JPH0666655A - 共振圧力センサー - Google Patents
共振圧力センサーInfo
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- JPH0666655A JPH0666655A JP4101824A JP10182492A JPH0666655A JP H0666655 A JPH0666655 A JP H0666655A JP 4101824 A JP4101824 A JP 4101824A JP 10182492 A JP10182492 A JP 10182492A JP H0666655 A JPH0666655 A JP H0666655A
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- rigid frame
- resonator
- diaphragm
- pivot
- pressure sensor
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
- G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01L9/0019—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 被測定圧力下の環境に露出された変形自在な
ダイヤフラム34と、このダイヤフラム34が支持している
力を共振器16へ伝達する変換系18, 20, 22と、この変換
系を振動させる励振器とを有し、この励振器の共振周波
が上記の力、従って被測定圧力の関数となるような共振
圧力センサー。 【構成】 変換系18, 20, 22が可撓性のある曲げ手段18
を有し、この曲げ手段18はダイヤフラム34が支持してい
る力に起因する曲げモーメントを吸収し、共振器16の入
口部に局在化された曲げ応力が生じない状態で引張応力
または圧縮力を共振器16へ伝達する。 【効果】 ミクロ加工でモノブロックに製造でき、小型
化できる。
ダイヤフラム34と、このダイヤフラム34が支持している
力を共振器16へ伝達する変換系18, 20, 22と、この変換
系を振動させる励振器とを有し、この励振器の共振周波
が上記の力、従って被測定圧力の関数となるような共振
圧力センサー。 【構成】 変換系18, 20, 22が可撓性のある曲げ手段18
を有し、この曲げ手段18はダイヤフラム34が支持してい
る力に起因する曲げモーメントを吸収し、共振器16の入
口部に局在化された曲げ応力が生じない状態で引張応力
または圧縮力を共振器16へ伝達する。 【効果】 ミクロ加工でモノブロックに製造でき、小型
化できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は共振圧力センサー(capte
ur de pression resonant)、特にマイクロエレクトロニ
クス技術、特にミクロな機械加工で作られる小型（例え
ば一辺が数ミリメートル）の共振圧力センサーに関する
ものである。
ur de pression resonant)、特にマイクロエレクトロニ
クス技術、特にミクロな機械加工で作られる小型（例え
ば一辺が数ミリメートル）の共振圧力センサーに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】共振圧力センサー自体は公知である。先
ず、この共振圧力センサーの物理的動作原理の基本を説
明をする。一般に、共振圧力センサーは被測定圧力下に
ある環境下に曝された可撓性の変形自在なダイヤフラム
を有している。被測定圧力によってダイヤフラムに生じ
た力は変換器を介して共振器へ伝達される。この共振器
は励振器によって振動されており、その共振周波数は常
に測定されている。この共振周波数は共振器に伝達され
る力の関数であるので、その周波数を測定することによ
って被測定圧力に対応する値を知ることができる。共振
器を励振させ且つ共振周波数を測定するのに用いられる
システムは種々公知であり、それ自体は公知の物理原理
を用いている。例えば、共振器の構成要素である振動体
の表面に弾性抵抗ゲージを固定し、この弾性抵抗ゲージ
をホイートストンブリッジに挿入する方法、酸化亜鉛Zn
Ｏ等の圧電材料を用いる方法、コンデンサの一極を共振
器に作るか、共振器自体をコンデンサにして静電気力を
用いる方法等がある。
ず、この共振圧力センサーの物理的動作原理の基本を説
明をする。一般に、共振圧力センサーは被測定圧力下に
ある環境下に曝された可撓性の変形自在なダイヤフラム
を有している。被測定圧力によってダイヤフラムに生じ
た力は変換器を介して共振器へ伝達される。この共振器
は励振器によって振動されており、その共振周波数は常
に測定されている。この共振周波数は共振器に伝達され
る力の関数であるので、その周波数を測定することによ
って被測定圧力に対応する値を知ることができる。共振
器を励振させ且つ共振周波数を測定するのに用いられる
システムは種々公知であり、それ自体は公知の物理原理
を用いている。例えば、共振器の構成要素である振動体
の表面に弾性抵抗ゲージを固定し、この弾性抵抗ゲージ
をホイートストンブリッジに挿入する方法、酸化亜鉛Zn
Ｏ等の圧電材料を用いる方法、コンデンサの一極を共振
器に作るか、共振器自体をコンデンサにして静電気力を
用いる方法等がある。
【０００３】振動結晶を用いた従来法の圧力変換式セン
サーを図１を用いて説明する。図１に示す真空状態にあ
るケース２の内部にはベロー４が収容されている。この
ベロー４はケース２の壁に形成された開口部６を介して
被測定圧力下にある環境と連通している。ベロー４の長
さは被測定圧力に応じて変化し、その変化は先ず最初に
