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JP6550141B2 - MEMS device - Google Patents
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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.

特開平5-164775号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-164775 特開2008-30182号公報JP 2008-30182 A 特許第4373994号公報Patent No. 4373994 gazette 特開2014-153136号公報JP, 2014-153136, A 特開2014-153363号公報JP, 2014-153363, A

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.

本発明の実施例1に係るMEMSセンサの要部断面図および回路図記号である。It is a principal part sectional view and a circuit diagram symbol of a MEMS sensor concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1に係るMEMSセンサの動作状態を示す時系列グラフである。It is a time-series graph which shows the operation state of the MEMS sensor concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1に係るMEMSセンサの動作を説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining operation of a MEMS sensor concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1に係るMEMSセンサの回路図である。It is a circuit diagram of a MEMS sensor concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2に係るMEMSセンサの回路図である。It is a circuit diagram of a MEMS sensor concerning Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3に係るスイッチ回路の説明図である。It is explanatory drawing of the switch circuit which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例3に係るスイッチ回路に用いるトランジスタの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the transistor used for the switch circuit which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例4に係るMEMSセンサの回路図である。It is a circuit diagram of a MEMS sensor concerning Example 4 of the present invention. 本発明の実施例5に係る高感度素子および低感度素子の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the high sensitivity element concerning the Example 5 of this invention, and a low sensitivity element. 本発明の実施例6に係る高感度素子の機械的保護を説明する要部断面図である。It is principal part sectional drawing explaining the mechanical protection of the high sensitivity element which concerns on Example 6 of this invention. 本発明の実施例7に係るヘルムホルツ型音響フィルタを含むMEMSセンサの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a MEMS sensor containing the Helmholtz-type acoustic filter which concerns on Example 7 of this invention.

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 groove 102 on a silicon substrate 101, lower electrode to the bottom of the groove A membrane is formed on the upper side of the groove, and the formation of 103. Here, the membrane is composed of two types of film thickness, and comprises a membrane 106 corresponding to the high sensitivity element 104 and a membrane 107 corresponding to the low sensitivity element 105. An upper electrode 108 is formed on a portion of the upper surface of each of the membrane 106 and the membrane 107 so as to be opposed to the lower electrode 103. Here, for example, a tungsten film is used for the lower electrode 103, a polycrystalline silicon film is used for the membranes 106 and 107, and an aluminum film is used for the upper electrode 108, for example. Note that the lead wires from the lower electrode 103 and the upper electrode 107 or the contact portions leading thereto are omitted in this cross-sectional view.

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 high sensitivity element 104 and the low sensitivity element 105 do not necessarily have to be manufactured in a single integrated circuit manufacturing wafer process. As shown in FIG. 1B, chips of corresponding elements may be cut out from a plurality of wafers on which MEMS elements manufactured by different processes are mounted, and these may be mounted on a mounting substrate 109.

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 high sensitivity element 104 has a lower electrode terminal 110 and an upper electrode terminal 111, and the low sensitivity element 105 has a lower electrode terminal 112 and an upper electrode terminal 113. In the usual case, the lower electrode terminals 110 and 112 are often grounded, so the ground symbol is used in FIG. 1 (c). It is also possible to use the high sensitivity element 104 and the low sensitivity element 105 in a floating state regardless of the description of this figure.

