JP5222955B2 - 圧力,音圧の変動,磁界,加速度,振動または気体の組成を測定する装置 - Google Patents
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Description
出発点として、センサ1は隔膜の位置あるいはその位置の変化を測定する。これは面の位置の正確な測定が不可欠となる全ての応用で使用できることを意味する。言い換えれば、UTRAセンサはマイクロフォン、圧力センサ、加速度センサまたは磁力計を作るのに用いられる。さらに、本装置は音速の測定やガスの減少測定すなわちガスセンサとして使用することができる。もし、共振器が波長の4分の1の長さを有し、空気よりも比重の重いガスが充填された場合は、MEMS超音波発信機と空気の間にインピーダンス変換器を形成する。以下、多様なセンサの特別な特徴について述べる。
UTRAセンサは、それ自体は位置、速度、または加速度を測定するセンサである。音響放射は音波を検出するために通常ピエゾ・アクティブ構造を金属面に接続することによって測定される。この応用において、UTRAセンサはピエゾセンサと置換するために直接使用される。UTRAセンサはより小型で低価格であり、同じシリコン基板上に複数の受信機を積層できるという長所を有する。もちろん、位置センサは例えば超音波撮像装置において通常の超音波センサと発信機として使用することができる。
もし、共振器の高さが波長の4分の1と等しく、適当なガス混合物(例えばアルゴン、二酸化炭素、窒素…)を充填したら、微小機械の発信機の特定のインピーダンスが空気と完全に合致するようにガス濃度を調節することができる。もし、共振器内のガス濃度が空気のおよそ10倍であれば、これは実際に起こる。実際、使用することができ、かつ空気よりもずっと高い濃度のガスはアルゴンと二酸化炭素(CO2)である。ベンゼンも使用できる。この方法は例えば、既存(例えば自動車用のパーキングレーダー)よりも優れた超音波に基づくレーダーやガスの流速計などを可能にする。さらに、測定対象から遠い位置に電子機器を置くことができるので、厳しい条件(例えば温度が300℃等)での測定も可能である。現時点で、MEMS源から空気への放射効率はピエゾ・アクティブ結晶等に比べてかなり良い(1〜3%)。ピエゾ・アクティブ・プラスチックはMEMSと同じくらい良い。本発明のガス変換器を追加することにより、効率は10%以上に向上し、信号雑音比も大幅に改善することができる。例えば、より広帯域でより位相安定性の高いセンサを製造できるため、超音波によるガスの流量測定はかなり正確になる。
本センサはガス内の音波の速度と減衰の両方を測定するのに使用できる。ガスはこれらに基づいて決定される。もちろん、音波の速度と減衰は温度と湿度に依存しているので、正確な測定には前記の変数の測定が必要となる。ガスセンサの場合、センサの分解能は問題ではなく、問題となる誤差は機械的応力や温度補償などから生じる。もちろん、センサがガスの組成の絶対的な情報を提供するものではない点は重要である。しかしながら、もし、センサをより高い周波数でも使用できるなら、ガスの組成の追加情報を得るために音波の速度と減衰の変化を用いることができる。非常に広い周波数帯域にかけて音波の速度と減衰を測定することによって、例えば空気の湿度を別個決定できることが一般に知られている。
もし、センサが圧力を測定する装置なら、共振器には既知のガスが充填される。好適には、音波減衰が低いガスであり、小さな実効容量と大きな実効インダクタンスを生じさせる。もちろん、ガスはシリコンまたは酸化シリコンと反応しにくく、共振器の外に拡散しにくいものを選択しなければならない。MEMSの圧力センサに存在する問題は共振器の高さが隔膜の過度の偏差を超えない最大圧力とするために十分な堅さとなるようにバネ定数を決めなければならないことである。容量測定を低電圧で行い、それでも十分な分解能となるように共振器の高さは低く保たなければならない。Utraセンサではこの問題が生じない。言い換えると、隔膜がたるむように設計することで、感度を増加させ、これにより装置の例えば基板のねじれから生じる問題の影響を受けにくくする。もちろん、不都合な点はUltraセンサの実効バネ定数がある程度圧力に依存していることであり、以下の式に示される。
もし、隔膜の上部に直流電流または交流電流を流すコイルを製造すれば、隔膜は外部磁界に応じて動き、あるいは発振する。直流電流の場合、装置は圧力センサまたはガスセンサとまったく同様に動作する。そのインピーダンス変化を測定する。一方、もし交流電流を使用し、上側の隔膜をその周波数で共振するように調整すれば、インピーダンス変調が形成され、搬送波の側波帯として生じる。もし、大きく開いて呼吸するような隔膜を形成させれば、低い周波数で共振のQ値を非常に大きくすることができ、装置の感度を最大にすることができる。この磁力計はガスセンサや圧力センサと組み合わせることができる。このセンサの問題点は磁界の一つだけの成分を単純に測定する形になってしまうことである。ガスの減衰により、消失及びそれによる雑音は従来のMEMSセンサよりも大きいが、他方、バネ定数は非常に小さくすることができ、感度は最大化される。Utraセンサは現在の磁力計に対抗できるだけの感度を有した製品として生産されるものと考えられる。しかしながら、そのインピーダンスは低いので電子機器は磁力計から離して置くことができる。これは測定対象と電子機器を近づけることができない厳しい条件下での使用を可能にする。例えば核融合発電所において使うことができる。同じことが広いダイナミックレンジを有する圧力センサにも言える。磁力計はまた、磁性材料の上側の隔膜を形成することによっても作ることができる。我々はこれをUtraMagと呼んでいる。
