JPH03282341A - 振動式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〉 本発明は振動式半導体トランスデユーサに係り、特にシ
リコン基板上に形成された梁状の振動子をその振動子の
持つ固有振動数で振動させておき、このシリコン基板に
印加される力、圧力、或いは差圧などの物理量の変化に
対応して振動子に生じる固有周波数の変化からこれ等の
物理量を検出する振動式半導体トランスデユーサに関す
る。

〈従来の技術〉 第３図は従来の振動式半導体トランスデユーサの全体構
成を示す構成図である。

１０Ａ（ＩＯＢ）は入力端子１１Ａ（ＩＩＢ）、１２Ａ
（１２Ｂ）と出力端子１３Ａ（１３Ｂ）、１４Ａ（１４
Ｂ）とを有する入力トランスであり、１２Ａ（１２Ｂ）
は共通電位点ＣＯＭに接続されている。

その出力端子１３Ａ　（１３Ｂ）、１４Ａ　（１４Ｂ）
はＨ形をした振動子本体１５Ａ（１５Ｂ）の一方側に接
続されている。その他方側は出力トランス１６Ａ（１６
Ｂ＞の入力端子１７Ａ（１７Ｂ）１８Ａ（１８Ｂ＞に接
続されている。出力トランス１６Ａ（１６Ｂ）の出力端
子１９Ａ（１９Ｂ）２ＯＡ　（２０Ｂ）は増幅器２１Ａ
（２１Ｂ）の入力端子に接続されている。

増幅器２１Ａ（２１Ｂ）の出力端子は入力トランスｌ０
Ａ（ＩＯＢ）の入力端子１１Ａ（ＩＩＢ＞に接続される
と共に計数回路２２Ａ　（２２Ｂ）に接続されている。

マイクロプロセッサ２３は計数回路２２Ａと２２Ｂで得
た周波数信号ｆＡ、ｆ、の差を演算し、必要に応じてこ
れ等に対して各種の補正演算を実行して出力端２４に出
力する。

次に、以上のように構成された振動子本体が固定される
シリコン基板の具体的な構成について第４図を用いて説
明する。

第４図（イ）はシリコン基板の上面図、第４図（ロ）は
その断面図である。

シリコン基板２５は外径が矩形状をなしており、周囲に
肉厚部２６を有し中央部に凹部２７が形成されて薄肉状
のダイアフラム２８とされている。

振動子本体１５Ａはダイアフラム２８の上部の中央部分
に、振動子本体１５Ｂは肉厚部２６とダイアフラム２８
との境界部にそれぞれ形成されている。そして、第４図
（イ）に示すように振動子本体１５ＡのＨ形の長手方向
の長さは振動子本体１５ＢのＨ形の長さに対して、例え
ば短くして振動子本体１５Ａと１５Ｂとが互いに異なる
固有周波数になるようにされている。なお、シリコン基
板２５は円形、或いは多角形でも良い。

第５図（イ）に示すように凹部２７側から例えば圧力Ｐ
Ｈが印加されたときは図中に矢印で示すように振動子率
＃１５Ａには引張応力が、振動子本体１５Ｂには圧縮応
力がそれぞれ働く、また、これとは反対にダイアフラム
２８の外部から圧力ＰＬが印加されたときは振動子本体
１５Ａには圧縮応力が、振動子本体１５Ｂには引張応力
がそれぞれ働＜、ＰＨ＝ＰＬである静圧下では等しく圧
縮応力が働く。

このなめ、圧力による振動子本体１５Ａと１５Ｂとの固
有振動数の変化の差をマイクロプロセッサ２３で演算す
ることにより静圧の影響を相殺しながら感度を大きくす
ることができる。

次に、振動子自体の具体的な構成を含む自励発振回路に
付いて説明する。添字がＡ側の自励発振回路と添字がＢ
側の自励発振回路の構成は基本的に同一であるので、Ａ
ｌｊｌをベースとしてそめ概要について第６図と第７図
を用いて説明する。

第６図は振動子自体の具体的な構成を含む自励発振回路
の構成を示す構成図である。第７図は第６図に示す振動
子本体の要部の構成を示し、第７図（イ）は振動子本体
の上部を覆うシェルを除去したときの上面図、第７図（
ロ）は第７図（イ）のＸ−Ｘ−断面を示している。

振動子本体１５Ａは、例えば伝導形式がｎ形のシリコン
単結晶で出来たダイアフラム２８の上に一体に形成され
たｐ形のシリコンで出来た第１振動子２９Ａ、３０Ａと
第２振動子３１Ａで構成されるＨ形の振動子として構成
されている。

