JPH0756466B2 - 振動形半導体トランスデューサ - Google Patents
振動形半導体トランスデューサInfo
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- JPH0756466B2 JPH0756466B2 JP27265387A JP27265387A JPH0756466B2 JP H0756466 B2 JPH0756466 B2 JP H0756466B2 JP 27265387 A JP27265387 A JP 27265387A JP 27265387 A JP27265387 A JP 27265387A JP H0756466 B2 JPH0756466 B2 JP H0756466B2
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- JP
- Japan
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- vibrator
- vibration
- main body
- oscillator
- semiconductor transducer
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
- G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は振動形半導体トランスデューサに関するもので
ある。
ある。
本発明はシリコン基板に形成した振動梁をその振動梁の
固有振動数で振動させておき、その基板に加えられる力
または環境の変化に対応して振動梁に生ずる振動周波数
の変化を検出する振動形トランスデューサに関するもの
である。
固有振動数で振動させておき、その基板に加えられる力
または環境の変化に対応して振動梁に生ずる振動周波数
の変化を検出する振動形トランスデューサに関するもの
である。
さらに詳述すれば、S/N比が高く、自励発振を安定に起
こす事ができる振動形半導体トランスデューサに関する
ものである。
こす事ができる振動形半導体トランスデューサに関する
ものである。
〈従来の技術〉 第５図〜第８図は昭和61年６月６日出願の特願昭61-131
456号「振動式半導体トランスデューサ」の一実施例の
構成説明図である。第５図は振動形トランスデューサを
圧力センサとして用いた構成斜視図、第６図は第５図に
おけるＡ部の拡大平面図に電気配線を施した図、第７図
は第６図のＡ−Ａ断面図、第８図（Ａ）、（Ｂ）は第６
図を電気回路で示した図であり、第８図（Ｂ）はｐ形層
とn+形層の間に逆バイアス電圧を印加するための電源を
示している。
456号「振動式半導体トランスデューサ」の一実施例の
構成説明図である。第５図は振動形トランスデューサを
圧力センサとして用いた構成斜視図、第６図は第５図に
おけるＡ部の拡大平面図に電気配線を施した図、第７図
は第６図のＡ−Ａ断面図、第８図（Ａ）、（Ｂ）は第６
図を電気回路で示した図であり、第８図（Ｂ）はｐ形層
とn+形層の間に逆バイアス電圧を印加するための電源を
示している。
これらの図において、10は｛100｝面を有する、例えば
不純物濃度1015原子／cm3以下のｐ形のシリコン基板で
ある。このシリコン基板10の一方の面にダイアフラム11
がエッチングにより形成されている。このダイアフラム
11の表面（エッチングしない面）には部分的に不純物濃
度1017程度のn+拡散層（図では省略）が形成され、この
n+拡散層の一部に振動梁12が〈001〉方向に形成されて
いる。なお、この振動梁12はダイアフラム11に形成され
たn+層およびｐ層をフォトリソグラフィとアンダエッチ
ングの技術を用いて加工する。
不純物濃度1015原子／cm3以下のｐ形のシリコン基板で
ある。このシリコン基板10の一方の面にダイアフラム11
がエッチングにより形成されている。このダイアフラム
11の表面（エッチングしない面）には部分的に不純物濃
度1017程度のn+拡散層（図では省略）が形成され、この
n+拡散層の一部に振動梁12が〈001〉方向に形成されて
いる。なお、この振動梁12はダイアフラム11に形成され
たn+層およびｐ層をフォトリソグラフィとアンダエッチ
ングの技術を用いて加工する。
13は振動梁12の略中央上部に振動梁12に直交し、かつ、
非接触の状態で設けられた磁石、14は絶縁膜としてのSi
O2膜（第７図参照）である。15a、15bは例えばAlなどの
金属電極で、この金属電極15aの一端は振動梁12から延
長したn+層にSiO2層に設けたコンタクトホール16a、を
通じて接続され、他端はリード線を介して振動梁12の抵
抗値とほぼ等しい比較抵抗R0および増幅器20の一端に接
続されている。増幅器20の出力は出力信号として取出さ
れるとともに分岐して一次コイルL1の一端に接続されて
いる。このコイルL1の他端はコモンラインに接続されて
いる。
非接触の状態で設けられた磁石、14は絶縁膜としてのSi
O2膜（第７図参照）である。15a、15bは例えばAlなどの
金属電極で、この金属電極15aの一端は振動梁12から延
長したn+層にSiO2層に設けたコンタクトホール16a、を
通じて接続され、他端はリード線を介して振動梁12の抵
抗値とほぼ等しい比較抵抗R0および増幅器20の一端に接
