JPH05187942A - Vibration type transducer - Google Patents

Vibration type transducer

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Publication number
JPH05187942A
JPH05187942A JP243392A JP243392A JPH05187942A JP H05187942 A JPH05187942 A JP H05187942A JP 243392 A JP243392 A JP 243392A JP 243392 A JP243392 A JP 243392A JP H05187942 A JPH05187942 A JP H05187942A
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JP
Japan
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drain
substrate
electrode
source
oscillation
Prior art date
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Pending
Application number
JP243392A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Yoshida
隆司 吉田
Kyoichi Ikeda
恭一 池田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH05187942A publication Critical patent/JPH05187942A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To measure a strain with high accuracy with a simple constitution by selecting a drain resistance, capacitance between a drain and substrate, and oscillating angular velocity so that their product can become extremely larger than '1'. CONSTITUTION:Since a negative potential is applied across a mobile electrode 30 from a DC power source E2, electrons are forcibly pushed toward the inside of a silicon substrate 24 from the lower surface of the vibrator 30 and, on the contrary, holes (p-type) are attracted toward the surface of the substrate 24. Because of the holes, a channel CNN composed of a p-type conductive layer is formed on the surface of the substrate 24 and an electric current id flows between a source S and drain D. The voltage the drain D generated by the current id is shifted in phase by a drain resistance RD and the capacitance CD formed between the drain and substrate 24 and, due to the potential change, the electrostatic attracting force between the electrode 30 and drain D changes, resulting in a change in the interval X between the electrode 30 and drain D. The oscillation caused by the potential change continues when the resistance RD, capacitance CD, and oscillating angular velocity omega are selected so that their product can become extremely larger than '1'. When a pressure PM is applied to the substrate 24, a strain is applied to the electrode 30 and its characteristic frequency varies. The pressure PM is detected by fetching the variation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、歪に対応して変化する
周波数を検出することにより印加された歪を知る振動式
トランスデューサに係り、特に、簡単な構成で歪を高精
度に計測することができるように改良された振動式トラ
ンスデューサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration type transducer which detects applied strain by detecting a frequency which changes corresponding to the strain, and particularly to measure the strain with high precision by a simple structure. The present invention relates to a vibration type transducer improved so that

【0002】[0002]

【従来の技術】図8は従来の振動式トランスデューサを
圧力センサとして用いた構成の斜視図、図9は図8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、図10は図9におけるA−A’断面を示す断面図、
図11は図9に示す構成を電気的な等価回路で示した説
明図である。
2. Description of the Related Art FIG. 8 is a perspective view of a configuration using a conventional vibration type transducer as a pressure sensor, FIG. 9 is an enlarged view of portion A in FIG. 8 and a vibration detection circuit is connected to it, and FIG. Sectional drawing which shows the AA 'cross section in FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the configuration shown in FIG. 9 as an electrically equivalent circuit.

【0003】図8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が1015原子/
cm3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
裏面からエッチングにより掘り起こされて薄肉に形成さ
れている。
As shown in FIG. 8, 10 has a crystal plane (100) on its upper surface, for example, an impurity concentration of 10 15 atoms /
It is a silicon single crystal substrate having a conductivity type of p-type at a cm 3 or less. The diaphragm 11 is thinly formed on one surface of the substrate 10 by etching from the back surface.

【0004】このダイアフラム11の周辺の厚肉部12
は中央に導圧孔13を持つ台座14に接合されて、この
導圧管15に測定すべき圧力PMが導入される。このダ
イアフラム11の符号Aで示すエッチングしない側の表
面には部分的に不純物濃度が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(図
9)。この振動子16は、例えばダイアフラム11に形
成されたn+拡散層およびp層をフオトリソグラフイと
アンダーエッチングの技術を用いて加工する。
A thick portion 12 around the diaphragm 11
Is joined to a pedestal 14 having a pressure guiding hole 13 in the center, and the pressure P M to be measured is introduced into this pressure guiding tube 15. An n + diffusion layer (not shown) having an impurity concentration of about 10 17 is partially formed on the surface of the diaphragm 11 on the non-etching side indicated by the symbol A, and the vibrator 16 is formed on a part of the n + diffusion layer. Are formed in the crystal axis <001> direction (FIG. 9). In this vibrator 16, for example, the n + diffusion layer and the p layer formed on the diaphragm 11 are processed by using photolithography and under etching techniques.

【0005】17は振動子16の略中央上部に振動子1
6に直交して非接触の状態で設けられた磁石であり、1
8は絶縁膜としてのSi2膜である(図10参照)。1
9a、19bは例えばアルミニウム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
たn+層にSi2層を介して設けたコンタクトホール2
0aを通じて接続され、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R0の一端と増
幅器21の入力端にそれぞれ接続されている。
Reference numeral 17 designates the vibrator 1 at the upper center of the vibrator 16.
A magnet provided in a non-contact state orthogonal to 6
8 is a S i O 2 film as an insulating film (see FIG. 10). 1
9a, 19b is a metal electrode such as aluminum, the contact holes 2 and one end of the metal electrode 19a is that through the S i O 2 layer provided on the n + layer that extends from the transducer 16
0a, and the other end is connected via a lead wire to one end of a comparison resistor R 0 substantially equal to the resistance value of the vibrator 16 and the input end of the amplifier 21.

