JPH04295736A - 振動式トランスデューサ - Google Patents
振動式トランスデューサInfo
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- JPH04295736A JPH04295736A JP6060391A JP6060391A JPH04295736A JP H04295736 A JPH04295736 A JP H04295736A JP 6060391 A JP6060391 A JP 6060391A JP 6060391 A JP6060391 A JP 6060391A JP H04295736 A JPH04295736 A JP H04295736A
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- JP
- Japan
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- vibrator
- silicon
- light
- high concentration
- boron
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- Pressure Sensors (AREA)
- Switches Operated By Changes In Physical Conditions (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光学式励起形の振動式ト
ランスデューサに関する。
ランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】図７に、本発明に先立ち本願出願人が開
発した振動式トランスデューサの構造が示される。この
トランスデューサは、ｎ型シリコン単結晶基板４０の裏
面にダイアフラム４１を形成し、このダイアフラムの表
面部分に振動子４５を形成し、シェル（封止エピタキシ
ャル層）１１により振動子４５を封止した構造となって
いる。振動子４５は同一の半導体層からなる配線により
、検出端子４２や励振端子４３，４４ と接続されてい
る。この振動子４５は、永久磁石による磁場と外部に接
続された増幅器を含めた閉ループ自励発振回路とにより
、その固有振動数で発振するようになっている。ダイア
フラムに圧力が加わると振動子の軸力が変化し、固有振
動数が変化し、この発振周波数の変化により圧力を測定
できる。
発した振動式トランスデューサの構造が示される。この
トランスデューサは、ｎ型シリコン単結晶基板４０の裏
面にダイアフラム４１を形成し、このダイアフラムの表
面部分に振動子４５を形成し、シェル（封止エピタキシ
ャル層）１１により振動子４５を封止した構造となって
いる。振動子４５は同一の半導体層からなる配線により
、検出端子４２や励振端子４３，４４ と接続されてい
る。この振動子４５は、永久磁石による磁場と外部に接
続された増幅器を含めた閉ループ自励発振回路とにより
、その固有振動数で発振するようになっている。ダイア
フラムに圧力が加わると振動子の軸力が変化し、固有振
動数が変化し、この発振周波数の変化により圧力を測定
できる。
【０００３】また、他の従来技術として、磁場を用いず
、光学的な励起により振動子に固有振動を起こさせるも
のが報告されている（“Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｐｏｗｅ
ｒｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏ
ｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ”，Ｌ．Ｍ．Ｚｈ
ａｎｇ ｅｔ ａｌ ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ
ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４４，ＰＰ．４７０〜４
７７）。この文献に示された従来例の構成が図４に示さ
れる。
、光学的な励起により振動子に固有振動を起こさせるも
のが報告されている（“Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｐｏｗｅ
ｒｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏ
ｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ”，Ｌ．Ｍ．Ｚｈ
ａｎｇ ｅｔ ａｌ ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ
ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４４，ＰＰ．４７０〜４
７７）。この文献に示された従来例の構成が図４に示さ
れる。
【０００４】この従来例では、Ｈｅ−Ｎｅ レーザ３０
，ビームスプリッタ３１， 半透膜３２，レンズ３４，
シリコンブリッジ（振動子）３５がファブリペロー共振
器を構成しており、半透膜３２の位置（すなわち、半透
膜３２とシリコンブリッジ（振動子）３５との距離ｙ）
はＰＺＴ ドライバ３３により制御され、検出器３６，
スペクトラムアナライザ３７により周波数の変化が検出
されるようになっている。シリコンブリッジ３５の表面
には光／熱変換のための金属膜が設けられている。ファ
ブリペロー共振器は、図５に示されるように、光の波長
をλとすると、（ｎ・λ）／２（ｎは１以上の自然数）
の共振周波数において、半透膜３２の透過率がピークと
なり、このピークのときにシリコンブリッジ３５上の金
属膜の熱の吸収が最大となり、下面のシリコンの変位が
最大となる。この変位が起きると、距離ｙが変化し、共
振点よりずれて光の吸収が減り、変形したシリコンはバ
ネ剛性により元の状態に復帰し、さらに、慣性によって
反対の方向に変位する。このように交番的な外力を受け
る。すなわち、図６のように、（ｎ・λ）／２の共振周
波数における発振を外部からの光照射により励起できる
。
，ビームスプリッタ３１， 半透膜３２，レンズ３４，
シリコンブリッジ（振動子）３５がファブリペロー共振
器を構成しており、半透膜３２の位置（すなわち、半透
膜３２とシリコンブリッジ（振動子）３５との距離ｙ）
はＰＺＴ ドライバ３３により制御され、検出器３６，
スペクトラムアナライザ３７により周波数の変化が検出
されるようになっている。シリコンブリッジ３５の表面
には光／熱変換のための金属膜が設けられている。ファ
ブリペロー共振器は、図５に示されるように、光の波長
をλとすると、（ｎ・λ）／２（ｎは１以上の自然数）
の共振周波数において、半透膜３２の透過率がピークと
なり、このピークのときにシリコンブリッジ３５上の金
属膜の熱の吸収が最大となり、下面のシリコンの変位が
最大となる。この変位が起きると、距離ｙが変化し、共
振点よりずれて光の吸収が減り、変形したシリコンはバ
ネ剛性により元の状態に復帰し、さらに、慣性によって
反対の方向に変位する。このように交番的な外力を受け
る。すなわち、図６のように、（ｎ・λ）／２の共振周
波数における発振を外部からの光照射により励起できる
。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の振動子
の励振のうち、図７の電磁駆動式のものは、磁石が必要
であり、構成が複雑である。また、防爆の見地から、爆
発性の雰囲気では使用できない。また、図４の光学式励
振法を用いるものは、共振条件が、シリコン振動子３５
と半透膜３２の相対位置により定まる構成であり、外部
振動および温度変動の影響を受け易く、構成も複雑であ
る。 また、シリコン振動子の表面に金属膜が必要であるため
、振動子に直接に膜応力が加わり、共振周波数が不安定
になりやすいという問題点もある。
の励振のうち、図７の電磁駆動式のものは、磁石が必要
であり、構成が複雑である。また、防爆の見地から、爆
発性の雰囲気では使用できない。また、図４の光学式励
振法を用いるものは、共振条件が、シリコン振動子３５
と半透膜３２の相対位置により定まる構成であり、外部
振動および温度変動の影響を受け易く、構成も複雑であ
る。 また、シリコン振動子の表面に金属膜が必要であるため
、振動子に直接に膜応力が加わり、共振周波数が不安定
になりやすいという問題点もある。
【０００６】本発明はこのような従来技術に対する考察
に基づいてなされたものであり、その目的は、外部の振
動やノイズに影響されずに、また、振動子に金属膜を用
いることなく光学式の励振を実現することにある。
に基づいてなされたものであり、その目的は、外部の振
動やノイズに影響されずに、また、振動子に金属膜を用
いることなく光学式の励振を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の代表的なものの
概要は以下のとおりである。すなわち、シリコンダイア
フラムの表面に高濃度にボロンが導入された振動子が形
