JPH01127929A - 振動形差圧センサ - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、半導体の振動梁の差圧に対応した歪みを周波
数信号として検出する振動形差圧センサに係り、特に静
圧特性を改善した振動形差圧センサに関する。

〈従来の技術〉 シリコンの受圧ダイアフラムの上に形成されて両端が固
定され励振手段で励振された振動梁の共振周波数の変化
から圧力或いは差圧を検出丈る形式のこの発明の改良の
ベースとなる公知の１！助形圧カセンサは、例えば特願
昭５９−４２６３２号「圧力センサ」に開示されている
。この提案では圧力センサとして説明しであるが差圧セ
ンサとしても用いることができるので、以下の説明では
差圧センサとして説明する。

この振動形差圧センナについて、第７図と第８図を用い
てそのＮ要を説明する。

第７図はこの従来の振動形差圧センナのカバーをとった
構成を示す′Ａｍ図、第８図は第７図におけるＸ−Ｘ断
面におけるカバーをつけた断面図である。

これ等の図において、１は円筒状のシリコン基板であり
、２はこのシリコン基板１の中央を掘って薄肉部を形成
して上面から圧力Ｓｐを下面から圧力（Ｓｐ＋ΔＰ）を
受ける受圧部としだ受圧ダイアフラムであり、例えばシ
リコン基板１をエツチングして作られる。ここで、ΔＰ
は測定しようとする差圧である。

３は受圧ダイアフラム２の上に形成され、両端がシリコ
ン基板１に固定された振動梁であり、振動＠３は受圧ダ
イアフラム２のほぼ中央部に設けられている。

この振動梁３は、具体的には例えばｎ形シリコン塁板１
の上に第１のＰ＋形エピタキシャル層を形成し、その中
央部を切込んで電気的に左右を分離し、この上にｎ形エ
ピクキシャル層を形成した後、ざらにＰ十形エピタキシ
ャル層を形成してこの上を酸化膜Ｓｔ　０２で保護する
。そして振ｉｌｌ梁３の下部の空洞部５はこのｎ形エピ
タキシャル層をアンダーエツチングで形成する。

このようにして形成された振動梁３は、例えば艮８を！
、厚さを１１幅をｄとすれば、ｌｌ−１Ｏ０ａ、ｈ−１
μｍ、ｄ−５μｍの程度の大きさである。

受圧ダイアフラム２の上に形成された振動梁３の周囲は
、例えばシリコンのカバー６を受圧ダイアフラム２に陽
極接合などで接合して覆い、この内部空間７を真空状態
に保持する。

この振動梁３、カバー６、空洞部５、内部空間７などで
振動形差圧センサの検出部りを形成している。

以上の構成において、第２のＰ十形エピタキシャル層で
ある振動＃Ｒ３に対して第１の左右のＰ＋形エピタキシ
ャル層の間に発振回路を接続して発振を起こさせると、
振動梁３はその固有振動数で自励発振を起こす。

この場合、カバー６の内部空間７が真空状態にされ振Ｉ
ＪＪ梁３が真空の中に保持されるので、共振の鋭さを示
すＱ値が太き（なり、共振周波数の検出が容易となる。

第８図に示すように圧力ＳＰと圧力（ＳＰ＋ΔＰ）の差
圧ΔＰが受圧ダイアフラム２に印加されると振動梁３は
引張応力を受ける。

この引張応力により振動梁３の固有振動数が変化して差
圧ΔＰを知ることができる。

しかしながら、この様な従来の振動形差圧センサでは、
薄肉の受圧ダイアフラム２の上に形成された振動梁３の
上部に別に作られたシリコンのカバー６を陽極接合など
で接合し、カバー６と受圧ダイアフラム２とで形成され
た内部の空間を真空に引かなければなければならないの
で、振動形差圧センサの圧力特性或いは温度特性が悪く
なり精度低下の原因をなすという問題がある。