【0006】増幅器21の出力端からは出力信号が取り
出されるとともにトランス22の一次コイルL1の一端
に接続されている。この一次コイルL1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の他端は
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の他端は
振動子16の他端に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+拡散層に接合されて
いる。
An output signal is taken out from the output end of the amplifier 21 and is connected to one end of the primary coil L 1 of the transformer 22. The other end of the primary coil L 1 is connected to the common line. The other end of the comparison resistor R 0 is connected to the secondary end of the coil L 2 of the transformer 22 the midpoint of which is connected to the common line, the other end of the secondary coil L 2 to the other end of the vibrator 16 A similarly formed metal electrode 19b,
It is joined to the n + diffusion layer through the contact hole 20.

【0007】以上の構成において、p形層(基板10)
とn+拡散層(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
子16の共振状態において振動子16のインピーダンス
をRとして図11に示すような等価回路を得る。
In the above structure, the p-type layer (substrate 10)
When a reverse bias voltage is applied between the n-type diffusion layer and the n + diffusion layer (vibrator 16) for insulation, and an alternating current i is passed through the vibrating element 16, the impedance of the vibrating element 16 is represented as R in the resonance state of the vibrating element An equivalent circuit as shown in 11 is obtained.

【0008】このようにして、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、及びインピー
ダンスR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L1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。
In this way, a bridge is formed by the secondary coil L 2 having the midpoint C 0 connected to the common line, the comparison resistor R 0 , and the impedance R. Therefore, the unbalanced signal by the bridge is amplified by the amplifier 21. When it is detected and its output is positively fed back to the primary coil L 1 via the feedback line 23, the system causes self-oscillation at the natural frequency of the oscillator 16.

【0009】ここで、導圧孔13を介してダイアフラム
11に圧力Pが印加されると、これにより振動子16に
働く張力が変化し、その共振周波数が変化する。このた
め、振動子16の固有振動数が変化することとなり、こ
の固有振動数の変化から圧力Pの大きさを知ることがで
きる。
Here, when the pressure P is applied to the diaphragm 11 via the pressure guiding hole 13, the tension acting on the vibrator 16 is changed by this, and the resonance frequency is changed. Therefore, the natural frequency of the vibrator 16 changes, and the magnitude of the pressure P can be known from the change in the natural frequency.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような振動式センサは、大きな寸法の磁石17を必要と
し、このため固定構造が複雑になる欠点を有している。
そこで、この磁石を使用しない構成として、例えば励振
手段として静電気力を用い、検出素子としてピエゾ抵抗
を用い、これ等を発振ループの中に組み込んで自励発振
を起こさせ、この発振ループに生じる周波数の変化で歪
を検出する構成が考えられるが、この構成によると振動
子に電流を流す構成となるので発熱により温度が上昇し
誤差要因を作り、また振動子の上にピエゾゲージを作り
込む必要があるので製造プロセスが複雑になる欠点をも
つ。また、圧電ドライブして感圧素子で検出する構成も
考えられるが、この構成によれば、圧電材料が限定さ
れ、特にシリコンは圧電性がないので、PZTなどをシ
リコン上に成膜しなければならず、作製が難しいという
問題がある。
However, the vibration type sensor as described above has a drawback that it requires the magnet 17 having a large size, which makes the fixing structure complicated.
Therefore, as a configuration that does not use this magnet, for example, an electrostatic force is used as the excitation means, a piezoresistor is used as the detection element, and these are incorporated into the oscillation loop to cause self-excited oscillation, and the frequency generated in this oscillation loop is used. Although it is conceivable to detect the strain by the change of the temperature, this configuration causes the current to flow through the oscillator, so the temperature rises due to heat generation, which creates an error factor, and it is necessary to build a piezo gauge on the oscillator. Therefore, it has a drawback that the manufacturing process is complicated. A configuration in which piezoelectric driving is performed and detection is performed by a pressure sensitive element is also conceivable. However, according to this configuration, the piezoelectric material is limited, and since silicon does not have piezoelectricity in particular, PZT or the like must be formed on silicon. However, there is a problem that the fabrication is difficult.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、第1伝導形式を有する半導
体の基板と、この基板の表面に形成され前記伝導形式と
は逆の第2伝導形式を有するドレインとソースにより挟
まれたチャネルと、これ等のドレインとソースの表面か
ら間隙を保持しながら先のドレインとソースのうち少な
くとも1つと先のチャネルを覆って配置され発振により
変位する可動電極とを具備し、先のドレインのドレイン
抵抗RDと先のドレインと先の基板の間の静電容量CD
先の発振の発振角速度ωとの積(ωRDD)が1に比べ
て極めて大きくなる様にこれ等の値を選定するようにし
たものである。
The present invention has, as a constitution for solving the above problems, a semiconductor substrate having a first conduction type and a second conduction type which is formed on the surface of the substrate and is opposite to the conduction type. A channel sandwiched between a drain and a source having a two-conduction type, and is disposed by covering at least one of the above drain and source and the above channel while maintaining a gap from the surface of these drain and source, and is displaced by oscillation. ; and a movable electrode which, ahead of the drain of drain resistance R D in the previous drain the previous product of the oscillation angular velocity ω of the electrostatic capacitance C D and the previous oscillation between the substrate (.omega.R D C D) is These values are selected so as to be extremely larger than 1.

