JPH0961453A - 変位センサおよび変位測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型軽量高性能で検出感度の高い変位センサ
およびそれを用いた音波・超音波センサ、加速度セン
サ、角速度センサを提供する。 【構成】 両もち梁と、前記両もち梁の一方の面に設け
られた歪抵抗素子からなり、前記歪抵抗素子は前記両も
ち梁の固定部近傍に少なくとも２個、前記両もち梁の中
央部に少なくとも２個設けられ、前記少なくとも４個の
歪抵抗素子によりホイートストン・ブリッジ回路が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は歪抵抗素子と両もち梁を
用いたセンサに関するものであり、特に音波・超音波、
加速度、角速度などを高感度に検出するセンサに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、外部力による梁やダイアフラムの
変形量（歪）を検出することにより、超音波、振動、加
速度、角速度などを測定し、これらのセンサとして用い
られている（特開昭５９−５７５９５、特開昭６１−２
２０５９８、特開平５−９３６２８）。そして上記の歪
の検出には圧電体、静電容量、歪抵抗素子などが用いら
れている。これらの中で圧電体では感度が高いが静的な
歪は検出できない、静電容量では静的な歪の検出は可能
であるが検出回路が複雑である、歪抵抗素子では静的な
歪の検出は可能で検出回路は簡単であるが感度が低いと
いった特徴を各々有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】梁に歪抵抗素子を設け
た従来のセンサでは、検出感度を向上させるために、外
部回路の抵抗体、あるいは梁の固定部に設けられた抵抗
体と歪抵抗素子とでホイートストンブリッジを構成した
り、梁の固定部に信号増幅回路が組み込まれていた。

【０００４】しかし上記のような構成では、センサの特
性がばらついたり製造コストが増加するといった問題点
を有しており、さらに検出感度の高いセンサが要望され
ている。

【０００５】そこで本発明は、上記の課題を解決し、小
型軽量高性能で検出感度の高い変位センサおよびそれを
用いた音波・超音波センサ、加速度センサ、角速度セン
サなどを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の変位センサは両もち梁と、前記両もち梁の
一方の面に設けられた歪抵抗素子からなり、前記歪抵抗
素子は前記両もち梁の固定部近傍に少なくとも２個、前
記両もち梁の中央部に少なくとも２個設けられ、前記少
なくとも４個の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
ッジ回路が形成されていることを特徴とする。あるい
は、前記変位センサが同一基板上に１次元あるいは２次
元に複数個作製されたアレイ変位センサであることを特
徴とする。

【０００７】前記構成においては、両もち梁の一方の面
に設けられた歪抵抗素子の無歪時の抵抗値がほぼ同一で
あることが好ましい。

【０００８】次に、本発明の音波・超音波センサは、前
記本発明の変位センサ、あるいはアレイ変位センサを用
いて、センサの両もち梁のたわみの大きさ、あるいはた
わみの大きさとそれぞれの位相を検出することにより、
気体、あるいは液体の振動の大きさ、あるいは振動の大
きさと振動の伝播方向とを測定することを特徴とする。

【０００９】次に、本発明の加速度センサは、前記本発
明の変位センサを被測定物に取り付けて、被測定物に加
わる振動、衝撃や加速度を検出することを特徴とする。

【００１０】次に、本発明の角速度センサは、前記本発
明のアレイ変位センサを被測定物に取り付けて、複数個
のセンサの両もち梁のたわみの大きさと方向を検出する
ことにより、被測定物に加わる角速度を検出することを
特徴とする。

【００１１】また、前記発明の加速度、あるいは角速度
センサにおいては、変位センサを容器内に収納し、容器
内を減圧状態、あるいはヘリウムガスを充填した構成が
好ましい。

【００１２】また、前記発明の各種センサにおいては、
歪抵抗素子が半導体拡散抵抗、薄膜金属抵抗または薄膜
半導体抵抗から選ばれた少なくとも１種からなることが
好ましい。

