[发明专利]物理量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及检测作用于物体的应变和载荷的物理量传感器。

背景技术

一般地，作为检测作用于物体的应变和载荷的物理量传感器，公知图5A～C所示的结构(参照专利文献1)。图5A、B表示现有的物理量传感器的俯视图、侧视图，在该图5A、B中弯曲体(flexure element)1由高弹性金属材料构成。之后，穿透孔2，由此形成了薄壁的应力集中部3a～3d。并且，在该弯曲体1的上表面侧的应力集中部3a、3b，设有沿着连结弯曲体1的固定端4和可动端5的长边方向并且与孔2连通的切口长孔6a、6b、7a、7b。并且，另外在由切口长孔6a、7a夹持的中央的梁部8a的背面和由切口长孔6b、7b夹持的中央的梁部8b的背面，形成有切口部9、10。此外，在应力集中部3b的梁部8b的端部，粘贴着驱动用的第1压电元件11和反馈用的第2压电元件12。

图5C是在图5B的A部连接了振荡器13的要部侧视图。如图5C所示，第1压电元件11与振荡器13的输出侧连接，第2压电元件12与振荡器13的输入侧连接。另外，第1、第2压电元件11、12的谐振频率被选定在梁部8b的固有振动频率f_e的附近。

在上述构成中，若从振荡器13向第1压电元件11施加具有梁部8b的固有振动频率f_e的附近频率的交流电压，则设置于梁部8b的一端的第1压电元件11产生机械振动。由于该机械振动，使得梁部8b以固有振动频率f_e开始纵向弦振动(vertical string vibration)。该弦振动被第2压电元件12接收，并且从该第2压电元件12向振荡器13的输入侧反馈具有与梁部8b的固有振动频率f_e相等的频率的交流信号。由此，梁部8b以与该固有振动频率f_e相等的频率持续进行弦振动。

这样，在梁部8b纵向弦振动的状态下，由于若作用于弯曲体1的可动端5的载荷F变大则作用于梁部8b的拉伸力变大，因而梁部8b的固有振动频率f_e上升。相反，由于若作用于弯曲体1的可动端5的载荷F变小则作用于梁部8b的拉伸力变小，因而梁部8b的固有振动频率f_e下降。这样一来，通过测量被输出到端子的固有振动频率f_e，能够测量作用于弯曲体1的可动端5的应变和载荷F。

另一方面，随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术等微细加工技术的进展，可制作极其小且薄的机械振子。根据该技术可将振子自身的质量构成得较小，因而能够制作即便所施加的载荷变小频率或阻抗也变动大的高精度的振子。通过使用这种微型机械振子，从而无需在弯曲体自身内形成应力集中点，就能构成仅贴着弯曲体即可简便地测量作用于弯曲体的载荷和应变的物理量传感器。

图6A～C示出使用本发明者们根据该MEMS技术制成的振子而形成的现有的物理量传感器。图6A是现有的物理量传感器的俯视图，图6B是图6A的6B-6B线剖视图，图6C是图6A的6C-6C线剖视图。在该图6A～C中，在半导体基板101的表面形成了由氧化硅层或氮化硅层构成的绝缘层(未图示)。梁部102是通过对半导体基板101实施蚀刻处理而形成的。固定部103围住梁部102。另外，在梁部102的表面的中央部，按照自下而上的顺序依次形成下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的驱动元件104。此外，在梁部102的端部，按照自下而上的顺序依次形成下部电极(未图示)、由PZT等构成的压电体层(未图示)、以及由上部电极(未图示)构成的反馈元件105。并且，驱动元件104、反馈元件105经由布线图案(未图示)与焊盘(land)106电连接。另外，振子被Au-Au接合等金属系接合材或环氧树脂等具有刚性的物质108连接固定在梁部102的两端的固定部103，以使在弯曲体107产生的应变被传递到振子。

驱动元件104与放大器(未图示)的输出侧连接，反馈元件105经由移相器(未图示)与放大器的输入侧连接。另外，驱动元件104、反馈元件105的谐振频率被选定在梁部102的固有振动频率f_e的附近。