【0012】[0012]

【作 用】半導体基板の表面にドレインとソースが所定
間隔で分離されて形成され、これ等の間に所定の電圧が
印加される。一方、振動子には必要に応じて所定の電位
が印加されることによりドレインとソース間の半導体基
板にチャネルが形成される。
[Operation] A drain and a source are formed on the surface of a semiconductor substrate at a predetermined interval, and a predetermined voltage is applied between them. On the other hand, a channel is formed in the semiconductor substrate between the drain and the source by applying a predetermined potential to the vibrator as needed.

【0013】先のドレインに発生する振動電圧により可
動電極とドレインの間に静電力が作用し可動電極とチャ
ネル間の間隔が変化する。この間隔の変化により、チャ
ネルの厚さを変更させてドレインに流れる電流が制御さ
れる。
The oscillating voltage generated in the drain causes an electrostatic force between the movable electrode and the drain to change the distance between the movable electrode and the channel. The change in the distance changes the thickness of the channel to control the current flowing through the drain.

【0014】この場合に、ドレイン抵抗RDと静電容量
Dと発振角速度ωとの積(ωRDD)が1に比べて極
めて大きくなる様に選定することにより発振が継続さ
れ、先の半導体基板に印加される歪に対応して変化する
周波数が検出される。
In this case, the oscillation is continued by selecting the product of the drain resistance R D , the electrostatic capacitance C D and the oscillation angular velocity ω (ωR D C D ) to be much larger than 1, so that the oscillation is continued. The frequency that changes corresponding to the strain applied to the semiconductor substrate is detected.

【0015】[0015]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of one embodiment of the present invention.

【0016】シリコン基板24は、例えば伝導形式がn
形に形成され、ここには電極25が固定され、電極25
は共通電位点COMに接続されている。このシリコン基
板24の上面には、p形の不純物が拡散されてソースS
が形成され、ここにソースSの電位を取り出すための電
極26が形成されている。また、このシリコン基板24
の下面には図示していないが測定すべき圧力PMなどが
印加される。
The silicon substrate 24 has, for example, a conductivity type of n.
The electrode 25 is fixed to the electrode 25.
Are connected to a common potential point COM. On the upper surface of the silicon substrate 24, p-type impurities are diffused and the source S
Is formed, and an electrode 26 for extracting the potential of the source S is formed here. In addition, this silicon substrate 24
Although not shown, a pressure P M or the like to be measured is applied to the lower surface of the.

【0017】また、このソースSに対して所定間隔Wだ
け離れて、同じくシリコン基板24の上面にp形の不純
物が拡散されてドレインDが形成され、ここにドレイン
Dの電位を取り出すための電極27が形成されている。
A p-type impurity is also diffused on the upper surface of the silicon substrate 24 at a predetermined distance W from the source S to form a drain D, and an electrode for extracting the potential of the drain D is formed there. 27 is formed.

【0018】シリコン基板24の所定間隔Lの部分の上
方には、xだけ離れて凸部28、29が形成され、導電
性の板状の可動電極30の両端がこれ等の凸部28、2
9に固定されている。つまり、可動電極30とシリコン
基板24とは両端を除いてxだけ離れて配置され、この
可動電極30に対応するシリコン基板24には図示され
ていないがドレインDとソースSとの間にチャネルCN
Nが形成される。
Convex portions 28 and 29 are formed above the portion of the silicon substrate 24 at a predetermined distance L by a distance x, and both ends of the conductive plate-like movable electrode 30 are formed on the convex portions 28 and 2.
It is fixed at 9. That is, the movable electrode 30 and the silicon substrate 24 are arranged apart from each other by x, and the channel CN is provided between the drain D and the source S although not shown in the silicon substrate 24 corresponding to the movable electrode 30.
N is formed.

【0019】電極27と共通電位点COMとの間には、
抵抗R1と直流電源E1とが直列に接続され、共通電位
点COMに対してドレインDの電位は負電位に保持され
ている。また、可動電極30には直流電源E2が共通電
位点COMに対して負電位になるように接続されてい
る。
Between the electrode 27 and the common potential point COM,
The resistor R1 and the DC power source E1 are connected in series, and the potential of the drain D is held at a negative potential with respect to the common potential point COM. A direct current power source E2 is connected to the movable electrode 30 so as to have a negative potential with respect to the common potential point COM.

