JPH0961453A - Displacement sensor and displacement measuring method - Google Patents

Displacement sensor and displacement measuring method

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JPH0961453A
JPH0961453A JP7217231A JP21723195A JPH0961453A JP H0961453 A JPH0961453 A JP H0961453A JP 7217231 A JP7217231 A JP 7217231A JP 21723195 A JP21723195 A JP 21723195A JP H0961453 A JPH0961453 A JP H0961453A
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JP
Japan
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substrate
resistance element
beams
strain resistance
strain
Prior art date
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Pending
Application number
JP7217231A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichiro Tanahashi
一郎 棚橋
Hiroyuki Kado
博行 加道
Yoshio Manabe
由雄 真鍋
Takao Toda
隆夫 任田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication of JPH0961453A publication Critical patent/JPH0961453A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a displacement sensor which is compact, light, and superior, and has a high detection sensitivity and a sound wave/ultrasonic sensor, an acceleration sensor, and an angular velocity sensor using it. SOLUTION: A displacement sensor consists of a center lever 10 and distortion resistance elements 3a, 3b, 4a, and 4b provided on one surface of the lever 10 which is fixed at its both ends. At least two distortion resistance elements are provided near the fixing part of the lever and at least two distortion resistance elements are provided at the center of the lever and a Wheatstone bridge circuit is formed by at least four distortion resistance elements.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は歪抵抗素子と両もち梁を
用いたセンサに関するものであり、特に音波・超音波、
加速度、角速度などを高感度に検出するセンサに関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor using a strain resistance element and a doubly supported beam, and particularly to a sound wave / ultrasonic wave,
The present invention relates to a sensor for detecting acceleration, angular velocity, etc. with high sensitivity.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、外部力による梁やダイアフラムの
変形量(歪)を検出することにより、超音波、振動、加
速度、角速度などを測定し、これらのセンサとして用い
られている(特開昭59−57595、特開昭61−2
20598、特開平5−93628)。そして上記の歪
の検出には圧電体、静電容量、歪抵抗素子などが用いら
れている。これらの中で圧電体では感度が高いが静的な
歪は検出できない、静電容量では静的な歪の検出は可能
であるが検出回路が複雑である、歪抵抗素子では静的な
歪の検出は可能で検出回路は簡単であるが感度が低いと
いった特徴を各々有している。
2. Description of the Related Art Conventionally, ultrasonic waves, vibrations, accelerations, angular velocities, etc. have been measured by detecting the amount of deformation (strain) of a beam or diaphragm due to an external force, and these have been used as sensors for these (Japanese Patent Laid-Open Publication No. Sho. 59-57595, JP-A-61-2
20598, JP-A-5-93628). A piezoelectric body, an electrostatic capacitance, a strain resistance element, etc. are used for detecting the strain. Among these, the piezoelectric body has high sensitivity, but static strain cannot be detected.The electrostatic capacitance can detect static strain, but the detection circuit is complicated. Each has the characteristics that it can be detected and the detection circuit is simple, but the sensitivity is low.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】梁に歪抵抗素子を設け
た従来のセンサでは、検出感度を向上させるために、外
部回路の抵抗体、あるいは梁の固定部に設けられた抵抗
体と歪抵抗素子とでホイートストンブリッジを構成した
り、梁の固定部に信号増幅回路が組み込まれていた。
In the conventional sensor in which the strain resistance element is provided on the beam, in order to improve the detection sensitivity, the resistor of the external circuit, or the resistor and the strain resistance provided on the fixing portion of the beam are used. A Wheatstone bridge was constructed with the elements, and a signal amplification circuit was incorporated in the fixed part of the beam.

【0004】しかし上記のような構成では、センサの特
性がばらついたり製造コストが増加するといった問題点
を有しており、さらに検出感度の高いセンサが要望され
ている。
However, the above-mentioned structure has the problems that the characteristics of the sensor vary and the manufacturing cost increases, and a sensor having higher detection sensitivity is demanded.

【0005】そこで本発明は、上記の課題を解決し、小
型軽量高性能で検出感度の高い変位センサおよびそれを
用いた音波・超音波センサ、加速度センサ、角速度セン
サなどを提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a small-sized, lightweight, high-performance displacement sensor having high detection sensitivity, and an acoustic / ultrasonic sensor, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and the like using the displacement sensor. To do.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の変位センサは両もち梁と、前記両もち梁の
一方の面に設けられた歪抵抗素子からなり、前記歪抵抗
素子は前記両もち梁の固定部近傍に少なくとも2個、前
記両もち梁の中央部に少なくとも2個設けられ、前記少
なくとも4個の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
ッジ回路が形成されていることを特徴とする。あるい
は、前記変位センサが同一基板上に1次元あるいは2次
元に複数個作製されたアレイ変位センサであることを特
徴とする。
In order to achieve the above object, the displacement sensor of the present invention comprises both cantilever beams and a strain resistance element provided on one surface of each of the both moist beams. At least two are provided in the vicinity of the fixed portions of both the domed beams, at least two are provided at the center of the domed beams, and a Wheatstone bridge circuit is formed by the at least four strain resistance elements. . Alternatively, it is characterized in that the displacement sensor is an array displacement sensor in which a plurality of one-dimensionally or two-dimensionally produced on the same substrate.

