WO2021229941A1 - Ｍｅｍｓ共振器を用いた共振型センサおよび共振型センサの検出方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓ共振器を用いた共振型センサおよび共振型センサの検出方法 Download PDF

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邦彦 中村
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • Non-Patent Document 2 discusses the non-linear behavior of the MEMS resonator that appears when the oscillator of the MEMS resonator vibrates with a relatively large amplitude.
  • the vibration amplitude of the vibrator 101 of the MEMS resonator 100 is sufficiently small, the influence of the nonlinear effect is negligibly small (linear region), and the resonance characteristic obtained by sweeping the frequency of the input voltage Vi is As shown in the resonance characteristic 111 of FIG. 28, a symmetrical profile is drawn centering on the peak at the resonance frequency f0 of the vibrator 101, and no hysteresis is observed due to the difference in the sweep direction.
  • FIG. 20 is a diagram showing an electrical connection method of a capacitance type MEMS resonator.
  • FIG. 21 is a diagram showing an output example of a vibration state information signal (vibration speed information signal).
  • FIG. 22 is a diagram showing an output example of a vibration state information signal (deflection angle information signal).
  • FIG. 23 is a perspective view showing the configuration of a non-capacitance type MEMS resonator.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram of the Coriolis force applied to the vibrator.
  • FIG. 25 is a block diagram showing a configuration of a capacitive type MEMS resonator using synchronous detection.
  • FIG. 26 is a diagram showing amplitude information, phase information, and discontinuity points of the oscillator obtained by synchronous detection.
  • FIG. 33 is a diagram showing a capacitance type MEMS resonator and a temperature distribution in the oscillator.
  • FIG. 34 is a diagram showing the relationship between the environmental temperature information and the difference frequency.
  • FIG. 35 is a diagram showing a case where the temperature of the oscillator is made uniform and a case where the oscillator is irradiated with infrared rays.
  • FIG. 36 is a diagram showing the relationship between the change in the resonance frequency and the average temperature of the vibrator.
  • FIG. 37 is a diagram showing the relationship between the spring constant and the change in the resonance frequency.
  • the resonance type sensor is a resonance type sensor using a MEMS resonator, and the frequency of the excitation signal of the MEMS resonator and the vibrator of the MEMS resonator is set along a predetermined sweep direction.
  • a sweeping unit that is swept and outputs the swept excitation signal to the MEMS resonator, and a vibration state information signal that is a feature quantity indicating the vibration state of the vibrator based on the excitation signal are acquired from the MEMS resonator.
  • the detection unit that detects the frequency of the excitation signal when the acquired vibration state information signal changes discontinuously, or the time corresponding to the frequency, and the physical quantity that acts on the MEMS resonator based on the detected detection value. It is provided with a physical quantity determination unit for determining.
  • the physical quantity can be determined based on the pulse time width of the pulse signal, which is a binary value representing the two states of the forward direction and the reverse direction in the sweep direction, the time change is sensed over time. Can be done. Further, since the sweep time of the frequency lower than the discontinuity frequency and the frequency higher than the discontinuity point can be omitted, the measurement data per unit time can be increased, that is, the measurement speed can be increased.
  • the resonance type sensor is easy to use.
  • the temperature change ⁇ T can be obtained based on the temperature measured by the thermometer and the detected value. Therefore, in this resonance type sensor, it is possible to perform more accurate infrared power measurement with the MEMS resonator. As a result, this infrared sensor is less susceptible to fluctuations in environmental temperature.
  • the transducer of the MEMS resonator shows a resonance curve as shown in FIGS. 28 to 30 based on the frequency of the excitation signal. There are two major factors that contribute to the change in the shape of the resonance curve, one is the Q value and the second is the temperature.
  • the oscillator 501 has a triangular shape when cut in a plane perpendicular to the length direction.
  • the oscillator 501 performs torsional vibration with a substantially center of gravity of a triangular cross section as the center of rotation.
  • the displacement ⁇ x due to torsional vibration is shown by the broken line in FIG. 1A. It differs from the MEMS resonator 100 shown in FIG. 27A in that the cross-sectional shape of the vibrator 501 supported by the vibrator support portion 501s is triangular.
  • a configuration of the MEMS resonator 500 (a configuration of a resonator in which the vibrator excites by electrostatic force and outputs a current due to a capacitance change due to vibration) is easy to configure by a semiconductor process and can be integrated into an integrated circuit. It is suitable and is advantageous in that a sensor and a sensor signal processing system can be highly integrated.
  • the gap between the oscillator 501 and each of the electrodes 502 and 503 is 190 (nm).
  • the signal processing unit 411 has a discontinuity point detection unit 412 and a conversion unit 415.
  • the discontinuity detection unit 412 acquires a vibration state information signal, which is a feature amount representing the vibration state of the vibrator 501, from the MEMS resonator 500 in sweeping, and excites the acquired vibration state information signal when it changes discontinuously. Detect the frequency of the signal.
  • the discontinuity detection unit 412 is an example of the detection unit.
  • the discontinuity detection unit 412 includes a detector 413 and a threshold value detection unit 414.
  • the gate signal of (4) in FIG. 4A is a pulse width modulation signal related to temperature information, it has a high affinity with a digital signal processing circuit.
  • the demodulation method is not limited to the method of counting the number of counter pulses, and may be a method of passing a pulse width modulation signal through an analog integrating circuit and reading the integrated value for each period T.
  • Figure 5B is a diagram showing the relationship between the temperature and the difference frequency f H -f L of two discontinuities frequencies.
  • the temperature is calculated from the difference frequency f H ⁇ f L measured by the triangular wave sweep. This advantage is obtained even when the frequencies f 1 and f 2 at the start of sweeping the excitation signal in FIG. 5A change to the frequency f 1 + ⁇ and the frequency f 2 + ⁇ including an error ⁇ due to the influence of fluctuations and the like.
  • the count value N L also increases by the same amount, so that N H ⁇ N L can be maintained at a constant value.
  • the sweep start signal of FIG. 6 (3) emitted from the controller 416 is triggered (indicated by an arrow), and the frequency sweep of the excitation signal of FIG. 6 (2) is from frequency f 1 to frequency f 2 (f).
  • the sweep direction control signal (and gate signal) of a in FIG. 6 (4) is reset to the upward sweep.
  • the sweep direction control signal (cum-gate signal) in FIG. 6 is a pulse frequency modulation (PFM) signal related to temperature information, it has a high affinity with a digital signal processing circuit.
  • PFM pulse frequency modulation
  • This PFM signal is similar to PWM because the pulse width also contains temperature information, and the demodulation method can be applied to the method of counting the number of counter pulses, but it is not limited to that, and the pulse width is also available.
  • This method also has the same effect as described above.
  • the discontinuity detection unit 412 has the frequency at which the vibration state information signal changes discontinuously in the sweep, and the vibration state information in the sweep in the direction opposite to the sweep direction.
  • the difference (difference frequency) between at least two frequencies of the excitation signal including the frequency at which the signal changes discontinuously is used as the detection value.
  • the influence of the error can be suppressed by calculating the difference between the two frequencies. That is, since the physical quantity is determined by using the difference frequency, which is the difference between the two frequencies, as the detection value, it is less likely to be affected by the resonance frequency shift due to the fluctuation of the environmental temperature. Therefore, in this temperature sensor 400, more accurate sensing can be performed by the MEMS resonator 500.
  • the temperature sensor 400 can detect the vibration amplitude of the vibrator 501.
  • the resonance type sensor is a pressure sensor that measures the gas pressure in the atmosphere using the MEMS resonator 500x as shown in FIG.
  • the pressure sensor is an example of a resonance type sensor.
  • the vibration of the transducer 501x of the MEMS resonator 500x in the atmosphere is damped by the viscosity of the atmosphere. Therefore, the vibration amplitude and the vibration velocity of the vibrator 501x depend on the pressure of the atmosphere. More specifically, the Q value representing the resonance sharpness of the MEMS resonator 500x has a relationship of approximately Q ⁇ (1 / Pi) with respect to the gas pressure Pi around the oscillator 501x of FIG. Further, the resonance amplitude X in the linear resonance region has a relationship of X ⁇ Q.
  • the transducer 501x, electrodes 502x and 503x of the MEMS resonator 500x are arranged in a closed space 507x formed by the partition wall layer 504x and the diaphragm 505x.
  • the oscillator 501x, the electrodes 502x, 503x, the partition wall layer 504x, and the diaphragm 505x are arranged on the silicon substrate 510x.
  • the oscillator 501x is surrounded by a gas having a pressure gradually equal to the pressure acting on the MEMS resonator 500x by the partition layer 504x and the diaphragm 505x.
  • the pressure Pi of this closed space 507x is kept constant.
  • the vibrator 501x is in a state where it can resonate with a high Q value without receiving the viscous resistance of the gas.
  • the MEMS resonator 500x is an electrostatically driven type, it is easy to exhibit the non-linear resonance characteristic shown in FIG. 29 due to the effect of the capacity bifaction.
  • the partition layer 504x and the diaphragm 505x are made of Si-based, Ge-based or SiGe-based, or their oxide film and nitride film as a material, the thin film functions as a molecular "sieving".
  • thermometer 508x illustrates a form in which a thermometer 508x is mounted in the vicinity of the MEMS resonator 500x on the mounting substrate of the MEMS resonator 500x.
  • the thermometer 508x includes a PN diode type, a thermocouple type, a pyroelectric type, and the like, but the method for sensing the temperature is not limited.
  • the atmospheric pressure P is depressurized by a vacuum pump to sufficiently reduce the hydrogen partial pressure, and then the residual hydrogen gas in the closed space 507x is sufficiently exhausted. do.
  • the pressure sensor is driven in a non-linear resonance region in a constant temperature bath capable of temperature control, and acquires the relationship between the temperature indicated by the thermometer 508x and the obtained discontinuity frequency.
  • the value of the difference frequency f H- f L is the value marked with a star in the figure even though the thermometer indicates a certain temperature T 1. If it is shown, it indicates that the value marked with a star is lower than the reference graph. In this case, it is shown that hydrogen gas permeates from the outside of the MEMS resonator 500x into the closed space 507x, which deteriorates the Q value of the vibrator 501x. That is, the deviation amount ⁇ of the measured value of the difference frequency f H ⁇ f L from the reference curve indicates the partial pressure of hydrogen gas in the closed space 507x.
  • the deviation amount ⁇ from the reference curve starts to decrease in the negative direction from the time t1. This is because 200 ppm of hydrogen in the atmosphere gradually permeated into the closed space 507x, and the hydrogen gas began to interfere with the vibration of the vibrator 501x, so that the Q value decreased. This decrease in Q value is detected as the difference frequency f H ⁇ f L of the two discontinuity frequencies in the non-linear resonance region. From time t2, the rate of decrease of the deviation amount ⁇ from the reference curve is increasing. This is because the amount of hydrogen gas in the atmosphere increased to 1000 ppm, and the amount of hydrogen permeated into the closed space 507x increased per unit time.
  • the amount of deviation ⁇ from the reference curve did not reach the saturation value within the measurement time regardless of whether the hydrogen in the atmosphere was 200 ppm or 1000 ppm. It is considered that this is because the partial pressure of hydrogen gas in the closed space 507x and the partial pressure of hydrogen gas in the atmosphere do not reach equilibrium within the measurement time. Therefore, the vertical axis of FIG. 10A does not show the hydrogen gas partial pressure in the atmosphere, but shows the hydrogen gas partial pressure in the closed space 507x.
  • the measurement time may be sufficiently long, or the dimensions of the partition layer 504x and the diaphragm 505x may be adjusted so that hydrogen gas can easily permeate the closed space 507x. Then, it may be designed so that the permeation path of hydrogen gas is shortened.
  • the MEMS resonator 500x itself may be used as a temperature sensor without adding the thermometer 508x to the MEMS resonator 500x.
  • the temperature sensor of the first embodiment showed that available discontinuities frequency f H derived from the upper sweep of the excitation frequency according to the sawtooth wave as temperature information.
  • the discontinuity frequency f H is close to the resonance frequency f 0 of the MEMS resonator 500x, and the discontinuity frequency f H shifts in the same manner as the resonance frequency f 0 shifts with the temperature change.
  • the discontinuity frequency f H is not easily affected by changes in the Q value (changes due to temperature, other changes due to ambient gas pressure, etc.). Therefore, the discontinuity frequency f H can be regarded as having only temperature information.
  • the gap between the electrode 503x and the oscillator 501x becomes narrower or wider, and the degree of non-linearity of the resonance vibration of the oscillator 501x changes.
  • the amount of deflection of the electrodes 502x and 503x shows a certain correspondence with the amount of deflection of the diaphragm 505x.
  • the frequency-swept excitation signal is not limited to the digital PLL synthesizer, but may be an analog voltage controlled oscillator (VCO).
  • VCO voltage controlled oscillator
  • an oscillator capable of accurately taking a constant value in the frequency sweep speed (df / dt) is desirable.
  • the basic configuration of the MEMS resonator 500x5 of the present embodiment is the same as the basic configuration of the MEMS resonator 500x4 of FIG. 16 according to the second, fourth, and the like, the present embodiment is used.
  • the description of the basic configuration of the MEMS resonator 500x5 will be omitted as appropriate.
  • the MEMS resonator 500x5 of the present embodiment is different from the MEMS resonator of the second embodiment in that infrared rays are used.
  • the MEMS resonator 500x5 of the present embodiment is different from the MEMS resonator of the fourth embodiment in that the thermometer 508x is not provided as shown in FIG. 32.
  • thermometer 508x and the transducer 501x of the MEMS resonator 500x4 are separated from each other, it may be difficult to distinguish between the temperature change due to infrared rays and the temperature change due to a mere change in the ambient temperature.
  • the temperature on both ends of the oscillator 501x is regarded as the environmental temperature. This is because when the environmental temperature changes, the temperature changes from both ends of the oscillator 501x via the silicon substrate 510x as described above, so the temperature on both ends of the oscillator 501x is regarded as the environmental temperature.
  • the temperature on both ends of the oscillator 501x is the temperature of one end of the oscillator 501x and the other end of the oscillator 501x, or the temperature of one oscillator support 501x1 and the other oscillator support 501x1. Is.
  • one end of the oscillator 501x does not vibrate by being connected to one of the oscillator support portions 501x1. Further, the other end portion of the oscillator 501x is also connected to the other oscillator support portion 501x1 so as not to vibrate. The oscillator 501x vibrates except for the portion connected to the oscillator support portion 501x1.
  • the oscillator 501x is not irradiated with infrared rays, and the temperature distribution of the oscillator 501x is uniform and has the same value as the environmental temperature.
  • the resonance frequency of the vibrator 501x is 20.66467 MHz.
  • the spring constant of the vibrator 501x changes by -40.6 ppm as compared with the case of the vibrator 501x having a uniform temperature distribution at an environmental temperature of 24.00 ° C.
  • FIG. 36 is a diagram showing the relationship between the change in the resonance frequency and the average temperature of the vibrator 501x.
  • the vertical axis of FIG. 36 is the change in resonance frequency, and the horizontal axis is the average temperature of the vibrator 501x.
  • the thick solid line in FIG. 36 shows a reference line (an example of a reference value regarding temperature) when there is no heat radiation (for example, when there is no infrared irradiation).
  • the solid line of the circle shows the case where there is heat radiation when the environmental temperature is 24.0 °.
  • the solid line of the triangulation point shows the case where there is heat radiation when the environmental temperature is 24.5 °.
  • the temperature of the vibrator 501x becomes uniform to the same value as the environmental temperature of 24.79 ° C., and the resonance frequency is 20. It corresponds to the state of .66467 MHz. Even when the resonance frequency of the above-mentioned oscillator 501x is the same at 20.66467 MHz, the average temperature of the oscillator 501x is reached by the solid line of the round point, the solid line of the triangulation point, and the solid line of the square point with respect to the point R1 on the reference line. There is a difference ⁇ T.
  • the point R2 on the solid line of the round point has a difference ⁇ T in the average temperature of the vibrator 501x with respect to the point R1 on the reference line.
  • both ends of the oscillator 501x have an environmental temperature of 24.00 ° C., and the temperature at the center of the length of the oscillator 501x rises to 25.58 ° C. due to infrared irradiation. Corresponds to the state of being.
  • Dashed line the difference -100nW / um 3 with respect to the reference line, shows -50nW / um 3, 50nW / um 3, 100nW / um 3, 150nW / um 3, 200nW / um 3.
  • the broken line above the reference line indicates the case where the temperature of the oscillator 501x has decreased
  • the broken line below the reference line indicates the case where the temperature of the oscillator 501x has increased.
  • the circled dots indicate the case where there is heat radiation when the environmental temperature is 24.0 ° (for example, when there is infrared irradiation).
  • the triangulation points indicate the case where there is heat radiation when the environmental temperature is 24.5 °.
  • the square points indicate the case where there is heat radiation when the environmental temperature is 25.0 °.
  • the infrared detection sensitivity may be improved by resonating with the bias voltage Vp between the transducer 501x of the MEMS resonator 500x5 and the electrode (how to apply the bias voltage is described in FIG. 20) as a larger value.
  • Vp bias voltage
  • the MEMS resonator 500x5 is a capacitance type MEMS resonator. Then, the physical quantity determination unit (conversion unit 415) obtains the temperature change ⁇ T based on the reference value (included in the reference line) and the detected value regarding the temperature, and obtains the infrared power as the physical quantity based on the obtained temperature change ⁇ T. decide.
  • the vibrator of the resonance type sensor is not limited to the double-sided beam.
  • the oscillator may have various forms such as a cantilever type, a disk type, a ring type, and a square type. Any of these forms of oscillator may be used as the oscillator of the MEMS resonator of the resonance type sensor.
  • the vibration mode excited by the transducer of the MEMS resonator by the input of the excitation signal may be any vibration mode such as a deflection vibration mode and a torsional vibration mode.
  • the method for manufacturing the MEMS resonator is not limited to the method using the SOI substrate.
  • the vibration state information signal is not limited to the signal derived from the displacement current flowing with the change in capacitance.
  • FIG. 21 is a diagram showing an output example of a vibration state information signal (vibration speed information signal).
  • the vibration speed of the vibrator 501 is optically detected, and the signal of the vibration speed information of the vibrator 501 is output as the vibration state information.
  • a Doppler interferometer 418 (speedometer) is further provided to detect the vibration speed of the vibrator 501.
  • the detected vibration velocity information is output from the Doppler interference meter 418 to the signal processing unit 411 as a vibration state information signal (vibration velocity information signal).
  • the vibration state information signal may be information regarding the deflection of the vibrator 501.
  • the resonant sensor of FIG. 22 includes a laser light source 419.
  • the laser light source 419 irradiates the oscillator 501 of the MEMS resonator 500 with laser light, receives the reflected laser light with the quadruple photodiode, and detects the deflection angle of the oscillator 501.
