部
電極の振動に対する気体の粘性の影響が低下する。この
ため、より高い気圧においても上部電極の振動板として
の動作が可能になる。しかも、貫通孔の大きさや数量を
制限することにより、単に上部電極の幅を狭くした場合
と異なり、上部電極の機械的な弾性や対向する電極面積
による電気的な容量をあまり低下させずに済む。これに
より、振動の振幅や感度（共振時の増幅度或いは選択度
Ｑに相当する。）の低下を防止することができる。
【００１７】従って、このような振動素子を気圧の検出
に応用することによって、従来の振動素子を利用したも
のよりも高い気圧を検出することが可能になる。また、
このような振動素子を基板の歪の検出に応用すると、大
気圧中でも振動素子が動作するようになるので、減圧容
器に封入することなく歪検出装置を動作させることがで
きる。
に応用することによって、従来の振動素子を利用したも
のよりも高い気圧を検出することが可能になる。また、
このような振動素子を基板の歪の検出に応用すると、大
気圧中でも振動素子が動作するようになるので、減圧容
器に封入することなく歪検出装置を動作させることがで
きる。
【００１８】更に、上部電極の貫通孔の形状を、円形、
楕円形、方形などの形状にすることにより、振動に伴っ
て貫通孔を通流する気流の抵抗を低くし、更に、その配
置を千鳥状、格子状、環状、放射状にすることにより、
振動に伴って空隙を通流する気流の移動方向に沿って貫
通孔が存在するようになり、気体を空隙から外部に滞り
なく放出することができる。
楕円形、方形などの形状にすることにより、振動に伴っ
て貫通孔を通流する気流の抵抗を低くし、更に、その配
置を千鳥状、格子状、環状、放射状にすることにより、
振動に伴って空隙を通流する気流の移動方向に沿って貫
通孔が存在するようになり、気体を空隙から外部に滞り
なく放出することができる。
【００１９】従って、貫通孔を形成することによっても
たらされる気体の粘性の緩和効果を均一化するととも
に、貫通孔を形成することによる上部電極の弾性低下を
均一化することができる。これにより、上部電極の振動
を安定させることができる。また、本発明の振動素子の
使用方法によれば、上部電極の機械的振動と電気的振動
を共振状態にして上部電極の振動の振幅又は周波数
（ｆ）を検出している。従って、振動により発生する誘
導成分の２πｆ倍の増幅度及び選択度が得られるため、
感度が高い。
たらされる気体の粘性の緩和効果を均一化するととも
に、貫通孔を形成することによる上部電極の弾性低下を
均一化することができる。これにより、上部電極の振動
を安定させることができる。また、本発明の振動素子の
使用方法によれば、上部電極の機械的振動と電気的振動
を共振状態にして上部電極の振動の振幅又は周波数
（ｆ）を検出している。従って、振動により発生する誘
導成分の２πｆ倍の増幅度及び選択度が得られるため、
感度が高い。
【００２０】更に、共振状態にしなくても、単に所定の
周期で振動する電気的振動に従って機械的振動を起こさ
せることにより、振動する上部電極と下部電極間に流れ
る容量性の電流を測定することによっても、上部電極の
振動の振幅又は周波数（ｆ）の検出を介して気圧や歪み
を検出することができる。この場合にも、上部電極は貫
通孔を有するため、高い気圧中で振動素子の使用が可能
である。
周期で振動する電気的振動に従って機械的振動を起こさ
せることにより、振動する上部電極と下部電極間に流れ
る容量性の電流を測定することによっても、上部電極の
振動の振幅又は周波数（ｆ）の検出を介して気圧や歪み
を検出することができる。この場合にも、上部電極は貫
通孔を有するため、高い気圧中で振動素子の使用が可能
である。
【００２１】また、交流電圧の印加のみの場合、下部電
極と上部電極間の静電引力による上部電極の振動の周波
数は印加電圧の変動周期の２倍の周波数が主となるが、
直流電圧の重畳により印加電圧の変動周期に一致した周
波数で振動する周波数成分が主となる。従って、電極間
に流れる電流の周波数も印加電圧の変動周期と一致した
周波数が主となるため、電気振動と機械振動が同じ周波
数で発生する。これにより、直流重畳の無い場合に必要
な周波数変換回路が不要となり、簡単な電子回路で共振
状態にすることが可能である。
極と上部電極間の静電引力による上部電極の振動の周波
数は印加電圧の変動周期の２倍の周波数が主となるが、
直流電圧の重畳により印加電圧の変動周期に一致した周
波数で振動する周波数成分が主となる。従って、電極間
に流れる電流の周波数も印加電圧の変動周期と一致した
周波数が主となるため、電気振動と機械振動が同じ周波
数で発生する。これにより、直流重畳の無い場合に必要
な周波数変換回路が不要となり、簡単な電子回路で共振
状態にすることが可能である。
【００２２】 更に、本願に記載の振動素子の製造方法
においては、上部電極をパターニングする際に、上部電
極の貫通孔も同時に形成している。従って、上部電極に
貫通孔を設けるための特別な工程は必要としない。ま
た、上部電極下の犠牲膜をエッチング液などでエッチン
グする際に、エッチング液が貫通孔からも犠牲膜に作用
するので、エッチング処理時間を大幅に短縮することが
できる。
においては、上部電極をパターニングする際に、上部電
極の貫通孔も同時に形成している。従って、上部電極に
貫通孔を設けるための特別な工程は必要としない。ま
た、上部電極下の犠牲膜をエッチング液などでエッチン
グする際に、エッチング液が貫通孔からも犠牲膜に作用
するので、エッチング処理時間を大幅に短縮することが
できる。
【００２３】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。 （１）本発明の第１の実施例に係る振動素子を利用した
圧力検出装置に関する説明 図１は、本発明の第１の実施例に係る振動素子の構造を
示し、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の