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 input signal waveform 120 is shown in the graph of the time 121 of the horizontal axis (this horizontal axis is the time axis) and the amplitude 122 of the vertical axis. In the figure, the dashed dotted line indicates the trigger level 123 which is set to a value slightly smaller than the amplitude at which the high sensitivity element 104 may break down. Here, the trigger level of the positive potential is defined as 123a, and the trigger level of the negative potential is defined as 123b. In the figure, the signal input exceeding the trigger level 123 occurs over two time zones. At this time, the electronic circuit connected to the low sensitivity element 105 quickly generates a trigger signal. In response to this, the high sensitivity element 104 generates a high sensitivity element protection voltage 124 as shown in FIG. The above operation is shown in the flowchart of FIG. In the normal state, it is measured by the high sensitivity element 104, and the absolute value of the output voltage is equal to or higher than the trigger level 123 or lower than the trigger level 123 constantly or at a constant cycle in the low sensitivity element 105. It is judged whether or not it is. When this determination is YES, that is, when the absolute value of the output voltage is less than the trigger level 123, the signal of the low sensitivity element 105 is output, and when NO, that is, the absolute value of the output voltage is more than the trigger level 123 If so, the signal of the high sensitivity element 104 is processed to be output.

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 upper electrode terminal 113 of the low sensitivity element 105 is connected to the input terminal 131 of the low sensitivity element capacitance-voltage converter 130 shown in FIG. 4A, and the signal of the low sensitivity element 105 is an analog signal output of the low sensitivity element. It is converted and output as 132. This signal is simultaneously connected to the positive voltage comparator 133 and the negative voltage comparator 134. A positive reference voltage 135 and a negative reference voltage 136 are applied to these comparators, respectively. These reference voltages can be adjusted, for example, to have an arbitrary reference voltage value after element fabrication depending on the breakdown resistance of the high sensitivity element 104. Therefore, even if some characteristic variations occur in the manufacturing process, it can be corrected by this function. The outputs of comparators 133 and 134 generate trigger signal 138 via OR circuit 137. The function of the OR circuit 137 is that it is necessary to generate a trigger signal 138 for the protection function for the sensitive element 104, whether the signal amplitude exceeds the reference voltages 135 to 136 in either positive or negative direction.

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 trigger signal 138 is led to two sets of switch circuits 139 and 140 as shown in FIG. 4 (b). Switch circuits 139 and 140 generate constant voltages equal to one another when trigger signal input 138 is generated. The outputs of the two switch circuits 139 and 140 are led to the differential input terminal of the high sensitivity device capacitance-voltage converter 141. When the trigger input 138 is generated, the high sensitivity element analog signal output voltage value 142 becomes zero because the same voltage is applied to the differential input. On the other hand, when the trigger signal 138 is not generated, the output of the switch circuit 139 is fixed to the ground potential, and the output terminal of the switch circuit 140 is in the open state. The output terminal 142 is connected to the output terminal 111 of the high sensitivity element 104. Since the output terminal of switch circuit 140 is in the open state and the differential input terminal of capacitor-voltage converter 141 for the high sensitivity element is also in the high impedance state, the output of high sensitivity element 104 is for loss without loss Guided to a capacitance-to-voltage converter 141, an accurate sensitive element analog signal output 142 is obtained.

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 analog signal output 132 and the high sensitivity element analog signal output 142 are independently converted to digital signals by the low sensitivity element AD converter 143 and the high sensitivity element AD converter 144, respectively. It is converted. These digital outputs are led to the digital signal processor 145, and in response to the trigger input 138, the signals of a plurality of elements having different sensitivities are synthesized to correspond to the flow chart shown in FIG.

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-voltage converter 130, the positive voltage comparator 133, the negative voltage comparator 134, the OR circuit 137, and the switch circuit 140 is the inverse of the maximum frequency component of the signal handled by the MEMS sensor. Design to less than half of. This is necessary to prevent the high sensitivity element 104 from being destroyed by a high speed signal input that does not meet the response time of the circuit.

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 output terminal 113 of the low sensitivity element 105 is connected to the low sensitivity element AD converter 143 from the low sensitivity element capacitance-voltage converter 130 shown in FIG. 5A and converted into a digital signal. Further, the low sensitivity element digital signal processor 147 corrects the frequency response characteristic of the low sensitivity element and performs noise removal processing to obtain the low sensitivity element digital output 148, and further to the digital signal processor 145 shown in FIG. It is led. In this processor, a logic control signal 149 corresponding to the trigger signal 138 shown in the first embodiment is obtained by digital processing.

