JP5158160B2 - 振動式トランスデューサ - Google Patents
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Description
図28は要部組立構成説明図、図29〜図37は製作工程説明図である。
製作工程に従って説明する。
酸化膜を除去した部分をアンダ―カットして、凹部を形成しボロンの濃度1018cm-3のP形シリコンにより、選択エピタキシャル成長を行ってP+単結晶シリコン11を成長させる。
後に、P+単結晶シリコン層が振動梁下のギャップ、P++単結晶シリコン層が振動梁となる。
酸化膜を除去した凹部Dで示す部分が、シェルの基板への接地部となる。
このP++ポリシリコンが、後にシェル及び電極取り出しのための配線となる。
配線は、P++/P+単結晶シリコンを利用することや、選択エピタキシャル成長前にシリコン基板への不純物拡散をすることで形成することも可能である。
配線とシリコン基板との間の寄生容量が最も小さくなるよう選択するのが良い。
シェルの基板への接地部は、シリコン窒化膜14のエッチング速度が遅いため、横方向では、シリコン窒化膜がエッチングストップ層となる。
この時、P++単結晶シリコン12a、P++ポリシリコン14は、高濃度に不純物導入されているため、エッチングされない。
振動梁の長さ方向は、シリコン単結晶の<111>方向のエッチング速度が遅いことを利用して、エッチングストップとする。
この工程の前に、熱酸化等により振動梁表面及び真空室内部にシリコン酸化膜を形成する等の方法で、シェルと振動梁の電気的絶縁をより安定にすることも可能である。
この場合には、封止部材として、導電性の材料を使用することができる。
図37において、シリコン基板を裏面から薄肉化し、ダイアフラムを形成する。
図38(a)は振動梁12a及びシェル14に接続してP++ポリシリコン14をパターニングし、電気的配線20を形成するとともにボンディング用のAl電極21を形成した状態を示す平面図である。
図においてVbはバイアス電圧(定電圧)、Viは駆動電圧(交流)、R1,R2は配線抵抗、R3は基板抵抗である。
C1は振動梁/シェル間の容量、C2は寄生容量、C3,C4は配線/基板間の容量である。図において、R3,C2,3,4が小さい程ノイズ電流が小さくなる。
また、これらの値は、配線の形成方法、パターン等により決まる。従って、これらの値を可能な限り小さくなるように決定する。
一方、C1が周波数ωで共振する場合、共振によるC1の変化分をΔC1とすると、近似的にΔC1・Vb・ωに比例した振幅の電流が加算される。この電流の増加分により、共振周波数を検出する。
図28従来例では、振動梁が基板に対して垂直に振動し、振動梁,励振電極,振動検出電極が積層構造となっているため、製造プロセスにおいて多くの加工工程が必要となっていた。これは、静電気力を用いる構造では、振動梁以外に真空室内に振動子を励振したり振動を検出するための電極を作製し、それぞれの電極間を絶縁しなければならないため、必然的に構造が複雑になる。
この問題は、製作時の水分による付着の他、作製後の動作時にも発生する。
一方、振動梁の張力が比較的大きく350με以上となると周波数2乗の変化率と歪の関係式は1/εsに漸近していき、弦振動の極限に近づく。このため2乗ゲージファクタ Gf2は振動梁の形状にはほとんど関係なく張力εsの大きさで決定され、張力が大きくなるに従って小さくなる。
更に、振動梁を振動する駆動力に静電気力を選択する場合は、駆動電極と振動梁間の距離を1μm程度に狭めないと静電気力は有効に作用しない。
この説明には下記の式が役に立つ。
この式から容易に分かるように、張力が低い場合は、第一項のみを考えればよいのだが、長さlが長いと、Npは小さくなる。厚さtと電極間距離hが小さくなるとやはり、Npは小さくなる。
本発明の、静電駆動型振動式トランスデューサの高感度化は、付着の問題を解決するためのものである。
(1)シリコン単結晶梁の振動式トランスデューサを高精度にかつ安価に製造することができる振動式トランスデューサを提供する。
(2)振動梁の付着対策を簡便に効果的に行うことができる振動式トランスデューサを提供する。
(4)電極の数や励振方法によって、振動モードを選択することができる振動式トランスデューサを提供する。
(6)垂直方向に長く、水平方向に短いため、シェルの幅が狭く、圧力隔壁となるシェルが薄くても真空室の耐圧が高いため、振動梁の歪感度が向上しダイアフラムが小さくできる。また圧力耐圧も上げられる振動式トランスデューサを提供する。
シリコン単結晶の基板に設けられた振動梁と、該振動梁の周辺に隙間が維持されるように該振動梁を囲み前記基板と共に真空室を構成するシリコン材よりなるシェルと、前記振動梁を励振する励振手段と、前記振動梁の振動を検出する振動検出手段と、を具備し、前記振動梁の共振周波数を測定することにより前記振動梁に印加された歪を測定する振動式トランスデューサにおいて、前記真空室内に設けられ前記基板に対して引張の応力が付与され前記基板面に平行方向より垂直方向の断面厚さが長い断面形状を有するシリコン単結晶の振動梁と、前記基板面に平行に設けられ前記振動梁に一端が接続される板状の第1の電極板と、前記振動梁を挟んで前記基板面に平行に対向して設けられ前記振動梁と前記第1の電極板と共に前記基板面に平行な一平面状をなす板状の第2,第3の電極板と、前記振動梁と第2,第3の電極板との対向する側壁部面に設けられ相互の付着を防止する凸凹部と、を具備したことを特徴とする。