もし、構造が十分呼吸するようなものであって、上側の隔膜の塊が大きく形成されれば、加速度センサの構築方法を使用できる。バネ定数の補助とその塊でセンサの感度と上限周波数を調整できる。バネ定数は非常に弱くすることができるので、現在の加速度センサよりかなり感度の良いセンサを生産できる。感度は本公報の式3(数6)から計算できる。aを加速度とすれば、動作は式kx=maで決定される。上側の隔膜の減衰は隔膜のミシン目(穿孔)を使用することにより調整できる。一般に、加速度センサは減衰過剰気味に設計される。
おそらく、Utraセンサの最も重要な応用はマイクロフォンである。現在の隔膜動作の精密計測よりもロバストな方法をもたらすからである。また、完全にMEMSベースであり、これにより安価な生産が可能とする。これに関連して、我々はこのセンサをUtraMicと呼んでいる。
上記の組み合わせはUtraセンサで構成できる。まず、電子機器は各センサに隣接して設ける必要がないので、一つまたは分離された複数のシリコン基板にいくつかのセンサを設けることができる。このセンサは、例えば多重化によって読み取ることができる。特定センサも同じセンサで2つの変数を読み取るように組み込まれる。低い周波数センサ(圧力センサ、ガスセンサ、磁界センサ)は、高い周波数センサ(マイクロフォン、振動センサ、高い周波数の加速度センサ)と組み合わせることができる。例えば、もし、図1cに対応するセンサにおいて、上側の隔膜7が非常に柔軟で、媒介する隔膜3が反射性でありながら一部が超音波によって貫通できる場合、上側隔膜7を圧力センサ、中間隔膜3を加速度センサとすることができる。ガスセンサは、例えば加速度センサなどと組み合わせることができる。言い換えると、もし、同じ場所でいくつかの異なる測定変数が必要なら、適切にセンサを組み合わせることにより、センサモジュール全体の価格を下げることができる。
図3のモジュール34をより詳細に示している図6を参照しながら、電子機器について述べる。微小機械の超音波発信機2が使用されているので、その発信機に直流電圧36でバイアスをかけ、発信機35によって周波数fの音波を発生させるか、あるいは直流バイアスを省力し、周波数f/2を用いることによって音波を発生させることができる。これは出力が電圧の2乗に比例するからであり、クロストークを効果的に除去できるので有利である。基本インピーダンスの測定において、第一の増幅段階から十分な出力増幅を得るためにブリッジ回路や補償が必要となることがある。音波共振器の周波数は温度に依存するので、周波数は調整することができる。これは電圧制御された発振機35を使うことを意味しており、位相検出器によってインピーダンスが実数となるように固定される。マイクロフォンにおいて、位相検出器の虚数部に比例する信号が10Hz〜20kHzの周波数で隔膜の位置に正比例する場合に、制御を非常にゆっくりしたもの(約10Hz)とするのに有利である。ガスセンサと圧力センサの場合、その必要とされる電圧制御は測定される変数の値を伝える。磁力計の場合、直接電圧制御を用いることができ、あるいは、もし、磁界が形成された変調に正比例する時に交流電流がコイルに流れれば、その交流電流よりもゆっくりとした周波数の制御器とすることができる。
図4は本発明の部品の製造方法を示している。超音波発信機2はSOIディスク40に基づいており、そのディスクに反応性イオンエッチングによって形成された孔31を介して酸化シリコン構造は部分的に犠牲となる。その孔31は最終的にポリシリコンで埋められる。発信機2の共振器は真空中にあるため、超音波損失は空気のみによって、あるいは音波共振器4の損失によって決まる。この場合、超音波共振器の電気的な接続は、反応性イオンエッチングによって形成された孔にポリシリコン柱30を成長させることによってなされる。該柱30が成長する前にシリコン壁が酸化される。音波共振器4はディスク構造に形成することができ、ポリシリコン層41と隔膜3からなる。該層41は窒化シリコンまたは非結晶金属から形成することができる。共振器4は、例えば上側の隔膜3でエッチングを止めるような構造41の反応性イオンエッチングによって形成することができる。ディスク40,41と隔膜3は、融着によって互いに結合させることができる。最終的にディスクは例えばミシン目によって分離される。もし、呼吸孔が必要になれば、上側の隔膜3、音波共振器の下面あるいは超音波発信機の上面9に形成することができる。呼吸孔の大きさは下限周波数を決定するが、これは非常に低くしなければならず、特にマイクロフォンにおいては非常に低くするべきである。高速ガスセンサにおいては、早い応答時間にするために十分に大きくするべきである。
Claims (28)
- 超音波発信機(2)と、
前記超音波発信機(2)に接続され、使用される超音波周波数で共振する共振器(4)とからなり、
圧力,音圧の変動,磁界,加速度,振動または気体の組成を測定するセンサ(1)において、
前記センサ(1)が、前記超音波発信機(2)からの距離が前記共振の条件に適合するように選択され、前記共振器(4)の前記超音波発信機(2)とは反対側の端部に置かれた受動的センサ要素(3,3’)を備え、