  • the degree of deflection (deflection angle) of the vibrator 501 is detected by a 4-split photodiode, and the detected deflection angle information is output to the signal processing unit 411 as a vibration state information signal (deflection angle information signal). Will be done.
  • the number of divisions of the photodiode for detecting the deflection angle of the oscillator is not limited to 4, and may be 3 or less or 5 or more.
  • a photodiode divided into an arbitrary number can be used as a photodiode for detecting the deflection angle of the vibrator.
  • the vibration state information signal to be input to the signal processing unit is not limited to the amplitude information signal of the vibrator.
  • the vibration state information signal may include information that well reflects the characteristics of the vibration motion of the vibrator (vibration amplitude, speed, etc.).
  • the resonance type sensor according to the above-described first to fifth embodiments described above, not only the non-linear phenomenon caused by the capacity bifaction showing the resonance characteristic as shown in the resonance characteristic 121 of FIG. 29 but also the non-linear phenomenon of FIG. 30 is shown. It is also effective for non-linear phenomena caused by mechanical bifaction showing resonance characteristics such as resonance characteristics 131.
  • the discontinuity frequency f H may be read as f L
  • the discontinuity frequency f L may be read as f H.
  • Mechanical vibration is a phenomenon in which the resonance curve is tilted toward a higher frequency as shown in the resonance characteristic 131 of FIG. 30 due to the non-linearity of the spring property of the vibrator.
  • the non-linearity of the spring property of the oscillator is a phenomenon that occurs when the vibration amplitude is relatively large.
  • the electrodes are arranged to face the vibrator so as to inhibit vibration, such as the capacitive MEMS resonators 100 and 500 shown in FIGS. 27A and 1B, the non-linear effect due to the capacity bifaction is exhibited.
  • the non-linearity shown in FIG. 30 is generally unlikely to occur because it outweighs the non-linear effect of mechanical vibration.
  • FIG. 23 is a perspective view showing the configuration of the non-capacitance type MEMS resonator 800.
  • a non-capacitance type MEMS resonator 800 (non-capacitive type MEMS resonator) is used to generate mechanical bifacation.
  • the number of divisions of the photodiode 804 for detecting the deflection angle of the cantilever 801 is not limited to 4, and may be 3 or less or 5 or more.
  • the photodiode divided into an arbitrary number can be used as a photodiode 804 for detecting the deflection angle of the cantilever beam 801.
  • the resonance characteristic is curved to the right side (to the high frequency side) as in the resonance characteristic 131 of FIG.
  • the MEMS resonator 800 is a non-capacitive type MEMS resonator.
  • the frequencies f H and the frequencies f L which are two frequencies that change discontinuously in the vibration state information signal, are higher than the resonance frequency f 0 of the oscillator.
  • the non-capacitance type MEMS resonator can be used to perform more accurate sensing.
  • photoexcitation due to a photothermal effect can also be used.
  • the spot portion of the oscillator is heated and strain is generated, so that the oscillator can be excited.
  • the fluid pressure and pressing pressure sensors as the resonance type sensor according to the third embodiment described above are configured to detect the force that changes the gap between the vibrator and the electrode. It is not limited to the sensor method that detects the force acting on the electrode side, but is also effective in the method of applying a force to the transducer side and reading the force.
  • the capacitance type MEMS resonator 500 of FIG. 1B can be connected as shown in FIG. 1A to detect the Coriolis force.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram of the Coriolis force applied to the vibrator. In FIG.
  • the physical quantity determining unit obtains a Coriolis force orthogonal to both the torsional vibration mode by sweep and the velocity based on the detected value, and determines the velocity as the physical quantity based on the obtained Coriolis force. Also in this case, the same action and effect as described above are obtained.

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Abstract

温度センサ（４００）は、ＭＥＭＳ共振器（５００）を用いた温度センサ（４００）であって、ＭＥＭＳ共振器（５００）と、所定の掃引方向に沿ってＭＥＭＳ共振器（５００）の振動子（５０１）の励振信号の周波数を掃引し、掃引された励振信号をＭＥＭＳ共振器（５００）へ出力する掃引部（４０１）と、ＭＥＭＳ共振器（５００）から励振信号に基づく振動子（５０１）の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出する不連続点検出部（４１２）と、検出した検出値に基づいてＭＥＭＳ共振器（５００）に作用する物理量を決定する変換部（４１５）と、を備える。

Description

ＭＥＭＳ共振器を用いた共振型センサおよび共振型センサの検出方法
　本開示は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）共振器を用いた共振型センサおよび共振型センサの検出方法の検出信号処理に関する。
　従来では、微小機械振動子を用いたメカニカル共振器（微小機械共振器、または、ＭＥＭＳ共振器）が知られている（特許文献１－３）。
　図２７Ａおよび図２７Ｂは、従来のＭＥＭＳ共振器１００の構成例を示す図である。このＭＥＭＳ共振器１００は、いわゆる静電容量型のＭＥＭＳ共振器である。図２７Ａは、ＭＥＭＳ共振器１００の斜視図であり、図２７Ｂは、図２７Ａにおける線分Ａ－Ａ’に沿ったＭＥＭＳ共振器１００の側方断面図である。なお、図２７Ｂでは、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ）層１０４およびシリコン基板１０５は省略され、ＭＥＭＳ共振器１００に入力される電圧Ｖｉ、出力する電流Ｉｏ、振動子１０１に印加されるバイアス電圧Ｖｐ、振動子１０１の振動の方向等が併せて示されている。
　ＭＥＭＳ共振器１００は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて作製可能である。その場合、ＳＯＩ基板の最上層のＳｉから、梁型の振動子１０１と、入力電極１０２と、出力電極１０３と、が形成される。また、振動子１０１の下方にあったＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ）層１０４はエッチングにより除去されており、振動子１０１は残存するＢＯＸ層１０４上の振動子支持部１０１ｓによって振動可能に保持される。振動子１０１は、入力電極１０２および出力電極１０３とともに、残存するＢＯＸ層１０４によってシリコン基板１０５に繋留される。
　振動子１０１の振動機構について、図２７Ｂを参照しながら説明する。振動子１０１は、入力電極１０２および出力電極１０３それぞれと空隙（ギャップ）ｇｉおよびｇｏを介して対向するように配置され、入力電極１０２および出力電極１０３に対し直流電位差が与えられるように、バイアス電圧Ｖｐが印加される。入力電極１０２に交流入力電圧（ＡＣ電圧）Ｖｉが印加されると、振動子１０１と入力電極１０２との間の電位差が交流入力電圧Ｖｉに従って変動し、振動子１０１に対し静電力に由来した励振力が作用する。交流入力電圧Ｖｉの周波数が振動子１０１の機械的共振周波数と一致する場合には、振動子１０１は、振動方向１０６に沿って特に大きく振動する（共振する）。そのとき、ギャップｇｏが形成する容量Ｃｏから出力電極１０３へ変位電流Ｉｏが流れる。
　ＭＥＭＳ共振器１００の用途には、ある特定の周波数、すなわち振動子の共振周波数近傍のみで入出力電極間の電気通過特性が向上することを利用したフィルタ回路および温度によって振動子の共振周波数がシフトすることを利用した温度センサ、振動子に加わる応力によってその共振周波数がシフトすることを利用した圧力センサ、振動子への微量な付着物によって振動子の共振周波数がシフトすることを利用した質量センサなどがある。
　非特許文献１は、ＭＥＭＳ共振器を用いた圧力センサの実現可能性を示唆する。同文献によれば、ＭＥＭＳ共振器の振動子の振動運動（例えば、共振運動）は、振動子周囲の雰囲気の圧力に応じてその特性（例えば、振動運動の振幅の大きさおよびＱ値）が変化する。具体的には、ＭＥＭＳ共振器の、共振運動する振動子の運動エネルギあるいは運動量は、振動子を取り囲む雰囲気が示す粘性により散逸し、その散逸の程度は、雰囲気の圧力に応じて異なる。そのため、共振周波数で共振している振動子の振幅は、雰囲気の圧力に依存して変化する。よって、共振周波数近傍で振動するＭＥＭＳ共振器の振動子の振幅およびそのＱ値といった量は、雰囲気の圧力とよく対応する。従って、雰囲気中で共振するＭＥＭＳ共振器の振動子の振幅あるいはＱ値を検出することにより、雰囲気の圧力を測定することが可能である。例えば、非特許文献１のＦｉｇ．４には、ＭＥＭＳ共振器のＱ値と雰囲気圧力との対応関係が示されている。
　また、非特許文献２は、ＭＥＭＳ共振器の振動子が比較的大きな振幅で振動する場合に現れる、ＭＥＭＳ共振器の非線形的なふるまいについて論じている。一般に、ＭＥＭＳ共振器１００の振動子１０１の振動振幅が十分に小さい場合には、非線形効果の影響は無視できる程度に小さく（線形領域）、入力電圧Ｖｉの周波数を掃引して得られる共振特性は、図２８の共振特性１１１のように、振動子１０１の共振周波数ｆ０でのピークを中心に左右対称なプロファイルを描き、掃引の方向の違いによるヒステリシスは見られない。しかしながら、振動子のＱ値が増加して、その振動振幅が或る程度以上の大きさになると（非線形領域に入ると）、図２９および図３０に示されるように、共振特性（たとえば、共振特性１２１および１３１）に非線形性が顕著に現れる。例えば、静電容量型であるＭＥＭＳ共振器１００の振動子１０１が非線形領域において振動運動する場合、その共振特性は、周波数掃引方向の違いによりヒステリシス（１２３および１２５）を持つようになり、振動振幅は、共振周波数ｆ０において明確なピークを示さなくなる。
　非特許文献２によれば、このような非線形現象は、２種類の非線形効果に起因して生じる。１つ目の非線形効果は、振動子１０１の振動振幅が大きい場合に、入力電極１０２および出力電極１０３が振動子１０１を過度に引き込もうとする効果（キャパシティブ・バイファケーション、Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ）であり、２つ目の非線形効果は、振動子１０１の振動振幅の増大に伴って振動子１０１の剛性が増大することによる効果（メカニカル・バイファケーション、Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ）である。これら２種類の非線形効果は、ＭＥＭＳ共振器１００の構造により、いずれか一方のみが生じる場合もあれば、同時に生じる場合もある。
　図２９は、キャパシティブ・バイファケーションが顕著な場合のＭＥＭＳ共振器１００の共振特性１２１の例である。この場合、共振特性は、左側に（低周波数側に）倒れ込むように湾曲し、周波数掃引方向の違いによりヒステリシス（矢印１２３および１２５）を示すようになり、振動振幅のピークは、共振周波数ｆ０よりも低周波数側へシフトする。
　図３０は、メカニカル・バイファケーションが顕著に現れた場合のＭＥＭＳ共振器１００の共振特性１３１の例である。この場合、共振特性は、右側に（高周波数側に）倒れ込むように湾曲し、周波数掃引方向の違いによりヒステリシス（矢印１３３および１３５）を示すようになり、振動振幅のピークは、共振周波数ｆ０よりも高周波数側へシフトする。
国際公開第２００６／０７５７１７号 特開平２－２６９９２８号公報 特許第５３６７９２５号公報
Ｏ・ポール、Ｏ・ブランド、Ｒ・レンゲンヘイガー、Ｈ・バルテス（Ｏ．Ｐａｕｌ，　Ｏ．　Ｂｒａｎｄ，　Ｒ．　Ｌｅｎｇｇｅｎｈａｇｅｒ，　ａｎｄ　Ｈ．　Ｂａｌｔｅｓ）、バキューム・ゲージング・ウィズ・コンプリメンタリー・メタル－オキサイド－セミコンダクタ・マイクロセンサ（Ｖａｃｕｕｍ　ｇａｕｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ）、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ、Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９９５年Ｍａｙ／Ｊｕｎ、１３（３）、ｐ．５０３－５０８ Ｎ・アガルワル、Ｋ・パーク、Ｒ・キャンドラー、Ｍ・ホプクロフト、Ｃ・シャ、Ｒ・メラムード、Ｂ・キム、Ｂ・ムルマン、Ｔ・Ｗ・ケニー（Ｎ．　Ａｇａｒｗａｌ，　Ｋ．Ｐａｒｋ，　Ｒ．　Ｃａｎｄｌｅｒ，　Ｍ．　Ｈｏｐｃｒｏｆｔ，　Ｃ．　Ｊｈａ，　Ｒ．　Ｍｅｌａｍｕｄ，　Ｂ．　Ｋｉｍ，　Ｂ．　Ｍｕｒｍａｎｎ，　ａｎｄ　Ｔ．　Ｗ．　Ｋｅｎｎｙ）、ノン－リニアリティ・キャンセレーション・イン・ＭＥＭＳレゾネータ・フォー・インプルーブド・パワー・ハンドリング（Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＭＥＭＳ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ　ｆｏｒ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｐｏｗｅｒ－Ｈａｎｄｌｉｎｇ）、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ＤｅＶｉｃｅｓ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　２００５　ＩＥＤＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ、ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、ｐ．２８６－２８９
　例えば、図２７Ａおよび図２７Ｂに示されるような、交流入力電圧Ｖｉに応じて変化する静電力が振動子１０１に作用することで振動子１０１を励振するＭＥＭＳ共振器１００（静電容量型のＭＥＭＳ共振器）においては、概して、振動子１０１の振動振幅がギャップｇｏおよびｇｉの大きさの１／３以上になると、キャパシティブ・バイファケーションの効果による非線形性が顕著に現れる。いわゆる、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の振動子１０１の振動運動では、その振動振幅がギャップｇｏおよびｇｉの大きさの１／３を越えるあたりで非線形性が顕著になり、その共振特性は、図２９に示すような左右非対称で掃引方向にヒステリシスを持った共振特性１２１になる。図２８の線形領域の振動振幅に比べてより大きな振動振幅が得られるので、振動に伴って生じる電気信号のＳ／Ｎは良化する。
　しかし一方で、共振周波数ｆ０近傍における振動子１０１の振動振幅は、明確なピークを示さなくなり、共振周波数近傍で自励発振させて発振周波数をセンシング量と紐づける原理を利用するセンサでは、発振周波数がノイズに影響されやすく、発振周波数の品質にかかわる位相ノイズが問題となる。また、共振周波数ｆ０に近い、または、等しい固定周波数の励振信号を印加する原理を利用するセンサでは、図３１に示すように、Ｑ値がＱ１からＱ２に増大しても共振波形はより左に傾きを伸ばすだけで、その固定周波数での振動振幅の変化は小さく、Ｑ値の変化を検知することが難しくなる。そのため、ＭＥＭＳ共振器１００に所定の周波数（例えば、共振周波数ｆ０近傍の周波数）の交流入力電圧を与えてＭＥＭＳ共振器１００からの出力に基づいて雰囲気の圧力を測定するような従来の圧力センサでは、ＭＥＭＳ共振器１００の振動子１０１が非線形領域で振動するような雰囲気圧力下での圧力測定は極めて困難である。それ故に、従来の圧力センサでは、測定可能な圧力の範囲は、振動子１０１が線形領域で振動する範囲、例えば、共振状態にある振動子１０１の振動振幅がギャップｇｏおよびｇｉの大きさの１／３を越えない範囲に限られていた。線形領域では非線形領域に比べて振動子１０１の振動振幅が小さく、これに伴うＭＥＭＳ共振器１００の出力信号は小さく、大きな消費電力を必要とする高利得の信号増幅器が必要となる。
