JPH07509781A - 自励式光学歪みゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 自励式光学歪みゲージ 技術分野 本発明は、基板内の歪みを検出する光学センサに関する。

従来の技術 光学歪みゲージ、特に圧力変換器に用いられる光学歪みゲージは、従来からよく 知られている。１９９２年４月７日にＨｏｃｋａｄａｙ氏らに付与された米国特 許５．１０１．６４４号「光学圧力変換器」には小型のシリコン圧力変換器が開 示されている。この圧力変換器では、それぞれ１枚のシリコンウェハで構成され ている単一振動ブリッジ（ｓｉｎｇｌｅ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ） 及び圧力応答ダイアフラムが用いられている。初期ウェハは、シリコンの単一ス トランドが得られるようにエツチング及びレーザ加工によって微細加工され、そ の各端部はブロックや他の支持部によって支持される。なお、これらのブロック や他の支持部も、初期シリコンウェハからカットされたものである。

ダイアフラム、支持部、及びブリッジを、材質がそれぞれ共通している単一スラ ブによって形成することで、Ｈｏｃｋａｄａｙ氏らによる圧力変換器は事実上温 度変化による歪みをなくしている。これは単体構造としたことで熱膨張係数がど こでも同じとなっていることによる。

Ｈｏｃｋａｄａｙ式構造におけるブリッジにより発生する歪み度は、光線によっ てブリッジ構造を励起することで測定される。なお、この光線の強度は、ブリッ ジの基準固有周波数と歪みによる周波数変動とを加えたものに等しい周波数でパ ルスとされている。光学デバイスは、）ｌｏｃｋａｄａｙ氏の特許ではより詳細 に説明されているが、干渉計により測定される反射光を通じてブリッジの振動周 波数をモニタし、また、ブリッジのすべての周波数が決定されるまで照射光のパ ルス周波数を変動させる。

ブリッジの歪み量は、ブリッジの弾性係数、幾何的係数、縦弾性係数の関数とな っており、これらは順次容易にダイアフラム表面での歪みに変換され得るもので ある。従来技術に係るデバイスによれば、このように、温度に影響されず効率的 で簡素な歪み測定用の変換器が提供される。しかし、ブリッジの共振周波数の現 在値を測定するためには、ブリッジの測定された周波数を変換（ｉｎｔｅｒｐｒ ｅｔ）でき、かつパルスビームの駆動周波数を変動させることのできる、比較的 複雑な測定システムが必要である。

本発明の概要 本発明によれば、温度による歪みに強い自励式光学歪みセンサが提供される。こ のセンサは、実質的に平面となっている基板上に支持された一対の平行なブリッ ジエレメントと、基板と、支持部材と、ブリッジエレメントとを有するとともに 、これらのすべては、均一にドーピングされた単一のシリコンウェハからカット して得られたものである。

本発明に係るセンサは＜１１０＞結晶構造を有するシリコンから形成されるもの である。この場合、平行なブリッジの各対向壁面は、これらの壁面が必ず＜１１ ０＞結晶面と同一系（ｓａｍｅ　ｆａｍｉｌｙ）となるように位置することとな るので、実質的に共に平行となるように形成される。

本発明に係るセンサは、一方のブリッジから入射される変調されていない光線で 駆動され、この光線は互いに平行である対向するブリッジ壁面によって形成され るファプリー・ペロキャビティ内に入射する。上記対向する壁面の間隔を初期配 置において適切なものとすることで、無変調の光線を供給すると、このキャビテ ィ内で光の強度が強められるようになる。

このように光学強度が強められることで、平行なブリッジエレメント内部での横 断面の温度勾配が生じ、ブリッジエレメントが横方向にずれる。この横方向のず れによって、キャビティ間の距離は光エネルギが強められるように調整された距 離からずれる（”ｄｅｔｕｎｅｓ″）ので、キャビティ内での光強度は減少する 。

キャビティにおける光強度が減少するにつれて、ブリッジの温度勾配も消滅して いき、これによりブリッジ間の距離はもとに戻り、従ってこのサイクルの繰り返 しが可能な状態になる。これらブリッジとキャビティ内の光の強度は、このよう にブリッジの固有周波数、従ってブリッジに加えられている応力、に応じた周波 数で振動（ＯＣｃｉｌａｔｅ）する。

上述したように、本発明に係るセンサ及びその一体化した支持部材及び基板は、 均一にドーピングされた単一のシリコン基板がらカットされており、従って熱膨 張係数が異なることはない。本発明に係るセンサの他の利点は、センサの駆動及 びモニタに用いられる装置が簡素な点である。このセンサは自励式であるという 特性を有するので、特に変調されていない光源を駆動源とすることができ、更に 、振動の測定装置は、キャビティから透過または反射された光線における周期的 な強度の変動を単に検出するだけのものでよい。

