JP6550141B2 - MEMS device - Google Patents
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Description
本発明はMEMS装置に関し、特に、高ダイナミックレンジMEMS装置に関し、薄膜型振動子を備えたマイクロエレクトロメカニカルシステムズ(MEMS;Micro Electro Mechanical Systems)装置およびこれを用いた振動ないし音響信号検出装置に関する。 The present invention relates to a MEMS device, and more particularly to a high dynamic range MEMS device, to a Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) device having a thin film type vibrator and a vibration or acoustic signal detection device using the same.
近年、機械装置等の故障予知、自然災害前兆の検出、資源の探査等、多くの分野において特徴的な振動波形ないしは音響信号を検出することの有効性が検討され、この用途のために高感度なセンシングシステムが求められている。このようなシステムに用いられるセンサとして、半導体製造技術を応用して高精度のセンサを安価に大量生産できるMEMS型センサが開発されている。 In recent years, the effectiveness of detecting characteristic vibration waveforms or acoustic signals in many fields, such as failure prediction of mechanical devices, detection of natural disaster precursors, resource exploration, etc., has been examined, and high sensitivity for this application Sensing system is required. As a sensor used for such a system, a MEMS type sensor which can mass-produce a high-precision sensor inexpensively by applying semiconductor manufacturing technology has been developed.
MEMS型センサの動作原理や構造には種々のものがあるが、薄膜型振動子(メンブレン)を備えたMEMS型センサは、振動子の薄型化を進めることで高感度化や検出振動周波数の高周波化などが比較的容易である。 There are various operation principles and structures of the MEMS type sensor, but the MEMS type sensor provided with a thin film type vibrator (membrane) is enhanced in sensitivity by increasing the thickness of the vibrator and high frequency of the detection vibration frequency Is relatively easy.
振動子の薄型化によりセンサの感度を高めた場合、予期せず強い信号が入力した際に振動子の振幅が過大となり破壊に至る可能性が高くなる。これを防止するため、センサチップを保持するフレキシブル基板の弾性変形を利用する方法(特許文献1)、機械的なストッパを設ける方法(特許文献2,3)、電気的手段による方法(特許文献4,5)が開示されている。 When the sensor sensitivity is enhanced by thinning the vibrator, the amplitude of the vibrator becomes excessive when a strong signal is input unexpectedly, and the possibility of breakage is increased. In order to prevent this, a method of utilizing elastic deformation of a flexible substrate holding a sensor chip (Patent Document 1), a method of providing a mechanical stopper (Patent Documents 2 and 3), a method by electrical means (Patent Document 4) , 5) is disclosed.
センサの感度を高め、かつ前述のような破壊防止対策を実施した場合、強い信号が入力した際にセンサが破壊に至らないまでも、正確に信号を検出出来ないという問題が生じる。特許文献1に記載の構成では、強い信号入力により基板が弾性変形するためにセンサの信号波形は歪められる。特許文献2,3に記載の構成では、振動板を機械的に押さえると信号検出が不可能になる。また特許文献4に記載の構成では、振動板の動きを抑制するために電気的に逆位相の信号を加えるために、やはり正確な信号検出が困難になる。特許文献5に記載の構成では、バネ軟化電圧を印加することでバネの剛性を変化させることを保護手段としているが、この方法では一体化されたバネの一部に電圧印加による剛性変化手段を与えているだけであるために感度変化範囲が小さく、かつ、感度の異なる動作モード各々の設計を最適化出来ないという問題点がある。 When the sensitivity of the sensor is increased and the above-described destruction prevention measures are implemented, there arises a problem that the signal can not be accurately detected even if the sensor does not break when a strong signal is input. In the configuration described in Patent Document 1, the signal waveform of the sensor is distorted because the substrate is elastically deformed by the strong signal input. In the configurations described in Patent Documents 2 and 3, when the diaphragm is mechanically pressed, signal detection becomes impossible. Further, in the configuration described in Patent Document 4, accurate signal detection also becomes difficult because signals of opposite phases are electrically added in order to suppress movement of the diaphragm. In the configuration described in Patent Document 5, changing the stiffness of the spring by applying a spring softening voltage is used as a protection means, but in this method, the stiffness changing means by voltage application is applied to a part of the integrated spring. There is a problem that the range of sensitivity change is small because of only giving, and the design of each operation mode with different sensitivity can not be optimized.