【００１３】また、前記発明の各種センサにおいては、
歪抵抗素子が絶縁体に金属微粒子が分散された抵抗体か
らなることがとりわけ好ましい。

【００１４】

【作用】本発明の変位センサの構成によれば、両もち梁
に外力が印加されたとき梁が弓状に変形し、一方の面に
設けられた歪抵抗素子の内、中央部に設けられた歪抵抗
素子の抵抗値と固定部近傍に設けられた歪抵抗素子の抵
抗値はその変化の方向が異なり、一方が増加するときは
他方は減少し、一方が減少するときは他方は増加する。
従ってこれらの歪抵抗素子を面上で配線しホイートスト
ンブリッジを構成することにより高感度に両もち梁の変
位、すなわち印加された外力を測定することができる。

【００１５】また、両もち梁の一方の面に設けられた歪
抵抗素子の無歪時の抵抗値がほぼ同一となるように形成
することにより感度を最大にすることができる。

【００１６】また、本発明の変位センサを用いることに
より単純な構成で音波・超音波や加速度を高感度で測定
でき、安価で信頼性が高く高感度なセンサを形成でき
る。

【００１７】さらに、本発明の変位センサは単純なモノ
リシックな構成であるため、半導体プロセスを用いて容
易に同一基板上に１次元あるいは２次元に複数個の変位
センサを作製することができ、このようなアレイ変位セ
ンサを用いることにより、複数個の両もち梁の変位の大
きさと位相を応答速度のばらつきが少なく高精度に検出
でき、音波・超音波の伝播方向や角速度を測定できる。

【００１８】また、変位センサを容器内に収納し、容器
内を減圧状態、あるいはヘリウムガスを充填した構成の
加速度センサや角速度センサにおいては、センサ周辺の
風や空気のゆらぎの影響を受けることなく安定に加速度
や角速度を測定できる。

【００１９】また、歪抵抗素子として半導体拡散抵抗、
薄膜金属抵抗または薄膜半導体抵抗から選ばれた少なく
とも１種を用いることにより、半導体プロセスを利用す
ることができ、再現性よく、大量に安価に製造できる。
とりわけ、絶縁体に金属微粒子が分散された抵抗体から
なる歪抵抗素子は、作製が容易で歪−抵抗変化率も大き
く、変位センサ用歪抵抗素子としてきわめて有効であ
る。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明第１実施例における変位セン
サの斜視図を示したものであり、図２は図１に示される
変位センサの等価回路を示したものである。図１におい
て、シリコン基板１には凹部１１が形成され、その上に
電気絶縁性薄膜２からなる両もち梁１０が形成されてい
る。両もち梁１０の表面には４つの歪抵抗素子３ａ、３
ｂ、４ａ、４ｂ、入力端子５、６、出力端子７、８、お
よび配線９が形成されている。

【００２１】上記の変位センサは以下のように作製す
る。まず、Ｓｉ（１００）基板の上に熱酸化プロセスに
より厚さ１μmの酸化珪素薄膜２を形成し、その上に厚
さ０．２μmのＡｕ／Ｃｒ薄膜（Ｃｒ；０．０５μm）を
真空蒸着法により形成し、フォトリソグラフィ法により
配線パターン９および入出力端子５、６、７、８を作製
する。次に配線パターン９、入出力端子５、６、７及び
８が形成された基板に対して、その上に、歪抵抗素子形
成用の厚さ０．３μmのニッケル−クロム合金薄膜（Ｃ
ｒ；２０at％）をスパッタリング法により形成し、フォ
トリソグラフィ法により図３に示すようなパターン１２
を有する歪抵抗素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを作製す
る。上記の歪抵抗素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂによりホ
イートストン・ブリッジが形成される。さらに、フォト
リソグラフィ法により希釈フッ化水素水を用いて酸化珪
素薄膜２をエッチングすることにより長さ２mm、幅０．
４mmの両もち梁１０を形成し、つづいて水酸化カリウム
によりシリコン基板１を異方性エッチングすることによ
り凹部１１を形成し変位センサを完成する。

