JPH04337432A - 振動式半導体トランスデュ−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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力或いは差圧などに
より生じる歪に対応する信号を出力する振動式半導体ト
ランスデュ−サに係り、特に振動子が格納されるセンサ
カプセルと駆動回路を含むセンサアンプとの間の気密を
保持するためのハ−メチック端子の接続本数を削減して
小形化が可能なように改良した振動式半導体トランスデ
ュ−サに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の振動式半導体トランスデュ
−サの電気的接続の全体構成を示す構成図である。１０
はセンサカプセルであり、１１はセンサアンプである。 これ等のセンサカプセル１０とセンサアンプ１１は１つ
の筐体の中に収納されているが、センサカプセル１０と
センサアンプ１１との間はこれ等の間の気密を保持する
ために複数のハ−メチック形の端子を介して信号などが
伝送される。

【０００３】センサカプセル１０の中にはシリコンの基
板１２に形成されたＨ形の構成を持つ振動子本体１３、
１４、温度センサ１５などが収納されている。振動子本
体１３の出力端１６、１７は検出端子１８Ａ、１９Ａに
、駆動端２０、２１は供給端子２２Ａ、２３Ａにそれぞ
れ接続されている。

【０００４】さらに、振動子本体１４の出力端２４、２
５は検出端子２６Ａ、２７Ａに、駆動端２８、２９は供
給端子３０Ａ、３１Ａにそれぞれ接続されている。また
、基板１２にダイオ−ドの直列接続により形成された温
度センサ１５はそのアノ−ド端が接続端子３２Ａに、カ
ソ−ド端が接続端子３３Ａにそれぞれ接続されている。 また、基板１２は共通端子３４Ａに接続されている。

【０００５】センサカプセル１０の検出端子１８Ａ、１
９Ａ、供給端子２２Ａ、２３Ａ、供給端子３０Ａ、３１
Ａ、接続端子３２Ａ、３３Ａ、共通端子３４Ａに対応し
て、センサアンプ１１にはそれぞれ検出端子１８Ｂ、１
９Ｂ、供給端子２２Ｂ、２３Ｂ、供給端子３０Ｂ、３１
Ｂ、接続端子３２Ｂ、３３Ｂ、共通端子３４Ｂが設けら
れている。これ等の端子は同一番号の添字Ａ、Ｂが一体
となってハ−メチック端子として構成されている。

【０００６】検出端子１８Ｂ、１９Ｂは入力トランス３
５の一次巻線に、その二次巻線は増幅器３６の入力端に
接続されている。増幅器３６の出力端は可変ゲイン増幅
器３７の入力端とＡＧＣ制御回路３８の入力端にそれぞ
れ接続され、このＡＧＣ制御回路３８の出力により可変
ゲイン増幅器３７のゲインが変更される。

【０００７】この可変ゲイン増幅器３７の出力端は駆動
トランス３９の一次巻線に接続されその二次巻線は供給
端子２２Ｂ、２３Ｂに接続されている。そして、振動子
本体１３、入力トランス３５、増幅器３６、ＡＧＣ制御
回路３７、可変ゲイン増幅器３７、駆動トランス３９な
どにより自励発振回路を構成している。さらに、この自
励発振回路の発振周波数ｆ１　はコンパレ−タ４０を介
して計数回路４１に出力される。

【０００８】ＡＧＣ制御回路３７は発振周波数ｆ１　の
振幅を検出してこれが所定の大きさになるように可変ゲ
イン増幅器３７のゲインを制御し、コンパレ−タ４０は
発振周波数ｆ１　の波形を整形する。検出端子２６Ｂ、
２７Ｂは入力トランス４２の一次巻線に、その二次巻線
は増幅器４３の入力端に接続されている。増幅器４３の
出力端は可変ゲイン増幅器４４の入力端とＡＧＣ制御回
路４５の入力端にそれぞれ接続され、このＡＧＣ制御回
路４５の出力により可変ゲイン増幅器４４のゲインが変
更される。