本発明の目的は、高感度で、かつ、強い信号入力時に破壊されることなく正確な信号測定を可能とするMEMS型センサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a MEMS type sensor that enables accurate signal measurement with high sensitivity and without being destroyed at the time of strong signal input.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 The outline of typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
本発明によるMEMS型センサは、センサ感度の異なる複数のMEMS素子が集積された構成をとる。例えばメンブレン型MEMS素子を用いる場合、メンブレンの厚みを薄くしたりメンブレンを保持する固定部分の間隔を広げるなどの手段により感度を高めることができる。逆に、メンブレンの厚みを厚くしたり、メンブレンに補強用の梁構造を追加したり、メンブレンを保持する固定部分の間隔を狭めるなどの手段により破壊耐性を高める(感度を下げる)ことが可能である。また一般にシリコン集積回路製造プロセスを応用したMEMS製造プロセスにおいては、前記のようなMEMS素子の作り分けは単一のウェハプロセスにて可能である。従って、前記のように複数のMEMS素子を単一のシリコンウェハ上に作り込むことは容易である。なお、別々のウェハプロセスにて製造した複数種類のMEMS素子を実装段階で集積する方法を、本発明では排除するものではない。 The MEMS type sensor according to the present invention has a configuration in which a plurality of MEMS elements having different sensor sensitivities are integrated. For example, in the case of using a membrane type MEMS element, the sensitivity can be enhanced by means such as reducing the thickness of the membrane or widening the distance between the fixing portions for holding the membrane. Conversely, it is possible to increase the resistance to breakage (reduce the sensitivity) by increasing the thickness of the membrane, adding a reinforcing beam structure to the membrane, or narrowing the distance between the fixed parts holding the membrane. is there. In general, in the MEMS manufacturing process to which the silicon integrated circuit manufacturing process is applied, the fabrication of the MEMS elements as described above is possible in a single wafer process. Therefore, it is easy to fabricate a plurality of MEMS elements on a single silicon wafer as described above. Note that the present invention does not exclude a method of integrating a plurality of types of MEMS elements manufactured by different wafer processes in the mounting stage.
前記のように複数のMEMS素子を集積したMEMS型センサにおいて、高感度でかつ破壊耐性を高くするための手段を説明する。ここでは高感度および低感度、2種のMEMS素子を集積した場合について説明する。3種以上のMEMS素子を組み合わせることも同様の方法で可能なことは言うまでもない。 In the MEMS type sensor in which a plurality of MEMS elements are integrated as described above, means for increasing sensitivity and resistance to breakage will be described. Here, the case where two types of MEMS elements are integrated with high sensitivity and low sensitivity will be described. It goes without saying that combining three or more types of MEMS elements is also possible in the same manner.
前記2種のMEMS素子はそれぞれ独立に信号を検出する。信号入力が小さい場合には主として高感度素子の出力信号を使用することで高感度特性を実現する。同時に、低感度素子においても信号検出動作を行っており、高感度素子に破壊の危険が生じるよりわずかに小さい程度の信号入力が低感度素子に検出される際には、速やかにトリガ信号を発生させる。このトリガ信号は高感度素子に接続されており、該トリガ信号を受けて高感度素子の電極に一定の直流電圧を印加することにより、高感度素子メンブレンに一定の力を印加し外部からの強い振動入力に対してメンブレンを保護する作用を生じせしめる。 The two types of MEMS elements independently detect signals. When the signal input is small, high sensitivity characteristics are realized by mainly using the output signal of the high sensitivity element. At the same time, the low sensitivity element is also performing signal detection operation, and a trigger signal is generated promptly when the low sensitivity element detects a signal input slightly smaller than the high sensitivity element causing a risk of destruction. Let The trigger signal is connected to the high sensitivity element, and a constant DC voltage is applied to the electrode of the high sensitivity element in response to the trigger signal to apply a constant force to the high sensitivity element membrane, and the external force is high. It acts to protect the membrane against vibrational input.