【0007】前記構成においては、両もち梁の一方の面
に設けられた歪抵抗素子の無歪時の抵抗値がほぼ同一で
あることが好ましい。
In the above construction, it is preferable that the resistance values of the strain resistance elements provided on one surface of the two dovetail beams when they are not strained are substantially the same.

【0008】次に、本発明の音波・超音波センサは、前
記本発明の変位センサ、あるいはアレイ変位センサを用
いて、センサの両もち梁のたわみの大きさ、あるいはた
わみの大きさとそれぞれの位相を検出することにより、
気体、あるいは液体の振動の大きさ、あるいは振動の大
きさと振動の伝播方向とを測定することを特徴とする。
Next, the sound wave / ultrasonic sensor of the present invention uses the displacement sensor of the present invention or the array displacement sensor described above to measure the size of the flexure of the two beam beams of the sensor, or the size of the flexure and the respective phases. By detecting
It is characterized in that the magnitude of vibration of gas or liquid, or the magnitude of vibration and the propagation direction of vibration is measured.

【0009】次に、本発明の加速度センサは、前記本発
明の変位センサを被測定物に取り付けて、被測定物に加
わる振動、衝撃や加速度を検出することを特徴とする。
Next, the acceleration sensor of the present invention is characterized in that the displacement sensor of the present invention is attached to an object to be measured to detect vibration, impact or acceleration applied to the object to be measured.

【0010】次に、本発明の角速度センサは、前記本発
明のアレイ変位センサを被測定物に取り付けて、複数個
のセンサの両もち梁のたわみの大きさと方向を検出する
ことにより、被測定物に加わる角速度を検出することを
特徴とする。
Next, in the angular velocity sensor of the present invention, the array displacement sensor of the present invention is attached to the object to be measured, and the magnitude and direction of the deflection of both the mochi beams of the plurality of sensors are detected to measure the object to be measured. It is characterized by detecting an angular velocity applied to an object.

【0011】また、前記発明の加速度、あるいは角速度
センサにおいては、変位センサを容器内に収納し、容器
内を減圧状態、あるいはヘリウムガスを充填した構成が
好ましい。
Further, in the acceleration or angular velocity sensor of the above invention, it is preferable that the displacement sensor is housed in a container and the container is depressurized or filled with helium gas.

【0012】また、前記発明の各種センサにおいては、
歪抵抗素子が半導体拡散抵抗、薄膜金属抵抗または薄膜
半導体抵抗から選ばれた少なくとも1種からなることが
好ましい。
Further, in the various sensors of the above invention,
The strain resistance element is preferably made of at least one selected from semiconductor diffused resistors, thin film metal resistors, and thin film semiconductor resistors.

【0013】また、前記発明の各種センサにおいては、
歪抵抗素子が絶縁体に金属微粒子が分散された抵抗体か
らなることがとりわけ好ましい。
Further, in the various sensors of the above invention,
It is particularly preferable that the strain resistance element is composed of a resistor in which fine metal particles are dispersed in an insulator.

【0014】[0014]

【作用】本発明の変位センサの構成によれば、両もち梁
に外力が印加されたとき梁が弓状に変形し、一方の面に
設けられた歪抵抗素子の内、中央部に設けられた歪抵抗
素子の抵抗値と固定部近傍に設けられた歪抵抗素子の抵
抗値はその変化の方向が異なり、一方が増加するときは
他方は減少し、一方が減少するときは他方は増加する。
従ってこれらの歪抵抗素子を面上で配線しホイートスト
ンブリッジを構成することにより高感度に両もち梁の変
位、すなわち印加された外力を測定することができる。
According to the structure of the displacement sensor of the present invention, when an external force is applied to both the domed beams, the beams are deformed into an arc shape, and the strain resistance elements provided on one surface are provided at the central portion. The resistance value of the strain resistance element and the resistance value of the strain resistance element provided near the fixed part have different directions of change, and when one increases, the other decreases, and when one decreases, the other increases. .
Therefore, by arranging these strain resistance elements on the surface to form a Wheatstone bridge, it is possible to measure the displacement of both cantilever beams, that is, the applied external force with high sensitivity.

