JPH02176533A - センサー - Google Patents

センサー

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JPH02176533A
JPH02176533A JP1255130A JP25513089A JPH02176533A JP H02176533 A JPH02176533 A JP H02176533A JP 1255130 A JP1255130 A JP 1255130A JP 25513089 A JP25513089 A JP 25513089A JP H02176533 A JPH02176533 A JP H02176533A
Authority
JP
Japan
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parameter
frequency
members
sensor
resonant
Prior art date
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Pending
Application number
JP1255130A
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English (en)
Inventor
Jolyon P Willson
ジョリアン　ピーター　ウィルソン
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Gemalto Terminals Ltd
Original Assignee
Schlumberger Industries Ltd
Schlumberger Electronics UK Ltd
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0019—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
    • G01L9/002—Optical excitation or measuring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves

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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〉 本発明はセンサーに関するものである。さらに限定的に
言うと本発明は、検知すべきパラメータが、その振動が
光学的に励起され検知されるような共振素子の振動数に
影響を及ぼすように配慮されている半導体センサー、な
らびにかかる半導体センサーを内含する光学検知システ
ムに関する（ただしこれに限られるわけではない）。
〈従来の技術〉 振動素子タイプの半導体（又は固体）センサーはすでに
、例えば英国特許出廓明細書第８８０１２３６号内で提
案されている。このようなセンサーは、特に単結晶シリ
コンから作られている場合に、数多くの大きな利点を有
している。第１に、比較的複雑な小型構造が、充分に実
証されている写真製版、ドーピング及びミクロ機械加工
技術を用いて比較的安価に大量に製造できるという点が
ある。
第２に、単結晶シリコンは、高い剛性対重量比及びクリ
ープ、ゼロといったきわめて高品質のセンサーの製造を
容易にするすぐれたエンジニアリング上の利点を有して
いるということである。
〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、このようなセンサーについての主要な問題点は
、温度依存性である。振動素子タイプのシリコンセンサ
ーの出力の温度依存性の主要な要因は、振動素子の共振
振動数に影響を与えるシリコンのヤング係数の温度依存
性である。標準的に、かかるセンサーの有効温度係数は
、その共振振動数がその作用圧力範囲全体にわたり１０
％変化するようなセンサーについて約３（１０　ｐｐｍ
／　”Ｃであり、これは、高精度航空宇宙利用分野にと
って許容し難いほど高いものである。
一般に、温度依存性に対する解決法は、同時温度測定を
行ない、予じめ定められた較正関数に従ってセンサーの
出力を補償することである。従って、温度検知抵抗器を
センサーのシリコン内に内蔵させ、その抵抗を測定して
センサーの温度を決定することが可能である。しかしな
がら、振動素子の光学的励振及び検知を用いるセンサー
において、この解決法は、温度検知抵抗器に対する別途
