JPWO2015111581A1 - センサ - Google Patents

センサ Download PDF

Info

Publication number
JPWO2015111581A1
JPWO2015111581A1 JP2015559069A JP2015559069A JPWO2015111581A1 JP WO2015111581 A1 JPWO2015111581 A1 JP WO2015111581A1 JP 2015559069 A JP2015559069 A JP 2015559069A JP 2015559069 A JP2015559069 A JP 2015559069A JP WO2015111581 A1 JPWO2015111581 A1 JP WO2015111581A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor
liquid
detection element
displacement
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015559069A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6315429B2 (ja
Inventor
勲 下山
下山  勲
潔 松本
松本  潔
ビン キェム グェン
ビン キェム グェン
高橋 英俊
英俊 高橋
ミン ジュン グェン
ミン ジュン グェン
洋人 田村
洋人 田村
クァン カン ファン
クァン カン ファン
隆広 大森
隆広 大森
西村 修
修 西村
笠原 章裕
章裕 笠原
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.)
Toshiba Corp
University of Tokyo NUC
Original Assignee
Toshiba Corp
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, University of Tokyo NUC filed Critical Toshiba Corp
Publication of JPWO2015111581A1 publication Critical patent/JPWO2015111581A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6315429B2 publication Critical patent/JP6315429B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2406Electrostatic or capacitive probes, e.g. electret or cMUT-probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2437Piezoelectric probes
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02Microphones
    • H04R17/025Microphones using a piezoelectric polymer
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/02Transducers using more than one principle simultaneously
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003Mems transducers or their use
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2410/00Microphones
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04Plane diaphragms
    • H04R7/06Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

実施形態によれば、構造体と、容器と、液体と、検出部と、を含むセンサが提供される。前記構造体は、支持部と、膜部と、を含む。膜部は、第1領域を含む。前記第1領域は、前記支持部に支持された第1端部と、変位可能な第1部分と、を含む。前記膜部は、開口部を有する。前記容器は、前記構造体と接続され、前記膜部との間に第1空間を形成する。前記液体は、前記第1空間内に設けられる。前記検出部は、前記液体の変位に伴う前記第1部分の変位を検出する。