そこで、本出願人はこの問題を解決するために、昭和６
２年７月２日に特願昭６２−１６６１７５号Ｆ発明の名
称：振動形トランスデユーサの製造方法」を提出してい
る。以下、この提案の概要について説明する。

第９図はこの提案による撮動形差圧センサの要部である
検出部の製造工程を示す工程図である。

これは第６図にお番ノる検出部りに対応する振動梁の軸
方向の断面で示した検出部Ｄ′の工程を示している。

第９図（イ）は検出部Ｄ′を作るためのベースとなるｎ
形のシリコン基板８を示す。

次に、このシリコン基板８を熱酸化してその表面に酸化
膜＜Ｓ（Ｏ□）９を形成する（第９図（ロ））。

さらに、第９図（ハ）の工程でこの酸化ｙＡ９の中央部
を紙面に垂直方向にフォトエツチングして、満１０を形
成する。

第９図（ニ）の工程では、１０５ｏｏＣの温度で水素ガ
スＨ２に塩酸ＨＣ１を混合した雰囲気でエツチングをす
ることによりシリコン基板８に溝１０を介して溝１１を
形成する。

次に、第９図（ホ）に示すように、溝１１の中に１０５
０’Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１０”ｃｍ″
″３の′ａ度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシャルし
て第１エビ１１１２を形成する。

この襖、第９図（へ）に示すように、第１エビ層１２の
上に１０５０００の温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１
０”ｃｍ−’のｌｌ洩のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキ
シャルして振動梁１３となる第２エビＩＩ！１１４を形
成する。

振動梁１３は差圧ΔＰがゼロの状態でも初期張力を与え
ておかないと差圧ΔＰの印加により座屈を起こして測定
できない状態となる。また、シリコンの共有結合半径は
１．１７人であり、ホウ素のそれは０．８８人であるの
で、ホウ素が部分的にシリコンの中に注入されるとその
部分は引張歪みを受ける そこぐ、この現象を利用して例えば第２エビ層１４のホ
ウ素の温度を調整することによりここに初期張力を与え
るか、或いはｎ形のシリコン基板８の中のリン（共有結
合半径は１．１０人＞ｍ度を調整してシリコン基板根８
と第２エビ層１４との相対歪みを考慮して初期張力を与
えるようにする。

次に、第９図（ト）に示すように、第２エビ層１４の上
に１０５０’Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で、１
Ｑ”ｃｍ−”の′ａ度のホウ素（ｎ形〉を選択エピタキ
シャルして第３エビ層１５を形成する。

更に、第９図（ヂ）に示すように、第３エビ層１５の上
に１０５０００の温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で、１
０１７ｃｍ″″コの８１度のリン（ｎ形）を選択エピタ
キシャルして第４エビ［１６を形成する。

第９図（す〉は、第９図（チ）に示す選択エピタキシセ
ルの工程の後に８．０２の酸化膜９を弗化水素）−ＩＦ
でエツチングして除去（工程は図示せず）した状態にお
いて、第１エビ層１２と第３エビ層１５を除去するエツ
チング工程を示している。

このエツチング工程では、図示していないが、アルカリ
の液中に全体が浸積されており、ｎ形のシリコン基板８
と第４エビ層１６がｐ形の第２エビ層１４に対してプラ
スの電位となるように直流パルス電［１７かうピーク値
が５■で繰返し周期が０．０４８Ｚ程度の正のパルス電
圧が印加されている。この電圧印加によりｎ形のシリコ
ン基板８と第４エビ層１６はその表面に不溶性膜が形成
されて不動態化される結果そのエツチング速度が第１エ
ビ層１２と第３エビ層１５に対して大幅に遅くなるので
、これを利用して第１エビ層１２と第３１ビ腑１５を除
去する。さらに、第２エビ層１４はドープされたホウ素
のＩ！麿が４×１０＋９より大きいときにはエツチング
速度がドープされないシリコンの場合の通常の速度から
大幅に遅れる現菜を利用して、第２エビ層１４を残して
全体として第９図（ヌ）に示すように一部に開口部１８
をもち、さらにシリコン基板８と第２エビ層１４との間
に間隙を持つように形成される。

