(57)【要約】【課題】  製造工程が簡単であって製造コストを軽減できる圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置等を提供する。【解決手段】  圧電共振型センサ素子である超音波センサ素子２０は強誘電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層１７を２つの電極１６，１８で挟設してなり所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電共振型センサ素子で構成され、超音波センサ素子２０の測定動作中において、２つの電極１６，１８間に可変直流電圧源３０から所定の直流バイアス電圧を印加して超音波センサ素子２０の共振周波数を変化させる。超音波センサ素子２０からの出力信号の電流を電流増幅アンプ３１により増幅して検出信号として出力し、周波数カウンタ３２は検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号をコンパレータ３３により所望の共振周波数に対応する直流電圧と比較しこれらが実質的に一致するように可変直流電圧源３０の直流バイアス電圧を制御する。【選択図】  図１
2006332991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して振動波を検出して、検出結果の出力信号を出力する圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御装置において、
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するための可変直流電圧源と、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力する電流増幅手段と、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力する周波数計測手段と、
所望の共振周波数を入力する入力手段と、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置。
【請求項２】
上記周波数計測手段と上記制御手段と上記電流増幅手段とはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器により構成されたことを特徴とする請求項１記載の圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置。
【請求項３】
強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して振動波を検出して、検出結果の出力信号を出力する圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御方法において、
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するステップと、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力するステップと、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力するステップと、
所望の共振周波数を入力するステップと、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御するステップとを含むことを特徴とする圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば超音波センサ素子、音波センサ素子又は振動センサ素子である圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、所定の共振周波数を有し超音波を検出可能な圧電共振型センサ素子にてなる複数の超音波センサ素子を所定の２次元形状で並置してなる超音波アレイセンサ装置を用いて、電子走査による物体認識により立体形状の計測画像を得ることが実用化されているが、超音波アレイセンサ装置では、各超音波センサ素子からの出力信号を処理することにより、センサ素子自身は固定したままで電気的に計測方位を走査することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、被測定物体の位置測定を含む物体認識を行うための超音波センサ素子が開示されており、当該超音波センサ素子では、強誘電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサで構成され、超音波センサ素子の測定動作中において、上記２つの電極間に所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子の共振周波数を変化させることを特徴としている。