JPH01138432A - 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損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する形式のこの発明の改良の
ベースとなる公知の振動膨圧カセンサは、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サについて、第４図と第５図を用い
てその概要を説明する。

第４図はこの従来の振動形差圧センサのカバーをとった
椙成を示す斜視図、第５図は第４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
して上面がら圧力ＳＰを下面から圧力（Ｓｐ＋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、振動梁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形シリコン基板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
ピタキシャル層を形成した後、さらにＰ＋形エピタキシ
ャル層を形成してこの上を酸化膜５ｊＯ２で保護する。

そして振動梁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、例えば長さを！
、厚さをｈ、幅をｄとすれば、！＝１００ｐｍ、ｈ＝Ｌ
ｃｚｍ、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ａ成において一第２のＰ十形エピタキシャル層で
ある振動梁３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動発振を起こす。

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

第５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６２−４６６１７５号「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６図はこの提案による振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５図におけ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６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
ｆｌ！（ＳＬＯ□）９を形成する（第６図（ロ））。

さらに、第６図（ハ）の工程でこの酸化膜９の中央部を
紙面に垂直方向にフォトエツチングして、消１０を形成
する。

第６図（ニ）の工程では−１０５０”Ｃの温度で水素ガ
スＨ２に塩酸ＨＣ２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に消１０を介して講１１を
形成する。

次に、第６図（ホ）に示すように、消１１の中に１０５
００Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中でＩＱ”ｃｍ”
−”の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシャルして
第１エビ層１２を形成する。

この後、第６図（へ）に示すように、第１エビ層１２の
上に１０５００Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１
０”ｃｍ−’の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシ
ャルして振動梁１３となる第２エビ層１４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
１．１７八であり、ホウ素のそれは０．８８Ａ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 そこで、この現象を利用して例えば第２エビ層１４のホ
ウ素の濃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）濃度を調整してシリコン基板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６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
０”ｃｍ”−’の濃度のホウ素（Ｐ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６図（チ）に示すように、第３エビ層１５の上
に１０５００Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で、１
０１１０ｌ７’の濃度のリン（ｎ形）を選択エピタキシ
ャルして第４エビ層１６を形成する。

第６図（す）は１．第６図（チ）に示す選択エピタキシ
ャルの工程の後にＳｔ　０２の酸化膜９を弗化水素ＨＦ
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
の液中に全体が漫積されており、ｎ形のシリコン基板８
と第４エビ層１６がｎ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源１７からピーク値
が５■で繰返し周期が０．０４Ｈ２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
されて不働態化される結果そのエツチング速度が第１エ
ピ１１２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３エビ層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
の濃度が４×１０１ｇ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
幅に遅れる現象を利用して、第２エビ層１４を残して全
体として第６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６図（ル）は、熱酸化の工程を示す、この工程では、
シリコン基板８、第２エビ層１４、および第４エビ層１
６の内外の全表面にそれぞれ酸化ＷＡ　（Ｓｔ　０２　
）　８ａ、１４ａ、および１６ａを形成させる。

第６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６図（ル）の工程でシリコン基板８、第２
エビ層１４、および第４エビ層１６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エビ層１６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６図（ワ）の工程では、全体を１０５０’ｃの温度で
水素Ｈ２の雰囲気中でシリコン基板８と第４エビ層１６
の外面の部分にｎ形の選択エピタキシャル成長をさせる
。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
か形成される。

この第６図（ワ）の工程では水素Ｈ２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１４２が封入されている。

そこで、第６図（力）に示すように９００’Ｃで真空と
した雰囲気の中にこの検出部を持つ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Ｈ２
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ｌＸｌ０−”ｌ’。

ｒｒ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、先願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待つ。

このような振動形差圧センサを用いて、例えば５００　
Ｋ　ｇ　ｆ　／　ｃ　ｍ　’にも及ぶ高い静圧Ｓｐの基
で例えば（１０ｍｍＨ２０〜１０Ｋｇｆ／ｃｍ２）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、振動梁がε５＝
ｓｐｆ／Ｅｓだけ収縮する。但し、ＥＳは体積圧縮率、
２は振動梁の長さである。

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、基板に一体に形
成され振動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ち圧力に対
する体積圧縮率が前記基板より大きい材料の基台とを有
するようにしたものである。

く作　用〉 基板に接合される基台として圧力に対する体積圧縮率が
基板よりも大きな材料の基台を用いることにより、これ
等の周囲から印加される静圧によりこの基台をベンデン
グさせて基板に形成された振動梁に引張応力を生じさせ
、静圧による振動梁に対する圧縮歪をこの引張応力で打
ち消す。

〈実施例〉 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、（Ｓｐ＋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内の固定部２４とされ
ている。

２５は差圧による歪みを検出する振動梁、２６は内部を
例えば真空に保持するシェルであり、これ等は第６図で
説明した製造方法で作られる。

固定部２４の底面は中央に圧力（Ｓｐ十ΔＰ）を導入す
る導圧孔２７を持つ円板状のシリコンの基台２８が例え
ば陽極接合などにより接合されている。基台２８はその
体積圧縮率が基板２２のそれよりも大きい材料が選定さ
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３図に示す動作説明図を用いて説
明する。

差圧ΔＰが加わったときの動作は従来と全く同じである
ので、以下の説明では静圧ｓｐが加わったときの動作に
ついて説明する。

静圧ＳＰが加わると第５図に示す従来の場合と同様に振
動梁２５にはεｓ　＋　＝ＳＰ　ｆ／Ｅｓ　１なる圧縮
歪が生じる。

一方、基台２８ら静圧Ｓｐにより圧縮されるが、その体
積圧縮率が基板２２の体積圧縮率よりも大きいので第３
図に示すように基台２８の方が大きく収縮し、基板２２
側に凸となるように変形して受圧ダイアフラム２３の表
面近傍に設けられた振動梁２５には引張歪εｓ２を生じ
る。

従って、圧縮歪εｓ１と引張歪εｓ２との関係がεｓ１
−εｓ２となるように、基板２２に対する基台２８の体
積圧縮率を選定することにより振動梁２５に対する静圧
誤差を小さく抑えることができる。

さらに、基台２８のｆｉ膨張係数を基板２２に対して適
当に選定することによって、振動形差圧センサの温度特
性を補償することもできる。

なお、バラツキのために基台２８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２５と同じよ
うな振動梁を別に設けてこれを静圧センサとして用い、
その出力で基台２８の静圧補償のバラツキ分を電気回路
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２８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、基板に接合する基台として圧力に対する体積圧縮
率が基板より大きな材料を用いるようにして静圧に対し
て引張歪を生じさせ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高精度
の差圧センサが実現できる。

【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図と第２図に示す実施例の動作を説明する動
作説明図、第４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５図は第４図のＸ−
Ｘ断面を示す断面図、第６図は先願の従来の振動形差圧
センサ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
・・・振動梁−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・・
・開口部、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、２６・・・シェル、２８・
・・基台。

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
   され前記差圧によつ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
   、前記基板に一体に形成され前記振動梁の周囲を覆うシ
   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ち圧力に対する体積圧縮率が前
   記基板より大きい材料の基台とを有することを特徴とす
   る振動形差圧センサ。