DE69937858T2

DE69937858T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Vibrationswellen

Info

Publication number: DE69937858T2
Application number: DE69937858T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Chiba-shi Ando; Muneo Osaka-shi Harada
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1999-05-22
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2019-05-23
Also published as: JP2000046639A; EP0959333A3; AU746037B2; DK0959333T3; AU3121899A; EP0959333A2; JP3348686B2; KR19990088491A; EP0959333B1; DE69937858D1; TWI243238B; KR100354976B1; US6079274A

Description

Es sind Vibrationssensoren des Typs eines Resonatorarrays vorgeschlagen worden, bei dem: mehrere Resonatoren, die unterschiedliche Längen (das heißt, unterschiedliche Resonanzfrequenzen) aufweisen, in Form eines Arrays angeordnet sind und in Reaktion auf eine Vibrationswelle, wie z. B. eine Schallwelle mit spezifischen Frequenzen für die jeweiligen Resonatoren, selektiv schwingen dürfen und die Resonanzpegel derart in elektrische Signale konvertiert werden, dass die Intensitäten der Vibrationswelle für jeweilige Frequenzbänder detektiert werden. (Beispielsweise W. Benecke et al., "A Frequency-Selective, Piezoresistive Silicon Vibration Sensor", Digest of Technical Papers of TRANSDUCERS '85, S. 105–108 (1985), oder E. Peeters et al., "Vibration Signature Analysis Sensors for Predictive Diagnostics", Proceedings of SPIE '97, Vol. 3224, S. 220–230 (1997)).
Bei einem herkömmlichen Vibrationssensor ist ein Piezowiderstand am Basisteil eines Resonators ausgebildet, und Veränderungen des Widerstandswerts des Piezowiderstands, die aufgrund von Vibrationen (Resonanz) des Resonators auftreten, werden von einer Wheatstone-Brücke etc. derart detektiert, dass dem Resonator ein elektrisches Ausgangssignal entnommen wird. Insbesondere bei dem in dem letztgenannten Dokument beschriebenen Sensor wird das Ausgangssignal erhalten, während der Wheatstone-Brücken-Ausgang von jedem Resonator von einem Multiplexer umgeschaltet wird.
Bei dem Vibrationssensor dieses Typs besteht Bedarf an einer Steuerung der Verstärkung (Detektionsempfindlichkeit) eines spezifischen Frequenzbands einer eingeleiteten Vibrationswelle. Bei einem herkömmlichen Vibrationssensor ist es zum Erhalten einer solchen Detektionsempfindlichkeits-Steuerfunktion erforderlich, eine Schaltungskonstruktion bereitzustellen, die das von jedem Resonator erhaltene elektrische Ausgangssignal in einem nachfolgenden Schritt einem Verstärkungsprozess oder einem Dämpfungsprozess unterzieht. Dies führt insgesamt zu einem Problem hinsichtlich einer Großschaltung.
Ein aus US-A-5,001,933 bekannter Lagerausfallsensor weist einen mikrobearbeiteten mechanischen Resonator mit einem leitenden Auslegerarm auf, der zum Herstellen eines Mikrochips an einem herkömmlichen Isoliersubstrat angebracht ist.
Die zu detektierende Vibrationswelle wird durch mehrere Resonatoren übertragen. Jeder Resonator hat eine andere Resonanzfrequenz. Das durch Resonanz jedes Resonators bei der Resonanzfrequenz erzeugte elektrische Ausgangssignal wird von einem in jedem Resonator eingebauten Detektor detektiert. Die Position des Detektors ist wählbar.
Die Verstärkung eines elektrischen Ausgangssignals jedes Resonators wird eingestellt.
Verwendung oder Auswahl eines Belastungsdetektierelements oder eines kapazitiven Elements als Detektoren ist aus US-A-4,885,781 und aus US-A-5,001,933 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Detektieren von Vibrationswelllen und einen Vibrationswellendetektor zu schaffen, die eine Detektionsempfindlichkeits-Steuerfunktion durch Verwenden einer einfachen Schaltkonstruktion ermöglichen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 8.
Anhand eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung kurz das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert. Bei der vorliegenden Erfindung sind mehrere Resonatoren jeweils mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen in Form eines Arrays angeordnet. In Reaktion auf eine eingeleitete Vibrationswelle sprechen die jeweiligen Re sonatoren selektiv auf Resonanzfrequenzen der Resonatoren an, um die Intensitäten der jeweiligen Frequenzkomponenten in der Vibrationswelle zu detektieren. Piezowiderstände sind in den jeweiligen Resonatoren ausgebildet, und diese Piezowiderstände sind derart parallelgeschaltet, dass die Summe der Vibrationswellenformen der jeweiligen Resonatoren ausgegeben wird. Hierbei ist es möglich, durch Verändern der Form jedes Piezowiderstands zwecks Variierens des Widerstandswerts des Piezowiderstands eine Detektionsverstärkung für jeden Resonator einzustellen. Auf diese Weise wird es, da die Ausgangssignalverstärkung jedes Resonators auf einfach Weise frei einstellbar ist, ohne dass beim nachfolgenden Schritt ein Verstärker erforderlich ist, möglich, eine Soll-Frequenzcharakteristik zu erhalten und folglich durch Verwendung einer einfacheren Konstruktion als bei dem herkömmlichen Sensor einen Vibrationswellensensor mit einer Detektionsempfindlichkeits-Steuerfunktion zu erhalten.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem mehrere Resonatoren mit der gleichen Resonanzfrequenz eingebaut sind, ist es möglich, ein großes elektrisches Ausgangssignal zu erhalten und ferner einen Detektionsfehler zu vermeiden.
Ferner ist es durch Verändern der Größe des Piezowiderstands jedes Resonators oder durch Ausbilden eines Schlitzes in dem Piezowiderstand möglich, dass jeder Piezowiderstand einen variablen Widerstandswert aufweist; somit kann die Verstärkungseinstellung für das elektrische Ausgangssignal jedes Resonators auf einfache Weise durchgeführt werden.