【0015】また、両もち梁の一方の面に設けられた歪
抵抗素子の無歪時の抵抗値がほぼ同一となるように形成
することにより感度を最大にすることができる。
Further, the sensitivity can be maximized by forming the strain resistance elements provided on one surface of the two dovetail beams so that the resistance values thereof are substantially the same when no strain occurs.

【0016】また、本発明の変位センサを用いることに
より単純な構成で音波・超音波や加速度を高感度で測定
でき、安価で信頼性が高く高感度なセンサを形成でき
る。
Further, by using the displacement sensor of the present invention, it is possible to measure sound waves, ultrasonic waves and accelerations with high sensitivity with a simple structure, and it is possible to form an inexpensive, highly reliable and highly sensitive sensor.

【0017】さらに、本発明の変位センサは単純なモノ
リシックな構成であるため、半導体プロセスを用いて容
易に同一基板上に1次元あるいは2次元に複数個の変位
センサを作製することができ、このようなアレイ変位セ
ンサを用いることにより、複数個の両もち梁の変位の大
きさと位相を応答速度のばらつきが少なく高精度に検出
でき、音波・超音波の伝播方向や角速度を測定できる。
Further, since the displacement sensor of the present invention has a simple monolithic structure, it is possible to easily fabricate a plurality of displacement sensors one-dimensionally or two-dimensionally on the same substrate by using a semiconductor process. By using such an array displacement sensor, it is possible to detect the magnitude and phase of displacement of a plurality of both cantilever beams with high accuracy with little variation in response speed, and to measure the propagation direction and angular velocity of sound waves and ultrasonic waves.

【0018】また、変位センサを容器内に収納し、容器
内を減圧状態、あるいはヘリウムガスを充填した構成の
加速度センサや角速度センサにおいては、センサ周辺の
風や空気のゆらぎの影響を受けることなく安定に加速度
や角速度を測定できる。
Further, in an acceleration sensor or an angular velocity sensor in which the displacement sensor is housed in a container and the inside of the container is in a decompressed state or filled with helium gas, there is no influence of wind or air fluctuations around the sensor. Accurately measure acceleration and angular velocity.

【0019】また、歪抵抗素子として半導体拡散抵抗、
薄膜金属抵抗または薄膜半導体抵抗から選ばれた少なく
とも1種を用いることにより、半導体プロセスを利用す
ることができ、再現性よく、大量に安価に製造できる。
とりわけ、絶縁体に金属微粒子が分散された抵抗体から
なる歪抵抗素子は、作製が容易で歪−抵抗変化率も大き
く、変位センサ用歪抵抗素子としてきわめて有効であ
る。
Further, a semiconductor diffused resistor as a strain resistance element,
By using at least one selected from thin-film metal resistors or thin-film semiconductor resistors, a semiconductor process can be utilized, reproducibility is good, and mass production is possible at low cost.
In particular, a strain resistance element composed of a resistor in which fine metal particles are dispersed in an insulator is easy to manufacture, has a large strain-resistance change rate, and is extremely effective as a strain resistance element for a displacement sensor.

【0020】[0020]

【実施例】【Example】

(実施例1)図1は本発明第1実施例における変位セン
サの斜視図を示したものであり、図2は図1に示される
変位センサの等価回路を示したものである。図1におい
て、シリコン基板1には凹部11が形成され、その上に
電気絶縁性薄膜2からなる両もち梁10が形成されてい
る。両もち梁10の表面には4つの歪抵抗素子3a、3
b、4a、4b、入力端子5、6、出力端子7、8、お
よび配線9が形成されている。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a perspective view of a displacement sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit of the displacement sensor shown in FIG. In FIG. 1, a recess 11 is formed in a silicon substrate 1, and a doubly supported beam 10 made of an electrically insulating thin film 2 is formed thereon. There are four strain resistance elements 3a, 3
b, 4a, 4b, input terminals 5, 6, output terminals 7, 8 and wiring 9 are formed.

