JP5367925B1 - Mems共振器を用いた圧力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
1−1.MEMS共振器を用いた圧力センサの動作原理
本実施形態は、主に、検出したい量がMEMS共振器の振動子の振動状態(例、振幅)に反映されることを利用したセンサに関する。当該センサは、例えば、雰囲気の圧力を測定する圧力センサである。雰囲気中におけるMEMS共振器の振動子の振動は、雰囲気の粘性によりダンピングを受ける。そのため、振動子の振動振幅や速度は、雰囲気の圧力に依存する。より詳細には、MEMS共振器の共振の鋭さを表すQ値は、雰囲気の圧力Pに対しておよそQ∝(1/P)の関係を有する。また、共振時の振動振幅Xは、X∝Qの関係を有する。従って、X∝(1/P)となり、雰囲気の圧力が低下すると、共振の鋭さが増し、振動振幅Xも増大する。振動振幅Xが増大すれば、同様に振動子の振動の速度も増大する。本実施形態によるMEMS共振器を用いた圧力センサは、この原理を利用する。
図1は、図17AのMEMS共振器100の入力電極102に周波数f0固定の励振信号(交流電圧)Viを印加し、そのときの振動子101の振動運動に関する情報(例えば、振動振幅の情報)を、電圧Voとして取り出す圧力センサ200の構成を示す図である。
実施の形態1による圧力センサは、MEMS共振器を用いた圧力センサである。当該圧力センサにおいては、MEMS共振器に入力する励振信号の周波数を所定方向に掃引し、当該掃引中、少なくとも2つの周波数(「抽出周波数」)において振動子の振動状態を表す特徴量をMEMS共振器から抽出し、当該特徴量に基づいて振動子周囲の圧力を決定する。
3−1.信号処理部変形例
図11は、圧力センサ400の変形例の構成を示すブロック図である。変形例400vは、信号処理部411vの積算部412vの構成が、圧力センサ400のそれと異なる。積算部412vは、同期検波を行うことができる検波器413vを備える。検波器413vには、PLLシンセサイザ402の周波数情報をリファレンス信号として与えられる。これにより、積算部412vがする検波の精度が向上し、よって、積算値(Q値情報信号)の質の向上が期待できるようになる。したがって、圧力測定の精度のさらなる向上が期待できる。
本実施形態の圧力センサが備えるMEMS共振器は、図4Aに示すような、ねじれ振動モードで共振する静電容量型MEMS共振器500に限定されない。
信号処理部411は、振動状態情報として、振動子501の振幅情報以外の情報を入力し、入力した情報を積算してQ値情報信号を生成することが可能である。
図16は、静電容量型でないMEMS共振器(非静電容量型MEMS共振器)の一例を示す図である。MEMS共振器800は、シリコンから片持ち梁801と支持部801sとが形成され、支持部801sが図示しない基板部分に固定された構成を有する。片持ち梁801の支持部801s側の端部近傍には、圧電素子802が搭載されており、圧電素子802に、励振信号が印加される。これにより、片持ち梁は、励振信号に応じた振動運動を行う。レーザ光源803から照射され、片持ち梁で反射されたレーザ光は、4分割フォトダイオード804によって受光される。4分割フォトダイオード804は、振動にともなう片持ち梁801のたわみ角を検出し、たわみ角度情報信号として出力する。たわみ角度情報信号は、図示しない信号処理部411へ振動状態情報信号として入力される。なお、片持ち梁801のたわみ角を検出するためのフォトダイオードの分割数は、4に限定されない。任意の数に分割されたフォトダイオードを、片持ち梁801のたわみ角を検出するためのフォトダイオードとして使用することができる。
100x・・・ 静電容量型MEMS共振器
101 ・・・ 振動子
101x・・・ 振動子
102 ・・・ 入力電極
102x・・・ 入力電極
103 ・・・ 出力電極
103x・・・ 出力電極
107x・・・ ばね性部材
108x・・・ ばね性部材
400 ・・・ 圧力センサ
401 ・・・ 掃引部
402 ・・・ PLLシンセサイザ
411 ・・・ 信号処理部
412 ・・・ 積算部
413 ・・・ 検波器
414 ・・・ 積算器
415 ・・・ 変換部
415T・・・ 変換テーブル
416 ・・・ コントローラ