Ferner ist es bei einer Anordnung, bei der ein Engpassteil jedes Piezowiderstands derart ausgebildet ist, dass ein durch den Engpassteil fließender Strom eine zu der Beanspruchungsrichtung im Wesentlichen orthogonale Richtung nimmt, da der spezifische Widerstand an dem Engpassteil nicht durch die Beanspruchung verändert wird, möglich, durch Verwendung des Engpassteils sowohl die Länge als auch die Breite des Piezowiderstands wesentlich zu verändern.
Ferner sind die Piezowiderstände der jeweiligen Resonatoren parallelgeschaltet, und es wird eine Spannung an ein Ende des Parallelschaltkreises angelegt, um die Summe der elektrischen Ausgangssignale der jeweiligen Resonatoren am anderen Ende des Parallelschaltkreises abzunehmen; somit ist es möglich, Leitungsverbindungen zu vereinfachen.
Ferner werden die Verstärkungen der elektrischen Ausgangssignale der jeweiligen Resonatoren durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die Piezowiderstände der jeweiligen Resonatoren eingestellt; somit ist es möglich, auf einfache Weise die Verstärkungseinstellung durchzuführen.
Ferner sind sämtliche Resonatoren in Blöcke eingeteilt, von denen jeder aus mehreren Resonatoren gebildet ist, und Piezowiderstände sind innerhalb der Blöcke parallelgeschaltet, wobei für jeden Block eine andere Spannung an die Piezowiderstände in dem Parallelschaltkreis angelegt wird; daher ist es möglich, von jedem Block ein anderen elektrisches Ausgangssignal zu erhalten. In diesem Fall, wenn eine Anordnung erstellt ist, um die Summe der elektrischen Ausgangssignale der jeweiligen Blöcke abzunehmen, können die Leitungsverbindungen weiter vereinfacht werden.
Ferner ist es, wenn eine Schallwelle als zu detektierende Vibrationswelle verwendet wird, möglich, einen Schallsensor mit einer Detektionsempfindlichkeits-Steuerfunktion zu realisieren.
Die oben genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung unter Hinzuziehung der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensorhauptkörpers in einem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
2 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
3 zeigt eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Sensorhauptkörpers in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
5 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse einer Simulation eines Resonanzstrahl-Frequenzgangs einer FEM-Analyse in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
6 eine graphische Darstellung der Ergebnisse einer Simulation der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Frequenz des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
7A und 7B zeigen Darstellungen eines Beispiels für eine Veränderung des Widerstandswerts eines Piezowiderstands in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
8A bis 8D zeigen Darstellungen eines weiteren Beispiels für eine Veränderung des Widerstandswerts eines Piezowiderstands in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
9 zeigt eine Darstellung eines weiteren Beispiels für eine Veränderung des Widerstandswerts eines Piezowiderstands in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
10 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
11 zeigt ein Schaltbild des weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
12 zeigt eine graphische Darstellung eines Beispiels für ein an Resonatorarme anzulegendes Vorspannungsmuster in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
13 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse einer Simulation der Frequenz und der Amplitude einer abweichenden Spannung in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
15 zeigt ein Schaltbild des weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors.
16 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem der Kondensator C_i verändert ist.
17 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Resonatorfrequenz und der Ausgangsspannung bei verändertem Kondensator C_i.
18A und 18B zeigen eine Draufsicht und eine Querschnittansicht, die jeweils ein Ausführungsbeispiel darstellen, bei dem eine Distanz d_i verändert ist.
19 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Ausgangsspannung bei veränderter Distanz d_i.
20 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem eine winzige Veränderung δd_i in der Distanz verändert ist.
21 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Ausgangsspannung bei Veränderung der winzigen Veränderung δd_i in der Distanz.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Anhand der Figuren werden in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Hierbei erfolgt die Erläuterung beispielhaft anhand eines Schallsensors, bei dem eine Schallwelle als zu detektierende Vibrationswelle verwendet wird.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensorhauptkörpers in einem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor. Der auf einem Halbleiter-Siliziumsubstrat 20 ausgebildete Sensorhauptkörper 1 ist gebildet aus einer Membran 2 zum Aufnehmen einer eingeleiteten Schallwelle, einem mit der Membran 2 verbundenen querverlaufenden Arm 3, einem mit dem vorderen Teil des querverlaufenden Arms 3 verbundenen Anschluss 4 und mehreren (Anzahl n) Resonatorarmen 5, von denen jeder ein von dem querverlaufenden Arm 3 gehaltenes Ende aufweist, wobei alle diese Teile aus Halbleiter-Silizium hergestellt sind.
Die Breite des querverlaufenden Arms 3 ist an demjenigen Ende, das an die Membran 2 angrenzt, am größten, verringert sich graduell in Richtung auf die Seite des Anschlusses 4 und ist an demjenigen Ende, das an den Anschluss 4 angrenzt, am kleinsten. Ferner ist jeder Resonatorarm 5 ein Resonator, dessen Länge derart eingestellt ist, dass er mit einer spezifischen Frequenz schwingt.
Jeder dieser Resonatorarme 5 kann selektiv ansprechen und mit einer Resonanzfrequenz vibrieren, die durch folgende Gleichung (1) dargestellt ist: f = (CaY1/2)/(X2s1/2) (1)wobei

