JP5118785B2 - Mems圧力センサ - Google Patents
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Description
図7(a)は、特許文献1に記載の圧力センサの断面図である。シリコン基板上に薄膜プロセスにより振動子3、犠牲層10、シェル4、を構成し、犠牲層をエッチングにより除去した後にシェルに設けられていたエッチング液導入穴をふさいで振動子のまわりに真空室を形成する。後に、基板裏面をエッチングにより薄肉化しダイアフラムを形成する。
基板と、
機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子と、
前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも1つの電極と、
前記少なくとも1つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構と
を有するMEMS共振器と、
前記振動子および前記少なくとも1つの電極のうち、一つを入力電極とし、別の一つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路と
を含み、
前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、前記圧力を検出する
MEMS圧力センサである。
共振器の性能指標としてQ値がある。これは共振の尖鋭度を示しており、Q値が高いほど、共振における振動エネルギの損失が小さいことを示している。Q値が高い共振器を用いて発振させると、図8(a)のように発振スペクトラムも急峻なものになる。急峻ということは、発振の中心周波数に対して、近傍の周波数のノイズ成分が少ないということを意味する。したがって、Q値が高い共振器を圧力センサとして用いた場合、圧力が変化して発振周波数が変化したときの周波数変化の分解能が高くなる。図8(a)の隣り合うスペクトルの周波数変化が電気回路で分解できる下限とした場合、図(b)のようなQ値の低い共振器を用いた発振で同じ圧力変化を分解しようとしても、S/Nが悪くなり分解不能となる。以上が、Q値が高い共振器が望まれる理由である。
基板と、
機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子と、
前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも1つの電極と、
前記少なくとも1つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構と
を有するMEMS共振器と、
前記振動子および前記少なくとも1つの電極のうち、一つを入力電極とし、別の一つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路と
を含み、
前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、前記圧力を検出する
MEMS圧力センサである。
前記MEMS共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムが、前記圧力伝達機構を構成し、
前記少なくとも1つの電極が、前記ダイアフラムの少なくとも一部を形成している、
ように構成される。この構成によれば、構成が簡素であり、製造工程も簡素化可能なMEMS圧力センサを実現できる。
あるいは、前記MEMS圧力センサは、例えば、
前記MEMS共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムおよび前記ダイアフラムを前記少なくとも1つの電極に接続する少なくとも1つの結合部材が、前記圧力伝達機構を構成している、
ように構成される。この構成によれば、基板の表面に対して垂直な方向に振動する振動モードだけでなく、基板の表面に対して平行に振動する振動モード、またはねじり振動モードなどの高いQ値を有する振動モードで振動する振動子に対応したMEMS圧力センサを実現できる。
前記MEMS共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムと前記基板との間に、前記振動子および前記少なくとも1つの電極が配置され、
前記基板と前記ダイアフラムとの間に、前記少なくとも1つの電極によって隔てられる第1のキャビティおよび第2のキャビティが形成されており、
前記第1のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも1つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子側に位置し、
前記第2のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも1つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子とは反対側に位置し、
前記第1のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Aの内側表面が、前記第2のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Bの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において外側に位置し、
前記ダイアフラム、前記隔壁層Aおよび前記隔壁層Bが、前記圧力伝達機構を構成している、
ように構成することによって実現される。この構成によれば、構成が簡素であり、かつ製造工程も簡素化可能なMEMS圧力センサを実現できる。
前記振動子が、前記振動子の振動する部分が、前記振動子の固定される部分の間で、基板表面と平行に延びる梁である、梁構造体であり、
前記梁は、
底辺が基板表面と平行である三角形または台形である断面を有し、
前記梁の長手軸を中心としたねじり共振モードで機械的振動を行う
ものであってよい。この構成によれば、高いQ値で圧力を高分解能で検出するMEMS圧力センサを実現できる。
前記フィードバック回路の一部の信号が、周波数−電圧変換回路に送られるようになっており、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記振動子を所定の振動モードで発振させて、振動子の発振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じてギャップが変化したときに、前記振動子の共振周波数が変化することに起因する発振周波数の変化を、前記周波数−電圧変換回路により電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力するものであってよい。この検出回路によれば、圧力による共振周波数の変化を電気信号として出力できる。
前記入力電極に一定周波数の交流信号を入力し、前記出力電極から出力される交流信号の電圧変化を監視する回路であって、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記入力電極に一定信号の交流信号を入力したときの、前記振動子の共振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じて、ギャップが変化したときに生じる前記振動子の共振周波数の変化を、周波数−電圧変換回路により交流信号の電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力するものであってよい。この構成によれば、圧力による共振周波数の変化を電気信号として出力できる。