Description

本発明の実施形態は、センサに関する。
音響帯域及び超音波帯域の振動を検出するセンサとして、例えば、AE(Acoustic Emission)センサがある。AEは、例えば、き裂の発生や進展により生じる超音波帯の弾性波である。AEセンサは、例えば、検出する疲労・劣化診断や、非破壊検査などに用いられる。センサにおいて、感度の向上が望まれる。
特開2013−234853公報
本発明の実施形態は、高感度なセンサを提供する。
本発明の実施形態によれば、構造体と、容器と、液体と、検出部と、を含むセンサが提供される。前記構造体は、支持部と、膜部と、を含む。膜部は、第1領域を含む。前記第1領域は、前記支持部に支持された第1端部と、変位可能な第1部分と、を含む。前記膜部は、開口部を有する。前記容器は、前記構造体と接続され、前記膜部との間に第1空間を形成する。前記液体は、前記第1空間内に設けられる。前記検出部は、前記液体の変位に伴う前記第1部分の変位を検出する。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係るセンサを示す模式図である。 図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係るセンサを示す模式的平面図である。 図3(a)〜図3(f)は、第1の実施形態に係るセンサの製造方法を示す工程順模式的断面図である。 第1の実施形態に係るセンサの動作を示す模式的断面図である。 図5(a)〜図5(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式図である。 図6(a)及び図6(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示すグラフである。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的断面図である。 図14(a)及び図14(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示すグラフである。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式図である。 図18(a)及び図18(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 図19(a)〜図19(e)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式的斜視図である。 図20(a)及び図20(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を示す模式的斜視図である。 図21(a)〜図21(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図22(a)〜図22(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図23(a)及び図23(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図24(a)及び図24(e)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図26(a)〜図26(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式図である。 図27(a)及び図27(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図28(a)及び図28(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 第1の実施形態に係る別のセンサを示す模式的平面図である。 図35(a)及び図35(b)は、第2の実施形態に係るセンサを示す模式的断面図である。 、第2の実施形態に係るセンサの特性を示す模式図である。 図37(a)及び図37(b)は、第3の実施形態に係るセンサを示す模式図である。 図38(a)及び図38(b)は、第3の実施形態に係る別のセンサを示す模式図である。 図39(a)及び図39(b)は、第4の実施形態に係るセンサを示す模式的断面図である。 第4の実施形態に係る別のセンサを示す模式的断面図である。 第5の実施形態に係るセンサを示す模式的断面図である。 図42(a)及び図42(b)は、第6の実施形態に係るセンサを示す模式図である。 第6の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図44(a)〜図44(e)は、第6の実施形態に係る別のセンサを示す模式図である。 第6の実施形態に係る別のセンサを示す模式的斜視図である。 図46(a)及び図46(b)は、第7の実施形態に係るセンサを示す模式図である。 第8の実施形態に係るセンサを示す模式的断面図である。 第9の実施形態に係るセンサを示す模式的断面図である。 図49(a)〜図49(d)は、第10の実施形態に係るセンサを示す模式図である。 第11の実施形態に係るセンサユニットを示す模式的断面図である。 第11の実施形態に係る別のセンサユニットを示す模式的断面図である。 第11の実施形態に係る別のセンサユニットを示す模式的断面図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。 図1(a)は、模式的透過平面図である。図1(b)は、図1(a)のA1−A2線の模式的断面図である。
図1(a)及び図1(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ110は、構造体15と、容器40と、液体45と、検出部30と、を含む。
構造体15は、支持部10と、膜部20と、を含む。
センサ110は、例えば音響センサである。センサ110は、例えば、音響帯域及び超音波帯域の振動を検出する。センサ110は、例えば、AEを検出する。AEは、例えば、き裂の発生や進展により生じる超音波帯の弾性波である。センサ110は、例えば、AEを検出するセンサとして使用される。センサ110は、例えば、微小な欠陥の発生を検出する疲労・劣化診断に用いられる。センサ110は、例えば、非破壊検査などに用いられる。
図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係るセンサを例示する模式的平面図である。
図2(a)は、支持部10を例示している。図2(b)は、膜部20を例示している。図2(c)は、後述する電極を例示している。
膜部20は、第1領域21を含む。この例では、膜部20は、第2領域22、第3領域23及び第4領域24をさらに含む。膜部20は、開口部20oを有する。
第1領域21は、第1端部21aと、第1反対端21bと、第1部分21pと、を含む。第1端部21aは、支持部10に支持される。第1反対端21bは、第1端部21aとは反対側の端である。第1部分21pは、第1端部21aと第1反対端21bとの間に位置する。後述するように、第1部分21pは、変位可能である。一方、第1端部21aは、固定端である。
第2領域22は、第2端部22aと、第2反対端22bと、第2部分22pと、を含む。第2端部22aは、支持部10に支持される。第2反対端22bは、第2端部22aとは反対側の端である。第2部分22pは、第2端部22aと第2反対端22bとの間に位置する。この例では、第2部分22pは、変位可能である。第2端部22aは、固定端である。
第3領域23は、第3端部23aと、第3反対端23bと、第3部分23pと、を含む。第3端部23aは、支持部10に支持される。第3反対端23bは、第3端部23aとは反対側の端である。第3部分23pは、第3端部23aと第3反対端23bとの間に位置する。この例では、第3部分22pは、変位可能である。第3端部23aは、固定端である。
第4領域24は、第4端部24aと、第4反対端24bと、第4部分24pと、を含む。第4端部24aは、支持部10に支持される。第4反対端24bは、第4端部24aとは反対側の端である。第4部分24pは、第4端部24aと第4反対端24bとの間に位置する。この例では、第4部分24pは、変位可能である。第4端部24aは、固定端である。
第1〜第4領域21〜24のそれぞれは、例えば、カンチレバーである。後述するように、膜部20は、例えば、両端支持梁の構成、または、ダイヤフラムの構成を有しても良い。
この例では、第1部分21pと第2部分22pとの間に第1間隙g1が設けられる。第1反対端21bと第2反対端22bとの間に第1間隙g1が設けられる。第1間隙g1は、開口部20oとなる。
例えば、第1部分21pと第3部分23pとの間に、第2間隙g2(例えばスリット)が設けられる。例えば、第2部分22pと第3部分23pとの間に、第3間隙g3(例えばスリット)が設けられる。例えば、第2部分22pと第4部分24pとの間に、第4間隙g4(例えばスリット)が設けられる。これらの間隙(スリット)も、開口部20oに含まれる。間隙を設けることで、第1〜第4部分21p〜24pは、例えば、変位し易くなる。
容器40は、構造体15と接続されている。容器40は、壁部40wを有する。容器40は、膜部20との間に第1空間40sを形成する。膜部20は、第1面20faと第2面20fbとを有する。第1面20faは、第1空間40sの側の面である。第2面20fbは、第1面20faとは反対側の面である。
液体45は、この第1空間40s内に収容される。例えば、液体45は、膜部20の第1面20faに接する。既に説明したように、膜部20には、開口部20oが設けられているため、液体45の一部は、開口部20oにおいて露出する。例えば、開口部20oの面積が小さい(幅が狭い)場合、液体45の表面張力により、液体45は、開口部20oから外部に実質的に流出しない。液体45の一部が、開口部20oにおいて、膜部20の側面に接しても良い。
検出部30は、第1部分21pの変位を検出する。第1部分21pの変位は、液体45の変位に伴って生じる。後述するように、液体45の変位は、容器40に加わる音波に基づいて生じる。この音波が、センサ110が検出する対象である。音波の周波数は、例えば、マイクロフォンにおいて、10Hz以上20kHz以下である。音波の周波数は、例えば、AEセンサにおいて、10kHz以上3MHz以下である。音波の周波数は、例えば、超音波造影装置においては、5MHz以上である。
本願明細書では、比較的低い周波帯域の用途、及び、超音波帯域の用途を含めて、音響センサと言うことにする。また、本願明細書中において、音波は、気体、液体及び固体を含む任意の弾性体を伝播する、任意の弾性波を含む。実施形態に係る音響センサは、例えば、超音波帯域の用途のAEセンサを含む。実施形態に係る音響センサは、例えば、比較的低い周波数のセンサを含んでも良い。
この例では、検出部30は、液体45の変位に伴う第2部分22pの変位と、液体45の変位に伴う第3部分23pの変位と、液体45の変位に伴う第4部分24pの変位と、をさらに検出する。
この例では、支持部10には、キャビティが設けられる。すなわち、支持部10は、第2空間10sを形成する。そして、この例では、第2空間10sと液体45との間に、第1部分21pの少なくとも一部が配置される。この例では、第2空間10sと液体45との間に、第2部分22pの少なくとも一部、第3部分23pの少なくとも一部、及び、第4部分24pの少なくとも一部がさらに配置される。
この例では、支持部10及び膜部20は、例えば、SOI(Silicon On Insulator)構造により形成される。すなわち、支持部10は、ベース部11と、絶縁部12と、を含む。膜部20は、薄膜13から形成される。ベース部11には、シリコンが用いられる。絶縁部12には、酸化シリコンが用いられる。薄膜13には、シリコンが用いられる。
この例では、検出部30として、ピエゾ抵抗が用いられる。すなわち、薄膜13の少なくとも一部に、不純物が導入される。不純物が導入された領域に電極が設けられる。
例えば、検出部30は、第1検出素子31を含む。第1検出素子31は、第1領域21の第1部分21pに設けられる。
この例では、第1検出素子31は、シリコンの結晶層13aと、第1電極51aと、第2電極51bと、を含む。シリコンの結晶層13aは、不純物を含む。シリコンの結晶層13aは、例えば、単結晶シリコンである。シリコンの結晶層13aとして、上記の薄膜13の一部が用いられる。
この例では、第1検出素子31は、第1対向電極51cをさらに含む。例えば、第1電極51aと第2電極51bとの間、及び、第2電極51bと第1対向電極51cとの間の経路に電流が流される。例えば、膜部20に応力が加わり、第1部分21pが変位する。この変位に伴って、シリコンの結晶層13aにひずみが生じる。圧縮ひずみまたは引っ張りひずみが生じる。このひずみに応じて、シリコンの結晶層13aの電気抵抗が変化する。上記の経路に電流を流すことで電気抵抗の変化が検出され、第1部分21pの変位が検出される。すなわち、第1検出素子31は、第1部分21pの変位に伴う抵抗の変化を有する。
この例では、検出部30は、第2検出素子32〜第4検出素子34を含む。第2検出素子32は、第2領域22の第2部分22pに設けられる。第3検出素子33は、第3領域23の第3部分23pに設けられる。第4検出素子34は、第4領域24の第4部分24pに設けられる。
第2検出素子32は、例えば、不純物を含むシリコンの結晶層13bと、電極52aと、電極52bと、電極52cと、を含む。第3検出素子33は、例えば、不純物を含むシリコンの結晶層(薄膜13の一部)と、電極53aと、電極53bと、電極53cと、を含む。第4検出素子34は、例えば、不純物を含むシリコンの結晶層(薄膜13の一部)と、電極54aと、電極54bと、電極54cと、を含む。第2〜第4検出素子32〜34も、それぞれ、第2部分22p〜第4部分24pの変位に伴う電気抵抗の変化を検出する。
後述するように、実施形態は上記に限らない。検出素子(例えば第1検出素子31など)は、第1部分21pの変位に伴って生じる抵抗の変化、第1部分21pの変位に伴って生じる圧電の電圧の変化、及び、第1部分21pの変位に伴って生じる静電容量の変化、の少なくともいずれかを有しても良い。
例えば、容器40から支持部10に向かう方向をZ軸方向(第1方向)とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。Z軸方向とX軸方向とに対して垂直な方向をY軸方向とする。
膜部20は、例えば、実質的にX−Y平面内に延在する。この例では、膜部20の第1領域21の延出方向がX軸方向に設定されている。すなわち、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向は、X軸方向に沿う。第1端部21aから第1部分21pに向かう方向は、X軸方向に沿う。
図3(a)〜図3(f)は、第1の実施形態に係るセンサの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図3(a)に表したように、SOI基板10fを用意する。SOI基板10fは、ベース部11(シリコン)と、絶縁部12(酸化シリコン)と、薄膜13(シリコン)と、を含む。例えば、薄膜13(例えばシリコン活性層)の少なくとも一部に、不純物が導入され、シリコンの結晶層13a及び13bなどが形成される。不純物の導入には、例えば、熱拡散が用いられる。不純物として、例えば、ヒ素及びリンの少なくともいずれかが用いられる。この場合には、n形の半導体が得られる。不純物として、ホウ素を用いても良い。この場合には、p形の半導体が得られる。
図3(b)に表したように、電極となる電極膜50fを形成する。電極膜50fとして、例えば、金及びアルミニウムの少なくともいずれかが用いられる。電極膜50fを所定の形状に加工する。
図3(c)に表したように、加工された電極膜50fをマスクとして用いて、薄膜13(シリコン層)を加工する。この加工には、例えば、ICP−RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)などが用いられる。これにより、開口部20oが形成される。開口部20oは、間隙(第1間隙g1など)及び、スリットなどを含む。スリットの幅は、例えば、10nm以上100μm以下である。
図3(d)に表したように、電極膜50fを加工する。これにより、電極(例えば、第1電極51a、第2電極51b、電極52a及び電極52bなど)が形成される。
図3(e)に表したように、SOI基板10fの裏面から、ベース部11となるシリコンの一部を除去する。この除去には、例えばICP−RIEが用いられる。さらに、絶縁部12となる酸化シリコンの一部を除去する。これにより、支持部10が形成される。すなわち、第2空間10sが形成される。膜部20(カンチレバー)がシリコンの支持層からリリースされる。これにより、第2空間10sが形成される。薄膜13が膜部20となる。これにより、構造体15が形成される。
膜部20のサイズ(例えば、X軸方向の長さ)は、例えば、10μm以上1mm以下である。膜部20の厚さは、例えば、50nm以上10μm以下である。
図3(f)に表したように、容器40と構造体15とを接合する。これにより、第1空間40sが形成される。容器40には、例えば、有機材料または無機材料が用いられる。容器40には、例えば、シリコーンゴムを用いても良い。容器40には、例えば、PDMS(ジメチルポリシロキサン)を用いても良い。容器40として、例えば、金属を用いても良い。容器40として、例えば、アルミニウム及び鉄(例えばステンレス)の少なくともいずれかを用いても良い。実施形態において、これらの材料は任意である。
第1空間40sに液体45を充填する。これにより、センサ110が形成される。
液体45として、例えば、シリコーンオイルまたは水などが用いられる。液体45の厚さ(例えば、Z軸方向の長さ)は、例えば、1μm以上10mm以下である。
図4は、第1の実施形態に係るセンサの動作を例示する模式的断面図である。
図4に例示したように、センサ110が、被測定物81に取り付けられる。被測定物81は、例えば、建造物などである。被測定物81から音波80(例えば低周波または超音波など、例えばAE)が放射される。音波80により、液体45の表面に表面波46が形成される。表面波46に応じて、膜部20が変位する。具体的には、例えば、第1部分21p〜第4部分24pが変位する。この変位が、検出部30により検出される。
