JP2009092396A - Vibration type sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造体に歪を発生させる加速度や角加速度、接触力などの外乱の物理量を計測する振動式センサに関する。 The present invention relates to a vibration sensor that measures physical quantities of disturbances such as acceleration, angular acceleration, and contact force that cause distortion in a structure.
従来、加速度や角加速度、接触力などを計測する手段として、半導体の加工技術を応用したセンサが開発されている。例えば、加速度の検出では、錘を梁で支えた構造を用いて加速度により錘に加わる慣性力を梁の歪みとして検出するピエゾ式や、錘の移動量を静電容量の変化として計測する容量式、梁に加わった歪により振動系の共振周波数が変化することを利用した振動式など様々な方式が開発されている。 Conventionally, sensors using semiconductor processing technology have been developed as means for measuring acceleration, angular acceleration, contact force, and the like. For example, in acceleration detection, a piezo type that detects the inertial force applied to the weight due to acceleration as a distortion of the beam using a structure in which the weight is supported by a beam, or a capacitance type that measures the movement of the weight as a change in capacitance Various methods have been developed, such as a vibration type that utilizes the fact that the resonance frequency of the vibration system changes due to strain applied to the beam.
これらの方式の中で、半導体の加工技術を用いてセンサを小さくしていった時に、センサを小さくするほど分解能が高くなる方式として振動式が注目されている。というのは、構造体の大きさが小さくなるほど共振周波数が高くなるため、その変化量から加速度の大きさを検出する振動式は小さくするほど他の方式に比べて優位になるためである。 Among these methods, when a sensor is made smaller by using a semiconductor processing technique, a vibration method has been attracting attention as a method in which the resolution becomes higher as the sensor is made smaller. This is because the resonance frequency increases as the size of the structure decreases, so that the vibration type that detects the magnitude of acceleration from the amount of change becomes more advantageous as compared to other methods.
例えば、特許文献1に記載された振動式センサは、単結晶シリコンの一体構造で作られた錘と梁からなる構造体を1軸方向のみに可動するように構成し、その可動方向の動きを拘束するように薄膜で振動子を製作している。この薄膜は静電気力で共振駆動し、無負荷時の振動子の共振周波数が22kHzの時、1G当り40Hzの共振周波数が変化し、120G程度までの計測ができるとしている。 For example, the vibration type sensor described in Patent Document 1 is configured such that a structure made of a weight and a beam made of a single crystal silicon integral structure is movable only in one axial direction, and the movement in the movable direction is controlled. The vibrator is made of a thin film to restrain it. This thin film is driven to resonate by electrostatic force, and when the resonance frequency of the vibrator at no load is 22 kHz, the resonance frequency of 40 Hz per 1 G changes, and measurement up to about 120 G can be performed.
また、特許文献2によれば、薄膜振動子の欠点である信頼性を改善する手段として、単結晶シリコンで全ての構造体を加工する方法を提案している。この方法では、錘を支える梁の一方向の剛性を、梁を長くできる配置にすることで低くし、その梁の共振周波数(6400Hz)の変化(±10%)から加速度を計測している。
ところで、上述の振動式センサでは、振動子に加わった外乱により、振動子の共振周波数を10%程度まで変化させられることを利用している。
従って、計測精度の向上やサイズの小型化には、振動子の共振周波数を高くし、かつ、外乱印加時に錘に加わる力を効率的に振動子に伝えて振動子に発生する応力(歪み)を大きくすることが求められる。振動子の共振周波数は、その剛性の平方根に比例し、質量の平方根に反比例する。また、振動子に発生する応力(歪み)は、その剛性が低いほど大きくなる。
By the way, the above-described vibration type sensor utilizes the fact that the resonance frequency of the vibrator can be changed to about 10% by disturbance applied to the vibrator.
Therefore, in order to improve measurement accuracy and reduce the size, stress (distortion) generated in the vibrator by increasing the resonance frequency of the vibrator and efficiently transmitting the force applied to the weight to the vibrator when a disturbance is applied Is required to be large. The resonance frequency of the vibrator is proportional to the square root of its rigidity and inversely proportional to the square root of its mass. Further, the stress (strain) generated in the vibrator increases as the rigidity thereof decreases.
このため、特許文献1の振動式センサでは、単結晶シリコンの一体構造で作られた錘と梁からなる構造体を1軸方向のみに可動するように構成し、その可動方向の動きを拘束するように、単結晶シリコンと比較して共振周波数を高く、かつ、剛性を小さくできる薄膜で振動子を作成している。
この方式は、センサの大きさを小さくして錘に加わる力が小さくなっても感度の高いセンサを実現でき、センサの小型化と高感度化を両立できるが、その薄膜の信頼性が問題となる。
For this reason, in the vibration type sensor disclosed in Patent Document 1, a structure composed of a weight and a beam made of an integral structure of single crystal silicon is configured to be movable only in one axial direction, and the movement in the movable direction is constrained. As described above, the resonator is made of a thin film having a higher resonance frequency and lower rigidity as compared with single crystal silicon.
This method makes it possible to realize a highly sensitive sensor even if the force applied to the weight is reduced by reducing the size of the sensor, and can achieve both miniaturization and high sensitivity of the sensor, but the reliability of the thin film is a problem. Become.
また、特許文献2では、薄膜振動子の欠点である信頼性を改善する手段として、単結晶シリコンで全ての構造体を加工する方法を提案している。この方法では、錘を支える梁の一方向の剛性を梁の長さを長くすることで小さくし、その梁の共振周波数の変化から加速度を計測する。このタイプの振動式加速度センサでは、錘の質量の平方根に反比例する共振周波数と、錘の質量に比例する梁に加わる歪とが一方を大きくするともう一方が小さくなる関係にあり、薄膜と同程度の検出感度を得るにはサイズを大きくする必要がある。
そのため、信頼性は高いが、検出感度では薄膜を用いた場合に劣るという欠点を有している。
本発明は上記実状に鑑み、外乱による共振周波数の変化を安定化して増幅し、外乱の物理量を検出可能である信頼性および検出精度に優れる振動式センサの提供を目的とする。
Patent Document 2 proposes a method of processing all structures with single crystal silicon as means for improving reliability, which is a drawback of the thin film vibrator. In this method, the rigidity in one direction of the beam supporting the weight is reduced by increasing the length of the beam, and the acceleration is measured from the change in the resonance frequency of the beam. In this type of vibration type accelerometer, the resonance frequency that is inversely proportional to the square root of the mass of the mass and the strain applied to the beam that is proportional to the mass of the mass have a relationship in which the other becomes smaller and the other is smaller. It is necessary to increase the size in order to obtain the detection sensitivity.