変換器８に加わる。この変換器８はピボット10で関節接
続されたレバーの形状をした部品である。この変換器８
の一端12はベロー４に加わった機械的作用を振動結晶14
へ伝達する。この振動結晶14の共振周波数を測定する。
この共振周波数は被測定圧力の関数である。
サーを図１を用いて説明する。図１に示す真空状態にあ
るケース２の内部にはベロー４が収容されている。この
ベロー４はケース２の壁に形成された開口部６を介して
被測定圧力下にある環境と連通している。ベロー４の長
さは被測定圧力に応じて変化し、その変化は先ず最初に
変換器８に加わる。この変換器８はピボット10で関節接
続されたレバーの形状をした部品である。この変換器８
の一端12はベロー４に加わった機械的作用を振動結晶14
へ伝達する。この振動結晶14の共振周波数を測定する。
この共振周波数は被測定圧力の関数である。
【０００４】しかし、従来法の装置には技術的且つ経済
的な観点で以下のような多くの欠点がある。先ず、大量
生産が難しく、一般には手作りで製造されため装置の製
造コストが高くなる。次に、現在の製造方法ではセンサ
ーの寸法をある程度以下（例えば、約１cm)に小さくす
ることができない。しかし、小型のセンサーに対する要
求が増えており、その３次元の寸法を例えば数mmであ
る。さらに、従来のセンサーを構成する材料は個別の技
術で加工する必要がある。これは「モノリシック」法で
加工可能なマイクロエレクトロニクスと対照的である。
しかも、公知の共振圧力センサーの共振器の性能は一般
に低く、例えば、95〜105kHzの共振周波数の５〜10％の
周波数範囲にしか作動しない。この特性は共振器の破壊
応力と関係しており、それによってセンサーが許容可能
な測定範囲は大幅に制限されている。
的な観点で以下のような多くの欠点がある。先ず、大量
生産が難しく、一般には手作りで製造されため装置の製
造コストが高くなる。次に、現在の製造方法ではセンサ
ーの寸法をある程度以下（例えば、約１cm)に小さくす
ることができない。しかし、小型のセンサーに対する要
求が増えており、その３次元の寸法を例えば数mmであ
る。さらに、従来のセンサーを構成する材料は個別の技
術で加工する必要がある。これは「モノリシック」法で
加工可能なマイクロエレクトロニクスと対照的である。
しかも、公知の共振圧力センサーの共振器の性能は一般
に低く、例えば、95〜105kHzの共振周波数の５〜10％の
周波数範囲にしか作動しない。この特性は共振器の破壊
応力と関係しており、それによってセンサーが許容可能
な測定範囲は大幅に制限されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来法の上記
欠点を解決した、ミクロ機械加工によって大量生産可能
な小型の共振圧力センサーを提供することにある。
欠点を解決した、ミクロ機械加工によって大量生産可能
な小型の共振圧力センサーを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の共振圧力センサ
ーは、被測定圧力下にある環境に露出された変形自在な
ダイヤフラムと、このダイヤフラムが支持している力を
共振器へ伝達する変換系と、この変換系を振動させる励
振器とを有し、この励振器の共振周波が上記の力、従っ
て被測定圧力の関数となるような共振圧力センサーにお
いて、変換系が可撓性のある曲げ手段を有し、この曲げ
手段がダイヤフラムが支持している力に起因する曲げモ
ーメントを吸収し、共振器の入口部に局在化された曲げ
応力が生じない状態で引張応力または圧縮力を共振器へ
伝達するようになっていることを特徴としている。
ーは、被測定圧力下にある環境に露出された変形自在な
ダイヤフラムと、このダイヤフラムが支持している力を
共振器へ伝達する変換系と、この変換系を振動させる励
振器とを有し、この励振器の共振周波が上記の力、従っ
て被測定圧力の関数となるような共振圧力センサーにお
いて、変換系が可撓性のある曲げ手段を有し、この曲げ
手段がダイヤフラムが支持している力に起因する曲げモ
ーメントを吸収し、共振器の入口部に局在化された曲げ
応力が生じない状態で引張応力または圧縮力を共振器へ
伝達するようになっていることを特徴としている。
【０００７】本発明の共振圧力センサーは、センサーの
動作に有害且つ危険な局部的応力が共振器の入口部に加
わるのが最小限になり、場合によっては完全に防止され
る。従来法の共振圧力センサーにはこうした手段は備え
られていない。すなわち、本発明の共振圧力センサーで
は、変換系を介して共振器へ伝達されるダイヤフラムに
加わる力の系はそのままの力の系ではなく、変換系を介
してダイヤフラムに加わった力の方向を変化さたトルク
を含んでいる。本発明の共振圧力センサー重要な特徴
は、縦長の剛性フレーム内に変換系と共振器の全体が収
容され、これら変換系／共振器が剛性フレーム縦軸線に
沿って配置された以下の要素： (1) 剛性フレームの側壁に連結された２つのヒンジの周
りに回転自在に取付けられたピボット（このピボットの
軸線は剛性フレームの縦軸線に対して直角である）と、
(2) フィンを介して剛性フレームの壁に接続されたヒー
ル部（このヒール部の面は剛性フレームの縦軸線に対し
てほぼ直角である）と、(3) ヒール部とピボットとを互
いに連結する可撓性のある曲げビームと、(4) 曲げビー
ムと反対側のヒール部の側面を剛性フレームの縦軸線に
直角に剛性フレームの一方の側面に接続する共振器の役
目をするビームとによって構成され、剛性フレームは平
行６面体のケースの中央面に取付けられ、剛性フレーム
の面と平行な平行６面体のケースの少なくとも１つの面
は圧力によって変形可能なダイヤフラムによって構成さ
れており、ダイヤフラムとピボットとはダイヤフラムと
一体なスタッドを介して機械的に接続されていて、ダイ
