(57)【要約】【課題】振動や移動を伴う可動部を有する電気機械素子において問題となる熱雑音の影響を抑制することを目的とする。【解決手段】振動又は移動が可能な可動部1を有する電気機械素子11,12,・・が2以上設けられ、これら2以上の電気機械素子11,12,・・において、可動部1の変位により変化する検出量がそれぞれ検出され、2以上の電気機械素子11,12,・・における各検出量から、目的とする検出量を演算する演算部20を設ける。各検出量の平均値又は相互相関関数を求めることにより、熱雑音による影響を抑制できる。【選択図】図１
2008045936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動又は移動が可能な可動部を有する電気機械素子が２以上設けられ、
前記２以上の電気機械素子において、前記可動部の変位により変化する検出量がそれぞれ検出され、
前記２以上の電気機械素子における各検出信号から、目的とする検出量を演算する演算部が設けられて成る
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記演算部において、前記２以上の電気機械素子からの検出信号の平均値が演算されることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項３】
前記演算部において、前記２以上の電気機械素子からの検出信号の相互相関関数が演算され、該相互相関関数から算出される遅延時間を利用して、前記２以上の電気機械素子からの検出信号の平均値が演算されることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項４】
前記電気機械素子が加速度センサを構成することを請求項１記載の検出装置。
【請求項５】
少なくとも一部の前記電気機械素子に、前記可動部を温度制御する温度制御部が設けられて成ることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体等の可動部を備える電気機械素子により検出を行う検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板上の微細化製造技術の進展に伴い、電気機械素子、いわゆるマイクロマシン（超小型電気的・機械的複合体：Micro Electro Mechanical Systems、ＭＥＭＳ）や、このＭＥＭＳを組み込んだ小型機器等が注目されている。ＭＥＭＳは、振動子や回転子等の可動部と、その可動部の駆動を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。そして可動部が素子の一部に組み込まれており、その可動部の駆動を電磁力や電極間のクーロン引力等を応用して電気的に行うようにしている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳのうち、特に半導体プロセスを用いて形成されたものは、デバイスの占有面積が小さいこと、他の半導体デバイスとのインテグレーション（統合）が可能であること等の利点を有する。このため、ＭＥＭＳは小型のセンサやディスプレー用デバイスを実現する上で注目されている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】G. J. Stein, “Some Recent Development in Acceleration Sensors”, Measurement Science Review, Measurement of Physical Quantities, Volume 1, No.1, 2001, pp183-186
【非特許文献２】Ville Kaajakari, “Noise in microelectromechanicalsystems”, [online], [平成18年7月7日検索], <URL： http://www.kaajakari.net/%7Eville/research/tutorials/mech_noise_tutorial.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したようなＭＥＭＳは構造が小型であるため、空気などの周辺雰囲気からの分子衝突などによるわずかなエネルギーの授受により、ＭＥＭＳを構成する機械構造が振動し、熱雑音となってしまうという問題がある。特に、小型化が進んでＭＥＭＳの精度や感度等の特性を高めていくと、この熱雑音によって例えばセンサの測定信号や、或いは変調装置として用いる場合は変調特性に無視できない影響を与える恐れがある。
