圧力，音圧の変動，磁界，加速度，振動または気体の組成を測定する装置

专利摘要:
本発明はセンサ（１）と、圧力、音圧の変動、磁界、加速度、振動または気体の組成を測定する方法に関する。前記センサ（１）は、超音波発信機（２）とこれに関連して配置される共振器（４）を備えている。本発明によれば、前記センサ（１）は前記共振器（４）の前記超音波発信機（２）の反対側の端部に位置する受動的センサ要素（３，３’）を備えており、前記超音波発信機（２）から前記受動的センサ要素（３，３’）までの間隔は、その超音波周波数における共振条件を満足するように選択され、前記超音波発信機（２）は周囲の媒質に十分に結合した軽量構造の隔膜発振器（９）と、前記超音波発信機（２）と前記共振器（４）の間の相互作用を測定する手段を含む前記センサと、を備えている。ａ
公开号:JP2011514505A
申请号:JP2010536498
申请日:2008-12-04
公开日:2011-05-06
发明作者:シランペー，テウヴォ；セッパ，ヘイッキ
申请人:ヴァルション テクニッリネン トゥトキムスケスクス；
IPC主号:G01D5-48

专利说明:

[0001] 本発明は請求項１に対応しており、圧力，音圧の変動，磁界，加速度，振動または気体（ガス）の組成を測定する装置に関する。]
[0002] また、本発明は、圧力，音圧の変動，磁界，加速度，振動または気体の組成を測定する方法に関する。]
背景技術

[0003] 微小機械の圧力センサ、マイクロフォン等において２つの隔膜の間隔はいわゆる容量性の方法で測定される。これは動作によって生じる電圧を測定することにより、あるいは高い周波数において静電容量を測定することによって測定する方法である。それら２つの隔膜は互いに非常に接近しているため、いくつかの問題が生じる。例えば、２つの隔膜の固着や、基板及び構成部品の熱膨張によって引き起こされる動作等である。このような機械的な問題に加えて、現在の構造では２つの隔膜の間のインピーダンスが大きい点、そして漏電が引き起こす問題などの問題を抱えている。]
[0004] 現在、携帯電話において、切替は微小機械のマイクロフォンによって成し遂げられている。ＭＥＭＳの圧力センサはすでに一般的に使用されており、例えば時計に使われている。それらはＭＥＭＳ構造の点で非常に似ている。それらはパッケージ技術、材料の選択、電子的解決等のみで異なるが、２つの隔膜の間隔が互いに接近している（１〜３μｍ）という同じ基本原理に基づいている。これらは第１世代のＭＥＭＳマイクロフォンとＭＥＭＳ圧力センサと呼ばれている。本願の新しい発明はこの第１世代のセンサのいくつかの欠点を除去するものであり、いくつかの変数を測定する安定したＭＥＭＳセンサを可能にするものであり、回路カードを簡単に取り付けることができる。現存するガスセンサは化学的または光学的である。化学的センサは安定性が悪く、光学的センサは多数利用するには高価である。]
[0005] 特許３２３２５９号よりＭＥＭＳ技術を使用した超音波送受信機が調整された共振器内に配置されるという解決法が知られている。その超音波送受信機により、ガス内の音速を測定し、その音速に基づいてガスの物質特性が決定される。この装置には電気回路と共に２つの能動素子が必要となり、構成が複雑になるという欠点がある。この複雑な構成が生産コストを増加させている。]
[0006] ピエゾ超音波発信機を用いたガスセンサ装置は、エフ．グランステッド，エム．フォルケ，エム．エストローム，ビー．ホーク，ワイ．べアックランド（F.Granstedt，M.Folke，M.Ekstrom，B.Hok and Y.Backlund）氏による文献“電子音響ガスセンサのモデル化（Sensors and Actuators）”，B104（2005）308-311から知られている。]
[0007] また、ピエゾ超音波発信機を用いたガスセンサ装置は、エフ．グランステッド，エム．フォルケ，ビー．ホーク，ワイ．べアックランド（F.Granstedt，M.Folke，B.Hok and Y.Backlund）氏による文献“電子音響学的に結合された共振器を有するガスセンサ（Gas Sensor with electroacoustically coupled resonator）”，B78（2001）161-165からも知られている。]
[0008] ピエゾ超音波発信機は固定された発振器からの放射に基づいているので、そのガスとの結びつきが弱く、別の言い方をすると、そのガス空間または発振空間における超音波発信機の入力インピーダンスの微小な変化、あるいはその変化による出力変動が生じる。上述の論文では、共振器内のガス速度が測定されることだけが記載されており、単一の能動部品に基づいて受動的センサ隔膜の位置を測定することは記載されていない。]
発明が解決しようとする課題

[0009] 本発明は先行技術の欠点を除去し、音の速度と減衰に基づいて同様な構造でガス測定にも使用できるようにすることを目的とする。さらに、そのセンサは磁界と加速度の両方の測定にも使用できる。]
課題を解決するための手段

[0010] 本発明は特許請求の範囲の特徴部分における記載によって特徴付けられる。]
[0011] 本センサは超音波発信機に基づいており、好適には隔膜という形態の軽量な発振源と、その上部に設けられた超音波共振器とを備えており、超音波発信機の駆動周波数で共振するように設計される。共振器の典型的設計例では超音波の波長の４分の１、２分の１、または数倍の長さに設計する。]