【００２２】上記のように形成された変位センサの特性
を調べるため入力端子５、６間に２Vの直流電圧を印加
し、出力端子７、８間の電圧を測定したところ、０．１
％の歪に対して４mVの安定した出力が得られた。また、
温度特性も２０ppm/℃以下と優れた変位センサであるこ
とが実証された。さらに、シリコン基板中に増幅回路を
組み込むことにより、Ｓ／Ｎを劣化させることなくさら
に感度を向上させることができた。

【００２３】なお、それぞれの歪抵抗素子は薄膜プロセ
スとフォトリソプロセスにより形成されるため、その抵
抗値のばらつきは小さく、１％以下のものも容易に形成
できる。したがって、無歪時の出力電圧は小さく増幅が
容易であり感度は高くなる。

【００２４】また、上記の変位センサは低ノイズで感度
が高いため、空気中や液体中を伝播する微弱な音波や超
音波を容易に検出でき、この変位センサを被測定物に固
定することにより、被測定物に印加される振動や加速度
も感度よく測定できる。

【００２５】（実施例２）以下に変位センサをアレイ状
に並べた本発明第２の実施例における変位センサについ
て、図面を参照しながら説明する。

【００２６】図４は複数個の両もち梁１０を同一シリコ
ン基板１に形成した１次元アレイ変位センサの構成を示
す斜視図である。このアレイセンサも上記の変位センサ
と同様の半導体プロセスにより形成することができる。

【００２７】上記のアレイセンサを用いてパルス状の音
波や超音波を対象物に向けて出射し、対象物からの反射
波をこのアレイセンサで検出することにより、対象物の
形状、性質、対象物までの距離、方向を測定できた。

【００２８】具体的に述べると、各センサの出力電圧の
大きさ、位相差、出射から検出までの時間を測定・処理
すると、第１に出力電圧の大きさからは対象物の性質
を、第２に位相差からは対象物の方向や形状を、第３に
出射から検出までの時間からは対象物までの距離を測定
することができた。また、１次元アレイセンサの場合は
平面内の情報しか得られないが、２次元アレイセンサを
用いることにより３次元情報を得ることができるのは言
うまでもない。なお、上記の変位センサは空中や液体中
の物体のイメージセンサとして有用であることはもちろ
ん、体内の状態を高分解能に画像化する診断装置として
もきわめて有用である。

【００２９】（実施例３）以下に、上記の変位センサを
角速度センサに応用した本発明第３の実施例について図
面を参照しながら説明する。

【００３０】図５は本発明第３の実施例における角速度
センサの構造を示す斜視図である。このセンサは同一基
板上に形成された２つの変位センサ１３、１４からな
り、軸１５を中心軸として回転が加わったときに生じる
２つのセンサからの出力を演算処理することにより角速
度を測定するものである。

【００３１】本発明の変位センサを加速度センサや角速
度センサとして用いる場合は、センサそのものを密封容
器内に収容することにより空気の流れやゆらぎによるノ
イズが無くなり、Ｓ／Ｎの高い安定した出力を得ること
ができ、さらに、容器内を数ｍｍＨｇ以下の減圧状態
や、ヘリウムガスを充填することにより感度や温度特性
も向上させることができる。これは両もち梁が受ける空
気抵抗が少なくなったためと考えられる。

【００３２】上記実施例においては歪抵抗素子としては
ニッケルークロム合金からなる金属薄膜抵抗を用いた
が、絶縁体に金属微粒子を分散した薄膜抵抗、シリコン
やガリウム砒素などの半導体に不純物をドープした半導
体拡散抵抗、あるいはゲルマニウムやアモルファスシリ
コンなどの薄膜半導体抵抗も用いることができる。