また、複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置において、複数の超音波センサ素子の測定動作中において、各超音波センサ素子の２つの電極間にそれぞれ所定のバイアス電圧を印加することにより、各超音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一致するように変化させることを特徴としている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８１１８２号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フェーズドアレイにより角度走査可能な超音波センサや異常音・異常振動検知センサなどでは、その共振周波数が所望の値に精密に一致している必要があるが、実際にはデバイス作製プロセスの精度の限界により、デバイス作製後にトリミング等の調整を行って共振周波数の調整を行う必要があり、製造工程が複雑になり、製造コストが増大するという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に比較して製造工程が簡単であって、製造コストを軽減できる圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置は、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して振動波を検出して、検出結果の出力信号を出力する圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御装置において、
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するための可変直流電圧源と、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力する電流増幅手段と、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力する周波数計測手段と、
所望の共振周波数を入力する入力手段と、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置において、上記周波数計測手段と上記制御手段と上記電流増幅手段とはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器により構成されたことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御方法は、強誘電体を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して振動波を検出して、検出結果の出力信号を出力する圧電共振型センサ素子の共振周波数を制御するための制御方法において、
上記出力信号に対して所定の直流バイアス電圧を印加するステップと、
上記出力信号の電流を増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力するステップと、
上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号を出力するステップと、
所望の共振周波数を入力するステップと、
上記入力された共振周波数と、上記計測された周波数とを比較し、比較結果に基づいて、上記入力された共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように上記可変直流電圧源の直流バイアス電圧を制御するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
従って、本発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置及び制御方法によれば、素子デバイスの完成後に動的に共振周波数を制御することができるので、素子デバイス作製に非常に高度な精度を要求せず、また完成後のトリミング等の工程が不要になる。これによりデバイス作製工程が簡略化されるとともに不良品率も低下し、トータルコストを大幅に下げることができる。また、当該装置の使用中も動的に共振周波数を制御できるので、経時変化による周波数ずれも自動的に補正することができ、メンテナンスの手間とランニングコストを下げることができる。さらに、単一の素子デバイスでも、使用状況に応じて初期値の特定周波数以外の周波数に逐次変更することができるため、測定の仕様変更があっても同一の素子デバイスを使用し続けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００１２】
第１の実施形態．
図１は本発明に係る第１の実施形態である超音波センサ素子２０の共振周波数の制御装置の構成を示すブロック図であり、図３は第１の実施形態及び後述する第２の実施形態で用いる超音波センサ素子２０の構造を示す縦断面図である。
【００１３】
本実施形態に係る、圧電共振型センサ素子である超音波センサ素子２０は、図３に示すように、強誘電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層１７を２つの電極１６，１８で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電共振型センサ素子で構成され、超音波センサ素子２０の測定動作中において、上記２つの電極１６，１８間に図１の可変直流電圧源３０から所定の直流バイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子２０の共振周波数を変化させる。当該超音波センサ素子２０において、図１に示すように、超音波センサ素子２０からの出力信号の電流を電流増幅アンプ３１により増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として出力し、周波数カウンタ３２は上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号をコンパレータ３３により、可変直流電圧源３４からの設定された所望の共振周波数に対応する直流電圧と比較し、上記所望の共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように可変直流電圧源３０の直流バイアス電圧を制御することを特徴としている。