【０００６】
例えばＭＥＭＳ型の加速度センサにおける熱雑音については、
＜ａｎ＞＝√｛（４×ｋ×Ｔ×ω０）／（ｍ×Ｑ）｝    ・・・（１）
と表される（例えば非特許文献２参照）。ここで、＜ａｎ＞は熱雑音の平均二乗根、ｋは可動部が振動子である場合のばね定数、Ｔは絶対温度、ω０はセンサの固有振動数である。
典型的なＭＥＭＳ加速度センサにおいては、この熱雑音は１ｍＧ／√Ｈｚ程度となる。これは、例えば振動スペクトルを１Ｈｚ分解能でとると１ｍＧの熱雑音がのるという意味である。つまり、更に信号強度を得るため、或いは周波数帯域を確保するため例えば１０ｋＨｚの帯域を確保した場合は１００ｍＧの熱雑音がのることとなる。
一般的なＭＥＭＳ加速度センサの測定可能レンジは現状では２Ｇ程度であり、１００ｍＧの熱雑音はこの５％となり、測定の種類によっては無視できない量となる恐れがある。
【０００７】
以上の問題に鑑みて、本発明は、振動や移動を伴う可動部を有する電気機械素子において問題となる熱雑音の影響を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、振動又は移動が可能な可動部を有する電気機械素子が２以上設けられ、これら２以上の電気機械素子において、可動部の変位により変化する検出量がそれぞれ検出され、２以上の電気機械素子における各検出信号から、目的とする検出量を演算する演算部を設ける構成とする。
【０００９】
また、本発明は、上述の検出装置において、演算部において、２以上の電気機械素子からの検出信号の平均値が演算される構成とする。
更に、本発明は、上述の検出装置において、演算部において、２以上の電気機械素子からの検出信号の相互相関関数が演算され、この相互相関関数から算出される遅延時間を利用して、２以上の電気機械素子からの検出信号の平均値が演算される構成とする。
【００１０】
上述したように、本発明の検出装置においては、振動又は移動が可能な可動部を有し、この可動部の変位により変化する検出量、例えば加速度、流量、圧力等を検出する電気機械素子を２以上設ける構成とする。ここで振動又は移動が可能な可動部としては、振動体や回転体など、また振動や回転等の周期運動に限らず各種の移動態様とされる移動体を含むものである。本発明においては、このように可動部の変位により変化する検出量を検出する電気機械素子を２以上設けるものであり、これら２以上の電気機械素子から検出した検出信号から例えば平均値又は相互相関関数を求めて最終的な検出量を求めるものである。すなわち、このように平均値や相互相関関数を求めることによって、個々の電気機械素子の可動部における熱雑音を低減化し、熱雑音の影響を抑制することができることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、振動や移動を伴う可動部を有する電気機械素子において問題となる熱雑音の影響を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態例による電気機械素子を用いた検出装置の一例の概略斜視構成図である。この例においては、可動部として振動体を有して成り、この振動体より成る可動部と電極との間の電圧変化を検知して加速度を検出する加速度検出用の検出装置に適用した場合を示す。
【００１３】
図１に示すように、この検出装置１００には、可動部1及び下部電極２を有する２以上の電気機械素子、図示の例ではm×n個の電気機械素子１１、１２、‥、ｍｎが設けられて成る。各電気機械素子１１、１２、‥、ｍｎの各可動部１と下部電極２との間にはそれぞれ交流電源３及び抵抗４が直列に接続され、抵抗４の両端の電圧を測定する交流電圧測定部５が設けられる。図２は、1つの電気機械素子１０の概略斜視構成図である。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。加速度が加えられて可動部１が振動すると下部電極２と可動部１との間隔が変動して容量が変化し、これに対応して交流電圧値が変化する。したがって、交流電圧の変化量を測定することによって、いわば可動部１の変位によって変化する検出量をこの場合は電気的に検出することができ、これにより加速度が検出される。