第９図（ル）は、熱酸化の工程を示ず。この工程では、
シリコン基板８、第２エビ＆！１４、および第４エビ層
１６の内外の全表面にそれぞれ醇化ＩＢＳ　（Ｓｔ　０
２　＞　８　ａ、１４ａ１および１６ａを形成させる。

第９図（オ）はプラズマエツチングの工程を示す。この
工程では、第９図（ル）の工程でシリコン基板８、第２
エビ層１４、および第４エピ１１６の内外の全表面にそ
れぞれ形成された酸化膜８ａ、１４ａ、および１６ａの
うち、シリコン基板８と第４エビＦＰＩＪ１６の外面の
部分に形成された酸化膜をプラズマエツチングにより除
去し、次の工程での選択エピタキシャル成長の準備をす
る。

第９図（ワ）の工程では、全体を１０５０００の温度で
水素Ｈ２の雰囲気中でシリコン基板８と第４エビｌｌ！
１１６の外面の部分にｎ形の選択エビクキシャル成長を
さける。この選択エピタキシャル成長により、シリコン
基板８と第４エビ層１６との間に形成された開口部１８
が埋められてシェル２０が形成され内部に棒状の第４エ
ビ層で形成された振動梁１３をもつ振動形差圧センサの
検出部が形成される。

この第９図（ワ）の工程では水素ｔｌ　２の雰囲気中で
選択エピタキシャル成長をさせたので、シリコンの単結
晶で出来たシリコン基板８とシェル２０との間に形成さ
れた中空室２１の中には水素１−１２が封入されている
。

そこで、第９図（力）に示すように９０００Ｇで真空と
した雰囲気の中にこの検出部を持゛っ振動形差圧センサ
を入れて、シリコンの結晶格子の間を通してこの水素Ｈ
２を脱気して真空とする。このようにして得られた真空
度は１×１０″″３丁Ｏｒｒ以下となる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 以上のようにして、先順に係る振動形差圧センサは振動
梁と共にカバーもシリコン基板と一体に製造することが
でき、従来の公知の振動形差圧センサの欠点を除去する
ことができるが、なお次に説明する欠点を持つ。

このような振動形差圧センサを用いて、例えば５００Ｋ
Ｑｆ／ｃｍ’　ｋ：も及ぶ＾いＤ圧５ｐ（７）Ｗで例え
ば（１０ｍ　ｍ　Ｈ２０〜１０　Ｋ　Ｑ　ｆ　／　Ｏｍ
　２）のような微小な差圧ΔＰを測定する場合には、振
動形差圧センサの受圧ダイアフラムの一方の面には静圧
ＳＰが他方の面には静圧（ＳＰ＋ΔＰ）が印加されるの
で、この静圧ＳＰにより基板、受圧ダイアフラム、振ｉ
ｌｌ梁がε５−８ｐ　ｌ／Ｅｓだけ収縮する。但し、Ｅ
ｓは体積圧縮率、！は振＃梁の長さである。

従って、振動梁にはεＳだけの圧縮歪が加わり、このた
め振動梁の共振周波数が変化して静圧誤差を生じるとい
う問題が生じる。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、周囲に固
定部を持ちその内側に差圧によって変形する受圧ダイア
フラムを持つ半導体の基板と、この基板に形成され差圧
によって受圧ダイアプラムの表面付近に生じる歪みを測
定する少なくとも１個以上の振動梁と、一端が基板に固
定され他端がこの振動梁の少なくとも一端に所定の角度
で結合された支持梁と、基板に一体に形成され振動梁と
支持梁の周囲を覆うシェルと、固定部と接合され差圧を
成す一方の圧力を導入する導圧孔を持つ半導体の基台を
有するようにしたものである。

く作　用〉 基板に一端が固定された支持梁の他端を振動梁の少なく
とも一端に固定するようにして静圧によって振動梁に加
わる歪みを静圧によって支持梁に生じる逆方向の歪みで
打ち消す。