前記超音波発信機(2)が軽量構造の隔膜発振器(9)を備えており、それにより周囲の媒質に十分接続され、
前記センサが前記超音波発信機(2)と前記共振器(4)との間の相互作用を測定する手段を含んでいることを特徴とするセンサ。 - 前記超音波発信機(2)と前記共振器(4)との間の相互作用を測定する手段が出力の測定手段であることを特徴とする請求項1記載のセンサ。
- 前記超音波発信機(2)の内部が高い圧力となるようにMEMS技術を用いて形成された構造であることを特徴とする請求項1または2記載のセンサ。
- 前記センサが、SOIディスク上に形成された微小機械構造の表面であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のセンサ。
- 基本的な状態において、前記超音波発信機(2)と前記センサ要素(3,3’)の間の距離が、前記使用される超音波周波数の波長の4分の1,2分の1,あるいは数倍であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載のセンサ。
- 前記センサ要素(3,3’)が、装置ケースの外側表面上にあることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載のセンサ。
- 前記装置ケースの外側表面が前記センサに接続され、少なくとも前記センサの一部を形成することを特徴とする請求項6記載のセンサ。
- 前記共振器(4)がガスの内容を測定するために、ガスの通気性構造により周囲と接続されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載のセンサ。
- 加速度測定のために、追加の塊(32)が前記共振器(4)内に置かれたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載のセンサ。
- 磁界を測定するために、電流を流すコイルが前記受動的センサ要素(3)内に置かれたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項記載のセンサ。
- 前記センサの感度を上げるために、反射性共振器(6)が前記共振器(4)の上部に置かれたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項記載のセンサ。
- 超音波発信機(2)と、
前記超音波発信機(2)に接続され、使用される超音波周波数で共振する共振器(4)とからなり、
圧力,音圧の変動,磁界,加速度,振動または気体の組成を測定する方法(1)において、
前記超音波発信機(2)からの距離が前記共振の条件に適合するように選択される受動的センサ要素(3,3’)を、前記共振器(4)の前記超音波発信機(2)とは反対側の端部に配置し、
軽量構造の隔膜発振器(9)を備えており、それにより周囲の媒質に十分接続する構造を、前記超音波発信機(2)として使用し、
前記超音波発信機(2)と前記共振器(4)との間の相互作用を、望まれる変数を決定するために使用することを特徴とする方法。 - 前記超音波発信機(2)と前記共振器(4)との間の相互作用は、超音波発信機(2)により引き出された出力の測定によってなされることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 前記構造は、前記超音波発信機(2)の内部が高い圧力となるようにMEMS技術を用いて形成されたことを特徴とする請求項12または13記載の方法。
- 前記構造は、SOIディスク上に形成されることを特徴とする請求項12〜14のいずれか1項記載の方法。
- 基本的な状態において、前記超音波周波数の波長の4分の1,2分の1,あるいは数倍が、前記超音波発信機(2)と前記センサ要素(3,3’)の間の距離として使用されることを特徴とする請求項12〜15のいずれか1項記載の方法。
- 前記センサ要素(3,3’)を、装置ケースの外側表面上に、接合部の一部として用いることができるように配置したことを特徴とする請求項12〜16のいずれか1項記載の方法。
- 前記装置ケースの外側表面を前記センサに接続し、少なくとも前記センサの一部として使用することを特徴とする請求項17記載の方法。
- 前記共振器(4)がガスの内容を測定するために、ガスの通気性構造により周囲と接続されたことを特徴とする請求項12〜18のいずれか1項記載の方法。
- 加速度測定のために、追加の塊(32)が前記共振器(4)内に置かれたことを特徴とする請求項12〜19のいずれか1項記載の方法。
- 磁界を測定するために、電流を流すコイルが前記受動的センサ要素(3)内に置かれたことを特徴とする請求項12〜20のいずれか1項記載の方法。
- 前記センサの感度を上げるために、反射性共振器(6)が前記共振器(4)の上部に置かれたことを特徴とする請求項12〜21のいずれか1項記載の方法。
- ガスの内容を測定するために、請求項1記載のセンサを使用した装置。
- 磁界の内容を測定するために、請求項1記載のセンサを使用した装置。
- 圧力を測定するために、請求項1記載のセンサを使用した装置。
- 距離を測定するために、請求項1記載のセンサを使用した装置。
- マイクロフォンとして、請求項1記載のセンサを使用した装置。
- 加速度を測定するために、請求項1記載のセンサを使用した装置。
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