このセンサは、このように純粋な光学圧力センサ内での使用に適しており、この 場合はシリコン基板が圧力ダイアフラムを構成する。

このような圧力センサは電気的に不活性（ｐａｓｓｉｖｅ）であり、サイズも小 さく、非常に広い温度範囲で動作可能であるうえ精度や較正が悪くなることもな い。本発明に係る歪みセンサが適用可能な用途（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎｓ）としては、加速モニタ、温度モニタ、または他のデバイスが 挙げられ、それぞれ上述したものと同じ駆動及びモニタ装置を用いることができ る。

図面の簡単な説明 図１に従来技術に係るシングルブリッジセンサの構造を示す。

図２に本発明に係る二重平行ブリッジ構造を示す。

図３にファプリー・ベロキャビティ及び反射／通過光線路の概略図を示す。

実施例 図面を参照し、ここでは特に図１を参照し、従来技術に係る、シングルブリッジ 歪みゲージ１０を示す。これは上述したＨｏｃｋａｄａｙ氏らの特許により詳細 に示されている。このシングルブリッジは、化学エツチング及びレーザエツチン グ技術によってカットされた単一のシリコンで形成されており、シングルブリッ ジ１２は第１及び第２端面支持部材１４．１６の間に形成されて基板１８の上方 に架は渡されるようにカットされている。この説明の背景として、基板１８支持 部材１４．１６及びブリッジ１２は、均質にドーピングされた結晶化シリコンウ ェハからカットされて実質的に一枚岩の構造となっていることが留意すべき点で ある。これらの物性は、このようにすみずみまで同一構造となっており、図１の 構造において熱膨張率に差がでることは全くなく、従って、上記したどのエレメ ントの間でも残留応力や熱応力が課されることはない。

図２に本発明に係る二重平行ブリッジ構造２０を示す。平行なブリッジ２２．２ ４は支持部材２６．２８間に形成され、これら支持部材はブリッジ２２．２４を 一体化した基板３０の上方に支持する。

これらブリッジ２２．２４及び支持部材２６．２８は種々の方法により形成して よく、Ｈｏｃｋａｄａｙ氏らの特許に記述されているレーザ化学エツチングプロ セスや、他の種々の微細加工技術によって形成してもよい。

個々のブリッジ２２．２４は、個々のブリッジの幾何形状［即ち横断面の慣性モ ーメントや長さ］、物性（即ち弾性係数）、及びブリッジエレメント２２．２４ に残留または加えられている縦応力（即ち回復力）に依存する固有共振周波数を 有する。

ブリッジの幾何形状や物性が実質的に一定に保たれているので、支持部材２６． ２８により課される縦応力は、基板３０の変形（ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）の結 果として、個々のブリッジ２２．２４の固有共振周波数を有する振動となる。

ブリッジ２２．２４の瞬間（１ｎｓｔａｎｔ）固有共振周波数は図３に概略が示 される光学装置を用いて検出される。図３はブリッジ２２．２４における支持部 材２６．２８の中間点における横断面図である。

各ブリッジ２２．２４の平行な対向面３２．３４は、図示されるようにファプリ ー・ペロキャビティ３６を形成する。表面３２．３４の距離は、センサを駆動す る光線の波長をもとにして、構造的に製造可能となる長さに定められる。このよ うにして、はぼ１０（μｍ）、つまり概算で１０〜２０波長分の長さが好適であ ると信じられる。

ファプリー・ベロキャビティ３６は供給された光線３８によってエネルギが与え られ、例えば、ブリッジ２２の外表面４２に向かって設けられた光フアイバーケ ーブル４０によってエネルギが与えられる。光線３８は、強度は変調されておら ず、ブリッジ２２によって一部は反射光４４となり、一部は透過光４６となる。

通常のシリコンウェハから形成されている本発明に係る歪みゲージの表面反射率 は３０％程度である。従って、入射光３８の光エネルギの４９％はキャビティ３ ６に入り、すると第２ブリツジエレメント２４によって一部は反射光４８となり 、一部は透過光５０となる。

ファプリー・ベロキャビティ３６がない場合、光線３８の光エネルギの約２４％ が第２ブリツジエレメント２４の対向面５２の外側へ抜ける。しかし、ファプリ ー・ベロキャビティ３６は、キャビティ３６内の反射光及び再反射光５４をつぎ つぎと重ね合わせることによって光の強度を高める。この強度、従ってエネルギ は、キャビティ３６で強められ、各ブリッジエレメント２２．２４の横断面熱勾 配が生じる。この勾配はエレメント２２．２４を横方向に変形させ、対向面３２ ．３４間の距離５６を変える。

表面３２．３４間の距離５６が変わることによって、キャビティ３６におけるキ ャビティ間の距離は光エネルギが強められるように調整された距離からずれる（ ｄｅｔｕｎｅｄ）。つまり、キャビティ３６では反射光５６を重ね合わせること ができなくなり、これによりキャビティ３６内の光の強度は落ち込み、その結果 温度勾配は消滅する。

ブリッジエレメント２２．２４はこのようにして元の距離に戻り、従ってキャビ ティ３６内の光の強度が高められるようになり、その結果ブリッジエレメント２ ２．２４は横方向の変形及び回復が周期的に繰り返されるようになる。