電気接続を必要とし従って光学的励振及び検知の主要な
目的の１つが無効になるという欠点を有することから、
実用的ではない。
く課題を解決するための手段〉 従って、本発明の目的は、温度依存性という問題点に対
する既知の解決法のこの欠点をほぼ解消するような振動
素子固体センサーを提供することにある。
本発明に従うと、以下のものを含む、物理的パラメータ
を検知するめだの固体センサーにおいて；基板の中に形
成され検知すべきパラメータによりその振動数が左右さ
れるように配慮されている第１の共振可能な部材；及び 第１のものに隣接して基板内に形成されているが検知す
べきパラメータに対しほぼ感応しないように配置されて
いる第２の共振可能部材、振動可能な部材の両方が、共
通の光ファイバを介して振動すべく光学的に励起される
よう配置されいてることを特徴とするセンサーが提案さ
れている。
両方の振動可能部材は共に互いに隣接して同−材料内に
形成されているため、そのそれぞれの振動数温度係数は
、同様に互いに既知の（従って予想可能な）方法で正確
にトラッキングし合い、従って比較的容易に温度補償が
可能となる。同時に、振動可能部材が光学的に励起され
、必要とあらば共通の光ファイバを介して光学的に問い
合わせされるように配置されているということから、別
の電気接続は必要なくなっている。
本発明の好ましい実施態様において、第１の振動可能部
材には、その中の張力が検知すべきパラメータの影響を
受けるようにその各端部にてセンサー内に定着されたビ
ームが含まれ、一方第２の振動可能部材は、その片端で
自由な片持ち梁の形で第２のビームを含んでいる。この
第２のビームは、好ましくは第１のビームに対して平行
である。
好ましくは、第１のビームの端部は、検知すべきパラメ
ータを成す圧力又は差圧を受けるよう配置されたダイヤ
フラムに連結されている。
本発明は又、以下のものを含む、物理的パラメータを検
知するための検知システムをも包含する二基機中に形成
され検知すべきパラメータによりその振動数が左右され
るよう配慮された第１の共振可能な部材及び、第１のも
のに隣接して基板内に形成されているが検知すべきパラ
メータに対しほぼ感応しないように配置されている第２
の共振可能な部材を含む固体センサー； 光ファイバ； 第１及び第２の振動可能な部材の共振を励起させるため
、光ファイバを介して基板に光学的入力信号を印加する
ための手段； 第１及び第２の振動可能部材から、それぞれ各々これら
の部材の一方の振動数を表わす第１及び第２の光学信号
を誘導するための手段：前記バラメークを表わし振動可
能な部材の温度変化に対し補償させられた出力信号を生
成するため、振動可能な部材から誘導された光学信号に
対し呼応する手段。
両方の振動可能部材は共に、はぼ同等な振動数温度係数
を有するよう配慮されてもよく、この場合、出力信号生
成手段は、前記振動可能な部材のそれぞれの振動数の間
の差に等しい周波数をもつ信号の形で前記出力信号を生
成するための手段を含んでいてよい。
有利なことに、第１及び第２の振動可能部材から誘導さ
れた光学信号は、両方共部材からの光の反射により誘導
されており、反射光は、前記第１及び第２の光学信号を
含む複合光学信号として光ファイバを介して出力信号生
成手段へと通過する。
ここで本発明を添付の図面を参照しながら例を挙げて説
明していきたい。
〈実施例〉 第１図のセンサーは、一般に１０という番号で示され、
その中心に圧力感応ダイヤフラム１４がある矩形単結晶
シリコン基板１２を含んでいる。
ダイヤフラム１４の中心に配置されているのは、それぞ
れ第１及び第２の近距離分離された平行なビーム１６．
１８である：この第１のビーム１６はダイヤフラム１４
上に備わった２つのもち上った部分２０の間に延び、こ
れら２つの部分を相互接続している。一方第２のビーム
１８は、ダイヤフラム１４上に備わった単一のもち上が
った部分２２から延びる片持ち梁である（ビーム１８の
もう一方の端部は自由である）。ビーム１６．１８は両
者共、以下に明らかにされているように、共振可能であ
る。ダイヤフラム１４及びビーム１６゜１８は、全て、
写真製版、ドーピング及び選択的エツチング技法（すな
わちミクロ機械加工）により基板１２の中又は上に一体
化して形成されている。
ビーム１６．１８は標準的には、長さ約５（１０マイク
ロメートル、幅３０〜４０マイクロメートルであり、約
１０マイクロメートルの間隔で分離されている。従って
、これらは両方共、単一のマルチモード光ファイバの出
ロアバーチュアの直ぐ下の部域内にはまり込むことがで
きる。この部域は、第１図内に２４という番号で点線に
て示されている（ファイバ自体は第２図に３０という番