前記凸凹部は、前記基板面に対して水平方向に連続して、あるいは垂直方向に連続して、あるいは水平方向と垂直方向とに連続して形成されて格子状に、構成されたことを特徴とする。
前記第2の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第3の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたことを特徴とする。
前記第1の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第2あるいは第3の電極板が前記振動梁に直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧電極として使用されると共に前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたことを特徴とする。
前記振動梁の両側の軸方向にそれぞれ複数配置された第2,第3の電極板と、この複数の第2電極板の内の一部が励振電極として選択され残された他の前記第2電極板が検出電極として選択され前記複数の第3電極板の内の一部が検出電極として選択され残された他の前記第3電極板が励振電極として選択されることによって前記振動梁の振動モードを選択することができることを特徴とする。
前記振動梁は、両端固定梁であることを特徴とする。
図28従来例では、振動梁,励振電極,振動検出電極が積層構造であったため、製造プロセスにおいて多くの加工工程が必要であったが、振動梁,励振電極,振動検出電極が同一平面状に配置出来るので、振動梁,励振電極,振動検出電極を1工程(マスク1枚)で作ることができる振動式トランスデューサが得られる。
例えば、側面を加工する際に、用いるエッチングによって発生するスキャロップを利用したり、振動梁と電極を形成するマスクパターンに凸凹をつけることによって作製する。
同じ耐圧を実現するためには、圧力隔壁となるシェルの膜厚は薄くてよい。図28従来例の積層振動型の場合、駆動電極はシェル側に作り込まねばならず、高い圧力が印加された場合、シェルが変形して電極と振動梁間距離が変化し、周波数変化特性が非線形になる恐れがある。
このような状態を実現するためには、振動梁の縦横の形状は、縦が横幅に対して少なくとも3倍以上長くならなくてはならない。このように振動梁を縦長に配置することは、測定精度の向上のためにも重要である。
励起電極と検出電極を離すことができるため、励起信号が検出回路側に回り込むクロストークが抑えられ、SN比が良くなる振動式トランスデューサが得られる。
リードの本数が少なく、構造がシンプルに出来る振動式トランスデューサが得られる。
振動梁の振動モードを選択的に励起することが可能になる振動式トランスデューサが得られる。
振動モードがもっとも少ない両端固定梁で自励発振できるため、測定範囲内でモードクロスが無く広い周波数帯域で使用することができるため、広いダイナミックレンジの圧力測定が可能な振動式トランスデューサが得られる。
図1〜図15は、本発明の一実施例の要部構成説明図である。
図1は要部組立構成説明図で、(a)は要部平面図、(b)は断面図、図2〜図15は製作工程説明図である。
図において、図28と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図28との相違部分のみ説明する。
第1の電極板34は、基板31の面311に平行に設けられ、振動梁32に一端が接続され、板状をなす。
凸凹部37は、振動梁32と第2,第3の電極板35,36との対向する側壁部面に設けられ相互の付着を防止する。
なお、凸凹部37に付いては、後に、詳細に説明する。
38はシェルである。
図2に示す如く、SOI基板101を準備する。例えば、SOI基板101は、BOX層の酸化膜厚さは2μm、活性層のシリコン層の厚さは1μmのものを用いる。
高濃度にボロンBが含まれたシリコン層102は、電気抵抗が小さく導体として、振動梁や電極やリード部分となる。
振動梁は張力領域で応力が印加された場合、[数1]式に示した通り応力に対して周波数の2乗が比例するように変化し、きわめて直線性の良い特性が得られる。
一方で、圧縮応力領域での動作は、非常に非線形な特性となるため、振動式トランスデューサの動作は、引っ張り応力領域で行われるべきである。
成長温度1030℃、H2ガス中で、シリコン原料ガスとしてジクロロシラン(SiH2Cl2)、不純物であるボロンの原料ガスとしてジボラン(B2H6)を用い、一定時間エピタキシャル成長を行うことによって高濃度にボロンBが含まれたシリコン層102を9μm成長し、活性層との合計が10μmとなるようにする。