続されている。増幅器20の出力は出力信号として取出さ
れるとともに分岐して一次コイルL1の一端に接続されて
いる。このコイルL1の他端はコモンラインに接続されて
いる。
一方比較抵抗R0の他端は中点がコモンラインに接続した
２次コイルL2の他端に接続され、この２次コイルL2の他
端は振動梁12の他端に前記同様に形成された金属電極15
bに接続されている。
２次コイルL2の他端に接続され、この２次コイルL2の他
端は振動梁12の他端に前記同様に形成された金属電極15
bに接続されている。
上記構成において、ｐ形層（基板10）とn+形層（振動梁
12）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、振動梁12
に交流電流ｉを流すと振動梁12の共振周波数において電
磁誘導作用により振動梁のインピーダンスが上昇して、
比較抵抗R0、および中点をコモンラインに接続したL2に
より構成されるブリッジにより不平衡信号を得ることが
できる。この信号を増幅器20で増幅し、コイルL1に正帰
還すると、系は振動梁12の固有振動数で自励発振する。
12）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、振動梁12
に交流電流ｉを流すと振動梁12の共振周波数において電
磁誘導作用により振動梁のインピーダンスが上昇して、
比較抵抗R0、および中点をコモンラインに接続したL2に
より構成されるブリッジにより不平衡信号を得ることが
できる。この信号を増幅器20で増幅し、コイルL1に正帰
還すると、系は振動梁12の固有振動数で自励発振する。
上記構成において、振動梁12のインピーダンスＲは固有
振動数に応じて上昇する。このインピーダンスＲは、次
式のように表わすことができる。
振動数に応じて上昇する。このインピーダンスＲは、次
式のように表わすことができる。
Ｒ≒（1/222）・（1/（Egr）1/2） ・（AB2l2/bh2）・Ｑ＋R0 ここで、 E;弾性率 g;重力加速 r;振動子を構成している材料の密度 A;振動モードによって決まる定数 B;磁束密度 l;振動梁の長さ b;振動梁の幅 h;振動梁の厚さ Q;共振の鋭さ R0；直流抵抗値 上式によれば振動梁のＱが数百〜数万の値をとるため、
共振状態において増幅器の出力として、大きな振幅信号
を得ることができる。このように振動形半導体トランス
デューサ増幅器のゲインを充分取って正帰還するように
構成すれば系は固有振動数で自励発振する。
共振状態において増幅器の出力として、大きな振幅信号
を得ることができる。このように振動形半導体トランス
デューサ増幅器のゲインを充分取って正帰還するように
構成すれば系は固有振動数で自励発振する。
〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な装置においては、振動梁12に発
生する逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、励振電流の励振成分を、交流ブリッジで完全に抑圧
することは事実上不可能であるから、ブリッジ出力には
励振電流成分が乗ってくる。
生する逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、励振電流の励振成分を、交流ブリッジで完全に抑圧
することは事実上不可能であるから、ブリッジ出力には
励振電流成分が乗ってくる。
このために、S/N比が悪く安定な出力信号が得られな
い。
い。
本発明は、この問題点を解決するものである。
本発明の目的は、S/N比が良好で安定な出力信号が得ら
れる振動形半導体トランスデューサを提供するにある。
れる振動形半導体トランスデューサを提供するにある。
〈問題点を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶
の基板上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子
本体と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動
子本体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具
備する振動形半導体トランスデューサにおいて、両端が
前記基板に固定され互いに平行に配置された二個の第一
振動子と該第一振動子の振動の腹の部分を機械的に結合
する第二振動子とを備える振動子本体と、該振動子本体
に直交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両端ある
いは二個の第一振動子の一方の同一端側に交流電流を流
して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する
方向に励振する励振手段と、他方の第一振動子の両端あ
るいは二個の第一振動子の他方の同一端側に発生する起
電力を検出し自励振するに必要なゲインを付与する増幅
器と必要な位相を与えるフイルターとを具備し前記振動
子本体の固有振動数で自励発振が持続するように構成さ
れた振動検出手段とを具備してなる振動形半導体トラン
スデューサを構成したものである。
の基板上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子
