JPH0472530A - 振動式トランスデューサ - 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、振動式トランスデユーサに係り、特にシリコ
ン基板に形成し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加えられ
る力、圧力、或いは差圧などの物理量に対応して振動子
に生する固有振動数の変化からこれ等の物理量を検出す
る振動式トランスデユーサに関する。

〈従来の技術〉 第３図〜第６図は従来の振動式トランスデユーサの一実
施例の構成を示す構成図である。

第３図は振動式トランスデユーサを圧力センサとして用
いた構成したときの斜視図、第４図は第３図におけるＡ
部を拡大しこれに振動検出回路を接続した構成図、第５
図は第４図におけるＡ−Ａ−断面を示す断面図、第６図
は第４図に示す構成を電気的な等価回路で示した説明図
である。

第３図に示すように、１０はその上面が結晶面（１００
）を有する例えば不純物濃度１０”ｆｆｉ子／　ｃ　ｍ
　”以下で伝導形式がｐ形のシリコン単結晶の基板であ
る。この基板１０の一方の面にダイアフラム１１が裏面
からエツチングにより掘り起こされて薄肉に形成されて
いる。

このダイアフラム１１の周辺の厚内部１２は中央に導圧
孔１３をもつ台Ｊｉ１４に接合され、更にこの台１ｔｉ
１４は導圧孔１３と貫通するように導圧管１５が接合さ
れて、この導圧管１５に測定すべき圧力Ｐが導入される
。

このダイアフラム１１の符号Ａで示す前記エツチングし
ない側の表面には部分的に不純物濃度１０１７程度のｎ
＋拡散層（図では省略）が形成され、このｎ＋拡散層の
一部に振動子１６が結晶軸＜００１＞方向に形成されて
いる（第４図）、この振動子１６は例えばダイアフラム
１１に形成されたｎ”層および２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。

１７は振動子１６の略中央上部に振動子１６に直交して
非接触の状態で設けられた磁石であり、１８は絶縁膜と
してのＳ　ｉ　Ｏ２膜である（第５図参照）。

１９ａ、１９ｂは例えばＡｌなどの金属電極であり、こ
の金属電極１９ａの一端は振動子１６から延長しなｎ“
層にＳ　ｉ　０２層を介して設けたコンタクトホール２
０ａを通じて＃枕され、その他端はリード線を介して振
動子１６の抵抗値にほぼ等しい比較抵抗ＲＯの一端と増
幅器２１の入力端にそれぞれ接続されている。増幅器２
１の出力端からは出力信号が取り出されると共にトラン
ス２２の一部コイルし、の一端に接続されている。この
コイルＬ、の他端はコモンラインに接続されている。

一方、比較抵抗Ｒ０のｅ端は中点がコモンラインに接続
されたトランス２２の２次コイルＬ２の一端に接続され
、この２次コイルＬ２のｆｌ！！端は振動子１６の他端
に前記同様に形成された金属電極１９ｂ、コンタクトホ
ール２０を介してｎ＋層に接続されている。

以上の構成において、Ｐ形層（基板１０）とｎ”形層（
振動子１６）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、
振動子１６に交流電流ｉを流すと振動梁１６の共振状態
において振動子１６のインピーダンスか上昇するがこの
ときのインピーダンスをＲとすると第６図に示すような
等価回路を得る。

従って、中点Ｃ０をコモンラインに接続した２次コイル
Ｌ２、比較抵抗Ｒ０、およびインピーダンスＲ０により
ブリッジが構成されるので、このブリッジによる不平衡
信号を増幅器２１で検出しその出力を帰還線２３を介し
て１次コイルし、に正帰還すると、系は振動子１６の固
有振動数で自励発振を起こす。

上記構成において、振動梁１６のインピーダンスＲは固
有振動数に応じて上昇する。このインとダンスＲは、次
式のように表わすことができる。

Ｒ中（１／２２２）　　・　（１／（Ｅｇγ）　Ｉ７２
　）（ＡＢ’　ｌ’　／ｂｈ２　）　・Ｑ十Ｒｄここで
、Ｅは弾性率、ｇは重力加速度、γは振動子を構成して
いる材料の密度、Ａは振動モードによって決まる定数、
Ｂは磁束密度、！は振動梁の長さ、ｂは振動梁の幅、ｈ
は振動梁の厚さ、Ｑは共振の鋭さ、Ｒ，は直流抵抗値で
ある。