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 trigger signal 138 may be replaced with the logic control signal 149. The circuit configuration of the high sensitivity device capacitance-voltage converter 141 and the subsequent circuits is the same as that for the low sensitivity device in FIG. 5A, and passes through the high sensitivity device AD converter 144 and the high sensitivity device digital signal processor 150. Thus, a high sensitivity element digital output 151 is obtained. This output 151 is led to the digital signal processor 145 of FIG. 5C to obtain the combined output 146 in the same manner as in the first embodiment. The request for the delay time of this circuit is also the same as in the first embodiment.

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 switch circuit 140 shown in the first example and the second example. When the trigger signal 138 is not generated, the output terminal of the switch circuit needs to be in the open state. This requirement can be easily realized by using the p-channel MOSFET 152 in the output stage of the switch circuit. The power supply voltage VDD is applied to the source electrode (S) of the p-channel MOSFET 152, and the trigger signal 138 or a signal obtained by appropriately converting the signal level is applied to the gate electrode. First, since the p-channel MOSFET 152 is turned on in the state where the trigger signal 138 is generated, a voltage substantially equivalent to the power supply voltage VDD is supplied to the drain electrode (D) via the upper electrode terminal 111 and a high sensitivity element Is applied to the upper electrode 108 of the In the normal case, since the lower electrode 103 is at the ground potential, attraction of the membrane 106 to the lower electrode 103 is generated by voltage application to suppress vibration of the membrane, thereby preventing breakage. It is needless to say that an appropriate voltage is applied so that this attraction does not cause stiction (sticking of the membrane to the lower electrode).

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-channel MOSFET 152 is turned off when the trigger signal 138 is not generated. At this time, the upper electrode terminal 111 viewed from the upper electrode 108 is in an open state in terms of direct current. However, since this MOSFET also serves as a capacitive load for the high sensitivity element 104, the sensitivity is reduced unless the capacitive load is reduced. One means for solving this is illustrated in FIG. In a normal MOSFET, as shown in FIG. 7A, the capacitance between the gate electrode 160 and the drain diffusion layer 161 is relatively large. In particular, in a conventional MOSFET, the diffusion layer 161 has a so-called diffusion layer overlap 162 structure in which the diffusion layer 161 extends to the lower part of the gate electrode. Therefore, the gate-drain capacitance is increased. In order to solve this, as shown in FIG. 7B, the load capacity as viewed from the high sensitivity element 104 is significantly reduced by the diffusion layer non-overlap 163 structure. Such a transistor can be easily manufactured by using an offset sidewall 164 in contact with the gate electrode 160.

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 trigger signal 138 shown in Embodiment 1 and is illustrated with reference to FIG. The circuit diagram of FIG. 8 shares many points in common with the circuit diagram of FIG. 4A, and a differentiating circuit 170 is inserted between the output of the low sensitivity element capacitor-to-voltage converter 130 and the positive voltage comparator 133. There is. In the circuit of the first embodiment, when a signal with a very sharp rise and a large amplitude is input, there is also a possibility that the risk of breakage of the high sensitivity element may increase despite the design conditions shown in the first embodiment. Therefore, the risk can be mitigated by detecting the sharp rise of the signal by the differentiation circuit as shown in this embodiment and generating the trigger signal 138. When the trigger output 138 is generated, it is also effective to form a 4-input OR circuit by combining not only the OR circuit shown in FIG. 8 but also the OR circuit shown in FIG.

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 logic control signal 149 can be more accurately acquired by differentiating the digital signal.

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 sensitivity characteristic 180 of the high sensitivity element and the sensitivity characteristic 181 of the low sensitivity element. This graph shows the relative value of the output signal level of each element to a fixed acoustic vibration input level. Here, both sensitivities differ by about 20 dB, that is, by about 10 times. The frequency to be the self resonance point 182 of the high sensitivity element is lower than the frequency to be the self resonance point 183 of the low sensitivity element.