500 ・・・ 静電容量型MEMS共振器
500x・・・ 静電容量型MEMS共振器
501 ・・・ 振動子
501x・・・ 振動子
501s・・・ 振動子支持部
502 ・・・ 入力電極
502x・・・ 電極
503 ・・・ 出力電極
503x・・・ 入力電極
504x・・・ 隔壁層
505x・・・ ダイアフラム
506x・・・ ピラー
507x・・・ 閉空間
800 ・・・ 非静電容量型MEMS共振器
801 ・・・ 振動子(片持ち梁)
801s・・・ 支持部
802 ・・・ 圧電素子
803 ・・・ レーザ光源
804 ・・・ 4分割フォトダイオード
Claims (10)
- MEMS共振器を用いた圧力センサであって、
MEMS共振器と、
前記MEMS共振器の振動子の共振周波数f0を内に含む所定の周波数範囲にわたって所定の掃引方向に沿って励振信号の周波数を掃引しつつ前記励振信号を前記MEMS共振器へ出力する掃引部と、
前記掃引において、前記MEMS共振器から、前記振動子の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を入力し、前記励振信号の周波数が互いに異なるときの複数の前記振動状態情報信号を積算し、当該積算値を出力する積算部と、
前記積算値に基づいて前記MEMS共振器に作用する圧力を決定する変換部と、を有する、圧力センサ。 - 前記積算部は、前記掃引において、前記励振信号が前記掃引方向に沿って前記共振周波数f0以前の周波数を有するときの振動状態情報信号と、前記励振信号が前記掃引方向に沿って前記共振周波数f0よりも後の周波数を有するときの振動状態情報信号と、を含んだ少なくとも2つの振動状態情報信号を積算することにより前記積算値を求める、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記MEMS共振器は、静電容量型MEMS共振器であり、
前記掃引部は、前記共振周波数f0以上の周波数である掃引開始周波数f1から、前記共振周波数f0未満の周波数である掃引終了周波数f2まで、前記励振信号の周波数が次第に低くなる方向に前記掃引を行う、請求項2に記載の圧力センサ。 - 前記静電容量型MEMS共振器の振動子は、前記MEMS共振器に作用する圧力に等しい圧力の雰囲気に取り囲まれており、
前記変換部は、前記積算値に基づいて前記MEMS共振器のQ値を求め、求めたQ値に基づいて前記圧力を決定する、請求項3に記載の圧力センサ。 - 前記静電容量型MEMS共振器は、
振動子と、
該振動子とギャップを隔てて配される電極と、
前記静電容量型MEMS共振器に作用する圧力の大きさに応じて前記ギャップの大きさを変化させる機構と、
を備え、
前記変換部は、前記積算値に基づいて前記ギャップの大きさを求め、求めたギャップの大きさに基づいて前記圧力を決定する、請求項3に記載の圧力センサ。 - 前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動振幅に関する情報を含んだ信号である、請求項2乃至5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動速度に関する情報を含んだ信号である、請求項2乃至5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動運動に伴うたわみの角度に関する情報を含んだ信号である、請求項2乃至5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記掃引開始周波数f1と、前記掃引終了周波数f2と、の差の絶対値は、振動子の弾性係数の温度特性と、圧力センサの使用環境において想定される温度変化の範囲との積に基づいて、予め決定される、請求項3乃至5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記MEMS共振器は、非静電容量型MEMS共振器であり、
前記掃引部は、前記共振周波数f0以下の周波数である掃引開始周波数f1から、前記共振周波数f0より高い周波数である掃引終了周波数f2まで、前記励振信号の周波数が次第に高くなる方向に前記掃引を行う、請求項2に記載の圧力センサ。
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