JPH0413941A - 圧力センサ - 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］ この発明は、低真空領域の圧力を振動子に対する気体の
密度変化を利用して検出する圧力センサに関する。

［従来の技術］ 従来、低真空領域の圧力を振動子に対する気体の密度変
化を利用して検出する圧力センサが知られているが、こ
のものにあっては、音叉型に加工した水晶振動子を用い
ている（真空Ｖｏ１．３０゜Ｎｏ９　（１９８７）Ｐ７
０６〜Ｐ７１４　ｒ水晶摩擦真空計と密度真空計の理論
」参照）。

また、スピーカを用い、低真空領域の圧力の変化により
気体の密度が変化し、これにより音響インピーダンスが
変化することを利用するものもある（電子通信学会技術
報告書Ｖｏｌ、８６　　Ｎｏ。

２８０「音響振動形真空計」参照）。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の音叉型に加工した水晶振動子を用いている圧力セ
ンサは、水晶振動子は圧電素子としての能率が高く周囲
の影響を受は難い。ため、稀薄な大気に対する感度が良
くないという課題があった。

また、低真空領域の圧力の変化により気体の密度が変化
し、これにより音響インピーダンスが変化することを利
用する圧力センサは、スピーカを用いるため、小型化に
は限界があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、感度を向上すると共に小型化を図れる圧力セ
ンサを得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わる圧力センサは、片持ち支持された単結
晶シリコン等の弾性材からなる振動基板と、振動基板上
に設けられた第１の電極と、第１の電極上に設けられた
超音波振動子と、超音波振動子上に設けられた第２の電
極と、第１の電極と第２の電極とに接続された発振器と
、振動基板の共振周波数を検出する検出手段と、共振周
波数またはインピーダンスを圧力に変換する変換手段と
を備え、発振器により発振される超音波振動子の伸縮に
より振動基板の先端側を交互に反対方向へ弾性変形させ
て気体の密度変化による振動基板の共振周波数またはイ
ンピーダンスを検出することにより圧力を検出すること
を特徴とするものである。

また、前記シリコン等の弾性材からなる振動基板上に振
動基板の共振周波数またはインピーダンスを検出して圧
力に変換する処理回路を設けても良い。

［作用］ この発明における圧力センサは、第１の電極と第２の電
極とに接続された発振器により超音波振動子を発振させ
て伸縮し、超音波振動子の伸縮により片持ち支持された
単結晶シリコン等の弾性材からなる振動基板の先端側を
交互に反対方向へ共振し、気体の密度変化による振動基
板の共振周波数またはインピーダンスを検出手段により
検出し、検出手段が検出した共振周波数またはインピー
ダンスを変換手段により圧力に変換して圧力を検出する
。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

圧力センサ１０は、第１図および第２図に示すように、
２５ｍｍ角の単結晶シリコンウェハ１２を有しており、
単結晶シリコンウェハ］２の中央部分には片持ち支持さ
れた振動基板１２ａ（約１ｍｍＸ２ｍｍ）がエツチング
法により形成されており、振動基板１２ａの先端側はコ
字状の開口部１２ｂにより囲まれている。

そして、振動基板１２ａおよびその基部１２ｃ上にはア
ルミニュウムの第１の電極１４が真空蒸着されており、
第１の電極１４上にはＺｎＯからなる超音波振動子１６
がスパッタ法により設けられている。

更に、超音波振動子１６上にはアルミニュウムの第２の
電極１８が真空蒸着されており、第１の電極１４と第２
の電極１８との間には可変周波数発振器２０およびイン
ピーダンス検出器２８が並列に接続されている。

また、可変周波数発振器２０にはスキャン回路３０が接
続されており、スキャン回路３ｏには周波数を圧力に変
換する変換器２４が接続されており、変換器２４から圧
力信号が得られるようになっている。

そして、インピーダンス検出器２８には、インピーダン
スを圧力に変換する変換器２４が接続されており、変換
器２４はインピーダンスを圧力に変換するモードと周波
数を圧力に変換するモードとに切り替えられるようにな
っている。

また、本出願人は、真空度の変化における圧力センサ１
０の特性を実験により確認している。

なお、この実験においては便宜上インピーダンス（成分
としては抵抗とりアクタンス）の代わりに、インピーダ
ンスの逆数（成分としてはコンダクタンスとサセプタン
ス）を測定した。

