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2010年7月15日 (木)

センサの基本形1

例えば、加速度や圧力などの力学量センサの最終変換素子は、静電容量変化型、抵抗変化型、共振型のように分類できるのではないか。

いずれの検出素子も変位を観測している。もちろん、様々な力学量を変位の形に変換するには、機械的構造物がある。

静電容量変化型では、可動電極と対向する1個ないし2個の電極を作るのが普通である。限られたスペースで、より大きな静電容量変化を得るには電極面積を大きくし、電極ギャップを狭くする必要がある。MEMSで作るには、絶縁物、導体、絶縁物の構造体を作り、その構造体をどこかに固定する実装も考えなければならない。ΔCの測定回路は種々の物が考えられる。充電電流を測定するもの、発振周波数に変換するもの、インピーダンス測定に近い信号処理をするものなど、種々考えられる。

抵抗変化型はMEMS手法だと、シリコンのピエゾ抵抗効果を利用するものが多い。片持ち・両持ち梁やダイアフラム形状が良く使用される。シリコンのピエゾ抵抗効果を使えば、DC的に測定できるが、感度の非線形な温度特性の対処方法で使用対象が異なってくる。

共振型は、振動線の張力変化を検出するタイプのものが多い。共振を鋭くするために、MEMS手法で真空室を作りその中に振動線を内蔵したものもある。振動型は磁場と電流の相互作用で振動させるものや、圧電素子を使うものなどが広く知られている。

最終変換素子の種類は案外少ないとアナログエンジニアは感じている。その数少ない最終変換素子に持ってくるために、様々な構造体が作られる。MEMSでは、構造体のプロセスへの依存性が強いが、いずれにしても、大きな(時には100倍を超える)寸法比を使い選択性の向上を図っている例が多い。

センサは構造体の仕組みとアナログ信号処理を含めて考える必要がある。しかし、構造体の仕組みは良く報じれれるが、その信号処理の詳細は明らかにされないことが多いのがアナログ屋としては残念である。

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