【０００９】この可変ゲイン増幅器４４の出力端は駆動
トランス４６の一次巻線に接続されその二次巻線は供給
端子３０Ｂ、３１Ｂに接続されている。そして、振動子
本体１４、入力トランス４２、増幅器４３、ＡＧＣ制御
回路４５、可変ゲイン増幅器４４、駆動トランス４６な
どにより自励発振回路を構成している。この自励発振回
路の発振周波数ｆ２　は発振周波数ｆ１　とは異なる周
波数であり、コンパレ−タ４７を介して計数回路４８に
出力される。ＡＧＣ制御回路４５は発振周波数ｆ２　の
振幅を検出してこれが所定の大きさになるように可変ゲ
イン増幅器４４のゲインを制御し、コンパレ−タ４７は
発振周波数ｆ２　の波形を整形する。

【００１０】４９は定電流回路であり、ここから一定の
定電流Ｉｃ　が接続端子３２Ｂ、３２Ａ、温度センサ１
５、接続端子３３Ａ、３３Ｂを介してシリコン基板１２
と接続された共通電位点ＣＯＭに流される。したがって
、温度センサ１５の両端にはこの温度センサ１５に発生
する基板１２の温度に依存する温度電圧ＶＴ　が発生し
、この温度電圧ＶＴ　は電圧／周波数変換器５０で周波
数信号ｆＴ　に変換されて計数回路５１に出力されてい
る。

【００１１】マイクロプロセッサ５２は計数回路４１、
４８で計数された計数値に基づいて、実質的に発振周波
数ｆ１　とｆ２　との差を演算し、さらに計数回路５１
の計数値に基づいてこれ等に対して温度補償を実行し、
基板１２に印加された差圧ΔＰなどに起因する歪に対応
する信号を出力端５３に出力する。

【００１２】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図４
を用いて説明する。図４（イ）はシリコン基板の上面図
、図４（ロ）はその断面図である。シリコン基板１２は
外径が矩形状をなしており、周囲に肉厚部５４を有し中
央部に凹部５５が形成されて薄肉状のダイアフラム５６
とされている。振動子本体１３はダイアフラム５６の上
部の中央部分に、振動子本体１４は肉厚部５４とダイア
フラム５６との境界部にそれぞれ形成されている。

【００１３】そして、図４（イ）に示すように振動子本
体１３のＨ形の長手方向の長さは振動子本体１４のＨ形
の長さに対して、例えば短くして振動子本体１３と１４
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１２は円形、或いは多角形でも良い
。図５（イ）に示すように凹部５５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
本体１３には引張応力が、振動子本体１４には圧縮応力
がそれぞれ働く。また、これとは反対に図５（ロ）に示
すようにダイアフラム５６の外部から圧力ＰＬ　が印加
されたときは振動子本体１３には圧縮応力が、振動子本
体１４には引張応力がそれぞれ働く。ＰＨ　＝ＰＬ　で
ある静圧下では等しく圧縮応力が働く。

【００１４】このため、圧力による振動子本体１３と１
４との固有振動数の変化の差をマイクロプロセッサ５２
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、振動子本体の具体的な
構成について説明する。振動子本体１３側と１４側との
自励発振回路の構成は基本的に同一であるので、振動子
本体１３側をベ−スとしてその概要について図６と図７
を用いて説明する。図６、図７は振動子自体の具体的な
構成を示す構成図である。図７は図６に示す振動子本体
の要部の構成を示し、図７（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、図７（ロ）は図７
（イ）のＸ−Ｘ´断面をそれぞれ示している。

【００１５】振動子本体１３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５６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１３Ａ
、１３Ｂと第２振動子１３Ｃ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５６は、周囲に肉
厚部（図示せず）５４を有するｎ形のシリコン基板の下
面の中央部をエッチングして薄肉として形成されており
、測定圧力が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５６の上面の結晶面（１
００）の一部にはエッチングにより各振動子が収納され
るＨ形状の凹部５７が形成されている。