For this reason, the reliability is high, but the detection sensitivity is inferior to that when a thin film is used.
In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a vibration type sensor that can stabilize and amplify a change in resonance frequency due to a disturbance and can detect a physical quantity of the disturbance and has excellent reliability and detection accuracy.
本発明に関わる振動式センサは、錘と計測対象物に固定される枠体と一方端部が前記錘に接続され他方端部が前記枠体に接続され前記錘を支持する一本以上の梁とを備え、計測対象物に加わった外乱によって錘が位置を変化させることを利用し外乱の大きさを計測する振動式センサであって、梁における錘側付根領域と枠体側付根領域との両方、若しくは、その一方領域に梁の一部を貫通して形成され、梁の長手方向のそれぞれの両端で互いに接続される振動子と支持構造体とを有し、梁の長手方向に垂直な切断面の面積が、振動子より支持構造体の方が大きく、外乱に起因する力により変化する振動子の共振周波数から外乱の物理量を計測している。 The vibration sensor according to the present invention includes a weight and a frame that is fixed to a measurement object, and one or more beams that support the weight with one end connected to the weight and the other end connected to the frame. And a vibration type sensor that measures the magnitude of the disturbance using the change of the position of the weight due to the disturbance applied to the measurement object, and includes both the weight-side root area and the frame-side root area of the beam. Or, it has a vibrator and a support structure which are formed through one part of the beam and are connected to each other at both ends in the longitudinal direction of the beam, and cut perpendicular to the longitudinal direction of the beam. The surface area of the support structure is larger than that of the vibrator, and the physical quantity of the disturbance is measured from the resonance frequency of the vibrator that changes due to the force caused by the disturbance.
本発明によれば、信頼性を向上させるだけでなく、検出感度も薄膜を用いた同じ大きさのセンサに対して同等以上にすることが可能となる。また、単結晶シリコン単体で構成すれば、温度の影響も受けにくく、測定精度が温度に依存しない高感度センサを実現できる。 According to the present invention, not only the reliability can be improved, but also the detection sensitivity can be equal to or higher than that of a sensor of the same size using a thin film. Further, if it is composed of single crystal silicon alone, it is possible to realize a highly sensitive sensor that is not easily affected by temperature and whose measurement accuracy does not depend on temperature.
単結晶シリコンの一体構造として作られる振動式センサは、薄膜型に比べて検出感度で劣るが、センサで最も重要な信頼性に勝る。そのため、単結晶シリコンの一体構造で振動式センサを実現することが望ましい。単結晶シリコンの一体構造でできた振動式センサの感度が薄膜式に劣るのは、振動子に加わる負荷(加速度により発生する錘の慣性力)とその振動子の共振周波数(錘の質量の平方根に反比例)が依存しあっているためで、それを別々に制御できるようにすれば信頼性も検出感度も高い振動式センサを実現できる。
具体的には、加速度などの外乱を力に変換する錘と梁からなる構造そのものを振動子とするのではなく、梁の一部に単結晶シリコンの一体構造として共振周波数の高い微細構造を振動子として作り込み、その構造と対を成す支持構造体により振動子に発生する応力(歪み)を梁に発生する応力に対して増幅することで薄膜と同等以上の振動子の共振周波数の変化量を得られる。
The vibration type sensor made as a monolithic silicon monolithic structure is inferior in detection sensitivity as compared with the thin film type, but outperforms the most important reliability of the sensor. Therefore, it is desirable to realize a vibration type sensor with a monocrystalline silicon integrated structure. The sensitivity of a vibration sensor made of a monocrystalline silicon monolithic structure is inferior to that of a thin film type. The load applied to the vibrator (the inertial force of the weight generated by acceleration) and the resonance frequency of the vibrator (the square root of the mass of the weight) Therefore, it is possible to realize a vibration type sensor having high reliability and high detection sensitivity if it can be controlled separately.