C: eine experimentell ermittelte Konstante ist;
a: die Dicke jedes Resonatorarms 5 ist;
X: die Länge jedes Resonatorarms 5 ist;
Y: der Youngsche Modul der Materialsubstanz (Halbleiter-Silizium) ist; und
S: die Dichte der Materialsubstanz (Halbleiter-Silizium) ist.

Wie aus der vorstehenden Gleichung (1) ersichtlicht ist, wird die Resonanzfrequenz f jedes Resonatorarms 5 durch Verändern seiner Dicke a oder seiner Länge X auf einen Sollwert eingestellt; somit weist jeder Resonatorarm 5 eine Eigenresonanzfrequenz auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Dicke a sämtlicher Resonatorarme 5 konstant, und die Länge X der Resonatorarme 5 vergrößert sich sukzessive von der rechten Seite (der Seite der Membran 2) in Richtung auf die linke Seite (die Seite des Anschlusses 4); daher ist die Resonanzfrequenz, mit der jeder Resonatorarm 5 inhärent vibriert, auf der rechten Seite (der Seite der Membran 2) hoch und verringert sich graduell in Richtung auf die linke Seite (die Seite des Anschlusses 4).

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für spezifische Spezifikationen des Sensorhauptkörpers 1 mit einer Anzahl n von Resonatorarmen 5. Hierbei ist die Di cke der Membran 2, des querverlaufenden Arms 3 und des Anschlusses 4 gleich der Dicke (a) des Resonatorarms 5. Tabelle 1

Parameter	Wert
Anzahl von Resonatorarmen 5 (n)	29
Dicke (a)	10 μm
Länge des Resonatorarms (X_i)	2450r^i-29 μm
Breite des Resonatorarms (b)	80 μm
Steigung des Resonatorarms (d)	120 μm
Breite des querverlaufenden Arms 3 (Z_i)	60r^29-i μm

r = 2^1/48 ≈ 1,0145

In diesem Fall wird der Sensorhauptkörper 1 mit der oben beschriebenen Anordnung unter Anwendung einer Mikrobearbeitungstechnik auf dem Halbleiter-Siliziumsubstrat 20 ausgebildet. Bei einer solchen Anordnung kann dann, wenn eine Schallwelle in die plattenförmige Membran 2 eingeleitet wird, die Membran 2 vibrieren, und die die Schallwelle repräsentierende Vibrationswelle wird zu dem querverlaufenden Arm 3 übertragen und weiter zu dem Anschluss 4 transferiert, wobei die Resonatorarme 5, von denen jeder ein von dem querverlaufenden Arm 3 gehaltenes Ende aufweist, sukzessive mit ihren spezifischen Frequenzen schwingen dürfen.
2 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors, bei dem ein solcher Sensorhauptkörper 1 verwendet wird. Ein Piezowiderstand 6 aus Polysilizium ist auf einem eine Beanspruchung erzeugenden Abschnitt (auf der Seite des querverlaufenden Arms 3) jedes Resonatorarms 5 des Sensorhauptkörpers 1 ausgebildet. Diese mehreren Piezowider stände 6 sind zueinander parallelgeschaltet, und ein Ende des Parallelschaltkreises ist mit einer Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 7 (Spannung V₀) verbunden, und das andere Ende des Parallelschaltkreises ist mit dem Minus-Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 8 verbunden. Der Plus-Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 8 ist mit Masse verbunden.
Die Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 7 legt üblicherweise ein Vorspannung V₀ an sämtliche Resonatorarme 5 an. Wenn ein spezifischer Resonatorarm 5 schwingen darf, verändert sich der Widerstandswert des entsprechenden Piezowiderstands 6 aufgrund einer aufgetretenen Beanspruchung, und die Summe dieser Veränderungen wird als Ausgangssignal von dem Operationsverstärker 8 erhalten.
(Zweite Ausführungsform)
3 zeigt eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Sensorhauptkörpers 1 in dem erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektor. Bei der zweiten Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet, bei der mehrere Resonatorarme 5, deren Länge derart eingestellt ist, dass sie in Reaktion auf eine spezifische Frequenz schwingen, nur auf einer Seite des querverlaufenden Arms 3 platziert sind, ist eine Anzahl von n Paaren von Resonatorarmen 5 mit der gleichen Resonanzfrequenz auf beiden Seiten des querverlaufenden Arms 3 platziert. Mit anderen Worten: jedes Paar von Resonatorarmen 5, 5, die in Längsrichtung mit der gleichen Position des querverlaufenden Arms 3 verbunden sind, haben die gleiche Länge und die gleiche Resonanzfrequenz. Die anderen Elemente, wie z. B. die Membran 2, der querverlaufende Arm 3 und der Anschluss 4 weisen die gleiche Anordnung auf wie bei der ersten Ausführungsform.
Ferner sind bei der zweiten Ausführungsform mit Ausnahme der Verdopplung der Anzahl von Resonatorarmen 5 (Anzahl 2n, beispielsweise 29 × 2 = 58) die eigentlichen Spezifikationen ebenfalls die gleichen wie bei Ausfüh rungsform 1 (Tabelle 1). Das heißt, wie bei Ausführungsform 1 ist die Dicke a sämtlicher Resonatorarme 5 konstant und vergrößert sich die Länge X der Resonatorarme 5 von der rechten Seite (der Seite der Membran 2) in Richtung auf die linke Seite (die Seite des Anschlusses 4) mit dem Ergebnis, dass die Seite der Membran 2 eine Hochfrequenzseite in der Resonanzfrequenz ist.
4 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors, bei dem ein solcher Sensorhauptkörper 1 verwendet wird. In 4 sind die gleichen Elemente wie in 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Paare von Resonatorarmen 5, 5 von denen jedes Paar die gleiche Resonanzfrequenz hat, vorgesehen (das heißt die Fischgrätenstruktur); daher sind zwei Paare von Parallelschaltkreisen, mit denen die Piezowiderstände 6 verbunden sind, vorgesehen, sind Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtungen 7 und 9 zum Anlegen von Gleichstrom-Vorspannungen V₀ und –V₀ an die jeweiligen Parallelschaltkreise vorgesehen und sind Operationsverstärker 8 und 10 zum Erhalten von Ausgangssignalen von den jeweiligen Parallelschaltkreisen vorgesehen. Somit werden durch Hinzufügen der Ausgangssignale von den zwei Parallelschaltkreisen zweimal so viele Ausgangssignale erhalten. Ferner ermöglicht selbst im Fall einer Anomalität in einem Resonatorarm 5, der nicht in der Lage ist, sein elektrisches Ausgangssignal zu liefern, obwohl die in 2 gezeigte Anordnung einen Detektionsfehler bewirkt, die Anordnung aus 4, ein Ausgangssignal mit einer entsprechenden Frequenzkomponente durch Verwenden des anderen Resonatorarms 5, der mit dem die Anomalität aufweisenden Resonatorarm 5 ein Paar bildet, zu erzeugen und folglich den Detektionsfehler zu vermeiden.
Hierbei sind die Gründe dafür, dass die Piezowiderstände 6 zum Konvertieren einer mechanischen Vibration in ein elektrisches Signal verwendet werden, dass diese leicht herstellbar sind, dass sie eine lineare Konvertiercharakteristik haben und dass sie eine höhere Konvertiereffizienz aufweisen.
Als nächstes wird die Operation beschrieben. Wenn eine Schallwelle in die Membran 2 des in 1 oder 3 gezeigten Sensorhauptkörpers 1 eingeleitet wird, darf die plattenförmige Membran 2 schwingen und wird die Energie der für die Schallwelle repräsentativen Vibrationswelle über den sich verjüngenden Arm 3 zu jedem Resonatorarm 5 übertragen und sukzessive von der Hochfrequenzseite in Richtung auf die Niederfrequenzseite von diesen beiden Teilen absorbiert.
5 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse einer FEM-Analyse, bei der die Amplitude am vorderen Teil jedes Resonatorarms 5 bei Einleiten einer Schallwelle mit 0,1 Pa in die Membran 2 simuliert wird. Die Resonatorarme 5 in der graphischen Darstellung sind von der Seite der Membran 2 aus sukzessive durchnummeriert. Wie die graphische Darstellung zeigt, bestätigt sich, dass der Sensorhauptkörper 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eine bessere Frequenzauswahl bietet.
Wenn eine solche Resonanz in jedem Resonatorarm 5 auftritt, verändert sich aufgrund der Beanspruchung der Widerstandswert des in jedem Resonatorarm 5 ausgebildeten Piezowiderstands 6. Eine konstante Vorspannung V₀ wird an die jeweiligen parallelgeschalteten Piezowiderstände 6 angelegt, so dass die von der Beanspruchung in jedem Resonatorarm 5 bewirkten Veränderungen des Widerstandswerts der Piezowiderstände 6 als durch eine Signalleitung fließende elektrische Ströme hinzugefügt werden.
Gemäß 4 ist der durch eine imaginäre Masse in dem Operationsverstärker 8 fließende Strom I durch folgende Gleichung (2) dargestellt:
wobei

