温度传感器(400)是使用了MEMS谐振器(500)的温度传感器(400)，具备：MEMS谐振器(500)；扫频部(401)，沿着规定的扫频方向对MEMS谐振器(500)的振子(501)的激励信号的频率进行扫频，并将扫频后的激励信号向MEMS谐振器(500)输出；不连续点检测部(412)，从MEMS谐振器(500)取得基于激励信号的表示振子(501)的振动状态的特征量即振动状态信息信号，检测取得的振动状态信息信号不连续地变化时的激励信号的频率或对应于频率的时刻；以及转换部(415)，基于检测出的检测值来决定作用于MEMS谐振器(500)的物理量。谐振器(500)的物理量。谐振器(500)的物理量。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用了MEMS谐振器的谐振型传感器和谐振型传感器的检测方法
[0001]本公开涉及使用了MEMS(Micro
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Electro Mechanical Systems，微机电系统)谐振器的谐振型传感器及谐振型传感器的检测方法的检测信号处理。
技术介绍
[0002]以往，公知有使用了微机械振子的机械谐振器(微机械谐振器或MEMS谐振器)(专利文献1～3)。
[0003]图27A和图27B是表示以往的MEMS谐振器100的结构例的图。该MEMS谐振器100是所谓的静电电容型的MEMS谐振器。图27A是MEMS谐振器100的立体图，图27B是沿图27A中的线A
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A
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的MEMS谐振器100的侧方剖视图。另外，在图27B中，省略了BOX(Buried Oxide，掩埋氧化物)层104和硅基板105，一并示出了输入到MEMS谐振器100的电压Vi、输出的电流Io、施加于振子101的偏置电压Vp、振子101的振动方向等。
[0004]MEMS谐振器100可以使用SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)基板来制作。在该情况下，由SOI基板的最上层的Si形成梁式的振子101、输入电极102和输出电极103。并且，通过蚀刻去除位于振子101下方的BOX(Buried Oxide)层104，振子101通过残存的BOX层104上的振子支承部101s保持为可振动。振子101与输入电极102和输出电极103一起，通过残存的BOX层104而被保留在硅基板105上。
[0005]参照图27B对振子101的振动机构进行说明。振子101配置成与输入电极102和输出电极103分别隔着空隙(gap)gi和go相对，施加偏置电压Vp，以对输入电极102和输出电极103提供直流电位差。当交流输入电压(AC电压)Vi被施加到输入电极102时，振子101和输入电极102之间的电位差随着交流输入电压Vi而变化，并且由静电力产生的激振力作用于振子101。在交流输入电压Vi的频率与振子101的机械谐振频率一致的情况下，振子101沿着振动方向106特别大地振动(谐振)。此时，位移电流Io从间隙go形成的电容Co流向输出电极103。
[0006]MEMS谐振器100的用途有：利用了输入输出电极间的电气通过特性仅在某特定的频率即振子的谐振频率附近提高的滤波电路、利用了振子的谐振频率因温度而变化这一情况的温度传感器、利用了振子的谐振频率因施加于振子的应力而变化这一情况的压力传感器、以及利用了振子的谐振频率因在振子上的微量的附着物而变化这一情况的质量传感器等。
[0007]非专利文献1暗示了实现使用了MEMS谐振器的压力传感器的可能性。根据该文献，MEMS谐振器的振子的振动运动(例如，谐振运动)的特性(例如，振动运动的振幅的大小和Q值)根据振子周围的气氛的压力而变化。具体而言，MEMS谐振器的进行谐振运动的振子的动能或运动量由于包围振子的气氛所示的粘性而散失，其散失的程度根据气氛的压力而不同。因此，以谐振频率谐振的振子的振幅取决于气氛的压力而变化。因此，在谐振频率附近振动的MEMS谐振器的振子的振幅及其Q值这样的量与气氛的压力很好地对应。因此，通过检
测在气氛中谐振的MEMS谐振器的振子的振幅或Q值，能够测定气氛的压力。例如，非专利文献1的图4示出了MEMS谐振器的Q值和气氛压力之间的对应关系。
[0008]另外，非专利文献2讨论了MEMS谐振器的振子以比较大的振幅振动的情况下出现的MEMS谐振器的非线形的行为。一般而言，在MEMS谐振器100的振子101的振动振幅足够小的情况下，非线形效应的影响小到能够忽略的程度(线形区域)，扫频输入电压Vi的频率而得到的谐振特性如图28的谐振特性111所示，描绘出以振子101的谐振频率f0处的峰为中心左右对称的分布，未发现扫频方向的差异引起的滞后(hysteresis)。然而，当振子的Q值增加且其振动振幅达到某种程度以上的大小时(进入非线形区域时)，如图29和图30所示，在谐振特性(例如谐振特性121和131)中显著地出现非线性。例如，在作为静电电容型的MEMS谐振器100的振子101在非线形区域中振动运动的情况下，由于频率扫频方向的差异，其谐振特性具有滞后(123和125)，振动幅度在谐振频率f0处不显示明显的峰。