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, digital signal processors 147 and 150 perform correction of frequency characteristics, that is, removal of peak characteristics. The dotted line in FIG. 9 indicates the frequency characteristic 184 corrected by the digital processing. Needless to say, the same processing can be performed by the digital signal processor 145 also in the first 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 high sensitivity element 104 in a state in which the electronic circuits connected to the high sensitivity element 104 and the low sensitivity element 105 are energized and operated normally. Can be prevented. However, in a state where the MEMS sensor is not functioning, for example, vibration during transportation or installation may destroy the high sensitivity element. In the present embodiment, means for preventing this destruction will be described with reference to FIG.

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 trigger signal 138 in a non-functioning state of the MEMS sensor, that is, when measurement is not performed, and to continue applying a voltage to the upper electrode 108 of the high sensitivity element 104. is there. This may be provided with a circuit that automatically generates a trigger signal 138 when the measurement of the MEMS sensor is stopped. In addition, at the time of transportation or the like, power may be constantly supplied by a backup battery.

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 pressing plate 190 is installed on the upper electrode 108 of the high sensitivity element and driven by the piezoelectric actuator 191 to hold the pressing plate 190. By contacting the upper electrode 108, the membrane is protected from breakage. At this time, driving of the piezo actuator 191 is performed through the control circuit 192 operated by power supply from the backup battery 193. As shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c), in the specific operation, the piezo actuator 191 expands to bring the pressure plate 190 into contact with the upper electrode 108 at the time of stop. In this case, a piezo actuator of a type that expands when a positive voltage is applied may be used. In operation, i.e., in measurement, no voltage is applied to the piezo actuator 191, and the pressure plate 190 does not inhibit the movement of the upper electrode 108 and the membrane 106.

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 pressure plate 190 and the upper electrode 108 is adjusted so that the pressure plate 190 contacts the upper electrode 108 in a state where power is not supplied to the piezoelectric actuator. In such a state, the power supply is supplied to the piezoelectric actuator during operation to contract, and the pressure plate 190 does not inhibit the movement of the upper electrode 108 and the membrane 106.

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 piezo actuator 191 of a type that expands when a positive voltage is applied is used to press the plate 108 (and a member for holding the same). ) And the substrate 101. Further, the positional relationship between the pressure plate 190 and the upper electrode 108 is adjusted so that the pressure plate 190 contacts the upper electrode 108 in a state where power is not supplied to the piezoelectric actuator 191. In such a state, the power supply is supplied to the piezo actuator during operation to be extended, and the pressure plate 190 does not inhibit the movement of the upper electrode 108 and the membrane 106.

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 Helmholtz resonators 200 and 201 having different resonance frequencies. A cylindrical acoustic conduit is provided in the sensor cavity 202 surrounding the high sensitivity element 104 and the low sensitivity element 105, and an acoustic signal for measurement is input from an acoustic signal inlet 203 on the upper side. Then, when passing through the acoustic conduit, the Helmholtz resonators 200 and 201 provided on the inner wall attenuate the acoustic signal of the specific frequency range and prevent the acoustic signal of excessive amplitude from being input to the MEMS sensor. Can. Since the attenuation characteristics can be measured in advance, it is possible to correct the frequency characteristics as shown in the second and fifth embodiments without any problem.