ステッパ装置は、0.3μm程度の分解能を持ちサブミクロンのライン&スペースの露光が可能である。
このステッパ装置で振動梁103の輪郭と電極104のパターンを形成する。
この際、BOSCHプロセスというシリコンSiのエッチング工程とCFポリマーのデポジション工程を繰り返し行うことによって、エッチングされるトレンチの側壁面に襞状の凸凹部105が形成される。
エッチングはSOIウェハー101のBOX層に突き当たり、振動梁103と電極104が構造的に分離されるまで行う。
埋め込みには、テトラエトキシシラン(TEOS)を用いたLP-CVD酸化膜やプラズマCVDなどで成膜した絶縁膜106によってトレンチの開口部分を封鎖する。
プラズマCVD装置はステップカバレッジがよくないため、埋め込み酸化膜106がトレンチの最深部に成膜しにくく中に空間(ボイド)107が形成される。
このポリシリコン108は、振動梁103を真空中に保ち、圧力を伝達するシリコンオイルから隔離するための真空室33の一部を形成する。
後に、この酸化膜111は、振動梁103の周辺の犠牲層エッチング層を除去する際に、エッチング液またはエッチングガスの導入口となる。
図10に示す如く、振動梁103の上部に相当する部分で、図8で酸化膜111を残した部分の一部に穴またはスリット113をあけ、酸化膜111をストッパとする。
ここではLP-CVDポリシリコン膜115によって真空封止を行う。
製膜条件は、例えば、温度590℃で圧力85Paの真空中でSiH4ガスを用いて行う。
シリコン原料ガスには、SiH4または、SiH4と水素の混合物を用いる。
これを差動アンプ等で増幅して電圧変化にしてカウンターで読み込むことによって、振動梁の振動周波数を測定することが出来る。
図において、Vbはバイアス電圧(定電圧)、Viは駆動電圧(交流)、R1,R2,R3は抵抗、OP1,OP2は演算増幅器である。
第1の電極34には、バイアス電圧Vbが加えられ、第2の電極35には駆動電圧Viが印加され、第3の電極36より振動梁32の振動周波数の信号が取り出される。
即ち、この場合は、第2の電極35は励振電極、第3の電極36は検出電極として使用される。
図においてVbはバイアス電圧(定電圧)、Viは駆動電圧(交流)、R1,R2,R3は抵抗、OP1,OP2は演算増幅器である。
第1の電極34に駆動電圧Vi、第3の電極36にバイアス電圧Vbが印加されると共に、第3の電極36より振動梁32の振動周波数の信号が取り出される。
但し、励起信号が検出回路側に回り込むクロストークが起きやすく、SN比が悪くなる恐れがある。
図において、Vb1、Vb2はバイアス電圧(定電圧)、Viは駆動電圧(交流)、R1,R2,R3,R4,R5,R6は抵抗、OP1,OP2は演算増幅器である。
なお、図18(b)のバイアス電圧Vb2は、バイアス電圧Vb1の所定のプラスバイアス電圧に対して、同じ値のマイナス電圧が使用される。
図において、Vb1、Vb2はバイアス電圧(定電圧)、Viは駆動電圧(交流)、R1は抵抗、OP1は演算増幅器である。
図の例は、第2の電極が2個351,352、第3の電極が2個361,362、振動梁の両側に配置した5端子型である。
図19(b)は、逆に、一対の励振電極、検出電極を入れ替えた場合、振動梁の半分ずつに逆方向の力が加わるため、2次モードの振動が励起される。
このように電極の数と励起方法とを選択することによって、さまざまな振動モードを選択的に励起することが出来る。
凸凹部37は、図4に示す如く、振動梁32と電極34,35,36の側面を加工する際に、用いるエッチングによって発生するスキャロップを利用する場合、あるいはエッチング時に微小な突起をつけたマスクパターンを使用して形成する場合がある。
ボッシュプロセス (Bosch process) は、エッチングと側壁保護を繰り返しながら行うエッチング手法で、アスペクト比の高いエッチングが可能である。
41はシリコン基板、42はマスクパターンである。
エッチングステップ
図21(b)、図21(d)に示す如く、主に六フッ化硫黄 (SF6) を用いて等方エッチングを行う。
エッチング穴底面に保護膜が付いている場合があるので、底面の保護膜を除去する働きもある。
図21(c)、図21(e)に示す如く、フロン系のガス(C4F8など)を用いて側壁にCF系皮膜をデポし、側壁を保護することで横方向のエッチングを抑制する。
エッチングステップと保護ステップの時間を調整することでこの凸凹の度合いが制御できる。
図22はエッチングの途中経過を示した図、図23は図22の完成図である。
図24(b)は、図24(a)に示す如きマスクパターン51を使用して、シリコン基板52にスキャロップを形成した例を示す。
図25(c)は、図25(a)に示す如きマスクパターン53を使用して、シリコン基板55にBoschプロセスにてエッチングし、スキャロップを形成した例を示す。
図26(c)は、図26(a)に示す如きマスクパターン56を使用して、シリコン基板58にBoschプロセスにてエッチングし、スキャロップを形成した例を示す。