実施形態においては、液体45の変位によって生じる膜部20(例えば第1部分21pなど)の変位を検出することで、音波80を高感度に検出できる。
実施形態においては、開口部20oが設けられた膜部20と、容器40と、で形成される第1空間40s内に液体45が収容される。液体45のうちの容器40と接する部分が、例えば、液体45の固定端となる。液体45のうちの開口部20oに位置する部分において、大きな変位が得られる。これにより、音波80の検出において、高い感度が得られる。
センサ110においては、第1部分21pに加えて、膜部20に、第2部分22p〜第4部分24pが設けられる。これらの部分において、液体45の変位に応じて、変位が生じる。これらの部分の変位を検出することで、例えば高感度の検出が可能になる。
液体45の厚さは、膜部20の厚さよりも十分に厚い。液体45の厚さは、例えば、膜部20の厚さの5倍以上である。これにより、膜部20は、液体45の表面の変形に沿って変形する。これにより、検出する音波80に基づく液体45の変位が、第1部分21pの変位に効率的に変換される。これにより、高感度の検出が可能になる。液体45の厚さは、例えば、膜部20の厚さの10倍以上でも良い。さらに、100倍以上でも良い。
例えば、液体45の厚さと、容器40の壁部40wの厚さと、は、例えば実験やシミュレーションにより振動特性を事前に調査し、適切に選択される。液体45の表面の波形が適正に制御される。壁部40wの厚さは、容器40の内側の第1空間40sから、容器40の外側の空間に向かう方向に沿った、容器40(壁部40w)の厚さである。
例えば、容器40(壁部40w)に開口部が設けられ、開口部を介して、液体45と被測定物81とが接しても良い。
実施形態において、例えば、第2空間10sの断面(X−Y平面で切断した断面)は、例えば、円形である。この場合、例えば、液体45の表面に発生する表面波46は、全ての端部から、位相差なく、中心に伝搬される。その結果、例えば、高い感度が得られる。
例えば、第2空間10sの断面積を小型化することによって、液体45の表面の端部から中心に発生する表面波46の腹の数が減少する。これにより、例えば、高周波の弾性波における感度が向上する。
以下、本実施形態に係るセンサの特性の計測例について説明する。
図5(a)〜図5(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図5(a)は、本実施形態に係るセンサ111aの模式的断面図である。
図5(b)は、センサ111aにおける膜部20の形状を例示する模式的平面図である。図5(a)は、図5(b)のB1−B2線断面図である。図5(c)は、膜部20の形状を例示する模式的斜視図である。
図5(a)〜図5(c)に表したように、センサ111aにおいても、膜部20に開口部20oが設けられている。この例では、膜部20には、第1領域21が設けられている。膜部20は、例えばカンチレバーの構成を有する。
図5(a)に例示したように、センサ111aに音波80を印加する。このときの膜部20の変位が、検出器85により検出される。この例では、検出器85として、レーザ変位検出器が用いられる。検出器85による検出位置は、図5(b)及び図5(c)に記載されているメッシュの交点である。後述する測定結果においては、測定点どうしの間の領域は、補間され、面として表示される。
センサ111aにおいては、第2空間10s(キャビティ)の径(X−Y平面内の幅の最大値)は、200μmである。液体45の厚さは、3mmである。膜部20(カンチレバー)の厚さは、300nmである。容器40の壁部40wの厚さは、500μmである。膜部20には、シリコンが用いられる。壁部40wには、PDMSが用いられる。液体45には、シリコーンオイルが用いられる。
まず、膜部20の中心位置20cにおける特性の測定結果の例について説明する。
図6(a)及び図6(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を例示するグラフである。
これらの図は、センサ111aの周波数応答特性の測定結果を例示している。これらの図の横軸は、周波数f(Hz)である。図6(a)の縦軸は、変位Ds(m)である。図6(b)の縦軸は、位相Ph(度)である。
図6(a)に表したように、周波数fが、約5kHz、約25.4kHz、約50.7kHz、約300kHz、約500kHz及び約600kHzにおいて、変位Dsのピークが観測される。
図6(b)に表したように、変位Dsの変化に伴って、位相Phも変化する。
図7〜図12は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を例示する模式図である。
これらの図は、センサ111aにおける、膜部20(及び液体45)の変位Dsの面内分布の測定結果を示している。図7〜図12のそれぞれは、5kHz、25.4kHz、50.7kHz、300kHz、500kHz及び600kHzの周波数fの特性に対応する。
図5〜図12に示すように、液体45において、自由振動による表面波が発生する。この変位Dsを検出することで、高い周波数fの音波80を高い感度で検出できる。
以下、本実施形態に係る別のセンサの特性の例について説明する。
図13は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図13は、本実施形態に係る別のセンサ111bを例示している。センサ111bにおいて、膜部20の形状は、センサ111aと同様である。センサ111bにおいては、液体45が収容される第1空間40sの構成が、センサ111aとは異なる。
センサ111bにおいては、第2空間10s(キャビティ)の径は、200μmである。液体45の厚さは、10μmである。膜部20の厚さは、300nmである。容器40の壁部40wの厚さは、3mmである。すなわち、センサ111bにおいては、液体45の厚さは、センサ111aのそれよりも薄い。センサ111bにおいては、壁部40wの厚さは、センサ111aのそれよりも厚い。センサ111bにおいても、膜部20には、シリコンが用いられる。壁部40wには、PDMSが用いられる。液体45には、シリコーンオイルが用いられる。
図14(a)及び図14(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を例示するグラフである。
これらの図は、センサ111bの周波数応答特性の測定結果を例示している。
図14(a)に表したように、周波数fが、約33.3kHz、約300kHz及び約812kHzにおいて、変位Dsのピークが観測される。
図14(b)に表したように、変位Dsの変化に伴って、位相Phも変化する。
図15〜図17は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を例示する模式図である。
これらの図は、センサ111bにおける、膜部20(及び液体45)の変位Dsの面内分布の測定結果を示している。図15〜図17のそれぞれは、33.3kHz、300kHz及び812kHzの周波数fの特性に対応する。
図15に示すように、周波数fが比較的低い場合は、開口部20oに位置する変位Ds(すなわち、液体45の表面の変位)は、X−Y平面(Z軸方向に対して垂直な平面))にほぼ沿っている。これに対して、図16に示すように、高い周波数fにおいては、膜部20の中心部において、非常に大きな変位Dsが生じ、膜部20の周辺部では、変位Dsは小さい。
これらの特性に基づいて、センサにおける液体45の厚さなどが適正に設定される。
音響帯域から超音波帯域の振動を検出する音響センサとして、たとえば圧電素子の機械的共振を利用した圧電式のマイクロフォンやAEセンサなどが用いられている。振動を検出する方式としては、この他に、静電容量型及び抵抗変化型などの方式もある。圧電式センサにおいては、圧電セラミックスの共振特性を利用することにより、高い感度を得易い。しかしながら、価格が高いこと、及び、センサの大きさが大きいことなどの問題もある。
一方、MEMSに基づくマイクロフォン(低周波帯域の音響センサ)の普及が進んでいる。MEMSセンサにおいて、小型化や低価格化などの点で、メリットが大きい。MEMSセンサは、圧力センサやマイクロフォンだけではなく、超音波帯域のセンサとしての用途も期待されている。
MEMSセンサにおいては、ダイヤフラムまたはカンチレバー等の振動体が、例えば、半導体プロセスによって形成される。振動体により、変位やひずみが測定され、電圧に変換される。これにより振動が計測される。振動体は、その形状や材質により、固有の振動特性を有する。振動体においては、外部から入力される振動波形によって振動変位が発生する。その振動変位が、適切な方法により、出力として取り出される。振動体が気体中に置かれる場合、特に固有振動数近傍の周波数帯域において振幅が大きくなり、結果として、固有振動数近傍において、高い感度が得られる。
低周波帯域の音響センサにおいては、振動体の1次固有振動数よりも下の帯域が使用される。一方、AEセンサなどの超音波帯域の音響センサにおいては、1次固有振動数の付近の感度が高い。
固有振動数から遠く離れた領域での感度は、固有振動数近傍の帯域と比べて、大幅に低下する。センサ素子の全体を液体中に埋没させて、減衰を付与することにより、広帯域化する方法がある。しかしながら、減衰によって、固有振動数付近の感度も大きく低下するという。
本実施形態においては、例えば、膜部20(振動体)の片面の第1空間40sに液体45を封入する。これにより、振動によって液体45の表面に生じる振動形状を利用する。液体45を、片面の第1空間40sに封入することにより、振動体の全体を液体45中に埋没させる場合よりも、大きな振幅(変位Ds)を得ることができる。これにより、高感度での検出が可能になる。
液体45の表面の振動は、空気中の固有振動と比べて、広い帯域での応答を得ることができる。薄い振動体を用いることにより、液体45の表面に生じる振動に沿った形状で、振動体を振動させることができる。実施形態においては、液体45の表面の振動形状が積極的に利用される。
実施形態において、振動体のひずみが大きい位置で、検出が行われる。これにより、高い感度を得ることができる。検出の位置についての例については、後述する。
図18(a)及び図18(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的平面図である。
図18(a)は、実施形態に係る別のセンサ112における膜部20の形状を例示している。図18(b)は、センサ112における電極の形状を例示している。
図18(a)に表したように、センサ112において、膜部20の形状は、センサ110のそれと同様である。一方、図18(b)に表したように、電極の形状は、センサ110のそれとは異なる。電極の形状を除いては、センサ110と同様なので、電極の形状以外については、説明を省略する。
図18(b)に例示したように、センサ112においては、第2電極51bの平面パターンは、長方形である。そして、第1電極51aのうちの第2電極51bに対向する部分(辺)は、第1電極51aの辺に対して、実質的に平行である。一方、第1対向電極51cのうちの第2電極51bに対向する部分(辺)は、第1電極51aの辺に対して、実質的に平行である。このような電極が、第1領域21に対応して設けられる。第2領域22〜第4領域24に対応する電極も、同様のパターン形状を有する。
このように、実施形態においては、電極のパターン形状は、種々の変形が可能である。例えば、電極の形状は、膜部20の領域の形状に依存する形状でも良く(例えば、センサ110)、膜部20の領域の形状とは独立した形状でも良い(例えば、センサ112)。
センサ112において、電極のパターンを、シリコンの結晶方位に適合させても良い。すなわち、センサ112において、例えば、第1電極51aと第2電極51bとの間の経路に電流が流される。さらに、第2電極51bと第1対向電極51cとの間の経路に電流が流される。一方、特定の結晶方位において、変位Dsの変位に対して大きな抵抗の変化が得られる。電流の経路の方向が、大きな抵抗の変化が得られる方位に沿うように設定される。これにより、より高感度の検出が可能になる。
すなわち、センサ112において、第1検出素子31は、不純物を含むシリコンの結晶層13a(例えば単結晶層)と、結晶層13aの一部に接続された第1電極51aと、結晶層13aの他部に接続された第2電極51bと、を含む。このとき、第1電極51aから第2電極51bに向かう方向(この例では、X軸方向)は、シリコンの結晶層13aの<110>方向及び<100>方向のいずれかの方向に沿う。これにより、より高感度の検出が可能になる。
例えば、シリコンの結晶層13aがn形の不純物を含む場合、第1電極51aから第2電極51bに向かう方向は、シリコンの単結晶の<100>方向に沿うことが望ましい。一方、シリコンの結晶層13aがp形の不純物を含む場合は、第1電極51aから第2電極51bに向かう方向は、シリコンの単結晶の<110>方向に沿うことが望ましい。
実施形態において、検出素子(第1検出素子31など)における例えば抵抗の変化は、例えば、ブリッジ回路を用いて電圧差に変換されても良い。さらにこの電圧差は、増幅回路(例えばオペレーションアンプなど)により、増幅されて良い。電圧差の信号が、音波80の検出信号となる。
この例では、第1電極51aから第2電極51bに向かう方向は、膜部20の外縁20r(図18(a)参照)の少なくとも一部の延在方向に対して傾斜している。膜部20の外縁20rの形状は、センサの素子の外形に対応する。種々の設計要素に基づいて、膜部20の外縁20rの形状は定められる。一方、結晶層13aの結晶方位は、シリコンのウェーハに依存する。第1電極51aから第2電極51bに向かう方向を、膜部20の外縁20rに対して傾斜させることで、効率的な素子の配置と、高感度の検出と、が得られる。
センサ110及び112においては、複数の検出素子における電流の方向(すなわち、複数の電極が互いに離間する方向)が、交差(例えば直交)している。例えば、センサ112において、第1領域21において、第1電極51aと第2電極51bは、X軸方向に沿って互いに離間している。一方、第3領域23において、電極53aと電極53bとは、Y軸方向に沿って互いに離間している。電流の方向が交差(例えば直交)することで、例えばピエゾ抵抗の変化を最大にする方向に、検出素子を配置することが容易になる。
以下、膜部20の振動特性の例について説明する。
以下の例では、膜部20の平面形状が円形であり、膜部20の周囲が連続的に固定されている。すなわち、膜部20は、例えば、円形ダイヤフラムである。
図19(a)〜図19(e)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を例示する模式的斜視図である。
これらの図は、膜部20の振動特性のシミュレーション結果を例示する。図19(a)〜図19(e)は、円形ダイヤフラムの低次から高次の固有振動形状を表す。
図19(a)〜図19(e)から分かるように、振動状態では、固定端に近い部分と、振動の腹の部分と、において大きなひずみが発生する。
一方、カンチレバー(例えば、図7〜図12、及び、図15〜図17参照)においては、固定端部に大きなひずみが発生する。
このように、形状により、大きなひずみが得られる領域は変化する。
実施形態においては、検出部30(例えば、第1検出素子31)の位置を、ひずみが大きい位置に設定する。例えば、膜部20は、液体45の表面の振動形状に沿うひずみが大きい位置を有する。この位置に、第1検出素子31を配置する。これにより、所望の周波数帯域の振動を、高感度に測定することができる。ひずみが大きい部分において、例えば、変形が大きい。
実施形態において、センサの形状は任意であり、検出素子の配置も任意であり、それぞれ独立して変更しても良い。
図20(a)及び図20(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサの特性を例示する模式的斜視図である。
これらの図は、既に説明したセンサ111aにおける、膜部20(及び液体45)の変位Dsの面内分布の測定結果を示している。図20(a)においては、周波数fは、300kHzであり、図20(b)においては、周波数fは10Hzである。
図20(a)及び図20(b)からわかるように、膜部20(この例では、カンチレバー)が液体45により励振され、膜部20の固定端の付近に、大きなひずみ(変位Ds)が発生する。すなわち、例えば、膜部20の第1領域21の第1端部21aの近傍において、大きなひずみ(変位Ds)が生じる。この大きなひずみが得られる部分に、検出素子を配置することで、より高い感度が得られる。
図20(a)から分かるように、カンチレバー構成の第1領域21だけではなく、第1領域21の周りを囲む領域(第2領域22)においても、大きなひずみ(変位Ds)が得られる。この領域に、検出素子を配置しても良い。
以下、膜部20の形状及び検出素子(例えば第1検出素子31など)の配置の例について説明する。以下では、これら以外の構成については、図を見やすくするために、省略する。
図21(a)〜図21(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図21(a)に表したように、センサ121aにおいては、膜部20の第1領域21は、カンチレバー構成を有する。第1検出素子31は、第1領域21の固定端(第1端部21a)の近傍に配置されている。すなわち、第1部分21pは、第1端部21aに近い。
すなわち、センサ121aにおいて、第1領域21は、第1端部21aとは反対側の第1反対端21bを有している。そして、第1検出素子31は、第1部分21p内の第1位置p1に配置される。第1端部21aと第1位置p1との間の距離は、第1反対端21bと第1位置p1との間の距離よりも短い。
第1検出素子31が、固定端の近傍に配置されることで、第1検出素子31は、例えば、図20(a)に例示した大きなひずみを受ける。これにより、高感度が得られる。
実施形態において、第1検出素子31が配置される位置として、例えば、第1電極51aと第2電極51bとの間の中心の位置を用いることができる。
センサ121aにおいては、膜部20のパターン形状は、点対称ではない。カンチレバーを非対称の形状にすることで、例えば、膜部20の特定の位置で大きなひずみを生じさせることができる。その位置に検出素子を設けることで、高感度の検出ができる。