Specifically, the structure itself consisting of a weight and a beam that converts disturbances such as acceleration into force is not used as a vibrator, but a fine structure with a high resonance frequency is vibrated as an integral structure of single crystal silicon in a part of the beam. The amount of change in the resonance frequency of the vibrator equal to or greater than that of the thin film by amplifying the stress (strain) generated in the vibrator with respect to the stress generated in the beam by the support structure that is built as a child and pairs with the structure Can be obtained.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
<<第1実施形態>>
図1(a)は、本発明を適用した振動式センサ10の内部を示す上面図であり、図1(b)は、図1(a)の振動式センサ10の使用状態を示す右側面図である。
図1に示す振動式センサ10は、測定対象物の構造体に固定されて使用され、構造体に加わる外乱による物理量、例えば、図3中の白抜き矢印の加速度a1、a2を、錘11の変位から振動子13(13a、13b、13c、13d)の共振振動数の変化として取り出し、検出するセンサである。
なお、図3は、測定対象物の構造体に固定された振動式センサ10の錘11に、白抜き矢印の加速度a1、a2が加わった場合の振動式センサ10の内部の上面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
<< First Embodiment >>
FIG. 1A is a top view showing the inside of a
A
FIG. 3 is a top view of the inside of the
図1(a)に示すように、振動式センサ10は、加速度等の測定対象を錘11の変位から振動子13の共振振動数の変化に変換する振動変換構造体10Aと、振動変換構造体10Aの振動子13を共振振動数で振動させ該共振振動数の変化を検知する共振回路等を備え構成されている。
ここで、振動式センサ10は、振動子13の周囲の気体の粘性減衰、音響減衰等の振動子13の高振動数での振動への影響を防止するため、図1(b)に示すように、ガラス、基板等で形成される蓋体10B、10Cで気密封止して使用される。
ここで、図1(a)に示す振動変換構造体10Aの錘11および梁12に対向する蓋体10Bの央部域には、図1(b)に示すように、測定対象の外乱による錘11および梁12の運動を阻害しないように、中繰り状の空間である振動スペースP(図1(b)中の破線で示す)が形成されている。
なお、蓋体10B、10Cをガラスにて形成した場合には、振動式センサ10内部を視認可能である点で、有利である。
図1(a)に示すように、振動変換構造体10Aは、単結晶シリコンで一体構造に製造され、中央部に形成され測定対象の加速度等により慣性力を発生させる錘11と、この錘11の4つの角部領域に一方端部が連結して形成され錘11を支持する4本の梁12と、これら4本の梁12の他方端部が連結して形成され4本の梁12および錘11を支持する枠体18とを備えている。
As shown in FIG. 1A, the
Here, the
Here, in the central region of the lid 10B facing the
In addition, when the lids 10B and 10C are formed of glass, it is advantageous in that the inside of the
As shown in FIG. 1 (a), the
枠体18は、4本の梁12および錘11を囲んで中刳り状の形状に形成され、枠体18には、4本の梁12の枠体への付根領域の他方端部に接近してそれぞれ4つの突出部14aが突設されている。枠体18におけるそれぞれの突出部14a上端面には、絶縁された固定電極14が設けられ、また、枠体18の外周縁部には、振動子用電極15が設けられている。
また、枠体18には、外乱が加わる方向(図1(a)の紙面の左右方向)に錘11側に突出して一対のストッパ16、16が形成されており、測定対象である外乱によって錘11に過負荷が加わった場合、錘11がストッパ16に衝突して停止し過大な慣性力を防いで、振動子13に過負荷が加わらないように構成されている。
The
Further, the
図1(a)のD部拡大図である図2(a)に示すように、梁12は、枠体18への付根領域である他方端部に、長手方向に沿った貫通孔12nと貫通孔12nの中央部に連続してその短手方向に沿った貫通孔12mとが穿設されている。
そして、梁12における貫通孔12nの外側であって突出部14aに近接した領域が振動子13aを構成し、貫通孔12nの内側であって突出部14aに離間した領域が支持構造体12sを構成している。
また、図1(a)のE部拡大図である図2(b)に示すように、梁12は、枠体18への付根領域である他方端部に、長手方向に沿った貫通孔12nと貫通孔12nの中央部に連続してその短手方向に沿った振幅増幅機構の貫通孔12mとが穿設されている。そして、梁12における貫通孔12nの外側であって突出部14aに近接した領域が振動子13bを構成し、貫通孔12nの内側であって突出部14aに離間した領域が支持構造体12sを構成している。
As shown in FIG. 2 (a), which is an enlarged view of part D in FIG. 1 (a), the
The region of the
Further, as shown in FIG. 2 (b), which is an enlarged view of the E portion in FIG. 1 (a), the
同様に、図1(a)における梁12のF部には、図1(a)のC2−C2線に対して、図2(a)に示す振動子13aおよび支持構造体12sと線対称に、枠体18への付根領域の他方端部に振動子13cおよび支持構造体12sが形成されている。同様に、図1(a)における梁12のG部には、図1(a)のC2−C2線に対して、図2(b)に示す振動子13bおよび支持構造体12sと線対称に、枠体18への付根領域の他方端部に振動子13dおよび支持構造体12sが形成されている。
なお、振動子13と各支持構造体12sとは、梁12の長手方向のそれぞれの両端部で互いに接続されており、振動子13と各支持構造体12sとが並設されている。
Similarly, the F portion of the
The
ここで、本実施形態では、梁12に穿設する貫通孔12n、12mとして、上面視でT字型様の貫通孔を例示したが、貫通孔12n、12mの端部を3つの頂点とする三角形様の貫通孔(図2(a)中、二点鎖線で示す)としてもよい。このように、支持構造体12sは、その断面二次モーメントが梁12の長手方向の位置により異なる構成とする。
なお、本実施形態で示すT字形様の貫通孔12n、12mは、Z軸方向(図1(a)の紙面に垂直方向)の外乱に対して、強度が高く有利な構成である。
Here, in the present embodiment, the through
Note that the T-shaped through
<検出対象が加速度の場合の検出原理>
前記したように、振動子13および支持構造体12sは、図3(a)に示すように、外乱による白抜き矢印の加速度a1が錘11に働き慣性力が発生する場合、梁12における曲げモーメントが最大となり、梁12の位置変化、すなわち変位が少ない枠体18の付根領域である他方端部に形成している。