Ｂ−Ｂ線で切断した断面図である。
て説明する。 （１）本発明の第１の実施例に係る振動素子を利用した
圧力検出装置に関する説明 図１は、本発明の第１の実施例に係る振動素子の構造を
示し、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の
Ｂ−Ｂ線で切断した断面図である。
【００２４】シリコンなどの半導体基板１上に、厚さ約
６００ｎｍの酸化シリコン層２ｂと、厚さ約１００ｎｍ
の窒化シリコン層２ａとからなる２層の絶縁膜２が形成
されている。絶縁膜２の表面には、約４００ｎｍの多結
晶シリコンからなる下部電極３が形成され、この下部電
極３の上方に下部電極３に対向して、幅（Ｗ），厚さ
（ｈ）の多結晶シリコンからなる上部電極４が設けられ
ている。
６００ｎｍの酸化シリコン層２ｂと、厚さ約１００ｎｍ
の窒化シリコン層２ａとからなる２層の絶縁膜２が形成
されている。絶縁膜２の表面には、約４００ｎｍの多結
晶シリコンからなる下部電極３が形成され、この下部電
極３の上方に下部電極３に対向して、幅（Ｗ），厚さ
（ｈ）の多結晶シリコンからなる上部電極４が設けられ
ている。
【００２５】上部電極４は、図１（ａ）に示したよう
に、幅（Ｗ）約１００μｍ、厚さ（ｈ）約１μｍのリボ
ン状を有し、弾性を有する。また、その長手方向の両端
部は絶縁膜２の表面に固定され、その中央部分は厚さ
（ｄ）の空隙５を介して下部電極３と対向している。そ
の中央部分は特定の振幅および周波数の固有振動を有す
る振動部４ａになる。
に、幅（Ｗ）約１００μｍ、厚さ（ｈ）約１μｍのリボ
ン状を有し、弾性を有する。また、その長手方向の両端
部は絶縁膜２の表面に固定され、その中央部分は厚さ
（ｄ）の空隙５を介して下部電極３と対向している。そ
の中央部分は特定の振幅および周波数の固有振動を有す
る振動部４ａになる。
【００２６】この振動部４ａには、直径ａの円形状の貫
通孔４ｂが上部電極４の長手方向に互いに間隔ｂだけ離
間して３個形成されている。なお、それぞれの貫通孔４
ｂの直径ａは、貫通孔を通流する気流があまり抵抗を受
けないように振動部４ａの厚さ（ｄ）の１／２より大き
いことが好ましい。上記で説明した振動素子が気体中に
置かれている場合、例えば、振動部４ａの固有振動に対
応する周波数の交流電圧を下部電極３と上部電極４に印
加すると、下部電極３と上部電極４間に生じる静電引力
による振動と、その静電引力の振動に応じた上部電極４
の弾性応力による振動との相互作用により、振動部４ａ
は共振状態となって特定の振幅と周波数で振動する。
通孔４ｂが上部電極４の長手方向に互いに間隔ｂだけ離
間して３個形成されている。なお、それぞれの貫通孔４
ｂの直径ａは、貫通孔を通流する気流があまり抵抗を受
けないように振動部４ａの厚さ（ｄ）の１／２より大き
いことが好ましい。上記で説明した振動素子が気体中に
置かれている場合、例えば、振動部４ａの固有振動に対
応する周波数の交流電圧を下部電極３と上部電極４に印
加すると、下部電極３と上部電極４間に生じる静電引力
による振動と、その静電引力の振動に応じた上部電極４
の弾性応力による振動との相互作用により、振動部４ａ
は共振状態となって特定の振幅と周波数で振動する。
【００２７】このとき、上部電極に振動により発生した
誘導成分の２π×周波数倍に比例して感度が向上する。
このとき、この振動部４ａの振動は、図１２に関連して
従来の技術の説明で述べたように、上部電極４と下部電
極３の間の空隙５にある気体の粘性の影響を受け、気体
の粘性率に応じて振動の振幅および周波数が決まる。こ
れは、空隙５にある気体が振動部４ａの振動によって振
動部４ａの横方向に移動し、その移動する気体の粘性抵
抗によって振動部４ａの振動が影響を受けるからであ
る。
誘導成分の２π×周波数倍に比例して感度が向上する。
このとき、この振動部４ａの振動は、図１２に関連して
従来の技術の説明で述べたように、上部電極４と下部電
極３の間の空隙５にある気体の粘性の影響を受け、気体
の粘性率に応じて振動の振幅および周波数が決まる。こ
れは、空隙５にある気体が振動部４ａの振動によって振
動部４ａの横方向に移動し、その移動する気体の粘性抵
抗によって振動部４ａの振動が影響を受けるからであ
る。
【００２８】しかし、図１に示した振動素子の振動部４
ａには貫通孔４ｂが設けられているため、空隙５にある
気体は振動部４ａの平面方向に移動するとともに、貫通
孔４ｂを介して空隙５から放出される。従って、空隙５
を横方向に流れて上部電極４の振動に影響を与える気体
の量が相対的に減少し、上部電極４の振動に対する気体
の粘性の影響が低下する。このため、振動部４ａの振動
が影響を受けるようになる最低の気圧は、振動部４ａに
貫通孔４ｂがない場合よりも高くなるとともに、上部電
極４による振動板としての動作は更に高い気圧において
も可能になる。しかも、貫通孔４ｂの大きさや数量を制
限することにより、単に上部電極４の幅を狭くした場合
と異なり、上部電極４の機械的な弾性や対向する電極面
積による電気的な容量をあまり低下させずに済む。従っ
て、振動の振幅や感度（共振時の増幅度或いは選択度Ｑ
に相当する。）の低下を防止することができる。
ａには貫通孔４ｂが設けられているため、空隙５にある
気体は振動部４ａの平面方向に移動するとともに、貫通
孔４ｂを介して空隙５から放出される。従って、空隙５
を横方向に流れて上部電極４の振動に影響を与える気体
の量が相対的に減少し、上部電極４の振動に対する気体
の粘性の影響が低下する。このため、振動部４ａの振動
が影響を受けるようになる最低の気圧は、振動部４ａに
貫通孔４ｂがない場合よりも高くなるとともに、上部電
極４による振動板としての動作は更に高い気圧において
も可能になる。しかも、貫通孔４ｂの大きさや数量を制
限することにより、単に上部電極４の幅を狭くした場合
と異なり、上部電極４の機械的な弾性や対向する電極面