以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する
。第１図は本発明のシェルを除いた１実施例を示す射視
図、第２図はシェルを付したそのＸ−ｘ断面の構成を示
す断面図、第３０は第１図における振動梁の近傍を拡大
して示した拡大図である。

これ等の図において、２２は円筒状のシリコンの基板で
あり、２３はこの基板２２の中央を掘って薄肉部を形成
して静圧ＳＰ　ｓ　　（Ｓｒ＋ΔＰ）を受ける受圧部と
した受圧ダイアフラムであり、例えばシリコンをエツチ
ングして作られ、その周囲は円環状に厚肉の固定部２４
とされている。

２５は差圧による歪みを検出する振動梁部、２６は内部
を例えば真空に保持するシェルであり、これ等はＭ９図
で説明した製造方法と同様にしで製造される。

１！動梁部２５の詳細は第３図に示しである。この図に
おいて、２７は断面が矩形の棒状の振動梁であり、その
一端２７ａは基板２２の受圧ダイアフラム２３に一体に
固定され他端２７ｔ）は断面が矩形の棒状の支持梁２８
．２９の各一端２８ａ１２９ａに一体に固定されている
。支持梁２８，２９は撮動＠２７に対して角度αだけ傾
斜してその他端２８ｂ、２９ｂが基板２２の受圧ダイア
フラム２３に一体に固定されている。さらに、振動梁２
７の側面には空間３０，３１が、支持梁２８．２９の側
面も空間３２が、振！！ＪＪ＠２７の底面にも空ｒＭＪ
３３＜第２図）がそれぞれ形成されている。

従って、振動梁２７、支持梁２８．２９はこれ等の各一
端が受圧ダイアフラム２３に固定されている以外は空間
に浮いている。

固定部２４の底面は中央に圧力＜Ｓｐ＋ΔＰ）を導入す
る導圧孔３３を持つ円板状のシリコンの基台３４が例え
ば陽極接合などにより接合されている。

次に、以上のように構成された第１図、第２図に示す実
施例の動作について、第４図と第５図に示″Ｉｊ動作説
明図を用いて説明する。第４図は静圧Ｓｐが印加された
ときの振ｅ梁部２５の変形を、第５図は差圧ΔＰが印加
されたときの振！ｌｌ＠部２５の変形をぞれぞれ示して
いる。

まづ、静圧ＳＦが加わったときの動作について第４図を
用いて説明する。

静圧Ｓｐが受圧ダイアフラム２３に印加されると、当初
は実線のような形状をしている振動梁２７、支持梁２８
．２９が、振ｖＪ梁２７にはその長さに応じてεｓ　＝
Ｓｐ　ｌ＋　／Ｅｓなる圧ｍ歪が、支持梁２８．２９に
はεｓ　””Ｓｐ　１２／Ｅｓなる圧縮歪が生じること
によって、支持’！２８．２９は振動梁２７に対してα
なる角度で結合されているので点線で示したように変形
し、振動梁２７の右端はΔχｉだけ右に変位する。

従って、Δχ響−εＳの関係になるように選定すると、
静圧Ｓｐが受圧ダイアフラム２３に加わっても、結果と
して振ＩＪＩ梁２７には歪みが加わらないことになる。

次に、差圧ΔＰが振動梁の方向に圧縮応力σｄとして加
わったときの動作について第５図を用いて説明する。

差圧ΔＰが印加されない状態でば振動梁２７、支持梁２
８，２９は実線で示すような形状になっている。

次に、振動梁２７の長手方向に差圧ΔＰにより圧縮応力
σｄが加わると、振動梁２７の一端２７ａにはその良さ
に応じて圧縮歪εｄが加わり、−方で支持梁２８．２つ
の両端にはその長さに応じて逆に引張歪εａ′−１２ν
εｄ／ｉ’＋（シ：ポアソン比）が加わる。