本体と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動
子本体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具
備する振動形半導体トランスデューサにおいて、両端が
前記基板に固定され互いに平行に配置された二個の第一
振動子と該第一振動子の振動の腹の部分を機械的に結合
する第二振動子とを備える振動子本体と、該振動子本体
に直交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両端ある
いは二個の第一振動子の一方の同一端側に交流電流を流
して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する
方向に励振する励振手段と、他方の第一振動子の両端あ
るいは二個の第一振動子の他方の同一端側に発生する起
電力を検出し自励振するに必要なゲインを付与する増幅
器と必要な位相を与えるフイルターとを具備し前記振動
子本体の固有振動数で自励発振が持続するように構成さ
れた振動検出手段とを具備してなる振動形半導体トラン
スデューサを構成したものである。
〈作用〉 以上の構成において、基板に外力が加わると、振動子本
体の固有振動数は外力に対応して変化する。振動子本体
の振動は振動検出手段により検出され周波数は出力信号
として取出される。
体の固有振動数は外力に対応して変化する。振動子本体
の振動は振動検出手段により検出され周波数は出力信号
として取出される。
この結果、基板に加わった外力が検出出来る。
以下、実施例に基づき詳細に説明する。
〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例の原理的要部構成説明図であ
る。
る。
図において、第５図と同一記号の構成は同一機能を表わ
す。
す。
以下、第５図と相違部分のみ説明する。
30は振動子本体である。振動子本体30は両端が基板11に
固定され互いに平行に配置された二個の第１振動子31と
第一振動子31の振動の腹の部分を相互に機械的に結合す
る第二振動子32とを備える。
固定され互いに平行に配置された二個の第１振動子31と
第一振動子31の振動の腹の部分を相互に機械的に結合す
る第二振動子32とを備える。
40は振動子本体30に直交する直流磁界を磁石13により加
え一方の第一振動子31の両端に交流電流を入力トランス
41により流して磁気誘導作用により振動子本体30を磁界
と電流に直交する方向に励振する励振手段である。
え一方の第一振動子31の両端に交流電流を入力トランス
41により流して磁気誘導作用により振動子本体30を磁界
と電流に直交する方向に励振する励振手段である。
入力トランス41は、二次側が一方の第一振動子31の両端
に接続されている。
に接続されている。
50は他方の第一振動子31の両端に発生する起電力を検出
する振動検出手段である。この場合は、出力トランス5
1、増幅器52が用いられている。出力トランス51の一次
側は、他方の第一振動子31の両端に接続され、二次側は
増幅器52を介して出力端子53に接続されるとともに、分
岐して入力トランス41の一次側に接続されている。
する振動検出手段である。この場合は、出力トランス5
1、増幅器52が用いられている。出力トランス51の一次
側は、他方の第一振動子31の両端に接続され、二次側は
増幅器52を介して出力端子53に接続されるとともに、分
岐して入力トランス41の一次側に接続されている。
以上の構成において、励振手段40に入力された入力信号
により、振動子本体30は励振される。振動子本体30の振
動は、振動検出手段50により検出され出力信号として取
出される。
により、振動子本体30は励振される。振動子本体30の振
動は、振動検出手段50により検出され出力信号として取
出される。
この結果、振動子本体30は、励振用の第一振動子31と、
起電力検出用の第一振動子31に分けられ、第二振動子32
で、第一振動子31の振動の腹の部分を結合するようにさ
れたので、電気的には分離されているが、機械的には結
合されているため、高い励振成分除去比（S/N比）が得
られる。
起電力検出用の第一振動子31に分けられ、第二振動子32
で、第一振動子31の振動の腹の部分を結合するようにさ
れたので、電気的には分離されているが、機械的には結
合されているため、高い励振成分除去比（S/N比）が得
られる。
第２図は振動子本体30の実際例で、（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
第３図に実験結果を示す。
S/N比は30〜40dBが得られている。
第３図の縦方向は一目盛りが5dBを示し、ピーク値の中
心周波数は71551.1Hzである。
心周波数は71551.1Hzである。
第４図は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例では、入力トランス41の二次側を二個の第一振
動子31の一方の同一端側に接続し、出力トランス51の一
次側を二個の第一振動子31の他方の同一端側に接続する
ようにしたものである。
動子31の一方の同一端側に接続し、出力トランス51の一
次側を二個の第一振動子31の他方の同一端側に接続する
ようにしたものである。
なお、振動梁の加工手段および形状は本実施例に限るも