【0021】上記の変位センサは以下のように作製す
る。まず、Si(100)基板の上に熱酸化プロセスに
より厚さ1μmの酸化珪素薄膜2を形成し、その上に厚
さ0.2μmのAu/Cr薄膜(Cr;0.05μm)を
真空蒸着法により形成し、フォトリソグラフィ法により
配線パターン9および入出力端子5、6、7、8を作製
する。次に配線パターン9、入出力端子5、6、7及び
8が形成された基板に対して、その上に、歪抵抗素子形
成用の厚さ0.3μmのニッケル−クロム合金薄膜(C
r;20at%)をスパッタリング法により形成し、フォ
トリソグラフィ法により図3に示すようなパターン12
を有する歪抵抗素子3a、3b、4a、4bを作製す
る。上記の歪抵抗素子3a、3b、4a、4bによりホ
イートストン・ブリッジが形成される。さらに、フォト
リソグラフィ法により希釈フッ化水素水を用いて酸化珪
素薄膜2をエッチングすることにより長さ2mm、幅0.
4mmの両もち梁10を形成し、つづいて水酸化カリウム
によりシリコン基板1を異方性エッチングすることによ
り凹部11を形成し変位センサを完成する。
The above displacement sensor is manufactured as follows. First, a silicon oxide thin film 2 having a thickness of 1 μm is formed on a Si (100) substrate by a thermal oxidation process, and an Au / Cr thin film (Cr; 0.05 μm) having a thickness of 0.2 μm is formed on the silicon oxide thin film 2. Then, the wiring pattern 9 and the input / output terminals 5, 6, 7, and 8 are formed by the photolithography method. Next, with respect to the substrate on which the wiring pattern 9 and the input / output terminals 5, 6, 7 and 8 are formed, a 0.3 μm thick nickel-chromium alloy thin film (C
r; 20 at%) is formed by the sputtering method, and the pattern 12 as shown in FIG. 3 is formed by the photolithography method.
The strain resistance elements 3a, 3b, 4a, and 4b having The strain resistance elements 3a, 3b, 4a, 4b form a Wheatstone bridge. Further, by etching the silicon oxide thin film 2 with diluted hydrogen fluoride water by a photolithography method, a length of 2 mm and a width of 0.
A 4 mm double-bearing beam 10 is formed, and subsequently, the silicon substrate 1 is anisotropically etched with potassium hydroxide to form a concave portion 11 to complete the displacement sensor.

【0022】上記のように形成された変位センサの特性
を調べるため入力端子5、6間に2Vの直流電圧を印加
し、出力端子7、8間の電圧を測定したところ、0.1
%の歪に対して4mVの安定した出力が得られた。また、
温度特性も20ppm/℃以下と優れた変位センサであるこ
とが実証された。さらに、シリコン基板中に増幅回路を
組み込むことにより、S/Nを劣化させることなくさら
に感度を向上させることができた。
In order to investigate the characteristics of the displacement sensor formed as described above, a DC voltage of 2V was applied between the input terminals 5 and 6, and the voltage between the output terminals 7 and 8 was measured.
A stable output of 4 mV was obtained for a strain of%. Also,
It was proved that the displacement sensor had an excellent temperature characteristic of 20 ppm / ° C or less. Furthermore, by incorporating the amplifier circuit in the silicon substrate, the sensitivity could be further improved without degrading the S / N.

【0023】なお、それぞれの歪抵抗素子は薄膜プロセ
スとフォトリソプロセスにより形成されるため、その抵
抗値のばらつきは小さく、1%以下のものも容易に形成
できる。したがって、無歪時の出力電圧は小さく増幅が
容易であり感度は高くなる。
Since each strain resistance element is formed by a thin film process and a photolithography process, the variation in its resistance value is small, and a resistance value of 1% or less can be easily formed. Therefore, the output voltage without distortion is small, amplification is easy, and sensitivity is high.

【0024】また、上記の変位センサは低ノイズで感度
が高いため、空気中や液体中を伝播する微弱な音波や超
音波を容易に検出でき、この変位センサを被測定物に固
定することにより、被測定物に印加される振動や加速度
も感度よく測定できる。
Further, since the above displacement sensor has low noise and high sensitivity, it can easily detect a weak sound wave or ultrasonic wave propagating in air or liquid, and by fixing this displacement sensor to the object to be measured. Also, vibration and acceleration applied to the object to be measured can be measured with high sensitivity.

【0025】(実施例2)以下に変位センサをアレイ状
に並べた本発明第2の実施例における変位センサについ
て、図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment) A displacement sensor according to a second embodiment of the present invention in which the displacement sensors are arranged in an array will be described below with reference to the drawings.

【0026】図4は複数個の両もち梁10を同一シリコ
ン基板1に形成した1次元アレイ変位センサの構成を示
す斜視図である。このアレイセンサも上記の変位センサ
と同様の半導体プロセスにより形成することができる。
FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a one-dimensional array displacement sensor in which a plurality of both cantilever beams 10 are formed on the same silicon substrate 1. This array sensor can also be formed by the same semiconductor process as the above displacement sensor.