号で示されている）。
ビーム１６．１８は両方共、以下に記述されているよう
に、第２図の光ファイバ３０を介して適当に光学的に励
起されたとき、共振することができる：励起メカニズム
は、光ファイバにより供給される光による局所的加熱で
あってもよいしくこれは、金又はクロムのような金属の
薄いコーティングで各々のビームを被覆することにより
強化される効果である）、又光ファイバが供給する光に
応答しての光圧型メカニズムであってもよい（この効果
は、表面圧電効果を示す酸化亜鉛などの材料で各ビーム
をコーティングすることにより達成される）。ビーム１
６．１８のそれぞれの共振振動数は、そのそれぞれの寸
法の一関数であり、この寸法は２つの共振振動数が調和
関係をもたないように選択される：共振振動数は、シリ
コンのヤング係数の温度依存性のため、温度の一関数で
もある。さらに、ビーム１６は各端部でダイヤフラム１
４に固定されているため、その共振振動数は、ビーム内
の張力の一関数であり、従ってダイヤフラムのたわみの
一関数、ひいてはダイヤフラムが受ける圧力の関数であ
る。
すでに言及したように、センサーＩＯは第１図で概略的
に示されているにすぎない。これを補完すると、基板１
２は、ハウジングを互いに密封された２つの別々の領域
に分割するべく、密閉された缶又はハウジング内の応力
隔離マウンティング上にとりつけられている。ビーム１
６．１８を支えるダイヤフラム１４の側が面しているハ
ウジングの領域は空気が抜かれ、一方、ダイヤフラムの
もう一方の側が面する領域はハウジング内の圧力ボート
を介して検知されるべき圧力と連絡している。光ファイ
バ３０は、空気が抜かれた側でハウジング内に入り、点
線部域２４と心合せしたビーム１６．１８のすぐ上で終
結する。
第２図は、センサーｌＯに基づく完全な圧力検知システ
ムを示している。システムは一般に３２という番号で示
され、センサーのビーム１６．１８を共振させるべく励
起するようレーザーダイオード３５からの被変調光をフ
ァイバ３０内に結合させることのできる光学カップラ３
４を含んでいる。
このカップラ３４は又、光ファイバ３０から光電検出器
３６上に、ビームのそれぞれの振動数にて変調された、
ビーム１６．１８からの反射光をも結合する。光電検出
器３６の出力端は、増幅器３７を介して第１及び第２の
位相敏感検出器３８．４０のそれぞれの第１の入力端に
接続されており、これらの検出器３８．４０の出力端は
、第１及び第２の電圧制御発振器４２．４４に接続させ
ている。
電圧制御発振器４２の出力端は、位相敏感検出器３日の
第２の入力端に戻って接続され、一方電圧制御発振器４
４の出力端は、位相敏感検出器３８の第２の入力端に戻
って接続されている。最後に、電圧制御発振器４２．４
４の出力端は、加算増幅器４６内で組合わされ、レーザ
ーダイオード３５に適用される。
電圧制御発振器４２の作用振動数の範囲は、圧力及び温
度によるビーム１６の共振振動数の全範囲変化をｙＩ羅
するようになっており、一方電圧制御発振器４４の作用
振動数範囲は、温度によるビーム１日の共振振動数の全
範囲変化を包含するようになっている。又ビームのそれ
ぞれの共振振動数は、これらの範囲が重なり合わないよ
うに選ばれる。従って作動中は、ビーム１６．１８の両
方が検出器３６とレーザーダイオード３５の間のループ
のまわりに与えられる正のフィードバックのためにすで
に振動し始めていると仮定すると、ビーム１６．１８に
より反射された光は、両方の共振振動数で変調成分を含
むことになる。これらの成分は検出器３６により検出さ
れ、位相敏感検出器３８．４０に適用される。
位相敏感検出器３８．４０及びその結びつけられた電圧
制御発振器４２．４４の各々は、位相ロックループが有
効に「チューニング」されるそれぞれのビーム（１６又
は１８）の振動数に対してそれぞれの発振器（４２又は
４４）をロックするための位相ロックループとして作用
する。こうして、電圧制御発振器４２は、ビーム１６の
振動数に等しい周波数ｒ、で出力信号を生成し、一方電
圧制御発振器４４は、ビーム１８の振動数に等しい周波
数ｆ２で出力信号を生成する。周波数ｆ。
は、センサー１０に適用される圧力及びビーム１６゜Ｉ
８の共通の温度の両方の関数である。一方間波数ｒｚは
、ビーム１６．１８の共通の温度のみの関数であり、従
って、温度のみに起因する変化について周波数ｆ１で表
わされた圧力測定値を補償するために用いられる。この
補償は、標準的にはマイクロプロセッサでありうる出力
信号処理回路４８内で行なわれる。
加算増幅器４６の出力には、周波数ｆ、及びｒ２の各々
における成分が含まれ、従ってレーザーダイオード３５