【００１６】この凹部５７を跨ぐようにして、梁状の第
１振動子１３Ａ、１３Ｂがそれぞれ結晶軸＜００１＞に
平行にダイアフラム５６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１３Ｃ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１３Ａの両端には駆動電極として機能
する駆動端２０と２１が、更に第１振動子１３Ｂの両端
には出力電極として機能する出力端１６と１７が形成さ
れている。

【００１７】そして、出力端１６、１７はそれぞれ検出
端子１８Ａ、１９Ａに、駆動端２０、２１は供給端子２
２Ａ、２３Ａにそれぞれ接続されている。なお、以上の
図６、図７においては説明の便宜上、ダイアフラム５６
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振動子１３Ａ、１３Ｂ、および第２振動子１３Ｃ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５６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
フアクタが維持されるようになっている。

【００１８】以上の構成において、駆動トランス３９に
可変ゲイン増幅器３７から出力された駆動電圧により、
第一振動子１３Ａが磁石５８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１３
Ａは第二振動子１３Ｃを介して振動させられこの振動は
磁石５８との相互作用により入力トランス３５の入力端
に起電力ｅを発生させる。この起電力ｅは入力トランス
３５を介して増幅器３６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駆動トランス３９に
正帰還され、これが繰り返されて系が自励発振をする。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような振動式半導体トランスデュ−サのセンサカプセル
１０には、検出端子１８Ａ、１９Ａ、供給端子２２Ａ、
２３Ａ、検出端子２６Ａ、２７Ａ、供給端子３０Ａ、３
１Ａ、接続端子３２Ａ、３３Ａ、共通端子３４Ａの合計
１１本もの端子を必要とする。これ等の端子はセンサカ
プセル１０とセンサアンプ１１との間を気密を保持しな
がら電気的に接続する必要があるので、ハ−メチック端
子を必要とするが、このように多くの端子を用いるハ−
メチック端子を使用すると、大きなスペ−スを必要とす
るので耐圧力を保持するのが困難になると共に小形化の
障害ともなり、さらにコストの上昇につながるという問
題がある。

【００２０】

【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
板上に設けられた第１・第２のＨ形の振動子本体と、先
のシリコン基板に設けられこのシリコン基板の温度を検
出して温度信号として出力する温度センサと、各振動子
本体の出力端に接続される第１・第２の各一対の検出端
子と、温度センサと第１・第２のＨ形の前記振動子本体
の各駆動端とが直列に接続された供給端子とを有するセ
ンサカプセルと、第１の各検出端子に入力端が接続され
その出力端は先の供給端子に接続されて自励発振を起こ
して第１周波数を出力する第１増幅手段と、第２の各検
出端子に入力端が接続されその出力端は先の供給端子に
接続されて自励発振を起こして第２周波数を出力する第
２増幅手段と、先の供給端子に接続されて温度センサに
定電流を流す定電流手段と、第１周波数と第２周波数と
の差を演算すると共に先の供給端子に発生する温度信号
を用いて温度補正をして歪に対応する信号を出力する演
算手段を有するセンサアンプとを具備するようにしたも
のである。

【００２１】

【作　　用】第１振動子本体と第２振動子本体の各駆動
端と温度センサとに供給端子から第１増幅器側の第１周
波数を有する信号と第２増幅器側の第２周波数を有する
信号と温度を検出するための定電流とを同時に流し、信
号を検出する際に各振動子本体の固有振動数が各々異な
っておりさらに直流の定電流とも識別できる点を利用し
て、これ等を分離して検出する。このため、センサカプ
セルとセンサチップとを接続する端子の数を大幅に低減
することができ、これによりハ−メチック端子の大きさ
を小さくすることが可能となり、耐圧力性能を向上させ
ることができる。

【００２２】

【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。図１は本発明の１実施例の構成を示す構成図で
ある。なお、以下の説明においては、図３〜図７に示す
構成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。