　そこで、振動子の振動振幅がギャップｇｏおよびｇｉの大きさの１／３を越えるような場合、ＭＥＭＳ共振器の振動子を非線形領域で動作させるセンサが提案されている。
　特許文献２では、振動子を非線形振動領域で振動子の固有振動数で自励発振させる自励発振回路と、振動子の固有振動数をカウントするカウンタと、線形領域での固有振動数に対する測定固有振動数のずれ量から真空度を演算検出する演算回路と、を具備してなる真空計が開示されている。特許文献２では、位相ノイズの課題についての言及はないが、非線形領域において大振幅で発振させるので、Ｓ／Ｎが改善された真空計を構成している。しかし、特許文献２では、ＭＥＭＳ共振器で重要な課題である、『温度変化による共振周波数シフト』への対策は開示されていない。特許文献２の真空計は、真空度に応じてＱ値が変化し、非線形共振波形上における発振点（発振条件を満たす点）が移動し、それに応じて発生した発振周波数のシフトを検出する原理である。しかしこの真空計では、真空度にかかわらずシリコン振動子の温度が環境温度に伴って変化すると、シリコンの弾性率が持つ温度特性に従って、共振周波数も変化すなわち発振周波数も変化する。この共振周波数の温度特性を考慮しなければ、誤った真空度を算出することがある。シリコンの場合、ＴＣｆ（共振周波数の温度係数）は、おおよそ－２０～－３０ｐｐｍ／℃である。すなわちこの真空計は、温度計が示す温度と発振周波数と真空度との３者の関係を記述するテーブルを予め持つことが必須となる。
　特許文献３のＭＥＭＳ共振器センサは、特許文献２と同様に非線形領域の共振を用いている。しかし、このＭＥＭＳ共振器センサでは、自励発振はさせずに励振信号の周波数を一方向に掃引しながらＭＥＭＳ共振器の出力信号を加算（もしくは積分）した値をセンサ信号としている。
　しかしながら、従来では、ＭＥＭＳ共振器での高精度のセンシングを実現できない場合がある。
　そこで、本開示は、ＭＥＭＳ共振器での高精度なセンシングを行うことができる共振型センサおよび共振型センサの検出方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示の一態様に係る共振型センサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）共振器を用いた共振型センサであって、ＭＥＭＳ共振器と、所定の掃引方向に沿って前記ＭＥＭＳ共振器の振動子の励振信号の周波数を掃引し、掃引された前記励振信号を前記ＭＥＭＳ共振器へ出力する掃引部と、前記ＭＥＭＳ共振器から前記励振信号に基づく前記振動子の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した前記振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出する検出部と、前記検出した検出値に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する物理量決定部と、を備える。
　なお、これらの包括的または具体的な態様は、無人航空機、格納装置、１つまたは複数のスラスタ装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なＣＤ－ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、それらの任意な組み合わせで実現されてもよい。
　本開示によれば、ＭＥＭＳ共振器での高精度なセンシングを行うことができる。
図１Ａは、ＭＥＭＳ共振器を有する温度センサの配線図である。 図１Ｂは、両持ち梁三角断面シリコン振動子を用いたＭＥＭＳ共振器の斜視図である。 図２は、ＭＥＭＳ共振器を用いた温度センサの構成を示すブロック図である。 図３Ａは、励振信号の上方周波数掃引に伴う静電容量型のＭＥＭＳ共振器の動作を示すタイミング図である。 図３Ｂは、温度と不連続点周波数ｆＨとの関係を示す図である。 図３Ｃは、温度と不連続点での検波信号強度との関係を示す図である。 図４Ａは、励振信号の下方周波数掃引に伴う静電容量型のＭＥＭＳ共振器の動作を示すタイミング図である。 図４Ｂは、温度と不連続点周波数ｆＬの関係を示す図である。 図４Ｃは、温度と検波信号強度のピーク値との関係を示す図である。 図５Ａは、三角波による励振信号の周波数掃引に伴う静電容量型のＭＥＭＳ共振器の動作を示すタイミング図である。 図５Ｂは、温度と２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。 図６は、不連続点検出のタイミングで周波数掃引方向を切り替える場合の静電容量型のＭＥＭＳ共振器の動作を示すタイミング図である。 図７は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図８Ａは、温度計を同一チップ内に配した静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図８Ｂは、温度計を同一実装基板上に配した静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図９は、ＭＥＭＳ共振器の温度と２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。 図１０Ａは、水素ガス濃度の変化と、差分周波数ｆＨ－ｆＬとの経時変化（温度センサを熱電対とした場合）を示す図である。 図１０Ｂは、水素ガス濃度の変化と、差分周波数ｆＨ－ｆＬの経時変化（温度情報として不連続点周波数ｆＨを利用した場合）とを示す図である。 図１１は、不連続点周波数ｆＨを温度情報としたときの、ｆＨと差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。 図１２は、測定レンジ切り替え機能を有するＭＥＭＳ共振器を用いた圧力センサの構成を示すブロック図である。 図１３は、励振信号強度Ｖｉと差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。 図１４は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図１５は、押圧および流体圧によりギャップが変化したときの差分周波数ｆＨ－ｆＬの変化を示す図である。 図１６は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図１７は、ＭＥＭＳ共振器の温度と２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。 図１８は、実施の形態４の変形例１における赤外線センサアレイの構成を示すブロック図、および、記号化された静電容量型のＭＥＭＳ共振器の説明図である。 図１９は、実施の形態４の変形例２における赤外線センサアレイの別の構成を示すブロック図である。 図２０は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の電気的接続方法を示す図である。 図２１は、振動状態情報信号（振動速度情報信号）の出力例を示す図である。 図２２は、振動状態情報信号（たわみ角度情報信号）の出力例を示す図である。 図２３は、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器の構成を示す斜視図である。 図２４は、振動子に加わるコリオリ力の説明図である。 図２５は、同期検波を用いる静電容量型のＭＥＭＳ共振器の構成を示すブロック図である。 図２６は、同期検波によって得られた振動子の振幅情報、位相情報、および、不連続点を示す図である。 図２７Ａは、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の構成を示す斜視図である。 図２７Ｂは、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図２８は、線形領域における共振特性を示すグラフである。 図２９は、非線形領域において現れる共振特性およびヒステリシスを示す図である。 図３０は、非線形領域において現れる共振特性およびヒステリシスを示す図である。 図３１は、Ｑ値が異なる場合の非線形領域における共振特性を示す図である。 図３２は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器の断面図である。 図３３は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器と、その振動子における温度分布を示す図である。 図３４は、環境温度情報と、差分周波数との関係を示す図である。 図３５は、振動子の温度を一様にした場合と、振動子に赤外線を照射した場合とを示す図である。 図３６は、共振周波数の変化と、振動子の平均温度との関係を示す図である。 図３７は、バネ定数と、共振周波数の変化との関係を示す図である。
　本開示の一態様に係る共振型センサは、ＭＥＭＳ共振器を用いた共振型センサであって、ＭＥＭＳ共振器と、所定の掃引方向に沿って前記ＭＥＭＳ共振器の振動子の励振信号の周波数を掃引し、掃引された前記励振信号を前記ＭＥＭＳ共振器へ出力する掃引部と、前記ＭＥＭＳ共振器から前記励振信号に基づく前記振動子の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した前記振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出する検出部と、前記検出した検出値に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する物理量決定部と、を備える。
　共振型センサは、振動状態情報信号が不連続に変化するときの掃引周波数に基づいてＭＥＭＳ共振器に作用する圧力、力等の物理量を決定することができる。このため、周波数掃引の開始時刻と不連続が生じた時刻との時間差および複数の不連続が生じる各時刻の時間差など、時間軸上にセンシング情報を投影することができる。振動状態情報信号の不連続性は、閾値などを設けることで信号強度の急激な変化を検出することができる。このため、信号強度にノイズが重畳しても、不連続を示す時刻は、重畳ノイズに対して確実に検出できる。例えば、ＡＭラジオ放送よりもＦＭラジオ放送のほうが受信して復調した音質が優れるという効果と同一であると考えられる。また、パルス状検出信号は、デジタル信号処理との親和性が高いという副次的効果も得られる。
　従って、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器での高精度なセンシングを行うことができる。
　特に、非線形領域の共振を用いることで、線形共振では得られない大振幅を励起してセンシング量の検出値のＳ／Ｎを改善することができる。さらには、周波数を掃引することで、非線形共振波形の倒れこむ度合いを時間軸から得ることができる。これにより、検出値の強度ではなく、それを時間軸に投影した例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）信号として取り出すことで、信号強度に重畳するノイズに対して堅牢となり、より微量な共振状態の変化をも検出可能とする。ＰＷＭ信号とすれば、デジタル信号として伝送および信号処理として扱い易くなる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサの検出方法において、ＭＥＭＳ共振器を用いた共振型センサの検出方法であって、所定の掃引方向に沿って前記ＭＥＭＳ共振器の振動子の励振信号の周波数を掃引し、掃引された前記励振信号を前記ＭＥＭＳ共振器へ出力することと、前記ＭＥＭＳ共振器から前記励振信号に基づく前記振動子の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した前記振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数を検出することと、前記検出した検出値に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定することと、を含む。
　この方法においても上述と同様の作用効果を奏する。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記検出部は、前記掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、前記掃引方向とは逆方向の掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、を含んだ励振信号の少なくとも２つの周波数の差を検出値とする。
　これによれば、励振信号の少なくとも２つの周波数のそれぞれに誤差が存在していても、２つの周波数の差を算出することで、誤差の影響を抑制することができる。つまり、２つの周波数の差である差分周波数を検出値として物理量を決定するため、環境温度の変動による共振周波数シフトの影響を受け難くなる。このため、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器でのより高精度なセンシングを行うことができる。
　特に、例えば共振周波数シフトの温度特性テーブル等を作成したり、温度特性テーブルを用いた補正をしたりなくてもよくなるため、共振型センサのコストが高騰化し難くなる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記掃引部は、前記掃引における振動状態情報信号の不連続な変化の検出を起点として掃引を逆方向に切り替え、再び振動状態情報信号の不連続な変化の検出を起点として掃引を再度に逆方向に切り替えして戻す動作を繰り返し、前記検出部は、前記掃引方向における順方向および逆方向の２状態を表す２値を有するパルス信号を検出値として出力し、前記物理量決定部は、出力された当該検出値であるパルス信号のパルス時間幅に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する。
　これによれば、掃引方向における順方向および逆方向の２状態を表す２値であるパルス信号のパルス時間幅に基づいて物理量を決定することができるため、経時的な時間変化のセンシングを行うことができる。また、不連続点周波数より低い周波数と不連続点より高い周波数の掃引時間を省くことができるため、単位時間あたりの測定データが増える、すなわち計測の高速化が可能となる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記ＭＥＭＳ共振器は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である第１周波数および第２周波数は、前記振動子の共振周波数よりも低い周波数である。
　これによれば、汎用されているＭＥＭＳ共振器を用いることで、ＭＥＭＳ共振器での高精度なセンシングを行うことができる。このため、共振型センサでは、使い勝手がよい。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記振動子は、前記振動子が配置される空間において、前記ＭＥＭＳ共振器に作用する圧力に漸次的に等しくなる圧力のガスに取り囲まれており、前記物理量決定部は、前記検出値に基づいて前記物理量としての前記ガスの圧力を決定する。
　これによれば、ＭＥＭＳ共振器に対して圧力が加わると、雰囲気の圧力に依存して振動子が所定の振動振幅および速度で振動する。このため、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器でのより高精度な圧力測定を行うことができる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、静電容量型の前記ＭＥＭＳ共振器は、振動子と、当該振動子とギャップを隔てて配置される電極と、静電容量型の前記ＭＥＭＳ共振器に作用する圧力の大きさに応じて前記ギャップの大きさを変化させる伝達部と、を備え、前記物理量決定部は、前記ギャップの大きさに基づいて前記物理量としての圧力を決定する。
　これによれば、ＭＥＭＳ共振器に圧力が加わることで、伝達部は、雰囲気の圧力の変化に応じてギャップの大きさを変化させることができる。ギャップの大きさを変化することで、電極と振動子との間のギャップが狭くなったり広くなったりするため、振動子の共振振動の非線形性の度合いを変化させることができる。このため、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器でのより高精度な圧力測定を行うことができる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記ＭＥＭＳ共振器は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、さらに、前記ＭＥＭＳ共振器に設けられる温度計を備え、前記ＭＥＭＳ共振器は、前記温度計に基づいて自身の温度Ｔを取得し、前記振動子は、赤外線の照射を受けたときの温度Ｔ＋ΔＴを取得し、前記物理量決定部は、前記温度計が計測した温度と前記検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求め、求めた前記温度変化ΔＴに基づいて前記物理量としての赤外線パワーを決定する。
　これによれば、ＭＥＭＳ共振器を取り巻く環境温度（周囲の温度）が変化しても、温度計が計測した温度と検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求めることができる。このため、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器でのより高精度な赤外線パワー測定を行うことができる。その結果、この赤外線センサでは、環境温度の変動による影響を受け難い。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記振動子は、前記掃引部による掃引による振動モードの振動方向と直交する回転速度が印加され、前記物理量決定部は、前記検出値に基づいて掃引による振動モードおよび回転速度の両方に直交するコリオリ力を求め、求めたコリオリ力に基づいて前記物理量としての前記回転速度を決定する。
　これによれば、静電容量型の共振型センサを用いてコリオリ力を求めることができる。このため、コリオリ力から振動子に加わった角速度を換算することで、共振型センサを角速度センサとすることができる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、振動子は、掃引部による掃引によるねじり振動モードの振動方向と直交する速度が印加される。物理量決定部は、検出値に基づいて掃引によるねじり振動モードおよび速度の両方に直交するコリオリ力を求め、求めたコリオリ力に基づいて前記物理量としての前記速度を決定する。
　これにおいても、上述と同様の作用効果を奏する。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動振幅に関する情報を含んだ信号である。
　これによれば、共振型センサは、振動子の振動振幅を検出することができる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動速度に関する情報を含んだ信号である。
　これによれば、共振型センサは、振動子の振動速度を検出することができる。振動速度は振動振幅と位相が９０度ずれた信号であるが、共振曲線は図２９、図３０と同様な特徴を示すので、周波数掃引における振動速度情報の不連続点を用いた物理量のセンシングが可能である。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、前記ＭＥＭＳ共振器は、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である第１周波数および第２周波数は、前記振動子の共振周波数よりも高い周波数である。
　このように、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器を用いて、より高精度なセンシングを行うことができる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、励振信号の掃引周波数範囲において振動状態情報信号が不連続に変化する周波数が存在しないことを検出部が判断した場合、励振信号の強度を所定量だけ増加させる、測定レンジ切り替え制御部を備える。
　これによれば、測定レンジ切り替え制御部は、励振信号の強度を所定量だけ増加させることができる。このため、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器でのより高精度なセンシングを行うことができる。
　また、本開示の他の態様に係る共振型センサにおいて、振動状態情報信号が不連続に変化する２つの周波数の差が所定値より小さいことを検出部が判断した場合、励振信号の強度を所定量だけ増加させる、測定レンジ切り替え制御部を有する。
　これによれば、掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、掃引方向とは逆方向の掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、を含んだ励振信号の少なくとも２つの周波数の差の強度を所定量だけ増加させることができる。このため、この共振型センサでは、ＭＥＭＳ共振器でのより高精度なセンシングを行うことができる。
　（実施の形態１）
　＜概要＞
　本実施の形態による共振型センサは、ＭＥＭＳ共振器の振動子の振動状態に基づいて、所定の物理量を検出するセンサである。物理量は、例えば、温度、圧力、力等である。本実施の形態では、共振型センサは、ＭＥＭＳ共振器を用いた温度センサであるため、温度を物理量としている。温度センサは、励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出した検出値に基づいてＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する。本実施の形態では、温度センサは、励振信号の周波数を検出した検出値に基づいてＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する。励振信号は、ＭＥＭＳ共振器の入力電極に入力する交流電圧である。励振信号の周波数は、ＭＥＭＳ共振器の振動子の共振周波数ｆ０の近傍の所定の周波数範囲にわたって所定の掃引方向に沿って掃引される。