【0020】図2は図1に示す実施例の動作を説明する
説明図である。可動電極30の長手方向から見たシリコ
ン基板24の断面を含む構成となっている。ゲートとし
て機能する可動電極30には、直流電源E2から負の電
位が印加されているので、図2に示すように電子は振動
子30の下の表面からシリコン基板24の内部(図2で
は下の方)へ押しやられ、逆に正孔は表面に引き寄せら
れるようになる。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. It is configured to include a cross section of the silicon substrate 24 as viewed from the longitudinal direction of the movable electrode 30. Since a negative potential is applied from the DC power source E2 to the movable electrode 30 functioning as a gate, electrons are transferred from the lower surface of the vibrator 30 to the inside of the silicon substrate 24 (lower side in FIG. 2) as shown in FIG. , And holes are attracted to the surface.

【0021】引き寄せられた正孔(P形)によって表面
に細いP形の伝導層であるチャネルCNNが形成されソ
ースS(P形)とドレインD(P形)との間をP形で結
ぶことになり、このためソースSとドレインDとの間を
電流idが流れる。
A channel CNN, which is a thin P-type conductive layer, is formed on the surface by the attracted holes (P-type), and the source S (P-type) and the drain D (P-type) are connected by the P-type. Therefore, the current i d flows between the source S and the drain D.

【0022】この電流idによって発生するドレインD
の電圧は、ドレイン抵抗RDと、ドレインとシリコン基
板24との間に形成される静電容量CDにより、位相シ
フトを受け、この位相シフトを受けた電位変化により可
動電極30とドレインDとの間の静電吸引力を変化させ
間隔xを変化させる。
Drain D generated by this current i d
Is subjected to a phase shift by the drain resistance R D and an electrostatic capacitance C D formed between the drain and the silicon substrate 24, and the potential change caused by this phase shift causes the movable electrode 30 and the drain D to move. The electrostatic attraction force between the two is changed to change the interval x.

【0023】この間隔xの変化によりチャネルCNNの
厚さを変化させ、これにより電流i dを変化させ、これ
がドレインの電位変化を引き起こす。これを繰り返して
発振するが、この発振はドレイン抵抗RDとドレインD
とシリコン基板24の間の静電容量CDと発振の発振角
速度ωとの積(ωRDD)が1に比べて極めて大きくな
る様に選定することにより継続される。
Due to this change in the interval x, the channel CNN
The thickness is changed so that the current i dChange this
Causes a change in the potential of the drain. Repeat this
It oscillates, but this oscillation is caused by drain resistance RDAnd drain D
Capacitance C between the silicon and the silicon substrate 24DAnd oscillation angle of oscillation
Product with velocity ω (ωRDCD) Is much larger than 1
It will be continued by selecting the

【0024】以上のように自励発振が維持されている状
態で、図示のようにシリコン基板24に圧力PMが印加
されると、可動電極30を固定する凸部28、29を介
してこの圧力PMによる歪が可動電極30に加わり、こ
れに対応して固有振動数が変化する。したがって、この
固有振動数の変化を取り出すことにより、圧力PMの値
を検知することができる。
When the pressure P M is applied to the silicon substrate 24 as shown in the figure in the state where the self-excited oscillation is maintained as described above, the pressure P M is applied via the convex portions 28 and 29 for fixing the movable electrode 30. Strain due to the pressure P M is applied to the movable electrode 30, and the natural frequency changes correspondingly. Therefore, the value of the pressure P M can be detected by extracting the change in the natural frequency.

【0025】つぎに、以上の点について、数式を用いて
詳細に説明する。図3は図1に示すデバイス構成を等価
回路として表現したものである。図4は以下の計算をす
るために必要な図1に示すデバイス構成の各部の符号の
取り決めを示したものであり、図5は図3に示す等価回
路の各部を分解して伝達関数を求めるための説明図であ
る。
Next, the above points will be described in detail using mathematical expressions. FIG. 3 shows the device configuration shown in FIG. 1 as an equivalent circuit. FIG. 4 shows the arrangement of the signs of the parts of the device configuration shown in FIG. 1 necessary for the following calculations, and FIG. 5 shows the transfer function by disassembling the parts of the equivalent circuit shown in FIG. FIG.

【0026】図3においてRDはドレインDのドレイン
抵抗、CDはドレインDとシリコン基板24の間の静電
容量であり、基板24に対向して可動電極30が絶縁し
て配置され、この可動電極30は発振の発振角速度ωで
基板24に接近したり離れたりして振動している。この
可動電極30には直流電源E2が印加されている。な
お、簡単のためR1はゼロとして説明する。
In FIG. 3, R D is the drain resistance of the drain D, and C D is the electrostatic capacitance between the drain D and the silicon substrate 24, and the movable electrode 30 is arranged so as to face the substrate 24 in an insulated manner. The movable electrode 30 oscillates toward and away from the substrate 24 at the oscillation angular velocity ω of oscillation. A DC power supply E2 is applied to the movable electrode 30. For simplicity, R 1 will be described as zero.