【００２３】６０はセンサカプセル、６１はセンサアン
プである。センサカプセル６０は供給端子として２２Ａ
の他に６２Ａが設けられている。これ等の供給端子２２
Ａと６２Ａとの間には温度センサ６３と振動子本体１６
の駆動端２０、２１と振動子本体２４の駆動端２８、２
９とが直列に接続されている。また、センサアンプ６１
にはセンサカプセル６０に新たに設けられた供給端子６
２Ａに接続される供給端子６２Ｂが設けられ、この供給
端子６２Ｂは共通電位点ＣＯＭに接続されている。

【００２４】更に、可変ゲイン増幅器３７の出力端は供
給端子２２Ａと接続される供給端子２２Ｂにコンデンサ
６４を介して、可変ゲイン増幅器４４の出力端は供給端
子２２Ｂにコンデンサ６４を介してそれぞれ接続されて
いる。検出端子１８Ａと１８Ｂ、検出端子１９Ａと１９
Ｂ、検出端子２６Ａと２６Ｂ、検出端子２７Ａと２７Ｂ
もそれぞれ接続されている。

【００２５】そして、これ等の端子はセンサカプセル６
０とセンサアンプ６１との間を気密に保持するためにハ
−メチック端子として構成されている。定電流回路４９
は供給端子２２Ｂ、２２Ａを介して定電流ＩＣ　を温度
センサ６３、振動子本体１６の駆動端２０、２１、振動
子本体２４の駆動端２８、２９に直列に流す。この定電
流ＩＣ　により供給端子２２Ｂに発生した電圧はロ−パ
スフイルタ６６を介して電圧／周波数変換器５０に出力
される。その他の構成は第３図に示す振動式半導体トラ
ンスデュ−サとほぼ同一の構成である。

【００２６】以上の構成において、振動子本体１３の検
出端子（１８Ａ、１８Ｂ）と検出端子（１９Ａ、１９Ｂ
）、入力トランス３５、増幅器３６、ＡＧＣ制御回路３
７、可変ゲイン増幅器３７、コンデンサ６４、供給端子
（２２Ｂ、２２Ａ）、温度センサ６３、振動子本体１３
の駆動端（２０、２１）、振動子本体１４の駆動端（２
８、２９）、供給端子（６２Ａ、６２Ｂ）、共通電位点
ＣＯＭ、可変ゲイン増幅器３７の出力端のル−プにより
第１の自励発振回路６７を構成しており、可変ゲイン増
幅器３７の出力端には図２（イ）に示すように出力電圧
Ｖ０１が発生し、対応する発振周波数ｆ１　´（図２（
ホ））はコンパレ−タ４０を介して計数回路４１に出力
される。

【００２７】また、振動子本体１４の検出端子（２６Ａ
、２６Ｂ）と検出端子（２７Ａ、２７Ｂ）、入力トラン
ス４６、増幅器４３、ＡＧＣ制御回路４５、可変ゲイン
増幅器４４、コンデンサ６５、供給端子（２２Ｂ、２２
Ａ）、温度センサ６３、振動子本体１３の駆動端（２０
、２１）、振動子本体１４の駆動端（２８、２９）、供
給端子（６２Ａ、６２Ｂ）、共通電位点ＣＯＭ、可変ゲ
イン増幅器４４の出力端のル−プにより第２の自励発振
回路６８を構成しており、可変ゲイン増幅器４４の出力
端には図２（ロ）に示すように出力電圧Ｖ０２が発生し
、対応するその発振周波数ｆ２　´（図２（ヘ））はコ
ンパレ−タ４７を介して計数回路４８に出力される。

【００２８】この場合の振動子本体１４は図４（イ）に
示すように振動子本体１３とはそのＨ形の寸法が異なっ
ているので、その固有振動数は図２（イ）、（ロ）に示
すように振動子本体１３とは異なった固有周波数となっ
ている。このため、これらの第１、第２の自励発振回路
６７、６８の発振は独立にそれぞれ発振周波数ｆ１　´
とｆ２　´で動作し、振動子本体１３、１４の駆動端（
２０、２１）、（２８、２９）を直列に接続しても相互
干渉を起こすことはない。