[0009]根据非专利文献2，这种非线形现象是因两种非线形效应而产生的。第一种非线形效应为，在振子101的振动振幅大的情况下，输入电极102和输出电极103过度地吸引振子101的效应(电容性分岔，Capacitive Bifurcation)，第二种非线形效应为，振子101的刚性随着振子101的振动振幅的增大而增大的效应(机械性分岔，Mechanical Bifurcation)。根据MEMS谐振器100的结构，这两种非线形效应有时仅产生其中一种，有时同时产生。
[0010]图29是具有显著的电容性分岔的情况下的MEMS谐振器100的谐振特性121的例子。在该情况下，谐振特性以倒向左侧(低频侧)的方式弯曲，由于频率扫频方向的差异而示出滞后(箭头123和125)，振动振幅的峰向谐振频率f0的低频侧变化。
[0011]图30是具有显著的机械性分岔的情况下的MEMS谐振器100的谐振特性131的例子。在该情况下，谐振特性以倒向右侧(高频侧)的方式弯曲，由于频率扫频方向的差异而示出滞后(箭头133和135)，振动振幅的峰向谐振频率f0的高频侧变化。
[0012]在先技术文献
[0013]专利文献
[0014]专利文献1：国际公开第2006/075717号
[0015]专利文献2：日本特开平2
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269928号公报
[0016]专利文献3：日本专利第5367925号公报
[0017]非专利文献
[0018]非专利文献1：O.保罗,O.布兰德,R.伦根哈格,H.巴特兹(O.Paul,O.Brand,R.Lenggenhager和H.Baltes),互补金属氧化物半导体微传感器真空测量(Vacuum gauging with complementary metal
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oxide
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semiconductor microsensors),J.Vac.Sci.Technol.A,American Vacuum Society,1995年May/Jun,13(3),p.503
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508.
[0019]非专利文献2：N.阿加瓦尔,K.帕克,R.坎德勒,M.霍普克罗夫特,C.夏,R.梅拉姆德,B.金,B.穆尔曼,T.W.肯尼(N.Agarwal,K.Park,R.Candler,M.Hopcroft,C.Jha,R.Melamud,B.Kim,B.Murmann和T.W.Kenny),用于改善功率处理的MEMS谐振器中的非线性消除(Non
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种谐振型传感器，使用了微机电系统MEMS谐振器，其中，具备：MEMS谐振器；扫频部，沿着规定的扫频方向对所述MEMS谐振器的振子的激励信号的频率进行扫频，并将扫频后的所述激励信号向所述MEMS谐振器输出；检测部，从所述MEMS谐振器取得基于所述激励信号的表示所述振子的振动状态的特征量即振动状态信息信号，并检测所取得的所述振动状态信息信号不连续地变化时的激励信号的频率或者对应于频率的时刻；以及物理量决定部，基于所述检测的检测值来决定作用于所述MEMS谐振器的物理量。2.根据权利要求1所述的谐振型传感器，其中，所述检测部将激励信号的至少2个频率之差作为检测值，所述激励信号的至少2个频率包含在所述扫频中振动状态信息信号不连续地变化时的频率和在所述扫频方向的反方向的扫频中振动状态信息信号不连续地变化时的频率。3.根据权利要求2所述的谐振型传感器，其中，所述扫频部重复以所述扫频中的振动状态信息信号的不连续的变化的检测为起点将扫频切换为反方向并再次以振动状态信息信号的不连续的变化的检测为起点将扫频再次切换为反方向而返回的动作，所述检测部将具有表示所述扫频方向上的正方向和反方向这2个状态的二个值的脉冲信号作为检测值输出，所述物理量决定部基于输出的该检测值即脉冲信号的脉冲时间宽度，决定作用于所述MEMS谐振器的物理量。4.根据权利要求3所述的谐振型传感器，其中，所述MEMS谐振器是静电电容型的MEMS谐振器，振动状态信息信号不连续地变化的2个频率即第一频率和第二频率是比所述振子的谐振频率低的频率。5.根据权利要求1至4中任一项所述的谐振型传感器，其中，所述振子在配置所述振子的空间中，被与作用于所述MEMS谐振器的压力逐渐相等的气体包围，所述物理量决定部基于所述检测值来决定作为所述物理量的所述气体的压力。6.根据权利要求4所述的谐振型传感器，其中，静电电容型的所述MEMS谐振器具备振子、与该振子隔开间隙配置的电极、以及根据作用于静电电容型的所述MEMS谐振器的压力的大小使所述间隙的大小变化的传递部，所述物理量决定部基于所述间隙的大小决定作为所述物理量的压力。7.根据权利要求1至4中任一项所述的谐振型传感器，其中，所述MEMS谐振器是静电电容型的MEMS谐振器，还具备设置于所述MEMS谐振器的温度计，所述MEMS谐振器基于所述温度计取得自身的温度T，所述振子取得接受了红外线的照射时的温度T+ΔT，所述物理量决定部基于由所述温度计测量出的温度和所述检测值来求出温度变化ΔT，并基于求出的所述温度变化ΔT来决定作为所述物理量的红外线功率。
【专利技术属性】
技术研发人员：中村邦彦，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：
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