[0012] その発信機の入力インピーダンスまたは入力電力を介して超音波のインピーダンスの測定することにより、そのインピーダンスは上述した設計の長さに関連する共振器の偏差によって大きく左右されることが観測できる。もし、超音波が連続共振するように動作すれば、発信機のインピーダンスの微小な変化は共振器の高さに正比例し、共振器内の空気制動と共振器の幅が比例する。センサの配置はこのような共振器長に影響する変数で決定される。]
[0013] さらに具体的には、本発明のセンサは請求項１の特徴部分における記載によって特徴付けられる。]
[0014] 一方、本発明の方法は請求項１２の特徴部分における記載によって特徴付けられる。]
[0015] 本発明の補助によって多数の長所が得られることがわかる。容量性の構造に比べると、センサ要素としての隔膜または面が電気的な接触をほとんど必要としないため、この電子機器は効果的にシールドすることができる。したがって、本センサは測定対象に直接接触させることができる。本発明の好適な実施例では、測定対象への機械的な接触も可能となる。]
[0016] 上記の先行技術で述べたピエゾ結晶超音波源に比べると、本発明の軽量な隔膜の超音波発信機は測定対象の媒質との接続が１０倍程度良くなるので感度が大幅に改善され、これは測定の感度においても明らかである。さらに本センサの構造は、例えば同じSOI構造内に積層することができるので製造技術を介してコスト面での顕著な長所も成し遂げられる。]
[0017] 本発明は上述のＭＥＭＳ構造に比べると、装置の簡素化ができる点で著しく有利である。一つの能動素子と最も多様な測定要素を形成する補助が必要となるだけである。]
[0018] 以下は補助例で試験された本発明であり、添付図面に関するものである。]
図面の簡単な説明

[0019] 本センサが取りうる基本構造の断面図である。
本センサが取りうる基本構造の断面図である。
本センサが取りうる基本構造の断面図である。
本発明のセンサの電気的な等価回路の概略図である。
本発明のセンサの電気的な等価回路の概略図である。
本発明の加速度センサの基本構造の断面図である。
本発明のセンサの生産工程の詳細な断面図である。
本発明のセンサの他の構造の断面図である。
本発明のセンサの電気的な概略図である。]
実施例

[0020] 図１ａと図１ｂは、本発明の超音波センサ１における構造の概略図である。図１ａには超音波発信機２が単一の共振器となっている構造が記載されており、図１ｂにはいくつかの発振を伴う発信機２を使用して音波を発生させる状態が記載されている。発信機２の隔膜９は空洞共振器４内で上記の超音波共振を生じさせる。超音波発信機２は電気的な直列共振と並列共振の両方を生じさせる。共振器の品質上、直列共振のインピーダンスは通常、１〜１０ｋΩであり、並列共振のインピーダンスはその１０〜１００倍以上である。柔軟性のある上側の隔膜３は音波の大部分を反射させ、少量の一部を隔膜３の後方に放射する。これは直列共振のインピーダンスが減少することを意味する。もし、隔膜が出力を放射すると、共振器の品質が悪くなり、分解能が悪くなる。図１ｃは半波長サイズの共振器６を追加し、その追加した共振器の上部にカバーを設けたものであり、そのカバーは好適には超音波を効果的に共振器に反射させるために厚くて堅い。] 図１ａ 図１ｂ 図１ｃ
[0021] 図２ａは超音波発信機２の電気的な等価回路を提供する。コイル23は隔膜９の質量を示しており、容量24はバネ定数、容量20は電気的な容量を示している。抵抗22は隔膜による損失を示し、抵抗21は放射損失を示している。部品の定数は超音波センサに印加された電圧に依存する。例えば、もし、超音波共振器がλ/2の長さであれば、超音波の共振を増幅する。音波が超音波隔膜に同相で達し、隔膜の動作を増大させる。図２ｂは共振器がλ/2の長さである時、すなわち、共振器が直列共振を形成する時の共振器４と電気的な等価回路を示している。共振器は波長の４分の１、あるいは数倍であっても良い。共振器４のインピーダンスは図２aにおいて放射抵抗21と置き換えたものである。したがって、共振器のインピーダンスは共振器４の実効コイル25と、実効容量26と、共振器の損失27から形成される。本システムは単一の新しい直列共振を形成する。これらの共振は、単一の共振を形成するために縮退したものだと考えることができる。もし、共振器４によって形成される実効容量26が超音波発信機２の実効容量24よりも小さくなり、共振器４のインダクタンス25が超音波センサのインダクタンス23より大きくなったら、センサ１（＝発信機２＋共振器４）のインピーダンスは共振器４によってほぼ完全に決定されるであろう。実際の状況はこのような理想通りにはならない。また、超音波発信機２の内部損失は共振器４によって生じる損失より小さいと考えられる。もし、微小機械の発信機２を使用すれば、これを成し遂げることができる。ピエゾ・アクティブ発信機を用いて問題になっている状況を作り出すことは不可能である。] 図２ａ 図２ｂ
[0022] 最適化には超音波発信機２の発振隔膜９の質量を最小化し、バネ定数（張力または剛性）が望ましい共振周波数が成し遂げられるように最適化することが必要である。さらに、隔膜９の表面積はガスとの結合を最適にするように設計される。最適化は隔膜がピストンモードで発振しているかフレキシブルモードで発振しているかによって異なる。さらに、発信機２の形状は重要である。また隔膜９は、多くの小さな各超音波隔膜９から形成することもできる。この様子は図１ｂに示される。一般に、放射の最適化は隔膜９の幅が超音波周波数の波長程度になる時に達成される、すなわち共振器９の自然な寸法は通常、幅λ、高さλ／２である。もし、発信機が複数の分離要素から形成されるなら幅はもっと大きくすることができる。隔膜９の上側の位置はインピーダンスの位相を、すなわち、その虚数部分を変化させる。共振器４の損失はインピーダンスの実数部を変化させる。言い換えると、虚数部の値を測定するための位相検出器を用いることによって、隔膜９の偏差を決定することができる。すなわち、出発点としてセンサ１は位置または位置の変化を測定するセンサであるが、これを複数の変数を測定するのに用いることができる。以下、このセンサを一般にＵｔｒａセンサと呼ぶ。] 図１ｂ