図21(b)に表したように、センサ121bにおいては、第1領域21の固定端(第1端部21a)の近傍に、複数の検出素子(第1検出素子31及び第2検出素子31a)が配置されている。複数の検出素子を用いることで、例えば、位相の干渉を抑制でき、さらに高感度の検出が可能になる。
図21(c)に表したように、センサ121cにおいては、カンチレバー構成の第2領域22の周りに、第1領域21が設けられる。そして、第1領域21に検出素子(第1検出素子31及び第2検出素子31a)が設けられる。この場合も、検出素子は、図20(a)に例示した大きなひずみを受ける。
センサ121cにおいては、第1領域21は、膜部20の縁に沿っている。すなわち、第1領域21の第1端部21aから延びる長さは、幅よりも短い。すなわち、第1端部21aから第1部分21pに向かう延在方向に沿った第1領域21の長さは、Z軸方向(容器40から支持部10に向かう第1方向)に対して垂直で上記の延在方向に対して垂直な長さ(幅)よりも短い。このような第1領域21に検出素子を配置しても良い。
この例では、膜部20の第1領域21の外縁に沿って、複数の検出素子が配置されている。例えば、検出部30は、第1部分21pに設けられた第1検出素子31と第2検出素子31aとを含む。第1検出素子31から第2検出素子31aに向かう方向は、第1領域21の延在方向と交差する。
センサ121b及びセンサ121cにおいては、1つの領域に複数の検出素子が設けられる。これにより、例えば、検出のばらつきなどを抑制できる。例えば、検出のばらつきは、膜部20の形状のばらつき、膜部20の厚さのばらつき、膜部20の物性値のばらつきなどの影響を受ける。さらに、検出のばらつきは、検出素子の特性のばらつきの影響を受ける。複数の検出素子を設けることで、ばらつきの少ない安定した検出が可能になる。
図22(a)〜図22(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図22(a)に例示したように、センサ122aにおいては、膜部20に第1〜第4領域21〜24が設けられている。膜部20の外縁は、円弧状である。この例では、開口部20oは、膜部20の中心部に位置する。開口部20oは、線状のスリット部分と、円形部分と、を有する。開口部20oのうちで中心部に位置する部分が円形である。中心部の形状を円形とすることで、膜部20の縁に鋭利な部分が生じない。これにより、例えば、信頼性が向上する。
図22(b)に例示したように、センサ122bにおいては、膜部20のうちの1つの領域に、複数の検出素子が設けられる。例えば、第1領域21に、第1検出素子31及び第2検出素子31aが設けられる。これにより、例えば、検出のばらつきなどを抑制できる。
図22(c)に例示したように、センサ122cにおいては、膜部20に第1〜第6領域21〜26が設けられている。第5領域25の上に、第5検出素子35が設けられる。第6領域26の上に、第6検出素子36が設けられる。
実施形態において、膜部20に設けられる領域の数、及びスリット(または開口部20oの数)は、任意である。複数の領域のそれぞれに設けられる検出素子の数も任意である。
図23(a)及び図23(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図23(a)に例示したように、センサ123aにおいては、膜部20において、第1領域21の延在方向の長さ(第1端部21aと第1反対端21bとの間の長さ)、及び、第2領域22の延在方向の長さのそれぞれは、第3領域23の延在方向の長さよりも長く、第4領域24の延在方向の長さよりも長い。すなわち、領域の形状が互いに異なる。領域の形状が異なると、大きなひずみが得られる周波数が変化する。広い周波数範囲における高感度の検出が可能になる。
センサ123aにおいては、開口部20oには、円形の部分が設けられていない。スリット状の間隙により、開口部20oが形成されている。これにより、開口部20oから液体45が流出することが、より抑制できる。
図23(b)に例示したように、センサ123bにおいては、開口部20oは、膜部20の中心部分には設けられていない。すなわち、膜部20は、中心部20Cと、中心部20Cの周りの周辺部20Pと、を有する。センサ123bにおいては、開口部20oは、周辺部20Pに位置する。膜部20の中心部20Cに開口部20oを設けると、液体45が流出し易い場合がある。開口部20oを周辺部20Pに設けることで、液体45の流出を、より抑制できる。
図24(a)及び図24(e)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図24(a)に例示したように、センサ124aにおいては、膜部20の第1領域21は、4つの梁と、それらの梁によって支持される膜と、を含む。梁の部分に、検出素子(第1検出素子31)が設けられている。この例では、検出素子の面積(例えば抵抗変化部)の面積は、膜部20の全体の面積に比べて非常に小さい。例えば、梁の部分において大きなひずみが生じる場合は、梁の部分だけに検出素子を配置しても良い。
図24(b)に例示したように、センサ124bにおいては、膜部20の第1領域21において、複数の梁が1つの組となって膜を支持する。この例では、4つの組が設けられている。この例では、複数の梁が並列している。
図24(c)に例示したように、センサ124cにおいては、膜部20の第1領域21において、複数の梁が1つの組となって膜を支持する。この例では、4つの組が設けられている。この例では、複数の梁が直列している。
図24(d)に例示したように、センサ124dにおいては、膜部20に第1〜第4領域21〜24が設けられている。領域のそれぞれは、梁により膜部20の外縁部に接続されている。梁の部分に検出素子が設けられる。
図24(e)に例示したように、センサ124eにおいては、膜部20の第1〜第4領域21〜24のそれぞれは、複数の梁により、膜部20の外縁部に接続されている。複数の梁のそれぞれ部分に検出素子が設けられる。
センサ124a〜124eにおいては、膜部20の面積に比べて、検出素子が設けられる部分(梁)の面積が非常に小さい。梁においては、大きなひずみが生じ易い。これにより、検出の感度を向上できる。
図25は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図25に例示したように、センサ125においては、膜部20は、卍構成を有している。例えば、カンチレバー構成においては、膜部20において、ねじれの変形が生じやすい。これに対して、卍構成においては、膜部20におけるねじれの変形が抑制できる。その結果、意図した方向のひずみ(例えば引っ張りひずみ)が効果的に得られる。
図26(a)〜図26(c)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図26(a)は、模式的斜視図である。図26(b)及び図26(c)は、模式的平面図である。
図26(a)に例示したように、センサ126aにおいては、膜部20の外形は、四角形である。第1〜第4領域21〜24が設けられている。領域の間には、スリットが設けられている。それぞれの領域に、検出素子が設けられる。
図26(b)に例示したように、センサ126bにおいては、膜部20の外形は、五角形である。第1〜第5領域21〜25が設けられている。領域の間には、スリットが設けられている。それぞれの領域に、検出素子(第1〜第5検出素子31〜35のそれぞれ)が設けられる。
図26(c)に例示したように、センサ126cにおいては、膜部20の外形は、六角形である。第1〜第6領域21〜26が設けられている。領域の間には、スリットが設けられている。それぞれの領域に、検出素子(第1〜第6検出素子31〜36のそれぞれ)が設けられる。
例えば、センサ126b及び126cにおいては、膜部20内の非対称な位置に設けられた検出素子の出力を用いることで、非対称な信号の混入を検出できる。複数の検出素子の出力を平均化することで、ばらつきを小さくすることができる。これにより、感度がより向上できる。
図27(a)及び図27(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図27(a)に例示したように、センサ127aにおいては、膜部20の領域のそれぞれに、複数の検出素子が設けられている。例えば、第1領域21には、第1検出素子31と、第2検出素子31aと、が設けられている。
図27(b)に例示したように、センサ127bにおいては、第1領域21には、第1検出素子31と、第2検出素子31aと、第3検出素子31bと、が設けられている。
第1検出素子31は、第1端部21aと第1反対端21bとの間に設けられる。第2検出素子31aは、第1検出素子31と第1反対端21bとの間に設けられる。第3検出素子31bは、第2検出素子31と第1反対端21bとの間に設けられる。
例えば、センサ127aにおいては、検出部30は、第1検出素子31と第2検出素子32とを含む。第1検出素子31は、第1部分21pの第1位置p1に設けられる。第2検出素子31aは、第1部分21pの第2位置p2に設けられる。第1領域21は、第1端部21aとは反対側の第1反対端21bを有している。第1位置p1から第2位置p2に向かう方向は、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向に沿っている。
例えば、センサ127bにおいては、検出部30は、第3検出素子31bをさらに含む。第3検出素子31bは、第1部分21pの第3位置p3に設けられる。第1位置p1から第3位置p3に向かう方向は、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向に沿っている。
例えば、液体45及び膜部20に加わる音波80の周波数に応じて、大きなひずみが得られる膜部20内の位置が変化する。
例えば、第1検出素子31においては、約25kHzの音波80を高感度で検出する。例えば、第2検出素子31aにおいては、約50kHzの音波80を高感度で検出する。例えば、第3検出素子31bにおいては、約300kHzの音波80を高感度で検出する。
センサ127a及び127bにおいては、特定の周波数の音波80を選択的に、高感度で検出できる。複数の検出素子の出力の和、及び、差を利用しても良い。
例えば、膜部20の中心部から外縁に向かった放射方向に複数の検出素子を設けることで、異なる周波数の音波80を高感度で検出できる。
図28(a)及び図28(b)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図28(a)に例示したように、センサ128aにおいては、第1検出素子31は、複数の部分を含む。この複数の部分は、ジグザグ状に接続されている。このような構成においては、膜部20内の限られた領域に設けられる検出素子の数を増大できる。検出素子の合計の面積を増大できる。これにより、例えば、ばらつきを抑制できる。
図28(b)に例示したように、センサ128bにおいては、膜部20の両側の面に検出素子が設けられている。すなわち、膜部20は、第1面20faと、第2面20fbとを有する。第1面20faは、液体45の側の面である(図1(b)参照)。第2面20fbは、第1面20faとは反対側の面である。検出部30は、第1部分21pの第1面20faに設けられた第1検出素子31と、第1部分21pの第2面20fbに設けられた第2検出素子31aと、を含む。
第1検出素子31及び第2検出素子31aの少なくともいずれかは、第1部分21pの変位に伴う抵抗の変化、第1部分21pの変位に伴う静電容量の変化、及び、第1部分21pの変位に伴う圧電の電圧の変化の少なくともいずれかを有する。
図29〜図34は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的平面図である。
これらの図は、膜部20及び電極を例示している。
図29〜図33に例示したように、本実施形態に係るセンサ131〜135においては、第1〜第4領域21〜24が設けられる。それぞれの領域に検出素子が設けられる。例えば、これらのセンサにおいては、複数の検出素子において、電流の向きが互いに交差(例えば直交)する。例えば、ピエゾ抵抗の変化が大きくなる方向に、検出素子が配置される。抵抗の変化を効率的に利用できる。
図34に例示したように、本実施形態に係るセンサ136においては、膜部20に4つ組み合わせの電極セット(第1電極51a及び第2電極51b)が設けられている。電極セットは、互いに、点対称の形状を有する。
センサ131〜136においても、高感度な検出ができる。
(第2の実施形態)
図35(a)及び図35(b)は、第2の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
これらの図においては、検出素子は省略されている。
図35(a)及び図35(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ140及び141においては、液体45の下面がレンズ状の形状を有している。
すなわち、液体45は、膜部20側の面(第1液体面45a)と、第2液体面45bと、を有する。第2液体面45bは、第1液体面45aとは反対側の面である。
第2液体面45bは、傾斜した部分45pを有する。傾斜した部分45pは、X−Y平面(すなわち、容器40から支持部10に向かうZ軸方向に対して垂直な平面)に対して傾斜する。
センサ140においては、膜部20は、第1領域21に加えて、第2領域22をさらに有する。第2領域22は、支持部10に支持された第2端部22aと、第2端部22aとは反対側の第2反対端22bと、を含む。第1端部21aと第2端部22aとの間に開口部20oが設けられる。この例では、第1反対端21bと、第2反対端22bと、の間に、開口部20oが設けられる。
第2液体面45bは、第1端部21aの側の第1表面47aと、第2端部22a1の側の第2表面47bと、を含む。第1表面47aのX−Y平面に対する傾斜方向は、第2表面47bのX−Y平面に対する傾斜方向とは逆である。
このような傾斜により、音波80の進行方向を変化させることができる。センサ140及び141においては、液体45の第2液体面45bに傾斜した部分45pが設けられることで、音波80の進行方向を変化させることができる。
図36は、第2の実施形態に係るセンサの特性を例示する模式図である。
図36は、異なる媒質を伝搬する音波の特性を例示している。
図36に表したように、第1媒質m1において、音速は第1音速c1である。第2媒質m2において、音速は第2音速c2である。第1媒質m1における音波の進行方向の角度を第1角度θ1とする。第1角度θ1は、第1媒質m1と第2媒質m2との間の界面に対して垂直な方向と、第1媒質1mにおける音波の進行方向と、の間の角度である。第2媒質m2における音波の進行方向の角度を第2角度θ2とする。第2角度θ2は、第1媒質m1と第2媒質m2との間の界面に対して垂直な方向と、第2媒質m2における音波の進行方向と、の間の角度である。このとき、例えば、sin(θ1)/sin(θ2)=c2/c1の関係が満たされる。液体の界面が傾斜することで、この界面において、音波の屈折が生じる。音波の進行方向を変化させることができる。すなわち、音響レンズを形成することができる。
例えば、センサ140及び141においては、壁部40wの材質と、液体45の材質と、が適切に選択される。壁部40wと液体45との間で、進行波を屈折させることが可能になる。例えば、液体45の平面寸法を大きく設定し、屈折した進行波がセンサの中央に向けて進むようにする。より大きく、液体45の表面を振動させることができる。例えば、膜部20(例えばカンチレバー)の変位Dsを大きくできる。高感度なセンサを提供することができる。
本実施形態においては、容器40(壁部40w)と、液体45と、の間における物性値の差異を利用して、振動を検出部30に集中させる。すなわち、進行波を容器40と液体45との間で屈折させ、液体45の表面に設置された振動体に進行波を集中させる。これにより、検出の感度を高める。
センサ140及び141においては、容器40は、壁部40wと、薄膜部41と、を含む。薄膜部41は、壁部40wと液体45との間に配置される。壁部40wには、例えば、PDMSが用いられる。薄膜部41には、例えば、パラキシレン系ポリマーが用いられる。薄膜部41は省略しても良い。
(第3の実施形態)
図37(a)及び図37(b)は、第3の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図37(a)は模式的平面図である。図37(b)は、図37(a)のD1−D2線断面図である。
図37(a)及び図37(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ150も、構造体15と、容器40と、液体45と、を含む。膜部20には、例えば、第1領域21及び第2領域22が設けられる。第1領域21に第1検出素子31が設けられる。第2領域22に第2検出素子32が設けられる。
例えば、第1領域21の第1部分21pに、第1検出素子31が設けられる。第1部分21pの第1端部21aからの距離は、例えば、開口部20oの表面に生じる表面波の波長の約1/4以下である。
例えば、センサ150において、特定の周波数領域における感度を向上させる場合、検出素子が設けられる領域を、液体45の表面波の波長に応じて設定する。これにより、検出素子に、引っ張りひずみ及び圧縮ひずみの一方を加えることができる。この例では、カンチレバー構成の第1領域21の第1端部21aの近傍の領域に第1検出素子31が配置される。開口部20oの表面に生じる表面波の波長をλとする。例えば、第1端部21aからの距離がλ/4の範囲内に第1検出素子31を配置する。
膜状の物体が正弦波状に変形する場合、正弦波の波長をλとすると、適切に位置を選定することにより、λ/2の領域内で表面に発生するひずみ方向を引っ張りまたは圧縮のいずれかに限定することができる。端部21aが固定端の場合、端部からλ/4離れた位置でひずみの方向が入れ替わるため、λ/4の範囲内に第1検出素子31を配置することが望ましい。
これにより、引っ張りひずみ及び圧縮ひずみの一方を第1検出素子31に加えることができる。より高い感度を得ることが可能になる。
図7〜図11に示すように、表面に現れる表面波の波長は、音波80の周波数によって変化する。例えば、事前に実験やシミュレーションにより音波80の周波数と表面波の波長λの関係を調べる。例えば、感度を高めたい周波数において発生する表面波の波長λを使用して、λ/4の領域に第1検出素子31を配置する。これにより、意図する周波数帯域においてより高い感度が得られる。