　ＭＥＭＳ共振器の振動子は、励振信号の周波数に基づいて、図２８から図３０のような共振曲線を示す。共振曲線の形状の変化に寄与する要因は大きく２つあり、１つはＱ値、２つめは温度である。
　共振曲線の形状の変化に寄与する１つめの要因であるＱ値は、振動エネルギの散逸の逆数であるため、振動エネルギの散逸が少ないほど高くなり、線形領域においては図２８の共振曲線の共振周波数ｆ０での極大値が増大する。Ｑ値が高いと共振曲線のピークが鋭くなり半値幅Ｗ（＝ｆ０／Ｑ）（極大値より－３ｄＢ減少する２つの周波数幅）が狭まる。逆に、振動エネルギが熱になって散逸したり、振動子を取り囲む気体の粘性抵抗が高まったりすると、Ｑ値は低下し、図２８の極大値は減少するとともに、半値幅Ｗは増大する。
　共振曲線の形状の変化に寄与する２つめの要因である温度は、主に共振周波数ｆ０を変化させることにある。振動子の機械特性値である弾性率が温度特性を有しており、概して温度上昇に伴い弾性率は低下するため、振動子のばね性は低下し、共振周波数ｆ０は低下する。逆に、温度下降に伴い、共振周波数ｆ０は上昇する。また、温度の上昇は概してＱ値の減少をもたらす。これは、第１に振動子の中を伝播する弾性波が温度上昇により散逸することに由来する。そして、第２に振動子が減圧キャビティ内で振動するケースでは、温度上昇によって振動子を囲むガスの圧力が増加して、Ｑ値を減少せしめる（前述の共振曲線の形状の変化に寄与する１つめの要因であるＱ値を間接的に誘発する）。ゆえに、温度変化は、共振周波数の変化とＱ値の変化との両方をもたらし、共振曲線を変化させる。
　ここで、共振周波数ｆ０とは、線形領域で振動運動する振動子の振動振幅が（励振信号の周波数の変化に関して）極大を示す周波数である。また、当該共振周波数ｆ０は、一般に、図２８で示すように、線形領域における共振特性の左右対称性の対称軸が通る周波数である。
　なお、共振周波数ｆ０は、静電型ＭＥＭＳ共振器の場合は、振動子と電極との間に与えたＤＣ電位による電気ばねの効果を含む。すなわち、共振周波数は振動子の質量とばね性とによって決定されるが、このばね性は材料固有のばね性に電気ばねが重畳されている。電気ばねは材料固有のばね製を弱める方向に働くので、ＤＣ電位を与えると与えない場合に比べて共振周波数は低下する。ここで、電気ばねとは、振動子が電極に近づくほど、印加されているＤＣ電位により振動子が電極側に引っ張られる力が働くのが負のばね性として表れる。
　このように、温度センサは、環境温度の変動による共振周波数シフトを利用したり、温度によるＱ値の変化を利用したり、または、その双方を利用したりすることで構成可能である。
　＜構成＞
　図１Ａは、ＭＥＭＳ共振器５００を有する温度センサ４００の配線図である。図１Ｂは、ＭＥＭＳ共振器５００の構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態１による温度センサ４００の構成を示すブロック図である。
　図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示すように、温度センサ４００は、掃引部４０１と、ＭＥＭＳ共振器５００と、信号処理部４１１と、コントローラ４１６とを備える。温度センサ４００は、共振型センサの一例である。
　図１Ａおよび図２に示すように、掃引部４０１は、励振信号の周波数掃引を行い、周波数を次第に変化させながら励振信号（交流電圧）Ｖｉを共振器５００へ出力する。
　掃引部４０１は、ＭＥＭＳ共振器５００の振動子５０１の所定の掃引方向に沿って励振信号の周波数を掃引（周波数掃引ともいう）し、掃引された励振信号をＭＥＭＳ共振器５００へ出力する。掃引部４０１は、コントローラ４１６によって制御されるＰＬＬシンセサイザ４０２を有する。ＰＬＬシンセサイザ４０２は、コントローラ４１６からの掃引制御信号に従って周波数掃引を行う。掃引は、連続的に繰り返されてもよいし、間欠的に行われてもよい。
　図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ＭＥＭＳ共振器５００は、非線形領域においてキャパシティブ・バイファケーションによる効果が顕著に表れる、いわゆる静電容量型のＭＥＭＳ共振器である。ＭＥＭＳ共振器５００は、シリコン基板５０４と、一対の振動子支持部５０１ｓと、振動子５０１と、電極５０２および５０３とを有する。
　シリコン基板５０４は、一対の振動子支持部５０１ｓ、振動子５０１、および、電極５０２および５０３を積層する。シリコン基板５０４は、一対の振動子支持部５０１ｓ、振動子５０１、および、電極５０２および５０３を配置するための台座である。
　一対の振動子支持部５０１ｓは、シリコン基板５０４に積層される。一対の振動子支持部５０１ｓは、振動子５０１と一体的に形成され、所定間隔を空けて配置される。一対の振動子支持部５０１ｓは、その間に配置された振動子５０１によって連結される。
　振動子５０１は、一対の振動子支持部５０１ｓの間に配置され、一方の振動子支持部５０１ｓのから他方の振動子支持部５０１ｓに延びる長尺の振動子である。また、振動子５０１は、電極５０２と電極５０３との間で、電極５０２および電極５０３とギャップを設けて配置される。
　振動子５０１は、長さ方向と直行する平面で切断した場合に三角形状である。振動子５０１は、三角形状の断面の略重心を回転中心としたねじり振動を行う。ねじり振動による変位Δｘを図１Ａの破線で示す。振動子支持部５０１ｓによって支持される振動子５０１の断面形状が三角形である点で、図２７Ａに示すＭＥＭＳ共振器１００と相違する。
　本実施の形態では、振動子５０１の長さＬは１００（μｍ）であり、振動子５０１の共振周波数ｆ０は所定の温度・圧力等の環境下において、ｆ０＝１９．６（ＭＨｚ）（ねじり共振モード）である。このようなＭＥＭＳ共振器５００の構成（静電力により振動子が励振し、振動に伴う容量変化による電流を出力する共振器の構成）は、半導体プロセスで構成しやすく、集積回路への集積化に適しており、センサとセンサ信号処理系の高集積化が実現できる点で有利である。また、本実施の形態では、振動子５０１と、電極５０２および５０３のそれぞれとのギャップは、１９０（ｎｍ）である。
　また、振動子５０１に励振信号を印加し、電極５０２および５０３から出力される電気信号を差動増幅器に入力して信号処理部に流す。この点は、図２７Ｂに示すＭＥＭＳ共振器１００とのもう１つの相違点である。
　電極５０２および５０３は、振動子５０１を挟むように、かつ、振動子５０１と対向するように配置される。電極５０２および５０３は、一対の振動子支持部５０１ｓおよび振動子５０１とギャップが形成されるように、振動子５０１とギャップを隔てて配置される。
　電極５０２は、ＤＣ電位Ｖｐが与えられることで振動子５０１に励振力を与える。電極５０２側にはＤＣ電位Ｖｐが与えられることで、振動子５０１に加わる励振力は電極５０２に面する側面に加わり、振動に伴う変位電流は電極５０２から出力される。ただし、振動に伴わない既成の容量を介しての高周波信号は、電極５０２および５０３の双方に流れるため、この振動に伴わない高周波信号が同相であることを利用して、差動増幅器で除去される。差動増幅器の出力は、振動に伴って出力された変位電流の成分である。なお、本実施の形態では、振動子５０１の断面形状を三角形状にしているが、図２７Ｂに示すように方形状等の多角形状でもよい。図２７Ｂの構成でも図１Ａの構成でも、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００は、駆動が可能である。前者を２ポート構成、後者を１ポート差動構成と呼ぶことがある。
　図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示すように、ＭＥＭＳ共振器５００には、例えば周波数ｆ１から周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）へ周波数掃引される励振信号Ｖｉが掃引部４０１から入力される。ＭＥＭＳ共振器５００は、励振信号Ｖｉに応じた振動子５０１の振動により、出力電極に流れる電流に応じた電圧を、振動運動を表す特徴量である振動状態情報信号（交流電圧Ｖｏ）として、信号処理部４１１に出力する。これは、後述する、のこぎり波に比例した周波数掃引を行うことに相当する。ここで、振動状態情報信号は、振動子５０１の振動振幅に関する情報を含んだ信号である。また、振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である周波数ｆＬ（第１周波数）および周波数ｆＨ（第２周波数）は、振動子５０１の共振周波数ｆ０よりも低い周波数である。なお、ＭＥＭＳ共振器５００は、周波数ｆ１から周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）へ周波数掃引した後に、ｆ２からｆ１に周波数掃引してもよい。これは、後述する三角波状の周波数掃引を行うことに相当する。
　信号処理部４１１は、掃引においてＭＥＭＳ共振器５００から振動子５０１の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した振動状態情報信号に基づいて温度を決定した温度情報として外部に出力する。
　信号処理部４１１は、不連続点検出部４１２と、変換部４１５とを有する。
　不連続点検出部４１２は、掃引においてＭＥＭＳ共振器５００から振動子５０１の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数を検出する。不連続点検出部４１２は、検出部の一例である。不連続点検出部４１２は、検波器４１３と、閾値検出部４１４とを有する。
　検波器４１３は、ＭＥＭＳ共振器５００から取得した振動状態情報信号の振幅の包絡線検波を行う。検波器４１３は、包絡線検波を行った結果である検波信号を閾値検出部４１４に出力する。
　閾値検出部４１４は、検波信号に示される信号値が予め設定した閾値を超えたことを検出（または、信号値を超えたか否かを判断）する。閾値検出部４１４は、検波信号が設定した閾値を超えたことを検出したときの時刻情報を変換部４１５に出力する。ここで、時刻情報と掃引周波数情報とは一対一に対応づけられるので、時刻情報と周波数情報とは同義である。なお、周波数ｆ１からｆ２への掃引中での閾値検出と、ｆ２からｆ１への掃引中の閾値検出との２機能を有する場合もあるため、それぞれの閾値は、異なる値でもよい。あるいは不連続点となる不連続点周波数ｆＨを跨いだ周波数であるｆ１からｆ２への掃引では、周波数ｆＨの振動振幅はピーク値を有するため、閾値検出を用いずにピーク検出としてもよい。あるいは不連続点周波数ｆＬを跨いだ周波数であるｆ２からｆ１への掃引では、周波数ｆＬの振動振幅はピーク値には近いがピーク値より若干小さい値であるため、ピーク検出でも代用してもよく、より精度よくｆＬを検出するには閾値検出を用いてもよい。
　変換部４１５は、不連続点における励振信号の周波数を検出した検出値に基づいてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定する。具体的には、変換部４１５は、変換テーブル４１５Ｔを有し、変換テーブル４１５Ｔを用いてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定する。変換テーブル４１５Ｔは、振動状態情報信号が励振信号の周波数掃引中に不連続の変化を生じる時刻情報を励振信号周波数に置き換え、置き換えたその周波数情報から振動子の温度を求めるためのテーブルである。変換部４１５は、物理量決定部の一例である。なお、時刻情報は周波数情報と一対一に対応づけられるので、時刻情報から周波数情報に置き換える作業は必ずしも必要ではない。例えばカウンタパルスで計数した時刻情報の実態は、カウントされたパルス数であり、温度を求めるためのテーブルにはパルス数が用いられてもよい。なお、変換部４１５は、変換部４１５とは別の記憶装置に記憶されている変換テーブル４１５Ｔを読み出すことで、変換テーブル４１５Ｔを用いてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定してもよい。このため、変換部４１５は、変換テーブル４１５Ｔを有することは必須の構成要件ではない。
　コントローラ４１６は、掃引部４０１に掃引制御信号を出力することで、掃引部４０１を制御する。つまり、コントローラ４１６は、掃引制御信号によって掃引部４０１のＰＬＬシンセサイザ４０２を制御することで、所定周期をかけて周波数ｆ１からｆ２への周波数掃引を行う。コントローラ４１６は、測定レンジ切り替え制御部の一例であってもよい。
　また、コントローラ４１６は、信号処理部４１１にカウント制御信号を出力することで、信号処理部４１１を制御する。つまり、コントローラ４１６は、カウント制御信号によって信号処理部４１１の閾値検出部４１４を制御することで、検波信号に示される信号値が予め設定した閾値を超えたことを検出し、閾値を超えたことを検出したときの時刻情報を変換部４１５に出力する。
　なお、励振信号の掃引周波数範囲において振動状態情報信号が不連続に変化する周波数が存在しないことを不連続点検出部４１２が判断した場合、コントローラ４１６は、励振信号の強度を所定量だけ増加させてもよい。また、振動状態情報信号が不連続に変化する２つの周波数の差が所定値より小さいことを不連続点検出部４１２が判断した場合、コントローラ４１６は、励振信号の強度を所定量だけ増加させてもよい。
　＜温度センシングの手段＞
　以下では、温度センシングの手段について例示する。
　図３Ａでは、温度センサ４００がのこぎり波状の周波数掃引を行うことで温度による共振周波数シフトを利用する場合の温度センシングを例示する。図３Ａは、励振信号の上方周波数掃引に伴う静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００の動作を示すタイミング図である。図３Ａの（１）は検波後の振動状態情報信号を示し、（２）は励振信号の周波数を示し、（３）は掃引開始信号を示し、（４）はゲート信号を示し、（５）はカウンタパルスを示す。
　図３Ａでは、コントローラ４１６から発した図３Ａの（３）の掃引開始信号をトリガ（矢印で示す）にして、図３Ａの（２）の励振信号の周波数掃引が周波数ｆ１から始まると同時に、図３Ａの（４）のゲート信号がＯｐｅｎとなり、図３Ａの（５）のカウンタパルスの計数が開始される。図３Ａの（１）に示す振動状態情報信号（検波後）は、とある周波数で不連続に上昇し、これを閾値検出部４１４で検出して信号処理部４１１がゲート信号をＣｌｏｓｅにする。本実施の形態では、この閾値検出をピーク検出で代用している。この不連続点周波数は、図２９に示す共振特性１２１の非線形共振曲線の周波数ｆＨに相当し、この不連続点周波数ｆＨは共振周波数ｆ０とほぼ等しい。共振周波数ｆ０は温度変化に伴って変化するため、不連続点周波数ｆＨも温度変化に伴って変化し、ゲート信号のＯｐｅｎ状態の時間幅が変化することでカウンタパルス計数値の変化に基づいて温度情報を得ることができる。なお、ゲート信号のＯｐｅｎは、不連続点を検出した時点から開始して、次の掃引開始信号までの時間をカウンタパルスで計数してもよい（図３Ａの（４）のＣｌｏｓｅ時間でカウンタパルスを計数することに相当）。
　励振信号の周波数は掃引開始とともにリニアに掃引されるので、計数されたカウンタパルス数に基づいて容易に不連続点周波数ｆＨを算出できる。実測例を図３Ｂのグラフに示す。図３Ｂは、温度（周囲の温度）と不連続点周波数ｆＨとの関係を示す図である。
　図３Ｂでは、ＭＥＭＳ共振器５００を温度制御可能な恒温槽に入れて、室温±５℃の温度変化を与えたときの不連続点周波数ｆＨの測定値を示している。各温度ではＮ＝１００の測定点があり、温度に対してばらつきの少ない不連続点周波数ｆＨの測定値が得られており、かつ、温度と不連続点周波数ｆＨとはリニアな関係を有する結果が得られている。従って、この図３Ｂの関係を変換部４１５が変換テーブル４１５Ｔとして記憶しておけば、ＭＥＭＳ共振器５００を温度センサとして用いる際には、不連続点周波数ｆＨを測定するだけで、図３Ｂの関係に基づいて、精度よく温度情報を得ることができる。
　なお、図３Ｃに示すように、不連続点での検波信号強度と温度との関係は、相関が弱いため、不連続点での検波信号強度を用いて高精度な温度センサを構成することは困難であると考えられる。図３Ｃは、温度と不連続点での検波信号強度との関係を示す図である。
　なお、図３Ａの（４）のゲート信号のＯｐｅｎの時間帯（期間）は温度情報を有しているため、掃引開始信号を周期Ｔで繰り返すと、ゲート信号は温度情報に関するパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）となる。ＰＷＭ信号は、復調されるまでデジタル信号として伝送され、デジタル信号処理回路と親和性が高い。
　なお、パルス幅変調信号を復調して温度情報を得るには、本実施の形態ではゲートＯｐｅｎ時間内のカウンタパルス数を計数したが、この手法に限定されるものではなく、他に、パルス幅変調信号をアナログ積分回路に通して周期Ｔごとに積分値を読みとる方法であってもよい。
　図４Ａでは、温度センサ４００がのこぎり波状で下方に向いた周波数掃引を行うことで温度による共振周波数シフトを利用する場合の温度測定を例示する。図４Ａは、励振信号の下方周波数掃引に伴う静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００の動作を示すタイミング図である。図４Ａの（１）は検波後の振動状態情報信号を示し、（２）は励振信号の周波数を示し、（３）は掃引開始信号を示し、（４）はゲート信号を示し、（５）はカウンタパルスを示す。
　図４Ａでは、コントローラ４１６から発した図４Ａの（３）の掃引開始信号をトリガ（矢印で示す）にして、図４Ａの（２）の励振信号の周波数掃引が周波数ｆ２から始まると同時に、図４Ａの（４）のゲート信号がＯｐｅｎとなり、図４Ａの（５）のカウンタパルスの計数が開始される。図４Ａの（１）に示す振動状態情報信号（検波後）は、とある周波数で不連続に減少し、これを閾値検出部４１４で検出して信号処理部４１１がゲート信号をＣｌｏｓｅにする。この不連続点周波数は、図２９に示す共振特性１２１の非線形共振曲線の周波数ｆＬに相当する。共振周波数ｆ０は温度変化に伴って変化するので、不連続点周波数ｆＬも温度変化に伴って変化し、ゲート信号のＯｐｅｎ状態の時間幅が変化することでカウンタパルス計数値の変化に基づいて温度情報を得ることができる。なお、ゲート信号のＯｐｅｎは、不連続点を検出した時点から開始して、次の掃引開始信号までの時間をカウンタパルスで計数してもよい（図４Ａの（４）のＣｌｏｓｅ時間でカウンタパルスを計数することに相当）。
　励振信号の周波数は掃引開始とともにリニアに掃引されるので、計数されたカウンタパルス数に基づいて容易に不連続点周波数ｆＬを算出できる。実測例を図４Ｂのグラフに示す。図４Ｂは、温度と不連続点周波数ｆＬの関係を示す図である。
　図４Ｂでは、ＭＥＭＳ共振器５００を温度制御可能な恒温槽に入れて、室温±５℃の温度変化を与えたときの不連続点周波数ｆＬの測定値を示している。各温度ではＮ＝１００の測定点であり、温度に対してばらつきの少ない不連続点周波数ｆＬの測定値が得られており、かつ、温度と不連続点周波数ｆＬとはリニアな関係を有する結果が得られている。従って、この図４Ｂの関係を変換部４１５が変換テーブル４１５Ｔとして記憶しておけば、ＭＥＭＳ共振器５００を温度センサとして用いる際には、不連続点周波数ｆＬを測定するだけで、図４Ｂの関係に基づいて、精度よく温度情報を得ることができる。
　なお、図４Ｃは、温度と検波信号強度のピーク値との関係を示す図である。つまり、図４Ｃは、温度と不連続点近傍での検波信号強度のピーク値との関係を示し、両者には相関がある。このため、検波器出力信号のピーク値を測定すればその値を用いて温度情報を得ることができると考えられる。しかし、図４Ｃと図４Ｂとを比較すると、図４Ｃではプロットのばらつきが大きいため、検波信号強度のピーク値を用いて温度センサ４００を構成すると、測定精度が低下してしまう。言い換えると、温度変化に伴う検波信号強度の変化を観察することは、温度変化に伴うＱ値の変化を観察することに相応する。このＱ値変化の観察には、線形共振よりも非線形共振を用いるほうが得られる検波信号強度が大きく、Ｓ／Ｎの点で有利であると考えられる。しかし、傾いた非線形共振曲線の検波信号強度ではなく、もはや傾き度合いを時間軸（周波数掃引するので周波数に相当する）で捉えたほうが、温度情報を精度よく抽出できると考えられる。
　なお、図４Ａの（４）のゲート信号は、温度情報に関するパルス幅変調信号となるため、デジタル信号処理回路と親和性が高い。なお、復調方法は、カウンタパルス数を計数する方法に限定されるものではなく、他に、パルス幅変調信号をアナログ積分回路に通して周期Ｔごとに積分値を読みとる方法であってもよい。
　図５Ａでは、温度センサ４００が三角波状で周波数掃引を行うことで、温度による共振のＱ値の変化を利用する場合の温度測定を例示する。図５Ａは、三角波による励振信号の周波数掃引に伴う静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００の動作を示すタイミング図である。図５Ａの（１）は検波後の振動状態情報信号を示し、（２）は励振信号の周波数を示し、（３）は掃引開始信号を示し、（４）はゲート信号を示し、（５）はカウンタパルスを示す。