図1は本発明の実施の形態1のMEMS圧力センサの構成を説明する断面図であり、MEMS共振器の振動子と振動子に近接して配置された電極との間に直流電位差が加えられている状態を示している。図1(a)は横断面図(振動子の梁が延びる方向と垂直な方向に沿って切断した断面図)、図1(b)は殻構造を除いた状態の基板112上に形成された振動子102を示す上面図である。
図4は本発明の第2の実施の形態のMEMS圧力センサの構成を説明する図であり、MEMS共振器の振動子と振動子に近接して配置された電極との間に直流電位差が加えられている状態を示している。図4(a)は横断面図(振動子の梁の長さ方向に垂直な方向で切断した断面図)、図4(b)は梁型振動子の長さ方向に沿って切断した断面図、図4(c)はダイアフラムを除いた状態の基板上に形成された振動子と隔壁層を示す上面図である。図4において、図1〜3で使用した符号と同じ符号で示した部分または部材は、図1〜3で説明した、それらの符号を付した部分または部材と同じであり、ここではその説明を省略することがある。
以上、本実施の形態により、高いQ値を有するねじり振動モード共振器を利用して圧力を高分解に検出することができる。
ねじり振動モードを利用するMEMS圧力センサにおいて、より広範囲の圧力を検出することは、実施の形態2のMEMS圧力センサから伝達機構のピラーを除くことによって実現できる。その場合には、下側隔壁層の内側表面を、上側隔壁層の内側表面よりも外側に配置することにより、ダイアフラムに印加された圧力を電極に伝達して、ギャップを変化させる機構、即ち、圧力伝達機構が得られる。
102、142 振動子
104 支持仲介層
106、146、166 殻構造
107、147、167 隔壁層
108、145 ダイアフラム
109、149 ギャップ
110、150 閉空間
112 基板
114 DC電源
148、168 電極
148’、168’ ダミー電極
152 結合部材(ピラー)
154 ビア
204 アンプ
206 位相調整器
208 周波数−電圧変換器
210 モニタ信号源
Claims (9)
- 基板と、
機械的振動を行う振動部分と、固定される部分とを有する振動子と、
前記振動子に近接して位置し、前記振動子と前記基板表面に垂直な方向においてギャップを隔てて互いに重なる領域を有する少なくとも1つの電極と、
前記少なくとも1つの電極を、外部から加えられる圧力に応じて変位させて、前記ギャップを変化させる、圧力伝達機構と
を有するMEMS共振器と、
前記振動子および前記少なくとも1つの電極のうち、1つを入力電極とし、別の1つを出力電極としたときに、前記入力電極から前記出力電極に至る交流信号の伝達特性を検出する検出回路と
を含み、
前記検出回路が検出する交流信号の伝達特性に基づいて、前記圧力を検出する
MEMS圧力センサ。 - 前記MEMS共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムが、前記圧力伝達機構を構成し、
前記少なくとも1つの電極が、前記ダイアフラムの少なくとも一部を形成している、
請求項1に記載のMEMS圧力センサ。 - 前記MEMS共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムおよび前記ダイアフラムを前記少なくとも1つの電極に接続する少なくとも1つの結合部材が、前記圧力伝達機構を構成している、
請求項1に記載のMEMS圧力センサ。 - 前記MEMS共振器が、外部から加えられる圧力により変位するダイアフラムを有し、
前記ダイアフラムと前記基板との間に、前記振動子および前記少なくとも1つの電極が配置され、
前記基板と前記ダイアフラムとの間に、前記少なくとも1つの電極によって隔てられる第1のキャビティおよび第2のキャビティが形成されており、
前記第1のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも1つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子側に位置し、
前記第2のキャビティは、前記振動子と前記少なくとも1つの電極が重なる領域にある前記電極から見て、前記基板表面に垂直な方向において前記振動子とは反対側に位置し、
前記第1のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Aの内側表面が、前記第2のキャビティを形成し、前記電極と接する隔壁層Bの内側表面よりも、前記基板表面と平行な方向において外側に位置し、
前記ダイアフラム、前記隔壁層Aおよび前記隔壁層Bが、前記圧力伝達機構を構成している、
請求項1に記載のMEMS圧力センサ。 - 前記振動子の固定される部分が、前記基板に固定されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載のMEMS圧力センサ。
- 前記振動子の固定される部分が、前記振動子の機械的振動を可能にする空間を囲む隔壁層であって、前記基板に固定されている隔壁層によって固定されている、請求項5に記載のMEMS圧力センサ。
- 前記振動子が、前記振動子の振動する部分が、前記振動子の固定される部分の間で、基板表面と平行に延びる梁である、梁構造体であり、
前記梁は、
底辺が基板表面と平行である三角形または台形である断面を有し、
前記梁の長手軸を中心としたねじり共振モードで機械的振動を行う、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のMEMS圧力センサ。 - 前記検出回路が、増幅器を介したフィードバック回路を含み、
前記フィードバック回路の一部の信号が、周波数−電圧変換回路に送られるようになっており、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記振動子を所定の振動モードで発振させて、振動子の発振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じてギャップが変化したときに、前記振動子の共振周波数が変化することに起因する発振周波数の変化を、前記周波数−電圧変換回路により電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のMEMS圧力センサ。 - 前記検出回路が、前記入力電極に一定周波数の交流信号を入力し、前記出力電極から出力される交流信号の電圧変化を監視する回路であって、
前記検出回路は、前記入力電極と前記出力電極との間に直流電位差を加えながら、前記入力電極に一定信号の交流信号を入力したときの、前記振動子の共振周波数を交流信号の伝達特性として検出し、前記外部から加えられる圧力に応じて、ギャップが変化したときに生じる前記振動子の共振周波数の変化を、周波数−電圧変換回路により交流信号の電圧変化に変換して、圧力情報を電気信号として出力する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のMEMS圧力センサ。
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