【００１４】
まず、本実施形態において用いる、超音波センサ素子２０の構造及び製造方法について以下に説明する。超音波センサ素子２０の感音部の薄板構造としては、ダイアフラム（四辺固定）、ブリッジ（二辺固定）又はカンチレバー（一辺固定）の形状が一般によく用いられる。これらの薄板構造は、公知の通り、その材質及び寸法が同じであれば、正方形板においてそれぞれの共振周波数ｆｄ、ｆｂ、ｆｃが次式の関係にある。なお、当該明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数式番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式（１）」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して用いることとする。
【００１５】
［数１］
ｆｄ：ｆｂ：ｆｃ＝３５．９９：２２．３７：３．４９４      （１）
【００１６】
また、同じ形状については共振周波数は一辺の長さの二乗に反比例して低くなる。従って、共振周波数が同じであれば、ダイアフラムよりブリッジ、ブリッジよりカンチレバーの方が小型の超音波センサ素子２０を作製することができ、それだけ限られたチップ面積に多数の超音波センサ素子２０からなる超音波アレイセンサ装置を構成できる。
【００１７】
しかしながら、
（１）シリコンの異方性エッチングを利用したバルクマイクロマシニングによりこれら薄板構造を作る。
（２）圧電層として、良好な圧電性を有するゾルゲル製膜法によるＰＺＴセラミックス薄膜が有効である。
というプロセス上の要求、及び
（３）アレイの一部でも不良部分があると、そのチップ全体の機能が失われるというアレイセンサ（特に合成開口型）の問題点に対処するためには、異方性エッチングが完了したダイアフラム上に、ポストプロセスとしてゾルゲル製膜法により圧電層を製膜するというプロセスが最も作製歩留まりが高いと考えられる。そこで本実施形態に係るプロセスではこの方針で超音波センサ素子２０を作製することとした。
【００１８】
本実施形態に係る超音波センサ素子２０の構造を示す断面図を図３に示す。一辺の長さａ［ｍ］の正方形ダイアフラムの共振周波数ｆｒ［Ｈｚ］は次式により求めることができる。
【００１９】
【数１】
2006332991.tif 000003
【００２０】
ここで、各変数は以下の表に示す通りである。
【００２１】
［表１］
ダイアフラムの共振周波数を決める各変数
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
変数  単位                                意味
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
α              振動モードによる係数。正方形板の最低次ではα≒35.99。
ν              ダイアフラム全体のポアソン比（ここでは、０．３）。
ｔ    [m]       ダイアフラムの全厚。
ｔｉ  [m]        第ｉ層の膜厚。
ρ   [kg/m３]   ダイアフラム全体の体積質量密度。
ρｉ  [kg/m３]   第ｉ層の材料の密度。
Ｅｉ  [Pa]       第ｉ層の材料のヤング率。
ｈｉ   [m]       第ｉ層の高さ。
Ｋ    [Nm]      ダイアフラムの曲げ剛性。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００２２】
ダイアフラムの１辺の長さを０．５ｍｍ又は０．６ｍｍとすると、上記式（２）から図２に示す構造の共振周波数ｆｒを計算すると次式のようになる。
【００２３】
［数２］
ｆｒ＝１４７［ｋＨｚ］，ａ＝０．５［ｍｍ］のとき      （３）
［数３］
ｆｒ＝１０２［ｋＨｚ］，ａ＝０．６［ｍｍ］のとき      （４）
【００２４】
なお、これらの値はすべてバルクでの材料定数であるので、実際に作製した薄膜で構成される圧電共振型センサ素子ではこの値からずれる可能性がある。アレイのサイズは、実際には特定のアプリケーション毎に決まるチップサイズから制限を受ける。ここでは、本実施形態に係るアプリケーションに対して包括的に適用し得るチップサイズとして、ＴＯ−７９型金属パッケージを基準サイズとした。例えば、複数の超音波センサ素子２０を用いてアレイ配置することより、最大で三重リングプラス中心で例えば合計３７個の超音波センサ素子のアレイを構成できる。このような構成にしておけば、たとえ各素子の特性がばらついていても、比較的特性の揃った一群の素子を選ぶことによって、リニアアレイや小規模なリングアレイを構成して特性評価を行うこともできる。
【００２５】
次いで、超音波センサ素子２０の作製プロセスについて以下に説明する。上述のように、薄板構造をダイアフラム構造とし、圧電層としてスピンコートによるゾルゲル製膜法を用いる。このゾルゲル製膜法は、複合金属アルコキシド溶液を加水分解と重縮合等により粘度調整した前駆体溶液を，スピンコートによって製膜し（ゲル膜）、熱処理で結晶化させる製膜プロセスのことである。なお、圧電層の形成は異方性エッチングが完了した後である。上記ゾルゲル製膜法で用いるＰＺＴゾルゲル前駆体溶液の組成を次の表に示す。
【００２６】
［表２］
ＰＺＴゾルゲル前駆体溶液の組成
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
溶媒      ２−メトキシエタノール