積による電気的な容量をあまり低下させずに済む。従っ
て、振動の振幅や感度（共振時の増幅度或いは選択度Ｑ
に相当する。）の低下を防止することができる。
【００２９】図２（ａ）は、この振動部４ａの振幅と気
体の圧力との関係を表す特性図である。この特性図にお
いて、縦軸は振動部４ａの振幅、横軸は振動部４ａ周囲
の気体の圧力を示す。この特性図から明らかなように、
従来の振動素子の圧力と振幅の関係を示した図２（ｂ）
と比較すると、振動部４ａの振幅が減少し始める圧力は
高くなっており、それにともなって検出限界振幅Ａ０と
なる圧力および振動が停止する圧力も高くなっている。
具体的には、大気圧Ｐ０の前後で振幅が圧力に比例して
変化しており、この振動素子を用いて大気圧前後の気体
の圧力を測定することができる。
体の圧力との関係を表す特性図である。この特性図にお
いて、縦軸は振動部４ａの振幅、横軸は振動部４ａ周囲
の気体の圧力を示す。この特性図から明らかなように、
従来の振動素子の圧力と振幅の関係を示した図２（ｂ）
と比較すると、振動部４ａの振幅が減少し始める圧力は
高くなっており、それにともなって検出限界振幅Ａ０と
なる圧力および振動が停止する圧力も高くなっている。
具体的には、大気圧Ｐ０の前後で振幅が圧力に比例して
変化しており、この振動素子を用いて大気圧前後の気体
の圧力を測定することができる。
【００３０】本実施例に係る振動素子の振動部４ａの貫
通孔４ｂは、様々な平面形状が可能であり、その具体例
を図３に示す。図３に示すように、その平面形状は図３
（ａ）に示す円形と図３（ｂ）に示す正方形が基本とな
っているが、それらを組み合わせた図３（ｃ）〜（ｅ）
に示した形状でもよい。また貫通孔の大きさは、振動部
に設けられる貫通孔の数にもよるが、それぞれの図にお
いて直径ａで示した長さが、振動部の厚さの１／２より
も大きな値となるようにすることが好ましい。
通孔４ｂは、様々な平面形状が可能であり、その具体例
を図３に示す。図３に示すように、その平面形状は図３
（ａ）に示す円形と図３（ｂ）に示す正方形が基本とな
っているが、それらを組み合わせた図３（ｃ）〜（ｅ）
に示した形状でもよい。また貫通孔の大きさは、振動部
に設けられる貫通孔の数にもよるが、それぞれの図にお
いて直径ａで示した長さが、振動部の厚さの１／２より
も大きな値となるようにすることが好ましい。
【００３１】また、振動部の貫通孔の配置はさまざまな
配置が可能である。振動部に貫通孔が設けられると、そ
の貫通孔を介して空隙中の気体が通流するとともに、貫
通孔を開けた振動部の部分の弾性が低下するため、貫通
孔は一定の規則性をもって配置されることが好ましい。
たとえば、空隙を横方向に気流が移動する方向と一致す
る方向に沿って配置されることが好ましい。図４（ａ）
〜図４（ｄ）にそれぞれ示すように、格子状，千鳥状，
環状及び放射状が考えられる。
配置が可能である。振動部に貫通孔が設けられると、そ
の貫通孔を介して空隙中の気体が通流するとともに、貫
通孔を開けた振動部の部分の弾性が低下するため、貫通
孔は一定の規則性をもって配置されることが好ましい。
たとえば、空隙を横方向に気流が移動する方向と一致す
る方向に沿って配置されることが好ましい。図４（ａ）
〜図４（ｄ）にそれぞれ示すように、格子状，千鳥状，
環状及び放射状が考えられる。
【００３２】このように、規則性をもたせて配置するこ
とにより、振動部の周囲の気体の粘性による影響の減少
および弾性の低下を均一化することができる。また、振
動部における貫通孔の数が多すぎると、振動部の弾性が
小さくなりすぎて振動素子の特性が損なわれるので、貫
通孔の大きさと個数の積を、測定する気圧の範囲に応じ
た適切な値にすることが好ましい。
とにより、振動部の周囲の気体の粘性による影響の減少
および弾性の低下を均一化することができる。また、振
動部における貫通孔の数が多すぎると、振動部の弾性が
小さくなりすぎて振動素子の特性が損なわれるので、貫
通孔の大きさと個数の積を、測定する気圧の範囲に応じ
た適切な値にすることが好ましい。
【００３３】次に、以上説明した振動素子の製造方法に
ついて説明する。図５（ａ），（ｂ）、図６（ａ），
（ｂ）はそれぞれ振動素子の製造方法の各工程を示す。
図５（ａ）及び図６（ａ）は上面図、図５（ｂ）及び図
６（ｂ）はそれぞれ図５（ａ）のＣ−Ｃ線及び図６
（ａ）のＤ−Ｄ線で切断した断面図である。まず、図５
（ａ）に示すように、シリコンの基板１表面に約６００
ｎｍの酸化シリコン層２ａと約１００ｎｍの窒化シリコ
ン層２ｂとを順次形成して２層の絶縁膜２とする。窒化
シリコン層２ｂは、後の工程で行われるエッチングのマ
スクとしても作用する。
ついて説明する。図５（ａ），（ｂ）、図６（ａ），
（ｂ）はそれぞれ振動素子の製造方法の各工程を示す。
図５（ａ）及び図６（ａ）は上面図、図５（ｂ）及び図
６（ｂ）はそれぞれ図５（ａ）のＣ−Ｃ線及び図６
（ａ）のＤ−Ｄ線で切断した断面図である。まず、図５
（ａ）に示すように、シリコンの基板１表面に約６００
ｎｍの酸化シリコン層２ａと約１００ｎｍの窒化シリコ
ン層２ｂとを順次形成して２層の絶縁膜２とする。窒化
シリコン層２ｂは、後の工程で行われるエッチングのマ
スクとしても作用する。
【００３４】次いで、窒化シリコン層２ｂ上に膜厚約４
００ｎｍの多結晶シリコン膜を形成した後、パターニン
グする。これにより、下部電極３が形成される。次に、
下部電極３を覆う厚さ約１μｍのＰＳＧ膜を形成し、空
隙を形成するためのエッチッグの際の犠牲酸化膜６を形
成する。次いで、図６（ａ）に示すように、犠牲酸化膜
６上に厚さ約１μｍの多結晶シリコン膜を形成した後、
パターニングして上部電極４を形成する。この上部電極
４のパターニングの際に貫通孔４ａも同時にパターニン
グする。これにより、製造工程を複雑にすることなく、
貫通孔４ａを有する上部電極４を形成することができ
る。なお、この上部電極４の材料としては、多結晶シリ