図27(a)は、本発明の振動梁32とシェル38との関係略図を示し、図27(b)に図28従来例の振動梁3とシェル4との関係略図を示す。
同じ耐圧を実現するためには、シェル38の膜厚は4分の1ほどに薄くてよい。
Pは圧力を示す。
また、同一の作製工程でマスクパターンを変えるだけでさまざまな振動梁形状が作れるため、高感度な加速度計や振動ジャイロなど作製プロセスとしても応用できる。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
2 測定ダイアフラム
3 振動梁
4 シェル
5 真空室
31 基板
311 基板31の面
32 振動梁
33 真空室
34 第1の電極板
35 第2の電極板
351 第2の電極板
352 第2の電極板
36 第3の電極板
361 第3の電極板
362 第3の電極板
37 凸凹部
38 シェル
101 SOI基板
102 シリコン層
103 振動梁
104 電極
105 凸凹部
106 絶縁膜
107 空間(ボイド)
108 ポリシリコン膜
109 開口部
111 酸化ケイ素皮膜
112 ポリシリコン層
113 穴またはスリット
114 犠牲層エッチング層
115 ポリシリコン膜
116 穴
117 コンタクトホール
118 電極パッド
Vb バイアス電圧
Vb1 バイアス電圧
Vb2 バイアス電圧
Vi 駆動電圧
R1 抵抗
R2 抵抗
R3 抵抗
R4 抵抗
R5 抵抗
R6 抵抗
OP1 演算増幅器
OP2 演算増幅器
OP3 演算増幅器
41 シリコン基板
42 マスクパターン
51 マスクパターン
52 シリコン基板
53 マスクパターン
54 シリコン基板
55 シリコン基板
56 マスクパターン
57 シリコン基板
58 シリコン基板
P 圧力
Claims (6)
- シリコン単結晶の基板に設けられた振動梁と、
該振動梁の周辺に隙間が維持されるように該振動梁を囲み前記基板と共に真空室を構成するシリコン材よりなるシェルと、
前記振動梁を励振する励振手段と、
前記振動梁の振動を検出する振動検出手段と、
を具備し
前記振動梁の共振周波数を測定することにより前記振動梁に印加された歪を測定する振動式トランスデューサにおいて、
前記真空室内に設けられ前記基板に対して引張の応力が付与され前記基板面に平行方向より垂直方向の断面厚さが長い断面形状を有するシリコン単結晶の振動梁と、
前記基板面に平行に設けられ前記振動梁に一端が接続される板状の第1の電極板と、
前記振動梁を挟んで前記基板面に平行に対向して設けられ前記振動梁と前記第1の電極板と共に前記基板面に平行な一平面状をなす板状の第2,第3の電極板と、
前記振動梁と第2,第3の電極板との対向する側壁部面に設けられ相互の付着を防止する凸凹部と、
を具備したことを特徴とする振動式トランスデューサ。 - 前記凸凹部は、前記基板面に対して水平方向に連続して、あるいは垂直方向に連続して、あるいは水平方向と垂直方向とに連続して形成されて格子状に、構成されたこと
を特徴とする請求項1記載の振動式トランスデューサ。 - 前記第2の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第3の電極板が前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたこと
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動式トランスデューサ。 - 前記第1の電極板が前記振動梁を励振する励振電極、前記第2あるいは第3の電極板が前記振動梁に直流バイアス電圧を印加するバイアス電圧電極として使用されると共に前記振動梁の振動を検出する振動検出電極として使用されたこと
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動式トランスデューサ。 - 前記振動梁の両側の軸方向にそれぞれ複数配置された第2,第3の電極板と、
この複数の第2電極板の内の一部が励振電極として選択され残された他の前記第2電極板が検出電極として選択され、前記複数の第3電極板の内の一部が検出電極として選択され残された他の前記第3電極板が励振電極として選択されることによって、前記振動梁の振動モードを選択することができること
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の振動式トランスデューサ。 - 前記振動梁は、両端固定梁であること
を特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の振動式トランスデューサ。
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Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012173164A (ja) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサとその製造方法 |