R_i: ein konstanter Term des Widerstands des i-nummerierten Resonatorarms 5 ist; und
δR_i: ein durch eine mechanische Vibration an dem i-nummerierten Resonatorarm 5 bewirkter Vibrationsterm ist.

Ferner wird die Ausgangsspannung V₊ des Operationsverstärkers 8 durch die folgende Gleichung (3) dargestellt. In Gleichung (3) repräsentiert der zweite Term ein durch eine Vibration bewirkte Spannungsabweichung.
wobei

R_f: der Rückkopplungswiderstand ist.

Unter der Annahme, dass die Beanspruchung jedes Piezowiderstands 6 relativ zu sämtlichen Resonatorarmen 5 konstant ist und dass dieser Wert ε_i ist, wird das Verhältnis einer von der Vibration bewirkten Veränderung des Widerstands durch Gleichung (4) dargestellt und wird das Kontributionsverhältnis zu der Ausgangsspannung durch Gleichung (5) dargestellt. Daher wird die durch die von dem zweiten Term der Gleichung (3) repräsentierte Vibration bewirkte Abweichung der Spannung V₊ in Gleichung (6) angezeigt.
wobei

ρ: der spezifische Widerstand ist;
πE: der Gauge-Koeffizient ist; und
L_i, W_i, h: die Länge, Breite und Dicke (wobei die Dicke h konstant ist) des Piezowiderstands 6 in dem i-nummerierten Resonatorarm 5 ist.