コンの他、ポリサイド、タングステン等の高融点金属、
単結晶シリコン、銅などが好ましい。
００ｎｍの多結晶シリコン膜を形成した後、パターニン
グする。これにより、下部電極３が形成される。次に、
下部電極３を覆う厚さ約１μｍのＰＳＧ膜を形成し、空
隙を形成するためのエッチッグの際の犠牲酸化膜６を形
成する。次いで、図６（ａ）に示すように、犠牲酸化膜
６上に厚さ約１μｍの多結晶シリコン膜を形成した後、
パターニングして上部電極４を形成する。この上部電極
４のパターニングの際に貫通孔４ａも同時にパターニン
グする。これにより、製造工程を複雑にすることなく、
貫通孔４ａを有する上部電極４を形成することができ
る。なお、この上部電極４の材料としては、多結晶シリ
コンの他、ポリサイド、タングステン等の高融点金属、
単結晶シリコン、銅などが好ましい。
【００３５】上部電極４のパターニング後、フッ酸など
のエッチング液により、犠牲酸化膜６をサイドエッチし
て除去する。このとき、エッチング液が貫通孔４ａから
も犠牲酸化膜６に作用するので、犠牲酸化膜６を除去す
るエッチング時間を大幅に短縮することができる。こう
して犠牲酸化膜６が除去されると、上部電極４は下部電
極３と離間した状態で配設され、図１に示したような振
動素子を形成することができる。
のエッチング液により、犠牲酸化膜６をサイドエッチし
て除去する。このとき、エッチング液が貫通孔４ａから
も犠牲酸化膜６に作用するので、犠牲酸化膜６を除去す
るエッチング時間を大幅に短縮することができる。こう
して犠牲酸化膜６が除去されると、上部電極４は下部電
極３と離間した状態で配設され、図１に示したような振
動素子を形成することができる。
【００３６】次に、本発明の振動素子を利用して気圧を
測定するための電子回路について説明する。図７〜図９
はそれぞれ振動素子を駆動し信号を検出するための異な
る回路構成を示す。図７（ａ），図８（ａ），図９
（ａ）は振動素子に接続された電子回路の概略的な構成
を示すブロック図、図７（ｂ），図８（ｂ），図９
（ｂ）はその電子回路の具体的な回路例である。
測定するための電子回路について説明する。図７〜図９
はそれぞれ振動素子を駆動し信号を検出するための異な
る回路構成を示す。図７（ａ），図８（ａ），図９
（ａ）は振動素子に接続された電子回路の概略的な構成
を示すブロック図、図７（ｂ），図８（ｂ），図９
（ｂ）はその電子回路の具体的な回路例である。
【００３７】まず、図７（ａ），（ｂ）は、誘導型発振
回路を示す。この場合には、図７（ａ）に示すように、
振動素子の下部電極と上部電極の間に誘導型発振回路が
接続されている。これは水晶発振回路に利用されるもの
と同様のものであり、振動素子の上部電極と下部電極に
電圧を印加して上部電極を共振状態にし、上部電極の機
械的な振動を電気的な振動に関係するインダクタンスと
して検出するものである。図７（ｂ）の回路例におい
て、ＩＮＶ１、ＩＮＶ２はインバータを表し、ＴＦＧは
トランスファーゲートによるスイッチ素子を表す。
回路を示す。この場合には、図７（ａ）に示すように、
振動素子の下部電極と上部電極の間に誘導型発振回路が
接続されている。これは水晶発振回路に利用されるもの
と同様のものであり、振動素子の上部電極と下部電極に
電圧を印加して上部電極を共振状態にし、上部電極の機
械的な振動を電気的な振動に関係するインダクタンスと
して検出するものである。図７（ｂ）の回路例におい
て、ＩＮＶ１、ＩＮＶ２はインバータを表し、ＴＦＧは
トランスファーゲートによるスイッチ素子を表す。
【００３８】図８（ａ），（ｂ）は、ループ型発振回路
を示す。図８（ａ）に示すように、発振素子の下部電極
を２つ設け、それぞれを利用して上部電極を振動させる
ための駆動回路と上部電極の振動の状態を検出するため
の検出回路を接続している。このループ型発振回路は、
上部電極が振動する際に上部電極と下部電極との間の静
電容量が変動する性質を利用したものであり、上部電極
を共振状態にし、両電極間に流れる電流を検出すること
により両電極間の間隔を求め、上部電極の振幅を導出す
る。具体的には、Ｉ−Ｖ変換回路による検出回路と検出
回路の出力を増幅・位相調整する電圧増幅回路による駆
動回路から構成される。図８（ｂ）の回路例において、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒｆ１およびＲｆ２は抵抗を
表し、Ｃ１とＣ２はコンデンサを表し、ＯＰ１とＯＰ２
はオペアンプを表す。
を示す。図８（ａ）に示すように、発振素子の下部電極
を２つ設け、それぞれを利用して上部電極を振動させる
ための駆動回路と上部電極の振動の状態を検出するため
の検出回路を接続している。このループ型発振回路は、
上部電極が振動する際に上部電極と下部電極との間の静
電容量が変動する性質を利用したものであり、上部電極
を共振状態にし、両電極間に流れる電流を検出すること
により両電極間の間隔を求め、上部電極の振幅を導出す
る。具体的には、Ｉ−Ｖ変換回路による検出回路と検出
回路の出力を増幅・位相調整する電圧増幅回路による駆
動回路から構成される。図８（ｂ）の回路例において、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒｆ１およびＲｆ２は抵抗を
表し、Ｃ１とＣ２はコンデンサを表し、ＯＰ１とＯＰ２
はオペアンプを表す。
【００３９】図９（ａ），（ｂ）は、振幅検出回路を示
す。図８（ａ）に示した例と同様に、発振回路の下部電
極を２つ設け、それぞれを利用して、上部電極を振動さ
せるための駆動回路と上部電極の振動振幅を検出するた
めの検出回路をそれぞれ独立して接続している。この振
幅検出回路は、駆動回路で一定周波数の交流電圧を発生
して下部電極および上部電極に印加し、上部電極を固有
振動とは無関係に一定周波数で振動させる。そして、検
出回路内のＩ−Ｖ変換回路によって下部電極と上部電極
間に流れる電流値を求め、上部電極の振動振幅を導出す