のではなく、例えば、ｎ形シリコン基板にＢ（ボロン）
を４×1019原子／cm3以上拡散して選択性エッチングに
より形成したものを用いてもよい。
のではなく、例えば、ｎ形シリコン基板にＢ（ボロン）
を４×1019原子／cm3以上拡散して選択性エッチングに
より形成したものを用いてもよい。
なお、前述の実施例においては、第二振動子32はＰ形シ
リコンよりなると説明したが、これに限ることはなく、
例えば、酸化シリコン（SiO2）、あるいは、窒化珪素
（Si3N4）にアルミニウムなどの導体を蒸着したもので
あってもよい。
リコンよりなると説明したが、これに限ることはなく、
例えば、酸化シリコン（SiO2）、あるいは、窒化珪素
（Si3N4）にアルミニウムなどの導体を蒸着したもので
あってもよい。
なお、上記トランスデューサはシリコンの弾性率の温度
係数によってその振動周波数が変化するので、圧力計の
ほかに真空容器に収納して温度計として利用できるほ
か、密度計としても利用することができる。
係数によってその振動周波数が変化するので、圧力計の
ほかに真空容器に収納して温度計として利用できるほ
か、密度計としても利用することができる。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子本体
と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動子本
体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具備す
る振動形半導体トランスデューサにおいて、両端が前記
基板に固定され互いに平行に配置された二個の第一振動
子と該第一振動子の振動の腹の部分を機械的に結合する
第二振動子とを備える振動子本体と、該振動子本体に直
交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両端あるいは
二個の第一振動子の一方の同一端側に交流電流を流して
磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する方向
に励振する励振手段と、他方の第一振動子の両端あるい
は二個の第一振動子の他方の同一端側に発生する起電力
を検出し自励振するに必要なゲインを付与する増幅器と
必要な位相を与えるフイルターとを具備し前記振動子本
体の固有振動数で自励発振が持続するように構成された
振動検出手段とを具備してなる振動形半導体トランスデ
ューサを構成した。
上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子本体
と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動子本
体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具備す
る振動形半導体トランスデューサにおいて、両端が前記
基板に固定され互いに平行に配置された二個の第一振動
子と該第一振動子の振動の腹の部分を機械的に結合する
第二振動子とを備える振動子本体と、該振動子本体に直
交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両端あるいは
二個の第一振動子の一方の同一端側に交流電流を流して
磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する方向
に励振する励振手段と、他方の第一振動子の両端あるい
は二個の第一振動子の他方の同一端側に発生する起電力
を検出し自励振するに必要なゲインを付与する増幅器と
必要な位相を与えるフイルターとを具備し前記振動子本
体の固有振動数で自励発振が持続するように構成された
振動検出手段とを具備してなる振動形半導体トランスデ
ューサを構成した。
この結果、振動子本体は、励振用の第一振動子と、起電
力検出用の第一振動子に分けられ、第二振動子で、第一
振動子の振動の腹の部分を結合するようにされたので、
電気的には分離されているが、機械的には結合されてい
るため、高い励振成分除去比（S/N比）が得られる。
力検出用の第一振動子に分けられ、第二振動子で、第一
振動子の振動の腹の部分を結合するようにされたので、
電気的には分離されているが、機械的には結合されてい
るため、高い励振成分除去比（S/N比）が得られる。
従って、本発明によれば、S/N比が良好で安定な周波数
出力信号が得られる振動形半導体トランスデューサを実
現することが出来る。
出力信号が得られる振動形半導体トランスデューサを実
現することが出来る。
第１図は本発明の一実施例の原理的要部構成説明図、第
２図は第１図の要部構成説明図で、（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、第３図は第１図の効果
説明図、第４図は本発明の他の実施例の要部構成説明
図、第５図〜第８図は従来より一般に使用されている従
来例の構成説明図で、第５図はトランスデューサを圧力
計として構成した斜視図、第６図は第５図におけるＡ部
の拡大平面図に電気配線を施した図、第７図は第６図の
Ａ−Ａ断面図、第８図は第６図を電気回路で示した図で
ある。 10……基板、11……ダイアフラム、13……磁石、30……
振動子本体、31……第一振動子、32……第二振動子、40