【0027】上記のアレイセンサを用いてパルス状の音
波や超音波を対象物に向けて出射し、対象物からの反射
波をこのアレイセンサで検出することにより、対象物の
形状、性質、対象物までの距離、方向を測定できた。
By using the above array sensor to emit a pulsed sound wave or ultrasonic wave toward an object and detecting a reflected wave from the object with this array sensor, the shape, property, and object of the object can be obtained. I was able to measure the distance and direction to an object.

【0028】具体的に述べると、各センサの出力電圧の
大きさ、位相差、出射から検出までの時間を測定・処理
すると、第1に出力電圧の大きさからは対象物の性質
を、第2に位相差からは対象物の方向や形状を、第3に
出射から検出までの時間からは対象物までの距離を測定
することができた。また、1次元アレイセンサの場合は
平面内の情報しか得られないが、2次元アレイセンサを
用いることにより3次元情報を得ることができるのは言
うまでもない。なお、上記の変位センサは空中や液体中
の物体のイメージセンサとして有用であることはもちろ
ん、体内の状態を高分解能に画像化する診断装置として
もきわめて有用である。
Specifically, when the magnitude of output voltage of each sensor, the phase difference, and the time from emission to detection are measured and processed, firstly, from the magnitude of the output voltage, the property of the object is determined. It was possible to measure the direction and shape of the target object from the phase difference 2 and the distance to the target object 3 from the time from the emission to the detection. In addition, in the case of the one-dimensional array sensor, only in-plane information can be obtained, but it goes without saying that three-dimensional information can be obtained by using the two-dimensional array sensor. The displacement sensor described above is not only useful as an image sensor for an object in the air or in a liquid, but also extremely useful as a diagnostic device for imaging the state inside the body with high resolution.

【0029】(実施例3)以下に、上記の変位センサを
角速度センサに応用した本発明第3の実施例について図
面を参照しながら説明する。
(Third Embodiment) A third embodiment of the present invention in which the above displacement sensor is applied to an angular velocity sensor will be described below with reference to the drawings.

【0030】図5は本発明第3の実施例における角速度
センサの構造を示す斜視図である。このセンサは同一基
板上に形成された2つの変位センサ13、14からな
り、軸15を中心軸として回転が加わったときに生じる
2つのセンサからの出力を演算処理することにより角速
度を測定するものである。
FIG. 5 is a perspective view showing the structure of an angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention. This sensor is composed of two displacement sensors 13 and 14 formed on the same substrate, and measures the angular velocity by processing the output from the two sensors generated when rotation is applied about the axis 15 as a central axis. Is.

【0031】本発明の変位センサを加速度センサや角速
度センサとして用いる場合は、センサそのものを密封容
器内に収容することにより空気の流れやゆらぎによるノ
イズが無くなり、S/Nの高い安定した出力を得ること
ができ、さらに、容器内を数mmHg以下の減圧状態
や、ヘリウムガスを充填することにより感度や温度特性
も向上させることができる。これは両もち梁が受ける空
気抵抗が少なくなったためと考えられる。
When the displacement sensor of the present invention is used as an acceleration sensor or an angular velocity sensor, by accommodating the sensor itself in a hermetically sealed container, noise due to air flow and fluctuation is eliminated, and stable output with high S / N is obtained. Further, sensitivity and temperature characteristics can be improved by reducing the pressure in the container to several mmHg or less or by filling with helium gas. It is considered that this is because the air resistance received by both mochi beams has decreased.

【0032】上記実施例においては歪抵抗素子としては
ニッケルークロム合金からなる金属薄膜抵抗を用いた
が、絶縁体に金属微粒子を分散した薄膜抵抗、シリコン
やガリウム砒素などの半導体に不純物をドープした半導
体拡散抵抗、あるいはゲルマニウムやアモルファスシリ
コンなどの薄膜半導体抵抗も用いることができる。
In the above embodiment, a metal thin film resistor made of nickel-chromium alloy was used as the strain resistance element. However, a thin film resistor in which fine metal particles are dispersed in an insulator, or a semiconductor such as silicon or gallium arsenide is doped with impurities. Semiconductor diffused resistors or thin film semiconductor resistors such as germanium or amorphous silicon can also be used.

【0033】上記の半導体拡散抵抗を用いた場合は両も
ち梁を同じ半導体材料で作製し、その表面に不純物をド
ープすることにより、歪抵抗素子を両もち梁表面に容易
に形成できるという長所や、感度が大きいという長所が
あるが温度特性が悪いという欠点がある。一方薄膜金属
抵抗は温度特性に優れているが感度が小さく、半導体薄
膜抵抗は半導体拡散抵抗と薄膜金属抵抗の中間的な特性
を示す。
When the above semiconductor diffusion resistance is used, both strain beams are made of the same semiconductor material, and the surface thereof is doped with an impurity, so that the strain resistance element can be easily formed on the surface of both strain beams. However, it has the advantage of high sensitivity, but has the disadvantage of poor temperature characteristics. On the other hand, thin-film metal resistors have excellent temperature characteristics but low sensitivity, and semiconductor thin-film resistors show intermediate characteristics between semiconductor diffused resistors and thin-film metal resistors.