る。図９（ｂ）の回路例において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、
Ｒ４、Ｒｉ、Ｒｆ１およびＲｆ２は抵抗を表し、Ｃ１と
Ｃ２はコンデンサを表し、ＯＰ１、ＯＰ２およびＯＰ３
はオペアンプを表す。
す。図８（ａ）に示した例と同様に、発振回路の下部電
極を２つ設け、それぞれを利用して、上部電極を振動さ
せるための駆動回路と上部電極の振動振幅を検出するた
めの検出回路をそれぞれ独立して接続している。この振
幅検出回路は、駆動回路で一定周波数の交流電圧を発生
して下部電極および上部電極に印加し、上部電極を固有
振動とは無関係に一定周波数で振動させる。そして、検
出回路内のＩ−Ｖ変換回路によって下部電極と上部電極
間に流れる電流値を求め、上部電極の振動振幅を導出す
る。図９（ｂ）の回路例において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、
Ｒ４、Ｒｉ、Ｒｆ１およびＲｆ２は抵抗を表し、Ｃ１と
Ｃ２はコンデンサを表し、ＯＰ１、ＯＰ２およびＯＰ３
はオペアンプを表す。
【００４０】このように、図７〜図９に示した構成の電
子回路によって、振動素子の上部電極を振動させてその
振幅を検出することができ、その振幅のデータから上部
電極周囲の気体の粘性率を求め、気体の圧力を測定する
ことができる。また、上記の図７〜図９のそれぞれの電
子回路において、上部電極を振動させるために下部電極
と上部電極に印加する正弦波電圧に、一定の直流電圧を
重畳することが好ましい。これは、下部電極と上部電極
に周波数ｆの正弦波電圧を印加した場合、静電引力によ
る上部電極の振動周波数は印加した電圧周波数の２倍の
周波数（２ｆ）成分が主となるが、直流電圧の重畳によ
り電圧周波数で振動する周波数（ｆ）成分が主となり、
従って、電極間に流れる電流の周波数も印加電圧の変動
周期と一致した周波数が主となるため、直流重畳の無い
場合に必要な周波数変換回路が不要となり、簡単な電子
回路で共振状態にすることが可能になるからである。
子回路によって、振動素子の上部電極を振動させてその
振幅を検出することができ、その振幅のデータから上部
電極周囲の気体の粘性率を求め、気体の圧力を測定する
ことができる。また、上記の図７〜図９のそれぞれの電
子回路において、上部電極を振動させるために下部電極
と上部電極に印加する正弦波電圧に、一定の直流電圧を
重畳することが好ましい。これは、下部電極と上部電極
に周波数ｆの正弦波電圧を印加した場合、静電引力によ
る上部電極の振動周波数は印加した電圧周波数の２倍の
周波数（２ｆ）成分が主となるが、直流電圧の重畳によ
り電圧周波数で振動する周波数（ｆ）成分が主となり、
従って、電極間に流れる電流の周波数も印加電圧の変動
周期と一致した周波数が主となるため、直流重畳の無い
場合に必要な周波数変換回路が不要となり、簡単な電子
回路で共振状態にすることが可能になるからである。
【００４１】図１０は、以上説明した振動素子を利用し
た圧力検出装置の全体の構成を概略的に表した断面図で
ある。基板１に積層された絶縁膜２上に、下部電極３と
この下部電極３上に空隙５を介して対向する上部電極４
が形成されている。上部電極４は貫通孔４ａを有する。
これらが振動素子部を構成する。
た圧力検出装置の全体の構成を概略的に表した断面図で
ある。基板１に積層された絶縁膜２上に、下部電極３と
この下部電極３上に空隙５を介して対向する上部電極４
が形成されている。上部電極４は貫通孔４ａを有する。
これらが振動素子部を構成する。
【００４２】この振動素子部に、図７ないし図９と関連
して説明した駆動回路と検出回路からなる電子回路部７
が一体的に構成されている。実際にはこの電子回路７
は、振動素子のシリコン基板１（図１）にじかに形成す
ることもできるし、振動素子とは別に設けてもよい。こ
の振動素子部分と電子回路部７は容器８に収容されてお
り、容器８には容器８内部の気体の圧力を調整するため
の排気口／ガス導入口９と、電子回路部７に電源を接続
し、または検出した信号を取り出すための端子１０が設
けられている。
して説明した駆動回路と検出回路からなる電子回路部７
が一体的に構成されている。実際にはこの電子回路７
は、振動素子のシリコン基板１（図１）にじかに形成す
ることもできるし、振動素子とは別に設けてもよい。こ
の振動素子部分と電子回路部７は容器８に収容されてお
り、容器８には容器８内部の気体の圧力を調整するため
の排気口／ガス導入口９と、電子回路部７に電源を接続
し、または検出した信号を取り出すための端子１０が設
けられている。
【００４３】したがって、マイクロマシン技術によって
振動素子部と電子回路部７とを一体的に構成して小型化
された圧力検出装置において、上部電極４に設けられた
貫通孔４ａにより、検出すべき気体の圧力の範囲を調整
することができるので、大気圧など高くかつ広範囲の気
圧を検出することができる。 （２）本発明の第２の実施例に係る振動素子を利用した
歪検出装置の説明 本発明の振動素子を利用して、物体の歪を検出するため
の歪検出装置を構成することもできる。
振動素子部と電子回路部７とを一体的に構成して小型化
された圧力検出装置において、上部電極４に設けられた
貫通孔４ａにより、検出すべき気体の圧力の範囲を調整
することができるので、大気圧など高くかつ広範囲の気
圧を検出することができる。 （２）本発明の第２の実施例に係る振動素子を利用した
歪検出装置の説明 本発明の振動素子を利用して、物体の歪を検出するため
の歪検出装置を構成することもできる。
【００４４】図１１は、そのような歪検出装置の構成を
概略的に示す断面図である。用いられる振動素子の基本
的な構成は、第１の実施例の圧力検出装置で使用した振
動素子の構成と同じである。即ち、基板表面に絶縁層１
２が形成され、その絶縁層１２上に下部電極３が形成さ
れ、かつその下部電極３と空隙５を介して対向する上部
