JPH01114730A - 振動形半導体トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は蛋動形牛導体トランスジューサに関するもので
ある。

本発明はシリコン基板に形成した振動梁をその振動梁の
固有振動数で振動させておき、その基板に加えられる力
またはＦＭ境の変化に対応して振動梁に生ずる振動周波
数の変化を検出する振動形トランスジューサに関するも
のである。

さらに詳述すれば、Ｓ／Ｎ比が高く、自励発振を安定に
起こす事ができる振動形半導体トランスジューサに関す
るものである。

〈従来の技術〉 第５図〜第８図は昭和６１年６月６日出願の特願昭６１
−１３１４５６号「振動式半導体トランスジューサ」の
一実施例の構成説明図である。第５図は振動形トランス
ジューサを圧力センサとして用いた構成斜視図、第６図
は第５図におけるＡ部の拡大平面図に電気配線を施した
図、第７図は第６図のＡ−へ断面図、第８図（Ａ）、（
Ｂ）は第６図を電気回路で示した図であり、第８図（Ｂ
）はｐ形層とｎ十形層の間に逆バイアス電圧を印加する
ための電源を示している。

これらの図において、１ｏは（１００）面を有する、例
えば不純物濃度１０＋ｉ原子／ａｍ’以下のｐ形のシリ
コン基板である。このシリコン基板１０の一方の面にダ
イアフラム１１がエツチングにより形成されている。こ
のダイアフラム１１の表面（エツチングしない面）には
部分的に不純物′ｔＡ度１０−７程度のｎ十拡散ｗＡ（
図テハ省略）が形成され、このｎ十拡散層の一部に振動
梁１２が＜００１＞方向に形成されている。なお、この
振動梁１２はダイアフラム１１に形成されたｎ＋層およ
びｐ層をフォトリソグラフィとアンダエッチングの技術
を用いて加工する。

１３は振動梁１２の略中央上部に振動梁１２に直交し、
かつ、非接触の状態で設けられた磁石、１４は絶縁膜と
してのＳｉＯ２膜（第７図１照）である。１５ａ、１５
ｂは例えばＡ１などの金属電極で、この金属ｆＢ極１５
ａの一端は１辰ｅ梁１２から延長したｎ十層にＳｉＯ２
層に設けたコンタクトホール１６ａ１を通じて接続され
、他端はリード線を介して振動梁１２の抵抗値とほぼ等
しい比較抵抗Ｒ８および増幅器２０の一端に接続されて
いる。増幅器２０の出力は出力信号として取出されると
ともに分岐して一部コイルし１の一端に接続されている
。このコイルＬ１の他端はコモンラインに接続されてい
る。

一方比較抵抗Ｒ６の他端は中点がコモンラインに接続し
た２次コイルＬ２の他端に接続され、この２次コイルＬ
２の他端は振動梁１２の他端に前記同様に形成された金
属電極１５ｂに接続されている。

上記構成において、ｐ形層（！！板１０）とｎ十形層〈
振動梁１２）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、
振ｅ梁１２に交流電流ｉを流すと振動梁１２の共振周波
数において電１４１誘導作用により振動梁のインピーダ
ンスが上昇して、比較抵抗Ｒｏｔおよび中点をコモンラ
インに接続したＬ２により構成されるブリッジにより不
平衡信号を得ることができる。この信号を増幅器２０で
増幅し、コイル１１に正帰還すると、系は振動梁１２の
固有振動数で自励発振する。

上記構成において、振動梁１２のインピーダンスＲは固
有振動数に応じて上昇する。このインピーダンスＲは、
次式のように表わすことができる。

Ｒキ（１／２２２）・（１／（ＥＱγ）　Ｉ／２　）・
（ＡＢ２１２／ｂｈ２　）・Ｑ＋Ｒ。

ここで、Ｅ；弾性率 ｇ：重力加速 γ：１ｉｖＪ子を構成している材料の密度Ａ；振動モー
ドによって決まる定数 Ｂ；磁束密度 ！；撮振動の長さ ｂ；振動梁の幅 ｈ；振動梁の厚さ Ｑ；共振の鋭さ Ｒｏ；直流抵抗値 上式によれば振動梁のＱが数百〜数万の値をとるため、
共振状態において増幅器の出力として、大きな撮幅信号
を得ることができる。このように振動形半導体トランス
ジューサ増幅器のゲインを充分取って正帰還するように
構成すれば系は固有振動数で自励発振する。