【0027】この様な配列に対して、図4に示すよう
に、可動電極30の幅はb、厚さはhであり、基板24
に対してxだけ離れているものとする。また、この可動
電極30は基板24に形成されたドレインDと幅aだけ
覆われるように配置されている。このように覆うことに
よりドレインDと可動電極30との間の静電吸引力を発
振に対して有効に用いることができる。
For such an arrangement, the movable electrode 30 has a width b and a thickness h as shown in FIG.
Are separated by x. The movable electrode 30 is arranged so as to cover the drain D formed on the substrate 24 and the width a. By covering in this way, the electrostatic attraction force between the drain D and the movable electrode 30 can be effectively used for oscillation.

【0028】そして、基板24上のソースSとドレイン
Dとの間隔、つまりキャネル幅はwの長さとしてある。
図5は図3、図4に示す構成で発振が引き起こされる過
程を各部の伝達関数に分解して示している。これを用い
て、順次解析をする。
The distance between the source S and the drain D on the substrate 24, that is, the cannel width is the length of w.
FIG. 5 shows the process of causing oscillation in the configuration shown in FIGS. This is used for sequential analysis.

【0029】ここで、K1はドレインDに発生するドレ
イン電圧の変化Δed1に対するドレインDと可動電極3
0との間の静電吸引力の変化ΔFの比である伝達関数
を、K 2は静電吸引力ΔFに対する可動電極30の変位
Δxの比である伝達関数を、K3は可動電極30の変位
Δxに対するドレインDのドレイン電流Δidの比であ
る伝達関数を、K4はドレイン電流Δidに対するドレイ
ン電圧の変化Δed1の比である伝達関数をそれぞれ示し
ている。
Where K1Is the drain generated on the drain D
Change in voltage Δed1Drain D and movable electrode 3
Transfer function, which is the ratio of the change ΔF in electrostatic attraction force between 0 and
To K 2Is the displacement of the movable electrode 30 with respect to the electrostatic attraction force ΔF.
Let K be the transfer function that is the ratio of Δx3Is the displacement of the movable electrode 30
Drain current Δi of drain D with respect to ΔxdIn the ratio of
The transfer functionFourIs the drain current ΔidAgainst dray
Voltage change Δed1Shows the transfer function which is the ratio of
ing.

【0030】ここで、これ等の系が発振を起こす条件
は、 GL=K1234 (1) とし、∠GLをGLの位相角とすれば、 GL>1 (2) ∠GL=0 (3) が発振条件となる。
[0030] Here, the conditions which such systems can cause oscillations, and G L = K 1 K 2 K 3 K 4 (1), if the ∠G L between the phase angle of G L, G L> 1 (2) ∠G L = 0 (3) is the oscillation condition.

【0031】第1に、可動電極30の単位長さ当りに発
生する静電吸引力Fは F=ε0a(V/x)2 (4) となる。ここで、V=E1−E2であり、ε0は誘電率で
ある。VがΔed1変化したときに変化する静電吸引力F
の変化ΔFは、δを偏微分記号として表現すると、 ΔF=(δF/δV)Δed1 =2ε0aV・Δed1/x2 (5) ∴ K1=ΔF/Δed1=2ε0aV/x2 (6) となる。
First, the electrostatic attraction force F generated per unit length of the movable electrode 30 is F = ε 0 a (V / x) 2 (4). Here, V = E 1 −E 2 , and ε 0 is the dielectric constant. Electrostatic attraction force F that changes when V changes by Δe d1
When Δ is expressed as a partial differential symbol, ΔF = (δF / δV) Δe d1 = 2ε 0 aV · Δe d1 / x 2 (5) ∴ K 1 = ΔF / Δe d1 = 2ε 0 aV / x 2 (6)

【0032】第2に、両端固定梁の分布荷重ΔFによる
変位Δxは、 Δx=ΔF・L4/384EI(1+jγω−τ0 2ω2) (7) となる。但し、Lは可動電極30の長さ、Iは可動電極
30の慣性モーメント、γは減衰率、τ0は固有周期で
ある。なお、Eは E=E0(1+Sη) S=0.24(L/h)2 であり、E0は可動電極30のヤング率、ηは歪であ
る。したがって、K2は K2=Δx/ΔF =L4/384E0I(1+jγω−τ0 2ω2) (8) となる。
Secondly, the displacement Δx due to the distributed load ΔF of the beam fixed at both ends is Δx = ΔF · L 4 / 384EI (1 + jγω-τ 0 2 ω 2 ) (7). Here, L is the length of the movable electrode 30, I is the moment of inertia of the movable electrode 30, γ is the damping rate, and τ 0 is the natural period. Note that E is E = E 0 (1 + Sη) S = 0.24 (L / h) 2 , E 0 is the Young's modulus of the movable electrode 30, and η is strain. Therefore, K 2 is K 2 = Δx / ΔF = L 4 / 384E 0 I (1 + jγω−τ 0 2 ω 2 ) (8).