が生成する光も同様である。この光は、各々機械的フィ
ルタとして有効に作用し従ってそのそれぞれの振動数で
変調された成分に対してのみ呼応するビーム１６．１８
の両方上へと、光ファイバ３０を介して誘導される。ビ
ーム１６゜１８の各々の共振振動数はこうして補強され
保持される。
本発明の上述の実施例に対してはいくつかの変更を加え
ることが可能である。
特に、異なる出力波長を有する個別のレーザーダイオー
ドを用いて、一方ではビーム１６．１１３を駆動させ、
他方ではこれらに間合せすることも可能７である。
さらに、ビーム１６．１８は、共通の光ファイバ３０を
介して共振すべく直接光学的に励起されるものとして記
述されてきたが（っまり、これらは両方共、ファイバ３
０からの励振信号として役立つ被変調光を直接受けとり
吸収するよう配置されている）、その代りに共振するよ
うに間接的に励振させられることもできる。これは、共
振させるよう励起するためビーム１６．１８へ基板を通
して伝送された熱応力を作り出すように、例えばダイヤ
フラム１４のような基板１２のもう１つの適当な部分上
に励振信号として役立つ被変調光を誘導することによっ
て達成される。
同様に、ビーム１６．１８は互いに平行なものとして記
述されているものの、特に、それが第１の基板内で切断
され次にダイヤフラム１４を含む第２の基板に融解結合
され一体のシリコン構造を形成することにより形作られ
ている場合（１９８９年５月３０日付で提出された米国
特許出願明細書第３５８、７７１号（Ｂａｒｔｈ他）に
記述されているようなもの）、互いに垂直であってもよ
い。
さらに、ビーム１６．１８をほぼ同等の振動数温度係数
（１°ＣあたりのＩｇ単位）を有するように配置するこ
ともでき、この場合、周波数ｒ１及びｆ２は、単に、周
波数の差ｆ＋　　　ｆｚで１つの信号を形成するミクサ
に適用される（又はこの周波数差での信号は、光電検出
器３６の出力端での信号から誘導されうる）、このとき
この周波数差は単に圧力を表わすものにすぎず（すなわ
ち温度依存性は無効になる）、圧力の計算のため出力回
路４８に適用される。
最後に、本書中の「光」という語は、可視光に限定され
ず、赤外光その他の適当な波長の放射線をも包含するも
のとして理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従った圧力センサーの上面をやや概
略的に示す図である。 第２図は、第１図のセンサーを含む圧力検知システムの
概略的ブロックダイヤグラムである。 １０・・・・・・センサー、　　１２・・・・・・矩形
単結晶シリコン基板、１４・・・・・・ダイヤフラム、
１６．１８・旧・・ビーム、２０．２２・・・・・・も
ち上がった部分、２４・・・・・・ビームがはまり込む
部域、３０・・・・・・光ファイバ、３２・・・・・・
圧力検知システム、３４・・・・・・光学カップラ、３
５・・・・・・レーザーダイオード、３６・・・・・・
光電検出器、３７・・・・・・増幅器、３８．４０・・
・・・・位相敏感検出器、４２．４４・・・・・・電圧
制御発振器、４６・・・・・・緩和器、４８・・・・・
・出力回路。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）物理的パラメータを検知するための固体センサー
    において、 基板の中に形成され検知すべきパラメータによりその振
    動数が左右されるように配慮されている第１の共振可能
    な部材；及び 第１のものに隣接して基板内に形成されているが検知す
    べきパラメータに対しほぼ感応しないように配慮されて
    いる第２の共振可能部材、を含むセンサーであって、両
    方の振動可能な部材は共に共通の光フォイバを介して振
    動すべく光学的に励振されるよう配慮されていることを
    特徴とするセンサー。
  2. （２）第１の振動可能な部材は、その中の張力が検知す
    べきパラメータにより影響されるようその各端部にてセ
    ンサー内に定着されている第１のビームを含んでおり、
    一方第２の振動可能な部材は、片端で自由な片持ち梁の
    形で第２のビームを含んでいることを特徴とする、請求
    項（１）に記載のセンサー。
  3. （３）第１のビームの端部は、検知すべきパラメータを
    成す圧力又は差圧を受けるべく配慮されたダイヤフラム
    に結合されていることを特徴とする、請求項（２）に記
    載のセンサー。
  4. （４）物理的パラメータを検知するための検知システム
    において、 基板中に形成され検知すべきパラメータによりその振動