【００１４】
そしてこの実施形態例においては、図1に示すように、それぞれの電気機械素子１１、１２、‥、ｍｎから検出された検出信号Ｓ１１、Ｓ１２、‥Ｓｍｎを演算部２０に入力し、演算部２０においてこれらの検出信号の平均値、もしくは相互相関関数が求められる構成とする。
平均値又は相互相関関数を求めることによって、電気機械素子個々の可動部の受ける熱雑音を抑制ないしは除去することができ、これによって、求める検出量における熱雑音の影響を抑制することができる。
【００１５】
一例として、本発明の検出装置において、加速度センサ型の電気機械素子を３つ設けてこれらの電気機械素子から検出された信号の相互相関関数を算出する解析を行った一例について説明する。
図３Ａ〜Ｃに示すように、例えば３つの電気機械素子のうち第1の電気機械素子を基準として他の２つの電気機械素子、例えば第２及び第３の電気機械素子がそれぞれτ１、τ２の遅延時間をもって信号が検出されると考える。
なお、検出する振動等の検出値の大きさや精度にもよるが、基板上に形成された各電気機械素子に対してほぼ同時に振動が検出される場合、すなわち時定数が同じである場合は各電気機械素子の検出信号の平均値を求めればよい。しかしながら、極短い時間領域、特に熱雑音の影響が問題となる高周波数帯域での検出を求める場合、すなわち遅延時間が検出精度に影響を及ぼす場合においては、このように各電気機械素子に対してそれぞれ生じている遅延時間を考慮して信号を算出することが望ましい。
一方、これら第１〜第３の電気機械素子には図３Ｄ〜Fに示すようにそれぞれ熱雑音が発生しており、検出されるトータルの信号ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）、ｆ３（ｔ）は図３Ｇ〜Ｉに示すような信号波形となる。ここで、これらの相互相関関数は下記の数1により求められる。
【００１６】
【数１】
2008045936.tif 000003
【００１７】
上記数1により求めた相互相関関数を図４に示す。この場合τ１、τ２を変数とする平面座標上に関数が立体的に表される。破線Ｐ１で囲む領域にピークが見られることがわかる。図５は、τ１−τ２平面上の数値の強度を濃淡で示した模式図である。破線Ｐ２で囲む領域にピークが存在する。このピークの最大値の座標からτ１ｍ、τ２ｍが求まる。
したがって、ｆ１（ｔ）に対してｆ２（ｔ）及びｆ３（ｔ）にそれぞれτ１ｍ、τ２ｍの遅延時間分進ませてその和もしくは平均値をとることにより、熱雑音を抑制した波形が得られ、この波形から熱雑音の影響が除かれた検出信号を取り出すことができる。
【００１８】
図６は、これらの和、すなわち
［ｆ１（ｔ）＋ｆ２（ｔ＋τ１ｍ）＋ｆ３（ｔ＋τ２ｍ）］
を示す。熱雑音の影響を緩和できていることが分かる。
【００１９】
なお、以上説明した例においては３つの電気機械素子を用いて相互相関関数を求めた結果を示すが、４個以上の例えば１０個、２０個と多数化することによって、更に熱雑音の影響を抑制することができる。例えばｎ個の検出量の相互相関関数を求める場合は、熱雑音の影響を√ｎ倍抑制する効果が得られる。
【００２０】
以上説明した複数の加速度検出用の電気機械素子が配置された検出装置は、ＭＥＭＳ半導体製造プロセス技術を用いて容易にシリコンウェーハ等の基体上に、各素子間の距離を精度良く、かつ各素子の特性が均一となるように集積して製造することが可能である。
【００２１】
このような複数の加速度センサ型の電気機械素子を用いて、上述したように平均値や相互相関関数を求めることによって熱雑音の影響を抑制することができるとともに、例えば振動や音波の発生方向を特定することが可能である。
次に、このような振動や音波の発生源、すなわち振動源を検出する場合に本発明の検出装置を適用した実施形態例について説明する。
前述したように、検出装置においてはこれらの電気機械素子が小型になるほど熱雑音の影響を受けやすくなり、センサとしてのダイナミックレンジが低下する。熱雑音の影響を低減する方法としては、個別の振動センサに搭載される振動子すなわち可動部の剛性を増加することが考えられるが、単に剛性を増加しただけでは、センサとしての感度が制限されてしまう恐れがある。