成され、この振動子上に、この振動子の周囲に隙間を維
持しつつエピタキシャル層からなるシェルが形成され、
振動子から振動子上のシェルまでの距離ｘは、照射され
る光の波長をλとした場合、ほぼ（ｎ・λ）／２（ｎは
１以上の自然数）となっている。励振用の光としては、
例えば、赤外線レーザを用い、シェルを透過してシリコ
ン振動子に照射する。そして、反射光を光電変換して電
気信号に変換し、変換された信号をカウンタで計数して
振動周波数を測定する。
概要は以下のとおりである。すなわち、シリコンダイア
フラムの表面に高濃度にボロンが導入された振動子が形
成され、この振動子上に、この振動子の周囲に隙間を維
持しつつエピタキシャル層からなるシェルが形成され、
振動子から振動子上のシェルまでの距離ｘは、照射され
る光の波長をλとした場合、ほぼ（ｎ・λ）／２（ｎは
１以上の自然数）となっている。励振用の光としては、
例えば、赤外線レーザを用い、シェルを透過してシリコ
ン振動子に照射する。そして、反射光を光電変換して電
気信号に変換し、変換された信号をカウンタで計数して
振動周波数を測定する。
【０００８】
【作用】振動子を封止するシェルを従来の半透膜の代わ
りとするため、半透膜が不要となり、構造が簡素化され
、振動の安定性も向上する。シリコントランスデューサ
の製造プロセス精度は０．１ ミクロンのレベルであり
、高精度に制御ができる。また、磁石が不要であるため
構造が簡単であり、光学式の励振であるため、爆発性の
雰囲気でも安定である。
りとするため、半透膜が不要となり、構造が簡素化され
、振動の安定性も向上する。シリコントランスデューサ
の製造プロセス精度は０．１ ミクロンのレベルであり
、高精度に制御ができる。また、磁石が不要であるため
構造が簡単であり、光学式の励振であるため、爆発性の
雰囲気でも安定である。
【０００９】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の一実施例の構成を示す図で
ある。本実施例の励振原理は図４の従来例と同様であり
、ファブリペロー共振器を構成し、透過光による振動子
の温度変形を利用するものである。但し、本実施例では
、振動子９の表面には金属膜はなく、ボロンを高濃度に
ドープしたＰ型の半導体層のみで構成されており、また
、振動子９とシェル１１の下面との距離が（ｎ・λ）／
２（ｎは１以上の自然数）に制御されており、半透膜が
使用されていない点が異なる。ボロンを高濃度にドープ
したＰ型の振動子９は熱を吸収しやすく、光の照射によ
り歪みを生じ、変位が発生して、発振する。なお、光源
としては赤外線半導体レーザ２０を用いており、ビーム
スプリッタ２１を介してフォトダイオード２２で反射光
を受光し、カウンタ２３で電気信号を計数する。
て説明する。図１は本発明の一実施例の構成を示す図で
ある。本実施例の励振原理は図４の従来例と同様であり
、ファブリペロー共振器を構成し、透過光による振動子
の温度変形を利用するものである。但し、本実施例では
、振動子９の表面には金属膜はなく、ボロンを高濃度に
ドープしたＰ型の半導体層のみで構成されており、また
、振動子９とシェル１１の下面との距離が（ｎ・λ）／
２（ｎは１以上の自然数）に制御されており、半透膜が
使用されていない点が異なる。ボロンを高濃度にドープ
したＰ型の振動子９は熱を吸収しやすく、光の照射によ
り歪みを生じ、変位が発生して、発振する。なお、光源
としては赤外線半導体レーザ２０を用いており、ビーム
スプリッタ２１を介してフォトダイオード２２で反射光
を受光し、カウンタ２３で電気信号を計数する。
【００１０】より具体的に動作を説明する。振動子の表
面から（ｎ・λ）／２のとき、干渉によって最もレーザ
光を透過させる。透過した光はシェル１１との間で多重
反射を繰り返す。振動子にボロンを高濃度に注入してお
くと、赤外線の吸収係数が大幅に増加する。例えば、１
．５５ミクロンの波長に対して単位立方センチあたり１
０１７（ａｔｍｓ）のリンをドープしたシリコンは、吸
収係数は実測によれば、２．０３／ｍｍであるが、単位
立方センチあたり１０２０（ａｔｍｓ） のボロンをド
ープしたシリコンは、４０２ ／ｍｍと２００ 倍と大
きな差が生じている。したがって、（ｎ・λ）／２のと
きは、振動子中に入射パワーがほとんど吸収される。吸
収された光は、光／熱変換および光／音響効果によって
シリコン中に歪みを発生する。この歪みによって、振動
子は（ｎ・λ）／２の位置から変位する。この変位が生
じると、ファブリペロー共振ピークからはずれ、振動子