例えば、第1検出素子31のサイズは、約λ/4に設定される。例えば、第1検出素子31は、不純物を含むシリコンの結晶層13aと、結晶層13aの一部に接続された第1電極51aと、結晶層13aの他部に接続された第2電極51bと、を含む(図1(b)などを参照)。そして、液体45の変位Dsは、第1波長λを含む表面波を含む。このとき、第1電極51aと第2電極51bとの間の距離(X−Y平面に沿った距離)は、第1波長λの約1/4以下である。すなわち、この距離は、第1波長λの0.28倍以下である。この距離は、例えば、第1波長λの0.22倍以上でも良い。これにより、第1検出素子31に、効果的なひずみを生じさせることができる。
図38(a)及び図38(b)は、第3の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図38(a)は模式的平面図である。図38(b)は、図38(a)のE1−E2線断面図である。
図38(a)及び図38(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ151も、構造体15と、容器40と、液体45と、を含む。膜部20には、例えば、第1領域21及び第2領域22が設けられる。第1領域21に第1検出素子31が設けられる。第1領域21は、例えば、両端支持型の構成を有する。
この場合、例えば、検出素子(第1検出素子31)のサイズは、開口部20oの表面に生じる表面波の波長λの約1/2に設定される。図38(a)及び図38(b)においては、第1検出素子31は、端部21aから離れた場所に配置されるため、第1検出素子31の両端は固定端とはならない。第1検出素子31の中央が表面波の腹になる位置を選択することにより、λ/2の領域内で、一様な方向のひずみが発生する。
例えば、第1検出素子31に第1電極51aと第2電極51bとが設けられる場合、これらの間の距離(X−Y平面に沿った距離)は、第1波長λの約1/2以下である。すなわち、この距離は、第1波長λの0.6倍以下である。この距離は、例えば、第1波長λの0.4倍以上でも良い。これにより、第1検出素子31に、効果的なひずみを生じさせることができる。膜部20において、例えば、一様な方向のひずみが発生する。例えば、事前に実験やシミュレーションにより、音波80の周波数と、表面波の波長λと、の間の関係を調べる。例えば、感度を高めたい周波数において発生する表面波の波長λを使用して、λ/2の領域に第1検出素子31を配置する。これにより、意図する周波数帯域においてより高い感度が得られる。
(第4の実施形態)
図39(a)及び図39(b)は、第4の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図39(a)に表したように、本実施形態に係るセンサ161においては、液体45の第2液体面45bから音波80が入射する。この例では、第1液体面45aは、曲面状である。第1液体面45aは、平面状でも良い。
図39(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ162においては、液体45の側面に音波80が入射する。すなわち、液体45は、第1液体面45a及び第2液体面45bに加えて、第3液体面45cを有する。第3液体面45cは、第1液体面45aと交差し、さらに、第2液体面45bと交差する。このように、実施形態において、液体45に入射する音波80の方向は任意である。
例えば、実施形態において、膜部20(及び膜部20の開口部20o)は、音波80の進行方向に対して実質的に垂直である。または、膜部20(及び膜部20の開口部20o)は、音波80の進行方向に対して、実質的に平行でも良い。
図40は、第4の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的断面図である。
図40に表したように、本実施形態に係るセンサ163においては、中間層82が設けられる。中間層82と液体45との間に、容器40の壁部40wの少なくとも一部が配置される。例えば、センサ163の使用時において、被測定物81と壁部40wとの間に、中間層82が配置される。
中間層82の音響インピーダンスは、例えば、被測定物81のインピーダンスと、壁部40wの音響インピーダンスと、の間である。例えば、中間層82には、磁石を用いても良い。
中間層82は、例えば、被測定物81に接する。中間層82は、例えば、壁部40wに接する。
中間層82は、例えば、被測定物81と壁部40wとの間の音響インピーダンスを整合させる。例えば、中間層82の材料と、液体45が格納される第1空間40sの形状と、は、適切に設計される。これにより、例えば、音響インピーダンスの整合と、音響レンズによる音波の進行方向の制御と、を行うことができる。
実施形態において、例えば、液体45の固有振動数は、実質的に、容器40の固有振動数の整数倍(整数は1以上の整数)倍とすることができる。例えば、液体45の固有振動数は、容器40の固有振動数の、整数倍の0.8倍以上1.2倍以下である。例えば、液体45の厚さを容器40の厚さに比べて著しく小さくする。実質的に容器40の固有振動が支配的になり、液体45の固有振動の影響が小さくなる。擬似的にこのような構成を実現することもできる。これにより、容器40における振動が、液体45に効率的に加わる。
(第5の実施形態)
図41は、第5の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図41に表したように、本実施形態に係るセンサ170においても、構造体15と、容器と、液体45と、が設けられる。この例では、検出部30は、光を利用して、膜部20の変形を検出する。
すなわち、検出部30は、光74を出射する光源71と、膜部20の第1領域21で反射した光を検出する検出素子73と、が設けられる。光源71には、例えば、レーザが用いられる。この例では、光74の光路上に、ビームスプリッタ72が設けられている。光源71から出射した光74は、ビームスプリッタ72を通過して膜部20に入射する。膜部20で反射した光の進行方向がビームスプリッタ72で変化する。変化した光が検出素子73に入射する。これにより、膜部20の変位Dsが光学的に検出できる。
本実施形態においては、膜部20の変位Dsは、例えば、検出部30により光学的に検出される。実施形態において、膜部20の検出は、任意の方式で検出できる。例えば、検出部30は、第1部分21pの変位に伴って生じる抵抗の変化、第1部分21pの変位に伴って生じる圧電の電圧の変化、及び、第1部分21pの変位に伴って生じる静電容量の変化、の少なくともいずれかを有しても良い。
実施形態に係るセンサにおいて、例えば、被測定物81中を伝搬する音波80が、液体45を介して検出される。音波80の周波数は、例えば、10kHz以上3MHz以下である。例えば、液体45は、壁部40wで拘束される。液体45は、膜部20に設けられる開口部20oにおいて、自由界面を有する。例えば、液体45の振動により、膜部20が変形する。膜部20の変形が、検出部30(例えば第1検出素子31など)により検出される。
実施形態において、液体45の拘束されている面には、音波80に対して、反射膜、または、透過膜が設けられている。
音波80に対して、整合と不整合とが制御できても良い。液体45の体積、厚さ、及び材料は、検出する音波80に適合するように設計される。
(第6の実施形態)
図42(a)及び図42(b)は、第6の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図42(a)は模式的平面図である。図42(b)は、図42(a)のE1−E2線断面図である。
図42(a)及び図42(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ201においても、構造体15と、容器40と、液体45と、が設けられる。膜部20には、例えば、第1〜第7領域21〜27が設けられる。
第1領域21に第1検出素子31が設けられる。第1領域21は、例えば、両端支持型の構成を有する。すなわち、第1領域21は、第1端部21aと、変位可能な第1部分21pと、第1端部21aとは反対側の第1反対端21bと、を含む。第1端部21aと第1反対端21bとの間に、第1部分21pが設けられる。第1端部21aは、支持部10の第1の部分に接続され、支持される。第1反対端21bは、支持部10の別の部分(第2の部分)に接続され、支持される。この例では、Y軸方向の第1部分21pの幅は、Y軸方向の第1端部21aの幅よりも狭く、Y軸方向の第1反対端21bの幅よりも狭い。この例では、Y軸方向は、第1端部21aから第1部分21pに向かう方向と交差(直交する)方向である。Y軸方向は、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向と交差(直交する)方向である。そして、Y軸方向は、容器40から支持部10に向かうZ軸方向に対して垂直である。第1部分21pのY軸方向の幅が狭いことで、第1部分21pが変形し易くなる。高い感度を得やすくなる。
第2領域22と第3領域23との間に、第1領域21の第1部分21pが配置されている。第2領域22から第3領域23に向かう方向は、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向と交差(例えば直交)する。第2領域22と第1部分21pとの間に間隙(開口部20o)が設けられる。第2領域23と第1部分21pとの間に間隙(開口部20o)が設けられる。これらの間隙を設けることで、第1部分21pが変形し易くなる。
第4領域24から第5領域25に向かう方向は、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向に沿う。第6領域26から第7領域27に向かう方向は、第1端部21aから第1反対端21bに向かう方向に沿う。第4領域24と第5領域25との間に、第2領域22が設けられる。第6領域26と第7領域27との間に、第3領域23が設けられる。第1領域21は、第1端部21aと第1部分21pとの間の部分を有する。その間の部分の少なくとも一部は、第4領域24と第6領域26との間に配置される。第1領域21は、第1反対端21bと第1部分21pとの間の部分を有する。その間の部分の少なくとも一部は、第5領域25と第7領域27との間に配置される。
これらの複数の領域の間(隣り合う領域の間)には、間隙が設けられる。これにより、膜部20の複数の領域のそれぞれが変形し易くなる。膜部20の変形が、液体45の表面波46に追従し易くなる。もし、膜部20が変形し難い場合は、膜部20によって表面波46が抑制され、外部からの音波80に基づく表面波46が形成され難くなる。膜部20が変形し易いことで、外部からの音波80に基づく表面波46が効率的に形成される。これにより、高い感度が得られる。
複数の領域の間(隣り合う領域の間)に間隙を設けることで、その間隙において、液体45の一部が第1空間40sから僅かに飛び出しても良い。但し、液体45の表面張力によって、液体45は、元の状態に戻り、第1空間40sに格納される。
複数の領域の間の間隙の幅(隣接する領域どうしを結ぶ方向に沿った長さ、すなわち、開口部20oの幅)は、例えば、10nm以上100μm以下が好ましい。間隙が過度に小さいと、膜部の加工が困難になり、膜部が変形し難くなる。間隙が過度に大きいと、液体45が漏れ出す。複数の領域の間の間隙の幅(開口部20oの幅)は、例えば、1μm以上10μm以下がさらに好ましい。これにより、液体45の漏れ出しをより確実に抑制できる。
間隙の幅(開口部20oの幅)は、液体45の表面張力(表面エネルギー)、及び、膜部20の表面張力(表面エネルギー)の少なくともいずれかに基づいて定めても良い。液体45としてシリコーンオイルを用いた場合、その液体45の表面エネルギー(25℃)は、30dyne/cm以上36dyne/cm以下(例えば34dyne/cm以上35dyne/cm以下)である。シリコーンオイルとして、例えば、メチルフェニルシリコーンオイルなどを用いることができる。液体45として水を用いた場合、その液体45の表面エネルギー(25℃)は、約72.0dyne/cmである。
実施形態においては、実験結果に基づいて、間隙の幅(開口部20oの幅)(単位:m)は、液体45の表面エネルギーをγc(dyne/cm)としたとき、例えば、γc/10以下とする。これにより、例えば、液体45の漏れ出しが実用的に抑制できる。例えば、液体45の表面エネルギーγcが33.9dyne/cmのとき、間隙の幅(開口部20oの幅)は、33.9(dyne/cm)/10以下とする。すなわち、間隙の幅(開口部20oの幅)は、339×10−6m(すなわち、339μm)以下とする。間隙の幅(開口部20oの幅)は、零よりも大きい。
間隙の幅は、一定でなくても良い。例えば膜部20の内の中央部に位置する間隙の幅は、周辺部に位置する間隙の幅と異なっても良い。例えば、中央部に位置する間隙の幅は、周辺部に位置する間隙の幅よりも大きい。これにより、例えば、液面を覆う膜領域が中央部分で狭くなるため、液面が膜により拘束される力が小さくなることが期待される。結果として、ある周波数における表面波の波長は該当領域で長くなる。感度が高い周波数領域が下方にシフトする効果が期待される。
例えば、中央部に位置する間隙の幅は、周辺部に位置する間隙の幅よりも小さくても良い。これにより、例えば、液面を覆う膜領域が中央部分で広くなるため、液面が膜により拘束される力が大きくなることが期待される。結果として、ある周波数における表面波の波長は該当領域で短くなる。感度が高い周波数領域が上方にシフトする効果が期待される。生じると推定される表面波46に応じて間隙の幅を変化させても良い。例えば、表面波46の腹の位置などに応じて、間隙の幅を変化させても良い。
センサ201においては、第1検出素子31が、第1領域21の第1部分21pに設けられている。さらに、第2検出素子32が、第2領域22に設けられ、第3検出素子33が、第3領域22に設けられている。
この例では、第2領域22の第2端部22aの近傍に第2検出素子32が設けられている。すなわち、第2端部22aと第2検出素子32との間の距離は、第2領域22の第2反対端22bと第2検出素子32との間の距離よりも短い。第3領域23の第3端部23aの近傍に第3検出素子33が設けられている。すなわち、第3端部23aと第3検出素子33との間の距離は、第3領域23の第3反対端23bと第3検出素子33との間の距離よりも短い。
膜部20の中心位置20cと第2検出素子32との間の距離は、中心位置20cと第1検出素子31との間の距離とは異なる。膜部20の中心位置20cと第3検出素子33との間の距離は、中心位置20cと第1検出素子31との間の距離とは異なる。具体的には、第2検出素子32及び第3検出素子33のそれぞれは、膜部20の周辺部に設けられる。第1検出素子31は、膜部20の中心部に設けられる。
膜部20の中心部と周辺部とにおいて、大きな振幅を生じる表面波46の周波数が互いに異なる。例えば、第2検出素子32及び第3検出素子33に対応する領域における周波数は、第1検出素子31に対応する領域における周波数よりも低い。例えば、周波数の異なる波のそれぞれを高い感度で検出できる。
センサ201においては、中央部の両持ち梁部に第1検出素子31が設けられ、カンチレバー部に第2検出素子32及び第3検出素子33が設けられる。中央部の両持ち梁部における感度の高い周波数は、カンチレバー部における感度の高い周波数とは異なる。センサ201においては、1つのセンサにおいて広範囲の周波数で応答するセンサが得られる。例えば、両持ち梁部においては、カンチレバー部(片持ち梁部)と比較して、曲げに対する剛性が高い。同じ厚さの場合、両持ち梁部における高感度の周波数は、カンチレバー部における高感度の周波数よりも高い。例えば、両持ち梁部において、100kHz以上の高い周波数帯域の音波(振動)を両持ち梁部で検出する。一方、100kHz未満の低い周波数帯域の音波(振動)をカンチレバー部でセンシングする。帯域分離が可能になる。
両持ち梁部及びカンチレバー部は、例えば、シリコンプロセスによって成形される。1つのセンサ内の複数の領域にセンシング領域を配置する。配線やプリアンプ部を共通化することができる。小型化が可能になる。複数のセンサを用いる場合に比べて、小型にでき、コストも低減できる。
図43は、第6の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図43に表したように、本実施形態に係るセンサ202においても、構造体15と、容器40と、液体45と、が設けられる。膜部20には、例えば、第1〜第4領域21〜24が設けられる。第1〜第4検出素子31〜34が、の第1〜第4領域21〜24のそれぞれに設けられている。
第1〜第4検出素子31〜34の、膜部20の中心からの距離は互いに異なる。
第1検出素子31と第1端部21aとの間の距離の、第1検出素子31と第1反対端21bとの間の距離に対する比(第1比)は、低い。
第4検出素子34と第4端部24aとの間の距離の、第4検出素子34と第4反対端24bとの間の距離に対する比(第4比)は、高い。
第2検出素子32と第2端部22aとの間の距離の、第2検出素子32と第2反対端22bとの間の距離に対する比(第2比)は、第1比と第4比との間である。
第3検出素子33と第3端部23aとの間の距離の、第3検出素子33と第3反対端23bとの間の距離に対する比(第3比)は、第2比と第4比との間である。
このように、複数の検出素子のそれぞれ位置(膜部20の中心からの距離)が、互いに異なる。これにより、波のそれぞれを高い感度で検出できる。
センサ202においては、4つのカンチレバー部(膜部20の領域)のそれぞれに、複数の検出素子のそれぞれが設けられる。複数の検出素子のそれぞれの、膜部20の中心から外に向かう方向における位置は、互いに異なる。カンチレバー部は、液体45の表面に発生する表面波46に沿った形状で振動する。液体45の表面の形状が円状である場合、表面波46は、同心円状の定在波となる。この定在波においては、周波数が高くなるほど波数が増える。複数のカンチレバー部のそれぞれにおいて、検出素子の位置を半径方向にずらして配置する。定在波の腹の位置と検出素子の位置とが一致する周波数が、互いに異なる。感度が高い周波数領域が、複数のカンチレバー部において、互いに異なる。1つのセンサにより、複数の周波数領域のそれぞれにおいて、高い感度が得られる。