【0034】しかし総合的には絶縁体に金属微粒子を分
散した薄膜抵抗は温度特性、感度に優れ、作製方法も容
易であり、安定性に優れたセンサを再現性良く作製でき
る。この絶縁体に金属微粒子を分散した薄膜抵抗は、例
えば金と酸化珪素を少なくとも1回以上、交互にスパッ
タリングすることにより金微粒子が分散された酸化珪素
からな薄膜抵抗が形成できる。また、金属微粒子として
は、金、白金、銀、銅などの貴金属が化学的に安定であ
り、とりわけ優れた特性を示した。絶縁体としては、酸
化珪素の他に酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸
化チタン、希土類酸化物などが優れた特性を示した。
However, as a whole, a thin film resistor in which fine metal particles are dispersed in an insulator has excellent temperature characteristics and sensitivity, is easy to prepare, and can produce a sensor having excellent stability with good reproducibility. The thin film resistor in which fine metal particles are dispersed in this insulator can be formed by alternately sputtering gold and silicon oxide at least once, for example, to form a thin film resistor made of silicon oxide in which fine gold particles are dispersed. As the metal fine particles, noble metals such as gold, platinum, silver, and copper were chemically stable and exhibited particularly excellent characteristics. As the insulator, in addition to silicon oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, titanium oxide, rare earth oxide, etc. showed excellent characteristics.

【0035】なお、両持ち梁としては酸化珪素薄膜を用
いた場合について示したが、この他にシリコンウェハー
からマイクロマシニング技術により作製されるシリコン
製両もち梁や窒化珪素薄膜の両もち梁も用いることがで
きる。上記のシリコン製両もち梁は表面にほう素などを
イオン注入することにより歪抵抗素子を一体形成できる
長所や、基板材料としてシリコンを用いる場合には、セ
ンサ全体あるいは増幅・検出回路をも含めてシリコン集
積回路プロセスにより形成できるという大きな長所があ
り、窒化珪素製両もち梁は破壊強度が大きく、耐衝撃性
に優れたセンサを作製できる。
Although the case where a silicon oxide thin film is used as the both-supported beam has been shown, in addition to this, a silicon doubly-supported beam or a silicon nitride thin-film doubly-supported beam produced from a silicon wafer by a micromachining technique is also used. be able to. The above-mentioned silicon dovetail beam has the advantage that a strain resistance element can be integrally formed by ion-implanting boron or the like on the surface. It has a great advantage that it can be formed by a silicon integrated circuit process, and the silicon nitride bilateral dovetail beam has a large fracture strength and can produce a sensor excellent in impact resistance.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように、両もち梁と、両も
ち梁の一方の面に設けられた歪抵抗素子からなり、歪抵
抗素子は両もち梁の固定部近傍に少なくとも2個、両も
ち梁の中央部に少なくとも2個設けられ、少なくとも4
個の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリッジ回路が
形成されている本発明に係る構成によれば、高精度な加
工が可能な半導体プロセス技術を利用でき、歪−抵抗係
数の小さな歪抵抗材料を用いても、高感度かつ小型の変
位センサ、音波・超音波センサ、加速度センサ、角速度
センサ、アレイセンサなどを低価格で大量に製造するこ
とが可能である。
As described above, it is composed of both cantilever beams and a strain resistance element provided on one surface of both cantilever beams, and at least two strain resistance elements are provided in the vicinity of the fixed portions of both cantilever beams. At least two in the center of the mochi beam, at least four
According to the configuration of the present invention in which the Wheatstone bridge circuit is formed by the individual strain resistance elements, the semiconductor process technology capable of high-precision processing can be used, and the strain resistance material having a small strain-resistance coefficient is used. In addition, it is possible to mass-produce high-sensitivity and small displacement sensors, acoustic / ultrasonic sensors, acceleration sensors, angular velocity sensors, array sensors, etc. at low cost.

【0037】またシリコンなどの半導体基板を用いて両
もち梁を作製できるため、歪抵抗素子の微小な抵抗値の
変化を増幅検出する回路や、複数のセンサから検出され
た信号を演算処理し、画像化する回路などを基板中に作
り込むことが可能であり、特にイメージング用センサに
おいて、さらに小型・軽量・高性能化が可能となる。
Further, since both cantilever beams can be manufactured by using a semiconductor substrate made of silicon or the like, a circuit for amplifying and detecting a minute change in resistance value of the strain resistance element and a signal processed by a plurality of sensors are arithmetically processed, It is possible to build a circuit to be imaged in the substrate, and in particular, in an imaging sensor, further miniaturization, weight reduction, and higher performance are possible.