【００３３】上記の半導体拡散抵抗を用いた場合は両も
ち梁を同じ半導体材料で作製し、その表面に不純物をド
ープすることにより、歪抵抗素子を両もち梁表面に容易
に形成できるという長所や、感度が大きいという長所が
あるが温度特性が悪いという欠点がある。一方薄膜金属
抵抗は温度特性に優れているが感度が小さく、半導体薄
膜抵抗は半導体拡散抵抗と薄膜金属抵抗の中間的な特性
を示す。

【００３４】しかし総合的には絶縁体に金属微粒子を分
散した薄膜抵抗は温度特性、感度に優れ、作製方法も容
易であり、安定性に優れたセンサを再現性良く作製でき
る。この絶縁体に金属微粒子を分散した薄膜抵抗は、例
えば金と酸化珪素を少なくとも１回以上、交互にスパッ
タリングすることにより金微粒子が分散された酸化珪素
からな薄膜抵抗が形成できる。また、金属微粒子として
は、金、白金、銀、銅などの貴金属が化学的に安定であ
り、とりわけ優れた特性を示した。絶縁体としては、酸
化珪素の他に酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸
化チタン、希土類酸化物などが優れた特性を示した。

【００３５】なお、両持ち梁としては酸化珪素薄膜を用
いた場合について示したが、この他にシリコンウェハー
からマイクロマシニング技術により作製されるシリコン
製両もち梁や窒化珪素薄膜の両もち梁も用いることがで
きる。上記のシリコン製両もち梁は表面にほう素などを
イオン注入することにより歪抵抗素子を一体形成できる
長所や、基板材料としてシリコンを用いる場合には、セ
ンサ全体あるいは増幅・検出回路をも含めてシリコン集
積回路プロセスにより形成できるという大きな長所があ
り、窒化珪素製両もち梁は破壊強度が大きく、耐衝撃性
に優れたセンサを作製できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、両もち梁と、両も
ち梁の一方の面に設けられた歪抵抗素子からなり、歪抵
抗素子は両もち梁の固定部近傍に少なくとも２個、両も
ち梁の中央部に少なくとも２個設けられ、少なくとも４
個の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリッジ回路が
形成されている本発明に係る構成によれば、高精度な加
工が可能な半導体プロセス技術を利用でき、歪−抵抗係
数の小さな歪抵抗材料を用いても、高感度かつ小型の変
位センサ、音波・超音波センサ、加速度センサ、角速度
センサ、アレイセンサなどを低価格で大量に製造するこ
とが可能である。

【００３７】またシリコンなどの半導体基板を用いて両
もち梁を作製できるため、歪抵抗素子の微小な抵抗値の
変化を増幅検出する回路や、複数のセンサから検出され
た信号を演算処理し、画像化する回路などを基板中に作
り込むことが可能であり、特にイメージング用センサに
おいて、さらに小型・軽量・高性能化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における変位センサの斜視図