ヤフラムはこの変形量はスタッドを介してピボットへ伝
達される点にある。
動作に有害且つ危険な局部的応力が共振器の入口部に加
わるのが最小限になり、場合によっては完全に防止され
る。従来法の共振圧力センサーにはこうした手段は備え
られていない。すなわち、本発明の共振圧力センサーで
は、変換系を介して共振器へ伝達されるダイヤフラムに
加わる力の系はそのままの力の系ではなく、変換系を介
してダイヤフラムに加わった力の方向を変化さたトルク
を含んでいる。本発明の共振圧力センサー重要な特徴
は、縦長の剛性フレーム内に変換系と共振器の全体が収
容され、これら変換系／共振器が剛性フレーム縦軸線に
沿って配置された以下の要素： (1) 剛性フレームの側壁に連結された２つのヒンジの周
りに回転自在に取付けられたピボット（このピボットの
軸線は剛性フレームの縦軸線に対して直角である）と、
(2) フィンを介して剛性フレームの壁に接続されたヒー
ル部（このヒール部の面は剛性フレームの縦軸線に対し
てほぼ直角である）と、(3) ヒール部とピボットとを互
いに連結する可撓性のある曲げビームと、(4) 曲げビー
ムと反対側のヒール部の側面を剛性フレームの縦軸線に
直角に剛性フレームの一方の側面に接続する共振器の役
目をするビームとによって構成され、剛性フレームは平
行６面体のケースの中央面に取付けられ、剛性フレーム
の面と平行な平行６面体のケースの少なくとも１つの面
は圧力によって変形可能なダイヤフラムによって構成さ
れており、ダイヤフラムとピボットとはダイヤフラムと
一体なスタッドを介して機械的に接続されていて、ダイ
ヤフラムはこの変形量はスタッドを介してピボットへ伝
達される点にある。
【０００８】変換系および共振器の構成要素は剛性フレ
ームによって保持されており、これらを構成する各構成
要素の相対寸法と配置は所望の結果が得られるようにコ
ンピュータで計算できるので、これらの値を正確に最適
化することによって、曲げモーメントも含まない純粋な
圧縮応力または引張応力のみを共振器を形成するビーム
の入口部に伝達することができる。従って、共振器を破
壊させる危険無しに、極めて広い共振周波数範囲を使用
することができ、その範囲は中心共振周波数の左右約10
0 ％である。本発明の共振圧力センサーは、例えば50〜
150kHzの共振周波数範囲で完全に動作し、例えば０〜50
または０〜１バールの範囲で10-4の精度で変換する性能
を有している。
ームによって保持されており、これらを構成する各構成
要素の相対寸法と配置は所望の結果が得られるようにコ
ンピュータで計算できるので、これらの値を正確に最適
化することによって、曲げモーメントも含まない純粋な
圧縮応力または引張応力のみを共振器を形成するビーム
の入口部に伝達することができる。従って、共振器を破
壊させる危険無しに、極めて広い共振周波数範囲を使用
することができ、その範囲は中心共振周波数の左右約10
0 ％である。本発明の共振圧力センサーは、例えば50〜
150kHzの共振周波数範囲で完全に動作し、例えば０〜50
または０〜１バールの範囲で10-4の精度で変換する性能
を有している。
【０００９】本発明の共振圧力センサーをマイクロエレ
クトロニクスまたはミクロ機械加工の方法を用いて作る
ことができるという利点もある。すなわち、この場合に
は、全ての部品をシリコンまたは石英基板上にモノブロ
ックで作る、実際にはケースと剛性フレームとを別体に
作ることができる。そうすることによって材料の最強強
度となる結晶構造を維持することができ、動作中に材料
が破損する危険が最小になる。これに対して、個々の構
成要素を変え、それらを顕微鏡下で組立た場合には、機
械的特性は基本的に加算になり、例え単結晶シリコンま
たは石英より優れた材料を用いても劣化の危険がある。
センサーを小型化し得るという利点の他に、センサーを
石英を用いて製造した場合には使用範囲を広げることが
でという利点もある。すなわち、石英を用いると、励振
が容易になり、圧電検出器を用いて共振器の励振を容易
に検出でき、石英にチタンをイオン注入することによっ
て共振器を外部に接続するのに必要な導電路を形成する
ことができる。センサーおよび共振器をシリコンで作っ
た場合には、シリコンにエッチングした単一のｐｎ接合
と静電接続とを組み合わせて励振と検出を行うことがで
きる。
クトロニクスまたはミクロ機械加工の方法を用いて作る
ことができるという利点もある。すなわち、この場合に
は、全ての部品をシリコンまたは石英基板上にモノブロ
ックで作る、実際にはケースと剛性フレームとを別体に
作ることができる。そうすることによって材料の最強強
度となる結晶構造を維持することができ、動作中に材料
が破損する危険が最小になる。これに対して、個々の構
成要素を変え、それらを顕微鏡下で組立た場合には、機
械的特性は基本的に加算になり、例え単結晶シリコンま
たは石英より優れた材料を用いても劣化の危険がある。
センサーを小型化し得るという利点の他に、センサーを
石英を用いて製造した場合には使用範囲を広げることが
でという利点もある。すなわち、石英を用いると、励振
が容易になり、圧電検出器を用いて共振器の励振を容易
に検出でき、石英にチタンをイオン注入することによっ
て共振器を外部に接続するのに必要な導電路を形成する
ことができる。センサーおよび共振器をシリコンで作っ
た場合には、シリコンにエッチングした単一のｐｎ接合
と静電接続とを組み合わせて励振と検出を行うことがで
きる。
【００１０】センサーの共振器の軸線に沿ってヒール部
−共振器−フィン組立体を配置し、共振器の入口部での
残留曲げモーメントの補償をヒール部−フィンのみで行
わせることによって、上記のヒール部−共振器−フィン
の動作を確保することができる。従って、剛性フレーム