電極４が形成されている。上部電極４は貫通孔４ａを有
する本実施例が第１の実施例と異なる点は、絶縁膜１２
を形成した３００μｍ程度の厚さのシリコンなどの基板
１１の中央に、空洞部１１ａが設けられており、この基
板１１が空洞部１１ａの両側の部分によって、歪を測定
する鉄などの被測定体１３に固定されている点である。
概略的に示す断面図である。用いられる振動素子の基本
的な構成は、第１の実施例の圧力検出装置で使用した振
動素子の構成と同じである。即ち、基板表面に絶縁層１
２が形成され、その絶縁層１２上に下部電極３が形成さ
れ、かつその下部電極３と空隙５を介して対向する上部
電極４が形成されている。上部電極４は貫通孔４ａを有
する本実施例が第１の実施例と異なる点は、絶縁膜１２
を形成した３００μｍ程度の厚さのシリコンなどの基板
１１の中央に、空洞部１１ａが設けられており、この基
板１１が空洞部１１ａの両側の部分によって、歪を測定
する鉄などの被測定体１３に固定されている点である。
【００４５】このような構成により、被測定体１３が例
えば矢印Ｅ、Ｆの方向に伸びて膨脹するような歪が生じ
た場合は、被測定体１３の伸びによって基板１１の空洞
部１１ａの両側の部分が矢印Ｅ、Ｆと同じ両方向に引っ
張られる。このとき、空洞部１１ａの上の基板１１部分
は薄く形成されているので、基板１１の空洞部１１ａの
両側は両方向に容易に拡げられ、基板１１に絶縁膜１２
を介して固定された上部電極４の支持部も矢印Ｅ、Ｆと
同じ両方向に拡げられる。上部電極４の支持部が両方向
に拡げられると、上部電極４の振動部４ｂの張力が大き
くなって、振動部４ｂの振動の振幅および周波数が変化
する。したがって、被測定部材１３の歪と対応して変化
する上部電極４の振動部４ａ振動の振幅または周波数を
検出することにより、被測定体１３の歪を求めることが
できる。
えば矢印Ｅ、Ｆの方向に伸びて膨脹するような歪が生じ
た場合は、被測定体１３の伸びによって基板１１の空洞
部１１ａの両側の部分が矢印Ｅ、Ｆと同じ両方向に引っ
張られる。このとき、空洞部１１ａの上の基板１１部分
は薄く形成されているので、基板１１の空洞部１１ａの
両側は両方向に容易に拡げられ、基板１１に絶縁膜１２
を介して固定された上部電極４の支持部も矢印Ｅ、Ｆと
同じ両方向に拡げられる。上部電極４の支持部が両方向
に拡げられると、上部電極４の振動部４ｂの張力が大き
くなって、振動部４ｂの振動の振幅および周波数が変化
する。したがって、被測定部材１３の歪と対応して変化
する上部電極４の振動部４ａ振動の振幅または周波数を
検出することにより、被測定体１３の歪を求めることが
できる。
【００４６】なお、上記の実施例では、被測定体１３の
張力による歪みを求めているが、圧縮応力やねじれによ
る歪みについても上記と同様にして求めることが出来
る。以上のように、従来の構造を有する振動素子を利用
した歪検出装置では、振動素子は減圧状態に維持しなけ
ればならなかったが、本発明の振動素子においては大気
圧雰囲気でも使用することができるので、雰囲気を減圧
するために密閉容器に入れる必要はなく、歪検出装置を
大幅に小型化することができる。
張力による歪みを求めているが、圧縮応力やねじれによ
る歪みについても上記と同様にして求めることが出来
る。以上のように、従来の構造を有する振動素子を利用
した歪検出装置では、振動素子は減圧状態に維持しなけ
ればならなかったが、本発明の振動素子においては大気
圧雰囲気でも使用することができるので、雰囲気を減圧
するために密閉容器に入れる必要はなく、歪検出装置を
大幅に小型化することができる。
【００４７】
【発明の効果】以上のように、本発明の振動素子によれ
ば、基板表面の下部電極と空隙を介して対向する上部電
極が形成され、かつ上部電極は貫通孔を有する。また、
上部電極を振動させる駆動手段と、上部電極の振動の振
幅あるいは周波数を検出する検出手段を設けている。
ば、基板表面の下部電極と空隙を介して対向する上部電
極が形成され、かつ上部電極は貫通孔を有する。また、
上部電極を振動させる駆動手段と、上部電極の振動の振
幅あるいは周波数を検出する検出手段を設けている。
【００４８】したがって、駆動手段により上部電極が振
動すると、上部電極には貫通孔が形成されているため、
空隙にある気体の一部は貫通孔から上部電極の上方に移
動する。このため、気体の粘性の影響が低下し、より高
い気圧においても上部電極による振動板としての動作が
可能になる。しかも、貫通孔の大きさや数量を制限する
ことにより、単に上部電極の幅を狭くした場合と異な
り、上部電極の機械的な弾性や対向する電極面積による
電気的な容量をあまり低下させずに済む。これにより、
振動の振幅や感度の低下を防止することができる。
動すると、上部電極には貫通孔が形成されているため、
空隙にある気体の一部は貫通孔から上部電極の上方に移
動する。このため、気体の粘性の影響が低下し、より高
い気圧においても上部電極による振動板としての動作が
可能になる。しかも、貫通孔の大きさや数量を制限する
ことにより、単に上部電極の幅を狭くした場合と異な
り、上部電極の機械的な弾性や対向する電極面積による
電気的な容量をあまり低下させずに済む。これにより、
振動の振幅や感度の低下を防止することができる。
【００４９】従って、このような振動素子を気圧の検出
に応用することによって、従来の振動素子を利用したも
のよりも高い気圧を検出することが可能になる。また、
このような振動素子を基板の歪の検出に応用すると、大
気圧中でも振動素子が作動するようになるので、減圧容
器に封入することなく歪検出装置を動作させることがで
きる。
に応用することによって、従来の振動素子を利用したも
のよりも高い気圧を検出することが可能になる。また、
このような振動素子を基板の歪の検出に応用すると、大
気圧中でも振動素子が作動するようになるので、減圧容
器に封入することなく歪検出装置を動作させることがで
きる。