図3(a)に示すように、振動式センサ10の錘11に、白抜き矢印の加速度a1が加わった場合、錘11が枠体18に対して加速度a1の向きに位置変化し、錘11の慣性力が梁12に加わる。
<Detection principle when the detection target is acceleration>
As described above, as shown in FIG. 3A, the
As shown in FIG. 3A, when acceleration a1 indicated by a white arrow is applied to the
この際、図2(a)に示すように、振動子13aを有する梁12にモーメントM1aが加わり、振動子13aにモーメントM1aによる引張力が加わる。
ここで、梁12には、振幅増幅機構である貫通孔12mが穿設されているため、貫通孔の支点12m1を中心にモーメントM1aが振動子13aに集中し、振動子13aに加わる引張力が増加し、その変位が増幅されている。
同様に、図2(b)に示すように、振動子13bを有する梁12にモーメントM1bが加わり、振動子13bにモーメントM1bによる圧縮力が加わる。
ここで、梁12には、振幅増幅機構である貫通孔12mが穿設されているため、貫通孔の支点12m1を中心にモーメントM1bが振動子13bに集中し、振動子13bに加わる圧縮力が増加し、その変位が増幅されている。
At this time, as shown in FIG. 2A, a moment M1a is applied to the
Here, since the through-
Similarly, as shown in FIG. 2B, a moment M1b is applied to the
Here, since the through-
同様に、図3(a)に示すように、振動子13cを有する梁12に加わるモーメントにより、振動子13cに引張力が加わり伸張変位し、また、振動子13dを有する梁12に加わるモーメントにより、振動子13dに圧縮力が加わり短縮変位する。
これに対して、図3(b)に示すように、振動式センサ10に、白抜き矢印の加速度a2が加わった場合、錘11が枠体18に対して加速度a2の向きに変位し、振動子13aにモーメントに起因する圧縮力が加わり短縮変位する一方、振動子13bにモーメントに起因する引張力が加わり伸張変位する。同様に、振動子13cを有する梁12に加わるモーメントにより、振動子13cに圧縮力が加わり短縮変位し、振動子13dを有する梁12に加わるモーメントにより、振動子13dに引張力が加わり伸張変位する。
Similarly, as shown in FIG. 3 (a), due to the moment applied to the
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the acceleration a2 indicated by the white arrow is applied to the
このようにして、梁12に加わる曲げモーメントを、振動子13と支持構造体12sに加わる引張圧縮力に変換しており、また、振幅増幅機構の貫通孔12mにより、振動子13に加わる引張力または圧縮力を増加させている。
次に、振動子13(13a、13b、13c、13d)をその共振周波数で駆動する方法の一例として静電駆動方式について説明する。
図4は、振動子13を共振周波数で静電駆動方式で駆動する方法を示した概念図である。
静電駆動の場合、0.1Ωcm程度の低抵抗の単結晶シリコン基板を用いればそのまま電極材料として用いることができる。
In this way, the bending moment applied to the
Next, an electrostatic driving method will be described as an example of a method of driving the vibrator 13 (13a, 13b, 13c, 13d) at its resonance frequency.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a method of driving the
In the case of electrostatic driving, if a single crystal silicon substrate having a low resistance of about 0.1 Ωcm is used, it can be used as an electrode material as it is.
振動子13を共振周波数で振動させる場合、図4に示すように、振動子13と電気的に分離した固定電極14を用い、振動子13をアースに取り,固定電極14に交流を印加することで振動子13と固定電極14の間に静電気力を加え、振動子を加振する。なお、振動子13の電極として、図1(a)に示す振動子用電極15を用いる。
そして、振動子13の共振駆動は、自励回路、または振幅が最大になるように周波数をシフトさせ振動させるPLL(Phase Locked Loop)回路などを用いて行い、共振周波数をカウンタで取り出し、共振周波数の変化から後記の式(1)、(2)を用いて検出対象の加速度を算出する。
When the
Then, the resonance drive of the
振動式センサ10に負荷が加わらない場合の振動子13の共振周波数f0は、(1)式で表される。
ここで、引張力Fが加わった振動子13aの共振周波数は高く変化し、圧縮力Fが加わった振動子13bの共振周波数は低く変化することから、引張力Fが加わった場合のfαtと圧縮力Fが加わった場合のfαcとの差をとることで、変動量Δfを、片持ち支持に形成した振動子の場合に比較して2倍の変化量として取り出すことができる。
(2)式から明らかなように、振動子13の共振周波数は、振動子13に加わった力Fに比例して変化するため、この共振周波数の変化から力Fを求め、力Fから検出対象の加速度を算出することができる。なお、この算出は、制御装置において制御プログラムを実行して演算される。
なお、本実施形態では、H型に配置した4本の梁12により錘11を支持しているが、1本の梁や2本以上の平行梁により支持してもよく、梁の数は任意に選択可能である。
Here, since the resonance frequency of the
As apparent from the equation (2), the resonance frequency of the
In this embodiment, the
この振動式センサ10の加速度検出では、加速度により発生する錘11の慣性力により振動子13を歪ませて、その共振周波数の変化量Δfから加速度の大きさを検出するため、慣性力や歪の大きさが重要となる。そのため、慣性力の基となる錘11のサイズや歪の値を決める梁12の長さが大きいほど感度が高くなることから、振動式センサ10は、サブミリオーダー、すなわち、1mm以下の0.5、0.7mm等の大きさを有している。
しかし、このサイズでは共振周波数が数千Hzオーダーにしかならないため、加速度検出範囲で±1%程度の共振周波数の変化を起こしても数百Hzの共振周波数の変化しか得られない。
In the acceleration detection of the
However, with this size, the resonance frequency is only on the order of several thousand Hz, and therefore, only a change in resonance frequency of several hundred Hz can be obtained even if a change in resonance frequency of about ± 1% occurs in the acceleration detection range.