[0023] ・各アプリケーション
出発点として、センサ１は隔膜の位置あるいはその位置の変化を測定する。これは面の位置の正確な測定が不可欠となる全ての応用で使用できることを意味する。言い換えれば、ＵＴＲＡセンサはマイクロフォン、圧力センサ、加速度センサまたは磁力計を作るのに用いられる。さらに、本装置は音速の測定やガスの減少測定すなわちガスセンサとして使用することができる。もし、共振器が波長の４分の１の長さを有し、空気よりも比重の重いガスが充填された場合は、ＭＥＭＳ超音波発信機と空気の間にインピーダンス変換器を形成する。以下、多様なセンサの特別な特徴について述べる。]
[0024] １．位置センサ
ＵＴＲＡセンサは、それ自体は位置、速度、または加速度を測定するセンサである。音響放射は音波を検出するために通常ピエゾ・アクティブ構造を金属面に接続することによって測定される。この応用において、ＵＴＲＡセンサはピエゾセンサと置換するために直接使用される。ＵＴＲＡセンサはより小型で低価格であり、同じシリコン基板上に複数の受信機を積層できるという長所を有する。もちろん、位置センサは例えば超音波撮像装置において通常の超音波センサと発信機として使用することができる。]
[0025] ２．インピーダンス整合された広帯域超音波発信機と受信機
もし、共振器の高さが波長の４分の１と等しく、適当なガス混合物（例えばアルゴン、二酸化炭素、窒素…）を充填したら、微小機械の発信機の特定のインピーダンスが空気と完全に合致するようにガス濃度を調節することができる。もし、共振器内のガス濃度が空気のおよそ１０倍であれば、これは実際に起こる。実際、使用することができ、かつ空気よりもずっと高い濃度のガスはアルゴンと二酸化炭素（ＣＯ２）である。ベンゼンも使用できる。この方法は例えば、既存（例えば自動車用のパーキングレーダー）よりも優れた超音波に基づくレーダーやガスの流速計などを可能にする。さらに、測定対象から遠い位置に電子機器を置くことができるので、厳しい条件（例えば温度が３００℃等）での測定も可能である。現時点で、ＭＥＭＳ源から空気への放射効率はピエゾ・アクティブ結晶等に比べてかなり良い（１〜３％）。ピエゾ・アクティブ・プラスチックはＭＥＭＳと同じくらい良い。本発明のガス変換器を追加することにより、効率は１０％以上に向上し、信号雑音比も大幅に改善することができる。例えば、より広帯域でより位相安定性の高いセンサを製造できるため、超音波によるガスの流量測定はかなり正確になる。]
[0026] ３．ガスセンサ
本センサはガス内の音波の速度と減衰の両方を測定するのに使用できる。ガスはこれらに基づいて決定される。もちろん、音波の速度と減衰は温度と湿度に依存しているので、正確な測定には前記の変数の測定が必要となる。ガスセンサの場合、センサの分解能は問題ではなく、問題となる誤差は機械的応力や温度補償などから生じる。もちろん、センサがガスの組成の絶対的な情報を提供するものではない点は重要である。しかしながら、もし、センサをより高い周波数でも使用できるなら、ガスの組成の追加情報を得るために音波の速度と減衰の変化を用いることができる。非常に広い周波数帯域にかけて音波の速度と減衰を測定することによって、例えば空気の湿度を別個決定できることが一般に知られている。]
[0027] 使用電力に応じて、センサの共振器内のガスは加熱される（１〜３℃）。もし、ガスがかなり湿っていれば、共振器の損失は増加し、熱の強さは湿気から蒸発を増加する。他方、超音波は水滴の表面張力を減少させ、水滴は気化し、表面には残らない。言い換えると、この方法は共振器内のガスの湿気に作用することができる。]
[0028] センサは特に選択的ではないので、個々のガスの検出に最適である。例えば、自動車の二酸化炭素センサ（もし、水素が自動車に広く使用されるようになれば将来は水素センサ）に使用でき、あるいはビルや工場のガス検出器としても用いられる。センサは特にバルブの漏れセンサに適している。これはバルブが既知の気体を制御し、センサは閉鎖空間内のバルブに近づけて置くことができ、その漏れる前のガスの内容がほとんど不変だからである。この応用では、同時の温度測定は誤差の補償に十分である。もちろん、センサは数種類の気体を具体的に測定し、消失する気体を上記の方法で検出することができるセンサシステムの一部となることができる。ガスセンサにおいて、上側の隔膜は非常に堅く、かつ重くして形成することができ、これにより超音波がその隔膜の下側表面から十分に反射するようにできる。例えば、ＳＯＩをベースとした共振器は、とてもこの目的に適している。ガスセンサに関し、我々はＵｔｒａＧａｓあるいはＵｔｒａＧａｓセンサという名前を使っている。]
[0029] ４．圧力センサ
もし、センサが圧力を測定する装置なら、共振器には既知のガスが充填される。好適には、音波減衰が低いガスであり、小さな実効容量と大きな実効インダクタンスを生じさせる。もちろん、ガスはシリコンまたは酸化シリコンと反応しにくく、共振器の外に拡散しにくいものを選択しなければならない。ＭＥＭＳの圧力センサに存在する問題は共振器の高さが隔膜の過度の偏差を超えない最大圧力とするために十分な堅さとなるようにバネ定数を決めなければならないことである。容量測定を低電圧で行い、それでも十分な分解能となるように共振器の高さは低く保たなければならない。Ｕｔｒａセンサではこの問題が生じない。言い換えると、隔膜がたるむように設計することで、感度を増加させ、これにより装置の例えば基板のねじれから生じる問題の影響を受けにくくする。もちろん、不都合な点はＵｌｔｒａセンサの実効バネ定数がある程度圧力に依存していることであり、以下の式に示される。]