【図２】本発明の実施例における変位センサの等価回路
を示す図

【図３】本発明の実施例における変位センサに用いられ
る歪抵抗素子の構成図

【図４】本発明の実施例におけるアレイ変位センサの斜
視図

【図５】本発明の実施例における角速度センサの斜視図

【符号の説明】

１ 基板 ２ 電気絶縁性薄膜 ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 歪抵抗素子 ５、６ 入力端子 ７、８ 出力端子 １０ 両もち梁 １１ 凹部 １２ 金属薄膜 １３、１４ 変位センサ １５ 回転軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 任田 隆夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
   歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
   素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
   れた複数個の第１の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
   板の凹部上に形成された複数個の第２の歪抵抗素子とを
   有し、前記第１の歪抵抗素子と前記第２の歪抵抗素子に
   よりホイートストン・ブリッジ回路を形成したことを特
   徴とする変位センサ。
2. 【請求項２】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定されアレイ状に形成された複数個の両もち梁と、前記
   両もち梁の主面に形成された歪抵抗素子とを有する変位
   センサであって、前記歪抵抗素子は前記両もち梁の前記
   基板への固定部近傍に形成された複数個の第１の歪抵抗
   素子と前記両もち梁の前記基板の凹部上に形成された複
   数個の第２の歪抵抗素子とを有し、前記第１の歪抵抗素
   子と前記第２の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
   ッジ回路を形成したことを特徴とする変位センサ。
3. 【請求項３】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
   歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
   素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
   れた複数個の第１の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
   板の凹部上に形成された複数個の第２の歪抵抗素子とを
   有し、前記第１の歪抵抗素子と前記第２の歪抵抗素子に
   よりホイートストン・ブリッジ回路を形成し、さらに前
   記歪抵抗素子が形成された両もち梁が固定された前記基
   板を減圧状態またはヘリウムガスを充填した容器内に収
   納したことを特徴とする変位センサ。
4. 【請求項４】歪抵抗素子が半導体拡散抵抗、薄膜金属抵
   抗または薄膜半導体抵抗から選ばれた少なくとも１種か
   らなることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の
   変位センサ。
5. 【請求項５】歪抵抗素子が絶縁体に金属微粒子が分散さ
   れた抵抗体からなることを特徴とする請求項１〜３いず
   れかに記載の変位センサ。
6. 【請求項６】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
   歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
   素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
   れた複数個の第１の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
   板の凹部上に形成された複数個の第２の歪抵抗素子とを
   有し、前記第１の歪抵抗素子と前記第２の歪抵抗素子に
   よりホイートストン・ブリッジ回路を形成した変位セン
   サを用いた変位測定方法であって、前記両もち梁のたわ
   みの大きさを検出することにより、気体または液体の振
   動変位を測定することを特徴とする変位測定方法。
7. 【請求項７】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定されアレイ状に形成された複数個の両もち梁と、前記
   両もち梁の主面に形成された歪抵抗素子とを有する変位
   センサであって、前記歪抵抗素子は前記両もち梁の前記
   基板への固定部近傍に形成された複数個の第１の歪抵抗
   素子と前記両もち梁の前記基板の凹部上に形成された複
   数個の第２の歪抵抗素子とを有し、前記第１の歪抵抗素
   子と前記第２の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
   ッジ回路を形成した変位センサを用いた変位測定方法で
   あって、複数個の前記両もち梁のたわみの大きさとそれ
   ぞれの位相を検出することにより、気体または液体の振
   動の大きさ及び振動の伝播方向を測定することを特徴と
   する変位測定方法。
8. 【請求項８】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定された両もち梁と、前記両もち梁の主面に形成された
   歪抵抗素子とを有する変位センサであって、前記歪抵抗
   素子は前記両もち梁の前記基板への固定部近傍に形成さ
   れた複数個の第１の歪抵抗素子と前記両もち梁の前記基
   板の凹部上に形成された複数個の第２の歪抵抗素子とを
   有し、前記第１の歪抵抗素子と前記第２の歪抵抗素子に
   よりホイートストン・ブリッジ回路を形成した変位セン
   サを用いた変位測定方法であって、前記変位センサを被
   測定物に取り付け、被測定物に加わる振動または加速度
   の変位を測定することを特徴とする変位測定方法。
9. 【請求項９】凹凸を有する基板と、前記基板の凸部に固
   定されアレイ状に形成された複数個の両もち梁と、前記
   両もち梁の主面に形成された歪抵抗素子とを有する変位
   センサであって、前記歪抵抗素子は前記両もち梁の前記
   基板への固定部近傍に形成された複数個の第１の歪抵抗
   素子と前記両もち梁の前記基板の凹部上に形成された複
   数個の第２の歪抵抗素子とを有し、前記第１の歪抵抗素
   子と前記第２の歪抵抗素子によりホイートストン・ブリ
   ッジ回路を形成した変位センサを用いた変位測定方法で
   あって、前記変位センサを被測定物に取り付け、複数個
   の前記両もち梁のたわみの大きさと方向を検出すること
   により、被測定物に加わる角速度を検出することを特徴
   とする変位測定方法。