ダイアフラム２８は、周囲に肉厚部（図示せず）２６を
有するｎ形のシリコン基板の下面の中央部をエツチング
して薄肉として形成されており、測定圧力かこの面に印
加されることによって全体として変位する。このダイア
フラム２８の上面の結晶面（Ｚｏｏ）の一部にはエツチ
ングにより各振動子が収納されるＨ形状の凹部３２Ａが
形成されている。

この凹部３２Ａを跨ぐようにして、梁状の第１振動子２
９Ａ、３０Ａがそれぞれ結晶軸く００１〉に平行にダイ
アフラム２８と一体にｐ形で形成され、これ等の中央部
をこれ等の振動子に直角にｐ形の梁状の第２振動子３１
Ａで結合してＨ形の振動子が形成されている。

この第１振動子２９Ａの両端には＠極３３Ａと３４Ａが
、更に第１振動子３０Ａの両端には電極３５Ａと３６Ａ
が形成されている。

第２振動子３１Ａの上部にはこれと平行に磁石３７Ａが
配置され、第１振動子２９Ａ、３０Ａに直角に磁場を発
生させている。

励振手段として機能する入力トランスＩＯＡの出力端子
は電極３３Ａ、３４Ａに、その入力端子１１Ａは増幅器
２１Ａの出力端子に、入力端子１２Ａは共通電位点ＣＯ
Ｍにそれぞれ接続されている。

振動検出手段として機能する出力トランス１６Ａの入力
端子は電極３５Ａ、３６Ａに接続され、その出力端子１
９Ａ、２ＯＡは増幅器２１Ａの入力端にそれぞれ接続さ
れている。

なお、以上の第６図、第７図においては説明の便宜上、
ダイアフラム２８の上部を覆うシェルを除いて記載して
いるが、実際には第１＠動子２９Ａ、３０Ａ、および第
２振動子３１Ａの周囲は所定の間隙を以てエピタキシャ
ル成長などの半導体技術でダイアフラム２８と一体に覆
われ、更にこの間隙の内部は真空に保持され振動子の振
動に対して高いＱファクタが維持されるようになってい
る。

以上の構成において、入力トランスＩＯＡに増幅器２１
Ａから入力された電圧により、第一振動子２９Ａが磁石
３７Ａの磁場との相互作用により励振されて振動する。

この振動により、第一振動子２９Ａは第二振動子３１Ａ
を介して振動させられこの振動は磁石３７Ａとの相互作
用により出力トランス１６Ａの入力端に起電力ｅを発生
させる。

この起電力ｅは出力トランス１６Ａを介して増幅器２１
Ａに入力され増幅されて出力端に取出される。この増幅
された電圧は入力トランスＩＯＡに正帰還され、これが
繰り返されて系が自励発振をする。

以上のように、振動子本体１５Ａは励振用の第一振動子
２９Ａと、起電力検出用の第一振動子３０Ａとに分けら
れ、第二振動子３１Ａで第一振動子２９Ａと３ＯＡの振
動の腹の部分を機械的に結合するようにしたので、励振
電流１が起電力ｅに重畳せず、高い励振成分除去比（Ｓ
／Ｎ比）が得られる。

〈本発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、以上のような従来の振動式半導体トラン
スデユーサでは、静圧を相殺しながら感度を向上させる
なめに自励発振回路を２系統用意する必要があるので、
入力トランス２個と出力トランス２個との合計４個のト
ランスを必要とし、このため実装上多くのスペースをｆ
ｉ保せねばならず、コスト高となっている。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、以上の課題を解決するために、測定すべき歪
が印加されるシリコン基板上に設けられた一対の振動子
本体に入力トランスを介して交流電流が流され、これ等
の振動子本体に印加された磁場との相互作用により発生
する起電力を各出力トランスを介して各増幅器で増幅し
、これ等の増幅器出力を入力トランスに帰還して自励発
振する一対の自励発振ループを有し、各自励発振ループ
で得られる周波数差から歪に対応する出力信号を得る振
動式半導体トランスデユーサにおいて、入力トランスの
入力端子に各増幅器出力をそれぞれ印加して合成し、そ
の出力端子から各振動子本体に共通に交流′ｒ４流を流
すようにしたものである。

く作　用〉 一対の振動子本体による固有振動数はそれぞれ異なって
いるので、２個の自励発振ループに各々含まれる振動子
本体は互いに一方の振動子本体の固有周波数では他方の
振動子本体が振動しない関係にある。

このため、入力トランスの入力端子に各増幅器出力をそ
れぞれ印加して合成し、この入力トランスの出力端子か
ら各振動子本体に共通に交流電流を流しても他の自励発
振ループに影響を与えることはなく、このため入力トラ
ンスを１個とすることができる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。第
１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図である。な
お、従来の振動式半導体トランスデユーサと同一の機能
を有する部分については同一の符号を付して適宜にその
説明を省略する。