[0030] ]
[0031] ここで、hは共振器の高さであり、pは圧力、Ａは共振器の断面積である。この式に典型的な値を代入することにより、高さが１００μｍ以上の時、機械的なバネ定数によって実効バネ定数が決まることがわかる。したがって、バネ定数の圧力依存性が大きな問題を生じさせることはない。]
[0032] この卓越したＵｔｒａセンサの動的性能は、電極間距離がたった数μｍであり、これまでの容量性のＭＥＭＳセンサとは本質的に異なるものである。この種の構造では、容量の非線形性が生じるが、もちろんこれはフィードバック手段によって改善できる。しかしながら、フィードバックは高い直流電圧を必要とすることがよくあり、その生成が難しく、また表面の帯電が生じて不安定となる。非線形性もバネの非線形性によって生じる。我々はこの圧力センサをＵｔｒａＰｒｅｓｓと呼んでいる。]
[0033] 現在のＭＥＭＳ圧力センサはかなり良いのだが、このＵｔｒａセンサはより安価で安定性の高いＭＥＭＳセンサであり、多くの分野で使用できる。感度の向上により小型のセンサ加工が可能となり、センサは特別なパッケージ技術が不要となるために安くなるが、これは、低いインピーダンスで測定し、ＩＣをセンサの近くに配置する必要がないからである。この力学と線形性は現在の容量性ＭＥＭＳセンサにおいても優れている。圧力センサの場合、実際の応用ではいかなる場合も十分であるため、感度の分析はしない。もし、感度が十分でなければ、感度の改善のために図１ｃの構造を用いることができる。図１ｃでは、反射カバー７に形成された孔５の補助と共に測定対象に接続された第二の共振器である反射共振器６がセンサ共振器４の上部に形成される。この構造は隔膜３を貫通して外気空間までセンサ構造を貫通する超音波を除去するために使用される。圧力センサの測定誤差は主にシステム上の誤差とパッケージによって生じる誤差によって決まる。] 図１ｃ
[0034] ５．磁力計
もし、隔膜の上部に直流電流または交流電流を流すコイルを製造すれば、隔膜は外部磁界に応じて動き、あるいは発振する。直流電流の場合、装置は圧力センサまたはガスセンサとまったく同様に動作する。そのインピーダンス変化を測定する。一方、もし交流電流を使用し、上側の隔膜をその周波数で共振するように調整すれば、インピーダンス変調が形成され、搬送波の側波帯として生じる。もし、大きく開いて呼吸するような隔膜を形成させれば、低い周波数で共振のＱ値を非常に大きくすることができ、装置の感度を最大にすることができる。この磁力計はガスセンサや圧力センサと組み合わせることができる。このセンサの問題点は磁界の一つだけの成分を単純に測定する形になってしまうことである。ガスの減衰により、消失及びそれによる雑音は従来のＭＥＭＳセンサよりも大きいが、他方、バネ定数は非常に小さくすることができ、感度は最大化される。Ｕｔｒａセンサは現在の磁力計に対抗できるだけの感度を有した製品として生産されるものと考えられる。しかしながら、そのインピーダンスは低いので電子機器は磁力計から離して置くことができる。これは測定対象と電子機器を近づけることができない厳しい条件下での使用を可能にする。例えば核融合発電所において使うことができる。同じことが広いダイナミックレンジを有する圧力センサにも言える。磁力計はまた、磁性材料の上側の隔膜を形成することによっても作ることができる。我々はこれをＵｔｒａＭａｇと呼んでいる。]
[0035] ６．加速度及び振動センサ
もし、構造が十分呼吸するようなものであって、上側の隔膜の塊が大きく形成されれば、加速度センサの構築方法を使用できる。バネ定数の補助とその塊でセンサの感度と上限周波数を調整できる。バネ定数は非常に弱くすることができるので、現在の加速度センサよりかなり感度の良いセンサを生産できる。感度は本公報の式３（数６）から計算できる。ａを加速度とすれば、動作は式ｋｘ＝ｍａで決定される。上側の隔膜の減衰は隔膜のミシン目（穿孔）を使用することにより調整できる。一般に、加速度センサは減衰過剰気味に設計される。]
[0036] この加速度センサの最大の利点は、Ｕｔｒａセンサの広いダイナミックレンジである。多くの測定対象には、異なる周波数と振幅あるいは高い周波数の「キシミ」の多数の振動がある。現在のＭＥＭＳにおいて容量の非線形性によって歪みと相互変調歪み（互いに異なる周波数成分の混合）が生じる。以後、これらは除去することができない。もちろん、非線形性は雑音で折り重なりを引き起こす。これはポストフィルタリングや演算処理によって除去することができない。図３は高い分解能と広いダイナミックレンジを有する加速度センサや振動センサを示している。この方法において、塊３２の面３’は第一のセンサ要素となる。閉じた構造は加速度センサに影響を与える湿気をもたらし、上側の堅い隔膜３は出力を共振器へ反射させて戻し、これによりセンサの感度は向上する。また、センサは圧力変動の影響を受けにくい。いくつかの超音波発信機と塊３２の適当なパターニングを用いることによって、加速度センサの横すなわちｘ−ｙ方向の動作を測定できる。この場合、上側の共振器は波長の４分の１の長さにすることが好ましい。我々はこのセンサをＵｔｒａＶｉｂと呼んでいる。図３は本発明に適した電子機器の簡単化したものを示しており、交流電源35は超音波発信機２の電極30の間で使用され、もし必要なら、これに並列または直列にした直流電圧バイアス36を使用する。測定される変化は電極30の間のブロック34を用いたインピーダンス測定によって得ることができ、この詳細な図は図６に示す。したがって、ブロック34は入力電流と入力電圧によって超音波発信機２のインピーダンスを測定するのに使用される。] 図３ 図６