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 silicon substrate 102 groove 103 lower electrode 104 high sensitivity element 105 low sensitivity element 106 membrane 107 corresponding to high sensitivity element membrane 108 corresponding to low sensitivity element upper electrode 109 mounting substrate 110 high Lower electrode terminal 111 of the sensitivity element Upper electrode terminal 112 of the high sensitivity element Lower electrode terminal 113 of the low sensitivity element Upper electrode terminal 120 of the low sensitivity element Input signal waveform 121 Time 122 An amplitude 123 Trigger level 124 High sensitivity element protection voltage 130 ... Low sensitivity element capacitance-voltage converter 131 ... Low sensitivity element capacitance-voltage converter input terminal 132 ... Low sensitivity element analog signal output 133 ... positive voltage comparator 134 ... for negative voltage Comparator 135 ... positive reference voltage 136 ... negative reference voltage 137 ... OR circuit 138 ... trigger signal 139 ... switch circuit 14 ... Switch circuit 141 ... Capacitance-voltage converter 142 for high sensitivity element ... High sensitivity element analog signal output 143 ... AD converter for low sensitivity element 144 ... AD converter for high sensitivity element 145 ... Digital signal processor 146 ... Combined output 147 ... Digital signal processor for low sensitivity element 148 ... Low sensitivity element digital output 149 ... Logic control signal 150 ... Digital signal processor for high sensitivity element 151 ... High sensitivity element digital output 152 ... p channel MOSFET
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-resonance point 183 ... Self-resonance point 184 of low sensitivity element ... Frequency characteristic 190 corrected by digital processing ... Suppression plate 191 ... Piezo actuator 192 ... Control circuit 193 ... Backup battery 200 ... Helmholtz resonator 201 ... Helmholtz resonator 202 ... sensor cavity 203 ... acoustic signal inlet

Claims (15)