【００２２】
図７にこの実施形態例に係る検出装置の一例の概略斜視構成図を示す。図７において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、複数の電気機械素子１１、１２、‥、ｍｎを共通に基体３０上に一体的に設けると共に、この基体３０を支持体４０上に接着等により密着させる。各電気機械素子１１、１２、‥、ｍｎからの検出信号Ｓ１１、Ｓ１２、‥Ｓ１ｎ、‥、Ｓｎｍがそれぞれ演算部２０に入力される。ここで支持体４０としては例えば亀裂などによる振動の発生が予想される材料とし得る。この場合、亀裂などにより発生した振動は支持体４０中を音速程度の速度で伝搬し、振動発生源４１からの距離に比例した遅延をもって各電気機械素子に到達する。
【００２３】
通常はこの遅延から振動発生源４１を特定することができるが、例えば亀裂が小さく振動発生の強度も小さい場合においては信号量が微小であることから、可動部への周辺空気分子の衝突などにより生じる熱雑音の影響を受けてその位置を特定できるだけの信号強度を確保できない恐れがある。
これに対し本発明の実施形態例においては、複数の電気機械素子からの検出信号、この場合加速度信号Ｓ１１、Ｓ１２、‥、Ｓｍｎに対して下記の数２で示すように、相互相関関数を求める演算を演算部２０において行う。なお、下記の数２においては、各信号を時間の関数としてｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）、‥、ｆｉ（ｔ）として示す。
【００２４】
【数２】
2008045936.tif 000004
【００２５】
この演算の結果は単一の振動源から振動が発生した場合、下記の条件を満たすとき最大となる。すなわち、図８Ａに示すように、任意の二つの可動部１と振動発生源４１との間の距離をＬｉ及びＬｊ、支持体４０内の振動波の伝搬速度をＳとしたときに、図８Ｂ及びＣにそれぞれ一例を示す各可動部１からの出力信号ｆｉ（ｔ）、ｆｊ（ｔ）に対して、時間遅延τｉ、τｊが
（τｉ−τｊ）Ｓ＝Ｌｉ−Ｌｊ
を満たす条件のときである。この性質を利用して、少なくとも３つ以上の電気機械素子を用いて信号を検出することにより振動発生源の特定が可能となる。
【００２６】
また、２つの電気機械素子の検出信号に対して上記数２に示す演算を行うとともに、異なる組み合わせの２つの可動部についても同様の計算を行うことにより、振動発生源４１を特定することも可能である。
またこの場合においても上記数２に示す演算を行って相互相関関数を求めることにより、各電気機械素子から発生する相互に無相関な熱雑音の影響を低減することが可能となる。
なお、上記数２に示す演算の積分時間、すなわち必要な測定値を計測するための演算時間は、想定される遅延時間の倍以上を取れば十分である。
【００２７】
更に、本発明においては複数の電気機械素子を設けることから、例えば電気機械素子が加速度センサを構成する場合は、各電気機械素子の検出信号の面内の正負分布、すなわち加速度の方向の分布から、直線方向のみではなく回転方向の加速度を検出することも可能である。
【００２８】
また、本発明による検出装置は、電気機械素子の熱雑音を抑制することが目的であることから、冷却又は温度上昇の抑制等の温度調整効果を得るために、温度調整部を設ける構成としてもよい。
図９にこの場合の電気機械素子の一例の要部の概略断面構成図を示す。なお、本発明の検出装置においては、この図９に示す電気機械素子が複数個基体上に並置されるものである。
図９に示す例においては、例えばシリコンウェーハ等より成る基体５０の上にＳｉ０２等より成る下地層５１、支持部５２及び下地層５３が形成されて中空構造５４Ｓが構成され、これにより断熱構造部５４が構成される例を示す。下部電極５５、可動部５８及びその支持部５６は、中空構造５４Ｓの上面を構成する下地層５３の上に形成される。そしてこの例においては、可動部５８の下面側に熱線反射部５７、上面側に黒体部５９が形成されて、この黒体部５９に対向して、例えばペルチェ素子等より成る冷却部６１が、図示しない支持部に支持されて配置される。