[0037] ７．マイクロフォン
おそらく、Ｕｔｒａセンサの最も重要な応用はマイクロフォンである。現在の隔膜動作の精密計測よりもロバストな方法をもたらすからである。また、完全にＭＥＭＳベースであり、これにより安価な生産が可能とする。これに関連して、我々はこのセンサをＵｔｒａＭｉｃと呼んでいる。]
[0038] この超音波センサの音波共振器への接続は非常に大きいためインピーダンスは共振器の実効コイルと、実効容量と、共振器の損失によって決定できるものとみなされる。共振回路の実効容量を測定するための位相測定を用いた場合、分解能は以下の式に示される。]
[0039] ]
[0040] ここで、ｋはボルツマン定数、Ｑは共振回路の品質係数、Ｔはガス温度、ωは超音波の角周波数であり、ω＝２πｆ（ｆは周波数）であり、Ｕは測定に使用する測定周波数である。Ｃは実効容量を示しており、ガス内に蓄積された超音波エネルギーを表していると言える。超音波発信機の実効容量は以下の式から直流電圧バイアスによって決定される。]
[0041] ]
[0042] ここで、ω0は機械的共振周波数、ｋはバネ定数、Ｃ0は電気的な容量、Ｕ0はバイアス電圧である。インダクタンスは以下の式によって得られる。]
[0043] ]
[0044] ここで、ｍは隔膜の質量である。以下のように、バネ定数は質量と共振周波数から導き出せる。]
[0045] ]
[0046] 隔膜の動作は圧力と隔膜の実効表面積に正比例する。ここで、圧力を分解能の形で示す。]
[0047] ]
[0048] もし、ｘ＝λ/２＝ν/２ｆという条件で共振させると、圧力の分解能は以下の式で示される。ここでνは空気中の音速（ν＝３４０ｍ/ｓ）である。]
[0049] ]
[0050] ここで、ηは共振器の隔膜の密度で、ｈはその厚さである。]
[0051] 分解能は主に音の大きさ（この場合Ｕ）と表面積によって、及び隔膜をできるだけ薄くすることによって調整できることが式からわかる。単位長さ当たりの空気の減衰が周波数に正比例するので、超音波の角速度と共振器の入力は一定である。実効容量Ｃは共振器の表面積に正比例しており、共振器の幅によってマイクロフォンの感度を直線的に調整することができる。もし、その幅を超音波の波長より大きくしなければならないなら、超音波発信機をいくつかの共振器に分割して発信機の設計を容易にできるようにした方が良い。マイクロフォンの帯域幅は２０ｋＨｚ程度にしなければならないので、できるだけ好ましい幅に近づけて設計できるだけである。この場合、雑音温度Ｔは３００Ｋ程度であるが、これは増幅器がその雑音温度が室温を十分下回るように容易に設計できるからである。また、上述した式のように隔膜の密度ηと厚さｈを用いた式で示すことができる。もし、ωＱ＝５００×１０５、ｆ＝１０ｋＨｚ、Ｃ＝１．０ｐＦ、ｈ＝１μｍ、η＝５×１０２ｋｇ／ｍ３、Ｕ＝３Ｖとした場合、圧力の分解能として、ｍ＝３０μＰ／Ｓｑｒｔ（Ｈｚ）が得られる。これは、実際のマイクロフォンにとって十分である。もちろん、これは音波共振器がそれ自身によって全体構造の損失を決定するという理想的な条件である。もし、超音波共振器のインピーダンスが３ｋΩとすれば、消費電力は約１ｍＷととなり、マイクロフォンにとってはかなり大きいが受け入れることは可能である。]
[0052] 理想的な条件では、マイクロフォンの分解能は十分であるが、実際には感度を上げるために共振器の表面積を波長よりも幅広くさせなければならない。しかしながら、超音波損失を減らすために図１ｃに示される構造を用いなければならない。ＵｌｔｒａＭｉｃは十分な感度のマイクロフォンを可能にするものだと思われるが、最適化は十分注意して行わなければならない。最適化の後、式は共振器の幅を増加させるだけ、あるいは電圧を増加させるだけで、より高感度のマイクロフォンにすることができることを示している。] 図１ｃ
[0053] 我々は微小機械の超音波発信機を用いて音圧の変化を高い分解能で測定できる補助による方法を提案した。この方法の長所は小型であり、センサから電子機器が独立しており、耐湿性に優れていることである。さらに、この構造は隔膜の癒着から保護する必要がなく、分離パッケージなしで回路カードに直接置くことができる。この構造の試みは製造パラメータの調整と感度の温度依存性と消費電力の増加である。本発明の応用に係るマイクロフォンＵｔｒａＭｉｃは隔膜の位置を光学的に測定する光学的マイクロフォンを強く思い起こさせる。しかしながら、本発明のセンサと方法に光学を使うことはなく、表面の汚れに敏感になる必要もない。本発明の他の試みは周囲に超音波を放射しない上側隔膜の設計方法であり、これにより共振器の品質係数は減少する。しかしながら、図１ｃによれば、共振器内に出力を反射して戻すように新しく呼吸可能な構造を隔膜の上部に設けることで避けることができる。この追加構造の隔膜７は超音波出力を外部に放射しないように堅くすることができる。もちろん、この構造はコストを増加させ、ある程度部品が厚くしてしまう。この方法は分解能が十分高くない場合に限り選択される。] 図１ｃ
[0054] ８．センサの組み合わせ