上式によれば振動子１６のＱが数百〜敵方の値をとるた
め、共振状態において増幅器２１の出力として、大きな
振幅信号を得ることかできる。このように振動式トラン
スデユーサは増幅器２１のゲインを充分大きくとって正
帰還するように構成すればその系は固有振動数で自励発
振する。

〈発明か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トランスデユーサは
、第５図に示すように永久磁石１７を用いて磁場を形成
している。このなめ磁石１７を振動子１６の近傍に配置
する必要があり、小形化の障害となり、組立性も良くな
い。さらに、磁石１７と振動子１６との間隙を正確に保
持する必要があるが、この寸法を出すのか難しい。

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、測定すべき物
理量に対応する歪か印加されるダイアフラム上に形成さ
れた梁状の振動子と、この振動子に近接して形成され前
記振動子の受ける張力に対応する歪を検出して歪信号を
出力する歪検出素子と、前記振動子にほぼ平行して配置
され前記振動子の少なくとも近傍に磁場を印加する線条
電流体と、前記磁場と前記振動子に流れる励６！を流と
の相互作用により電磁力を発生させこれにより前記歪信
号を発生させるように前記振動子に励振電流を正帰還さ
せて自励発振回路を形成する増幅手段とを具備し、この
自励発振回路の周波数を前記物理量に対応する出力信号
として取り出すようにしたものである。

〈作　用〉 増幅手段は振動子に励振を流を流し、この振動子に平行
して印加された磁場との相互作用によりこの振動子を振
動させて歪検出素子に歪信号を発生させ、この歪信号を
増幅手段に入力させて系全体として自励発振している。

この場合に、測定すべき物理量の印加によりダイアフラ
ムが歪むとこれに伴ない振動子の張力が変化し、自励発
振の周波数が変化する。

この周波数の変化は測定すべき物理量の大きさに対応し
ているので、この周波数の変化を検出することにより物
理量を検出することができる。

〈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。

２４はシリコンのダイアフラム１１の上に例えば３次元
リソグラフィ技術などを用いて形成されたシリコンの振
動子である。この振動子２４の固定端の近傍に歪検出素
子として機能するピエゾ抵抗素子２５が形成されている
。

このピエゾ抵抗素子２５には図示しない定電流源から端
子２６を介して定を流ｉｃが供給されている。

この定電流ｉｃによってピエゾ抵抗素子２５に発生した
歪信号Ｓｖは抵抗Ｒ１を介して出力端と入力の一端との
間に抵抗Ｒ２が接続された増幅器２７に印加されている
。この入力の他端は共通電位点ＣＯＭに＃枕されている
。また出力端からは励振電流ｉｅの一部の励振電流ｔｅ
ｌが振動子２４に流され、その周囲に磁場Ｂ１を発生さ
せている。

この振動子２４にはこれに平行してこの振動子２４と同
様な構成の梁状の線条を流体として機能する振動子２８
が接続され励振を流ｉｅの他の一部の励振電流ｉｅ２が
分流しており、これによってその周囲に磁場Ｂ２を発生
させている。この場合に、振動子２８は３次元リングラ
フィ技術により振動子２４に対して１０μｍ程度まで接
近して配置させることができ、更にその誤差は１μｍぐ
らいまでの範囲内に収めることができる。

次に以上のように構成された振動式トランスデユーサの
動作について説明する。

まず、ダイアフラム１１に測定すべき物理量が印加され
ない状態について説明する。

増幅器２７からはｓｉｎ波状の励振電流ｉｅが振動子２
４．２８にそれぞれ分流して同方向に流れる。この結果
、振動子２４．２８は電磁力によって互いに離れる方向
（外側）に変位するが、この変位は励振電流１ｅがｓｉ
ｎ波状にその大きさが変化するので、振動子２４．２８
には周期的に変化する張力が印加される。