Somit zeigen die Gleichungen (5) und (6), dass das Kontributionsverhältnis und die Spannungsabweichung unabhängig voneinander durch die Form (W_i/L_i) des Piezowiderstands 6 in jedem Resonatorarm 5 und ferner konstant durch die Vorspannung V₀ relativ zu sämtlichen Resonatorarmen 5 steuerbar sind.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, da die Verstärkung der abweichenden Spannung von der Form des Piezowiderstands 6 abhängig ist, die Ausgangssignalverstärkung für jeden Resonatorarm 5 durch Verändern der Form des in dem Resonatorarm 5 ausgebildeten Piezowiderstands 6 einzustellen, das heißt durch Verändern des Widerstandswerts des Piezowiderstands 6.
Bei der in 4 gezeigten Anordnung wurde eine Simulation unter den Bedingungen V₀ = 5 V, R_i = 4 kΩ, ρ = 8,0 × 10^–5 Ωm, L_i = 200 μm, W_i = 20 μm, R_f = 1 MΩ und εE = 100 durchgeführt und wurde die Spannungsamplitude ε_i mittels der FEM-Analyse berechnet. Gleichzeitig wurden sämtliche in dem Resonatorarm 5 ausgebildeten Piezowiderstände 6 auf die gleiche Form eingestellt. 6 zeigt die Ergebnisse mit einer durchgezogenen Linie. Es sei darauf hingewiesen, dass der Frequenzgang nicht flach ist.
Hierbei wurde zum Erhalten eines flachen Frequenzgangs nach der Veränderung der Form (W_i/L_i) des in jedem Resonatorarm 5 ausgebildeten Piezowiderstands 6 zwecks Einstellung der Ausgangssignalverstärkung jedes Resonatorarms 5 eine Simulation unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, und die Spannungsamplitude ε_i wurde mittels der FEM-Analyse berechnet. 6 zeigt die Ergebnisse mit einer gestrichelten Linie. Es sei darauf hingewiesen, dass ein flacher Frequenzgang erhalten wird. Somit ist es möglich, die Ausgangssignalverstärkung jedes Resonatorarms 5 durch Verändern der Form (W_i/L_i) des Piezowiderstands 6 auf einfache Weise zu steuern.
In der folgenden Beschreibung werden einige spezifische Beispiele erläutert, bei denen der Widerstandswert des Piezowiderstands 6 verändert worden ist. 7A und 7B zeigen Ansichten eines Beispiels für die Veränderung des Widerstandswerts, bei dem der in dem Resonatorarm 5 ausgebildete Piezowiderstand 6 (7A) mit einer Breite W_i = 10 μm und einer Länge L_i = 100 μm in einen Piezowiderstand 6 (7B) mit einer Breite W_i = 20 μm und einer Länge L_i = 100 μm verändert worden ist. Auf diese Weise ist es durch Verändern der Breite W_i des rechteckigen Piezowiderstands 6 möglich, den Widerstandswert von 4 kΩ auf 2 kΩ zu verändern.
8A bis 8D sind Ansichten eines weiteren Beispiels für die Veränderung des Widerstandswerts. Ein Schlitz 21 (8B) wird orthogonal zur Beanspruchungsrichtung beispielsweise durch Anwendung von Lasertrimmen in einem Teil des in jedem Resonatorarm 5 ausgebildeten rechteckigen Piezowiderstand 6 (8A) ausgebildet. 8C zeigt einen äquivalenten elektrischen Schaltkreis vor der Ausbildung des Schlitzes 21, und 8D zeigt einen äquivalenten Schaltkreis nach der Ausbildung des Schlitzes 21. Der Widerstand R' am von dem Schlitz 21 gebildeten Engpassteil ist offensichtlich mit dem Widerstand R + δR derart in Reihe geschaltet, dass der Widerstandswert als Ganzes verändert wird. Da der Wert des Widerstands R' über die Länge des Schlitzes 21 einstellbar ist und da die Schlitzbreite so klein ist, dass der Wert des Widerstands R + δR unabhängig von der Ausbildung des Schlitzes 21 als konstant betrachtet wird, ist es möglich, die Ausgangssignalverstärkung des Resonatorarms 5 durch Verwendung des Werts des Widerstands R' zu steuern, das heißt, abhängig davon, wie der Schlitz 21 ausgebildet ist.
9 zeigt eine Ansicht eines weiteren Beispiels für die Veränderung des Widerstandswerts. Anders als bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel sind zwei Schlitze 21, 21 derart ausgebildet, dass ein Strom orthogonal zu der Beanspruchungsrichtung durch den Engpassteil fließt. In diesem Fall erfährt der Engpassteil, durch den der Strom orthogonal zur Beanspruchungsrichtung fließt, keine Veränderung seines spezifischen Widerstands durch die Beanspruchung. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Engpassteil, der einen zusätzlichen Widerstand bildet, sowohl in seiner Länge als auch in seiner Breite verändert werden, und zwar abhängig davon, wie die Schlitze 21, 21 ausgebildet sind; daher ist es im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Beispiel möglich, bei der Einstellung des Werts des Widerstands R' einen größeren Freiheitsgrad zu bieten. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist nur die Breite des Engpassteils ein Parameter des Werts des Widerstands R', und die Breite muss extrem verkleinert werden, um den Wert zu erhöhen, was zu einer größeren Einschränkung beim Bearbeitungsprozess führt. Im Gegensatz dazu ist es, da die Länge und die Breite des Engpassteils Parameter des Werts des Widerstands R' sind, bei dem vorliegenden Beispiel möglich, den Steuerbereich der Ausgangssignalverstärkung in dem Resonatorarm 5 zu vergrößern.
Ferner kann der in 8B und 9 gezeigte Schlitz 21 während des Herstellungsprozesses des Sensors unter Anwendung einer Photolithographietechnik oder nach dem Herstellungsprozess des Sensors unter Anwendung des Lasertrimmens oder einer fokussierten Ionenstrahl-Bestrahlung ausgebildet werden. In beiden Fällen kann die Verstärkungseinstellung durch Anwendung des Lasertrimmens oder der fokussierten Ionenstrahl-Bestrahlung an dem hergestellten Sensor durchgeführt werden.
Wie oben beschrieben, werden das Kontributionsverhältnis und die abweichende Spannung von einer an den Piezowiderstand 6 jedes Resonatorarms 5 anzulegenden Vorspannung V₀ entsprechend den Gleichungen (5) und (6) gesteuert. Auf diese Weise kann, da die Verstärkung der abweichenden Spannung von der Vorspannung V₀ an dem Piezowiderstand 6 abhängig ist, die Ausgangssignalverstärkung für jeden Resonatorarm 5 durch Verändern der Vorspannung V₀ eingestellt werden.
10 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors, bei dem die Vorspannung an dem Piezowandler 6 in jedem Resonatorarm 5 verändert worden ist. In 10 sind die gleichen Elemente wie in 4 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ende des Piezowiderstands 6 jedes Resonatorarms 5 derart mit einer unabhängigen Energieversorgungseinrich tung verbunden, dass an jeden Piezowiderstand 6 eine Vorspannung mit einer anderen Größe angelegt wird.
Insbesondere ist bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ende der in den drei Resonatorarmen 5A, 5B bzw. 5C ausgebildeten Piezowiderstände 6A, 6B und 6C jeweils mit unabhängigen Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtungen 7A, 7B und 7C (9A, 9B und 9C) verbunden, und das andere Ende ist zu einem gemeinsamen Ausgangsanschluss ausgebildet; somit werden unterschiedliche Vorspannungen V_A(–V_A), V_B(–V_B) und V_C(–V_C) an die jeweiligen Piezowiderstände 6A, 6B und 6C angelegt. Hierbei werden die Größen der an die jeweiligen Piezowiderstände 6A, 6B und 6C anzulegenden Vorspannungen entsprechend den Verstärkungen angelegt, die vorzugsweise in den jeweiligen Resonatorarmen 5A, 5B und 5C eingestellt sind.
