JPH0519089B2 - - Google Patents

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JPH0519089B2
JPH0519089B2 JP28627387A JP28627387A JPH0519089B2 JP H0519089 B2 JPH0519089 B2 JP H0519089B2 JP 28627387 A JP28627387 A JP 28627387A JP 28627387 A JP28627387 A JP 28627387A JP H0519089 B2 JPH0519089 B2 JP H0519089B2
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JP
Japan
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vibrating
epitaxial layer
vibrating beam
silicon
strain sensor
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JP28627387A
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JPH01127928A (ja
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Kinji Harada
Kyoichi Ikeda
Hideki Kuwayama
Takashi Kobayashi
Tetsuya Watanabe
Sunao Nishikawa
Takashi Yoshida
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、基板に形成された振動梁の測定圧力
などに対応した歪みを周波数信号として検出する
振動形歪センサに係り、特に初期張力が加えられ
た振動梁を持つ振動形歪センサに関する。
〈従来の技術〉 弦振動を用いた振動形歪センサは、例えば特開
昭54−56880号「振動線装置」に開示されている。
ここに開示されているのは、差圧をダイアフラ
ムで受けて振動線に加わる張力の変化から差圧を
検出する場合に、この振動線に初期張力を与える
ために振動線を取り囲む一対の平坦で相互接続さ
れたワツシヤ状のゼロばねを用いて振動線を引張
る構成を取り、さらに張力の温度による変化を防
ぐ為に材料の膨脹係数の差を利用している。
また、半導体を用いた振動形歪センサは、例え
ば特願昭59−42632号「圧力センサ」に開示され
ている。
この振動形歪センサについて、第7図から第9
図を用いてその概要を説明する。
第7図はこの従来の振動形歪センサのカバーを
とつた構成を示す斜視図、第8図は第9図におけ
るX−X断面におけるカバーをつけた断面図、第
7図は一部を省略した平面図である。
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の中央を掘つ
て薄肉部を形成して測定圧力Pm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。
3,4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、振動梁4は受圧ダイアフラム2の周辺部にそ
れぞれ位置している。
これ等の振動梁3,4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
ヤル層を形成し、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形エピタキシヤル層を
形成した後、さらにP+形エピタキシヤル層を形
成してこの上を酸化膜SiO2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
ヤ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l、厚さをh、幅をdとすれば、l=
10μm、h=1μm、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。なお、図示し
ていないが振動梁4側も同じ様に形成する。
この振動梁3、カバー6、空洞部5、内部空間
7などで振動形トランスデユーサの検出部Dを形
成している。
以上の構成において、第2のP+形エピタキシ
ヤル層である振動梁3,4に対して第1の左右の
P+形エピタキシヤ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3,4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8図に示すように測定圧力Pm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、振
動梁4は圧縮応力を受ける。
したがつて、振動梁3と4の固有振動数は測定
圧力に対して差動的に変化し、これ等の差を演算
することによつて、2倍の感度で測定圧力Pmを
知ることができる。
〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の振動形歪センサ
は、前者の機械式の振動形歪センサでは複雑な張
力印加の構造をとりさらに張力の安定度を保持す
るために多くの要素を制御しなければならず、後
者の半導体式の振動形歪センサでは前者の機械式
の振動形歪センサに比べてその構成が簡単になつ