【００５０】更に、本発明の振動素子の使用方法によれ
ば、上部電極の機械的振動と電気的振動を共振状態にし
て上部電極の振動の振幅又は周波数（ｆ）を検出してい
るため、感度が高い。また、共振状態にしなくても、上
部電極の振動の振幅又は周波数（ｆ）の検出を介して気
圧や歪みを検出することができる。この場合にも、上部
電極は貫通孔を有するため、高い気圧中で振動素子の使
用が可能である。
ば、上部電極の機械的振動と電気的振動を共振状態にし
て上部電極の振動の振幅又は周波数（ｆ）を検出してい
るため、感度が高い。また、共振状態にしなくても、上
部電極の振動の振幅又は周波数（ｆ）の検出を介して気
圧や歪みを検出することができる。この場合にも、上部
電極は貫通孔を有するため、高い気圧中で振動素子の使
用が可能である。
【００５１】 更に、上部電極の静電引力による振動周
波数は、直流電圧の重畳により印加電圧の変動周期と一
致した周波数成分が主となる。これにより、直流重畳の
無い場合に必要な周波数変換回路が不要となり、簡単な
電子回路で共振状態にすることが可能になる。また、本
願に記載の振動素子の製造方法によれば、上部電極をパ
ターニングする際に上部電極の貫通孔も同時に形成して
いるので、貫通孔の形成のための特別な工程を必要とし
ない。
波数は、直流電圧の重畳により印加電圧の変動周期と一
致した周波数成分が主となる。これにより、直流重畳の
無い場合に必要な周波数変換回路が不要となり、簡単な
電子回路で共振状態にすることが可能になる。また、本
願に記載の振動素子の製造方法によれば、上部電極をパ
ターニングする際に上部電極の貫通孔も同時に形成して
いるので、貫通孔の形成のための特別な工程を必要とし
ない。
【００５２】更に、犠牲膜をエッチングする際に、エッ
チング液が貫通孔からも犠牲膜に作用するので、エッチ
ング処理時間を大幅に短縮することができる。
チング液が貫通孔からも犠牲膜に作用するので、エッチ
ング処理時間を大幅に短縮することができる。
【図１】本発明の第１の実施例に係る振動素子の構造を
示す平面図及び断面図である。
示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る振動素子の振動部
の振幅と振動部周囲の気圧との関係を示す特性図であ
る。
の振幅と振動部周囲の気圧との関係を示す特性図であ
る。
【図３】本発明の実施例に係る振動素子の上部電極に設
けられる貫通孔の平面形状を示す平面図である。
けられる貫通孔の平面形状を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例に係る振動素子の上部電極に設
けられる貫通孔の配置を示す平面図である。
けられる貫通孔の配置を示す平面図である。
【図５】本発明の実施例に係る振動素子の製造方法の一
工程を示す平面図及び断面図（その１）である。
工程を示す平面図及び断面図（その１）である。
【図６】本発明の実施例に係る振動素子の製造方法の一
工程を示す平面図及び断面図（その２）である。
工程を示す平面図及び断面図（その２）である。
【図７】本発明の実施例に係る振動素子を動作させるた
めの振動素子の各電極との接続関係を示すブロック図及
び接続配線図である。
めの振動素子の各電極との接続関係を示すブロック図及
び接続配線図である。
【図８】本発明の実施例に係る振動素子を動作させるた
めの振動素子の各電極との接続関係を示すブロック図及
び接続配線図である。
めの振動素子の各電極との接続関係を示すブロック図及
び接続配線図である。
【図９】本発明の実施例に係る振動素子を動作させるた
めの振動素子の各電極との接続関係を示すブロック図及
び接続配線図である。
めの振動素子の各電極との接続関係を示すブロック図及
び接続配線図である。
【図１０】本発明の第１の実施例に係る振動素子を利用
した圧力検出装置の概略的な構造を示す断面図である。
した圧力検出装置の概略的な構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係る振動素子を利用
した圧力検出装置の概略的な構造を示す断面図である。
した圧力検出装置の概略的な構造を示す断面図である。
【図１２】従来例に係る振動素子の構造を示す平面図及
び断面図である。
び断面図である。
１、１１、２１ 基板、
２、１２、２２ 絶縁膜、
２ａ 窒化シリコン層、
２ｂ 酸化シリコン層、
３、２３ 下部電極、
４、２４ 上部電極、
４ａ、２４ａ 振動部、
５、２５ 空隙、
６ 犠牲酸化膜、
７ 電子回路部、
８ 容器、
９ 排気口／ガス導入口、
１０ 端子、
１１ａ 空洞部、
１３ 被測定体。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01L 1/10
G01L 1/22
G01L 9/00
Claims (13)
- 【請求項１】 基板と、 前記基板上に形成された下部電極と、 前記下部電極上に空隙を介して対向し、両端部が前記基
板に固定された上部電極と、 前記上部電極を振動させる駆動手段と、 前記上部電極の振動の振幅または周波数を検出する検出
手段とを有し、 前記上部電極の振動部分に貫通孔が設けられていること
を特徴とする振動素子。 - 【請求項２】 前記貫通孔の平面形状は、円形、楕円
形、方形又はこれらの組み合わせであることを特徴とす
る請求項１に記載の振動素子。 - 【請求項３】 前記上部電極における前記貫通孔の配置
は、千鳥状、格子状、環状又は放射状であることを特徴
とする請求項１に記載の振動素子。 - 【請求項４】 前記上部電極の材料は、多結晶シリコ
ン、単結晶シリコン、ポリサイド、高融点金属又は銅で
あることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。 - 【請求項５】 前記駆動手段と前記検出手段により誘導
型発振回路が構成されることを特徴とする請求項１に記