センサ203、センサ127a及びセンサ127bなどにおいては、複数の検出素子のそれぞれの位置(例えば膜部20の中心からの距離)が互いに異なる。このような構成により、表面波46の位相差を複数の検出素子により検出することができる。
例えば、表面波46における引っ張りに対応する抵抗と、圧縮に対応する抵抗と、の差を複数の検出素子により検出する。
例えば、カンチレバー全面に検出素子を配置する場合に比較して、腹の位置以外の領域が除外されるため、ある周波数において発生する表面波の腹の位置の面積と、それ以外の領域の面積の比率に応じた感度向上が期待される。
図44(a)〜図44(e)は、第6の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図44(a)は模式的平面図である。図44(b)は、図44(a)のE1−E2線断面図である。図44(c)〜図44(e)は、別の例における、図44(a)のE1−E2線に対応する断面図である。
図44(a)及び図44(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ203においても、構造体15と、容器40と、液体45と、を含む。膜部20には、例えば、第1〜第7領域21〜27が設けられる。第1検出素子31が、膜部20の第1領域21の第1部分21pに設けられている。
この例では、膜部20の厚さが、面内で異なる。すなわち、第1領域21の第1部分21pの厚さ(Z軸方向に沿う長さ)は、第1端部21aの厚さよりも薄く、第1反対端21bの厚さよりも薄い。これにより、第1部分21pが変形し易くなる。第1部分21pにおいて、ひずみが大きくなる。例えば三次元ノッチが形成されやすくなる。
例えば、膜部20の全体を薄くすると、膜部20の強度が低下し、信頼性が低下する場合がある。加工が困難になる場合もある。
これに対して、この例のように、第1部分21pの厚さを他の部分よりも薄くすることで、第1部分21pを変形し易くできる。例えば、引っ張りのひずみを大きくできる。例えば、曲げのひずみを大きくできる。そして、高い強度が維持でき、高い生産性が維持できる。
例えば、第1領域21の第1部分21pの厚さは、第1端部21aの厚さの0.1倍以上0.8倍以下(例えば0.5倍以下)である。引っ張り変形においては、剛性は、厚さに比例する。第1領域21の第1部分21pの厚さを第1端部21aの厚さの0.5倍とすることで、同じ力で倍のひずみを発生させることができる。曲げ変形においては、剛性は、厚さの3乗に比例する。第1領域21の第1部分21pの厚さを第1端部21aの厚さの0.8倍程度とすることで、同じ力で倍のひずみを発生させることができる。第1領域21の第1部分21pの厚さを薄くすることにより、抵抗値が増加する。第1部分21pに曲げ変形を生じさせる領域の周波数において、上記のような厚さに設定すると、引っ張りに対しての剛性の低下の程度が曲げに対しての剛性の低下の程度よりも大きくなるため、より感度が高まる。
例えば、第1領域21の第1部分21pの厚さは、10nm以上240nm以上である。例えば10nm以上150nm以下でも良い。一方、第1端部21aの厚さは、300nm以上1000nm以下である。例えば、第1端部21aの厚さが280nm以上320nm以下のとき、第1領域21の第1部分21pの厚さは、240nm以下(または150nm以下である)。
図44(c)に例示したように、第1領域21(膜部20)の厚さは、第1端部21aと第1部分21pとの間の領域で変化しても良い。第1領域21(膜部20)の厚さは、第1反対端21bと第1部分21pとの間の領域で変化しても良い。
図44(d)に例示したように、第1領域21(膜部20)の厚さは、第1端部21aと第1部分21pとの間の境界で変化しても良い。第1領域21(膜部20)の厚さは、第1反対端21bと第1部分21pとの間の境界で変化しても良い。
図44(e)に例示したように、第1領域21(膜部20)の厚さの変化は、連続的でも良い。ステップ状でも良い。厚さの変化のステップの数は、1でも良く、複数でも良い。
センサ203において、AEなどの振動が、第1検出素子31に発生するひずみの大きさとして検出される。振動のエネルギーが加えられたときに、より大きなひずみを発生させる。これにより、センサとしての感度が高まる。検出素子部分を薄くすることにより、より大きなひずみが得られる。例えば、エッチングなどのプロセス条件の制御により、膜部20の厚さを変更できる。
図45は、第6の実施形態に係る別のセンサを例示する模式的斜視図である。
図45に例示したように、センサ204においては、第1〜第4検出素子31〜34のそれぞれが、膜部20の第1〜第4領域21〜24のそれぞれに設けられる。
第1〜第4検出素子31〜34のそれぞれは、複数の部分を含む。この複数の部分は、ジグザグ状に接続されている。複数の部分は、膜部20の固定端の辺(例えば第1端部21aの辺)に沿って並ぶ。複数の部分のそれぞれは、固定端の辺に対して実質的に垂直な方向に沿って延在する。このような構成においては、膜部20内の限られた領域に設けられる検出素子の数を増大できる。検出素子の合計の面積を増大できる。これにより、例えば、ばらつきを抑制できる。
(第7の実施形態)
図46(a)及び図46(b)は、第7の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図46(a)は模式的平面図である。図46(b)は、図46(a)のE1−E2線断面図である。
図46(a)及び図46(b)に表したように、本実施形態に係るセンサ210においても、構造体15と、容器40と、液体45と、が設けられる。膜部20には、例えば、第1〜第6領域21〜26が設けられる。
第1領域21に第1検出素子31が設けられている。第1検出素子31は、電流経路31elを有する。電流経路31elは、実質的に、膜部20の結晶方位Dcに沿う。
この例では、電流経路31elは、ジグザグ状である。すなわち、電流経路31elは、複数の延在部分と、隣り合う複数の延在部分の端を接続する接続部と、を含む。延在部分の延在方向が、結晶方位Dcに沿う。
結晶方位Dcは、例えば、シリコンの<110>方向及び<100>方向のいずれかである。例えば、膜部20が、n形のシリコン結晶を含み、電流経路31elの方向(延在部分の延在方向)は、<100>方向に沿う。一方、例えば、膜部20が、p形のシリコンの結晶を含み、電流経路31elの方向(延在部分の延在方向)は、<110>方向に沿う。これにより、より高感度の検出が可能になる。
この例において、膜部20の固定端(端部)と反対端とを結ぶ方向が、結晶方位Dcと一致しない領域においては、検出素子を設けず、例えば、電極などを設けても良い。
センサ210においては、感度が高い特定の方向に沿って、検出素子が配置される。検出素子の配置方向を蛇行させ、検出素子の長い辺を、感度が高い方向に沿わせる。エッチングなどにより、検出素子の形状を加工して、例えば分割してもよい。電極の配置により、検出素子における電流経路31elを制御してもよい。検出感度が高い方向に沿って、電流経路31elの長い領域を配置させる。これにより、単位長さあたりの感度を向上できる。
(第8の実施形態)
図47は、第8の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図47に表したように、本実施形態に係るセンサ220においては、構造体15及び容器40を含む組みが複数設けられる。この例では、組みが2つである。一方の組み(センサ221)においては、構造体15と容器40で形成される第1空間40s内に、液体45が配置される。別の1つの組み(センサ222)においては、構造体15と容器40で形成される第1空間40sの内部は、センサ221における第1空間40sの内部とは異なる。例えば、センサ222においては、第1空間40s内は、気体45g(例えば空気)が配置される。センサ221における液体45とは異なる液体が設けられても良い。
気体45gが設けられている組み(センサ222)は、例えば、マイクロフォンとして機能する。一方、液体45が設けられる組み(センサ221)は、例えば、音響センサとして機能する。これらの組みの差分を検出することで、例えば、所望の音響波を選択的に検出できる。例えば、差分を検出することで、ノイズを抑制(例えばキャンセル)することができる。例えば、ハイパスフィルタ効果が得られる。これにより、高感度の検出が可能になる。
センサ220においては、第1空間40sの内部の構造により、受信特性が変更される。受信特性が異なる2つ以上のセンサを並列に設置し、それぞれのセンサで得られた信号の差分を得る。これにより、必要な帯域の信号を選択的に得ることが可能になる。
例えば、鉄鋼材のAEの主要帯域は、100kHz以上200kHz以下である。例えば、第1のセンサは、この帯域(第1帯域)において感度が高い。第2のセンサにおいては、第1帯域とは異なる第2帯域において、感度が高い。このような組み合わせを用い、それぞれのセンサで得られた信号の差分を得る。これにより、目的とする帯域を選択的に高感度に得ることができる。例えば、目的とする帯域以外の信号が減衰(除外)される。これにより、ノイズが抑制できる。
このような2つの組みを用いたセンサの構成は、第1〜第7の実施形態に関して説明したセンサ及びその変形のセンサに、適用しても良い。
(第9の実施形態)
図48は、第9の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図48に表したように、本実施形態に係るセンサ230においても、構造体15、容器40及び液体45が設けられる。センサ230においては、容器40内の第1空間40sに発振子86が設けられている。この例では、発振子86は、容器40の内側面に設けられている。発振子86と膜部20との間に、液体45が配置される。
発振子86から、例えば音響波が出射される。発振子86には、例えば、電歪発振素子、熱音響発振素子、熱超音波発振素子、レーザ、及びヒータなどが用いられる。例えば、熱音響発振素子または熱超音波発振素子においては、印加電圧の周期に応じた熱が発生し、その熱により、例えば、液体などの媒体において振動が生じる。この振動が音波または超音波となって出射される。
センサ230においては、発振子86をセルフテストの際に使用できる。例えば、発振子86の振動の、検出素子による検出がテストされる。セルフテストに用いる発振子86を組み込むことで、センサの状態やセンサの取り付け状態が把握できる。精度の高い検出が安定して可能になる。
センサ230においては、正常に動作していることを検出するためのセルフテスト用デバイス(発信子)が設けられる。センサにおいては、使用時(取り付け時)に正常に動作していることを確認するための動作テストが行われる。動作テストのために、振動子や発信子などの送信デバイスが設けられる。送信デバイスと、センサ(受信デバイス)と、を別に設ける参考例の場合、送信デバイスとセンサとの間の伝達関数が設置状態に依存する。このため、この参考例においては、設置が正常であることの確認にためには、正常な伝達関数との比較を行う。これに対して、センサ230においては、送信デバイスとセンサとが一体化されているため、正常な伝達関数との比較が省略して、設置状態を正確に評価できる。一体化により、コストが低減できる。
(第10の実施形態)
図49(a)〜図49(d)は、第10の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図49(a)は、模式的透過平面図である。図49(b)は、図49(a)のA1−A2線の模式的断面図である。図49(c)は、図49(a)のA3−A4線の模式的断面図である。図49(d)は、図49(a)のA5−A6線の模式的断面図である。
本実施形態に係るセンサ240においては、センサ110と同様に、構造体15と、容器40と、液体45と、検出部30と、が設けられる。そして、構造体15において、支持部10と、膜部20と、が設けられる。すなわち、容器40の底面40bfと対向する膜部20の変位により、振動が検出される。膜部20の第1〜第4領域21〜24のそれぞれに、第1〜第4検出素子31〜34が設けられる。第1〜第4検出素子31〜34のそれぞれは、結晶層13a〜13dを含む。これらの検出素子は、容器40の底面40bfの上の液体45の上に設けられる。
センサ240においては、容器40の側面(第1側面40sa及び第2側面40sb)に、別の膜部(側面膜部60)が設けられる。そして、側面膜部60の変形を検出する別の検出部(側面検出部65)が設けられる。
例えば、容器40の第1側面40saは、容器の第2側面40sbと交差する。交差する2つの側面のそれぞれに、側面膜部60が設けられる。外部から加わる振動に基づいて、液体45が振動し、側面膜部60が変位する(変形する)。側面膜部60の変位を側面検出部65で検出する。これにより、3つの方向の振動を検出することができる。これにより、さらに高精度の検出が可能になる。
第1側面40saに、側面膜部60の領域61及び領域62が設けられる。領域61は、端部61aと反対端61bとを有する。領域61の一部61pが変位可能である。領域62は、端部62aと反対端62bとを有する。領域62の一部62pが変位可能である。
第2側面40sbに、側面膜部60の領域63及び領域63が設けられる。領域63は、端部63aと反対端63bとを有する。領域63の一部63pが変位可能である。領域64は、端部64aと反対端64bとを有する。領域64の一部64pが変位可能である。
これらの側面膜部60の一部61p〜64pの変位のそれぞれが、側面検出部65の検出素子65a〜65dにより検出される。
(第11の実施形態)
図50は、第11の実施形態に係るセンサユニットを例示する模式的断面図である。
図50に表したように、本実施形態に係るセンサユニット510には、筐体87が設けられる。筐体87は、例えば、底面部87aと、対向部87bと、側面部87cと、を有する。対向部87bは、底面部87aと対向する。側面部87cは、底面部87aと対向部87bとを接続する。
この例では、底面部87aに、上記の実施形態に係る任意のセンサ及びその変形のセンサが設けられる。この例では、底面部87aにセンサ110が設けられる。この例では、底面部87aに集音部83が設けられる。集音部83は、音響レンズ効果を有する。集音部83の上に、センサ110が設けられる。
この例では、センサ110の上に、ヒータ84がさらに設けられる。ヒータ84は、センサ110の温度を制御する。ヒータ84は、例えば、キャリブレーションの際に用いられる。
この例では、底面部87aに、ひずみセンサ88aとAEセンサ88bとがさらに設けられる。ひずみセンサ88aは、例えば、ひずみゲージである。AEセンサ88bは、例えば、取り付け状態を把握する際に用いられる。センサ110、ひずみセンサ88a及びAEセンサ88bは、筐体87の内側に設けられる。
この例では、対向部87bに光電変換素子88dが設けられる。光電変換素子88dには、例えば太陽電池(太陽光発電素子)などが用いられる。さらに、対向部87bに、エナジーハーベスティング素子88cが設けられても良い。エナジーハーベスティング素子88cには、例えば、振動発電素子などが用いられる。
対向部87b、側面部87c及び底面部87aに、配線層88eが設けられる。例えば、光電変換素子88d及びエナジーハーベスティング素子88cの少なくともいずれかと、センサ110が接続される。さらに、ひずみセンサ88a及びAEセンサ88bが接続される。
この例では、筐体87の外に、音響センサ88fが配置される。音響センサ88fは、例えば、取り付け状態を把握する際に用いられる。
このように、センサユニット510においては、センサ110を含む複数のセンサが、複合センサとして、筐体87に実装される。すなわち、センサ110、ひずみセンサ88a及びAEセンサ88bが、1つのパッケージ内に実装される。センサ110は底面部87aに設けられる。底面部87aは、パッケージの貼りつけ側である。底面部87aからAEがセンサ110に伝達される。底面部87aの内側面に集音部83が設けられる。集音部83の上にセンサ110を配置することで、複合パッケージ内において、効率的にAEを取得することができる。
ひずみセンサ88aと、筐体87の底面部88aと、の間に、板が設けられても良い。この板には、例えばステンレス鋼などを用いることができる。この板の厚さは、例えば、0.2mm以上0.3mm以下である。板を設けることで、ひずみセンサ88aにおいて、耐環境性が向上し、歪み検出の取得効率が向上する。
センサユニット510は、常時モニタリングに用いられる。太陽光パネル等の自立電源が、一体化される。これにより、例えば、送電による電力ロスが少なくなり、電力が低減する。センサユニット510において、センサ110のプリアンプ等を内部に内蔵しても良い。センサ110とプリアンプとの間の距離を短くすることができる。例えば、ノイズが低減できる。プリアンプを内蔵することで、長距離のケーブル伝送によるモニタリングが可能になる。外部電源供給が省略できる。
図50は、第11の実施形態に係る別のセンサユニットを例示する模式的断面図である。 図51に表したように、本実施形態に係るセンサユニット511には、3つのセンサ110が設けられる。3つ以上のセンサ110を、1つのセンサユニット511に設けることで、複数のセンサにおける取り付け状態を把握することができる。この例において、上記の実施形態に係る任意のセンサを用いても良い。
図52は、第11の実施形態に係る別のセンサユニットを例示する模式的断面図である。
本実施形態に係るセンサユニット512においては、筐体87の底面部87aが音響レンズ構造を有する。底面部87aの中央部にAEが集まる。底面部87aの中央部の上に、センサ110が配置される。例えば、底面部87aの全体で、集音構造が形成される。底面部87aの側から伝達されるAEが、センサ110に集中する。より多くの振動エネルギーを得ることができ、より高い感度が得られる。
実施形態によれば、高感度なセンサ及びセンサユニットを提供することができる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、センサに含まれる構造体、保持部、膜部、側面膜部、容器、液体及び検出部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したセンサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのセンサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (22)