従って、破損しない歪の許容範囲で感度の向上を図るには、振動子13の共振周波数f0を高くする必要がある。本実施形態の構造は、式(1)、(2)より、錘11や梁12のサイズとは無関係に振動子13の共振周波数f0を、式(1)から設計できるため、錘11や梁12のサイズは変えずに振動子13の共振周波数f0を2桁程度高くできる。
例えば、振動子13の厚みb(図2(a)参照)を数μm以上とし、長さL(図2(a)参照)を数百μm以下まで短くし、かつ、両端固定とすることで、振動子13の共振周波数f0として十万Hz以上を実現できる。
Therefore, in order to improve the sensitivity within the allowable range of distortion that does not break, it is necessary to increase the resonance frequency f 0 of the
For example, the thickness b (see FIG. 2A) of the
また、チップサイズ、すなわち振動式センサ10の寸法を、錘11を小さくかつ梁12を短くして小さくすることから、小さな力または小さなモーメントを大きくする仕組みとして、振動子13(後記の振動子23、33)と対の支持構造体12s(後記の支持構造体22s、32s)を成形している。この支持構造体12sを設けることで、振動子13の断面積を支持構造体12sの断面積に比べて小さくするほど、振動子13(後記の振動子23、33)に発生する応力(歪み)を大きくできる。
また、振動子13(後記の振動子23、33)と支持構造体12s(後記の支持構造体22s、32s)の厚み方向の中心間距離s(図2(a)参照)を長くするほど振動子13(後記の振動子23、33)に加わる引張、圧縮力も大きくでき、共振周波数の変化量を大きくできる。
Further, since the chip size, that is, the dimension of the
Further, the longer the center-to-center distance s (see FIG. 2A) in the thickness direction of the vibrator 13 (
<変形形態1>
次に、図5に示す変形形態1の振動式センサの振動子23について説明する。なお、図5(a)は、変形形態1の振動式センサの振動子23を示した図1(a)のD部拡大図であり、図5(b)は、図5(a)のH方向矢視図である。
図5に示す変形形態1の振動式センサにおける振動子23や、後記の図7に示す変形形態2の振動式センサにおける振動子33においては、振動子23、33を支持構造体22s、32sに比べて薄くし、すなわち、式(1)のb(図2(a)参照)に相当するb2、b3(図5(a)、図7(a)参照)を小さくするとともに、幅、すなわち、式(1)のh(図2(a)の紙面に垂直方向の振動子13寸法)に相当するh2、h3(図5(b)、図7(b)参照)を狭く小さくすることにより、式(1)の断面積Aを小さくし、加速度が加わった際の振動子23、33に発生する応力(歪み)を大きくしている。
<Modification 1>
Next, the
In the
図5に示す変形形態1の振動式センサにおける振動子23は、前記の第1実施形態の振動子13(図1(a)、図2参照)の上面側および下面側を除去し振動子幅h2(図5(b)参照)を第1実施形態のものよりも薄くするとともに、厚さ寸法b2(図5(a)参照)を小さく形成したものである。
その他の構成は、前記の第1実施形態の構成と同様であるから、同一の構成要素には、十の位の符号を二十の位の符号に変更して示し、詳細な説明は省略する。
図6は、振動変換構造体20Aの振動子23を含む梁22および錘21を、振動変換構造体20Aの厚さ方向の中央部に設けた場合を示している。
なお、図6(a)は、変形形態1の振動式センサ20の振動変換構造体20Aを蓋体20B、20Cで気密封止した状態を示す図1(a)のA−A線断面図であり、図6(b)は、図1(a)のB−B線断面図であり、図6(c)は、図1(a)のC1−C1線断面図であり、図6(d)は、図1(a)のC2−C2線断面図である。
図6に示すように、振動子23を含む梁22および錘21を、振動変換構造体20Aの厚さ方向の中央部に設けた場合(特に、図6(b)参照)には、梁22および錘21の振動用のスペースが、梁22および錘21の上方および下方の振動変換構造体20A内に形成されるため、振動変換構造体20Aを気密封止する両蓋体20B、20Cを平板状に形成することが可能である。この構成は、振動変換構造体20Aを、単結晶シリコンで形成し、蓋体20B、20Cをガラスで形成した場合、低コスト化が可能である。
なお、蓋体20Bには、振動変換構造体20Aの固定電極24、24、24、24および振動子電極25に対向して円錐状の結線用孔27が穿設されている。
The
Since the other configuration is the same as the configuration of the first embodiment, the same components are shown by changing the tens digit to the twentieth symbol, and detailed description is omitted. .
FIG. 6 shows a case where the
6A is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1A showing a state in which the
As shown in FIG. 6, when the
The
<変形形態2>
次に、図7に示す変形形態2の振動式センサの振動子33について説明する。なお、図7(a)は、変形形態2の振動式センサの振動子33を示した図1(a)のD部拡大図であり、図7(b)は、図7(a)のI方向矢視図である。
図7に示す変形形態2の振動式センサにおける振動子33は、前記の第1実施形態の振動子13(図1(a)、図2参照)の上面側および下面側を除去し振動子幅h3(図7(b)参照)を第1実施形態のものよりも薄くするとともに、厚さ寸法b3(図7(a)参照)を小さく形成し、かつ振幅増幅機構である貫通孔12mを設けない構成である。その他の構成は、前記の第1実施形態の構成と同様であるから、同一の構成要素には、十の位の符号を三十の位の符号に変更して示し、詳細な説明は省略する。
<Modification 2>
Next, the
The
変形形態2の振動子33は、振幅増幅機構である貫通孔(図5(a)の22m)を設けないため、振動子33の振幅が増幅されず、変形形態1の振動子23の方がより望ましい。
ここで、具体例を挙げると、梁12のサイズを幅=20μm、厚さ(図1(a)の紙面に垂直方向)=100μm、長さ=600μmとした時に、枠体18への付根領域の梁12の他方端部に幅h=20μm(図1(a)、図2(a)の紙面に垂直方向、梁にとっては厚み方向)、厚さb=1μm(図2(a)参照、梁にとっては幅方向)、長さL=10μm(梁にとっても長さ方向)の振動子13、33を支持構造体12s、32sとの中心間距離s(図2(a)、図7(a)参照)が17μmとして形成した場合、錘11の大きさが1mm角だったときの1G(G:重力加速度9.80665m/s2)当りの共振周波数f0の変化量Δfは28kHzとなる。
カウンタにより周波数の変化を計測するとして、200Hzの応答性を持たせると最小分解能は1/140Gとなる。なお、この場合の加速度検出範囲は±3Gである。
Since the
Here, as a specific example, when the size of the
Assuming that the frequency change is measured by the counter, the minimum resolution is 1/140 G if the response is 200 Hz. In this case, the acceleration detection range is ± 3G.