への入射パワーは減少する。したがって、振動子は振動
子のバネ剛性の復元力によって元の位置に戻ろうとする
。このように振動子は変位することにより交番的なそ外
力を受けることとなり、共振周波数で振動を持続する。 このときの反射光は、振動子の振動変位に応じて強度変
調される。この変調光を光／電気変換し、カウンタで計
数することにより、振動子の共振周波数を求めることが
できる。
面から（ｎ・λ）／２のとき、干渉によって最もレーザ
光を透過させる。透過した光はシェル１１との間で多重
反射を繰り返す。振動子にボロンを高濃度に注入してお
くと、赤外線の吸収係数が大幅に増加する。例えば、１
．５５ミクロンの波長に対して単位立方センチあたり１
０１７（ａｔｍｓ）のリンをドープしたシリコンは、吸
収係数は実測によれば、２．０３／ｍｍであるが、単位
立方センチあたり１０２０（ａｔｍｓ） のボロンをド
ープしたシリコンは、４０２ ／ｍｍと２００ 倍と大
きな差が生じている。したがって、（ｎ・λ）／２のと
きは、振動子中に入射パワーがほとんど吸収される。吸
収された光は、光／熱変換および光／音響効果によって
シリコン中に歪みを発生する。この歪みによって、振動
子は（ｎ・λ）／２の位置から変位する。この変位が生
じると、ファブリペロー共振ピークからはずれ、振動子
への入射パワーは減少する。したがって、振動子は振動
子のバネ剛性の復元力によって元の位置に戻ろうとする
。このように振動子は変位することにより交番的なそ外
力を受けることとなり、共振周波数で振動を持続する。 このときの反射光は、振動子の振動変位に応じて強度変
調される。この変調光を光／電気変換し、カウンタで計
数することにより、振動子の共振周波数を求めることが
できる。
【００１１】本実施例のトランスデューサの振動子部の
製造方法を図２（ａ）〜（ｊ）を用いて説明する。まず
、図２（ａ）のように、ｎ型単結晶基板１の主面に熱酸
化により、ＳｉＯ２膜２を形成し、フォトリソグラフィ
技術を使ってその一部を除去する。次に、（ｂ）に示す
ように、塩化水素ＨＣｌを用いて基板１をエッチングし
、溝３を形成する。次に、溝３上に、Ｐ型半導体層４，
５，６を順次に選択エピタキシャル法を用いて形成し（
図２（ｃ）〜（ｅ））、続いて、ｎ型半導体層７を形成
する（図２（ｆ））。
製造方法を図２（ａ）〜（ｊ）を用いて説明する。まず
、図２（ａ）のように、ｎ型単結晶基板１の主面に熱酸
化により、ＳｉＯ２膜２を形成し、フォトリソグラフィ
技術を使ってその一部を除去する。次に、（ｂ）に示す
ように、塩化水素ＨＣｌを用いて基板１をエッチングし
、溝３を形成する。次に、溝３上に、Ｐ型半導体層４，
５，６を順次に選択エピタキシャル法を用いて形成し（
図２（ｃ）〜（ｅ））、続いて、ｎ型半導体層７を形成
する（図２（ｆ））。
【００１２】次に、ＳｉＯ２膜２を除去してエッチング
穴８を形成し（第１図（ｇ））、Ｐ型半導体層４，６を
選択的に除去し、隙間１２を形成する。次に、基板１上
に従来より厚いｎ型の封止エピタキシャル層１０を形成
し、次に、グラインダーで研磨して平坦化し、Ｎ２雰囲
気でアニールして水素（Ｈ２）を薄いエピタキシャル層
１１を介して追い出すことにより、真空室１２を形成す
る。これにより振動構造が完成する。
穴８を形成し（第１図（ｇ））、Ｐ型半導体層４，６を
選択的に除去し、隙間１２を形成する。次に、基板１上
に従来より厚いｎ型の封止エピタキシャル層１０を形成
し、次に、グラインダーで研磨して平坦化し、Ｎ２雰囲
気でアニールして水素（Ｈ２）を薄いエピタキシャル層
１１を介して追い出すことにより、真空室１２を形成す
る。これにより振動構造が完成する。
【００１３】本発明の変形例が図３に示される。この実
施例は、マッハ＝ツェンダ干渉計の原理を使っており、
圧電素子（不図示）を用いてシリコンチップ全体を加振
し、このときの変位を光学式に検出するものである。
施例は、マッハ＝ツェンダ干渉計の原理を使っており、
圧電素子（不図示）を用いてシリコンチップ全体を加振
し、このときの変位を光学式に検出するものである。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、磁
石が不要になって振動式トランスデューサの構成が簡素
化され、光学式の励振であるため爆発性の雰囲気でも安
全である。また、振動子にボロン等の不純物を高濃度に
注入することにより金属膜が不要となり、安定な振動が
得られる。また、半透膜も不要であるため外部ノイズや
温度変動にも強くなる。これらにより、高性能な振動式
トランスデューサを提供できる。