Auf diese Weise ist es, da die Größe der Vorspannung an dem Piezowiderstand 6 in jedem Resonatorarm 5 verändert werden kann, möglich, die Verstärkung für jede Resonanzfrequenz jedes Resonatorarms 5 frei einzustellen.
11 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Vibrationswellendetektors, bei dem eine Vorspannung an dem Piezowiderstand 6 in jedem Resonatorarm 5 verändert worden ist. In 11 sind die gleichen Elemente wie in 4 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sämtliche Resonatorarme 5 in mehrer Blöcke eingeteilt, von denen jeder ein spezifisches Frequenzband aufweist, das auf die gleiche Sollverstärkung eingestellt ist, und in jedem Block sind die Piezowiderstände 6 in den jeweiligen Resonatorarmen 5 zueinander parallelgeschaltet, und ein Ende jedes Parallelschaltkreises ist derart mit einer unabhängigen Energieversorgungseinrichtung entsprechend der einzustellenden Sollverstärkung verbunden, dass Vorspannungen mit der gleichen Größe an die in demselben Block vorgesehenen Piezowiderstände 6 angelegt werden.
Insbesondere sind in dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel vier Resonatorarme 5 in zwei Blöcke eingeteilt, das heißt, einen Block auf der Hochresonanzfrequenzseite mit zwei Resonatorarmen 5a und 5b und einen weiteren Block auf der Niederresonanzfrequenzseite mit zwei Resonatorarmen 5c und 5d. Dann sind in den zwei jeweiligen Blöcken die Piezowiderstände 6a und 6b miteinander verbunden, und die Piezowiderstände 6c und 6d sind miteinander verbunden. Ein Ende jedes Parallelschaltkreises ist jeweils mit einer unabhängigen Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 7a und 7c (9a und 9c) verbunden, und die anderen Enden bilden einen gemeinsamen Ausgangsanschluss. Eine Vorspannung V_a(–V_a) wird von der Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 7a (9a) an die Piezowiderstände 6a und 6b auf der Hochfrequenzseite angelegt, und eine Vorspannung V_c(–V_c) wird von der Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 7c (9c) an die Piezowiderstände 6c und 6d auf der Niederfrequenzseite angelegt. Hierbei werden die Größen der an die jeweiligen Parallelschaltkreise anzulegenden Vorspannungen V_a(–V_a) und V_c(–V_c) für jeden Block (für jedes Frequenzband) entsprechend der einzustellenden Sollverstärkung bestimmt.
Auf diese Weise ist es, da die Vorspannung an dem Piezowiderstand 6 in dem Resonatorarm 5 für jedes Frequenzband verändert werden kann, möglich, die Verstärkung des Resonatorarms 5 für jedes Frequenzband frei einzustellen.
In der folgende Beschreibung werden die Ergebnisse der Simulation für den oben beschriebenen Fall erläutert. Bei einem Sensorhauptkörper 1 mit einem sich verjüngenden Arm 3, auf dessen beiden Seiten zwei Paare von Resonatorarmen 5 ausgebildet sind, von denen jedes Paar 29 Resonatorarme aufweist, sind die Resonatorarme 5 der zwei Paare, die jeweils aus 25 Resonatorarmen 5 mit Ausnahme jeweils der zwei an den Enden angeordneten gebildet sind, in 8 Blöcke für jedes vorbestimmte Frequenzband eingeteilt. Gemäß 12 wird eine Vorspannung von 5 V an die vier Blöcke auf der Niederfrequenzseite (die 27. bis 16. Resonatorarme 5: die Resonanzfrequenz des 16. Resonatorarms 5 beträgt 3400 Hz) angelegt, und eine Vorspannung von 0 V wird an die vier Blöcke (die 3. bis 15. Resonatorarme 5) auf der Hochfrequenzseite angelegt.
13 zeigt die Ergebnisse einer Simulation bezüglich der Frequenz und der Amplitude der abweichenden Spannung in diesem Zustand. Die Größe der Spannungsabweichung verringert sich, wobei 3400 kH ein Wendepunkt ist; dadurch wird bestätigt, dass ein als LPF (Tiefpassfilter) anwendbarer Frequenzgang erreicht worden ist.
Ferner kann eine über die Zeit variierende Vorspannung an die Vibrationssensoren der ersten und der zweiten Ausführungsform angelegt werden. Beispielsweise ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der eine Wechselspannung als Vorspannung verwendet wird, möglich, ein Signal zu erhalten, bei dem die Vibrationsamplitude moduliert ist.
Bei den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen wurden Fälle erläutert, in denen durch die Resonanz der jeweiligen Resonatorarme bewirkte Beanspruchungen von Piezoelementen (Piezowiderständen) detektiert werden. Bei der folgenden Ausführungsform wird ein Kapazitätssystem erläutert, bei dem die Beanspruchungen von kapazitiven Elementen detektiert werden.
(Dritte Ausführungsform)
14 zeigt eine perspektivische Ansicht der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationswellendetektors. Die in 14 gezeigte Anordnung des Sensorhauptkörpers 1 ist im Wesentlichen die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform; daher sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung entfällt.
Elektroden 11 sind auf dem Halbleiter-Siliziumsubstrat 20 an Positionen ausgebildet, die den vorderen Teilen der jeweiligen Resonatorarme 5 zu gewandt sind, so dass der vordere Teil jedes Resonatorarms 5 einen Kondensator bildet und jede Elektrode 11 diesem zugewandt ist. Der vordere Teil jedes Resonatorarms 5 ist eine bewegliche Elektrode, deren Position in Reaktion auf die Vibration angehoben und abgesenkt wird, während die auf dem Halbleiter-Siliziumsubstrat 20 ausgebildeten Elektrode 11 eine feststehende Elektrode ist, deren Position sich nicht verändern darf. Hierbei variiert dann, wenn der Resonatorarm 5 mit einer spezifischen Frequenz vibriert, die Distanz zwischen den beiden Elektroden, was dazu führt, dass die Kapazität des Kondensators verändert wird.
15 zeigt ein Schaltbild, das die dritte Ausführungsform erläutert. Mehrere Elektroden 11 sind zueinander parallelgeschaltet, und ein Ende des Parallelschaltkreises ist mit einer Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 12 (Spannung V₀) verbunden. Der sich verjüngende Arm 3 ist mit dem Minus-Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 13 verbunden. Der Plus-Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 13 ist mit Masse verbunden. Die Spannung V₀ wird von der Gleichstrom-Energieversorgungseinrichtung 12 an sämtliche Elektroden 11 angelegt. Wenn ein spezifischer Resonatorarm 5 schwingen darf, bewirkt die Beanspruchung eine Veränderung der Distanz zwischen dem vorderen Teil des Resonatorarms 5 und der Elektrode 11, so dass sich die Kapazität des Kondensators zwischen diesen beiden Elementen verändert; somit wird die Summe dieser Veränderungen als Ausgangssignal (Spannung V_out) des Operationsverstärkers 13 erhalten.
In 15 ist ein Strom I', der in eine imaginäre Masse des Operationsverstärkers 13 fließt, durch Gleichung (7) dargestellt.
wobei