【００２９】さらに、供給端子２２Ｂには定電流Ｉｃ　
により温度センサ６３の抵抗、振動子本体１３の駆動端
（２０、２１）の抵抗、および振動子本体１４の駆動端
（２８、２９）の抵抗の合成抵抗に対応して発生した直
流電圧Ｖｃ　（図２（ハ）が生じている。

【００３０】したがって、供給端子２２Ｂには図２（ニ
）に示すように定電流Ｉｃ　に発振周波数ｆ１　´とｆ
２　´を含む信号が重畳した電流Ｉｃ　´が流れる。ロ
−パスフイルタ６６は供給端子２２Ｂで発生した電圧の
うち発振周波数ｆ１　´とｆ２　´を含む交流成分を除
去して温度センサ６３で検出される温度に起因する直流
成分を取り出して電圧／周波数変換器５０に供給する。

【００３１】以上の点を考慮することにより、センサカ
プセル６０とセンサアンプ６１との間を接続するハ−メ
チックの端子の数を図３に示す１１個から６個に低減さ
せることができる。

【００３２】

【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、２個の振動子本体の有する固有振
動数が異なっている点に着目して、これ等の共通部分を
共用化するようにしてセンサカプセルとセンサアンプと
の間を接続する端子の数を低減し、これによりハ−メチ
ック端子の大きさを小さくして耐圧力設計を容易にする
共にコストの低減も達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示す構成図である。

【図２】図１に示す実施例の各部の波形を示す波形図で
ある。

【図３】従来の振動式半導体トランスデュ−サの構成を
示す構成図である。

【図４】図３に示すシリコン基板とその近傍の具体的な
構成を部分構成図である。

【図５】図４に示す部分構成の作用を説明する説明図で
ある。

【図６】図４に示す振動子本体の具体的な構成を示す構
成図である。

【図７】図６に示す振動子本体の上部を覆うシェルを除
去したときの構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１０、６０　　センサカプセル １１、６１　　センサアンプ １２　　シリコン基板 １３、１４　　振動子本体 １５、６３　　温度センサ １８Ａ、１８Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ　　検出端子２６Ａ、
２６Ｂ、２７Ａ、２７Ｂ　　検出端子２２Ａ、２２Ｂ、
３０Ａ、３０Ｂ、６２Ａ、６２Ｂ　　供給端子 ３６、４３　　増幅器 ３７、４４　　可変ゲイン増幅器 ４１、４８、５１　　計数回路 ５２　　マイクロプロセッサ ６６　　ロ−パスフイルタ ６７、６８　　自励発振回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定すべき歪が印加されるシリコン基板上
   に設けられた第１・第２のＨ形の振動子本体と、前記シ
   リコン基板に設けられこのシリコン基板の温度を検出し
   て温度信号として出力する温度センサと、前記各振動子
   本体の出力端に接続される第１・第２の各一対の検出端
   子と、前記温度センサと第１・第２のＨ形の前記振動子
   本体の各駆動端とが直列に接続された供給端子とを有す
   るセンサカプセルと、第１の前記各検出端子に入力端が
   接続されその出力端は前記供給端子に接続されて自励発
   振を起こして第１周波数を出力する第１増幅手段と、第
   ２の前記各検出端子に入力端が接続されその出力端は前
   記供給端子に接続されて自励発振を起こして第２周波数
   を出力する第２増幅手段と、前記供給端子に接続されて
   前記温度センサに定電流を流す定電流手段と、前記第１
   周波数と前記第２周波数との差を演算すると共に前記供
   給端子に発生する温度信号を用いて温度補正をして前記
   歪に対応する信号を出力する演算手段を有するセンサア
   ンプとを具備する振動式半導体トランスデュ−サ。