すなわちこの場合、温度制御部６２として、冷却部６１を可動部５８の上面、すなわち可動部５８の移動方向（振動方向）と直交する面に対向するように設ける場合を示し、黒体部５９を冷却部６１に対向するように可動部５８の上面側に設ける。このような構成とすることによって、可動部５８の温度上昇を効果的に抑制することができる。また熱線反射部５７を可動部５８の下面側すなわち下部電極５５と対向する面側に設けることによって、同様に可動部５８の温度上昇を抑制することが可能である。
【００２９】
装置の小型化、微細化が進むと振動体等の可動部のサイズも微細化される。通常の大きさの装置と比較すると微細化された素子は熱伝導性が相対的に高く、可動部のみを局所的に冷却することは極めて難しい。したがって、上述のような断熱構造部５４を設けることによって効率よく可動部５８の排熱、冷却を行うことが可能となる。したがって、小型の電気機械素子であるほどこのような断熱構造部を設けることが望ましいといえる。また、同じ基体５０上に例えば駆動回路（ドライバ）を設ける場合、この駆動回路からの発熱による熱伝達を抑えることも可能である。例えば複数の電気機械素子のうち、駆動回路の近傍の電気機械素子のみにこのような温度制御部を設ける構成としてもよい。
【００３０】
なお、温度制御部としては、その他中空構造内を真空構造とするなど、各種の構成を採用することができる。
また、可動部を高温に保持するための断熱構造部を設けることにより、全体として熱雑音の影響を抑制する構成とすることも可能である。
【００３１】
以上説明したように、本発明の検出装置によれば、ＭＥＭＳによるセンサ素子を用いる場合の熱雑音の影響を低減することが可能となる。
特に、各電気機械素子の検出信号の遅延時間が検出精度に影響を及ぼす場合においては、相互相関関数から遅延時間を算出し、これを利用して検出信号を得ることによって、熱雑音の影響を抑制した検出信号を精度良く得ることができる。
【００３２】
また更に、少なくとも一部の電気機械素子に、上述したような温度制御部、例えば冷却部、黒体部、熱線反射部、断熱構造部を設けることによって、より熱雑音の影響を抑制して検出信号を得ることが可能となる。
【００３３】
なお、本発明の検出装置に用いる電気機械素子は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他各種のセンサ素子を適用することが可能である。更に、本発明の検出装置はその他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態例に係る検出装置の一例の概略斜視構成図である。
【図２】本発明の実施形態例に係る電気機械素子の一例の概略者斜視構成図である。
【図３】Ａ〜Ｃは信号量の一例の波形図である。Ｄ〜Ｆは熱雑音の一例の波形図である。Ｇ〜Ｉは検出信号の一例の波形図である。
【図４】相互相関関数の解析例を示す図である。
【図５】相互相関関数の解析例を示す図である。
【図６】信号量の相互相関関数を利用した平均値の一例の波形図である。
【図７】本発明の実施形態例に係る検出装置の一例の概略斜視構成図である。
【図８】Ａは本発明の実施形態例に係る検出装置の一例における振動伝搬の説明図である。Ｂ及びＣは本発明の実施形態例に係る検出装置の一例における検出量の時間変化を示す図である。
【図９】本発明の実施形態例に係る検出装置の一例の要部の概略断面構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１．可動部、２．下部電極、３．交流電源、４．抵抗、５．交流電圧測定部、１０．電気機械素子、２０．演算部、３０．基体、４０．支持体、４１．振動発生源、５０．基体、５１．下地層、５２．支持部、５３．下地層、５４．断熱構造部、５４Ｓ．中空構造部、５５．下部電極、５６．支持部、５７．熱線反射部、５８．可動部、５９．黒体部、６０．空間、６１．冷却部、６２．温度制御部、７０．電気機械素子、１００．検出装置
【図１】
2008045936.tif 000005
【図２】
2008045936.tif 000006
【図３】
2008045936.tif 000007
【図６】
2008045936.tif 000008
【図７】
2008045936.tif 000009
【図８】
2008045936.tif 000010
【図９】
2008045936.tif 000011
【図４】
2008045936.tif 000012
【図５】
2008045936.tif 000013