d_i: die Distanz zwischen dem i-nummerierten Resonatorarm 5 und der entsprechenden Elektrode 11 ist;
δd_i: eine winzige Veränderung der Distanz d_i in Reaktion auf eine Vibration ist;
C_i: eine Kapazität in einem stationären Zustand zwischen dem i-nummerierten Resonatorarm 5 und der entsprechenden Elektrode 11 ist;
δC_i: eine winzige Veränderung der Kapazität C_i in Reaktion auf die Vibration ist;
C: eine Kapazität zwischen dem gesamten Sensorhauptkörper 1 und den Elektroden 11 ist; und
δC: eine winzige Veränderung der Kapazität C in Reaktion auf die Vibration ist (insbesondere durch Gleichung (8) dargestellt).

Wenn eine Rückkopplung als Kondensator angegeben ist, wird die Ausgangsspannung V_out des Operationsverstärkers 13 durch Gleichung (9) dargestellt, und die Beanspruchung in jedem Resonatorarm 5 wird als Spannung entnommen.
wobei

C_f: eine Rückkopplungskapazität ist.

Mit anderen Worten: gemäß der vorstehenden Gleichung (9) wird die Resonanz der jeweiligen Resonatorarme 5 als Summe der Variationen ausgegeben. Im Gegensatz dazu wird dann, wenn eine Rückkopplung als Widerstand angegeben ist, die Resonanz der jeweiligen Resonatorarme 5 als Summe der Geschwindigkeiten ausgegeben.
Aus der vorstehenden Gleichung (9) geht hervor, dass zum Einstellen der Verstärkung jedes Resonatorarms 5 (jedes Frequenzbands) der Kondensator C_i, die Distanz d_i und/oder die winzige Veränderung δd_i der Distanz verändert werden können. In der folgenden Beschreibung werden Beispiele für das Einstellen der Verstärkung jedes Resonatorarms 5 durch Verändern der jeweiligen Parameter erläutert.
16 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem der Kondensator C_i verändert ist, und der Bereich einer Elektrode 11C, der dem längsten Resonatorarm 5C der drei Resonatorarme 5A, 55 und 5C entspricht, kleiner ausgeführt ist als der Bereich jeder Elektrode 11A und 11B, die zu den anderen zwei Resonatorarmen 5A und 5B gehören. 17 zeigt die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Ausgangsspannung V_out im oben beschriebenen Fall. Somit kann die Verstärkung im Niederfrequenzbereich selektiv kleiner sein als die Verstärkungen in den anderen Frequenzbereichen.
Ferner zeigt 18A eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Distanz d_i verändert ist, und 18B zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie X-X aus 18A. Die Distanz zwischen dem kürzesten Resonatorarm 5A der drei Resonatorarme 5A, 5B und 5C und der entsprechenden Elektrode 11A ist die kürzeste Distanz, und die Distanz zwischen dem Resonatorarm 55 mit einer mittleren Länge und der entsprechenden Elektrode 11B ist die längste Distanz. 19 zeigt die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Ausgangsspannung V_out im oben beschriebenen Fall. Somit kann die Verstärkung des Hochfrequenzbereichs die höchste sein und kann die Verstärkung im Zwischenfrequenzbereich die niedrigste sein. In diesem Fall kann gemäß der vorstehenden Gleichung (9), da die Ausgangsspannung V_out, mit dem Quadrat der Distanz d_i variiert, eine größere Breite der Verstärkungseinstellung erhalten werden, wenn die Distanz d_i wie bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben verändert wird.
Ferner zeigt 20 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem die winzige Veränderung δd_i der Distanz verändert ist. Hierbei sind die Elektroden 11A und 11B, die zu den zwei Resonatorarmen 5A und 5B der drei Resonatorarme 5A, 5B und 5C gehören, derart ausgebildet, dass sei den vorderen Teilen der Resonatorarme 5A und 5B zugewandt sind, während die Elektrode 11C, die zu dem längsten Resonatorarm 5C gehört, derart ausgebildet ist, dass sie dem Basisteil des Resonatorarms 5C zugewandt ist. Bei Ausbildung der Elektrode 11C an dieser Position wird selbst dann, wenn eine Vibration mit der gleichen Größe in dem Resonatorarm 5C erzeugt wird, die winzige Veränderung δd_i kleiner im Vergleich zu dem Fall, in dem die Elektrode 11C derart ausgebildet ist, dass sie dem vorderen Teil des Resonatorarms 5C zugewandt ist. 21 zeigt die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Ausgangsspannung V_out im oben beschriebenen Fall. Somit kann die Verstärkung im Niederfrequenzbereich selektiv kleiner sein als diejenigen in den anderen Frequenzbereichen.
Ferner ist es auch möglich, eine über die Zeit variierende Vorspannung an die Vibrationssensoren gemäß der dritten Ausführungsform anzulegen. Beispielsweise ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der eine Wechselspannung als Vorspannung verwendet wird, möglich, ein Signal zu erhalten, bei dem die Vibrationsamplitude moduliert ist.
Ferner kann wie bei der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform selbst bei einem Vibrationswellendetektor, bei dem dieses Kapazitätssystem verwendet wird, selbstverständlich die Anordnung angewendet werden, bei der eine Anzahl n von Paaren von Resonanzarmen 5, von denen jedes Paar die gleiche Resonanzfrequenz aufweist, auf beiden Seiten des sich verjüngenden Arms 3 ausgebildet ist, und zwar mit dem gleichen Effekt, dass die Verstärkungseinstellung jedes Resonatorarms 5 durch Verändern des Kondensators C_i, der Distanz d_i und der winzigen Veränderung δd_i der Distanz durchgeführt werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals dadurch gesteuert, dass die Bedingungen (Bereich, Form, Einbauposition etc.) des Detektors (der Piezowiderstände 6 und der Elektroden 11) variabel sind; diese Bedingungen können jedoch jeweils für jeden Resonatorarm 5 beim Einbau des Detektors während des Herstellungsprozesses des Vibrationswellendetektors eingestellt werden, oder die Einstellung der Bedingungen kann nach dem Einbau des Detektors verändert werden.
Ferner wurde die vorliegende Erfindung anhand eines Schallwandlers erläutert, der auf eine Schallwelle als Vibrationswelle anspricht; die gleiche Anordnung ist jedoch selbstverständlich auch auf andere Vibrationswellen als die Schallwelle anwendbar, um die Verstärkung des Ausgangssignals einzustellen.
Wie oben beschrieben, sind bei der vorliegenden Erfindung mehrere Resonatoren mit jeweils unterschiedlichen Resonanzfrequenzen in Form eines Arrays vorgesehen, und jeder Resonator kann in Reaktion auf eine eingeleitete Vibrationswelle selektiv mit seiner Resonanzfrequenz derart ansprechen, dass bei Detektieren der Intensität jeder Frequenzkomponente der Vibrationswelle die Detektionsverstärkung in jedem Resonator eingestellt werden kann; somit ist es möglich, einen Vibrationssensor zu realisieren, mit dem eine Soll-Frequenzcharakteristik erhalten werden kann.