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Ｐｂ成分    酢酸鉛３水和物
Ｚｒ成分    Ｚｒノルマルブトキシド
Ｔｉ成分    Ｔｉイソプロポキシド
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ＰＺＴ組成  Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：５２：４８
濃度  Ｐｂ１．１５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３．１５として１５％ｗｔ
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００２７】
（ａ）出発基板として市販のＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を有する半導体チップウエハ１０を用いる。ここで、半導体チップウエハ１０は、裏面に厚さ０．４μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１１を有するＳｉ半導体基板１０上に、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１３を介して厚さ２．２μｍのＳｉ半導体活性層１４が形成されてなる。４インチ基板１枚を２枚にダイシングして用いる。１ウエハ当たり４チップを配置している。
【００２８】
（ｂ）異方性エッチング時のマスク用及び下部電極層１６間の絶縁のために半導体チップウエハ１０の両面を熱酸化する。炉内温度１，０００°Ｃにて、最初Ｏ２を５．０リットル／分のみで５分間ドライ酸化した後、Ｏ２（５．０リットル／分）＋Ｈ２（４．５リットル／分）で９０分ウェット酸化する。絶縁膜層１７の厚さは０．３８〜０．４４μｍで、ＥＰＷ（Ethylenediamine Pyrocatechol Water；エチレンジアミン（強アルカリ性の液体）と、ピロカテコール（粒状のアルコール）と、水との混合液で、シリコンの異方性エッチングに用いるエッチング液である。）による異方性エッチングに十分耐える厚さである。
【００２９】
（ｃ）下部電極層１６としてＰｔ／ＴｉをＲＦスパッタ装置により製膜する。Ａｒガス流量４４ｓｃｃｍでかつ１Ｐａの雰囲気において、まず、Ｔｉを５００Ｗで１分、次に、Ｐｔを２００Ｗで１０分間スパッタリングすることにより、それぞれ膜厚０．０２μｍ及び０．２μｍを得る。フォトレジストによるリフトオフによりパターニングするため製膜時に加熱することはできないが、作製した膜をＸ線回折装置（以下、ＸＲＤ（X-Ray Diffractometer)により評価すると、Ｐｔ（１１１）単一配向でＰＺＴセラミックス薄膜層１７の下部電極層１６として十分良質の薄膜が形成されることを確認している。
【００３０】
（ｄ）異方性エッチング用の窓として裏面の絶縁膜層１１をＢＨＦ（Buffered Hydro-Fluoric acid；緩衝弗酸（弱酸性の液体）、すなわち、弗酸と弗化アンモニウムの混合溶液で、主にシリコン酸化物をエッチングするために用いる。）のエッチング液でエッチングする。この際、裏面の窓のパターンが表面のセンサ用ダイアフラムの下部電極１６の電極パターンと正確に重なるように、両面マスクアライナによりパターン合わせを行う。
【００３１】
（ｅ）異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成する。エッチャントとしてはＥＰＷを用い、１１４°Ｃで８〜１０時間エッチングを行う。半導体チップウエハ１０内の各エッチングホールで、エッチングレートが若干ばらついたが、ＳＯＩ構造のＩ層である絶縁膜層１３でエッチングはほぼ停止するので、最もエッチングレートの遅いエッチホールに合わせてエッチングを行うことにより、ダイアフラム構造を完成した。
【００３２】
（ｆ）ＳＯＩ構造のＩ層である絶縁膜層１３は上述の異方性エッチングの停止層として不可欠であるが、最終的な構造としては内部応力の原因となり得るので、異方性エッチング終了後除去する必要がある。通常の熱酸化膜であるので、ＢＨＦによりエッチングすることで除去する。
【００３３】
（ｇ）ゾルゲル製膜法により圧電層としてＰＺＴセラミックス薄膜層１７を製膜する。圧電層製膜後下部電極のコンタクトホールとしてＰＺＴセラミックスを弗硝酸（ＨＦ：ＨＮＯ３：Ｈ２Ｏ＝１：１：１）でエッチングする。１μｍの厚みのＰＺＴセラミックス薄膜層１７をエッチングするために要する時間は１０〜３０秒で、この際のサイドエッチング量は５〜１０μｍである。
【００３４】
（ｈ）ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の短絡保護及び上部電極層１８の面積制御のための絶縁膜層２５としてフォトレジスト層を形成してパターニングする。フォトレジストの対有機溶媒耐性を上げるために、ポストベイクにて１２０°Ｃから２００°Ｃまで徐々に温度を上げ硬化させる。これによりレジストはアセトンにほとんど溶解しなくなる。
【００３５】
（ｉ）上部電極層１８としてＰｔをＲＦスパッタ装置により製膜する。製膜条件は工程（ｃ）と同じで膜厚０．２μｍである。超音波センサ素子２０の上部電極層１８としては工程（ｈ）のフォトレジスト層で電極形状を形成しているので特にパターニングを必要としない。また、工程（ｈ）での高温のベイクによりレジストの段差部に十分緩やかなテーパが生じるので、上部電極層１８が断線することはない。なお、下部電極層１６のコンタクトホール上のマスキングには耐熱性カプトンテープを使用する。