……励振手段、41……入力トランス、42……入力端子、
50……振動検出手段、51……出力トランス、52……増幅
器、53……出力端子。
２図は第１図の要部構成説明図で、（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、第３図は第１図の効果
説明図、第４図は本発明の他の実施例の要部構成説明
図、第５図〜第８図は従来より一般に使用されている従
来例の構成説明図で、第５図はトランスデューサを圧力
計として構成した斜視図、第６図は第５図におけるＡ部
の拡大平面図に電気配線を施した図、第７図は第６図の
Ａ−Ａ断面図、第８図は第６図を電気回路で示した図で
ある。 10……基板、11……ダイアフラム、13……磁石、30……
振動子本体、31……第一振動子、32……第二振動子、40
……励振手段、41……入力トランス、42……入力端子、
50……振動検出手段、51……出力トランス、52……増幅
器、53……出力端子。
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 哲也 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 桑山 秀樹 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 小林 隆 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 原田 謹爾 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】シリコン単結晶の基板上に設けられたシリ
コン単結晶材よりなる振動子本体と、該振動子本体を励
振する励振手段と、前記振動子本体の励振された振動を
検出する振動検出手段とを具備する振動形半導体トラン
スデューサにおいて、 両端が前記基板に固定され互いに平行に配置された二個
の第一振動子と該第一振動子の振動の腹の部分を機械的
に結合する第二振動子とを備える振動子本体と、該振動
子本体に直交する直流磁界を加え一方の第一振動子の両
端あるいは二個の第一振動子の一方の同一端側に交流電
流を流して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直
交する方向に励振する励振手段と、他方の第一振動子の
両端あるいは二個の第一振動子の他方の同一端側に発生
する起電力を検出し自励振するに必要なゲインを付与す
る増幅器と必要な位相を与えるフイルターとを具備し前
記振動子本体の固有振動数で自励発振が持続するように
構成された振動検出手段とを具備してなる振動形半導体
トランスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27265387A JPH0756466B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | 振動形半導体トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27265387A JPH0756466B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | 振動形半導体トランスデューサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01114730A JPH01114730A (ja) | 1989-05-08 |
| JPH0756466B2 true JPH0756466B2 (ja) | 1995-06-14 |
Family
ID=17516920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27265387A Expired - Fee Related JPH0756466B2 (ja) | 1987-10-28 | 1987-10-28 | 振動形半導体トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0756466B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4912990A (en) * | 1989-02-27 | 1990-04-03 | Sundstrand Data Control, Inc. | Magnetically driven vibrating beam force transducer |
| JP2002349015A (ja) * | 2001-05-25 | 2002-12-04 | Hideo Fujita | 外囲板及びこの外囲板を用いた外囲体 |
| JP4872265B2 (ja) * | 2005-08-09 | 2012-02-08 | 横河電機株式会社 | 振動式センサ |
-
1987
- 1987-10-28 JP JP27265387A patent/JPH0756466B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01114730A (ja) | 1989-05-08 |
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