信号入力が再び高感度素子に破壊の危険が生じない程度に低下した際には、速やかにトリガ信号が解除される。MEMSセンサから出力される信号は、前記トリガ信号が発生している時間帯においては低感度素子の出力信号が採用され、それ以外の時間帯においては高感度素子の出力信号が採用されるように、電子回路を用いることにより信号合成が行われる。以上述べた電子回路的処理はアナログ回路においてもデジタル回路においても実現可能である。 When the signal input drops again to such an extent that the high sensitivity element does not break down, the trigger signal is quickly released. As for the signal output from the MEMS sensor, the output signal of the low sensitivity element is adopted in the time zone in which the trigger signal is generated, and the output signal of the high sensitivity element is adopted in the other time zones. Signal synthesis is performed by using an electronic circuit. The electronic circuit processing described above can be realized in both analog circuits and digital circuits.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
本発明によるMEMSセンサによれば、微小な信号入力においては高感度MEMS素子により高感度かつ高精度な信号検出が可能になり、かつ、強大な(または、過大な。以下、同じ。)信号入力においては低感度MEMS素子により信号検出が可能になる。さらに強大な信号入力時には高感度なMEMS素子に対する保護手段を備える。これにより、微小な信号から強大な信号まで従来の単一MEMS素子では実現できないダイナミックレンジの広い信号検出が可能になる。 According to the MEMS sensor according to the present invention, high sensitivity and high accuracy signal detection becomes possible by the high sensitivity MEMS element in minute signal input, and a powerful (or excessive, hereinafter the same) signal input is realized. The low sensitivity MEMS element enables signal detection in In the case of further strong signal input, a protective means for the highly sensitive MEMS element is provided. This enables signal detection with a wide dynamic range that can not be realized with conventional single MEMS elements, from minute signals to strong signals.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, it will be described by dividing into a plurality of sections or embodiments, but they are not unrelated to each other unless specifically stated otherwise, one is the other And some or all of the variations, details, and supplementary explanations.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), it is particularly pronounced and clearly limited to a specific number in principle. It is not limited to the specific number except for the number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Furthermore, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily essential unless explicitly stated or considered to be obviously essential in principle. Needless to say.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of components etc., unless specifically stated otherwise and in principle not considered otherwise in principle, etc., It includes those that are similar or similar to the shape etc. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。 Further, in all the drawings for describing the embodiments, the same reference numeral is attached to the same member in principle, and the repetitive description thereof will be omitted. In order to make the drawings easy to understand, hatching may be attached even to a plan view.
本発明の実施例1におけるMEMSセンサについて図面を参照しながら説明する。図1は、本実施例1におけるMEMSセンサの要部断面図である。標準的なシリコンCMOS集積回路製造プロセスを用いて静電容量型MEMS素子を形成するために、図1(a)に示す如く、シリコン基板101上に溝102の形成、溝の底部への下部電極103の形成、さらに溝の上部へメンブレンが形成される。ここでメンブレンは2種類の膜厚で構成され、高感度素子104に対応するメンブレン106と低感度素子105に対応するメンブレン107からなる。メンブレン106およびメンブレン107それぞれの上面の一部に下部電極103と対抗するように上部電極108が形成される。ここで、下部電極103は例えばタングステン膜が、メンブレン106および107は例えば多結晶シリコン膜が、上部電極108には例えばアルミニウム膜が用いられる。なお、下部電極103および上部電極107からの引き出し配線ないしそれに至るコンタクト部分は本断面図においては省略されている。