振動系を有する第1および第2のMEMS素子を有し、
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.
前記所定の強度以上の振幅または前記所定の強度以上の速度となる時間帯においては前記第1のMEMS素子の出力信号を採用し、前記時間帯以外の時間帯においては前記第2のMEMS素子の出力信号を採用し、前記第1のMEMS素子の出力信号及び前記第2のMEMS素子の出力信号を時系列的に合成することにより所望の信号出力を得ることを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。 The output signal of the first MEMS element is employed in a time zone in which the amplitude exceeds the predetermined intensity or the speed exceeds the predetermined intensity, and in the time zone other than the time zone, the second MEMS element An output signal is employed, and a desired signal output is obtained by combining an output signal of the first MEMS element and an output signal of the second MEMS element in time series. MEMS devices. 前記第1と前記第2のMEMS素子の周波数特性は異なることを特徴とする請求項2に記載のMEMS装置。   The MEMS device according to claim 2, wherein frequency characteristics of the first and second MEMS elements are different. 前記第1のMEMS素子の方が、前記第2のMEMS素子よりもMEMS素子の共振周波数の方が高いことを特徴とする請求項3に記載のMEMS装置。   The MEMS device according to claim 3, wherein a resonance frequency of the MEMS element is higher in the first MEMS element than in the second MEMS element. 前記第1と前記第2のMEMS素子の出力信号合成に際し、素子固有の周波数特性を補正する手段を有することを特徴とする請求項3に記載のMEMS装置。   4. The MEMS device according to claim 3, further comprising means for correcting a frequency characteristic unique to an output signal of the first and second MEMS elements. 前記所定の強度以上の振幅または前記所定の強度以上の速度となる時間帯においては前記第1のMEMS素子の出力信号を採用し、前記時間帯以外の時間帯においては前記第2のMEMS素子の出力信号を採用し、前記第1のMEMS素子の出力信号及び前記第2のMEMS素子の出力信号を時系列的に合成する信号合成において、前記第1のMEMS素子と前記第2のMEMS素子の出力信号の切り替え、および、前記第2のMEMS素子の動きを抑制する機能の起動にかかる信号振幅ないし速度に関するしきい値は、電気的に調整可能に構成されていることを特徴とする請求項1記載のMEMS装置。 The output signal of the first MEMS element is employed in a time zone in which the amplitude exceeds the predetermined intensity or the speed exceeds the predetermined intensity, and in the time zone other than the time zone, the second MEMS element An output signal is used, and in signal synthesis for combining an output signal of the first MEMS element and an output signal of the second MEMS element in time series, the first MEMS element and the second MEMS element switching of the output signal, and said second signal amplitude to the threshold concerning speed according to the activation of the function of inhibiting the movement of the MEMS device, according to claim, characterized in that it is electrically adjustable structure The MEMS device according to 1. 前記第1のMEMS素子が破壊に至る強度の大振幅入力の検出に、演算増幅回路を用いた比較器を用いることを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。   The MEMS device according to claim 1, wherein a comparator using an operational amplifier circuit is used to detect a large amplitude input whose strength causes the first MEMS element to break down. 前記第1のMEMS素子が破壊に至る立ち上がりの速い大速度入力の検出に演算増幅回路を用いた微分回路を用いることを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。   2. The MEMS device according to claim 1, wherein a differential circuit using an operational amplifier circuit is used to detect a high-speed input with a rapid rise until the first MEMS element breaks down. 前記第1のMEMS素子の動きを抑止する方向の電気出力は、前記第1のMEMS素子の一対の電極のうちの一方の電極に対して低出力インピーダンスのスイッチ回路により直流電圧を与え、
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.
前記第1のMEMS素子の一対の電極の一方の電極にMOSトランジスタのドレイン電極を電気的に接続することにより、そのMOSトランジスタを導通状態とすることによって、前記第1のMEMS素子の動きを抑止を行うように構成されていることを特徴とする請求項9に記載の高ダイナミックレンジMEMS装置。   By electrically connecting the drain electrode of the MOS transistor to one electrode of the pair of electrodes of the first MEMS element, the MOS transistor is brought into a conduction state, thereby suppressing the movement of the first MEMS element 10. The high dynamic range MEMS device of claim 9, wherein the high dynamic range MEMS device is configured to: 上記MOSトランジスタは遮断状態におけるドレイン容量が小さくなるようにノンオーバーラップトランジスタを用いることを特徴とする請求項10に記載のMEMS装置。   11. The MEMS device according to claim 10, wherein the MOS transistor uses a non-overlap transistor so that the drain capacitance in the cutoff state becomes small. より感度の高いMEMS素子およびより感度の低いMEMS素子両方の入力信号をデジタル変換し、その信号をデジタルシグナルプロセッサまたは論理回路あるいはその両方を用いて処理し、大振幅ないし大速度入力の検出を行い、より感度の高い素子の抑制は検出されたデジタル信号から所定の直流電圧を発生させることによって行うことを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。   Digitally convert input signals for both more sensitive MEMS devices and less sensitive MEMS devices, process the signals with a digital signal processor and / or logic circuit, and detect large amplitude to high speed input The MEMS device according to claim 1, wherein the suppression of the more sensitive element is performed by generating a predetermined DC voltage from the detected digital signal. MEMS素子の非動作状態において、前記第1のMEMS素子の動きを阻害する際に、機械的なストッパーが動作することを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。   The MEMS device according to claim 1, wherein a mechanical stopper operates when blocking movement of the first MEMS element in a non-operating state of the MEMS element. 上記機械的ストッパーの駆動は電気的に行い、本装置の電源が遮断されている状態において、より感度の高い素子の動きを阻害する状態に保持されていることを特徴とする請求項13に記載のMEMS装置。   14. The mechanical stopper according to claim 13, wherein the mechanical stopper is electrically driven, and in a state in which the power supply of the apparatus is shut off, the movement of the more sensitive element is inhibited. MEMS devices. 前記第1または前記第2のMEMS素子に至る音響振動流路内に、単一ないし複数の共振周波数を有するヘルムホルツ型フィルタ設置することを特徴とする請求項1に記載のMEMS装置。 2. The MEMS device according to claim 1, wherein a Helmholtz-type filter having one or more resonance frequencies is installed in an acoustic vibration flow path leading to the first or second MEMS element.
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