上記の組み合わせはＵｔｒａセンサで構成できる。まず、電子機器は各センサに隣接して設ける必要がないので、一つまたは分離された複数のシリコン基板にいくつかのセンサを設けることができる。このセンサは、例えば多重化によって読み取ることができる。特定センサも同じセンサで２つの変数を読み取るように組み込まれる。低い周波数センサ（圧力センサ、ガスセンサ、磁界センサ）は、高い周波数センサ（マイクロフォン、振動センサ、高い周波数の加速度センサ）と組み合わせることができる。例えば、もし、図１ｃに対応するセンサにおいて、上側の隔膜７が非常に柔軟で、媒介する隔膜３が反射性でありながら一部が超音波によって貫通できる場合、上側隔膜７を圧力センサ、中間隔膜３を加速度センサとすることができる。ガスセンサは、例えば加速度センサなどと組み合わせることができる。言い換えると、もし、同じ場所でいくつかの異なる測定変数が必要なら、適切にセンサを組み合わせることにより、センサモジュール全体の価格を下げることができる。] 図１ｃ
[0055] ・電子機器
図３のモジュール34をより詳細に示している図６を参照しながら、電子機器について述べる。微小機械の超音波発信機２が使用されているので、その発信機に直流電圧36でバイアスをかけ、発信機35によって周波数ｆの音波を発生させるか、あるいは直流バイアスを省力し、周波数ｆ／２を用いることによって音波を発生させることができる。これは出力が電圧の２乗に比例するからであり、クロストークを効果的に除去できるので有利である。基本インピーダンスの測定において、第一の増幅段階から十分な出力増幅を得るためにブリッジ回路や補償が必要となることがある。音波共振器の周波数は温度に依存するので、周波数は調整することができる。これは電圧制御された発振機35を使うことを意味しており、位相検出器によってインピーダンスが実数となるように固定される。マイクロフォンにおいて、位相検出器の虚数部に比例する信号が１０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数で隔膜の位置に正比例する場合に、制御を非常にゆっくりしたもの（約１０Ｈｚ）とするのに有利である。ガスセンサと圧力センサの場合、その必要とされる電圧制御は測定される変数の値を伝える。磁力計の場合、直接電圧制御を用いることができ、あるいは、もし、磁界が形成された変調に正比例する時に交流電流がコイルに流れれば、その交流電流よりもゆっくりとした周波数の制御器とすることができる。] 図３ 図６
[0056] 図６によれば、このようにＭＥＭＳ回路１からの信号は回路34の増幅器60に導かれ、その出力は位相検出器62と63によって検出される。その位相成分と位相を９０°ずらした成分とがその出力から検出される（直交検出）。位相検出器の第２の枝成分は、位相反転器61によって９０°回転されている。その位相検出器62と63から得られた信号は制御電子機器65によって処理される。デジタル信号化ブロック67に導かれるアナログ出力66も、その制御電子機器65から得られる。デジタル出力68がこの回路から得られる。周波数制御器69から発振器35へのフィードバックは、その制御電子機器65によってなされる。] 図６
[0057] 本発明に不可欠な特徴は、シンプルで安いＩＣ回路を使うことによって、３００Ω〜１０ｋΩのインピーダンスの実数部と虚数部の通常の測定を容易に行えることである。圧力センサの場合は、正確な温度測定が不可欠なだけである。マイクロフォンにおいて、感度の温度依存性は補償しなければならない。ガスセンサも温度測定が必要であり、精密計測の場合は湿度も測定する。もし、ｆ／２で運転すれば、直流電圧を超音波センサのバネ定数の調整に用いることができる。もし、超音波発信機自身の共振が音波共振器自身の共振と顕著に異なる場合、これが必要となる。違いが大きすぎるとそれらの共振は２つの共振に分離され、周波数の制御が機能しなくなることがある。分解能も大幅に悪くなってしまう。]
[0058] 並列容量は直列または並列に接続されたコイルを置くことによって除去される。もし、コイルが直列なら超音波発信機の印加電圧が増加し、高電圧を使用しなくても超音波発信機の出力を増加させることができる。もし、大電流や高電圧を使用したら、測定される信号を補償するために受動的または能動的なブリッジを形成しなければならない。能動的な補償において、センサに向かう信号と反対の位相を有する信号はセンサから来る信号にまとめられる。]
[0059] ・製造
図４は本発明の部品の製造方法を示している。超音波発信機２はＳＯＩディスク40に基づいており、そのディスクに反応性イオンエッチングによって形成された孔31を介して酸化シリコン構造は部分的に犠牲となる。その孔31は最終的にポリシリコンで埋められる。発信機２の共振器は真空中にあるため、超音波損失は空気のみによって、あるいは音波共振器４の損失によって決まる。この場合、超音波共振器の電気的な接続は、反応性イオンエッチングによって形成された孔にポリシリコン柱30を成長させることによってなされる。該柱30が成長する前にシリコン壁が酸化される。音波共振器４はディスク構造に形成することができ、ポリシリコン層41と隔膜３からなる。該層41は窒化シリコンまたは非結晶金属から形成することができる。共振器４は、例えば上側の隔膜３でエッチングを止めるような構造41の反応性イオンエッチングによって形成することができる。ディスク40，41と隔膜３は、融着によって互いに結合させることができる。最終的にディスクは例えばミシン目によって分離される。もし、呼吸孔が必要になれば、上側の隔膜３、音波共振器の下面あるいは超音波発信機の上面９に形成することができる。呼吸孔の大きさは下限周波数を決定するが、これは非常に低くしなければならず、特にマイクロフォンにおいては非常に低くするべきである。高速ガスセンサにおいては、早い応答時間にするために十分に大きくするべきである。] 図４