【００３６】
以上のプロセスで超音波センサ素子２０を作製した後、ウエハ１０をダイシングしチップを分離して、パッケージに固定し各電極層１６，１８に対してボンディング１９により引き出し導線２１，２２を接続した後、それぞれの引き出し導線２１，２２を端子Ｔ１，Ｔ２に接続し、ボンディングしてセンサチップを完成する。
【００３７】
図４は図３の超音波センサ素子２０における共振周波数のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。すなわち、図４は、超音波センサ素子２０の共振点の周波数、すなわち共振周波数の変化を直流バイアス電圧に対してプロットしたものである。図４から明らかなように、二つの山のあるヒステリシスを描くことがわかる。従って、超音波センサ素子２０に印加する直流バイアス電圧を変化することにより共振周波数を調整することができる。すなわち、超音波センサ素子２０の測定動作中において、強誘電体に対してダメージを与えるおそれがあるバイアス電圧を使用せず、上記２つの電極１６，１８間に所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子２０の共振周波数を変化させることができる。
【００３８】
さらに、図１の共振周波数の制御装置の構成について以下に詳述する。
【００３９】
図１において、超音波センサ素子２０の両端子Ｔ１，Ｔ２からの出力信号の電流を比較的小さい入力インピーダンスを有する電流増幅アンプ３１により電流増幅して、電流増幅後の信号を検出信号として端子Ｔ３及び周波数カウンタ３３に出力する。次いで、周波数カウンタ３２は上記検出信号の周波数を計測し、計測された周波数を示す信号をコンパレータ３３の非反転入力端子に出力する。一方、設定すべき所望の共振周波数は、操作者により入力制御装置である周波数設定器３５に入力され、周波数設定器３５は入力された所望の共振周波数に対応する直流電圧が出力するように可変直流電圧源３４を制御する。可変直流電圧源３４からの所望の共振周波数に対応する直流電圧はコンパレータ３３の反転入力端子に入力される。コンパレータ３３は、計測された周波数を、可変直流電圧源３４からの設定された所望の共振周波数に対応する直流電圧と比較し、上記所望の共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するように可変直流電圧源３０の直流バイアス電圧を制御する。
【００４０】
すなわち、当該制御装置の原理は以下の通りである。強誘電体にバイアス電圧を印加するとその分極特性を変化させることができ誘電率を制御することができる。強誘電体の圧電性は分極特性と密接な関係があり、バイアス電圧印加により同様に圧電率も制御することができる。圧電共振型センサ素子の圧電型振動体において、誘電率と圧電率の変化により、電気・機械結合を通して等価的に弾性率を変化させることと同等の効果を得ることができ、機械的振動の共振周波数を変化させることができる。電流出力としてセンサ信号を取り出し、その周波数の値からセンサに印加するバイアス電圧を適切な値にフィードバックすることにより、動的に共振周波数を制御することができる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態に係る制御装置によれば、可変直流電圧源３０から超音波センサ素子２０への直流バイアス電圧の印加により、超音波センサ素子２０の強誘電体の分極状態を制御することにより、超音波センサ素子２０の共振周波数を動的に制御することができる。共振周波数はセンサ出力信号波形から計測できるので、所望の共振周波数とのずれを補正するための直流バイアス電圧を超音波センサ素子２０に印加することにより共振周波数を制御する。ここで、センサ出力信号は電流増幅アンプ３１により電流増幅するので、バイアス電圧印加の影響を受けずに出力信号を取り出すことができる。
【００４２】
本実施形態の具体例としては、以下が考えられる。厳密に共振周波数の一致が必要とされるフェーズドアレイ型の超音波センサ素子において、全素子の共振周波数を同一の一定値に保つことに利用する。異常音・異常振動検知センサ素子において、検知すべき特定音・特定振動の周波数にあわせるために使用するとともに、さらに検知周波数を順次変えることにより単一素子でスペクトル分析を行う。振動型加速度センサ・ジャイロにおいて、振動の周波数を高精度に制御する。
【００４３】
従って、本実施形態に係る超音波センサ素子２０の共振周波数の制御装置及び制御方法によれば、素子デバイスの完成後に動的に共振周波数を制御することができるので、素子デバイス作製に非常に高度な精度を要求せず、また完成後のトリミング等の工程が不要になる。これによりデバイス作製工程が簡略化されるとともに不良品率も低下し、トータルコストを大幅に下げることができる。また、当該装置の使用中も動的に共振周波数を制御できるので、経時変化による周波数ずれも自動的に補正することができ、メンテナンスの手間とランニングコストを下げることができる。さらに、単一の素子デバイスでも、使用状況に応じて初期値の特定周波数以外の周波数に逐次変更することができるため、測定の仕様変更があっても同一の素子デバイスを使用し続けることができる。
【００４４】
第２の実施形態．
図２は本発明に係る第２の実施形態である超音波センサ素子２０の共振周波数の制御装置の構成を示すブロック図である。第２の実施形態に係る超音波センサ素子２０のための共振周波数の制御装置は、図１の周波数カウンタ３２と、コンパレータ３３と、可変直流電圧源３４と、可変直流電圧源３０とを、データ入力装置５０を備えたＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）４０、Ａ／Ｄ変換器３６及びＤ／Ａ変換器３７により構成したことを特徴としております。以下、第１の実施形態との相違点について詳述する。