にヒール部を接続するヒンジの形状は、例えば剛性フレ
ームの面に対して直角な鉛直ストリップによって構成し
て、剛性フレームの縦軸線に対して垂直な軸線に沿って
ヒール部が回転するのを防止する。
−共振器−フィン組立体を配置し、共振器の入口部での
残留曲げモーメントの補償をヒール部−フィンのみで行
わせることによって、上記のヒール部−共振器−フィン
の動作を確保することができる。従って、剛性フレーム
にヒール部を接続するヒンジの形状は、例えば剛性フレ
ームの面に対して直角な鉛直ストリップによって構成し
て、剛性フレームの縦軸線に対して垂直な軸線に沿って
ヒール部が回転するのを防止する。
【００１１】本発明の上記共振圧力センサーはマイクロ
エレクトロニクスまたはミクロ機械加工方法で製造する
ことができる。その場合には、ダイヤフラムを含んだケ
ースと剛性フレームとを石英およびシリコンの中から選
択された同じ材料のモノブロックの基板を用いて別々に
製造し、それらを公知のミクロ機械加工方法によって所
望形状にエッチングした後、別々に製造した部品を組み
合わせてセンサーにすることができる。
エレクトロニクスまたはミクロ機械加工方法で製造する
ことができる。その場合には、ダイヤフラムを含んだケ
ースと剛性フレームとを石英およびシリコンの中から選
択された同じ材料のモノブロックの基板を用いて別々に
製造し、それらを公知のミクロ機械加工方法によって所
望形状にエッチングした後、別々に製造した部品を組み
合わせてセンサーにすることができる。
【００１２】
【実施例】本発明は、図２〜図７を参照して説明する本
発明による共振圧力センサーの実施例からより明瞭にな
ろう。しかし、本発明が以下の実施例に限定されるもの
ではない。以下、ミクロ機械加工で寸法が数ミリメート
ルのミニセンサーを製造する場合を説明するが、以下の
実施例は本発明の多数の用途の１つを示だけで、これよ
り寸法が大きいミクロ機械加工を必要としない製造法で
作られるセンサーも本発明の範囲含まれるということは
理解できよう。
発明による共振圧力センサーの実施例からより明瞭にな
ろう。しかし、本発明が以下の実施例に限定されるもの
ではない。以下、ミクロ機械加工で寸法が数ミリメート
ルのミニセンサーを製造する場合を説明するが、以下の
実施例は本発明の多数の用途の１つを示だけで、これよ
り寸法が大きいミクロ機械加工を必要としない製造法で
作られるセンサーも本発明の範囲含まれるということは
理解できよう。
【００１３】図２は、剛性フレーム24の内部に配置され
た共振器16、曲げビーム18、ヒール部(talon) 20および
ピボット22とで構成される本発明の共振圧力センサーの
主要な部分を示している。この共振圧力センサーの一辺
は数mmであり、シリコンまたは石英の基板をエッチング
して得られる。本発明ではピボット22がヒンジ26によっ
て剛性フレーム24に連結されており、ヒール部22は図２
の面に対して垂直な薄いストリップによって構成された
フィン28（図示した実施例では２枚のフィン)によって
剛性フレーム24に接続されている。可撓性のある曲げビ
ーム18はピボット22をヒール部22へ直接接続している。
この他、残留曲げモーメントを補正する同様な作用を共
振器の入口部に生じさせるビーム構造体でヒール部20と
剛性フレーム24との間を接続した構造にすることもでき
る。
た共振器16、曲げビーム18、ヒール部(talon) 20および
ピボット22とで構成される本発明の共振圧力センサーの
主要な部分を示している。この共振圧力センサーの一辺
は数mmであり、シリコンまたは石英の基板をエッチング
して得られる。本発明ではピボット22がヒンジ26によっ
て剛性フレーム24に連結されており、ヒール部22は図２
の面に対して垂直な薄いストリップによって構成された
フィン28（図示した実施例では２枚のフィン)によって
剛性フレーム24に接続されている。可撓性のある曲げビ
ーム18はピボット22をヒール部22へ直接接続している。
この他、残留曲げモーメントを補正する同様な作用を共
振器の入口部に生じさせるビーム構造体でヒール部20と
剛性フレーム24との間を接続した構造にすることもでき
る。
【００１４】図３の断面図では、上記要素と同じ部材に
は同じ参照番号が付けてある。ピボット22の端部は矢印
Ｆで示した圧力の加わる点である。曲げビーム18はこの
圧力Ｆによって変形して図３に示すようなドーム形状に
ある。ヒール部20はフィン28とともに共振器の入口部30
に加わる全ての残留曲げが補正ができるように設計され
る。本発明では、ピボット22と、曲げビーム18と、ヒー
ル部20との全体が曲げモーメントを吸収して変換系(22,
18, 20)へ力Ｆを伝達し、平らなビームによって構成さ
れる共振器16へは単に引張り応力または圧縮応力のみが
伝達される。図２と図３に示す実施例では、曲げビーム
18は単一ビームであり、その輪郭形状は上記の要求事項
の関数でコンピュータによって最適化されている。共振
器16も単一ビームであるが、必要に応じて複数の分岐を
有する「同調フォーク(diapason)」構造で覆うこともで
きる。圧力測定に使用される共振周波数は、全ての場合
に同様に適用できる訳けではないが、共振器16の振動モ
ードの任意の１つであることは明らかである。同様に、
共振器の振動平面は原理的に決まるものではなく、大抵
の場合は技術的な面から決まる。例えば、石英技術を用
いて作られた共振器の場合のように、共振器の振動平面
は機械加工される基板の面に垂直または平行にすること
ができる。
は同じ参照番号が付けてある。ピボット22の端部は矢印
Ｆで示した圧力の加わる点である。曲げビーム18はこの
圧力Ｆによって変形して図３に示すようなドーム形状に
ある。ヒール部20はフィン28とともに共振器の入口部30