４０は入力トランスであり、この入力トランス４０はＮ
ｌ、Ｎ２の２つの１次巻線と、１つの出力巻線Ｎ３を有
している。

入力巻線Ｎ１は入力端子４１と４２に、入力巻線Ｎ２は
入力端子４３と４４に、出力巻線Ｎ３は出力端子４５．
４６にそれぞれ接続され、さらに入力端子４２と４３は
それぞれ共通電位点ＣＯＭに接続されている。さらに、
入力端子４１と４４は増幅器２１Ａと２１Ｂの出力端に
それぞれ接続されている。

そして、入力トランス４０は回路側の消費電流を低減さ
せるために巻線数をＮｌ、Ｎ２＞Ｎ３の関係になるよう
にして電流増幅作用を持たせ、また出力トランス１６Ａ
、１６Ｂは電圧増幅作用を持たせるために、１次巻線数
く２次巻線数、の関係になるように選定されである。

出力端子４５は振動子本体１５Ａの電極３３Ａと振動子
本体１５Ｂの電極３３Ｂに、出力端子４６は振動子本体
１５Ａの電極３４Ａと振動子本体１５Ｂの電極３４Ｂに
接続されている。

その他の構成は、第３図〜第７図に示す構成とほぼ同様
な構成である。

以上の構成において、振動子本体１５Ａ、出力トランス
１６Ａ、増幅器２１Ａ、入力トランス４０、振動子本体
１５Ａで構成されるループで固有振動数で１を持つ第１
の発振ループを形成し、振動子本体１５Ｂ、出力トラン
ス１６Ｂ、増幅器２１Ｂ、入力トランス４０、振動子本
体１５Ｂで構成されるループで固有振動数で２を持つ第
２の発振ループを形成している。

この場合に、振動子本体１５Ａは固有振動数で２では共
振せず、逆に振動子本体１５Ｂは固有振動数ｆ１では共
振しない、したがって、入力トランス４０を振動子本体
１５Ａ側と１５Ｂ側とに共用しても同等問題が生じない
。これは、振動子本体１５Ａ、１５Ｂが各々周波数ｆ１
、ｆ２のバンドパスフィルタを形成するからである。

第２図は本発明の他の実施例を示す構成図である。

この実施例は、第１図に示すように入力トランスそれ自
体に周波数混合の機能を持たせる代りに、１次巻線と２
次巻線を各々１つだけ有する入力トランス４１を用いて
この前段に周波数混合用の増幅器４２を設けて、この入
力端に増幅器２１Ａ、２１Ｂの出力を印加しその出力端
に生じる出力電圧で入力トランス４１を駆動するように
したものである。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、１対の自励発振ループに共通した入力トランスを
用いるようにしたので、従来に比べて実装スペースが少
なくてすみ、またより安価な振動式半導体トランスデユ
ーサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は本発明の他の実施例の構成を示す構成図、第３図は従
来の振動式半導体トランスデユーサの全体構成を示す構
成図、第４図は（イ）はシリコン基板の上面図、第４図
（ロ）はその断面図、第５図（イ）（ロ）は第４図に示
すシリコン基板に圧力が印加されたときの動作について
説明する説明図、第６図は振動子自体の具体的な構成を
含む自励発振回路の構成を示す構成図、第７図は第６図
に示す振動子本体の要部の構成を示す構成図である。 １０Ａ、ＩＯＢ・・・入力トランス、１５Ａ、１５Ｂ・
・・振動子本体、１６Ａ、１６Ｂ・・・出力トランス、
２１Ａ、２１Ｂ・・・増幅器、２２Ａ、２２Ｂ・・・計
数回路、２３・・・マイクロプロセッサ、２５・・・シ
リコン基板、２８・・・ダイアフラム、４０．４１・・
・入力トランス。 Ｋ 〈 げ） 第４ 図 第５図 に） 第７図 （イ） （ロ） ＪｚＡｔ！ｉｌ即

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　測定すべき歪が印加されるシリコン基板上に設けられ
   た一対の振動子本体に入力トランスを介して交流電流が
   流され、これ等の振動子本体に印加された磁場との相互
   作用により発生する起電力を各出力トランスを介して各
   増幅器で増幅し、これ等の増幅器出力を前記入力トラン
   スに帰還して自励発振する一対の自励発振ループを有し
   、各自励発振ループで得られる周波数差から前記歪に対
   応する出力信号を得る振動式半導体トランスデューサに
   おいて、前記入力トランスの入力端子に前記各増幅器出
   力をそれぞれ印加して合成し、その出力端子から各振動
   子本体に共通に交流電流を流すようにしたことを特徴と
   する振動式半導体トランスデューサ。