この実験は、真空チャンバー内に圧力センサ］０を置き
、真空チャンバー内の圧力を１０’Ｔｏｒｒ位の真空度
に保つ。

そして、シュルツゲージ（１０’　〜１００Ｔｏｒｒを
測定可能）および差圧計（１０〜１０”Ｔｏｒｒを測定
可能）により真空チャンバー内の真空度をモニタしなが
ら室温（２５℃）の空気を導入して圧力を調節し、圧力
定常状態での圧力センサー０の圧力に対するコンダクタ
ンスＧ　　の変化、共ａｘ 振周波数におけるサセプタンスＢ１と反共振周波数にお
けるサセプタンスＢ２との差ΔＢ１圧力に対する中心共
振周波数ｆ。の変化、および共振の鋭さ（Ｑ値）の変化
を測定した。

直列共振周波数ωＳにおけるコンダクタンスＧ　　は、
基本振動モードの場合、１０−５〜■ａｘ １０”Ｔｏｒｒの圧力範囲において、ｌｏｇ　Ｐに対し
て負の相関を示す（第３図（ａ）参照）。また、高次振
動モード場合、１０−１〜大気圧において負の相関を示
すが、１０〜１０−１Ｔｏｒｒの圧力範囲では飽和特性
を示す（第３図（ｂ）参照）。

また、基本振動モードの共振周波数におけるサセプタン
スＢｔと反共振周波数におけるサセプタンスＢ２との差
ΔＢは第４図のように変化し、１０２Ｔｏｒｒ付近に圧
力に対するΔＢの変曲点があり、１０−’Ｔｏｒｒ以下
の圧力では飽和特性を示している（第４図（ａ）参照）
。

一方、高次振動モードでは１０２Ｔｏｒｒ付近にΔＢの
変曲点は認められず、１０−１Ｔｏｒｒ以下の圧力でΔ
Ｂは圧力に対して正の相関を示した（第４図（ｂ）参照
）。

更に、圧力に対する中心共振周波数ｆ。は、基本振動モ
ードおよび高次振動モードにおいて、１０　−１０’　
Ｔｏｒｒの圧力範囲では飽和特性を示し、１０１〜大気
圧において負の相関を示す（第５図（ａ）および（ｃ）
参照）。

そして、圧力に対する共振の鋭さ（Ｑ値）は、基本振動
モードおよび高次振動モードにおいて、１０〜１０°Ｔ
ｏｒｒの圧力範囲では飽和特性を示し、１０°〜大気圧
において負の相関を示す（第６図（ａ）および（ｂ）参
照）。

以上のことにより、コンダクタンスＧ　　１共ａｘ 振周波数におけるサセプタンスＢ　と反共振周波■ 数におけるサセプタンスＢ２との差ΔＢ１中心共振周波
数ｆ。、および共振の鋭さ（Ｑ値）は、１０　〜１０３
Ｔｏｒｒの圧力範囲にわたって圧力依存性があることが
、確認されており、圧力依存性は振動モードにより変わ
るものがあることが確認されている。

ついで、本実施例の作用について説明する。

周波数を圧力に変換するモードを選択した場合、圧力セ
ンサー０により低真空領域の圧力を検出する場合、超音
波振動子１６は可変周波数発振器２０により発信されて
伸縮し、超音波振動子１６の伸縮により振動基板１２ａ
は先端側を交互に反対方向へ弾性変形させて振動する。

この際、スキャン回路３０は、例えばスキャン範囲９〜
１１ＫＨｚ、繰り返し周波数ＩＨｚで周波数をスキャン
しており、圧力変化によりコンダクタンスＧ　　１共振
周波数におけるサセプタンａｘ スＢ１と反共振周波数におけるサセプタンスＢ２との差
ΔＢ１中心共振周波数ｆ。、および共振の鋭さ（Ｑ値）
が変化し、コンダクタンスＧ　　。

ａｘ 共振周波数におけるサセプタンスＢ　と反共振周波数に
おけるサセプタンスＢ２との差ΔＢ１中心共振周波数ｆ
。、および共振の鋭さ（Ｑ値）の変化による周波数の変
化を検出する。