A MEMS sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of the MEMS sensor in the first embodiment. To form a capacitive MEMS device using a standard silicon CMOS integrated circuit fabrication process, as shown in FIG. 1 (a), forming a
前記高感度素子104および低感度素子105は、必ずしも一度の集積回路製造用ウェハプロセスにて製造する必要はない。図1(b)に示す如く、別々のプロセスにて製造したMEMS素子を搭載した複数のウェハから、それぞれ該当素子のチップを切り出し、これらを実装基板109にマウントすることによっても構わない。
The
上記のMEMS素子を回路図の記号(シンボル)で記せば図1(c)および(d)の如くである。高感度素子104は下部電極端子110および上部電極端子111を有し、低感度素子105は下部電極端子112および上部電極端子113を有する。なお通常の場合、下部電極端子110および112は接地される場合が多いため図1(c)では接地記号が用いられている。本図の記載に関わらず、前記高感度素子104および低感度素子105をフローティング状態で使用することも可能である。
If the above-mentioned MEMS element is described by the symbol (symbol) of a circuit diagram, it will be like FIG.1 (c) and (d). The
本発明の実施例1におけるMEMSセンサの動作を図2および図3を用いて説明する。図2には入力信号波形120が横軸(この横軸は時間軸である。)の時刻121と縦軸の振幅122のグラフに示されている。図で横方向に走る一点鎖線は、高感度素子104が破壊に至る危険のある振幅よりわずかに小さい値に設定されたトリガレベル123を示すものである。ここで、正の電位のトリガレベルを123a, 負の電位のトリガレベルを123bと定義する。本図においてはトリガレベル123を超える信号入力が2度の時間帯にわたって発生している。この際、低感度素子105に接続された電子回路は速やかにトリガ信号を発生する。これを受けて、高感度素子104には図2に示されるような高感度素子保護電圧124を発生する。以上の動作を図3のフローチャートにしめす。通常状態においては高感度素子104にて測定されており、かつ、低感度素子105においては常時、あるいは一定周期で、出力電圧の絶対値がトリガレベル123以上であるか又はトリガレベル123未満であるか否かの判定がなされる。この判定がYESの場合、即ち、出力電圧の絶対値がトリガレベル123未満である場合には低感度素子105の信号を出力し、NOの場合、即ち、出力電圧の絶対値がトリガレベル123以上である場合には高感度素子104の信号を出力するように処理される。
The operation of the MEMS sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 and FIG. In FIG. 2, the
次に図4を用いて前記の電子回路の動作を説明する。図4は(a)(b)(c)と分かれているが、夫々同一名称の端子は相互に接続されており、全体として一つの回路を構成している。低感度素子105の上部電極端子113は図4(a)にある低感度素子用容量−電圧変換器130の入力端子131に接続されており、低感度素子105の信号が低感度素子アナログ信号出力132として変換出力される。この信号は同時に、正電圧用比較器133と負電圧用比較器134に接続されている。なおこれらの比較器にはそれぞれ正の参照電圧135と負の参照電圧136が印加されている。これらの参照電圧は高感度素子104の破壊耐性に応じて、例えば、素子製造後に任意の参照電圧値になるように調整することができる。このため製造工程で多少の特性ばらつきが発生しても本機能により修正することができる。比較器133および134の出力はOR回路137を経由してトリガ信号138を発生する。OR回路137の機能は信号振幅が正側あるいは負側のいずれの方向で参照電圧135ないし136を超えても高感度素子104用の保護機能に対するトリガ信号138を発生させる必要があるためである。
Next, the operation of the electronic circuit will be described with reference to FIG. Although FIG. 4 is divided into (a), (b) and (c), the terminals with the same name are connected to each other, and constitute one circuit as a whole. The
トリガ信号138は図4(b)に示す如く、2組のスイッチ回路139および140に導かれる。スイッチ回路139および140はトリガ信号入力138が発生している場合に互いに等しい一定の電圧を発生する。これら2式のスイッチ回路139および140の出力は高感度素子用容量−電圧変換器141の差動入力端子に導かれる。トリガ入力138が発生している場合には、上記差動入力に等しい電圧が印加されているため高感度素子アナログ信号出力電圧値142はゼロとなる。一方、トリガ信号138が発生していない状態において、スイッチ回路139の出力は接地電位に固定され、スイッチ回路140の出力端子はオープン状態となる。この出力端子142には、高感度素子104の出力端子111に接続されている。スイッチ回路140の出力端子はオープン状態であり、かつ、高感度素子用容量−電圧変換器141の差動入力端子も高インピーダンス状態であるため、高感度素子104の出力は損失なく高感度素子用容量−電圧変換器141に導かれ、正確な高感度素子アナログ信号出力142が得られる。
The
次に、図4(c)に示す如く、低感度素子アナログ信号出力132および高感度素子アナログ信号出力142はそれぞれ独立に低感度素子用ADコンバータ143および高感度素子用ADコンバータ144によりデジタル信号に変換される。これらのデジタル出力はデジタル信号処理プロセッサ145に導かれ、トリガ入力138に応じて図3に示したフローチャートに対応するように感度の異なる複数素子の信号を合成して合成出力電圧146を得る。
Next, as shown in FIG. 4C, the low sensitivity element
なお、前記の容量−電圧変換器130、正電圧用比較器133、負電圧用比較器134、OR回路137、スイッチ回路140の遅延時間の合計は当該MEMSセンサで取り扱う信号の最大周波数成分の逆数の1/2以下に設計する。これは当該回路の応答時間に間に合わない高速の信号入力によって高感度素子104が破壊されることを防止するために必要である。
The total delay time of the capacitance-
本実施例は、実施例1で示した電子回路の別構成を示すものである。共通する部分に関しては記載を省略する。 This embodiment shows another configuration of the electronic circuit shown in the first embodiment. Descriptions of common parts are omitted.