石が不要になって振動式トランスデューサの構成が簡素
化され、光学式の励振であるため爆発性の雰囲気でも安
全である。また、振動子にボロン等の不純物を高濃度に
注入することにより金属膜が不要となり、安定な振動が
得られる。また、半透膜も不要であるため外部ノイズや
温度変動にも強くなる。これらにより、高性能な振動式
トランスデューサを提供できる。
【図１】本発明の一実施例の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｊ）は図１のデバイス構造を形
成するプロセスにおける工程毎の断面図である。
成するプロセスにおける工程毎の断面図である。
【図３】本発明の変形例の構成を示す図である。
【図４】従来の光学式励振方法の一例を説明するための
図である。
図である。
【図５】ファブリペロー共振器の特性を示す図である。
【図６】図４の従来例における振動の様子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図７】従来の電磁駆動式シリコントランスデューサの
構成を示す図である。
構成を示す図である。
１ ｎ型半導体基板
２ ＳｉＯ２膜
３ 溝
４，５，６ ｐ型層
７ ｎ型半導体層
８ ＳｉＯ２膜の除去部
９ 振動子
１０ エピタキシャル層
１１ シェル
１２ 真空室
２０ 半導体レーザ
２１ ビームスプリッタ
２２ フォトダイオード
２３ カウンタ
２４ レンズ
２５ フォトダイオード
Claims (1)
- 【請求項１】 外部よりシリコン振動子に光を照射し
、この光の吸収によるシリコン振動子の変位を利用して
固有振動数の発振をおこさせる、光学式励起形の振動式
トランスデューサであって、シリコンダイアフラムの表
面に高濃度に不純物が導入された振動子（９）が形成さ
れ、該振動子上に、該振動子の周囲に隙間を維持しつつ
封止層（１１） が形成され、前記振動子（９）から振
動子上の封止層（１１） までの距離ｘは、照射される
前記光の波長をλとした場合、ほぼ（ｎ・λ）／２（ｎ
は１以上の自然数）となっていることを特徴とする振動
式トランスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6060391A JP2797742B2 (ja) | 1991-03-25 | 1991-03-25 | 振動式トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6060391A JP2797742B2 (ja) | 1991-03-25 | 1991-03-25 | 振動式トランスデューサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04295736A true JPH04295736A (ja) | 1992-10-20 |
| JP2797742B2 JP2797742B2 (ja) | 1998-09-17 |
Family
ID=13146993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6060391A Expired - Lifetime JP2797742B2 (ja) | 1991-03-25 | 1991-03-25 | 振動式トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2797742B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007085953A (ja) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Canon Inc | 振動センサ、振動センサを用いた真空計および測定方法 |
-
1991
- 1991-03-25 JP JP6060391A patent/JP2797742B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007085953A (ja) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Canon Inc | 振動センサ、振動センサを用いた真空計および測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2797742B2 (ja) | 1998-09-17 |
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