JP2012198036A (ja) * | 2011-03-18 | 2012-10-18 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサ |
JP2013246083A (ja) * | 2012-05-28 | 2013-12-09 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサおよび振動式トランスデューサの製造方法 |
JP2015034713A (ja) * | 2013-08-07 | 2015-02-19 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサおよびその製造方法 |
EP2990807A1 (en) | 2014-08-28 | 2016-03-02 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant sensor |
JP2016520811A (ja) * | 2013-03-20 | 2016-07-14 | ルメダイン テクノロジーズ インコーポレイテッド | 摺動平面近接スイッチを用いた慣性センサ |
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Families Citing this family (8)
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JP5688690B2 (ja) * | 2013-01-11 | 2015-03-25 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサおよび振動式トランスデューサの製造方法 |
CN103335751B (zh) * | 2013-06-05 | 2015-11-11 | 厦门大学 | 一种双谐振子硅微压力传感器及其制作方法 |
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WO2015060071A1 (ja) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | 国立大学法人 東京大学 | 圧力センサおよび圧力検出装置 |
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Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2729518B2 (ja) * | 1989-09-08 | 1998-03-18 | 日本石油化学株式会社 | ルーツ型ポンプローターの成形方法 |
DE69105809T2 (de) * | 1990-05-10 | 1995-05-11 | Yokogawa Electric Corp | Druckaufnehmer mit schwingendem Element. |
FR2664979B1 (fr) * | 1990-07-20 | 1992-11-06 | Sextant Avionique | Micro-capteur de pression. |
US5417115A (en) * | 1993-07-23 | 1995-05-23 | Honeywell Inc. | Dielectrically isolated resonant microsensors |
US5456111A (en) * | 1994-01-24 | 1995-10-10 | Alliedsignal Inc. | Capacitive drive vibrating beam accelerometer |
JPH0843436A (ja) * | 1994-08-03 | 1996-02-16 | Murata Mfg Co Ltd | 加速度センサ |
JP3374636B2 (ja) * | 1996-01-18 | 2003-02-10 | 株式会社村田製作所 | 角速度センサ |
US5747705A (en) | 1996-12-31 | 1998-05-05 | Honeywell Inc. | Method for making a thin film resonant microbeam absolute |
DE19821527A1 (de) * | 1998-05-13 | 1999-12-02 | Siemens Ag | Schwingkreis |
US6182513B1 (en) * | 1998-12-23 | 2001-02-06 | Radi Medical Systems Ab | Resonant sensor and method of making a pressure sensor comprising a resonant beam structure |
JP3575373B2 (ja) * | 1999-04-19 | 2004-10-13 | 株式会社村田製作所 | 外力検知センサの製造方法 |