低感度素子105の出力端子113は図5(a)にある低感度素子用容量−電圧変換器130から低感度素子用ADコンバータ143に接続されデジタル信号へと変換される。さらに低感度素子用デジタルシグナルプロセッサ147により低感度素子の周波数応答特性の補正や雑音除去の処理を行って低感度素子デジタル出力148を得、さらに図5(c)に示すデジタル信号処理プロセッサ145へと導かれる。このプロセッサにて、実施例1で示すところのトリガ信号138に相当するロジック制御信号149をデジタル処理によって得る。
The
図5(b)に示すところの回路構成は図4(b)と共通点が多く、トリガ信号138をロジック制御信号149と読み替えればよい。高感度素子用容量−電圧変換器141以降の回路構成は図5(a)の低感度素子用と同様の構成であり、高感度素子用ADコンバータ144および高感度素子用デジタルシグナルプロセッサ150を経由して高感度素子デジタル出力151を得る。この出力151は図5(c)のデジタル信号処理プロセッサ145へと導かれ実施例1と同様にして合成出力146を得る。なお、本回路の遅延時間に関する要請も実施例1と同様である。
The circuit configuration shown in FIG. 5B has many points in common with FIG. 4B, and the
本実施例は、実施例1および実施例2で示したスイッチ回路140の一形態を例示するものである。トリガ信号138が発生していない状態において、該スイッチ回路の出力端子はオープン状態となる必要がある。この要請は該スイッチ回路の出力段にpチャネルMOSFET152を用いることで容易に実現できる。pチャネルMOSFET152のソース電極(S)には電源電圧VDDが印加され、ゲート電極にはトリガ信号138ないしはその信号レベルを適宜変換した信号が印加される。まず、トリガ信号138が発生している状態においてはpチャネルMOSFET152がオン状態となるため、ドレイン電極(D)にはほぼ電源電圧VDDに相当する電圧が上部電極端子111を経由して高感度素子の上部電極108に印加される。通常の場合において下部電極103は接地電位にあるため、電圧印加によりメンブレン106は下部電極103に向かう引力が発生してメンブレンの振動を抑制することで破壊を防止する。この引力がスティクション(メンブレンの下部電極への固着)を引き起こすことのないように適切な電圧が印加されるように設計することは言うまでもない。
The present example illustrates one mode of the
次に、トリガ信号138が発生していない状態においてはpチャネルMOSFET152がオフ状態になる。このとき、上部電極108から見た上部電極端子111は直流的にはオープン状態となっている。しかしながら、このMOSFETは同時に、高感度素子104に対する容量負荷ともなっているため、この容量負荷を小さくしないと感度が低下してしまう。これを解決する一手段を図7に例示する。通常のMOSFETでは図7(a)に示すように、ゲート電極160とドレイン拡散層161の間の容量が比較的大きい。特に通常のMOSFETでは拡散層161がゲート電極の下部にまで回りこむ、いわゆる拡散層オーバラップ162構造となっている。このため、ゲート−ドレイン間容量が増大してしまう。これを解決するためには、図7(b)に示すように、拡散層ノンオーバラップ163構造とすることで、高感度素子104からみた負荷容量は大幅に低減する。このようなトランジスタの製造は、ゲート電極160に接するオフセット側壁164を用いることにより容易に行うことができる。
Next, the p-
本実施例は、実施例1で示したトリガ信号138の取得に関する他の一形態について、図8を用いて例示するものである。図8の回路図は図4(a)の回路図と共通点が多く、低感度素子用容量−電圧変換器130の出力と正電圧用比較器133との間に微分回路170が挿入されている。実施例1の回路において、非常に立ち上がりが急峻で大振幅の信号が入力された場合、実施例1に示した設計条件にも関わらず高感度素子の破壊のリスクが高まる可能性もある。そこで本実施例に示すような微分回路により信号の急峻な立ち上がりを検出してトリガ信号138を発生することでこのリスクを緩和することができる。なお、トリガ出力138の発生に際して図8に示したOR回路のみでなく、図4(a)に示したOR回路も組み合わせて4入力のOR回路を構成することも有効である。
This embodiment is another embodiment of acquisition of the
さらに実施例2のデジタル処理の場合においても、デジタル信号を微分することによってより的確にロジック制御信号149を取得することができる。
Furthermore, in the case of digital processing of the second embodiment, the
実施例1や2で示したMEMSセンサの性能機能の観点から望ましい高感度および低感度素子の周波数特性に関し、図9を用いて説明する。一般にメンブレン型のMEMS素子は、素子固有の自己共振周波数を有し、これより高い周波数では急峻に応答特性(感度)が低くなる。本発明のMEMSセンサにおいては、低感度素子の出力により高感度素子の破壊防止のためのトリガ出力を得る構成になっている。このため、低感度素子の周波数帯域がより広いことが求められる。図9には、高感度素子の感度特性180と低感度素子の感度特性181が例示されている。このグラフは一定の音響振動入力レベルに対する各素子の出力信号レベルの相対値を示したものである。ここでは双方の感度が約20dB、すなわち約10倍異なっている。高感度素子の自己共振点182となる周波数は、低感度素子の自己共振点183となる周波数よりも低い。