に加わる全ての残留曲げが補正ができるように設計され
る。本発明では、ピボット22と、曲げビーム18と、ヒー
ル部20との全体が曲げモーメントを吸収して変換系(22,
18, 20)へ力Ｆを伝達し、平らなビームによって構成さ
れる共振器16へは単に引張り応力または圧縮応力のみが
伝達される。図２と図３に示す実施例では、曲げビーム
18は単一ビームであり、その輪郭形状は上記の要求事項
の関数でコンピュータによって最適化されている。共振
器16も単一ビームであるが、必要に応じて複数の分岐を
有する「同調フォーク(diapason)」構造で覆うこともで
きる。圧力測定に使用される共振周波数は、全ての場合
に同様に適用できる訳けではないが、共振器16の振動モ
ードの任意の１つであることは明らかである。同様に、
共振器の振動平面は原理的に決まるものではなく、大抵
の場合は技術的な面から決まる。例えば、石英技術を用
いて作られた共振器の場合のように、共振器の振動平面
は機械加工される基板の面に垂直または平行にすること
ができる。
【００１５】共振器16は図示していない公知手段によっ
て小さな物理的励振をその表面に生じさせることによっ
て励振される。この励振の周波数が共振周波数と一致し
た成分（フーリエ解析の意味で) を有している場合に
は、この成分が例え極めて弱い時でも、一般に大きな振
幅の振動が生じる。この共振周波数は、例えば変形検出
器によって検出することができる。場合によっては、共
振を励振器へ反射させて励振器自体で共振を検出・測定
することもできる。剛性フレーム24がシリコンで作られ
ている場合には静電気型の励振を用いるのが便利であ
る。例えば、共振器16の表面上にコンデンサを形成し、
それを一方の電極とし、第２の電極を窒化珪素 Si3F4の
誘電領域上に形成する。この場合には圧電抵抗ゲージで
形成されたホイートストーンブリッジを用いて簡単に検
出することができる。特に、剛性フレーム24が石英で作
られている場合には、コンデンサの単なる変化で電気的
な励振が生じ、系が共振作動していることを意味するの
で、この材料の圧電特性を用いて励振機能と検出機能と
を一緒にすることができるという利点がある。
て小さな物理的励振をその表面に生じさせることによっ
て励振される。この励振の周波数が共振周波数と一致し
た成分（フーリエ解析の意味で) を有している場合に
は、この成分が例え極めて弱い時でも、一般に大きな振
幅の振動が生じる。この共振周波数は、例えば変形検出
器によって検出することができる。場合によっては、共
振を励振器へ反射させて励振器自体で共振を検出・測定
することもできる。剛性フレーム24がシリコンで作られ
ている場合には静電気型の励振を用いるのが便利であ
る。例えば、共振器16の表面上にコンデンサを形成し、
それを一方の電極とし、第２の電極を窒化珪素 Si3F4の
誘電領域上に形成する。この場合には圧電抵抗ゲージで
形成されたホイートストーンブリッジを用いて簡単に検
出することができる。特に、剛性フレーム24が石英で作
られている場合には、コンデンサの単なる変化で電気的
な励振が生じ、系が共振作動していることを意味するの
で、この材料の圧電特性を用いて励振機能と検出機能と
を一緒にすることができるという利点がある。
【００１６】変換系 (18、20、22) の機能は中間部分
（ピボット22と曲げビーム18) の曲げ応力を集中させる
ことにあり、ヒール部20には引張り応力または圧縮応力
のみが加わる。従って、ヒール部20は接合点において曲
げビーム18に起因するトルクを補償できるだけの十分に
大きな復元トルクを出す必要がある。一方、このヒール
部20は共振器16の主軸線に沿ってできるだけ小さな固有
抵抗で引張り応力または圧縮応力を支持し、従って、ヒ
ール部20と共振器の全体に加わる引張り応力 (圧縮応
力) による静応力を完全に共振器に伝達しなければなら
ない。本発明センサーでは、フィン28がこの動作特性の
一部を担っている。すなわち、フィン28はヒール部20の
縦方向移動は可能にするが、ヒール部20の回転には抵抗
する。変換系 (18、20、22) は、ヒール部20の内部に共
振器16を嵌め込む位置30で計算した全部の力のモーメン
トが、共振器16の軸線に沿った分力がゼロとならない場
合にゼロとなるよにうに設計される。
（ピボット22と曲げビーム18) の曲げ応力を集中させる
ことにあり、ヒール部20には引張り応力または圧縮応力
のみが加わる。従って、ヒール部20は接合点において曲
げビーム18に起因するトルクを補償できるだけの十分に
大きな復元トルクを出す必要がある。一方、このヒール
部20は共振器16の主軸線に沿ってできるだけ小さな固有
抵抗で引張り応力または圧縮応力を支持し、従って、ヒ
ール部20と共振器の全体に加わる引張り応力 (圧縮応
力) による静応力を完全に共振器に伝達しなければなら
ない。本発明センサーでは、フィン28がこの動作特性の
一部を担っている。すなわち、フィン28はヒール部20の
縦方向移動は可能にするが、ヒール部20の回転には抵抗
する。変換系 (18、20、22) は、ヒール部20の内部に共
振器16を嵌め込む位置30で計算した全部の力のモーメン
トが、共振器16の軸線に沿った分力がゼロとならない場
合にゼロとなるよにうに設計される。
【００１７】図４は、平行６面体のケース32の内部に収
容された変換系18、20、22と共振器16を示しており、平
行６面体ケース32の上側面は被測定圧力下に露出される
可撓性ダイヤフラムを形成するように薄くなっている。
ケース32およびダイヤフラム34は変換系18、20、22およ
び共振器16と同じ材料の基板をエッチングして作ること
ができる。図４では、可撓性ダイヤフラム34に固定され
たスタッド36を介してダイヤフラム34と変換系のピボッ