  1. 支持部と、
    前記支持部に支持された第1端部と、変位可能な第1部分と、を含む第1領域を含み、開口部を有する膜部と、
    を含む構造体と、
    前記構造体と接続され前記膜部との間に第1空間を形成する容器と、
    前記第1空間内に設けられた液体と、
    前記液体の変位に伴う前記第1部分の変位を検出する検出部と、
    を備えたセンサ。
  2. 前記液体の前記変位は、前記容器に加わる音波に基づいて生じる請求項1記載のセンサ。
  3. 前記膜部は、前記支持部に支持された第2端部と、第2部分と、を含む第2領域をさらに有し、
    前記第1部分と前記第2部分との間に前記開口部となる第1間隙が設けられる請求項1または2に記載のセンサ。
  4. 前記第2部分は、変位可能であり、
    前記膜部は、
    前記支持部に支持された第3端部と、変位可能な第3部分と、を含む第3領域と、
    前記支持部に支持された第4端部と、変位可能な第4部分と、を含む第4領域と、
    を含み、
    前記第1部分と前記第3部分との間には第2間隙が設けられ、
    前記第2部分と前記第3部分との間には第3間隙が設けられ、
    前記第2部分と前記第4部分との間には第4間隙が設けられ、
    前記検出部は、
    前記液体の前記変位に伴う前記第2部分の変位と、
    前記液体の前記変位に伴う前記第3部分の変位と、
    前記液体の前記変位に伴う前記第4部分の変位と、
    をさらに検出する請求項3記載のセンサ。
  5. 前記支持部は、第2空間を形成し、
    前記第2空間と前記液体との間に前記第1部分の少なくとも一部が配置される請求項1〜4のいずれか1つに記載のセンサ。
  6. 前記検出部は、前記第1部分に設けられた第1検出素子を含み、
    前記第1検出素子は、
    前記第1部分の前記変位に伴って生じる抵抗の変化、
    前記第1部分の前記変位に伴って生じる圧電の電圧の変化、及び、
    前記第1部分の前記変位に伴って生じる静電容量の変化、
    の少なくともいずれかを有する請求項1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
  7. 前記検出部は、前記第1部分に設けられた第1検出素子を含み、
    前記第1検出素子は、前記第1部分の前記変位に伴う抵抗の変化を有する請求項1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
  8. 前記第1検出素子は、
    不純物を含むシリコンの結晶層と、
    前記結晶層の一部に接続された第1電極と、
    前記結晶層の他部に接続された第2電極と、
    を含み、
    前記第1電極から前記第2電極に向かう方向は、前記結晶層の<110>方向及び<100>方向のいずれかの方向に沿う請求項7記載のセンサ。
  9. 前記第1検出素子は、
    不純物を含むシリコンの結晶層と、
    前記結晶層の一部に接続された第1電極と、
    前記結晶層の他部に接続された第2電極と、
    を含み、
    前記液体の変位は、第1波長を含む表面波を含み、
    前記第1電極と前記第2電極との間の距離は、前記第1波長の0.4倍以上0.6倍以下、または、前記第1波長の0.22倍以上0.28倍以下である請求項6記載のセンサ。
  10. 前記液体は、前記膜部側の第1液体面と、前記第1液体面とは反対側の第2液体面と、を有し、
    前記第2液体面は、前記容器から前記支持部に向かう第1方向に対して垂直な平面に対して傾斜した部分を有する請求項1〜9のいずれか1つに記載のセンサ。
  11. 前記膜部は、前記支持部に支持された第2端部を含む第2領域をさらに有し、
    前記第2液体面は、前記第1端部の側の第1表面と、前記第2端部の側の第2表面と、を含み、
    前記第1表面の前記平面に対する傾斜方向は、前記第2表面の前記平面に対する傾斜方向とは逆である請求項10記載のセンサ。
  12. 前記液体の固有振動数は、前記容器の固有振動数の1以上の整数倍の0.8倍以上1.2倍以下である請求項1〜11のいずれか1つに記載のセンサ。
  13. 前記第1領域は、前記第1端部とは反対側の第1反対端を有し、
    前記第1検出素子は第1部分内の第1位置に配置され、
    前記第1端部と前記第1位置との間の距離は、前記第1反対端と前記第1位置との間の距離よりも短い請求項1〜12のいずれか1つに記載のセンサ。
  14. 前記第1端部から前記第1部分に向かう延在方向に沿った前記第1領域の長さは、
    前記容器から前記支持部に向かう第1方向に対して垂直で前記延在方向に対して垂直な長さよりも短い請求項1〜12のいずれか1つに記載のセンサ。
  15. 前記検出部は、前記第1部分に設けられた第1検出素子と第2検出素子とを含み、
    前記第1検出素子から前記第2検出素子に向かう方向は、前記延在方向と交差する請求項14記載のセンサ。
  16. 前記開口部は、前記膜部の中心部に位置する請求項1〜12のいずれか1つに記載のセンサ。
  17. 前記膜部は、中心部と、前記中心部の周りの周辺部と、を有し、
    前記開口部は、前記周辺部に位置する請求項1〜12のいずれか1つに記載のセンサ。
  18. 前記膜部は、卍構成を有する請求項1〜11のいずれか1つに記載のセンサ。
  19. 前記検出部は、
    前記第1部分の第1位置に設けられた第1検出素子と、
    前記第1部分の第2位置に設けられた第2検出素子と、
    を含み、
    前記第1領域は、前記第1端部とは反対側の第1反対端を有し、
    前記第1位置から前記第2位置に向かう方向は、前記第1端部から前記第1反対端に向かう方向に沿っている請求項1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
  20. 前記膜部は、前記液体の側の第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有し、
    前記検出部は、
    前記第1部分の前記第1面に設けられた第1検出素子と、
    前記第1部分の前記第2面に設けられた第2検出素子と、
    を含み、
    前記第1検出素子及び前記第2検出素子の少なくともいずれかは、
    前記第1部分の前記変位に伴う抵抗の変化、
    前記第1部分の前記変位に伴う静電容量の変化、及び、
    前記第1部分の前記変位に伴う圧電の電圧の変化
    の少なくともいずれかを有する請求項1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
  21. 前記開口部の幅は、10ナノメートル以上100マイクロメートル以下である、請求項1〜20のいずれか1つに記載のセンサ。
  22. 前記開口部の幅(単位:メートル)は、前記液体の表面エネルギーをγc(単位:ダイン/センチメートル)としたときに、γc/10以下であり、零よりも大きい、請求項1〜20のいずれか1つに記載のセンサ。
JP2015559069A 2014-01-24 2015-01-20 センサ Active JP6315429B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014011851 2014-01-24
JP2014011851 2014-01-24
PCT/JP2015/051407 WO2015111581A1 (ja) 2014-01-24 2015-01-20 センサ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2015111581A1 true JPWO2015111581A1 (ja) 2017-03-23
JP6315429B2 JP6315429B2 (ja) 2018-04-25