ているが初期張力を保持するために格別の対策は
講じられていないので、圧力に対する感度がバラ
ツクという欠点がある。また、圧縮歪みに対して
は座屈を生じる欠点がある。
〈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、両
端が半導体の基板に固定された半導体の振動梁の
共振周波数を測定することによりこの振動梁の両
端に加えられた歪みを測定する振動形歪センサに
おいて、この基板を構成する主な原子の共有結合
半径と異なる共有結合半径を持つ他の原子をこの
基板に混入させ振動梁に初期張力を与えるように
したものである。
〈作用〉 基板を構成する主な原子の共有結合半径と異な
る共有結合半径を持つ他の原子をこの基板に混入
させて基板に両端が接合された振動梁に初期張力
を与え、所定の感度を維持する。
〈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1実施例を示す構成
図であり、第1図イはその縦断面図、第1図ロは
イにおけるY−Y断面を示す横断面図である。
8はシリコン基板であり、断面が矩形状のシリ
コンの振動梁9はこのシリコン基板8の両端に固
定され、この両端を除いてシリコン基板8とは所
定の間隔を保持して固定されている。このシリコ
ン基板8は、振動梁9に混入された所定の共有結
合半径を持つ原子に対して小さい共有結合半径を
持つ他の原子を混入させて振動梁9に初期張力が
与えられている。
この振動梁9の上はシリコンのシエル10で覆
われて中空室11が形成され、この中は真空に保
持されている。
シリコン基板の底部には永久磁石12が固定さ
れ振動梁9に直流磁束φを印加し、振動梁9の振
動が電気的に検出できるようになつている。
第2図は第1図における振動形歪センサの要部
を拡大して示す製造工程の説明図である。
13はホウ素Bの濃度が1017cm-3の程度のP形
のシリコンの保持基板である。
まづ、この上に1020cm-3のホウ素と5×1020cm
-3以上のゲルマニウム(Ge)をドープしたP+
のシリコンのエピタキシヤル層を第1エピタキシ
ヤル層14として形成する。
次に、この第1エピタキシヤル層14に上にさ
らにリン(P)を1018cm-3ドープしたN形のシリ
コンのエピタキシヤル層を第2エピタキシヤル層
15として形成する。
第3に、この第2エピタキシヤル層15の上に
長方形状に不純物拡散、イオン注入、選択エピタ
キシヤルなどによつて1020cm-3のホウ素をドープ
したP+形の振動梁9となる梁領域16を形成す
る。
第4に、この梁領域16の周辺部をエツチング
する際のマスクとして熱硬化膜(SiO2)17を
形成し、その後フオトリソによつて窓18を開け
る。
以上のようにして第2図イに示すエツチング前
の中間工程を終る。
次に、第2図ロに示すエツチング工程に進む。
第2図イに示す中間工程で得た半製品をアルカリ
液の中に浸してエツチングすると、ホウ素の濃度
が1020cm-3の梁領域16とP+の第1エピタキシヤ
ル層14(底面)はアルカリ液でエツチングされ
ないので、振動梁9は図示のような矩形状の両端
を除いて周囲と離間して形成される。
さらに、保持基板13の部分は裏側からエツチ
ングすると除去され、第1エピタキシヤル層14
と第2エピタキシヤル層15の厚さを加えた厚さ
を持つシリコン基板8を得ることができる。
このシリコン基板8は永久磁石12を除去して
別の位置に設けることによつて差圧などを検出す
るダイヤフラムとして用いることもできる。
振動梁9には振動形歪センサに例えば測定圧力
Pmが印加されたときに振動梁9が座屈を引き起
こさないように初期張力を付与しておく必要があ
るが、以上の構成により振動梁9に初期張力が付
与される点について次に説明する。
第3図は各種の不純物の共有結合半径Riとシ
リコンの共有結合半径Rsiに対する各種の不純物
の共有結合半径Ri/Rsiの関係を現している。第
4図は不純物の濃度に対する格子定数の変化を示
している。これ等の図からシリコン(Si)の共有
結合半径1.17Åに対してリン(P)は1.10Å、ホ
ウ素(B)は0.88Åとシリコンよりも小さく、ゲ
ルマニウム(Ge)は1.22Åとシリコンよりも大
きいことが判る。
従つて、これ等のドーパントとシリコンの共有
結半径の濃度に対する加重平均をとると、その部
分の共有結合半径が算出され、この値の異なる2
つの層が接触することによつて歪みが生じること
になる。例えば、ホウ素或いはリンがシリコンの
中に注入されるとこの部分は縮むが、その縮みの
程度は、第4図から例えばホウ素が1020cm-3の濃
度の場合の格子定数の変化は2×10-3Åであり、
一方シリコンの格子定数は5.431Åであるので約
4×10-4(=2×10-3/5.431)の縮みとなる。4
×10-4以上の縮みを与えるには、注入量に比例し
てホウ素を注入すれば良い。
以上の点を考慮すれば、梁領域16にはホウ素
が1020cm-3ドーピングされているので、格子は非
常に縮んでいる。一方、第2エピタキシヤル層1
5はリンが1018cm-3程度ドーピングされているの
で、梁領域16より縮み方が小さく、このため梁
領域16に引張り歪みを生じさせている。しか
し、第2エピタキシヤル層15はP+である第1
エピタキシヤル層14の上に形成されたエピタキ
シヤル層なので、第1エピタキシヤル層14の影
響を受ける。もし、第1エピタキシヤル層14が
ホウ素のみでドープされた層であれば、この層の
格子は梁領域16と同様に縮み、従つて第2エピ
タキシヤル層15も圧縮され梁領域16に十分な
張力が生じなくなる。このため、P+である第1