従って、振動子２４の固定端の近傍に配置されたピエゾ
抵抗素子２５には周期的に変化する歪が発生し、その抵
抗値Ｒｇが変化する。

この場合に、ピエゾ抵抗素子２５に流す定電流ｉｃを５
０μＡ＝５Ｘ１０−　’　Ａとし、ピエゾ抵抗素子２５
の長さ１１を５０μｍ、幅Ｗを１０μｍとするとｌｌ／
Ｗ＝５０／１０＝５０となり、これを例えばボロンイオ
ン注入で製作するとすると２００Ω／口は楽に出来るの
で、 Ｒｇ＝２００Ｘ５＝１０００Ω となる。

その変化ΔＲｇを２０Ωとすると、発生する歪信号Ｓｖ
は ５ｖ＝２０Ｘ５Ｘ１０−　’　Ａ ＝１ｍＶ となり、これが増幅器２７に出力される。

増幅器２７はこの歪信号Ｖｇを増幅して振動子２４に励
振電流ｉｅとして正帰還する。これ等の振動子２４、ピ
エゾ抵抗素子２５、増幅器２７などにより発振ループが
形成され、振動子２４の寸法、張力などにより決定され
る固有振動数により系全体として自励発振を継続してい
る。

その出力周波１ｋｆは増幅器２７の出力端から得られる
。

次に、ダイアフラム１１に物理量として例えば圧力Ｐが
印加されると、これにより振動子２４の張力が変化する
ので、系全体の固有振動数が変化して出力周波数でか変
化する。従って、この出力周波′ｐＩｆの変化から圧力
Ｐを測定することができる。

第２図はピエゾ抵抗素子に定電圧源から電圧を印加する
場合についての実施例である。

ピエゾ抵抗素子２５に定電圧Ｅｇから電圧を供給する場
合には、抵抗Ｒｓを用いて定電圧Ｅｇを分圧比［Ｒｇ／
　＜Ｒｇ＋−Ｒｓ　）］で分圧してピエゾ抵抗素子２５
に印加すれば良い。

以上の説明では、振動子２８を振動子２４と同一の構成
として並列接続するものとして説明したが、これに限ら
れず、例えば振動子２８は振動子２４と平行はしていて
も別電源から一定のＳ流を供給しても良い。

さらに、振動子２８は振動子として構成しなくても単な
る線条体として振動子２４に平行に固定的に配置し振動
させなくても良い。

〈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、振動子に極めて近接して線条電流体を配置する構
成であるので、従来のような大きな永久磁石が不要とな
り小形化に寄与する。また、この線条ｔｈ流体と振動子
とは例えば３次元リングラフィなどにより精度良く配置
出来るので、従来のように永久磁石の機械的位置精度を
出す雛しさが低減できる。さらに、振動に伴なう歪はピ
エゾ抵抗素子を用いて検出するので永久磁石を用いる場
合に比べて感度を大きくすることができる。この場合に
、出力は周波数信号として導出されるので歪検出素子の
ドリフトは間組にならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のｌ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図は振
動式トランスデユーサを圧力センサとして用いたときの
従来の構成を示す射視図、第４図は第３図におけるＡ部
を拡大しこれに振動検出回路を接続した構成図、第５図
は第４図におけるＡ−Ａ−断面を示す断面図、第６図は
第４図に示す構成を電気的な等価回路で示した説明図で
ある。 第１図 ｅ １０・・・基板、１１・・・ダイアフラム、１６・・・
振動子、１７・・・磁石、２１・・・増幅器、２４・・
・振動子、２５・・・ピエゾ抵抗素子、２７・・・増幅
器、２８・・・振動子。 τ　　〜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定すべき物理量に対応する歪が印加されるダイアフラ
   ム上に形成された梁状の振動子と、この振動子に近接し
   て形成され前記振動子の受ける張力に対応する歪を検出
   して歪信号を出力する歪検出素子と、前記振動子にほぼ
   平行して配置され前記振動子の少なくとも近傍に磁場を
   印加する線条電流体と、前記磁場と前記振動子に流れる
   励振電流との相互作用により電磁力を発生させこれによ
   り前記歪信号を発生させるように前記振動子に励振電流
   を正帰還させて自励発振回路を形成する増幅手段とを具
   備し、この自励発振回路の周波数を前記物理量に対応す
   る出力信号として取り出すことを特徴とする振動式トラ
   ンスデューサ。