【0033】第3に、ドレイン電流idは、ピンチオフ
領域では、 id=(1/2)μC0L(E2−VT2/w (9) となる。ここで、μは電子の易動度、C0はチャネル間
の単位面積当りの静電容量、VTはしきい値電圧であ
る。C0は C0=ε0/x (10) である。
Thirdly, the drain current i d becomes i d = (1/2) μC 0 L (E 2 −V T ) 2 / w (9) in the pinch-off region. Here, μ is the mobility of electrons, C 0 is the capacitance per unit area between channels, and V T is the threshold voltage. C 0 is C 0 = ε 0 / x (10).

【0034】可動電極30がΔxシリコン基板24側に
接近したときのドレイン電流idの変化Δidは、 Δid=(δid/δx)(−Δx) =(−1/2)με0L[(E2−VT)/x]2(−Δx)/w となる。従って、 K3=Δid/Δx =(1/2)με0L[(E2−VT)/x]2/w (11) となる。
The change .DELTA.i d of the drain current i d when the movable electrode 30 approaches the [Delta] x silicon substrate 24 side, Δi d = (δi d / δx) (- Δx) = (- 1/2) με 0 L [(E 2 −V T ) / x] 2 (−Δx) / w. Therefore, K 3 = Δi d / Δx = (1/2) με 0 L [(E 2 -V T) / x] 2 / w (11).

【0035】第4に、ドレイン電流idの変化Δidに対
するドレイン電圧ed1の変化Δed1を求める。この場合
は、図6を参照して説明する。ピンチオフ領域では定電
流源CCとみなせるので、これを図示すると図6(a)
に示すようになる。これを交流的にみると図6(b)に
示す等価回路を得る。この図6(b)の等価回路から、 K4=Δed2/Δid =−R/(1+jωCDD (12) となる。
Fourthly, the change Δe d1 of the drain voltage e d1 with respect to the change Δi d of the drain current i d is obtained. This case will be described with reference to FIG. Since it can be regarded as the constant current source CC in the pinch-off region, this is illustrated in FIG.
As shown in. When this is viewed from the AC side, the equivalent circuit shown in FIG. 6B is obtained. From the equivalent circuit of FIG. 6 (b), K 4 = Δe d2 / Δi d = -R / (1 + jωC D R D) (12)

【0036】従って、 GL=K1234 =2ε0a(E1−E2)/x2 ・L4/384EI(1+jγω−τ0 2ω2) ・(1/2)με0L[(E2−VT)/x]2/w ・[−R/(1+jωCDD)] を得る。Therefore, G L = K 1 K 2 K 3 K 4 = 2ε 0 a (E 1 −E 2 ) / x 2 · L 4 / 384EI (1 + jγω−τ 0 2 ω 2 ) · (1/2) με 0 L [(E 2 -V T) / x] obtain 2 / w · [-R / ( 1 + jωC D R D)].

【0037】ここで、ω=ω0=1/τ0とし、ω0D
Dが1に比べて極めて大きいとすると、 GL=−με0 25a(E1−E2)(E2−VT2 ・(1/jγω0)(1/jω0D) ・(1/384EIx4) となる。
Here, ω = ω 0 = 1 / τ 0, and ω 0 C D R
When D is extremely large compared to 1, G L = -με 0 2 L 5 a (E 1 -E 2) (E 2 -V T) 2 · (1 / jγω 0) (1 / jω 0 C D ) ・ (1 / 384EIx 4 )

【0038】ここで、共振の鋭さをQとすれば、Q=1
/γω0で示されるので、 GL=−με0 25a(E1−E2)(E2−VT2 ・(Q/j)(1/jω0D) ・(1/384EIx4) (12) を得る。
If the sharpness of resonance is Q, then Q = 1
As demonstrated by / γω 0, G L = -με 0 2 L 5 a (E 1 -E 2) (E 2 -V T) 2 · (Q / j) (1 / jω 0 C D) · (1 / 384EIx 4 ) (12) is obtained.

【0039】さらに、 I=bh/12 E=E0[1+0.24(L/h)2η] を(12)式に代入すると、 GL=Qμε0 25a(E1−E2)(E2−VT2 /32E0[1+0.24(L/h)2η]bh34wω0D (13) となる。Further, substituting I = bh / 12 E = E 0 [1 + 0.24 (L / h) 2 η] into the equation (12), G L = Qμε 0 2 L 5 a (E 1 −E 2 ) and a (E 2 -V T) 2 / 32E 0 [1 + 0.24 (L / h) 2 η] bh 3 x 4 wω 0 C D (13).