載の振動素子。 - 【請求項６】 前記下部電極は、前記駆動手段に接続さ
れた駆動電極と、前記検出手段に接続された検出電極と
に分離していることを特徴とする請求項１に記載の振動
素子。 - 【請求項７】 前記駆動手段は前記下部電極と前記上部
電極間に一定の周期で変動する電圧を印加する手段であ
り、前記検出手段は前記下部電極と前記上部電極間に直
流電圧を印加して前記振動による電流を検出する手段で
あることを特徴とする請求項６に記載の振動素子。 - 【請求項８】 請求項５記載の誘導型発振回路により前
記上部電極の機械的振動と電気的振動を共振状態にして
前記上部電極の振動の振幅又は周波数を検出することを
特徴とする振動素子の使用方法。 - 【請求項９】 前記請求項７に記載の振動素子を用い、
前記検出手段により前記検出電極に流れる電流値の変動
を検出し、前記駆動手段により前記検出手段が検出した
電流値の変動の周期に対応して変動する電圧を前記駆動
電極に印加して前記上部電極の機械的振動と電気的振動
を共振状態にし、前記上部電極の振動の振幅又は周波数
を検出することを特徴とする振動素子の使用方法。 - 【請求項１０】 前記請求項７に記載の振動素子を用
い、前記駆動手段により一定の周期で変動する電圧を前
記駆動電極に印加し、前記検出手段により前記検出電極
に流れる電流値の変動を検出して、前記上部電極の振動
の振幅又は周波数を検出することを特徴とする振動素子
の使用方法。 - 【請求項１１】 前記駆動手段により前記一定の周期で
変動する電圧に直流電圧を重畳することを特徴とする請
求項８，請求項９又は請求項１０のいずれかに記載の振
動素子の使用方法。 - 【請求項１２】 前記請求項１に記載の振動素子を用
い、前記検出手段が検出した前記上部電極の振動の振幅
又は周波数から前記上部電極の周囲の気体の粘性率を導
出し、前記粘性率に基づいて前記上部電極の周囲の気体
の圧力を求めることを特徴とする圧力検出方法。 - 【請求項１３】 前記請求項１に記載の振動素子を用
い、前記検出手段が検出した前記上部電極の振動の振幅
または周波数から前記上部電極の応力を導出し、前記応
力から前記基板或いは前記基板が設置された被測定体の
歪みを求めることを特徴とする歪み検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12884694A JP3501845B2 (ja) | 1994-06-10 | 1994-06-10 | 振動素子及び振動素子の使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12884694A JP3501845B2 (ja) | 1994-06-10 | 1994-06-10 | 振動素子及び振動素子の使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07333077A JPH07333077A (ja) | 1995-12-22 |
| JP3501845B2 true JP3501845B2 (ja) | 2004-03-02 |
Family
ID=14994833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12884694A Expired - Fee Related JP3501845B2 (ja) | 1994-06-10 | 1994-06-10 | 振動素子及び振動素子の使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| EP1294493A2 (en) * | 2000-06-15 | 2003-03-26 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Capacitive micromachined ultrasonic transducers. |
| JP4075503B2 (ja) * | 2002-07-30 | 2008-04-16 | ソニー株式会社 | マイクロマシンおよびその製造方法 |
| JP4007115B2 (ja) * | 2002-08-09 | 2007-11-14 | ソニー株式会社 | マイクロマシンおよびその製造方法 |
| DE60313327T2 (de) * | 2003-11-07 | 2007-12-27 | Varian S.P.A., Leini | Druckaufnehmer |
| JP4605470B2 (ja) * | 2006-03-31 | 2011-01-05 | ヤマハ株式会社 | コンデンサマイクロホン |
| JP2007228345A (ja) * | 2006-02-24 | 2007-09-06 | Yamaha Corp | コンデンサマイクロホン |
| JP5105985B2 (ja) * | 2007-07-26 | 2012-12-26 | 株式会社東芝 | 電気部品 |
| JP5487672B2 (ja) * | 2009-03-27 | 2014-05-07 | パナソニック株式会社 | 物理量センサ |
| WO2013132842A1 (ja) * | 2012-03-07 | 2013-09-12 | パナソニック株式会社 | 荷重センサ |
| CN112665715B (zh) * | 2021-01-15 | 2022-12-13 | 成都航空职业技术学院 | 一种航空发动机的振动故障检测系统及方法 |
-
1994
- 1994-06-10 JP JP12884694A patent/JP3501845B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07333077A (ja) | 1995-12-22 |
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