Claims

Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen, mit folgenden Schritten: Übertragen einer zu detektierenden Vibrationswelle über mehrere Resonatoren (5), von denen jeder eine andere Resonanzfrequenz aufweist; und Detektieren eines elektrischen Ausgangssignals, das durch die Resonanz jedes Resonators (5) bei der Resonanzfrequenz erzeugt wird, mittels eines in jedem Resonator (5) installierten Detektors (6, 11), wobei die Verstärkung eines elektrischen Ausgangssignals jedes Resonators (5) eingestellt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals jedes Resonators (5) entsprechend einer Bereichsveränderung jedes Detektors (6, 11) eingestellt wird.
Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen nach Anspruch 1, bei dem bei jedem Detektor (6, 11) der Bereich derart eingestellt ist, dass die Verstärkungen der elektrischen Ausgangssignale der Resonatoren (5) einander gleich sind.
Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Detektoren (6, 11) parallelgeschaltet sind; eine Spannung (V0) an ein Ende des parallelgeschalteten Schaltkreises angelegt wird; und eine Summe (V+, Vout) der elektrischen Ausgangssignale der Detektoren von dem anderen Ende des parallelgeschalteten Schaltkreises erhalten wird.
Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Detektor (6, 11) ein aus der Gruppe bestehend aus einem kapazitiven Element und einem Piezowiderstandselement ausgewähltes Element ist.
Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Detektor (6, 11) in jedem Resonator (5) installiert ist und die Verstärkung eines elektrischen Ausgangssignals, das durch die Resonanz des Resonators (5) bei der Resonanzfrequenz erzeugt wird, durch Verändern einer an den Detektor (6, 11) anzulegenden Spannung eingestellt wird.
Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, bei dem ein Piezowiderstand (6) in jedem Resonator (5) installiert ist und die Verstärkung eines elektrischen Ausgangssignals, das durch die Resonanz des Resonators (5) bei der Resonanzfrequenz erzeugt wird, durch Verändern einer an den Piezowiderstand (6) anzulegenden Spannung eingestellt wird.
Verfahren zum Detektieren von Vibrationswellen nach Anspruch 3 oder 6, bei dem die anzulegenden Spannung eine Wechselspannung ist.
Vibrationswellendetektor mit: mehreren Resonatoren (5), die jeweils eine andere Resonanzfrequenz aufweisen, und mehreren Detektoren (6, 11), die jeweils ein elektrisches Ausgangssignal detektieren, das durch die Resonanz jedes Resonators (5) bei der Resonanzfrequenz aufgrund einer zu detektierenden Vibrationswelle erzeugt wird, welche zu jedem Resonator (5) übertragen worden ist, wo bei die Detektionsverstärkung des elektrischen Ausgangssignals einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Detektor (6, 11) ein Detektor ist, dessen Bereich veränderbar ist, und die Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals jedes Resonators (5) entsprechend einer Bereichsveränderung jedes Detektors (6, 11) eingestellt wird.
Vibrationswellendetektor nach Anspruch 8, bei dem die Verstärkung jedes Detektors (6, 11) im Wesentlichen gleich ist.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem ferner ein Parallelschaltkreis, bei dem die Detektoren (6, 11) parallelgeschaltet sind, eine mit dem Parallelschaltkreis verbundene Spannungsquelle (7, 9, 12) und eine Ausgangsschaltung (8, 10, 13) zum Erhalten einer Summe der elektrischen Ausgangssignale des Parallelschaltkreises installiert sind.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem jeder Detektor ein kapazitives Element (11) ist.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem jeder Detektor ein Piezowiderstand (6) ist.
Vibrationswellendetektor nach Anspruch 12, bei dem der Widerstandswert des Piezowiderstands (6) variabel ist.
Vibrationswellendetektor nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Form des Piezowiderstands (6) variabel ist.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Piezowiderstand (6) einen darin ausgebildeten Schlitz (21) aufweist.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem der Piezowiderstand (6) derart ausgebildet ist, dass ein durch einen Engpass des Piezowiderstands fließender Strom eine zu der Beanspruchungsrichtung im Wesentlichen orthogonale Richtung nimmt.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Resonatoren (5a, 5b, 5c, 5d) in Blöcke eingeteilt sind, von denen jeder mehrere Resonatoren (5a und 5b, 5c und 5d) als Einheit aufweist, wobei jeder durch Parallelschalten der Piezowiderstände (6a und 6b, 6c und 6d) für jeden Block gebildete Parallelschaltkreis ferner einen Schaltkreis (7a, 7c, 9a, 9c) zum Anlegen einer unterschiedlichen Spannung an die Piezowiderstände (6a, 6b, 6c, 6d) für jeden Parallelschaltkreis jedes Blocks aufweist.
Vibrationswellendetektor nach Anspruch 17, bei dem ferner ein Schaltkreis (8, 10) zum Erhalten einer Summe von elektrischen Ausgangssignalen der jeweiligen Blöcke installiert ist.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei dem die anzulegende Spannung von der Spannungsquelle (7, 9, 12) oder dem Schaltkreis (7a, 7c, 9a, 9c) eine Wechselspannung ist.
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 19, mit: einem Vibrationswellen-Eingangsteil (2) zum Empfangen einer zu detektierenden Vibrationswelle; einem Übertragungsteil (3) zum Übertragen der von dem Vibrationswellen-Eingangsteil (2) empfangenen Vibrationswelle an den Resonator (5).
Vibrationswellendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 20, bei dem mehrere Resonatoren (5), die bei der gleichen spezifischen Frequenz schwingen dürfen, installiert sind.