【0040】ここで、 E0=1.6X1011N/m2 ε0=8.85X10ー12/m μ=0.1m2/Vs(不純物濃度:1X1016/cm3) を用いれば、 GL=2.43X10ー37QL5a(E1−E2)(E2−VT2 /E0[1+0.24(L/h)2η]bh34wω0D [0040] Here, E 0 = 1.6X10 11 N / m 2 ε 0 = 8.85X10 over 12 / m μ = 0.1m 2 / Vs ( impurity concentration: 1X10 16 / cm 3) Using the, G L = 2.43X10 over 37 QL 5 a (E 1 -E 2) (E 2 -V T) 2 / E 0 [1 + 0.24 (L / h) 2 η] bh 3 x 4 wω 0 C D

【0041】1例として、例えば、L=150X1
ー6、a=w=5X10ー6、h=1X10ー6、b=10
X10ー6、x=0.5X10ー6、η=0、f0=500
X103、CD=10X10ー12、E1−E2=1V、E2
T=1Vとすれば、GL=61X10ー4Qとなる。従っ
て、Q=104とすれば、GL=61となる。
As an example, for example, L = 150 × 1
0 over 6, a = w = 5X10 over 6, h = 1X10 over 6, b = 10
X10 over 6, x = 0.5X10 over 6, η = 0, f 0 = 500
X10 3, C D = 10X10 over 12, E 1 -E 2 = 1V , E 2 -
If V T = 1V, the G L = 61X10 over 4 Q. Therefore, if Q = 10 4 , then G L = 61.

【0042】つまり、長さ150μm、幅10μm、ギ
ャップ0.5μmで振動式トランスデューサを構成すれ
ば、GL=61となり、GLの位相も同相であり、発振条
件を十分に満足する。式(13)において、GLは(E2
−VT2に比例するので、E2を調節することにより、
Lの振幅を制御することができる。
That is, if a vibration type transducer is constructed with a length of 150 μm, a width of 10 μm and a gap of 0.5 μm, G L = 61 and the phase of G L is in phase, which satisfies the oscillation condition sufficiently. In Equation (13), G L is (E 2
Since it is proportional to −V T ) 2 , by adjusting E 2 ,
The amplitude of G L can be controlled.

【0043】振幅制御する具体的な回路構成を図7に示
す。31は図1に開示されている振動子であり、この振
動子31自体で発振を継続しているが、この発振信号は
コンデンサC2を介して入力端が抵抗R2に接続された増
幅器32に出力され、その出力端に周波数f0を出力す
る。
A concrete circuit configuration for controlling the amplitude is shown in FIG. Reference numeral 31 denotes the oscillator disclosed in FIG. 1, and the oscillator 31 itself continues to oscillate. However, this oscillation signal has an amplifier 32 whose input end is connected to the resistor R 2 via the capacitor C 2. The frequency f 0 is output to the output terminal.

【0044】この周波数f0はこの値に対応するように
自動ゲイン制御回路33に出力され、ここで基準電圧V
refと比較されて、この基準電圧Vrefに対応するように
可動電極30に直流電圧を印加する。従って、この基準
電圧Vrefの値を調節することにより発振の振幅を制御
することができる。
This frequency f 0 is output to the automatic gain control circuit 33 so as to correspond to this value, where the reference voltage V 0
As compared with ref , a DC voltage is applied to the movable electrode 30 so as to correspond to this reference voltage V ref . Therefore, the amplitude of oscillation can be controlled by adjusting the value of this reference voltage V ref .

【0045】自動ゲイン制御回路33は、整流回路34
により振幅を対応する直流電圧に変更し、基準電圧V
refが入力端の一端に印加されたコンパレータ35の入
力の他端にこの直流電圧を印加して、ここで可動電極3
0に印加する直流電圧の大きさを自動調整する。
The automatic gain control circuit 33 includes a rectifier circuit 34.
To change the amplitude to the corresponding DC voltage,
This direct current voltage is applied to the other end of the input of the comparator 35 where ref is applied to one end of the input end,
The magnitude of the DC voltage applied to 0 is automatically adjusted.

【0046】[0046]