【００４５】
図２において、電流増幅アンプ３１からの検出信号は、Ａ／Ｄ変換器３６によりディジタル検出信号にＡ／Ｄ変換された後、入出力インターフェース４４を介してＦＰＧＡ４０に入力される。ＦＰＧＡ４０は、中央演算装置であるコントローラのＣＰＵ４１と、ＦＰＧＡ４０において実行するソフトウェアのプログラム及びデータを記憶するとともにワーキングメモリとして動作するＲＡＭ４２と、データ入力装置５０に接続された入力インターフェース４３と、Ａ／Ｄ変換器３６及びＤ／Ａ変換器３７が接続された入出力インターフェース４４とがバス４５を介して構成されてなる。ここで、ＦＰＧＡ４０に格納されるソフトウェアプログラムは、少なくとも周波数カウンタ３２と、コンパレータ３３と、可変直流電圧源３４の機能を有する。操作者が設定したい所望の共振周波数は予めデータ入力装置５０を用いて入力され、そのデータは入力インターフェース４３を介してＣＰＵ４２に入力され、さらにＲＡＭ４２に一時的に記憶される。ＣＰＵ４１は、Ａ／Ｄ変換器３６から入出力インターフェース４４を介して入力される検出信号の周波数を計測し、計測された周波数と、予め入力された所望の共振周波数とを比較し、上記所望の共振周波数と上記計測された周波数とが実質的に一致するような直流バイアス電圧を計算して、それを示すディジタル電圧信号を入出力インターフェース４４を介してＤ／Ａ変換器３７に出力する。Ｄ／Ａ変換器３７は入力されるディジタル電圧信号をアナログ直流電圧にＤ／Ａ変換した後、超音波センサ素子２０の両端子Ｔ１，Ｔ２に印加する。
【００４６】
以上のように構成された第２の実施形態に係る制御装置では、第１の実施形態に係る制御装置と同様に、超音波センサ素子２０の共振周波数を所望の共振周波数に動的に設定することができ、すなわち、第１の実施形態と同様の作用効果を有する。
【００４７】
変形例．
以上の実施形態においては、圧電共振型センサ素子の一例として、超音波センサ素子２０について説明しているが、本発明はこれに限らず、圧電共振型センサ素子を用いた、音波センサ素子、機械振動検出センサ素子などであってもよい。
【００４８】
以上の実施形態においては、圧電共振型センサ素子のための強誘電体として、ＰＺＴセラミックスを用いたが、本発明はこれに限らず、チタン酸バリウム又はチタン酸鉛などのセラミックス、もしくはポリ弗化ビニリデンなどの高分子材料を用いてもよい。
【００４９】
以上の実施形態においては、２つの電極１６，１８で挟設された強誘電体にてなる圧電共振型センサ素子を用いて強誘電体に対して縦方向（厚さ方向）の電界が印加されるようにしているが、本発明はこれに限らず、強誘電体上に所定の間隔をおいて形成された２つの電極にバイアス電圧又はポーリング電圧を印加することにより、強誘電体に対して横方向（平行平板方向）の電界が印加するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上詳述したように、本発明に係る圧電共振型センサ素子の共振周波数の制御装置及び制御方法によれば、素子デバイスの完成後に動的に共振周波数を制御することができるので、素子デバイス作製に非常に高度な精度を要求せず、また完成後のトリミング等の工程が不要になる。これによりデバイス作製工程が簡略化されるとともに不良品率も低下し、トータルコストを大幅に下げることができる。また、当該装置の使用中も動的に共振周波数を制御できるので、経時変化による周波数ずれも自動的に補正することができ、メンテナンスの手間とランニングコストを下げることができる。さらに、単一の素子デバイスでも、使用状況に応じて初期値の特定周波数以外の周波数に逐次変更することができるため、測定の仕様変更があっても同一の素子デバイスを使用し続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態である超音波センサ素子２０の共振周波数の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る第２の実施形態である超音波センサ素子２０の共振周波数の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】第１及び第２の実施形態で用いる超音波センサ素子２０の構造を示す縦断面図である。
【図４】図３の超音波センサ素子２０における共振周波数のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０…半導体チップウエハ、
１１…半導体基板、
１２，１３，１５，２５…絶縁膜層、
１４…半導体活性層、
１６，１８…電極層、
１７…ＰＺＴセラミックス薄膜層
１９…ボンディング、
２０…超音波センサ素子、
２１，２２…引き出し導線、
３０，３４…可変直流電圧源、
３１…電流増幅アンプ、
３２…周波数カウンタ、
３３…コンパレータ、
３５…周波数設定器、
３６…Ａ／Ｄ変換器、
３７…Ｄ／Ａ変換器、
４０…ＦＰＧＡ、
４１…ＣＰＵ、
４２…ＲＡＭ、
４３…入力インターフェース、
４４…入出力インターフェース、
４５…バス、
５０…データ入力装置、
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３…端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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