ト22との間が機械的に結合されている。
容された変換系18、20、22と共振器16を示しており、平
行６面体ケース32の上側面は被測定圧力下に露出される
可撓性ダイヤフラムを形成するように薄くなっている。
ケース32およびダイヤフラム34は変換系18、20、22およ
び共振器16と同じ材料の基板をエッチングして作ること
ができる。図４では、可撓性ダイヤフラム34に固定され
たスタッド36を介してダイヤフラム34と変換系のピボッ
ト22との間が機械的に結合されている。
【００１８】図５は、ダイヤフラム34の上側面に圧力Ｐ
１が加わった時に、図４の構造が変形する状態を示して
いる。スタッド36を介してピボット26に力が加わると、
変換系18、20、22は変形して、図３に示したものと同じ
ドーム形輪郭形状になる。
１が加わった時に、図４の構造が変形する状態を示して
いる。スタッド36を介してピボット26に力が加わると、
変換系18、20、22は変形して、図３に示したものと同じ
ドーム形輪郭形状になる。
【００１９】図６は、本発明の共振圧力センサーの変形
例を示している。この場合には、ケース32の上側面と下
側面の各々が可撓性ダイヤフラム34、38で構成され、外
部から圧力Ｐ１、Ｐ２が加わった場合に、ダイヤフラム
34、38の変形がスタッド36、40を介して変換系へ伝達さ
れる。
例を示している。この場合には、ケース32の上側面と下
側面の各々が可撓性ダイヤフラム34、38で構成され、外
部から圧力Ｐ１、Ｐ２が加わった場合に、ダイヤフラム
34、38の変形がスタッド36、40を介して変換系へ伝達さ
れる。
【００２０】上記実施例では、可撓性ダイヤフラム34、
38の表面積は数mm2 であり、その厚さは数μｍ〜数10μ
ｍである。ダイヤフラムの剛性を変更する必要がある場
合にはダイヤフラムの形状をそれに合わせることができ
る。特に、ダイヤフラムの１部または複数の部分の厚さ
を局部的に変化させることによって、比較的厚い平均厚
さを維持したまま剛性の小さなダイヤフラムにすること
ができる。本発明の共振圧力センサーはケース32の内部
を真空密封するように設計されているので共振器の振動
が大幅に容易になる。共振器16を励振させ且つ振動周波
数を測定するための電気エネルギーを供給するためには
ケース32の内部と外部とを電気的に接続する必要がある
が、これらの手段は当業者に公知であり、図示していな
い。本発明のセンサーを石英で作る場合には、上記電気
的接続は剛性ケース24の壁にチタンを注入することによ
って容易に得られるという点のみを指摘しておく。
38の表面積は数mm2 であり、その厚さは数μｍ〜数10μ
ｍである。ダイヤフラムの剛性を変更する必要がある場
合にはダイヤフラムの形状をそれに合わせることができ
る。特に、ダイヤフラムの１部または複数の部分の厚さ
を局部的に変化させることによって、比較的厚い平均厚
さを維持したまま剛性の小さなダイヤフラムにすること
ができる。本発明の共振圧力センサーはケース32の内部
を真空密封するように設計されているので共振器の振動
が大幅に容易になる。共振器16を励振させ且つ振動周波
数を測定するための電気エネルギーを供給するためには
ケース32の内部と外部とを電気的に接続する必要がある
が、これらの手段は当業者に公知であり、図示していな
い。本発明のセンサーを石英で作る場合には、上記電気
的接続は剛性ケース24の壁にチタンを注入することによ
って容易に得られるという点のみを指摘しておく。
【００２１】上記の小型の共振圧力センサーを作る場合
には、変換系および共振器を支持する剛性フレーム24
と、ケース32およびその表面の少なくとも１つが可撓性
ダイヤフラムとを別々に製造することができる。すなわ
ち、これらの２つの部分をシリコンまたは石英の基板を
エッチングして、強いモノブロックの部分を製造し、次
いで、これら２つの部品を互いに組み合わせて図４〜図
６に示す完全なセンサーに組立ることができる。
には、変換系および共振器を支持する剛性フレーム24
と、ケース32およびその表面の少なくとも１つが可撓性
ダイヤフラムとを別々に製造することができる。すなわ
ち、これらの２つの部分をシリコンまたは石英の基板を
エッチングして、強いモノブロックの部分を製造し、次
いで、これら２つの部品を互いに組み合わせて図４〜図
６に示す完全なセンサーに組立ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来法の共振圧力センサーを示す図。
【図２】 本発明のピボット、曲げビーム、ヒール部お
よび共振器を備えた剛性フレームの平面図。
よび共振器を備えた剛性フレームの平面図。
【図３】 図２のＡ−Ａ線による断面図。
【図４】 ケースと変換器系とを備えたセンサー全体の
側部断面図。
側部断面図。
【図５】 ダイヤフラムに圧力Ｐ１が加わった時の図４
のセンサーの変形状態を示す図。
のセンサーの変形状態を示す図。
【図６】 センサーの互いに対向した上側面と下側面の
各々に圧力Ｐ１とＰ２が加わるダイヤフラムを有する図
４、図５のセンサーの変形実施例の図。
各々に圧力Ｐ１とＰ２が加わるダイヤフラムを有する図
４、図５のセンサーの変形実施例の図。
16 共振器 18 曲げビーム 20 ヒール部 22 ピボット 24 剛性フレーム 26 ヒンジ 28 フィン 32 ケース 34、38 ダイヤフラム 36、40 スタッド
Claims (3)
- 【請求項１】 被測定圧力下にある環境に露出された変
形自在なダイヤフラム(34)と、このダイヤフラム(34)が
支持している力を共振器(16)へ伝達する変換系(18, 20,
22)と、この変換系(18, 20, 22)を振動させる励振器と
を有し、この励振器の共振周波が上記の力、従って被測