[0060] 図５は、２つのＳＯＩディスク40，80を互いに結合させることによって形成される超音波共振器４のセンサを示している。共振器４は、上側ＳＯＩディスク80にエッチングされる。その後、このカバーシリコンは研磨され、細くなった溝81がそこに形成され、隔膜３にピストン状の動作をさせることが可能となる。このように、上側ＳＯＩディスク80における上側シリコン３は隔膜の測定とガス共振器４の下側41との動作を形成する。] 図５
[0061] 図７によれば、本発明のセンサはベース構造がシリコンディスク72である微小機械構造の表面に基づいている。この構造において、酸化シリコン層70はシリコンディスクの上面にエッチングされ、孔31がエッチングされた薄い窒化物隔膜の上部に成長する。多孔質のポリシリコン71はその窒化物の上部に成長する。酸化シリコン70は多孔質のポリシリコン71を介してエッチングされ、共振器２を構成する。この後、多孔質ポリシリコン71は追加のポリシリコンによって埋められる。発信機２の共振器の圧力はこの段階で決定できる。隔膜９のバネ定数は窒化物の張力によって決まり、処理パラメータを変化させることによって調整することができる。電気的な接続はＳＯＩディスク40を介して孔をエッチングし、絶縁酸化物と導電性のポリシリコンを孔に成長させることによってなされる。音波共振器４は図３のＳＯＩディスクの例と同様に形成される。] 図３ 図７
[0062] この構造は多くの異なった方法で製造できる。例えば、超音波発信機はシリコンおよびシリコン酸化物の上部にポリシリコン隔膜を成長させ、その後、ポリシリコンに形成された孔を介して特定部分からシリコン酸化物をエッチングで取り除くことにより形成することができる。これは共振器が構造全体の実効損失を容易に決めることができる質量の小さい超音波発信機の製造を可能にする。他方、超音波センサはいくつかの、例えば六角形の発信機から形成することができ、各素子の大きさにより適当な周波数に調整し、共振器の表面積を決めることができる。この種類の構造は周波数が高く、共振器を幅広くした構造にすることができる点で有利であるが、これにより上側の隔膜は共振器の隔膜から超音波を生じさせにくくなり、分解能は悪くなる。]
[0063] 図３は、塊部を特に厚くした加速度センサを示している。この例では、非常に高い周波数（例えば２ＭＨｚ）が用いられ、超音波共振器を非常に低くし、上側共振器はなくすことができる。もちろん、問題のセンサにおいては、発信機をいくつかの部分に分けるという理にかなっている（図示しない）。] 図３
[0064] 本発明の添付の記載は本発明のいくつかの特徴的な特徴について述べたに過ぎない。本発明の実施例は特許請求の範囲において幅広く多様化できることは明らかである。]
[0065] したがって、本発明の超音波発信機及びそれに接続された共振器の相互作用が測定される。この部分のために、共振器は受動的センサ隔膜９、あるいは共振器内に含まれるガスの特性によって測定される変数に対して感度が良い。]
[0066] 本発明によれば、共振器４は装置のケースの一部とすることができ、例えば防水時計のガラスの圧力センサ装置部分は圧力伝達素子とすることができる。それに対して、マイクロフォン装置では共振器４は電話器の外装部分にすることができる。本発明の超音波回路を回路カードに設け、共振器をケースから形成して回路カードに取り付けることができるようなケーシング形態が可能になる。]

权利要求:

請求項1
超音波発信機（２）と、前記超音波発信機（２）に接続され、使用される超音波周波数で共振する共振器（４）とからなり、圧力，音圧の変動，磁界，加速度，振動または気体の組成を測定するセンサ（１）において、前記センサ（１）が、前記超音波発信機（２）からの距離が前記共振の条件に適合するように選択され、前記共振器（４）の前記超音波発信機（２）とは反対側の端部に置かれた受動的センサ要素（３，３’）を備え、前記超音波発信機（２）が軽量構造の隔膜発振器（９）を備えており、それにより周囲の媒質に十分接続され、前記センサが前記超音波発信機（２）と前記共振器（４）との間の相互作用を測定する手段を含んでいることを特徴とするセンサ。
請求項2
前記超音波発信機（２）と前記共振器（４）との間の相互作用を測定する手段が出力の測定手段であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
請求項3
前記超音波発信機（２）の内部が高い圧力となるようにＭＥＭＳ技術を用いて形成された構造であることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ。
請求項4
前記センサが、前記ＳＯＩディスク上に形成された微小機械構造の表面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のセンサ。
請求項5
基本的な状態において、前記超音波発信機（２）と前記センサ要素（３，３’）の間の距離が、前記使用される超音波周波数の波長の４分の１，２分の１，あるいは数倍であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のセンサ。
請求項6
前記センサ要素（３，３’）が、携帯電話や腕時計の装置ケースのような装置ケースの外側表面上にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のセンサ。
請求項7
携帯電話や腕時計のような前記装置ケースの外側表面が前記センサに接続され、少なくとも前記センサの一部を形成することを特徴とする請求項６記載のセンサ。