    数が左右されるよう配慮された第１の共振可能な部材及
    び、第１のものに隣接して基板内に形成されているが検
    知すべきパラメータに対しほぼ感応しないように配慮さ
    れている第２の共振可能な部材を含む固体センサー；光
    ファイバ； 第１及び第２の振動可能な部材の共振を励起させるため
    、光ファイバを介して基板に光学的入力信号を印加する
    ための手段； 第１及び第２の振動可能部材から、それぞれ各々これら
    の部材の一方の振動数を表わす第１及び第２の光学信号
    を誘導するための手段；前記パラメータを表わし振動可
    能な部材の温度変化に対し補償させられた出力信号を生
    成するため、振動可能な部材から誘導された光学信号に
    対し呼応する手段； を含むようなシステム。
  5. （５）第１の振動可能部材は、その中の張力が検知すべ
    きパラメータにより影響されるようその各端部にてセン
    サー内に定着されている第１のビームを含んでおり、一
    方第２の振動可能部材は、片端で自由な片持ち梁の形で
    第２のビームを含んでいることを特徴とする、請求項（
    ４）に記載の検知システム。
  6. （６）第１のビームの端部は、検知すべきパラメータを
    成す圧力又は差圧を受けるべく配慮されたダイヤフラム
    に結合されていることを特徴とする、請求項（５）に記
    載の検知システム。
  7. （７）第１及び第２の振動可能な部材から誘導される光
    学信号は両方共、これら部材からの光の反射により誘導
    されること、（なお反射光は光ファイバを介して、前記
    第１及び第２の光学信号を含む複合光学信号として出力
    信号生成手段へと通過する）を特徴とする、請求項（４
    ）乃至（６）のいずれか１項に記載の検知システム。
  8. （８）出力信号生成手段には、部材から誘導された光学
    信号を受けとるよう結合された光電検出器ならびに各々
    部材のうちのそれぞれ一方の振動数に合わせてロックす
    るよう配慮され光電検出器の出力端に結合された第１及
    び第２の位相ロックループが含まれていることを特徴と
    する、請求項（４）乃至（７）のいずれか１項に記載の
    検知システム。
  9. （９）印加手段には、位相ロックループのそれぞれの出
    力を受けとり加算するように接続された加算増幅器なら
    びにこの加算増幅器により駆動される発光装置が含まれ
    ていることを特徴とする、請求項（８）に記載の検知シ
    ステム。
  10. （１０）発光装置はレーザーダイオードであることを特
    徴とする、請求項（９）に記載の検知システム。
  11. （１１）振動可能な部材はほぼ同等の振動数の温度係数
    を有するよう配置されており、出力信号生成手段には前
    記振動可能な部材のそれぞれの振動数の間の差に等しい
    周波数を有する信号の形で前記出力信号を生成するため
    の手段が含まれていることを特徴とする、請求項（４）
    乃至（１０）のいずれか１項に記載の検知システム。
  12. （１２）光ファイバは、光学入力信号を直接振動可能部
    材へと誘導し、これにより吸収させ又これを直接励振さ
    せるように配慮されていることを特徴とする、請求項（
    ５）乃至（１１）のいずれか１項に記載の検知システム
    。
JP1255130A 1988-09-29 1989-09-29 センサー Pending JPH02176533A (ja)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB888822877A GB8822877D0 (en) 1988-09-29 1988-09-29 Sensors
GB8822877.0 1988-09-29
GB898919573A GB8919573D0 (en) 1989-08-30 1989-08-30 Sensors
GB8919573.9 1989-08-30

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Country Status (6)

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US (2) US4972076A (ja)
EP (1) EP0371592B1 (ja)
JP (1) JPH02176533A (ja)
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