エピタキシヤル層14にシリコンよりも共有結合
半径の大きいゲルマニウムを同時にドープして格
子を拡げて張力が緩和されないようにする。
さらに、ゲルマニウムの濃度を上げたり、第2
エピタキシヤル層15にもゲルマニウムを混入す
れば張力をより大きくすることができる。
以上のようにして振動梁9に任意の初期張力を
与えることができる。
第5図は第1図に示す振動形歪センサを励振す
る励振回路と組み合わせた構成を示す全体構成図
である。
19は測定圧力を検出する第1図に示す振動形
歪センサであり、20は振動形歪センサ19を励
振してその共振周波数の変化を取り出す励振回路
である。
振動形歪センサ19の振動梁9の両端からはリ
ード線l1,l2が端子T1,T2にそれぞれ引き出され
ている。
励振部20は、中点タツプ付きのトランス2
1、増幅器22、および比較抵抗23などで構成
されている。端子T1,T2を介して接続された振
動梁9と比較抵抗23との直列回路にはトランス
21の2次巻線n2の電圧が印加されている。
さらに、振動梁9及び比較抵抗23の接続点と
トランス21の1次巻線n1との間には増幅器22
が接続されて正帰還がかけられ、その出力端から
端子T3を介して発振周波数を検出する。
振動梁9には永久磁石12から直流磁界φが印
加されているので、第6図に示すように振動梁9
に交流電流iが流れると振動梁9に電磁力が働き
振動する。この振動は、中空室11が真空状態に
保持されているので振動梁9のQが数百〜数万の
値と高く、共振すると大きな振幅となる。従つ
て、増幅器22を介してトランス21に正帰還を
かけると系は振動梁9の歪みにより異なる固有振
動数で自励発振をする。
シリコン基板8などの周囲から印加される測定
圧力Pmによりシリコン基板8を構成するシリコ
ンSiに固有の体積圧縮率で決定される圧縮歪によ
り振動梁9の軸方向の張力が変化して共振周波数
が変化するので、この発振周波数の変化から
測定圧力Pmを知ることができる。
以上は、主として振動形歪センサの外側から測
定圧力を加えて振動梁が縮むことにより生じる発
振周波数の相違から歪みを検出する構成として説
明したが、これに限ることはなく例えばダイヤフ
ラムを持つ差圧/圧力センサ、加速度センサなど
に用いることもできる。
また、注入する原子はホウ素、リン、ゲルマニ
ウムを例として説明したが、これに限られること
はない。
さらに、振動梁或いはこれを固定する基板の材
質はシリコンに限られることはなく、例えば
GaxIn(1−x)GaAsの振動梁を形成しても張力
が発生する。
〈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、不純物を制御するだけで任意の大
きさでしかも安定に初期張力を加えることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施例の構成を示す構成
図、第2図は第1図に示す振動形歪センサを製造
する工程を説明する説明図、第3図は各種の不純
物の共有結合半径とシリコンの共有結合半径に対
する各種の不純物の共有結合半径の比を示す特性
図、第4図は不純物の濃度に対する格子定数の変
化を示す特性図、第5図は第1図に示す振動形歪
センサを励振する励振回路を示すブロツク図、第
6図は第5図に示す励振状態を説明する説明図、
第7図は従来の振動形圧力センサの構成を示す射
視図、第8図は第7図におけるX−X断面でカバ
ーをつけた断面図、第9図は第8図で一部を省略
して示した平面図である。 1,8…シリコン基板、2…受圧ダイアフラ
ム、3,4,9…振動梁、11…中空室、12…
永久磁石、13…保持基板、14…第1エピタキ
シヤル層、15…第2エピタキシヤル層、16…
梁領域、19…振動形歪センサ、20…励振回
路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 両端が半導体の基板に固定された半導体の振
    動梁の共振周波数を測定することによりこの振動
    梁の両端に加えられた歪みを測定する振動形歪セ
    ンサにおいて、前記基板を構成する主な原子の共
    有結合半径と異なる共有結合半径を持つ他の原子
    を前記基板に混入させ前記振動梁に初期張力を与
    えることを特徴とする振動形歪センサ。
JP28627387A 1987-11-12 1987-11-12 振動形歪センサ Granted JPH01127928A (ja)

Priority Applications (1)

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JP28627387A JPH01127928A (ja) 1987-11-12 1987-11-12 振動形歪センサ

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JP28627387A JPH01127928A (ja) 1987-11-12 1987-11-12 振動形歪センサ

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JPH01127928A JPH01127928A (ja) 1989-05-19
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JP5429696B2 (ja) * 2011-12-02 2014-02-26 横河電機株式会社 振動式トランスデューサの製造方法

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