JPWO2015111581A1 - センサ - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
構造体15は、支持部10と、膜部20と、を含む。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
センサ131〜136においても、高感度な検出ができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (22)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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/105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。
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