定圧力の関数となるような共振圧力センサーにおいて、 変換系(18, 20, 22)が可撓性のある曲げ手段(18)を有
し、この曲げ手段(18)がダイヤフラム(34)が支持してい
る力に起因する曲げモーメントを吸収し、共振器(16)の
入口部に局在化された曲げ応力が生じない状態で引張応
力または圧縮力を共振器(16)へ伝達するようになってい
ることを特徴とする共振圧力センサー。 - 【請求項２】 変換系(18, 20, 22)と共振器(16)とが剛
性フレーム(24)の内部に取付けられており、この剛性フ
レーム(24)の縦軸線に沿って、(1) 剛性フレーム(24)の
側壁に連結された２つのヒンジ(26)の周りを回転できる
ように取付けられたピボット(22)であって、その軸線が
剛性フレーム(24)の縦軸線に対して直角であるピボット
(22)と、(2) フィン(28)を介して剛性フレーム(24)の壁
に接続されたヒール部(20)であって、その面が剛性フレ
ーム(24)の縦軸線に対してほぼ直角であるフィン(20)
と、(3) ヒール部(20)とピボット(22)とを互いに連結す
る可撓性のある曲げビーム(18)と、(4) 曲げビーム(18)
と反対側のヒール部(20)の側面を剛性フレーム(24)の縦
軸線に直角に剛性フレーム(24)の一方の側面に接続する
共振器の役目をするビーム(16)と、が配置されており、 剛性フレーム(24)は平行６面体のケース(32)の中央面に
取付けられ、剛性フレーム(24)の面と平行な平行６面体
のケース(32)の少なくとも１つの面は圧力によって変形
可能なダイヤフラム(34)によって構成されており、ダイ
ヤフラム(34)とピボット(22)とはダイヤフラム(34)と一
体なスタッドを介して機械的に接続されていて、ダイヤ
フラム(34)はこの変形量はスタッドを介してピボット(2
2)へ伝達される請求項１に記載の共振圧力センサー。 - 【請求項３】 ダイヤフラム(34)と剛性フレーム(24)と
を有するケースを石英またはシリコンから選択される同
じ材料のモノプロックの基板をミクロ機械加工によるエ
ッチングによって別々に製造し、次いで両者を組み合わ
せることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力セ
ンサーの製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9103708A FR2674627B1 (fr) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | Capteur de pression resonant. |
| FR9103708 | 1991-03-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0666655A true JPH0666655A (ja) | 1994-03-11 |
Family
ID=9411182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4101824A Withdrawn JPH0666655A (ja) | 1991-03-27 | 1992-03-27 | 共振圧力センサー |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5317917A (ja) |
| EP (1) | EP0506554B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0666655A (ja) |
| DE (1) | DE69208704T2 (ja) |
| FR (1) | FR2674627B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003083829A (ja) * | 2001-09-12 | 2003-03-19 | Toyo Commun Equip Co Ltd | 圧力センサ |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5526692A (en) * | 1993-12-29 | 1996-06-18 | Keiser Corporation | Sensor |
| GB9524624D0 (en) * | 1995-12-01 | 1996-01-31 | Weston Aerospace Ltd | Pressure sensor |
| GB2307744B (en) * | 1995-12-01 | 1999-12-01 | Solartron Group Ltd | Pressure sensor |
| US5873840A (en) * | 1997-08-21 | 1999-02-23 | Neff; Samuel R. | Intracranial pressure monitoring system |
| US6182513B1 (en) * | 1998-12-23 | 2001-02-06 | Radi Medical Systems Ab | Resonant sensor and method of making a pressure sensor comprising a resonant beam structure |
| US6165135A (en) * | 1999-07-14 | 2000-12-26 | Neff; Samuel R. | System and method of interrogating implanted passive resonant-circuit devices |