JP2004077432A (ja) * | 2002-08-22 | 2004-03-11 | Denso Corp | 可動部を有する半導体センサ |
JP2005037309A (ja) * | 2003-07-18 | 2005-02-10 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサ |
JP2005098740A (ja) * | 2003-09-22 | 2005-04-14 | Denso Corp | 容量式半導体力学量センサ |
JP2007089117A (ja) * | 2005-08-24 | 2007-04-05 | Seiko Instruments Inc | 圧電振動子、発振器、電子部品、電子機器、圧電振動子の製造方法及び電子部品の製造方法 |
DE102006011545B4 (de) * | 2006-03-14 | 2016-03-17 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanisches Kombi-Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren |
JP2008221398A (ja) * | 2007-03-13 | 2008-09-25 | Oki Electric Ind Co Ltd | 微小電気機械システムおよび微小電気機械システムの製造方法 |
CN101402444B (zh) * | 2008-11-07 | 2010-12-29 | 东南大学 | 模态激励两端固定微梁及其模态形状电极的宽度确定方法 |
JP5260342B2 (ja) * | 2009-01-30 | 2013-08-14 | ローム株式会社 | Memsセンサ |
JP5252016B2 (ja) * | 2011-03-18 | 2013-07-31 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサ |
-
2010
- 2010-09-10 JP JP2010203032A patent/JP5158160B2/ja active Active
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Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012173164A (ja) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサとその製造方法 |
JP2012198036A (ja) * | 2011-03-18 | 2012-10-18 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサ |
JP2013246083A (ja) * | 2012-05-28 | 2013-12-09 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスデューサおよび振動式トランスデューサの製造方法 |
JP2016520811A (ja) * | 2013-03-20 | 2016-07-14 | ルメダイン テクノロジーズ インコーポレイテッド | 摺動平面近接スイッチを用いた慣性センサ |
JP2015034713A (ja) * | 2013-08-07 | 2015-02-19 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサおよびその製造方法 |
US9952250B2 (en) | 2014-08-28 | 2018-04-24 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant sensor |
EP2990807A1 (en) | 2014-08-28 | 2016-03-02 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant sensor |
JP2018080915A (ja) * | 2016-11-14 | 2018-05-24 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサ |
US11211916B2 (en) | 2016-11-21 | 2021-12-28 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant transducer |
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CN113188690A (zh) * | 2020-01-10 | 2021-07-30 | 横河电机株式会社 | 谐振压力传感器 |
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