　図５Ａでは、コントローラ４１６にから発した図５Ａの（３）の掃引開始信号をトリガ（矢印で示す）にして、図５Ａの（２）の励振信号の周波数掃引が周波数ｆ１から始まると同時に、図５Ａの（４）のａの上方掃引用のゲート信号がＯｐｅｎとなり、図５Ａの（５）のカウンタパルスの計数が開始される。図５Ａの（１）に示す振動状態情報信号（検波後）は、不連続点周波数ｆＨで不連続に増加し、これを閾値検出部４１４で検出して信号処理部４１１がゲート信号をＣｌｏｓｅにする。本実施の形態では、この閾値検出をピーク検出で代用している。このゲートＯｐｅｎ時間内のカウンタパルスを計数した結果であるパルス数をＮＨとする。周期Ｔの三角波の場合、１周期の後半は、励振信号の周波数がｆ２からｆ１に下方掃引される。図５Ａの（１）に示す振動状態情報信号（検波後）は、不連続点周波数ｆＬで不連続に減少し、これを閾値検出部４１４で検出して、図５Ａの（４）のｂの下方掃引用ゲート信号を信号処理部４１１がＯｐｅｎにする。下方掃引が終わると、信号処理部４１１がゲート信号をＣｌｏｓｅする。このゲートＯｐｅｎ時間内のカウンタパルスを計数した結果であるパルス数をＮＬとする。計数結果の差分ＮＨ－ＮＬは、図２９に示す共振特性１２１の非線形共振曲線の差分周波数ｆＨ－ｆＬに相当する。共振周波数ｆ０は温度変化に伴って変化するので、差分周波数ｆＨもｆＬも温度変化に伴って変化するが、その共振周波数の温度による変化分は差分周波数ｆＨ－ｆＬとすることでキャンセルされる。すなわち差分周波数ｆＨ－ｆＬは、非線形共振波形の傾き度合いを表す量である。概して温度が上昇するとＱ値が低下するが、その様態を線形共振領域で観察するならば、共振曲線の検波信号強度が低下する、もしくは－３ｄＢのバンド幅が広がる、という変化を観察することになる。非線形共振領域で振動子５０１を励振することによって、温度上昇に伴うＱ値の低下を差分周波数ｆＨ－ｆＬの減少でとらえることができる。
　励振信号の周波数は上方・下方掃引ともにリニアに掃引されるので、計数されたカウンタパルス数ＮＨとＮＬとを用いて容易に差分周波数ｆＨ－ｆＬを算出できる。つまり、不連続点検出部４１２は、掃引において振動状態情報信号（検波後）が不連続に変化するときの不連続点周波数ｆＨと、掃引方向とは逆方向の掃引において振動状態情報信号（検波後）が不連続に変化するときの不連続点周波数ｆＬと、を含んだ励振信号の少なくとも２つの周波数の差（差分周波数ｆＨ－ｆＬ）を検出値とする。
　次に、実測例を図５Ｂに示す。図５Ｂは、温度と２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。
　図５Ｂでは、ＭＥＭＳ共振器５００を温度制御可能な恒温槽に入れて、室温±５℃の温度変化を与えたときの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬの測定値を示している。各温度ではＮ＝１００の測定点であり、温度に対してばらつきの少ない差分周波数ｆＨ－ｆＬの測定値が得られており、かつ、温度と差分周波数ｆＨ－ｆＬはリニアな相関を有する結果が得られている。従って、この図５Ｂの関係を変換部４１５が変換テーブル４１５Ｔとして記憶しておけば、ＭＥＭＳ共振器５００を温度センサとして用いる際には、差分周波数ｆＨ－ｆＬを測定するだけで図５Ｂの関係に基づいて、精度よく温度情報を得ることができる。
　のこぎり波掃引により測定した不連続点周波数ｆＨまたはｆＬから温度を算出する温度測定に比べて、三角波掃引により測定した差分周波数ｆＨ－ｆＬから温度を算出する利点が存在する。この利点は、図５Ａの（２）の励振信号の掃引開始の周波数ｆ１とｆ２とがゆらぎ等の影響で誤差δを含み周波数ｆ１＋δと周波数ｆ２＋δとに変化したときでも、不連続点周波数ｆＨ－ｆＬが誤差δの影響を受けない点である。誤差δの影響でカウンタパルス計数値ＮＨが増えても、同じ量だけ計数値ＮＬも増えるため、ＮＨ－ＮＬは一定値を保つことができる。
　さらに、三角波掃引による不連続点周波数ｆＨ－ｆＬを利用する利点が表れる、別の温度測定を図６に示す。図６は、不連続点検出のタイミングで周波数掃引方向を切り替え場合の静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００の動作を示すタイミング図である。図６の（１）は検波後の振動状態情報信号を示し、（２）は励振信号の周波数を示し、（３）は掃引開始信号を示し、（４）は掃引方向制御信号（兼ゲート信号）を示し、（５）はカウンタパルスを示す。
　図６では、コントローラ４１６から発した図６の（３）の掃引開始信号をトリガ（矢印で示す）に、図６の（２）の励振信号の周波数掃引が周波数ｆ１から周波数ｆ２（ｆ２＞ｆ１）に向けて始まると同時に、図６の（４）のａの掃引方向制御信号（兼ゲート信号）は上方掃引にリセットされる。図６の（１）に示す振動状態情報信号（検波後）は、不連続点周波数ｆＨで不連続に増加し、これを閾値Ａにセットされた閾値検出部４１４で検出し、掃引方向制御信号を下方掃引に変更する。図６の（２）の励振信号の周波数は周波数ｆ１に向けて下方掃引される。図６の（１）に示す振動状態情報信号（検波後）は、不連続点周波数ｆＬで不連続に減少し、これを閾値Ｂにセットされた閾値検出部４１４で検出し、掃引方向制御信号を上方掃引に変更する。この閾値Ａと閾値Ｂとの検出を繰り返して、掃引方向の切り替えを続けると、図６の（４）掃引方向制御信号のＨｉｇｈ状態（ここでは下方掃引を示す）は、不連続点周波数ｆＨから不連続点周波数ｆＬへの掃引時間を表している。つまり、掃引部４０１は、掃引における振動状態情報信号（検波後）の不連続な変化の検出を起点として掃引を逆方向に切り替え、再び振動状態情報信号（検波後）の不連続な変化の検出を起点として掃引を再度に逆方向に切り替えして戻す動作を繰り返す。
　このＨｉｇｈ状態をゲート信号としてカウンタパルスを計数した計数値ＮＨＬは、不連続点周波数ｆＨと不連続点周波数ｆＬとの差分、すなわち図２９の非線形共振曲線の傾き度合いを表す差分周波数ｆＨ－ｆＬの情報に相当する。差分周波数ｆＨ－ｆＬの値を用いて、図５Ｂの関係に基づいて精度よく温度情報を得ることができる。不連続点検出部４１２は、掃引方向における順方向および逆方向の２状態を表す２値を有するパルス信号を検出値（差分周波数ｆＨ－ｆＬ）として出力する。変換部４１５は、出力された当該検出値であるパルス信号のパルス時間幅に基づいてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定する。そして、不連続点周波数ｆＬより低い周波数の掃引時間と不連続点ｆＨより高い周波数の掃引時間が省かれるため、単位時間あたりの温度測定データが増える、すなわち温度計測の高速化が可能となる。
　なお、図６の（４）掃引方向制御信号（兼ゲート信号）は温度情報に関するパルス周波数変調（ＰＦＭ）信号となるので、デジタル信号処理回路と親和性が高い。このＰＦＭ信号はパルス幅にも温度情報が載っているのでＰＷＭと類似性があり、復調方法はカウンタパルス数を計数する方法が適用できるが、それに限定されるものではなく、他に、パルス幅変調信号をアナログ積分回路に通して、掃引方向が切り替わるごとに、積分値をリセットし直して、その積分値を読みとる方法もある。
　＜作用効果＞
　次に、本実施の形態における温度センサ４００の作用効果について説明する。
　上述したように、本実施の形態に係る温度センサ４００は、ＭＥＭＳ共振器５００を用いた温度センサ４００であって、ＭＥＭＳ共振器５００と、所定の掃引方向に沿ってＭＥＭＳ共振器５００の振動子５０１の励振信号の周波数を掃引し、掃引された励振信号をＭＥＭＳ共振器５００へ出力する掃引部４０１と、ＭＥＭＳ共振器５００から励振信号に基づく振動子５０１の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出する不連続点検出部４１２と、検出した検出値に基づいてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定する変換部４１５と、を備える。
　温度センサ４００は、振動状態情報信号が不連続に変化するときの掃引周波数に基づいてＭＥＭＳ共振器５００に作用する圧力、力等の物理量を決定することができる。このため、周波数掃引の開始時刻と不連続が生じた時刻との時間差および複数の不連続が生じる各時刻の時間差など、時間軸上にセンシング情報を投影することができる。振動状態情報信号の不連続性は、閾値などを設けることで信号強度の急激な変化を検出することができる。このため、信号強度にノイズが重畳しても、不連続を示す時刻は、重畳ノイズに対して確実に検出できる。例えば、ＡＭラジオ放送よりもＦＭラジオ放送のほうが受信して復調した音質が優れるという効果と同一であると考えられる。また、パルス状検出信号は、デジタル信号処理との親和性が高いという副次的効果も得られる。
　従って、この温度センサ４００では、ＭＥＭＳ共振器５００での高精度なセンシングを行うことができる。
　特に、非線形領域の共振を用いることで、線形共振では得られない大振幅を励起してセンシング量の検出値のＳ／Ｎを改善することができる。さらには、周波数を掃引することで、非線形共振波形の倒れこむ度合いを時間軸から得ることができる。これにより、検出値の強度ではなく、それを時間軸に投影した例えばＰＷＭ信号として取り出すことで、信号強度に重畳するノイズに対して堅牢となり、より微量な共振状態の変化をも検出可能とする。ＰＷＭ信号とすれば、デジタル信号として伝送および信号処理として扱い易くなる。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００の検出方法において、ＭＥＭＳ共振器５００を用いた温度センサ４００の検出方法であって、所定の掃引方向に沿ってＭＥＭＳ共振器５００の振動子５０１の励振信号の周波数を掃引し、掃引された励振信号をＭＥＭＳ共振器５００へ出力することと、ＭＥＭＳ共振器５００から励振信号に基づく振動子５０１の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出することと、検出した検出値に基づいてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定することと、を含む。
　この方法においても上述と同様の作用効果を奏する。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００において、不連続点検出部４１２は、掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、掃引方向とは逆方向の掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、を含んだ励振信号の少なくとも２つの周波数の差（差分周波数）を検出値とする。
　これによれば、励振信号の少なくとも２つの周波数のそれぞれに誤差が存在していても、２つの周波数の差を算出することで、誤差の影響を抑制することができる。つまり、２つの周波数の差である差分周波数を検出値として物理量を決定するため、環境温度の変動による共振周波数シフトの影響を受け難くなる。このため、この温度センサ４００では、ＭＥＭＳ共振器５００でのより高精度なセンシングを行うことができる。
　特に、共振周波数シフトの温度特性テーブル等を作成したり、温度特性テーブルを用いた補正をしたりなくてもよくなるため、温度センサ４００のコストが高騰化し難くなる。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００において、掃引部４０１は、掃引における振動状態情報信号の不連続な変化の検出を起点として掃引を逆方向に切り替え、再び振動状態情報信号の不連続な変化の検出を起点として掃引を再度に逆方向に切り替えして戻す動作を繰り返し、不連続点検出部４１２は、掃引方向における順方向および逆方向の２状態を表す２値を有するパルス信号を検出値として出力し、変換部４１５は、出力された当該検出値であるパルス信号のパルス時間幅に基づいてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量を決定する。
　これによれば、掃引方向における順方向および逆方向の２状態を表す２値であるパルス信号のパルス時間幅に基づいて物理量を決定することができるため、経時的な時間変化のセンシングを行うことができる。また、不連続点周波数より低い周波数の掃引時間と不連続点より高い周波数の掃引時間を省くことができるため、単位時間あたりの温度測定データが増える、すなわち温度計測の高速化が可能となる。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００において、ＭＥＭＳ共振器５００は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器である。振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である周波数ｆＬおよび周波数ｆＨは、振動子５０１の共振周波数ｆ０よりも低い周波数である。
　これによれば、汎用されているＭＥＭＳ共振器５００を用いることで、ＭＥＭＳ共振器５００での高精度なセンシングを行うことができる。このため、温度センサ４００では、使い勝手がよい。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００において、振動状態情報信号は、振動子５０１の振動振幅に関する情報を含んだ信号である。
　これによれば、温度センサ４００は、振動子５０１の振動振幅を検出することができる。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００において、励振信号の掃引周波数範囲において振動状態情報信号が不連続に変化する周波数が存在しないことを不連続点検出部４１２が判断した場合、励振信号の強度を所定量だけ増加させる、コントローラ４１６を備える。
　これによれば、コントローラ４１６は、励振信号の強度を所定量だけ増加させることができる。このため、この温度センサ４００では、ＭＥＭＳ共振器５００でのより高精度なセンシングを行うことができる。
　また、本実施の形態に係る温度センサ４００において、振動状態情報信号が不連続に変化する２つの周波数の差が所定値より小さいことを不連続点検出部４１２が判断した場合、励振信号の強度を所定量だけ増加させる、コントローラ４１６を有する。
　これによれば、掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、掃引方向とは逆方向の掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、を含んだ励振信号の少なくとも２つの周波数の差の強度を所定量だけ増加させることができる。このため、この温度センサ４００では、ＭＥＭＳ共振器５００でのより高精度なセンシングを行うことができる。
　（実施の形態２）
　＜構成＞
　以下では、本実施の形態の圧力センサの基本的な構成は、実施の形態１による温度センサの基本的な構成と同様であるため、本実施の形態における圧力センサの基本的な構成について適宜説明を省略する。また、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘの基本的な構成は、実施の形態１による図２のＭＥＭＳ共振器５００の基本的な構成と同様であるため、本実施の形態におけるＭＥＭＳ共振器５００ｘの基本的な構成について適宜説明を省略する。本実施の形態の圧力センサのＭＥＭＳ共振器５００ｘは、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘを有する点で、実施の形態１による図１ＢのＭＥＭＳ共振器５００ｘと相違する。
　図７は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘの断面図である。
　本実施の形態による共振型センサは、図７に示すようなＭＥＭＳ共振器５００ｘを用いた雰囲気のガス圧力を測定する圧力センサである。圧力センサは、共振型センサの一例である。雰囲気中におけるＭＥＭＳ共振器５００ｘの振動子５０１ｘの振動は、雰囲気の粘性によりダンピングを受ける。そのため、振動子５０１ｘの振動振幅および振動速度は、雰囲気の圧力に依存する。より詳細には、ＭＥＭＳ共振器５００ｘの共振の鋭さを表すＱ値は、図７の振動子５０１ｘのまわりのガス圧力Ｐｉに対しておよそＱ∝（１／Ｐｉ）の関係を有する。また、線形共振領域における共振の振幅Ｘは、Ｘ∝Ｑの関係を有する。従って、Ｘ∝（１／Ｐｉ）となり、振動子５０１ｘのまわりの圧力Ｐｉが低下すると、共振の鋭さが増し、振動振幅Ｘも増大する。振動振幅Ｘが増大すれば、同様に振動子５０１ｘの振動速度も増大する。本実施形態による圧力センサは、この原理を非線形領域に拡張して利用する。
　ＭＥＭＳ共振器５００ｘは、図１のＭＥＭＳ共振器５００と同様、断面が三角形状をなした梁のねじり共振器である。ＭＥＭＳ共振器５００ｘは、振動子５０１ｘ、電極５０２ｘおよび５０３ｘの他に、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘを有する。
　ＭＥＭＳ共振器５００ｘの振動子５０１ｘ、電極５０２ｘおよび５０３ｘは、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘによって形成される閉空間５０７ｘに配置される。具体的には、シリコン基板５１０ｘ上には、振動子５０１ｘ、電極５０２ｘ、５０３ｘ、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘが配置される。振動子５０１ｘは、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘによって、ＭＥＭＳ共振器５００ｘに作用する圧力に漸次等しくなる圧力のガスに取り囲まれる。隔壁層５０４ｘは、電極５０２ｘおよび５０３ｘの一部を覆うように、シリコン基板５１０ｘ上に積層され、振動子５０１ｘの周囲を囲むように配置される。ダイアフラム５０５ｘは、隔壁層５０４ｘの上に積層されることで、振動子５０１ｘの周囲を囲む空間を閉空間５０７ｘとして形成する。
　この閉空間５０７ｘの圧力Ｐｉは、一定に保たれる。特に、閉空間５０７ｘの圧力Ｐｉを真空状態とすることで、振動子５０１ｘが気体の粘性抵抗を受けずに高いＱ値で共振可能な状態となる。ＭＥＭＳ共振器５００ｘは、静電駆動型であるため、キャパシティブ・バイファケーションによる効果によって、図２９に示す非線形の共振特性を示しやすくなる。隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘを、Ｓｉ系、Ｇｅ系またはＳｉＧｅ系、もしくはそれらの酸化膜および窒化膜を材料として緻密な膜を構成すれば、その薄膜は分子“ふるい”として機能する。空気中の酸素ガスおよび窒素ガスは隔壁層５０４ｘやダイアフラム５０５ｘを透過しないが、分子径の小さいヘリウムガスおよび水素ガスは隔壁層５０４ｘやダイアフラム５０５ｘを透過する。例えば、閉空間５０７ｘ内の圧力をＰｉ、外部の圧力をＰとし、Ｐｉ＜＜Ｐとなるように閉空間５０７ｘ内を減圧すると、閉空間５０７ｘ内に残留する水素ガスの分圧は、雰囲気中の水素ガスの分圧より小さく設定することができる。その分圧差により雰囲気中の水素ガスが隔壁層５０４ｘまたはダイアフラム５０５ｘを透過し、閉空間５０７ｘの水素ガス分圧は上昇する。この上昇は、閉空間５０７ｘ内と雰囲気中との水素分圧が等しくなるまで継続する。一方、閉空間５０７ｘ内で上昇した水素ガス分圧により、振動子５０１ｘの共振のＱ値は減少する。圧力センサでは、非線形共振領域で励振信号の周波数掃引を行い、振動状態情報信号の不連続な変化を起こす時刻を取得することで、水素ガス分圧の変化を検知する水素圧センサを構成できる。閉空間５０７ｘ内の水素ガス分圧と雰囲気中の水素ガス分圧とが平衡して、隔壁層およびダイアフラム５０５ｘへの水素ガスの透過が停止した状態では、雰囲気中の水素ガス分圧を検知していることになり、平衡していない状態では閉空間５０７ｘ内の水素ガス分圧を検知していることになる。つまり、変換部４１５は、検出値（振動状態情報信号の不連続な変化を起こす時刻であり、後述の差分周波数ｆＨ－ｆＬの経時変化に応じたガスの圧力の変化）に基づいてガスの圧力を決定することで、閉空間５０７ｘ内の水素ガス分圧を検知する。
　＜圧力測定の手段＞
　以下では、圧力測定の手段について例示する。水素の圧力情報をパルス幅変調信号として取り出す方法も、実施の形態１の図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６と同様であるため、説明を適宜省略する。
　微量な水素ガス圧力の変化を測定する場合、振動子５０１ｘのＱ値の変化も微量であるため、周囲温度の変動によるＱ値変動成分のほうが大きい場合がある。そのような場合には、不連続点周波数の温度特性を予め取得し、温度補正を加える。
　なお、ＭＥＭＳ共振器５００ｘに温度計５０８ｘを配置した場合を例示する。図８Ａは、温度計５０８ｘを同一チップ内に配した静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘの断面図である。図８Ａは、図７の圧力センサの内部に周囲温度を測定する温度計５０８ｘを内包した形態を例示する。図８Ｂは、温度計５０８ｘを同一実装基板上に配した静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘの断面図である。図８Ｂは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘの実装基板上において、ＭＥＭＳ共振器５００ｘの近傍に温度計５０８ｘを実装した形態を例示する。温度計５０８ｘには、ＰＮダイオード型、熱電対型、および、焦電形などであるが、温度をセンシングする方式は限定されない。
　圧力センサでは、不連続点周波数の温度特性を得る前処理として、雰囲気の圧力Ｐを真空ポンプで減圧して水素分圧を十分に下げてから、閉空間５０７ｘ内の残存水素ガスを十分に排気する。次に、圧力センサは、温度制御が可能な恒温槽内にて非線形共振領域で駆動し、温度計５０８ｘの示す温度と得られた不連続点周波数との関係を取得する。
　図９は、ＭＥＭＳ共振器５００ｘの温度と２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。図９は、図５Ｂと同様である。図９のグラフは温度変化に起因する差分周波数ｆＨ－ｆＬの変化を示しているため、このグラフを基準として温度依存成分を次のように排除できる。
　水素ガスの圧力センサとしてＭＥＭＳ共振器５００ｘを使用するにあたり、温度計がある温度Ｔ１を指示しているにもかかわらず、差分周波数ｆＨ－ｆＬの値が図中の★印の値を示しているならば、基準グラフよりも★印の値は下回っていることを示す。この場合、ＭＥＭＳ共振器５００ｘの外部から閉空間５０７ｘに水素ガスが透過して、振動子５０１ｘのＱ値を劣化させていることを示している。すなわち、差分周波数ｆＨ－ｆＬの実測値の基準曲線からのずれ量Δは、閉空間５０７ｘ内の水素ガス分圧を示している。