<変形形態3>
次に、変形形態3の振動式センサ10’について、図8を用いて説明する。なお、図8は、変形形態3の振動式センサ10’を示す上面図である。
図8に示す変形形態3の振動式センサ10’は、その梁12’の長さを第1実施形態の振動式センサ10の梁12の長さより長く形成したものである。これ以外の構成は、第1実施形態と同様であるから、同様の構成要素の符号に’(ダッシュ)を付して示し、詳細な説明は省略する。
変形形態3の振動式センサ10’は、梁12’を長くすることにより、梁12’に加わる錘11’の慣性力によるモーメントを大きくし、振動子13’(13a’、13b’、13c’、13d’)に加わる引張力、圧縮力を大きくできる効果がある。なお、梁12’を長くした場合、錘11’の変位が大きくなり、検出の安定度が低下する傾向にある。
<Modification 3>
Next, a
The
The
<振動式センサの製造方法>
次に、振動式センサ10の製造方法ついて簡単に説明する。
本実施形態は、バルクマイクロマシンと称されるプロセスで加工する。これは、単結晶シリコンを構造材料として加工するプロセスの総称であるが、単結晶シリコン材料の均質性と微細加工の再現性の良さ、すなわち、微細加工の精度の良さから、信頼性が求められる分野では、この技術が主流となっている。
本実施形態の構造は、SOI(Silicon On Insulator)ウエハを用いる方法と単結晶シリコン基板を接合して製作する2つの方式がある。
<Manufacturing method of vibration sensor>
Next, a method for manufacturing the
In the present embodiment, processing is performed by a process called a bulk micromachine. This is a general term for processes that process single crystal silicon as a structural material, but reliability is required because of the homogeneity of single crystal silicon material and the reproducibility of micro processing, that is, the accuracy of micro processing. This technology has become mainstream in the field.
The structure of this embodiment has two methods: a method using an SOI (Silicon On Insulator) wafer and a method of manufacturing a single crystal silicon substrate by bonding.
SOIウエハを用いた方式では、Deep−RIE(Deep-Reaction Ion Etching)技術により錘11や梁12、枠体18などの構造を加工し、錘11、梁12等の可動構造の下のBox酸化膜を除去した後に、減圧雰囲気で別の基板を用いて蓋をして気密封止して製造する。
減圧雰囲気で気密封止するのは、振動子13、23、33周囲の気体によって振動子13、23、33の振動に加わる粘性減衰や音響減衰の影響を除外するためである。
In the method using the SOI wafer, the structures such as the
The reason why the hermetic sealing is performed in the reduced-pressure atmosphere is to exclude the influence of viscous attenuation and acoustic attenuation applied to the vibration of the
従って、この気密性もセンサ性能の決め手になるため、ウエハレベルで気密封止するのではなく、金属パッケージで気密性を実現することも多いが、ウエハレベルで気密封止されていれば、樹脂モールディングなどの低コストのパッケージでも実現できるため、ウエハレベルパッケージングが望ましい。
SOIウエハを用いないプロセスとしては、単結晶シリコンウエハを用いて接合技術とウエハ研磨の技術を組み合わせる方法がある。この方法の利点は、接合する基板の両面に予め加工を施してから接合することで、より複雑な3次元構造が製作できる点にある。
Therefore, since this airtightness is also a decisive factor for sensor performance, airtightness is often achieved by a metal package instead of airtight sealing at the wafer level. Wafer level packaging is desirable because it can be realized with low cost packages such as molding.
As a process not using an SOI wafer, there is a method of combining a bonding technique and a wafer polishing technique using a single crystal silicon wafer. An advantage of this method is that a more complicated three-dimensional structure can be manufactured by performing processing on both surfaces of the substrates to be bonded in advance and then bonding them.
その一例として、振動子23、33の幅h2、h3(図5(b)、図7(b)参照)を、支持構造体22s、32sの幅k2、k3(図5(a)、図7(a)参照)に対して狭くする場合について説明する。このプロセスでは、錘や梁22、32、枠体28、38を加工形成する基板の部分に、予め振動子23、33の幅h2、h3が支持構造体22s、32sに対して狭くなるように基板両面から加工を施す。この状態で、単結晶シリコン基板やパイレックス(登録商標)ガラス基板などと接合し、その接合基板に対して錘や梁22、32、枠体28、38構造などを振動子23、33や支持構造体22s、32sとともに加工する。このプロセスのもう一つのメリットは、SOI基板を用いた時に必要となるBox酸化膜を除去(分離層エッチング)して錘や梁、枠体をシリコン基板から分離する工程が必要なくなる点である。これにより、錘、梁等の可動構造の製作で最も歩留まりを落とす分離層除去の工程を不要にできるばかりでなく、分離層除去工程の設備が不要となり、生産コストを低減できる。
As an example, the widths h2 and h3 of the
<<第2実施形態>>
次に、第2実施形態の振動式センサについて、図9を用いて説明する。なお、図9 (a)は、第2実施形態の振動式センサの振動子43を示す図1(a)のD部拡大図、および図9 (b)は、図9 (a)のJ方向矢視図である。
第2実施形態の振動式センサは、検出対象の加速度の検出軸方向が図9 (a)の紙面と垂直方向(錘と梁、枠がある平面に対して垂直方向)である。
第2実施形態の振動式センサの全体構成としては、図1(a)に示す振動式センサ10と、後記の固定電極以外の構成は同様であって、梁42に設ける振動子43および支持構造体42sに変更を加えた構成である。これ以外の構成は、第1実施形態の振動式センサと同様であるから、同様な構成要素には、第1実施形態の十の位の符号を四十の位の符号に変更して示し、詳細な説明は省略する。
<< Second Embodiment >>
Next, a vibration sensor according to a second embodiment will be described with reference to FIG. 9A is an enlarged view of a portion D in FIG. 1A showing the
In the vibration type sensor of the second embodiment, the detection axis direction of the acceleration to be detected is perpendicular to the plane of FIG. 9A (perpendicular to the plane with the weight, beam, and frame).