なお、振動梁の加工手段および形状は本実施例に限るも
のではなく、例えば、ｎ形シリコン基板にＢ（ボロン）
を４Ｘ１０１ｇ原子／　ｃ　ｍ　’以上拡散して選択性
エツチングにより形成したものを用いてもよい。

・ぐ発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な装置においては、振動梁１２に
発生する逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、励振電流の励振成分を、交流ブリッジで完全に抑圧
することは事実上不可能であるから、ブリッジ出力には
励振電流成分が乗ってくる。

このために、Ｓ／Ｎ比が悪く安定な出力信号が１９られ
ない。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、Ｓ／Ｎ比が良好で安定な出力信号が（
ｑられる振動形半導体トランス、ジューサを提供するに
ある。

ぐ問題点を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結品
の基板上に設置）られたシリコン単結晶材よりなる振動
子本体と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振
動子本体の励１辰された振動を検出する振動検出手段と
を具備する振動形半導体トランスジュー１１において、
両端が前記基板に固定され互いに平行に配置された二個
の第一振動子と該第−１！動子の振動の腹の部分を機械
的に結合する第二振動子とを備える振動子本体と、該振
動子本体に直交する直流磁界を加え一方の第一振動子の
両端あるいは二個の第一振動子の一方の同一端側に交流
？４流を流して磁気誘導作用によりノ辰動子を磁界と電
流に直交する方向に励振する励振手段と、他方の第一振
動子の両端あるいは二個の第一振動子の他方の同一端側
に発生する起電力を検出し自励振するに必要なゲインを
付与する増幅器と必要な位相を与えるフィルターとを具
備し前記振動子本体の固有振動数で自動発振が持続する
ように構成された振動検出手段とを具備してなる振動形
半導体トランスジューサを構成したちのである。

く作用〉 以上の構成において、基板に外力が加わると、振動子本
体の固有振動数は外力に対応して変化する。振動子本体
の振動は振動検出手段により検出され周波数ぬわ出力信
号として取出される。

この結果、基板に加わった外力が検出出来る。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例の原理的要部構成説明図であ
る。

図において、第５図と同一記号の構成は同一機能を表わ
す。

以下、第５図と相違部分のみ説明する。

３ｏは振動子本体である。ｉｏ子本体３０は両端が基板
１１に固定され互いに平行に配置された二個の第１振動
子３１と第−Ｗｌ！２１子３１の振動の腹の部分を相互
に機械的に結合する第二振動子３２とを備える。

４０は１騒動子本体３０に直交する直流磁界を磁石１３
により加え一方の第一振動子３１の両端に交流電流を入
カドランス４１により流して磁気誘導作用により振動子
本体３０を磁界と電流に直交する方向に励振する励振手
段である。

入カドランス４１は、二次側が一方の第一振動子３１の
両端に接続されている。

５０は他方の第一振動子３１の両端に発生する起電力を
検出する振動検出手段である。この場合は、出カドラン
ス５１、増幅器５２が用いられている。出カドランス５
１の一次側は、他方の第一振動子３１の両端に接続され
、二次側は増幅器５２を介して出力端子５３に接続され
るとともに、分岐して入カドランス４１の一次側に接続
されている。

以上の構成において、励振手段４０に入力された入力信
号により、振動子本体３０は励振される。

振動子本体３０の振動は、ｊ騒動検出手段５０により検
出され出力信号として取出される。

この結果、振動子本体３０は、励振用の第１振動子３１
と、起電力検出用の第一振動子３１に分けられ、第二振
動子３２で、第一振動子３１の振動の腹の部分を結合す
るようにされたので、電気的には分離されているが、機
械的には結合されているため、高い励振成分除去比（Ｓ
／Ｎ比）が得られる。