ブリッジエレメント２２．２４は、このようにして、特に変調されてない光線３ ８をかけるだけで、瞬間固有周波数またはそれに近い周波数で振動するようにな り、これにより上記のような自励特性が得られる。振動するブリッジ２２．２４ の周波数は光強度センサ５８によって測定される。なお、この光強度センサ５８ は、キャビティ３６内からの透過光の強度を測定するために光フアイバトランス ミッタ４０と向かい合うように配置されている。当業者であれば理解されること だが、キャビティ３６内の光強度の変動が生じ、その振動数は、振動するブリッ ジ２２．２４の振動数に等しくなり、その結果、透過光５０の強度もまたブリッ ジ２２．２４の振動の周波数にあわせて増大及び減少する。

あるいは、ブリッジ２２の外側表面４２がらの反射光及び透過光４４の強度と変 動の周波数もまた、適当なセンサ６ｏによって測定することもでき、さらに、同 様に、強度の変動の周波数は、ブリッジ２２．２４の振動の周波数と一致する。

単一ブリッジ構造のＨｏｃｋａｄａｙ氏らの特許に示されるように、本発明に係 る二重ブリッジ装置は＜１１０＞シリコンの単一スラブによって形成することが 好ましい。この場合、ブリッジ２２．２４の表面３２．３４は、シリコンの結晶 構造の立体配置によって絶対的に平行に保たれる。このように両者が提携して必 ず平行となる（ｕｎｆａｉｌｉｎｇ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ） ことで、ファプリー・ペロキャビティ３６が確実に適切な動作を行うようになる 。

本発明に係る二重ブリッジ構造の模範的な寸法としては、一対の二重ブリッジは 、対向する表面間の距離を１０（μｍ）とし各ブリッジの長さを１．０００（ａ 　ｍ　）、高さを４０（μｍ）、及び厚さを２．５（μｍ）とする。適切な配向 性を有する＜１１０＞シリコンを用いた場合のヤング率の値は１．６９Ｅ１１（ Ｎ／ｍ”）であり、この際の結晶化シリコンの結晶密度は２．３３Ｅ３　（ｋｇ ／ｍつ。計算値によれば、応力や歪みが加えられていない状態での、この構造に おける共振周波数は２２ＫＨｚとなる。

以上説明したように、本発明に係る構造においては、単一で一枚のシリコンから カットし、また形成する構造とすることで、事実上温度の影響を受けなくなる。

これは、この構造をなす全てのエレメントにおける材質の熱膨張係数が等しいこ とによる。しがし、ヤング率の値には僅かな変動があり、その値は−６２，５ｐ ｐｍ／Ｃであることが知られている。当業者であれば理解されることだが、この ようなシリコンの物性の熱における変化を導入することによって、ブリッジエレ メント２２．２４における固有周波数は僅かに変動することとなる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．それぞれ第１支持部材及び第２支持部材によって支持される第１及び第２の ブリッジを有し、前記各ブリッジ及び支持部材は、均質にドーピングされた単一 のシリコンウエハからカットされたものであり、 前記第１ブリッジは、前記第２ブリッジに対向する壁部を有し、前記第２ブリッ ジは、前記第１ブリッジの壁部に平行に対向する壁部を有し、前記各平行なブリ ッジの壁部間はファブリー・ペロキャビティとなっていることを特徴とする自励 式光学歪みゲージ。
2. ２．前記第１ブリッジ内に光線を透過させる手段と、前記ブリッジに近接して配 置され、前記ファブリー・ペロキャビティ内部の光エネルギの強度を測定する手 段と、を有することを特徴とする請求項１記載の自励式光学歪みゲージ。
3. ３．前記ウエハは、＜１１０＞面で規定される結晶構造を有し、前記第１及び第 ２ブリッジの各平行な壁部は、前記＜１１０＞面に一致するようにカットされて いることを特徴とする請求項１記載の自励式光学歪みゲージ。
4. ４．単一のシリコンウエハからなるダイアフラムを有し、このダイアフラムは、 それぞれの表面が、他方のブリッジの対応する平行な表面に対向し、これら平行 な対向面間はファブリー・ペロキャビティとなる、第１及び第２のブリッジと、 発光端を有し、一方のブリッジに対して、このブリッジを通じて光線エネルギが 前記キャビティ内に入射されるように配置された光ファイバと、 前記ウエハの外周を覆うように設けられて、前記ウエハの一方の側面と共に第１ キャビティを形成し、かつ、前記ハウジングは前記ウエハの他方の側面と共に第 ２キャビティを形成する外部ハウジングと、 を有することを特徴とする光学圧力センサ。
5. ５．前記ブリッジに近接して配置され、前記ファブリー・ペロキャビティからの 透過光のうち少なくとも前記ブリッジの一方からの透過光の強度の測定を行う光 強度測定手段を有することを特徴とする請求項４記載の圧力センサ。