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

【図1】本発明の実施例における変位センサの斜視図FIG. 1 is a perspective view of a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例における変位センサの等価回路
を示す図
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例における変位センサに用いられ
る歪抵抗素子の構成図
FIG. 3 is a configuration diagram of a strain resistance element used in a displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例におけるアレイ変位センサの斜
視図
FIG. 4 is a perspective view of an array displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例における角速度センサの斜視図FIG. 5 is a perspective view of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 電気絶縁性薄膜 3a、3b、4a、4b 歪抵抗素子 5、6 入力端子 7、8 出力端子 10 両もち梁 11 凹部 12 金属薄膜 13、14 変位センサ 15 回転軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Electrically insulating thin film 3a, 3b, 4a, 4b Strain resistance element 5, 6 Input terminal 7, 8 Output terminal 10 Both stick beams 11 Recess 12 Metal thin film 13, 14 Displacement sensor 15 Rotation axis

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 任田 隆夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takao Nita 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
れた複数個の第1の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
板の凹部上に形成された複数個の第2の歪抵抗素子とを
有し、前記第1の歪抵抗素子と前記第2の歪抵抗素子に
よりホイートストン・ブリッジ回路を形成したことを特
徴とする変位センサ。
1. A displacement sensor comprising: a substrate having irregularities; both cantilever beams fixed to the convex portions of the substrate; and a strain resistance element formed on a main surface of the both cantilever beams, the strain sensor comprising: The resistance element includes a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixed portions of the both moist beams to the substrate and a plurality of second strain elements formed on the concave portions of the both moist beams in the substrate. A displacement sensor having a resistance element, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element.
【請求項2】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定されアレイ状に形成された複数個の両もち梁と、前記
両もち梁の主面に形成された歪抵抗素子とを有する変位
センサであって、前記歪抵抗素子は前記両もち梁の前記
基板への固定部近傍に形成された複数個の第1の歪抵抗
素子と前記両もち梁の前記基板の凹部上に形成された複
数個の第2の歪抵抗素子とを有し、前記第1の歪抵抗素
子と前記第2の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
ッジ回路を形成したことを特徴とする変位センサ。
2. A substrate having irregularities, a plurality of both-bearing beams fixed to the protruding portions of the substrate and formed in an array, and a strain resistance element formed on a main surface of the both-bearing beams. In the displacement sensor, the strain resistance elements are formed on a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixing portions of the both moist beams to the substrate and on the concave portions of the both moist beams of the substrate. A displacement sensor having a plurality of second strain resistance elements, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element.
【請求項3】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
れた複数個の第1の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
板の凹部上に形成された複数個の第2の歪抵抗素子とを
有し、前記第1の歪抵抗素子と前記第2の歪抵抗素子に
よりホイートストン・ブリッジ回路を形成し、さらに前
記歪抵抗素子が形成された両もち梁が固定された前記基
板を減圧状態またはヘリウムガスを充填した容器内に収
納したことを特徴とする変位センサ。
3. A displacement sensor comprising: a substrate having irregularities; both cantilever beams fixed to the convex portions of the substrate; and a strain resistance element formed on a main surface of the both cantilever beams, the strain sensor comprising: The resistance element includes a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixed portions of the both moist beams to the substrate and a plurality of second strain elements formed on the concave portions of the both moist beams in the substrate. A substrate having a resistance element, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element, and further, both mochi beams fixed with the strain resistance element are fixed; A displacement sensor characterized by being housed in a depressurized state or in a container filled with helium gas.
【請求項4】歪抵抗素子が半導体拡散抵抗、薄膜金属抵
抗または薄膜半導体抵抗から選ばれた少なくとも1種か
らなることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の
変位センサ。
4. The displacement sensor according to claim 1, wherein the strain resistance element is made of at least one selected from semiconductor diffusion resistance, thin film metal resistance and thin film semiconductor resistance.
【請求項5】歪抵抗素子が絶縁体に金属微粒子が分散さ
れた抵抗体からなることを特徴とする請求項1〜3いず
れかに記載の変位センサ。
5. The displacement sensor according to claim 1, wherein the strain resistance element is composed of a resistor in which fine metal particles are dispersed in an insulator.
【請求項6】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
れた複数個の第1の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
板の凹部上に形成された複数個の第2の歪抵抗素子とを
有し、前記第1の歪抵抗素子と前記第2の歪抵抗素子に
よりホイートストン・ブリッジ回路を形成した変位セン
サを用いた変位測定方法であって、前記両もち梁のたわ
みの大きさを検出することにより、気体または液体の振
動変位を測定することを特徴とする変位測定方法。