第２図は振動子本体３０の実際例で、（Ａ＞は平面図、
（８）は（Ａ）のＢ−８断面図である。

第３図に実験結果を示す。

Ｓ／Ｎ比は３０〜４０ｄＢが得られている。

第３図の縦方向は一目盛りが５ｄＢを示し、ピーク（直
の中心周波数は７１５５１．１Ｈｚである。

第４図は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

本実茄例では、入カドランス４１の二次側を二個の第一
］騒動子３１の一方の同一端側に接続し、出カドランス
５１の一次側を二個の第一振動子３１の他方の同一端側
に接続するようにしたちのである。

なお、前述の実施例においては、第二振動子３２はＰ形
シリコンよりなると説明したが、これに限ることはなく
、例えば、酸化シリコン（Ｓｉ０２）、あるいは、窒化
珪素（３！３Ｎａ＞にアルミニウムなどの導体を蒸着し
たものであってもよい。

なお、上記トランスジューサはシリコンの弾性率の温度
係数によってその振動周波数が変化するので、圧力計の
ほかに真空容器に収納して温度計として利用できるほか
、密度計としても利用することができる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子本体と
、該振動子本体を励Ｊ辰する励振手段と、前記振動子本
体の励振された振Ｖ」を検出する振動検出手段とを具備
する振動形半導体トランスジューサにおいて、両端が前
記基板に固定され互いに平行に配置された二個の第一１
辰動子と該第−振動子の振動の腹の部分を憬械的に結合
する第二振動子とを備える振動子本体と、該振動子本体
に直交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両端ある
いは二個の第−ｆｔ１ａ子の一方の同一端側に交流電流
を流して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交
する方向に励振する励振手段と、他方の第一振動子の両
端あるいは二個の第一振動子の他方の同一端側に発生す
る起電力を検出し自動振するに必要なゲインを付与する
増幅器と必要な位相を与えるフィルターとを具備し前記
１騒動子本体の固有振動数で自励発成が持続するように
構成された振動検出手段とを具備してなる振動形半導体
トランスジューサを構成した。

この結果、振動子本体３０は、励１辰用の第一振動子３
１と、起電力検出用の第一振動子３１に分けられ、第二
振動子３２で、第一１辰動子３１の振動の腹の部分を結
合するようにされたので、電気的には分離されているが
、機械的には結合されているため、高い励振成分除去比
（Ｓ／Ｎ比）が得られる。

従って、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が良好で安定な周波
数出力信号が得られる振動形半導体トランスジューサを
実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原理的要部構成説明図、第
２図は第１図の要部構成説明図で、＜Ａ）は平面図、（
Ｂ）は（Ａ）のＢ−８断面図、第３図は第１図の効果説
明図、第４図は本発明の他の実施例の要部構成説明図、
第５図〜第８図は従来より一般に使用されている従来例
の構成説明図で、第５図はトランスジューサを圧力計と
して構成した斜視図、第６図は第５図におけるＡ部の拡
大平面図に電気配線を施した図、第７図は第６図のＡ−
ＡＩＩ７ｉ面図、第８図は第６図を電気回路で示した図
である。 １０・・・基板、１１・・・ダイアフラム、１３・・・
磁石、３０・・・振動子本体、３１・・・第一振動子、
３２・・・第二振動子、４０・・・励振手段、４１・・
・入カドランス、４２・・・入力端子、５０・・・振動
検出手段、５１・・・出カドランス、５２・・・増幅器
、５３・・・出力端子。 第１図 第２図（Ａ） 第２図　（Ｂ） 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコン単結晶の基板上に設けられたシリコン単結晶材
   よりなる振動子本体と、該振動子本体を励振する励振手
   段と、前記振動子本体の励振された振動を検出する振動
   検出手段とを具備する振動形半導体トランスジューサに
   おいて、 両端が前記基板に固定され互いに平行に配置された二個
   の第一振動子と該第一振動子の振動の腹の部分を機械的
   に結合する第二振動子とを備える振動子本体と、該振動
   子本体に直交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両
   端あるいは二個の第一振動子の一方の同一端側に交流電
   流を流して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直
   交する方向に励振する励振手段と、他方の第一振動子の
   両端あるいは二個の第一振動子の他方の同一端側に発生
   する起電力を検出し自励振するに必要なゲインを付与す
   る増幅器と必要な位相を与えるフィルターとを具備し前
   記振動子本体の固有振動数で自励発振が持続するように
   構成された振動検出手段とを具備してなる振動形半導体
   トランスジューサ。