　図１０Ａは、水素ガス濃度の変化と、差分周波数ｆＨ－ｆＬの経時変化（温度センサを熱電対とした場合）とを示す図である。図１０Ａは、時刻ｔ１で２００ｐｐｍの水素を混ぜた空気を雰囲気に流し始め、時刻ｔ２で水素の含有量を１０００ｐｐｍまで増加させたときの、差分周波数ｆＨ－ｆＬのずれ量Δを実測した結果である。
　図１０Ａに示すように、時刻ｔ１から基準曲線からのずれ量Δは、負の方向に減少し始めている。これは、雰囲気中の２００ｐｐｍの水素が徐々に閉空間５０７ｘ内に透過し、振動子５０１ｘの振動を水素ガスが妨げ始めたことで、Ｑ値が減少したためである。このＱ値の減少を非線形共振領域における２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとして検出している。時刻ｔ２から基準曲線からのずれ量Δの減少速度が増している。これは、雰囲気の水素ガス分量が１０００ｐｐｍに増えたことにより、単位時間あたりに閉空間５０７ｘ内に透過する水素量が増加したためである。
　なお、雰囲気中の水素を２００ｐｐｍとしたときも１０００ｐｐｍとしたときも、測定時間内で、基準曲線からのずれ量Δが飽和値に到達することはなかった。これは、閉空間５０７ｘ内の水素ガス分圧と、雰囲気中の水素ガス分圧とが測定時間内で平衡に達していないためと考えられる。従って、図１０Ａの縦軸は、雰囲気中の水素ガス分圧を示しているのではなく、閉空間５０７ｘ内の水素ガス分圧を表している。雰囲気中の水素ガス分圧を測定するセンサとするためには、測定時間を十分に長くしたり、閉空間５０７ｘに水素ガスが透過しやすいように隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘの寸法を調整したりして、水素ガスの透過経路が短くなるように設計すればよい。
　なお、温度計５０８ｘをＭＥＭＳ共振器５００ｘに付加することなく、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ自体を温度センサとして代用してもよい。実施の形態１の温度センサでは、のこぎり波による励振周波数の上方掃引から得られる不連続点周波数ｆＨを温度情報として利用できることを示した。不連続点周波数ｆＨは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘの共振周波数ｆ０に近接し、温度変化に伴って、共振周波数ｆ０がシフトするのと同じように不連続点周波数ｆＨもシフトする。一方で、不連続点周波数ｆＨは、Ｑ値の変化（温度による変化、および、その他周囲のガス圧力による変化等）の影響を受けにくい。そのため、不連続点周波数ｆＨは、温度情報のみを有しているとみなせる。不連続点周波数ｆＨを温度情報として利用することにより、温度計５０８ｘが付加される分の面積と製造コストを削減することができる。不連続点周波数ｆＨを温度情報として利用する場合、図９に示した温度と差分周波数ｆＨ－ｆＬとの基準曲線を用いるのではなく、図１１に示す不連続点周波数ｆＨと差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示した基準曲線を用いて、基準曲線からのずれ量Δを水素ガス分圧の変化とみなす。
　図１０Ｂは、水素ガス濃度の変化と、差分周波数ｆＨ－ｆＬの経時変化（温度情報として不連続点周波数ｆＨを利用した場合）とを示す図である。図１１は、不連続点周波数ｆＨを温度情報としたときの、ｆＨと差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。図１０Ｂは、図１１に示すｆＨ－ｆＬの基準曲線からのずれ量Δを計測した結果である。
　図１０Ａは、温度センサに０．１℃分解能の熱電対を用いた結果であり、図１０Ｂでは、温度情報を表すｆＨの分解能が０．１℃よりも十分に細かいので、図１０Ａと同様の基準曲線からのずれ量Δの変化を示すが、図１０Ａに比べてより雑音成分の少ない滑らかな曲線が得られた。
　なお、のこぎり波下方掃引により得られる不連続点周波数ｆＬには、温度による共振周波数ｆ０のシフトと、Ｑ値の変化（温度による変化、および、その他周囲のガス圧力による変化等）の両方の情報が混在している。このため、ガス圧力によるＱ値の変化をとらえることを目的とした本実施の形態では、不連続点周波数ｆＬを温度計５０８ｘの代用とすることは不適であると考えられる。
　同様に三角波掃引により得られる差分周波数ｆＨ－ｆＬは、温度による共振周波数ｆ０のシフトがキャンセルされ、Ｑ値の変化（温度による変化、および、その他周囲のガス圧力による変化等）の情報を有している。このため、ガス圧力によるＱ値の変化をとらえることを目的とした本実施の形態では、差分周波数ｆＨ－ｆＬを温度計５０８ｘの代用とすることは不適であると考えられる。
　次に、閉空間５０７ｘ内に水素ガスが充満して、不連続点が消失する程までにＱ値が低下する場合を示す。この場合、コントローラ４１６は、測定レンジを変更して不連続点を発現せしめることができる。図１２は、測定レンジ切り替え機能を有するＭＥＭＳ共振器５００ｘを用いた圧力センサ４００ａの構成を示すブロック図である。
　図１２に示す圧力センサ４００ａの基本の構成は、実施の形態１の温度センサと同様である。変換部４１５は、変換テーブル４１５Ｔを用いてＭＥＭＳ共振器５００ｘに作用する物理量としての圧力を示す圧力情報を外部に出力する点で実施の形態１の温度センサと相違する。また、図１２に示す圧力センサ４００ａでは、信号処理部４１１から不連続点情報をコントローラ４１６にフィードバックする経路が追加されている点で実施の形態１の温度センサと相違する。
　コントローラ４１６は、不連続点情報に基づいて、Ｑ値が減少したか否かを判断する。具体的には、コントローラ４１６は、不連続点となる不連続点周波数ｆＬが検出できず不連続点周波数ｆＨしか検出できない場合、または、不連続点周波数ｆＬもｆＨも検出できない場合、振動子を囲むガス圧力が過度に増大してＱ値が減少したと判断する。この判断をしたコントローラ４１６は、コントローラ４１６が保有する測定レンジテーブル４１６Ｔに従い、掃引部４０１における励振信号Ｖｉの振幅を増大させるように制御、または、ＭＥＭＳ共振器５００ｘに対してバイアスＤＣ電圧Ｖｐを増大させるように制御し、振動振幅を電気的に増大せしめて、消失した不連続点を復活させる。
　より早期に対処する方法として、信号処理部４１１は、２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬが定めた規定値より小さいことを不連続点情報としてコントローラ４１６にフィードバックしてもよい。コントローラ４１６は、フィードバックされた不連続点情報に基づいて、測定レンジテーブル４１６Ｔに従って励振信号の振幅Ｖｉを増大させるように掃引部４０１に掃引制御信号を出力して、掃引部４０１を介してＭＥＭＳ共振器５００ｘを制御する。または、コントローラ４１６は、バイアスＤＣ電圧Ｖｐを増大させるようにＭＥＭＳ共振器５００ｘにバイアスＤＣ制御信号を出力して、ＭＥＭＳ共振器５００ｘを制御する。
　逆に、差分周波数ｆＨ－ｆＬがある規定値以上の場合、振動子は、電極と接触し始めている。このため、コントローラ４１６は、測定レンジテーブル４１６Ｔに従って、励振信号の振幅Ｖｉを減少させるように掃引部４０１に掃引制御信号を出力して、掃引部４０１を介してＭＥＭＳ共振器５００ｘを制御する。または、コントローラ４１６は、バイアスＤＣ電圧Ｖｐを減少させるようにＭＥＭＳ共振器５００ｘにバイアスＤＣ制御信号を出力して、ＭＥＭＳ共振器５００ｘを制御する。
　図１３は、励振信号強度Ｖｉと差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。図１３は、ある一定の温度と水素ガス圧力の条件にて、励振信号Ｖｉの振幅を変化させたときの差分周波数ｆＨ－ｆＬの変化を示している。励振信号Ｖｉが１００（ｍＶ）以上で差分周波数ｆＨ－ｆＬが変化しなくなり一定値をとる領域に遷移している。この領域は、振動子と電極との接触領域を表している。コントローラ４１６の測定レンジテーブル４１６Ｔは、想定される最小の水素ガス圧力にて、この接触領域に共振が入りこまないような、励振信号のＶｉおよび共振器のバイアスＤＣ電圧Ｖｐを記憶している。
　＜作用効果＞
　次に、本実施の形態における圧力センサの作用効果について説明する。
　上述したように、本実施の形態に係る圧力センサにおいて、振動子５０１ｘは、閉空間５０７ｘ（振動子５０１ｘが配置される空間）内において、ＭＥＭＳ共振器５００ｘに作用する圧力に漸次等しくなる圧力のガスに取り囲まれている。変換部４１５は、検出値に基づいて物理量としてのガスの圧力を決定する。
　これによれば、ＭＥＭＳ共振器５００ｘに対して圧力が加わると、雰囲気の圧力に依存して振動子５０１ｘが所定の振動振幅および振動速度で振動する。このため、この圧力センサでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘでのより高精度な圧力測定を行うことができる。
　本実施の形態等においても、実施の形態１と同様の作用効果を奏する。
　（実施の形態３）
　＜構成＞
　以下では、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ３の基本的な構成は、実施の形態２による図７のＭＥＭＳ共振器５００ｘの基本的な構成と同様であるため、本実施の形態におけるＭＥＭＳ共振器５００ｘ３の基本的な構成について適宜説明を省略する。本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ３は、ピラー５０６ｘを有する点で、実施の形態２による図７のＭＥＭＳ共振器５００ｘと相違する。
　図１４は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ３の断面図である。
　本実施の形態の共振型センサは、図１４に示すように、共振型センサ外部の圧力（流体圧および押圧）によって振動子５０１ｘと電極５０２ｘおよび５０３ｘとの間のギャップ（距離）が変化するタイプのＭＥＭＳ共振器５００ｘ３を用いた圧力センサである。
　ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３は、断面が三角形状をなした梁のねじり共振器である。ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３は、振動子５０１ｘ、電極５０２ｘおよび５０３ｘ、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘの他に、複数のピラー５０６ｘを有する。
　複数のピラー５０６ｘのそれぞれは、電極５０２ｘとダイアフラム５０５ｘとの間、および、電極５０２ｘとダイアフラム５０５ｘとの間で、挟まれるように配置される柱状部材である。複数のピラー５０６ｘのそれぞれは、電極５０２ｘ、５０３ｘ、および、ダイアフラム５０５ｘの少なくともいずれかと一体的に連結されていてもよく、単に配置されていてもよい。複数のピラー５０６ｘのそれぞれは、ダイアフラム５０５ｘがたわむことで、ダイアフラム５０５ｘのたわみ量に応じた応力を電極５０２ｘおよび５０３ｘに伝達する。ダイアフラム５０５ｘおよびピラー５０６ｘは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３に作用する圧力の大きさに応じてギャップの大きさを変化させる。ダイアフラム５０５ｘおよびピラー５０６ｘは、伝達部に相当する。
　ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３の振動子５０１ｘ、ピラー５０６ｘ、電極５０２ｘおよび５０３ｘは、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘによって形成される閉空間５０７ｘに配置される。この閉空間５０７ｘの圧力Ｐｉは、一定に保たれる。特に、閉空間５０７ｘの圧力Ｐｉを、真空状態とすることで、振動子５０１ｘが気体の粘性抵抗を受けずに高いＱ値で共振可能な状態となる。ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３は、静電駆動型であるため、キャパシティブ・バイファケーションによる効果によって、図２９に示す非線形の共振特性を示しやすくなる。閉空間５０７ｘの外からダイアフラム５０５ｘに作用する矢印で示す圧力Ｐ（流体圧および押圧）が増加すると、ダイアフラム５０５ｘがたわむ。ダイアフラム５０５ｘのたわみにより、ピラー５０６ｘを介して電極５０２ｘおよび５０３ｘがたわむ。圧力Ｐを受けて電極５０２ｘと振動子５０１ｘと、および、電極５０３ｘと振動子５０１ｘとのそれぞれの間のギャップを変化させる機構は、外部の圧力Ｐを受けるダイアフラム５０５ｘ、および、ピラー５０６ｘである。例えば、電極５０３ｘがたわむことにより、電極５０３ｘと振動子５０１ｘとの間のギャップが狭くなったり広くなったりすることで、振動子５０１ｘの共振振動の非線形性の度合いが変化する。電極５０２ｘおよび５０３ｘのたわみ量は、ダイアフラム５０５ｘのたわみ量と一定の対応関係を示す。
　図１５は、押圧および流体圧によりギャップが変化したときの差分周波数ｆＨ－ｆＬの変化を示す図である。図１５に示すように、非線形共振の不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬと、ギャップ（振動子５０１ｘと電極５０２ｘとの距離または振動子５０１ｘと電極５０３ｘとの距離）との関係（計算値）を示す。ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３への回路接続は、実施の形態１の図１Ａと同様であり、具体的にはバイアス電圧Ｖｐを５（Ｖ）とし、電極５０３ｘへの励振信号の電圧Ｖｉ（最大値）を１００（ｍＶ）とした。図１５より明らかなように、ギャップが２５０ｎｍ、２３０ｎｍ、２１０ｎｍ、１９０ｎｍと縮まるにつれて、共振特性は非線形性をより強く示すようになりｆＨ－ｆＬは増大する。変換部４１５は、ギャップの大きさに基づいて物理量としての圧力を決定する。このような関係を用いて、圧力センサ外部の圧力（流体圧および押圧）を測定できる。つまり、変換部４１５は、変換テーブル４１５Ｔを用いてＭＥＭＳ共振器５００に作用する物理量としての圧力を決定する。変換部４１５は、決定した圧力を示す圧力情報を外部に出力する。
　＜作用効果＞
　次に、本実施の形態における圧力センサの作用効果について説明する。
　上述したように、本実施の形態に係る圧力センサにおいて、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ３は、振動子５０１ｘと、当該振動子５０１ｘとギャップを隔てて配置される電極５０２ｘおよび５０３ｘと、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ３に作用する圧力の大きさに応じてギャップの大きさを変化させる伝達部と、を備える。変換部４１５は、ギャップの大きさに基づいて物理量としての圧力を決定する。
　これによれば、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３に圧力が加わることで、伝達部は、雰囲気の圧力の変化に応じてギャップの大きさを変化させることができる。ギャップの大きさを変化させることで、電極５０２ｘおよび５０３ｘと振動子５０１ｘとの間のギャップが狭くなったり広くなったりするため、振動子５０１ｘの共振振動の非線形性の度合いを変化させることができる。このため、この圧力センサでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ３でのより高精度な圧力測定を行うことができる。
　本実施の形態等においても、実施の形態１等と同様の作用効果を奏する。
　（実施の形態４）
　以下では、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の基本的な構成は、実施の形態２による図８ＢのＭＥＭＳ共振器５００ｘの基本的な構成と同様であるため、本実施の形態におけるＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の基本的な構成について適宜説明を省略する。本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、振動子５０１ｘの表面に金属膜５０９ｘが形成されている点で、実施の形態２による図８ＢのＭＥＭＳ共振器５００ｘと相違する。
　本実施の形態の共振型センサは、共振型センサ外部から照射される赤外線を振動子５０１ｘが吸収し、振動子５０１ｘの温度が変化するタイプのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を用いた赤外線センサである。
　図１６は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の断面図である。図１６では、図８Ｂと同様に、実装基板上に温度計５０８ｘを設けた例を示している。
　図１６に示すように、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、断面が三角形状をなした梁のねじり共振器である。ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、振動子５０１ｘ、電極５０２ｘおよび５０３ｘ、隔壁層５０４ｘおよびダイアフラム５０５ｘによって形成される閉空間５０７ｘに包含されている。
　また、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、振動子５０１ｘが赤外線の照射を受けたときの温度Ｔ＋ΔＴを取得することで、温度計５０８ｘに基づいて入射する赤外線パワーに相関を持つ温度変化ΔＴを取得する。
　この閉空間５０７ｘの圧力Ｐｉは、一定に保たれる。特に、閉空間５０７ｘの圧力Ｐｉを真空状態とすることで、振動子５０１ｘが気体の粘性抵抗を受けずに高いＱ値で共振可能な状態となる。ＭＥＭＳ共振器５００ｘは、静電駆動型であるため、キャパシティブ・バイファケーションによる効果によって、図２９に示す非線形の共振特性を示しやすくなる。赤外線は、閉空間５０７ｘの外からダイアフラム５０５ｘを透過して振動子５０１ｘに照射される。振動子５０１ｘの側面である表面には、金属膜５０９ｘが形成される。振動子５０１ｘの材料をシリコンとし、金属膜５０９ｘの材料をＴｉＮとすると、シリコンは誘電体であるため、ＴｉＮ金属膜および振動子５０１ｘの両者の光学特性は、異なる。両者の境界において電磁波としての赤外線の電磁気学的境界条件を満たすために、金属膜５０９ｘ側に微量な電流が生じることで、金属膜５０９ｘは加熱されて温度が上昇する。巨視的には、金属膜５０９ｘが赤外線を吸収することで振動子５０１ｘがΔＴの温度変化を示したとみなせる。変換部４１５は、温度計５０８ｘが計測した温度Ｔ（環境温度であり、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度の代表値）と、振動子５０１ｘの温度Ｔ＋ΔＴとに基づいて、温度変化ΔＴを求め、求めた温度変化ΔＴに基づいて物理量としての入射された赤外線パワーを決定する。さらに赤外線パワーから赤外線を放射する物体の温度を求めれば、本赤外線センサはサーモグラフィの撮像素子となる。
　以下、振動子５０１ｘの温度変化（ΔＴ）は、実施の形態１の温度センサで説明したとおり、非線形共振の不連続点周波数ｆＨ、ｆＬ、または、ｆＨ－ｆＬを用いて検出できる。
　なお、振動子５０１ｘ側面の金属膜５０９ｘの材料は、シリサイドでも良い。ただし、赤外線センサを構成する上で重要なことは、振動子５０１ｘの温度変化が、環境温度等の変動に伴うデバイスの温度変化によるものなのか、金属膜５０９ｘが吸収した赤外線によるものなのかを選別しなければならない。そのために、実施の形態２の圧力センサで説明した図８Ａまたは図８Ｂのように、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４内に温度計５０８ｘを包含したり、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を実装する実装基板上に温度計５０８ｘを設けたりしてもよい。この場合、温度計５０８ｘが指示する温度を、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度の代表値とする。
　赤外線センサでは、不連続点周波数の温度特性を得る前処理として、温度制御が可能な恒温槽内にて非線形共振領域でＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を駆動し、温度計５０８ｘの示す温度と、得られた不連続点周波数の関係とを取得する。このとき、赤外線センサが本来感知すべき赤外線波長領域は、遮光された状態とする。また、振動子５０１ｘを含めてＭＥＭＳ共振器５００ｘ４全体の温度が一様となるように十分に時間を経過させてから測定する。
　図１７は、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度と２つの不連続点周波数の差分周波数ｆＨ－ｆＬとの関係を示す図である。図１７は、図９と同様である。図１７では、温度計５０８ｘが指示するＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度変化に起因するｆＨ－ｆＬの変化を示している。このため、図１７のグラフを基準として、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度依存成分を次のように排除できる。