The frequency characteristics of the high sensitivity and low sensitivity elements which are desirable from the viewpoint of the performance function of the MEMS sensor shown in the first and second embodiments will be described with reference to FIG. In general, a membrane type MEMS device has a device-specific self-resonant frequency, and the response characteristic (sensitivity) sharply drops at frequencies higher than this. In the MEMS sensor of the present invention, the output of the low sensitivity element is configured to obtain a trigger output for preventing breakage of the high sensitivity element. Therefore, it is required that the frequency band of the low sensitivity element be wider. FIG. 9 exemplifies the
また実施例2においては、デジタルシグナルプロセッサ147および150により周波数特性の補正、すなわちピーク特性の除去、が行われる。図9の破線にはこのデジタル処理によって補正された周波数特性184が破線にて示されている。なお実施例1においても、デジタル信号処理プロセッサ145によって同様の処理が実施できることは言うまでもない。
In the second embodiment,
前記実施例1〜5に示した構成によれば、高感度素子104および低感度素子105に接続されている電子回路に通電し正常動作している状態においては高感度素子104の破壊を効果的に防止することができる。しかしながら、MEMSセンサが機能していない状態において、例えば輸送や設置の際の振動により高感度素子が破壊される可能性がある。本実施例はこの破壊を防止するための手段について図10を用いて説明するものである。
According to the configurations shown in the first to fifth embodiments, it is possible to effectively destroy the
まず、容易に考えられる方法が、MEMSセンサが機能していない状態、すなわち計測を行わない場合においては常にトリガ信号138を発生させ、高感度素子104の上部電極108に電圧を印加し続けることである。これはMEMSセンサの計測停止時に自動的にトリガ信号138を発生させる回路を備えておけばよい。また、輸送時等においてはバックアップ電池により常に電源を供給してやればよい。
First, an easily conceivable method is to always generate a
別の方法として本実施例において示す例は、図10(a)のように、高感度素子の上部電極108に抑え板190を設置し、これをピエゾアクチュエータ191にて駆動させて抑え板190を上部電極108に接触させることでメンブレンの破壊から保護するという方法である。この際、ピエゾアクチュエータ191の駆動はバックアップ電池193からの電源供給によって動作する制御回路192を通じて行う。具体的な動作は図10(b)、(c)に示すように、停止時にはピエゾアクチュエータ191が伸張して抑え板190を上部電極108に接触させる。この場合には、正電圧印加時に伸張するタイプのピエゾアクチュエータを使用すれば良い。動作時、すなわち測定時には、ピエゾアクチュエータ191には電圧が印加されず、抑え板190が上部電極108およびメンブレン106の動きを阻害することはない。
As another method shown in the present embodiment as another method, as shown in FIG. 10A, the
しかしながら、上記の方法では停止時に電源を供給し続ける必要がある。図10(d),(e)に例示する方法では、正電圧印加時に収縮するタイプのピエゾアクチュエータを使用する。そして、ピエゾアクチュエータに電源を供給しない状態において抑え板190が上部電極108に接触するように相互の位置関係を調整する。しかる状態において、動作時には電源がピエゾアクチュエータに供給されることで収縮し、抑え板190が上部電極108およびメンブレン106の動きを阻害しない状態となる。
However, in the above method, it is necessary to keep supplying power at the time of shutdown. In the method illustrated in FIGS. 10 (d) and 10 (e), a piezo actuator of a type that contracts when a positive voltage is applied is used. Then, the positional relationship between the