The overall configuration of the vibration sensor according to the second embodiment is the same as that of the
第2実施形態の振動式センサの錘には、図9の紙面に垂直方向の加速度が加わることから、梁42には図9の紙面に垂直方向の曲げモーメントが発生する。そのため、振動子43と支持構造体42sはウエハ厚方向に、この曲げモーメントに対して異なる力点を持つ必要がある。
図9に示す構成では、検出軸方向の各々異なる面、すなわち振動子下面43b側および支持構造体上面42s1、42s1側からそれぞれ振動子43と支持構造体42sを加工して厚みを薄くし、かつ、スリット状の貫通孔42nを設けることで、振動子43と支持構造体42sとの分離構造を梁42において実現している。
Since the acceleration of the vibration type sensor of the second embodiment is applied with acceleration in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 9, a bending moment in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Therefore, the
In the configuration shown in FIG. 9, the
図9(a)に示すように、梁42における短手方向の両端部を上方から加工して除去し、図9(b)に示すように、梁上面42aより低い支持構造体上面42s1、42s1をもつ支持構造体42s、42sを形成する。また、図9(a)に示す梁42における支持構造体42s、42sに挟まれた箇所を下方から加工して除去し、図9(b)に示す梁下面42bより高い振動子下面43bをもつ振動子43を形成する。
このようにして、図9(a)に示すように、スリット状の貫通孔42n、42nが形成されるとともに、振動子43と支持構造体42sの厚みが梁42より薄く、かつ、振動子43と支持構造体42sとの分離構造が実現される。
As shown in FIG. 9 (a), both ends of the beam 42 in the short direction are processed and removed from above, and as shown in FIG. 9 (b), support structure upper surfaces 42s1, 42s1 lower than the beam upper surface 42a. The
In this way, as shown in FIG. 9A, slit-shaped through
また、静電駆動で図9(a)の紙面と垂直方向の加速度の検出を行う場合には、図2、図3に示すように、加速度検出方向に振動子43を振動させるため、振動変換構造体40Aに図9(a)の紙面上側から接合する蓋体40B(図1(b)の10Bに相当)側に固定電極44(図1(a)の固定電極14に相当)が必要になる。この場合には蓋体上に設けた絶縁膜の上に固定電極44を形成する必要がある。
ここで、振動子43のサイズが小さいため、その静電容量は小さく、固定電極44部で発生する浮遊容量を小さくしないと振動子43の静電容量の変化を検出できなくなるため、固定電極44のサイズを小さくし、かつ、電極44下の絶縁膜を厚くする設計が必要となる。
なお、第2実施形態では、振動子43を梁下面42bから加工して薄く形成し、支持構造体42sを梁上面42aから加工して薄く形成した場合を説明したが、逆に、振動子43を梁上面42aから加工して薄く形成し、支持構造体42sを梁下面42bから加工して薄く形成することも可能である。
In addition, when detecting acceleration in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 9A by electrostatic drive, as shown in FIGS. 2 and 3, the
Here, since the size of the
In the second embodiment, the case has been described in which the
以上、図1(a)の紙面に対して水平方向及び垂直方向の加速度を検出する振動式センサの構成を、第1実施形態、第2実施形態により説明した。
前記構成によれば、外乱によって最大歪みが発生する箇所に、歪増幅機構である振動子を成形したので、加速度による共振周波数の変化を安定して増幅して、検出可能で高感度である。
また、枠体にストッパが形成されるので、外乱による錘の過大な慣性力を、錘をストッパに当接させることによって防ぎ、振動子に過負荷が加わることを防止できる。
The configuration of the vibration sensor that detects the acceleration in the horizontal direction and the vertical direction with respect to the paper surface of FIG. 1A has been described in the first embodiment and the second embodiment.
According to the above configuration, since the vibrator that is the strain amplification mechanism is formed at the place where the maximum strain is generated by the disturbance, the change in the resonance frequency due to the acceleration is stably amplified, and is detectable and highly sensitive.
In addition, since the stopper is formed on the frame body, an excessive inertia force of the weight due to the disturbance can be prevented by bringing the weight into contact with the stopper, and an overload can be prevented from being applied to the vibrator.
また、振動子に応力を集中させる構造により、一つ一つの機能を小さく実現して、多数のセンサを混載させ得る。
振動子は、その構造が異なるだけで、その加工プロセスは同じ製造装置で行えるため、例えば、一枚の基板の中に同時に多軸方向の物理量を検出する構成を作りこむことが可能である。そのため、1チップで複数の検出軸を持つ多軸の振動式センサを容易に作ることが可能であり、平面実装が容易に行える。
また、検出軸方向が異なっていても、振動式センサを積層し接合することにより、図1(a)の上面視のサイズを同じにできるので、実装面積の小さな多軸振動式センサを実現できる。
In addition, a structure that concentrates stress on the vibrator realizes each function small, and a large number of sensors can be mounted together.
Since the vibrators can be processed by the same manufacturing apparatus only with different structures, for example, it is possible to create a configuration in which a physical quantity in the multi-axis direction is simultaneously detected in one substrate. Therefore, it is possible to easily make a multi-axis vibration type sensor having a plurality of detection axes with one chip, and it is possible to easily perform planar mounting.
In addition, even if the detection axis directions are different, the vibration sensors can be stacked and joined to make the size of the top view of FIG. 1A the same, so that a multi-axis vibration sensor with a small mounting area can be realized. .
なお、前記実施形態では、振動子と支持構造体を梁の枠体側付根領域に形成した場合を例示したが、梁の枠体側付根領域と梁の錘側付根領域との両方、若しくは、梁の錘側付根領域にのみ形成してもよい。
また、前記実施形態では、振動式センサで加速度を検出する場合を例示して説明したが、加速度に限定されず、角加速度、圧力などの物理量を検出するセンサとして広汎に適用可能である。
従って、本発明によれば、外乱による共振周波数の変化を安定化して増幅し、外乱の物理量を検出可能である信頼性および検出精度に優れる振動式センサを実現できる。
In the above-described embodiment, the case where the vibrator and the support structure are formed in the frame-side root region of the beam is exemplified, but both the frame-side root region of the beam and the weight-side root region of the beam, or the beam You may form only in the weight side root area | region.
Moreover, although the said embodiment demonstrated and demonstrated the case where an acceleration was detected with a vibration type sensor, it is not limited to an acceleration, It can apply widely as a sensor which detects physical quantities, such as an angular acceleration and a pressure.