　赤外線センサとしてＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を使用するにあたり、温度計５０８ｘがある温度Ｔ１をＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度として指示しているにもかかわらず、ｆＨ－ｆＬの値が図中の★印の値を示しているならば、基準グラフよりも★印の値は下回っていることを示す。この場合、外部から照射された赤外線を金属膜５０９ｘが吸収して振動子５０１ｘの温度が上昇し、振動子５０１ｘの共振のＱ値が減少して、それが非線形共振においてｆＨ－ｆＬの減少として表れていると考えられる。すなわち、ｆＨ－ｆＬの実測値の基準グラフからずれた量Δ（この場合は負の値）が振動子５０１ｘに照射された赤外線パワーを示している。
　なお、実施の形態１の温度センサで説明したように、振動子５０１ｘの温度変化を読み取るため、図１７の基準曲線の縦軸は、励振信号の三角波の周波数掃引で得られるｆＨ－ｆＬに限定されず、のこぎり波の上方掃引で得られるｆＨ、または、のこぎり波の下方掃引で得られるｆＬを利用してもよい。
　なお、温度計５０８ｘには、ＰＮダイオード型、熱電対型、焦電形などであるが、温度をセンシングする方式は限定されない。さらには、温度計５０８ｘの代わりに、実施の形態１で述べたＭＥＭＳ共振器を用いた温度センサを利用してもよい。すなわち、図１６のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、赤外線センサとして機能させるが、同形のＭＥＭＳ共振器を隣に設けてそれを温度センサとしてもよい。ただし、温度センサとして用いるＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の温度を取得することを目的とするため、照射される赤外線の影響を受けにくいように、振動子５０１ｘの側面に赤外線吸収用の金属膜５０９ｘを設けない構成にしたり、ダイアフラム５０５ｘ上に赤外線を反射または吸収させる金属膜を積層させたりする。
　なお、本実施の形態の赤外線センサの振動モードは、ねじり振動モードを利用している。ここでは、ねじり振動モードを用いる利点を、一般的に使われるたわみ振動と比較して説明する。
　たわみ振動モードは、振動の１往復間に梁としての振動子の上面と下面とのどちらか一方が圧縮され、もう一方が伸長する。このため、上下面の間で常に熱の流入が繰り返され、その熱の一部は、梁の支持部としての振動子支持部へ散逸する。すなわち、赤外線照射により振動子に微量に発生した熱の流れ以外に、たわみ振動に伴う熱の流れが振動子に重畳するため、微量な赤外線検出には不適であると考えられる。一方で、ねじり振動は、振動子内の各点において振動に伴う体積変化が伴わない特殊な振動であるため、振動に伴う熱の流入が伴わない。従って、振動子に発生する熱は、振動子支持部を介して伝熱してきた雰囲気温度によるものか、もしくは、赤外線照射に起因する熱によるものかに限定される。前者をキャンセルできれば、振動子に発生する熱に基づいて微量な赤外線量を検出することができる。
　さらに、たわみ振動の共振周波数に比べて、ねじり振動の共振周波数は、梁の軸応力変化に対して鈍感である。赤外線照射により振動子に発生した熱で、振動子の軸応力が変化し、それをたわみ振動の共振周波数変化としてとらえる方法もあるが、梁としての振動子の軸応力は、製造工程に大きく依存するため、同じ軸応力を持つＭＥＭＳ共振器を大量に作ることは難しい。その点、本実施の形態のように、ねじり振動を用いるＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、製造工程における軸応力のばらつきにも、温度変化による軸応力変化にも鈍感である。
　このため、本実施の形態のように、赤外線吸収による振動子５０１ｘの温度変化をＱ値変化としてとらえ、そのＱ値変化を非線形共振領域で差分周波数ｆＨ－ｆＬとして検出することができる。本実施の形態では、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を大量に均質に製造することに適している。
　以下では、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を用いた赤外線センサの変形例について説明する。以下の変形例では、実施の形態４の赤外線センサおよび赤外線センサのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の基本的な構成と同様であるため、以下の変形例における赤外線センサおよび赤外線センサのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の基本的な構成について、同一の符号を用いて適宜説明を省略する。なお、以下の変形例ではＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を用いているが、本実施の形態のどのＭＥＭＳ共振器を用いてもよい。
　＜変形例１＞
　図１８は、実施の形態４の変形例１における赤外線センサアレイの構成を示すブロック図、および、記号化された静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の説明図である。図１８では、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４をアレイ状に複数個並べた赤外線センサアレイを示す。図１８の静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４への電気接続は、２ポート構成であり、全てのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の電極５０２ｘに周波数掃引された励振信号が印加される。複数のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４のそれぞれの振動子５０１ｘには、バイアスＤＣ電圧Ｖｐが印加され、非線形共振の領域で励振される。マルチプレクサ６０１は、順次選択する列を変更してアレイ化された全てのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４から入射された赤外線パワー情報を得る。それぞれの振動子５０１ｘの共振による変位電流（振動状態情報信号）は、マルチプレクサ６０１によって、それぞれの電極５０３ｘに接続されたＭＯＳスイッチを介して選択された列Ｃ１、Ｃ２などからの出力信号（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２など）のみが、それぞれの電極５０３ｘから出力される。マルチプレクサ６０１によって選択されたそれぞれの電極５０３ｘからの出力信号は信号処理部４１１に入力され、信号処理部４１１から赤外線パワー情報が出力される。
　＜変形例２＞
　図１９は、実施の形態４の変形例２における赤外線センサアレイの別の構成を示すブロック図である。図１９ではＭＥＭＳ共振器５００ｘ４に印加されるバイアスＤＣ電圧に共振のＯＮ／ＯＦＦ機能があるため、図１９に示すようにマルチプレクサ６０１にバイアスＤＣ電圧機能を持たせた状態で振動子５０１ｘに接続すれば、それぞれのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の出力側の電極５０３ｘ側に設けた図１８のようなＭＯＳスイッチが不要になり、回路構成を簡素化できる。
　図２０は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の電気的接続方法を示す図である。
　なお、図１８、図１９におけるＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の接続構成は、図２０のａに示す２ポート構成としたが、接続構成は２ポート構成に限定されるものではなく、図２０のｂの１ポート構成、図２０のｃ、図２０のｄの１ポート差動出力構成でもよい。図２０中のｂｉａｓ－Ｔは、交流信号に直流電圧Ｖｐを重畳させる素子である。
　図２０のａでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の電極５０２ｘには周波数掃引された励振信号が印加され、振動子５０１ｘにはバイアスＤＣ電圧Ｖｐが印加され、電極５０３ｘから出力信号が出力される。図２０のｂでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の振動子５０１ｘには周波数掃引された励振信号が印加され、電極５０３ｘから出力信号が出力される。図２０のｃでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の振動子５０１ｘには周波数掃引された励振信号が印加され、電極５０３ｘから出力された出力信号にｂｉａｓ－Ｔを介して直流電圧Ｖｐを重畳した信号と、電極５０２ｘ１からの出力信号との差動信号が出力される。図２０のｄでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の振動子５０１ｘには周波数掃引された励振信号が印加され、電極５０３ｘから出力された出力信号にｂｉａｓ－Ｔを介して直流電圧Ｖｐを重畳した信号と、電極５０２ｘ１から出力された出力信号にｂｉａｓ－Ｔを介して直流電圧－Ｖｐを重畳した信号との差動信号が出力される。
　また、周波数掃引された励振信号を発生するのは、デジタルＰＬＬシンセサイザに限定されず、アナログ型電圧制御発振器（ＶＣＯ）でもよい。掃引過程における不連続点周波数と時刻情報とを関連づけるために、周波数掃引の速さ（ｄｆ／ｄｔ）が精度よく一定値をとることができる発振器が望ましい。
　＜作用効果＞
　次に、本実施の形態における赤外線センサの作用効果について説明する。
　上述したように、本実施の形態に係る赤外線センサにおいて、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器である。赤外線センサは、さらに、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４に設けられる温度計５０８ｘを備える。ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４は、温度計５０８ｘに基づいて自身の温度Ｔを取得し、振動子５０１ｘは、赤外線の照射を受けたときの温度Ｔ＋ΔＴを取得する。変換部４１５は、温度計５０８ｘが計測した温度と検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求め、求めた温度変化ΔＴに基づいて物理量としての赤外線パワーを決定する。
　これによれば、ＭＥＭＳ共振器５００を取り巻く環境温度（周囲の温度）が変化しても、温度計５０８ｘが計測した温度と検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求めることができる。このため、この赤外線センサでは、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４でのより高精度な赤外線パワー測定を行うことができる。その結果、この赤外線センサでは、環境温度の変動による影響を受け難い。
　本実施の形態等においても、実施の形態１等と同様の作用効果を奏する。
　（実施の形態５）
　図３２は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ５の断面図である。
　以下では、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ５の基本的な構成は、実施の形態２、４等による図１６のＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の基本的な構成と同様であるため、本実施の形態におけるＭＥＭＳ共振器５００ｘ５の基本的な構成について適宜説明を省略する。本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ５では、赤外線を用いる点で、実施の形態２等のＭＥＭＳ共振器と相違する。また、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ５では、図３２に示すように、温度計５０８ｘが設けられていない点で、実施の形態４等のＭＥＭＳ共振器と相違する。
　本実施の形態の共振型センサも、共振型センサ外部から照射される赤外線を振動子５０１ｘが吸収し、振動子５０１ｘの温度が変化するタイプのＭＥＭＳ共振器５００ｘ４を用いた赤外線センサである。
　＜概要＞
　例えば、図１６に示すように、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の周囲の温度つまり環境温度が変化した場合、温度計５０８ｘは、環境温度の変化を検知する。このとき、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の実装基板等の温度も変化する。実装基板の温度変化は、隔壁層５０４ｘと実装基板との間のシリコン基板５１０ｘを介して振動子５０１ｘに伝わる。この場合、温度計５０８ｘが温度変化を検知した時点と、振動子５０１ｘの温度変化の時点との時間差によって、図１７に示す★印のｆＨ－ｆＬの値が基準グラフからズレてしまう。このように、温度計５０８ｘとＭＥＭＳ共振器５００ｘ４の振動子５０１ｘとの距離が離れていれば、赤外線による温度変化か、単なる環境温度の変化による温度変化かを区別し難い場合がある。
　＜温度センシングの手段＞
　そこで、本実施の形態では、赤外線による温度変化と環境温度の変化とを区別するために、以下の温度センシングの手段について説明する。
　図３３は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００ｘ５と、その振動子５０１ｘにおける温度分布を示す図である。
　図３３のａおよび図３３のｂに示すように、本実施の形態のＭＥＭＳ共振器５００ｘ５の振動子５０１ｘは、その長手方向の一方側端部が一方の振動子支持部５０１ｘ１に支持され、他方側端部が他方の振動子支持部５０１ｘ１に支持されている。
　このＭＥＭＳ共振器５００ｘ５では、図３３のａに示すように、振動子５０１ｘが赤外線の照射を受けていない場合において、環境温度が変化して所定期間が経過すると、シリコン基板５１０ｘ、振動子５０１ｘ、一方の振動子支持部５０１ｘ１、及び、他方の振動子支持部５０１ｘ１の温度は一様になる。
　また、このＭＥＭＳ共振器５００ｘ５では、図３３のｂに示すように、振動子５０１ｘが赤外線の照射を受けた場合において、振動子５０１ｘに温度分布が生じる。これは、振動子５０１ｘに対して一様に赤外線を照射しても、振動子５０１ｘの内部で発生した熱は振動子５０１ｘを伝導して両端からシリコン基板５１０ｘに向かって散逸するために温度分布が生じると考えられる。図３３のｂでは、一様に赤外線が照射されることで、温度が高い箇所を黒いハッチングで示し、温度が高い個所から温度が低くなるほど、ドットの大きさ及び密度が小さくなるドットのハッチングで示している。
　本実施の形態では、図３３のａの状態と図３３のｂの状態とを区別するために、振動子５０１ｘにおける両端側の温度を環境温度とみなす。これは、環境温度が変化した場合、上述したように、シリコン基板５１０ｘを介して振動子５０１ｘにおける両端側から温度が変化するため、振動子５０１ｘにおける両端側の温度を環境温度とみなす。振動子５０１ｘにおける両端側の温度とは、振動子５０１ｘの一方側端部及び振動子５０１ｘの他方側端部の温度、又は、一方の振動子支持部５０１ｘ１及び他方の振動子支持部５０１ｘ１の温度である。
　図３３のｂに示すように、振動子５０１ｘに対して一様に赤外線が照射された場合、振動子５０１ｘの両端側よりも振動子５０１ｘの中心部分の方が、温度が高くなる。つまり、振動子５０１ｘに対して一様に赤外線が照射された場合、振動子５０１ｘ内で長手方向の単位長さあたり同じ熱流が発生するが、振動子５０１ｘの両端側からシリコン基板５１０ｘの方向に熱が逃げるため、振動子５０１ｘの中心部分から両端側に向かって常に熱が流れて温度勾配を生じさせている、すなわち振動子５０１ｘの中心部分から両端側に向かって温度差が発生し、中心部分が最も温度が高く当該両端側に向かうほど温度は低下する。逆に、赤外線センサが自身よりも低い温度の物体を感知する場合は、振動子５０１ｘから赤外線が放出され、中心部分が最も温度が低く当該両端側に向かうほど温度は上昇する。
　そこで、上記記載に基づき、赤外線による温度変化と、単なる環境温度の変化とを区別する。
　図３４は、環境温度情報ｆＨと、差分周波数ｆＨ－ｆＬ＝δｆとの関係を示す図である。図３４の横軸は環境温度情報であり、縦軸は差分周波数δｆである。図３４の★は、不連続点周波数ｆＨのときの差分周波数δｆの値を示し、図３４のΔは、振動子５０１ｘの温度が一様に環境温度となったときの基準グラフからのズレ量を示している。
　基準グラフからのズレ量Δは、照射された赤外線強度となる。
　振動子５０１ｘの温度が一様な場合（赤外線の照射なしの場合）と、赤外線を振動子５０１ｘに照射した場合とを図３５に示す。図３５は、振動子５０１ｘの温度を一様にした場合と、振動子５０１ｘに赤外線を照射した場合のシミュレーション結果を示す図である。
　図３５に示すように、振動子５０１ｘの一方側端部は、一方の振動子支持部５０１ｘ１に連結されることで振動しないものとする。また、振動子５０１ｘの他方側端部も、他方の振動子支持部５０１ｘ１に連結されることで振動しないものとする。振動子支持部５０１ｘ１に連結された部分以外で、振動子５０１ｘが振動する。
　図３５のａでは、振動子５０１ｘには赤外線が照射されない状態を表し、振動子５０１ｘの温度分布は一様で環境温度と同じ値とした。環境温度が２４．７９℃とき、振動子５０１ｘの共振周波数は２０．６６４６７ＭＨｚとなる。この場合、環境温度２４．００℃で一様な温度分布の振動子５０１ｘの場合に比べて、振動子５０１ｘのバネ定数は－４０．６ｐｐｍ変化している。
　図３５のｂでは、振動子５０１ｘに赤外線が照射された状態として、振動子５０１ｘの内部から熱流を発生させて温度分布を生じさせた。この場合、振動子５０１ｘの両端の温度を環境温度２４．００℃とすると、当該両端から中心部に近づくにつれて温度が上昇し、中心部が２５．５８℃となった。このときの振動子５０１ｘのバネ定数は、環境温度２４．００℃で一様な温度分布の振動子５０１ｘの場合に比べて、－５３．５ｐｐｍ変化している。
　これは、赤外線の照射によって振動子５０１ｘの温度が上昇することで、振動子５０１ｘが柔らかくなったためと考えられる。このとき、図３５のｂの振動子５０１ｘの方が図３５のａの振動子５０１ｘよりもバネ定数がより下がるため、振動振幅は、大きくなる傾向にある。
　この次に共振周波数の変化と、振動子５０１ｘの平均温度との関係を、図３６を用いて説明する。図３６は、共振周波数の変化と、振動子５０１ｘの平均温度との関係を示す図である。図３６の縦軸は共振周波数の変化であり、横軸は振動子５０１ｘの平均温度である。図３６の太い実線は、熱の輻射がない場合（例えば赤外線の照射がない場合）の基準線（温度に関する基準値の一例）を示している。丸点の実線は、環境温度が２４．０°のときの熱の輻射がある場合を示している。三角点の実線は、環境温度が２４．５°のときの熱の輻射がある場合を示している。四角点の実線は、環境温度が２５．０°のときの熱の輻射がある場合を示している。ここで、平均温度は、温度分布のある振動子５０１ｘの場合、その全体の平均温度である。熱の輻射がない場合の基準線は、予め測定することで得られた値である。
　図３６の基準線上の点Ｒ１は、図３５のａに示すところの、赤外線照射がなく、振動子５０１ｘの温度が環境温度２４．７９℃と同じ値に一様になり、かつ共振周波数が２０．６６４６７ＭＨｚになった状態に対応している。上述の振動子５０１ｘの共振周波数が同じ２０．６６４６７ＭＨｚの場合でも、基準線上の点Ｒ１に対して、丸点の実線、三角点の実線、及び、四角点の実線で振動子５０１ｘの平均温度に差ΔＴが生じている。例えば、共振周波数が２０．６６４６７ＭＨｚの場合、丸点の実線上の点Ｒ２は、基準線上の点Ｒ１に対して振動子５０１ｘの平均温度に差ΔＴが生じている。点Ｒ２は、図３５のｂに示したところの、振動子５０１ｘの両端が環境温度２４．００℃で、赤外線照射を受けて振動子５０１ｘの長さ中心の温度が２５．５８℃に上昇している状態に対応する。
　次にバネ定数と、共振周波数との関係を、図３７を用いて説明する。図３７は、バネ定数と、共振周波数の変化との関係を示す図である。図３７の縦軸はバネ定数であり、横軸は共振周波数の変化である。図３７の太い一点鎖線は、熱の輻射がない場合（例えば赤外線の照射がない場合、振動子５０１ｘ内部における単位体積あたりからの熱の湧き出しは０ｎＷ／ｕｍ３）の基準線を示している。破線は、基準線に対する差－１００ｎＷ／ｕｍ３、－５０ｎＷ／ｕｍ３、５０ｎＷ／ｕｍ３、１００ｎＷ／ｕｍ３、１５０ｎＷ／ｕｍ３、２００ｎＷ／ｕｍ３を示している。また、基準線よりも上側の破線は、振動子５０１ｘの温度が低下した場合を示し、基準線よりも下側の破線は、振動子５０１ｘの温度が上昇した場合を示している。また、丸点は、環境温度が２４．０°のときの熱の輻射がある場合（例えば、赤外線の照射がある場合）を示している。三角点は、環境温度が２４．５°のときの熱の輻射がある場合を示している。四角点は、環境温度が２５．０°のときの熱の輻射がある場合を示している。
　図３７では、例えば、－２０ｐｐｍにおける共振周波数の変化を見ると、同じ共振周波数でも一点鎖線の基準線上の点Ｐ１に対して、丸点、三角点及び四角点で、バネ定数に差が生じている。例えば、共振周波数の変化が－２０ｐｐｍの場合、丸点Ｐ２は、基準線上の点Ｐ１に対してバネ定数に差が生じている。
　このことから、共振周波数が同じでも、振動子５０１ｘのバネ定数に差があると、差分周波数δｆもより大きくなることがわかる。つまり、振動子５０１ｘに温度分布が生じている（温度勾配がある）ということがわかれば、赤外線が振動子５０１ｘに照射されていると判断できる。従って、赤外線による温度変化か、単なる環境温度の変化による温度変化かを区別することができるようになる。その結果、図１６に示すような実装基板上の温度計５０８ｘを付加しなくても、赤外線による温度変化を検知することができる。つまり、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ５では、赤外線パワー情報を得ることができる。