このεｄとεｄ′の歪みにより支持梁２日、２９の各一
端２８ａ、２９ａはΔχ２だけ変位する。

このΔχ２がΔχ２キＯとなるように各梁を設計すると
、圧縮歪εｄが振動梁２７に加わり差圧ΔＰに対応した
共振周波数の変化となり、これにより差圧ΔＰが検出で
きる。

第６図は本発明における振動梁部の第２の実施例の構成
を示す縦断面図である。

この実施例は、第３図に示す振ｖＪ梁２７の他端２７ｂ
ｔｆｉ紙面に対して上下に変位するのを防止するために
、支持梁３３の一端３３ａを支持＃Ｒ２８，２９の一端
２８８Ｎ　２９ａに固定し、その他端３３ｂを受圧ダイ
アフラム２３に固定するようにしたものである。このよ
うに構成しても第３図に示す実施例と同様に動作する。

なお、いずれの実施例も振り梁２７の一端は基板に結合
し、他端のみに支持梁を設ける構成として説明したが、
これに限らず振動梁の両端に支持梁を設ける構成として
も同様に動作づる。

なお、バラツキのためにこれ等の支持梁２８．２９．３
３による静圧補償では補償の程度が不十分な場合には、
第１図および第２図における固定部２４の上面或いは内
部に例えば拡散などにより歪みゲージを形成したり、或
いは振動梁２７と同じよう４【振＃Ｊ梁を別に設けてこ
れを静圧センリ゛として用い、その出力で振動梁での静
圧補償のバラツキ分を電気直路で補償するようにすると
、より完全な静圧補償を達成できる。また、この静圧セ
ンサは基台３４側に設けても良い。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、振動梁の少なくとも一端に支持梁を設けることに
よって静圧に対して引張歪を生じさせるようにして静圧
による圧縮歪みを補償するようにしたので、静圧誤差を
小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はシェルを除いた本発明の１実施例の構成を示す
射視図、第２図は第１図のＸ−Ｘ断面を示す断面図、第
３図は第１図における振動梁部を拡大した拡大図、第４
図は第１図と第２図に示す実施例の静圧が印加されたと
きの動作を説明する動作説明図、第５図は第１図と第２
図に示す実施例の差圧が印加されたときの動作を説明す
る動作説明図、第６図は本発明の振動梁部の第２の実施
例の構成を示す断面図、第７図はシェルを除いた公知の
従来の振動形差圧センサの構成を示す射視図、第８図は
第７図のＸ−Ｘ断面を示す断面図、第９図は先願の従来
の振動形差圧センナを製造する工程を説明する工程図で
ある。 １・・・シリコン基板、２・・・受圧ダイアフラム、３
・・・邊動梁、５・・・空洞部、６・・・カバー、７・
・・内部空間、８・・・シリコン基板、１２・・・第１
エビ層、１３・・・振動梁、１４・・・第２エビ層、１
５・・・第３エビ層、１６・・・第４エビ層、１８・・
・間口部、２０・・・シェル、２１・・・中空室、２２
・・・基板、２３・・・受圧ダイアフラム、２４・・・
固定部、２５・・・振動梁部、２６・・・シェル、２７
・・・振動梁、２８．２９．３３・・・支持梁。 第　　１　　図 第２図 第３図 第４図 第　５図 第６図 第７図 第８図 検出部Ｄ　　　　Ｓ＋）士Ａｐ 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周囲に固定部を持ちその内側に差圧によって変形する受
   圧ダイアフラムを持つ半導体の基板と、この基板に形成
   され前記差圧によって前記受圧ダイアフラムの表面付近
   に生じる歪みを測定する少なくとも１個以上の振動梁と
   、一端が前記基板に固定され他端がこの振動梁の少なく
   とも一端に所定の角度で結合された支持梁と、前記基板
   に一体に形成され前記振動梁と支持梁の周囲を覆うシェ
   ルと、前記固定部と接合され前記差圧を成す一方の圧力
   を導入する導圧孔を持つ半導体の基台を有することを特
   徴とする振動形差圧センサ。