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| DE10034390C2 (de) * | 2000-07-14 | 2003-06-26 | Eads Deutschland Gmbh | Drucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung, sowie Verbrennungskraftmaschine mit Drucksensor |
| US6532822B1 (en) * | 2000-09-26 | 2003-03-18 | Clark Davis Boyd | Resonant torsion pendulum pressure sensor |
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| DE102004020914B4 (de) * | 2004-04-28 | 2008-05-29 | Max Frank Gmbh & Co Kg | Kragplattenanschlusselement |
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| DE102007000200A1 (de) * | 2007-04-03 | 2008-10-09 | Invendo Medical Gmbh | Druckmesseinrichtung |
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| FR2977319B1 (fr) | 2011-07-01 | 2014-03-14 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de mesure de pression a sensiblite optimisee |
| US9861524B2 (en) * | 2013-03-14 | 2018-01-09 | New Jersey Institute Of Technology | Smart shunt devices and methods |
| FR3037397B1 (fr) * | 2015-06-12 | 2017-06-16 | Sagem Defense Securite | Dispositif de detection de pression a decouplage mecanique |
| FR3098810B1 (fr) * | 2019-07-18 | 2021-10-15 | Commissariat Energie Atomique | Liaison mécanique pour dispositif MEMS et NEMS de mesure d'une variation de pression et dispositif comprenant une telle liaison mécanique |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4382385A (en) * | 1980-04-17 | 1983-05-10 | Paroscientific, Inc. | Digital differential pressure transducer |
| FR2509856A1 (fr) * | 1981-07-20 | 1983-01-21 | Crouzet Sa | Capteur de pression differentielle |
| GB2215053B (en) * | 1988-02-13 | 1991-09-11 | Stc Plc | Transducer device |
-
1991
- 1991-03-27 FR FR9103708A patent/FR2674627B1/fr not_active Expired - Lifetime
-
1992
- 1992-03-23 US US07/855,312 patent/US5317917A/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-03-25 EP EP92400805A patent/EP0506554B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1992-03-25 DE DE69208704T patent/DE69208704T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1992-03-27 JP JP4101824A patent/JPH0666655A/ja not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| JP2003083829A (ja) * | 2001-09-12 | 2003-03-19 | Toyo Commun Equip Co Ltd | 圧力センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5317917A (en) | 1994-06-07 |
| EP0506554B1 (fr) | 1996-03-06 |
| EP0506554A1 (fr) | 1992-09-30 |
| FR2674627B1 (fr) | 1994-04-29 |
| DE69208704D1 (de) | 1996-04-11 |
| FR2674627A1 (fr) | 1992-10-02 |
| DE69208704T2 (de) | 1996-10-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19990608 |