さらに別の方法によれば、図10(f), (g)に例示するように、正電圧印加時に伸張するタイプのピエゾアクチュエータ191を使用し、これを抑え板108(とこれを保持する部材)と基板101との間に位置させる。さらにピエゾアクチュエータ191に電源を供給しない状態において抑え板190が上部電極108に接触するように相互の位置関係を調整する。しかる状態において、動作時には電源がピエゾアクチュエータに供給されることで伸張し、抑え板190が上部電極108およびメンブレン106の動きを阻害しない状態となる。
According to still another method, as illustrated in FIGS. 10 (f) and 10 (g), a
上記いずれの方法においても、実施例1〜5に示したMEMSセンサとしての機能を損なうことなく、停止時に高感度素子の破壊を防止する方策を講じることができる。 In any of the above methods, it is possible to take measures to prevent the breakage of the high sensitivity element at the time of stopping without impairing the function as the MEMS sensor described in the first to fifth embodiments.
実施例1〜5に示した構成によれば、高周波で大振幅の信号がMEMSセンサに入力された場合においても高感度素子の破壊を防止しつつ正確な測定が可能になる。用途によっては、特定の周波数範囲の音響信号が非常に強く、これをあらかじめ減衰させてMEMSセンサにて測定するほうが望ましい場合も考えられる。本実施例はこのような場合に対応する構成を図11により説明するものである。特定の周波数範囲の音響信号を減衰させるにはヘルムホルツ共振器を用いる。図11に示した構成では、2種類の周波数範囲の信号を減衰させることを意図しており、それぞれ共振周波数の異なる2種類のヘルムホルツ共振器200と201とを備えている。高感度素子104と低感度素子105を囲むセンサキャビティ202には筒状の音響管路が設けられておりこの上部の音響信号入口203より測定用の音響信号が入力される。そして、音響管路を通過する際に内壁に設けられたヘルムホルツ共振器200と201によって特定周波数範囲の音響信号が減衰され、過度の振幅の音響信号がMEMSセンサに入力されることを防止することができる。なおこの、減衰特性は予め測定しておくことができるため、実施例2,5に示したような周波数特性の補正を行うことも問題なくできる。
According to the configurations shown in the first to fifth embodiments, even when a high frequency and large amplitude signal is input to the MEMS sensor, accurate measurement can be performed while preventing destruction of the high sensitivity element. In some applications, it may be desirable that the acoustic signal in a particular frequency range is very strong and it is desirable to attenuate it in advance and measure it with a MEMS sensor. In the present embodiment, a configuration corresponding to such a case will be described with reference to FIG. Helmholtz resonators are used to attenuate acoustic signals in a specific frequency range. The configuration shown in FIG. 11 is intended to attenuate signals of two types of frequency ranges, and includes two types of
101…シリコン基板
102…溝
103…下部電極
104…高感度素子
105…低感度素子
106…高感度素子に対応するメンブレン
107…低感度素子に対応するメンブレン
108…上部電極
109…実装基板
110…高感度素子の下部電極端子
111…高感度素子の上部電極端子
112…低感度素子の下部電極端子
113…低感度素子の上部電極端子
120…入力信号波形
121…時刻
122…振幅
123…トリガレベル
124…高感度素子保護電圧
130…低感度素子用容量−電圧変換器
131…低感度素子用容量−電圧変換器の入力端子
132…低感度素子アナログ信号出力
133…正電圧用比較器
134…負電圧用比較器
135…正の参照電圧
136…負の参照電圧
137…OR回路
138…トリガ信号
139…スイッチ回路
140…スイッチ回路
141…高感度素子用容量−電圧変換器
142…高感度素子アナログ信号出力
143…低感度素子用ADコンバータ
144…高感度素子用ADコンバータ
145…デジタル信号処理プロセッサ
146…合成出力
147…低感度素子用デジタルシグナルプロセッサ
148…低感度素子デジタル出力
149…ロジック制御信号
150…高感度素子用デジタルシグナルプロセッサ
151…高感度素子デジタル出力
152…pチャネルMOSFET
160…ゲート電極
161…ドレイン拡散層
162…拡散層オーバラップ
163…拡散層ノンオーバラップ
164…オフセット側壁
170…微分回路
180…高感度素子の感度特性
181…低感度素子の感度特性
182…高感度素子の自己共振点
183…低感度素子の自己共振点