そして、スキャン回路３０は検出した周波数を変換器２
４へ入力し、変換器２４は入力された周波数を圧力に変
換して出力する。

また、インピーダンスを圧力に変換するモードを選択し
た場合、インピーダンス検出器２８によりインピーダン
スを検出し、検出したインピーダンスを変換器２４によ
り圧力に変換する。

なお、上述実施例においては、可変周波数発振器２０、
変換器２４、インピーダンス検出器２８およびスキャン
回路３０を単結晶シリコンウェハ１２外に設けていたが
、これに限らず、第７図に示すように、可変周波数発振
器２０．変換器２４、インピーダンス検出器２８および
スキャン回路３０等を集積した処理回路としてのＩ　Ｃ
２６を単結晶シリコンウェハ１２上に設けても良い。

このようにした場合、Ｉ　Ｃ２６は、第８図に示すよう
に、第１の電極コ４と第２の電極１８との間に接続され
た可変周波数発振器２０、第１の電極１４と第２の電極
１８との間に接続されたインピーダンス検出器２８、可
変周波数発振器２０に接続されスキャン回路３０．スキ
ャン回路３０およびインピーダンス検出器２８に接続さ
れてインピーダンスを圧力に変換するモードと周波数を
圧力に変換するモードとに切り替えられる変換器２４、
および変換器２４に接続されたｌ１０３２とからなって
いる。

更に、ｌ１０３２には圧力を出力する出力ポート３４お
よび電力およびその他の信号を入力する複数の入力ポー
ト３６が設けられている。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、超音波振動子
の伸縮により片持ち支持された単結晶シリコン等の弾性
材からなる振動基板の先端側を交互に反対方向へ弾性変
形して気体の密度変化による振動基板の共振周波数また
はインピーダンスを検出して圧力に変換するように構成
したので、水晶振動子に比して周波数変化か大きくなり
、稀薄な大気に対する感度を向上することかできる。

また、シリコン等の弾性材からなる振動基板上に振動基
板の共振周波数またはインピーダンスを検出して圧力に
変換する処理回路を設けたので、スピーカ等を必要とせ
ず、装置の小型化を図ることができ、これにより大量に
均質な圧力センサを供給することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例による圧力センサの構成
を示す概略図、 第２図は、この発明の一実施例による超音波振動子を示
す斜視図、 第３図は、圧力に対する圧力センサのコンダクタンスの
変化を示す図、 第４図は、圧力に対する圧力センサのΔＢの変化を示す
図、 第５図は、圧力に対する圧力センサの中心共振周波数の
変化を示す図、 ］　２ 第６図は、圧力に対する圧力センサのＱ値の変化を示す
図、 第７図は、この発明の他の実施例の圧カセンザの構成を
示す概略図、 第８図は、この発明の他の実施例のＩＣの構成を示すブ
ロック図である。 １０　・・　圧力センサ １２ａ　　・・・　振動基板 １４　・・・　第１の電極 １６　・・・　超音波振動子 １８　・・・　第２の電極 ２０　・・・　発振器 ２８．３０　　・・・　検出手段（インピーダンス検出
器、スキャン回路） ２４　・・・　変換器 ２６　・・・　処理回路 出願人　ア　ロ　カ　株　式　会　社 代理人　弁理士　吉田研二［Ｄ−５７］（外２名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　低真空領域の圧力を振動子に対する気体の密度
   変化を利用して検出する圧力センサにおいて、片持ち支
   持された単結晶シリコン等の弾性材からなる振動基板と
   、振動基板上に設けられた第１の電極と、第１の電極上
   に設けられた超音波振動子と、超音波振動子上に設けら
   れた第２の電極と、第１の電極と第２の電極とに接続さ
   れた発振器と、振動基板の共振周波数またはインピーダ
   ンスを検出する検出手段と、共振周波数またはインピー
   ダンスを圧力に変換する変換手段とを備え、超音波振動
   子は発振器により発振され、発振された超音波振動子の
   伸縮により振動基板の先端側を交互に反対方向へ弾性変
   形させて気体の密度変化による振動基板の共振周波数ま
   たはインピーダンスを検出することにより圧力を検出す
   ることを特徴とする圧力センサ。
2. （２）　前記シリコン等の弾性材からなる振動基板上に
   振動基板の共振周波数またはインピーダンスを検出して
   圧力に変換する処理回路を設けたことを特徴とする請求
   項１に記載された圧力センサ。