6. A displacement sensor comprising: a substrate having irregularities; both cantilever beams fixed to the convex portions of the substrate; and a strain resistance element formed on a main surface of both of the cantilever beams. The resistance element includes a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixed portions of the both moist beams to the substrate and a plurality of second strain elements formed on the concave portions of the both moist beams in the substrate. A displacement measuring method using a displacement sensor having a resistance element, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element, the deflection measuring method comprising: Displacement measuring method characterized by measuring the vibration displacement of gas or liquid by detecting the vibration.
【請求項7】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定されアレイ状に形成された複数個の両もち梁と、前記
両もち梁の主面に形成された歪抵抗素子とを有する変位
センサであって、前記歪抵抗素子は前記両もち梁の前記
基板への固定部近傍に形成された複数個の第1の歪抵抗
素子と前記両もち梁の前記基板の凹部上に形成された複
数個の第2の歪抵抗素子とを有し、前記第1の歪抵抗素
子と前記第2の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
ッジ回路を形成した変位センサを用いた変位測定方法で
あって、複数個の前記両もち梁のたわみの大きさとそれ
ぞれの位相を検出することにより、気体または液体の振
動の大きさ及び振動の伝播方向を測定することを特徴と
する変位測定方法。
7. A substrate having irregularities, a plurality of both-bearing beams fixed to the protruding portions of the substrate and formed in an array, and a strain resistance element formed on a main surface of the both-bearing beams. In the displacement sensor, the strain resistance elements are formed on a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixing portions of the both moist beams to the substrate and on the concave portions of the both moist beams of the substrate. A displacement measuring method using a displacement sensor having a plurality of second strain resistance elements, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element. A displacement measuring method, characterized in that the magnitude of vibration of a gas or a liquid and the propagation direction of the vibration are measured by detecting the magnitudes of the deflections of the plurality of both cantilevers and the respective phases.
【請求項8】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
れた複数個の第1の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
板の凹部上に形成された複数個の第2の歪抵抗素子とを
有し、前記第1の歪抵抗素子と前記第2の歪抵抗素子に
よりホイートストン・ブリッジ回路を形成した変位セン
サを用いた変位測定方法であって、前記変位センサを被
測定物に取り付け、被測定物に加わる振動または加速度
の変位を測定することを特徴とする変位測定方法。
8. A displacement sensor comprising: a substrate having irregularities; both cantilever beams fixed to the convex portions of the substrate; and a strain resistance element formed on a main surface of the both cantilever beams, wherein the strain sensor comprises: The resistance element includes a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixed portions of the both moist beams to the substrate and a plurality of second strain elements formed on the concave portions of the both moist beams in the substrate. A displacement measuring method using a displacement sensor having a resistance element, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element, wherein the displacement sensor is used as an object to be measured. A displacement measuring method, which comprises mounting and measuring displacement of vibration or acceleration applied to an object to be measured.
【請求項9】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
定されアレイ状に形成された複数個の両もち梁と、前記
両もち梁の主面に形成された歪抵抗素子とを有する変位
センサであって、前記歪抵抗素子は前記両もち梁の前記
基板への固定部近傍に形成された複数個の第1の歪抵抗
素子と前記両もち梁の前記基板の凹部上に形成された複
数個の第2の歪抵抗素子とを有し、前記第1の歪抵抗素
子と前記第2の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
ッジ回路を形成した変位センサを用いた変位測定方法で
あって、前記変位センサを被測定物に取り付け、複数個
の前記両もち梁のたわみの大きさと方向を検出すること
により、被測定物に加わる角速度を検出することを特徴
とする変位測定方法。
9. A substrate having irregularities, a plurality of both-bearing beams fixed to the protruding portions of the substrate and formed in an array, and a strain resistance element formed on a main surface of the both-bearing beams. In the displacement sensor, the strain resistance elements are formed on a plurality of first strain resistance elements formed in the vicinity of the fixing portions of the both moist beams to the substrate and on the concave portions of the both moist beams of the substrate. A displacement measuring method using a displacement sensor having a plurality of second strain resistance elements, wherein a Wheatstone bridge circuit is formed by the first strain resistance element and the second strain resistance element. A displacement measuring method characterized in that the displacement sensor is attached to an object to be measured, and the angular velocity applied to the object to be measured is detected by detecting the sizes and directions of the deflections of the plurality of both cantilever beams.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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