Family

ID=53681384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015559069A Active JP6315429B2 (ja) 2014-01-24 2015-01-20 センサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10234429B2 (ja)
JP (1) JP6315429B2 (ja)
CN (1) CN106416298B (ja)
WO (1) WO2015111581A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11442041B2 (en) 2018-11-12 2022-09-13 The University Of Tokyo Sensor including deformable parts

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6315429B2 (ja) 2014-01-24 2018-04-25 国立大学法人 東京大学 センサ
JP6350212B2 (ja) * 2014-10-27 2018-07-04 オムロン株式会社 内部温度測定装置
JP2018013444A (ja) * 2016-07-22 2018-01-25 オリンパス株式会社 差圧センサ
KR20180015482A (ko) * 2016-08-03 2018-02-13 삼성전자주식회사 음향 스펙트럼 분석기 및 이에 구비된 공진기들의 배열방법
JP6996679B2 (ja) * 2017-06-23 2022-01-17 国立大学法人 東京大学 光音響測定プローブ
US10327060B2 (en) * 2017-11-05 2019-06-18 xMEMS Labs, Inc. Air pulse generating element and sound producing device
TWI667925B (zh) * 2018-01-15 2019-08-01 美律實業股份有限公司 壓電傳感器
US11181627B2 (en) * 2018-02-05 2021-11-23 Denso Corporation Ultrasonic sensor
JP7004268B2 (ja) * 2018-02-15 2022-01-21 新日本無線株式会社 圧電素子
JP6967163B2 (ja) 2018-11-12 2021-11-17 国立大学法人 東京大学 センサ
US11761837B2 (en) * 2018-11-26 2023-09-19 The University Of Tokyo Multi-axial tactile sensor
JP7283695B2 (ja) * 2019-07-12 2023-05-30 日清紡マイクロデバイス株式会社 音波センサの製造方法
TWI701851B (zh) * 2019-11-26 2020-08-11 國立中正大學 音洩感測器
US11473991B2 (en) 2019-12-29 2022-10-18 Measurement Specialties, Inc. Low-pressure sensor with stiffening ribs
EP3907502A1 (en) * 2020-05-08 2021-11-10 ABB Schweiz AG Sensing arrangement
CN114339557B (zh) * 2022-03-14 2022-08-12 迈感微电子(上海)有限公司 一种mems麦克风芯片及其制备方法、mems麦克风
SE2350283A1 (en) * 2023-03-14 2024-03-26 Myvox Ab A micro-electromechanical-system based micro speaker

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09264879A (ja) * 1996-03-28 1997-10-07 Osaka Gas Co Ltd 薄膜式微小aeセンサ及びその製造方法
JP2000329612A (ja) * 1999-05-21 2000-11-30 Koji Toda 音圧検出装置
WO2012102073A1 (ja) * 2011-01-28 2012-08-02 国立大学法人東京大学 差圧センサ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5313025A (en) * 1993-05-05 1994-05-17 Halliburton Logging Services, Inc. Displacement amplified acoustic transmitter
JP2006512589A (ja) 2002-12-27 2006-04-13 カンション アクティーゼルスカブ 縦および横の両方向のピエゾ抵抗係数を用いたカンチレバーセンサ
US8130986B2 (en) * 2006-01-23 2012-03-06 The Regents Of The University Of Michigan Trapped fluid microsystems for acoustic sensing
JP5419424B2 (ja) * 2008-11-14 2014-02-19 三菱重工業株式会社 非破壊検査装置および非破壊検査方法
CN101782659B (zh) * 2010-04-16 2011-12-21 天津科技大学 海上四分量地震波检测装置
JP5402823B2 (ja) * 2010-05-13 2014-01-29 オムロン株式会社 音響センサ
US9256001B2 (en) * 2010-12-28 2016-02-09 Solid Seismic, Llc Bandwidth enhancing liquid coupled piezoelectric sensor apparatus and method of use thereof
JP5862997B2 (ja) 2011-01-21 2016-02-16 一般財団法人生産技術研究奨励会 気液界面で共振するマイクロカンチレバーセンサ
CN102155985A (zh) * 2011-03-21 2011-08-17 中国科学院半导体研究所 水听器高静水压声压灵敏度测试装置
JP5778619B2 (ja) 2012-05-02 2015-09-16 セイコーインスツル株式会社 圧力センサ
JP6021110B2 (ja) 2012-12-28 2016-11-02 国立大学法人 東京大学 感圧型センサ
WO2015042098A1 (en) * 2013-09-18 2015-03-26 Aavid Thermalloy, Llc Split fluidic diaphragm
JP6315429B2 (ja) 2014-01-24 2018-04-25 国立大学法人 東京大学 センサ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09264879A (ja) * 1996-03-28 1997-10-07 Osaka Gas Co Ltd 薄膜式微小aeセンサ及びその製造方法
JP2000329612A (ja) * 1999-05-21 2000-11-30 Koji Toda 音圧検出装置
WO2012102073A1 (ja) * 2011-01-28 2012-08-02 国立大学法人東京大学 差圧センサ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11442041B2 (en) 2018-11-12 2022-09-13 The University Of Tokyo Sensor including deformable parts

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015111581A1 (ja) 2015-07-30
CN106416298B (zh) 2019-05-28
US20160327523A1 (en) 2016-11-10
US10234429B2 (en) 2019-03-19
JP6315429B2 (ja) 2018-04-25
CN106416298A (zh) 2017-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6315429B2 (ja) センサ
JP5491080B2 (ja) マイクロフォン
Mochida et al. A micromachined vibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detection modes
US9010193B2 (en) Inertial sensor having an oscillating rotating disk
JP2008301434A (ja) 音響センサ
JP2008232886A (ja) 圧力センサ
JP2009002834A (ja) 角速度検出装置
US7600429B2 (en) Vibration spectrum sensor array having differing sensors
CN109661825A (zh) 悬臂式剪切谐振麦克风
Zhang et al. S-shape spring sensor: Sensing specific low-frequency vibration by energy harvesting
Butaud et al. Towards a better understanding of the CMUTs potential for SHM applications
Olfatnia et al. Investigation of residual stress and its effects on the vibrational characteristics of piezoelectric-based multilayered microdiaphragms
JP6802125B2 (ja) 振動ジャイロ
Ismail et al. The fabrication, characterization and testing of a MEMS circular diaphragm mass sensor
JP2004093574A (ja) 原子間力顕微鏡用力方位センサ付カンチレバー
JP6455751B2 (ja) Mems圧電センサ
US20100223987A1 (en) Detection sensor
WO2022039596A1 (en) Mems-based microphone and microphone assembly
US10564092B2 (en) Optical and electromechanical resonator
JPS60186725A (ja) 圧力センサ
US11513102B2 (en) Sensor including deformable part
Zhang et al. Frontside-micromachined planar piezoresistive vibration sensor: Evaluating performance in the low frequency test range
JP2005156355A (ja) ヤング率測定方法及びヤング率測定装置
US20170336521A1 (en) Mechanical Transducer for the Detection of Acoustic and/or Seismic Signals
JP2010210407A (ja) 角速度センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171122

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180112

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180302

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180319

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6315429

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250