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a vibration sensor excellent in reliability and detection accuracy that can stabilize and amplify a change in resonance frequency due to a disturbance and detect a physical quantity of the disturbance.
10、10’ 振動式センサ
11 錘
12、22、32、42、12’ 梁
12n、22n、32n貫通孔
12n、12m、22n、22m 貫通孔(請求項6の貫通孔)
12s、22s、32s、42s、12s’支持構造体
13(13a、13b、13c、13d)、23、33、43、13’ 振動子
18、28、38、48、18’ 枠体
42n 貫通孔(請求項3、請求項7の貫通孔)
43 振動子(請求項3、請求項7の振動子)
10, 10 '
12s, 22s, 32s, 42s, 12s' support structure 13 (13a, 13b, 13c, 13d), 23, 33, 43, 13 '
43 vibrators (vibrators of claims 3 and 7)
Claims (11)
前記梁における前記錘側付根領域と前記枠体側付根領域との両方、若しくは、その一方領域に前記梁の一部を貫通して形成され、前記梁の長手方向のそれぞれの両端で互いに接続される振動子と支持構造体とを有し、
前記梁の長手方向に垂直な切断面の面積が、前記振動子より前記支持構造体の方が大きく、
前記外乱に起因する力により変化する前記振動子の共振周波数から前記外乱の物理量を計測する
ことを特徴とする振動式センサ。 A weight and a frame fixed to the measurement object; and one or more beams supporting one end at one end of the frame and connected to the frame at the other end. A vibration type sensor that measures the magnitude of a disturbance using the fact that the weight changes position due to the applied disturbance,
The beam-side root region and the frame-side root region of the beam are formed so as to penetrate a part of the beam in one region thereof, and are connected to each other at both ends in the longitudinal direction of the beam. Having a vibrator and a support structure,
The area of the cut surface perpendicular to the longitudinal direction of the beam is larger in the support structure than in the vibrator,
A vibration type sensor that measures a physical quantity of the disturbance from a resonance frequency of the vibrator that changes due to a force caused by the disturbance.
ことを特徴とする請求項1に記載の振動式センサ。 The vibration sensor according to claim 1, wherein the weight, the beam, and the frame are integrally formed from the same material.
前記振動子と前記支持構造体とは、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直方向に前記梁の一部を貫通した貫通孔により分離形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の振動式センサ。 The detection axis direction of the disturbance is perpendicular to the longitudinal direction of the beam in a plane including the weight, the beam, and the frame, and
The vibrator and the support structure are separately formed by a through-hole penetrating a part of the beam in a direction perpendicular to a plane including the weight, the beam, and the frame. 2. The vibration type sensor according to 1.
前記振動子と前記支持構造体とは、前記錘、梁、および枠体を含む平面に対して垂直方向に梁を貫通する貫通孔を形成することにより分離され、
前記錘、梁、および枠体を含む平面の垂直方向に対して、前記振動子が、前記梁の一方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の他方面から加工して薄く形成され、或いは、前記振動子が、前記梁の他方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の一方面から加工して薄く形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の振動式センサ。 The detection axis direction of the disturbance is perpendicular to a plane including the weight, beam, and frame,
The vibrator and the support structure are separated by forming a through-hole penetrating the beam in a direction perpendicular to a plane including the weight, the beam, and the frame,
When the vibrator is thinly formed by processing from one surface of the beam with respect to the vertical direction of the plane including the weight, the beam, and the frame, the support structure is formed from the other surface of the beam. The support structure is processed and thinned from one surface of the beam when the vibrator is thinned by processing from the other surface of the beam. The vibration type sensor according to claim 1, wherein
前記振動子と前記支持構造体とは、平行な板状構造である
ことを特徴とする請求項3に記載の振動式センサ。 The through hole is formed in a slit shape of an elongated hole in a direction perpendicular to a plane including the weight, beam, and frame,
The vibration sensor according to claim 3, wherein the vibrator and the support structure have a parallel plate-like structure.
前記振動子は、板状構造を有し、
前記支持構造体は、その断面二次モーメントが前記梁の長手方向の位置により異なる
ことを特徴とする請求項3に記載の振動式センサ。 The through hole is formed to penetrate in a direction perpendicular to a plane including the weight, beam, and frame,
The vibrator has a plate-like structure,
The vibration type sensor according to claim 3, wherein the support structure has a cross-sectional second moment that varies depending on a position in a longitudinal direction of the beam.
ことを特徴とする請求項6に記載の振動式センサ。 The vibration sensor according to claim 6, wherein the through hole has a T-shaped shape in a top view.
前記錘、梁、および枠体を含む平面の垂直方向に対し、前記振動子が、前記梁の一方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の他方面から加工して薄く形成され、或いは、前記振動子が、前記梁の他方面から加工して薄く形成される場合には前記支持構造体が前記梁の一方面から加工して薄く形成される
ことを特徴とする請求項4に記載の振動式センサ。 The vibrator and the support structure are separated by forming a slit-like shape of two elongated holes in which the through hole is parallel to the longitudinal direction of the beam, and
When the vibrator is thinly formed by machining from one side of the beam with respect to the vertical direction of the plane including the weight, beam, and frame, the support structure is machined from the other side of the beam. Or when the vibrator is processed and thinned from the other surface of the beam, the support structure is processed and thinned from one surface of the beam. The vibration sensor according to claim 4.
ことを特徴とする請求項1から請求項8のうちの何れか一項に記載の振動式センサ。 The vibration sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the weight, the beam, and the frame are made of single crystal silicon.
ことを特徴とする請求項1から請求項9のうちの何れか一項に記載の振動式センサ。 The plane including the weight, the beam, and the frame body is shared, and the vibration sensor having the different detection axis directions is integrally formed on the same substrate to enable multi-axis detection. The vibration type sensor according to any one of claims 1 to 9.
ことを特徴とする請求項1から請求項9のうちの何れか一項に記載の振動式センサ。 The vibration type sensor according to any one of claims 1 to 9, wherein the vibration type sensors having different detection axis directions are stacked and joined to enable multi-axis detection. .
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