請求項8
前記共振器（４）がガスの内容を測定するために、ガスの通気性構造により周囲と接続されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のセンサ。
請求項9
加速度測定のために、追加の塊（32）が前記共振器（４）内に置かれたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のセンサ。
請求項10
磁界を測定するために、電流を流すコイルが前記受動的隔膜（３）内に置かれたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載のセンサ。
請求項11
前記センサの感度を上げるために、反射性共振器（６）が前記共振器（４）の上部に置かれたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載のセンサ。
請求項12
超音波発信機（２）と、前記超音波発信機（２）に接続され、使用される超音波周波数で共振する共振器（４）とからなり、圧力，音圧の変動，磁界，加速度，振動または気体の組成を測定する方法（１）において、前記超音波発信機（２）からの距離が前記共振の条件に適合するように選択される受動的センサ要素（３，３’）を、前記共振器（４）の前記超音波発信機（２）とは反対側の端部に配置し、軽量構造の隔膜発振器（９）を備えており、それにより周囲の媒質に十分接続する構造を、前記超音波発信機（２）として使用し、・前記超音波発信機（２）と前記共振器（４）との間の相互作用を、望まれる変数を決定するために使用することを特徴とする方法。
請求項13
前記超音波発信機（２）と前記共振器（４）との間の相互作用は、超音波発信機（２）により引き出された出力の測定によってなされることを特徴とする請求項１２記載の方法。
請求項14
前記構造は、前記超音波発信機（２）の内部が高い圧力となるようにＭＥＭＳ技術を用いて形成されたことを特徴とする請求項１２または１３記載の方法。
請求項15
前記構造は、前記ＳＯＩディスク上に形成されることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項記載の方法。
請求項16
基本的な状態において、前記超音波周波数の波長の４分の１，２分の１，あるいは数倍が、前記超音波発信機（２）と前記センサ要素（３，３’）の間の距離として使用されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項記載の方法。
請求項17
前記センサ要素（３，３’）を携帯電話のような装置ケースの外側表面上に、接合部の一部として用いることができるように配置したことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項記載の方法。
請求項18
携帯電話や腕時計のような前記装置ケースの外側表面を前記センサに接続し、少なくとも前記センサの一部として使用することを特徴とする請求項１７記載の方法。
請求項19
前記共振器（４）がガスの内容を測定するために、ガスの通気性構造により周囲と接続されたことを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか１項記載の方法。
請求項20
加速度測定のために、追加の塊（32）が前記共振器（４）内に置かれたことを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか１項記載の方法。
請求項21
磁界を測定するために、電流を流すコイルが前記受動的隔膜（３）内に置かれたことを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか１項記載の方法。
請求項22
前記センサの感度を上げるために、反射性共振器（６）が前記共振器（４）の上部に置かれたことを特徴とする請求項１２〜２１のいずれか１項記載の方法。
請求項23
ガスの内容を測定するために、請求項１記載のセンサを使用した装置。
請求項24
磁界の内容を測定するために、請求項１記載のセンサを使用した装置。
請求項25
圧力を測定するために、請求項１記載のセンサを使用した装置。
請求項26
距離を測定するために、請求項１記載のセンサを使用した装置。
請求項27
マイクロフォンとして、請求項１記載のセンサを使用した装置。
請求項28
加速度を測定するために、請求項１記載のセンサを使用した装置。
請求項29
３００’Ω〜１０ｋ’Ωのインピーダンスの実数部と虚数部を測定して、圧力，音圧の変動，磁界，加速度，振動または気体の組成を測定する装置において、前記測定が微小機械の超音波に基づいており、微小共振器が前記測定に用いられることを特徴とする装置。
請求項30
積層されたＭＥＭＳ構造を前記測定に用いたことを特徴とする請求項２９記載の装置。
請求項31
前記測定のセンサはシリコンをベースとした超音波センサに基づいており、前記超音波の波長，前記波長の４分の１，あるいは前記波長の数倍の長さが、その上部に設定されることを特徴とした請求項２９または３０記載の装置。
請求項32
前記超音波のインピーダンスが測定され、上部にある前記長さに関連する前記共振器の偏差と比較されることを特徴とした請求項２９〜３１のいずれか１項記載の装置。
請求項33
前記超音波の直列共振において、小さな変化のために前記超音波の前記インピーダンスが前記共振器の高さに正比例し、前記共振器の幅が前記共振器内の空気の減衰に比例することを特徴とした請求項２９〜３２のいずれか１項記載の装置。