184…デジタル処理によって補正された周波数特性
190…抑え板
191…ピエゾアクチュエータ
192…制御回路
193…バックアップ電池
200…ヘルムホルツ共振器
201…ヘルムホルツ共振器
202…センサキャビティ
203…音響信号入口101
160: gate electrode 161: drain diffusion layer 162: diffusion layer overlap 163: diffusion layer non overlap 164: offset side wall 170: differentiation circuit 180: sensitivity characteristic of high sensitivity element 181: sensitivity characteristic of low sensitivity element 182: high sensitivity Element self-
Claims (15)
前記第1のMEMS素子は、前記第2のMEMS素子よりも相対的に、動作感度が低く、かつ、相対的に高い振幅または高い速度の外部振動が入力されることによりその素子破壊に至るものであり、
前記第1のMEMS素子の出力信号を用いて前記第2のMEMS素子が破壊に至る強度の大振幅ないしは大速度入力を事前に検知する検知手段を有し、
前記検知手段により検知した所定の強度以上の振幅または所定の強度以上の速度に基づき、前記第2のMEMS素子に対して前記第2のMEMS素子の前記振動系の動きを抑止する方向に電気出力を与えることを特徴とするMEMS装置。 Having first and second MEMS elements having a vibration system;
The first MEMS element has lower operation sensitivity relatively than the second MEMS element, and leads to element destruction by the input of an external vibration having a relatively high amplitude or high speed And
It has detection means for detecting in advance the large amplitude or high speed input of the strength at which the second MEMS element breaks down using the output signal of the first MEMS element,
Electrical output in a direction to inhibit movement of the vibration system of the second MEMS element with respect to the second MEMS element based on the amplitude equal to or greater than the predetermined strength detected by the detection means MEMS device characterized by giving.
前記第1のMEMS素子の出力信号を検出する増幅器初段は差動入力とし、差動入力両方の端子に等しい直流電圧を与えるように構成され、
前記第1のMEMS素子に対する保護信号を発生しない状態においては、直流電圧印加用スイッチ回路はその出力端から見たインピーダンスを大きくすると共に、直流電圧印加用スイッチ回路はその出力端から見た静電容量を小さくするように構成されているを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。 The electrical output in the direction to inhibit the movement of the first MEMS element applies a DC voltage to the one electrode of the pair of electrodes of the first MEMS element by a switch circuit with low output impedance,
The first stage of the amplifier for detecting the output signal of the first MEMS element is configured as a differential input, and to apply equal DC voltage to both terminals of the differential input,
In the state where the protection signal for the first MEMS element is not generated, the DC voltage application switch circuit increases the impedance seen from the output end, and the DC voltage application switch circuit sees the electrostatic seen from the output end The MEMS device of claim 1, wherein the MEMS device is configured to reduce capacitance.
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