　なお、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ５の振動子５０１ｘと電極間のバイアス電圧Ｖｐ（バイアス電圧の加え方は図２０に記載）をより大きな値として共振させることで、赤外線の検出感度を向上させてもよい。この場合、図２９に示す非線形共振曲線はより大きく左に傾くので、照射によるバネ定数の微量な変化から差分周波数δｆへの変換比率が向上する。こうすることで、図３７のＰ１とＰ２とにおける差分周波数ｆＨ－ｆＬ＝δｆの差３．７Ｈｚを得ることができた。
　＜作用効果＞
　次に、本実施の形態における赤外線センサの作用効果について説明する。
　上述したように、本実施の形態に係る赤外線センサにおいて、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ５は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器である。そして、物理量決定部（変換部４１５）は、温度に関する基準値（基準線に含まれる）と検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求め、求めた温度変化ΔＴに基づいて物理量としての赤外線パワーを決定する。
　これによれば、温度計を付加しなくても、振動子５０１ｘに生じた温度分布によって、赤外線が振動子５０１ｘに照射されていると判断することができる。このため、この赤外線センサでは、製造コストの高騰化を抑制することができる。
　また、ＭＥＭＳ共振器５００ｘ５を取り巻く環境温度（周囲の温度）が変化しても、扱う物理量は振動子という極めて限られた微小空間の中の温度分布であるので、この赤外線センサは、環境温度の変動による影響をより受け難い。
　（その他変形例）
　以上、本開示について、実施の形態１～５に基づいて説明したが、本開示は、これら実施の形態１～５に限定されるものではない。
　上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、共振型センサの振動子は、両持ち梁に限定されない。振動子は、片持ち梁型、ディスク型、リング型、および、スクエア型などといった多様な形態でもよい。これら形態の振動子は、いずれも、共振型センサのＭＥＭＳ共振器の振動子として用いてよい。励振信号の入力によりＭＥＭＳ共振器の振動子に励起される振動モードは、たわみ振動モード、ねじり振動モードなどのいかなる振動モードであってもよい。また、ＭＥＭＳ共振器の製造方法は、ＳＯＩ基板を用いる方法に限定されない。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、振動状態情報信号は、容量変化に伴って流れる変位電流に由来する信号に限定されない。図２１は、振動状態情報信号（振動速度情報信号）の出力例を示す図である。図２１では、振動子５０１の振動速度を光学的に検出し、振動子５０１の振動速度情報の信号を、振動状態情報として出力する。図２１の共振型センサでは、ドップラ干渉計４１８（速度計）をさらに設け、振動子５０１の振動速度を検出する。検出された振動速度に関する情報は、振動状態情報信号（振動速度情報信号）としてドップラ干渉計４１８から信号処理部４１１へ出力される。上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、振動状態情報信号は、振動子５０１の振動速度に関する情報を含んだ信号である。これによれば、共振型センサは、振動子５０１の振動速度を検出することができる。振動速度は振動振幅と位相が９０度ずれた信号であるが、共振曲線は図２９、図３０と同様な特徴を示すので、周波数掃引における振動速度情報の不連続点を用いた物理量のセンシングが可能である。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、振動状態情報信号は、振動子５０１のたわみに関する情報であってもよい。図２２の共振型センサは、レーザ光源４１９を備える。共振型センサでは、レーザ光源４１９がレーザ光をＭＥＭＳ共振器５００の振動子５０１に対して照射し、反射レーザ光を４分割フォトダイオードで受光して、振動子５０１のたわみ角を検出する。共振型センサでは、振動子５０１のたわみの程度（たわみ角）を４分割フォトダイオードで検出し、検出されたたわみ角の情報が振動状態情報信号（たわみ角度情報信号）として信号処理部４１１へ出力される。なお、振動子のたわみ角を検出するためのフォトダイオードの分割数は、４に限定されず、３以下でもよく５以上であってもよい。共振型センサでは、任意の数に分割されたフォトダイオードを、振動子のたわみ角を検出するためのフォトダイオードとして使用することができる。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、信号処理部へ入力されるべき振動状態情報信号は、振動子の振幅情報信号に限定されない。振動状態情報信号は、振動子の振動運動の特徴（振動の振幅および速度等）がよく反映された情報を含んでいればよい。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサでは、図２９の共振特性１２１のような共振特性を示すキャパシティブ・バイファケーションに起因した非線形現象のみならず、図３０の共振特性１３１のような共振特性を示すメカニカル・バイファケーションに起因した非線形現象にも有効である。不連続点周波数ｆＨをｆＬに、不連続点周波数ｆＬをｆＨに読み替えればよい。メカニカル・バイファケーションは、振動子のばね性の非線形性により図３０の共振特性１３１のように共振曲線が周波数の高い方向へ傾く現象である。振動子のばね性の非線形性は、振動振幅を比較的大きくとると発生する現象である。図２７Ａおよび図１Ｂに示した静電容量型のＭＥＭＳ共振器１００および５００のように、振動を阻害するように電極を振動子に対向させて配置する構成では、キャパシティブ・バイファケーションによる非線形効果が、メカニカル・バイファケーションによる非線形効果を上回るため、図３０に示す非線形性は、概して発生しにくい。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサでは、図２３に示すように、振動子としての片持ち梁８０１と振動子支持部８０１ｓとが形成され、振動子支持部８０１ｓが図示しない基板部分に固定された構成を有する。図２３は、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器８００の構成を示す斜視図である。図２３では、静電容量型でないＭＥＭＳ共振器８００（非静電容量型のＭＥＭＳ共振器）を利用してメカニカル・バイファケーションを発生させる。片持ち梁８０１の振動子支持部８０１ｓ側の端部近傍には、圧電素子８０２がＭＥＭＳ共振器８００に搭載される。圧電素子８０２には、励振信号が印加される。これにより、片持ち梁８０１は、励振信号に応じた振動運動を行う。レーザ光源８０３から照射され、片持ち梁８０１で反射されたレーザ光は、４分割フォトダイオード８０４によって受光される。４分割フォトダイオード８０４は、振動に伴う片持ち梁８０１のたわみ角を検出し、たわみ角度情報信号として信号処理部４１１に出力する。たわみ角度情報信号は、信号処理部４１１に振動状態情報信号として入力される。なお、片持ち梁８０１のたわみ角を検出するためのフォトダイオード８０４の分割数は、４に限定されず、３以下でもよく５以上であってもよい。任意の数に分割されたフォトダイオードは、片持ち梁８０１のたわみ角を検出するためのフォトダイオード８０４として使用することができる。このような構成を有するＭＥＭＳ共振器８００では、片持ち梁８０１の振幅が大きくなると、メカニカル・バイファケーションによる非線形効果が現れる。そのため、共振特性は、図３０の共振特性１３１のように、右側に（高周波数側に）湾曲する。このような、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、ＭＥＭＳ共振器８００は、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器である。振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である周波数ｆＨおよび周波数ｆＬは、振動子の共振周波数ｆ０よりも高い周波数である。このように、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器を用いて、より高精度なセンシングを行うことができる。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、図２３では、励振信号に従って振動子８０１にひずみを与える素子として圧電素子８０２を用いたが、ひずみを与える素子は圧電素子８０２に限定されない。例えば、ひずみを与える素子は、磁歪素子でもよい。また、振動子８０１は、片持ち梁８０１に限定されず、両持ち梁でもよい。その場合、両持ち梁に交流電流を入力し、梁を貫通するように外部静磁界をかけることで、ローレンツ力によって振動子８０１を励振させることもできる。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、フォトサーマル効果による光励振を用いることもできる。明滅するレーザ光を集光させて振動子にスポット照射することで、振動子のスポット部分が熱せられてひずみが発生し、振動子を励振させることができる。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、振動状態情報信号を生成し出力する手法は、４分割フォトダイオードを用いる方法に限定されない。例えば、振動子上に形成したピエゾ抵抗素子または圧電素子を用いれば、振動子の振動に伴うひずみを電気信号の変化として出力することができる。
　また、上記に説明された上記実施の形態３に係る共振型センサとしての流体圧および押圧の圧力センサは、振動子と電極との間のギャップを変化させる力を検出する構成であるが、このような電極側に作用した力を検出するセンサ方式に限定されず、振動子側に力を作用させて、その力を読み取る方式にも有効である。図１Ｂの静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００を図１Ａのように接続して、コリオリ力を検出することもできる。図２４は、振動子に加わるコリオリ力の説明図である。図２４のａでは、振動子と電極との断面を模式的に示しており、振動子は、横方向のたわみ振動モードで非線形共振が発現するように周波数掃引された励振信号が共振器に入力される。振動子の軸方向に回転角速度が加わると、振動子断面には上方にコリオリ力が作用する。コリオリ力は励振方向と直交するが、コリオリ力による変位は、振動子側面と電極間の傾斜したギャップ間距離を微量に近づける。これにより非線形共振曲線の傾きの伸びが変化するため、振動状態情報信号の不連続点の周波数からコリオリ力を検出できる。コリオリ力から振動子に加わった角速度を換算することで角速度センサとして機能する。図２４のｂでは、図２４のａと同じ原理で振動子に加わる速度を検出する構成を示す。振動子がねじり振動モードで非線形共振が発現するように、周波数掃引された励振信号がＭＥＭＳ共振器に入力される。振動子の軸方向に垂直である水平方向に速度が加わると、振動子断面には、上方にコリオリ力が作用する。コリオリ力は励振方向と直交するが、コリオリ力による変位は、振動子側面と電極との間の傾斜したギャップ間を微量に狭める（振動子側面と電極とを近づける）。これにより、非線形共振曲線の傾きの伸びが変化し、振動状態情報信号の不連続点の周波数からコリオリ力を検出できる。この共振型センサは、コリオリ力から振動子に加わった速度を換算することで、速度センサとして機能する。このような、上記に説明された上記実施の形態３に係る共振型センサにおいて、振動子は、掃引部による掃引による振動モードの振動方向と直交する回転速度が印加される。変換部は、検出値に基づいて掃引による振動モードおよび回転速度の両方に直交するコリオリ力を求め、求めたコリオリ力に基づいて前記物理量としての回転速度を決定する。これによれば、静電容量型のＭＥＭＳ共振器を用いてコリオリ力を求めることができる。このため、コリオリ力から振動子に加わった角速度を換算することで、共振型センサを角速度センサとすることができる。また、上記に説明された上記実施の形態３に係る共振型センサにおいて、振動子は、掃引部による掃引によるねじり振動モードの振動方向と直交する速度が印加される。物理量決定部は、検出値に基づいて掃引によるねじり振動モードおよび速度の両方に直交するコリオリ力を求め、求めたコリオリ力に基づいて前記物理量としての前記速度を決定する。これにおいても、上述と同様の作用効果を奏する。
　また、上記に説明された上記実施の形態１～５に係る共振型センサにおいて、図２では振動状態情報信号は信号処理部４１１内の検波器４１３でその振幅を検波していたが、同期検波して振幅情報を抽出してもよい。図２５の共振型センサでは、掃引部４０１から励振信号と同じ同一周波数で位相が同一の信号がリファレンス信号として検波器４１３に送られ、同期検波が行われる構成としている。図２５は、同期検波を用いる静電容量型のＭＥＭＳ共振器５００の構成を示すブロック図である。なお、同期検波を行うと振動状態情報信号の振幅だけではなく、位相情報（リファレンス信号からの位相ずれ量）も抽出することができる。図２６は、同期検波によって得られた振動子の振幅情報、位相情報、および、不連続点を示す図である。図２６では、位相検波で得られた振幅情報と位相情報とが表される。図２６のＡ点が周波数の上方掃引により得られる不連続点であり、そのときの周波数はｆＨである。Ｂ点が周波数の下方掃引により得られる不連続点であり、そのときの周波数はｆＬである。位相情報においても、周波数ｆＬとｆＨにおいて位相信号が不連続に急峻に変化するので、位相情報に関して閾値を設けてｆＬとｆＨを検出してもよい。
　本開示のＭＥＭＳ共振器を用いた共振型センサは、温度センサ、ガス濃度センサ、流体圧センサ、押圧センサ、赤外線センサ、速度センサ、角加速度センサ等に使用できる。
４００、４００ａ　温度センサ
４０１　掃引部
４０２　ＰＬＬシンセサイザ
４１１　信号処理部
４１２　不連続点検出部
４１３　検波器
４１４　閾値検出部
４１５　変換部
４１６　コントローラ（測定レンジ切り替え制御部）
５００、５００ｘ、５００ｘ３、５００ｘ４、５００ｘ５　静電容量型のＭＥＭＳ共振器
５０１、５０１ｘ　振動子
５０２、５０３、５０２ｘ、５０３ｘ　電極
５０５ｘ　ダイアフラム（伝達部）
５０６ｘ　ピラー（伝達部）
５０８ｘ　温度計
８００　非静電容量型のＭＥＭＳ共振器
８０１　振動子（片持ち梁）

Claims (16)

  1. 　ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）共振器を用いた共振型センサであって、
    　ＭＥＭＳ共振器と、
    　所定の掃引方向に沿って前記ＭＥＭＳ共振器の振動子の励振信号の周波数を掃引し、掃引された前記励振信号を前記ＭＥＭＳ共振器へ出力する掃引部と、
    　前記ＭＥＭＳ共振器から前記励振信号に基づく前記振動子の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した前記振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出する検出部と、
    　前記検出した検出値に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する物理量決定部と、を備える、
    　共振型センサ。
  2. 　前記検出部は、前記掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、前記掃引方向とは逆方向の掃引において振動状態情報信号が不連続に変化するときの周波数と、を含んだ励振信号の少なくとも２つの周波数の差を検出値とする、
    　請求項１に記載の共振型センサ。
  3. 　前記掃引部は、前記掃引における振動状態情報信号の不連続な変化の検出を起点として掃引を逆方向に切り替え、再び振動状態情報信号の不連続な変化の検出を起点として掃引を再度に逆方向に切り替えして戻す動作を繰り返し、
    　前記検出部は、前記掃引方向における順方向および逆方向の２状態を表す２値を有するパルス信号を検出値として出力し、
    　前記物理量決定部は、出力された当該検出値であるパルス信号のパルス時間幅に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定する、
    　請求項２に記載の共振型センサ。
  4. 　前記ＭＥＭＳ共振器は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、
    　振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である第１周波数および第２周波数は、前記振動子の共振周波数よりも低い周波数である、
    　請求項３に記載の共振型センサ。
  5. 　前記振動子は、前記振動子が配置される空間において、前記ＭＥＭＳ共振器に作用する圧力に漸次等しくなるガスに取り囲まれており、
    　前記物理量決定部は、前記検出値に基づいて前記物理量としての前記ガスの圧力を決定する、
    　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  6. 　静電容量型の前記ＭＥＭＳ共振器は、振動子と、当該振動子とギャップを隔てて配置される電極と、静電容量型の前記ＭＥＭＳ共振器に作用する圧力の大きさに応じて前記ギャップの大きさを変化させる伝達部と、を備え、
    　前記物理量決定部は、前記ギャップの大きさに基づいて前記物理量としての圧力を決定する、
    　請求項４に記載の共振型センサ。
  7. 　前記ＭＥＭＳ共振器は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、
    　さらに、前記ＭＥＭＳ共振器に設けられる温度計を備え、
    　前記ＭＥＭＳ共振器は、前記温度計に基づいて自身の温度Ｔを取得し、
    　前記振動子は、赤外線の照射を受けたときの温度Ｔ＋ΔＴを取得し、
    　前記物理量決定部は、前記温度計が計測した温度と前記検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求め、求めた前記温度変化ΔＴに基づいて前記物理量としての赤外線パワーを決定する、
    　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  8. 　前記ＭＥＭＳ共振器は、静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、
    　前記物理量決定部は、温度に関する基準値と前記検出値とに基づいて温度変化ΔＴを求め、求めた前記温度変化ΔＴに基づいて前記物理量としての赤外線パワーを決定する、
    　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  9. 　前記振動子は、前記掃引部による掃引による振動モードの振動方向と直交する回転速度が印加され、
    　前記物理量決定部は、前記検出値に基づいて掃引による振動モードおよび回転速度の両方に直交するコリオリ力を求め、求めたコリオリ力に基づいて前記物理量としての前記回転速度を決定する、
    　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  10. 　前記振動子は、前記掃引部による掃引によるねじり振動モードの振動方向と直交する速度が印加され、
    　前記物理量決定部は、前記検出値に基づいて掃引によるねじり振動モードおよび速度の両方に直交するコリオリ力を求め、求めたコリオリ力に基づいて前記物理量としての前記速度を決定する、
    　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  11. 　前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動振幅に関する情報を含んだ信号である、
    　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  12. 　前記振動状態情報信号は、前記振動子の振動速度に関する情報を含んだ信号である、
    　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  13. 　前記ＭＥＭＳ共振器は、非静電容量型のＭＥＭＳ共振器であり、振動状態情報信号の不連続に変化する２つの周波数である第１周波数および第２周波数は、前記振動子の共振周波数よりも高い周波数である、
    　請求項３に記載の共振型センサ。
  14. 　励振信号の掃引周波数範囲において振動状態情報信号が不連続に変化する周波数が存在しないことを検出部が判断した場合、励振信号の強度を所定量だけ増加させる、測定レンジ切り替え制御部を有する、
    　請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  15. 　振動状態情報信号が不連続に変化する２つの周波数の差が所定値より小さいことを検出部が判断した場合、励振信号の強度を所定量だけ増加させる、測定レンジ切り替え制御部を有する、
    　請求項２乃至１３のいずれか１項に記載の共振型センサ。
  16. 　ＭＥＭＳ共振器を用いた共振型センサの検出方法であって、
    　所定の掃引方向に沿って前記ＭＥＭＳ共振器の振動子の励振信号の周波数を掃引し、掃引された前記励振信号を前記ＭＥＭＳ共振器へ出力することと、
    　前記ＭＥＭＳ共振器から前記励振信号に基づく前記振動子の振動状態を表す特徴量である振動状態情報信号を取得し、取得した前記振動状態情報信号が不連続に変化するときの励振信号の周波数または周波数に対応する時刻を検出することと、
    　前記検出した検出値に基づいて前記ＭＥＭＳ共振器に作用する物理量を決定することと、を含む、
    　共振型センサの検出方法。
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