【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、半導体基板にドレインとソースが
所定間隔で分離して形成しこれ等の間にチャネルを形成
し、可動電極をこのチャネルと少なくともドレイン・ソ
ースのいずれかに対向して間隔をもって配列し、可動電
極とドレインなどとの静電吸引力、ドレイン抵抗とドレ
インと基板との間のコンデンサと共同して発振を継続さ
せるようにしたので、この半導体基板に歪を印加するこ
とにより簡単な構成で振動式トランスデューサを実現す
ることができ、さらにCMOSコンパチブルなプロセス
により製造することができ、プロセスが単純になるメリ
ットがある。従って、従来のように大きな寸法の磁石も
必要とせず、このため振動子と磁石との間の間隔を正確
に配列する必要もなく、また振動子の上にピエゾゲージ
とかPZTなどの圧電素子を作りこむ必要もない。
As described above in detail with reference to the embodiments, according to the present invention, a drain and a source are separately formed at a predetermined interval on a semiconductor substrate, and a channel is formed between them to form a movable electrode. Are arranged with a gap facing this channel and at least one of the drain and source, and continue oscillation in cooperation with the electrostatic attraction force between the movable electrode and the drain, the drain resistance and the capacitor between the drain and the substrate. Therefore, it is possible to realize a vibration type transducer with a simple structure by applying strain to the semiconductor substrate, and to manufacture by a CMOS compatible process, which has an advantage of simplifying the process. .. Therefore, it is not necessary to use a magnet with a large size as in the past, and therefore it is not necessary to accurately arrange the distance between the vibrator and the magnet, and a piezoelectric element such as a piezo gauge or PZT is formed on the vibrator. You don't have to dent.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の1実施例の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す実施例の動作を説明する説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory diagram explaining an operation of the embodiment shown in FIG.

【図3】図1に示すデバイス構成を等価回路として表現
した等価回路である。
FIG. 3 is an equivalent circuit expressing the device configuration shown in FIG. 1 as an equivalent circuit.

【図4】計算に必要な図1に示すデバイス構成の各部の
符号の取り決めを示した説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a code agreement of each part of the device configuration shown in FIG. 1 necessary for calculation.

【図5】図3に示す等価回路の各部を分解して伝達関数
を求めるための説明図である。
5 is an explanatory diagram for disassembling each part of the equivalent circuit shown in FIG. 3 to obtain a transfer function.

【図6】図3に示す等価回路を更に簡略化した等価回路
図である。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram in which the equivalent circuit shown in FIG. 3 is further simplified.

【図7】本発明の他の実施例の構成を示す構成図であ
る。
FIG. 7 is a configuration diagram showing a configuration of another embodiment of the present invention.

【図8】従来の振動式センサを圧力センサとして用いた
構成の斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view of a configuration using a conventional vibration sensor as a pressure sensor.

【図9】図8におけるA部を拡大しこれに振動検出回路
を接続した構成図である。
9 is a configuration diagram in which an A portion in FIG. 8 is enlarged and a vibration detection circuit is connected thereto.

【図10】図9におけるA−A’断面を示す断面図であ
る。
10 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA ′ in FIG.

【図11】図9に示す構成を電気的な等価回路で示した
説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the configuration shown in FIG. 9 as an electrically equivalent circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、24 シリコン基板 11 ダイアフラム 12 厚肉部 13 導圧孔 15 導圧管 16、31 振動子 17 磁石 21 増幅器 22 トランス 23 帰還線 30 可動電極 33 自動ゲイン制御回路 S ソース D ドレイン E1、E2 直流電源 CNN チャネル 10, 24 Silicon substrate 11 Diaphragm 12 Thick portion 13 Pressure guiding hole 15 Pressure guiding tube 16, 31 Transducer 17 Magnet 21 Amplifier 22 Transformer 23 Feedback line 30 Moving electrode 33 Automatic gain control circuit S Source D drain E1, E2 DC power supply CNN channel

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1伝導形式を有する半導体の基板と、こ
の基板の表面に形成され前記伝導形式とは逆の第2伝導
形式を有するドレインとソースにより挟まれたチャネル
と、これ等のドレインとソースの表面から間隙を保持し
ながら前記ドレインとソースのうち少なくとも1つと前
記チャネルを覆って配置され発振により変位する可動電
極とを具備し、前記ドレインのドレイン抵抗RDと前記
ドレインと前記基板の間の静電容量CDと前記発振の発
振角速度ωとの積(ωRDD)が1に比べて極めて大き
くなる様にこれ等の値を選定したことを特徴とする振動
式トランスデューサ。
1. A semiconductor substrate having a first conductivity type, a channel formed on the surface of the substrate between a drain and a source having a second conductivity type opposite to the conductivity type, and a channel formed between the drain and the source. A drain electrode R D of the drain, the drain, and the substrate, the drain resistance R D of the drain and the source being disposed to cover at least one of the drain and the source and the channel and being displaced by oscillation while maintaining a gap from a surface of the source. A vibrating transducer characterized in that these values are selected so that the product (ωR CDD) of the electrostatic capacitance C D between them and the oscillation angular velocity ω (ωR D C D ) becomes extremely larger than 1.
【請求項2】前記可動電極に直流電圧を印加して発振の
振幅を制御する特許請求の範囲第1項に記載された振動
式トランスデューサ。
2. The vibration transducer according to claim 1, wherein a direct current voltage is applied to the movable electrode to control the amplitude of oscillation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009125422A1 (en) * 2008-04-11 2009-10-15 Indian Institute Of Science A sub-threshold forced plate fet sensor for sensing inertial displacements, a method and system thereof
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