JPH0519090B2 - - Google Patents

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する形
式のこの発明の改良のベースとなる公知の振動形
差圧センサは、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
ンサとして説明して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７図と第８
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差圧センサのカバー
をとつた構成を示す斜視図、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の中央を掘つ
て薄肉部を形成して上面から圧力S_pを下面から圧
力（S_p＋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＝
100μm、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。

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図に示すように圧力S_pと圧力（S_p＋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62年７月２日に特願昭62−166175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９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６図における検出部Ｄ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（SiO₂）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膜９の中央
部を紙面に垂直方向にフオトエツチングして、溝
１０を形成する。

第９図ニの工程では、1050℃の温度で水素ガス
H₂に塩酸HCl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
1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中で10¹⁸cm^-3
の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシヤルし
て第１エピ層１２を形成する。

この後、第９図ヘに示すように、第１エピ層１
２の上に1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中
で10²⁰cm^-3の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタ
キシヤルして振動梁１３となる第２エピ層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1.17Åであり、ホウ素のそ
れは0.88Å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エピ層
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1.10Å）濃度を調
整してシリコン基板８と第２エピ層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エピ層１４
の上に1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中で、
10¹⁸cm^-3の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキ
シヤルして第３エピ層１５を形成する。

更に、第９図チに示すように、第３エピ層１５
の上に1050℃の温度で水素ガスH₂の雰囲気中で、
10¹⁷cm^-3の濃度のリン（ｎ形）を選択エピタキシ
ヤルして第４エピ層１６を形成する。

第９図リは、第９図チに示す選択エピタキシヤ
ルの工程の後にSiO₂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エピ層１２と第３エピ層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エピ層１６がｐ形の第２エ
ピ層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5Vで繰返し周期
が0.04Hz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エピ層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
エピ層１２と第３エピ層１５に対して大幅に遅く
なるので、これを利用して第１エピ層１２と第３
エピ層１５を除去する。さらに、第２エピ層１４
はドープされたホウ素の濃度が４×10¹⁹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エピ層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エピ層１４との間に間
隙を持つように形成される。

第９図ルは、熱酸化の工程を示す。この工程で
は、シリコン基板８、第２エピ層１４、および第
４エピ層１６の内外の全表面にそれぞれ酸化膜
（SiO₂）８ａ，１４ａ、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エピ層１４、および第４エピ層１６の内
外の全表面にそれぞれ形成された酸化膜８ａ，１
４ａ、および１６ａのうち、シリコン基板８と第
４エピ層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
選択エピタキシヤル成長の準備をする。

第９図ワの工程では、全体を1050℃の温度で水
素H₂の雰囲気中でシリコン基板８と第４エピ層
１６の外面の部分にｎ形の選択エピタキシヤル成
長をさせる。この選択エピタキシヤル成長によ
り、シリコン基板８と第４エピ層１６との間に形
成された開口部１８が埋められてシエル２０が形
成され内部に棒状の第４エピ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H₂の雰囲気中で
選択エピタキシヤ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とシエル２０と
の間に形成された中空室２１の中には水素H₂が
封入されている。

そこで、第９図カに示すように900℃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１×10^-3Torr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
説明する欠点を持つ。

このような振動形差圧センサを用いて、例えば
500Kg／cm²にも及ぶ高い静圧Spの基で例えば
（10mmH₂O〜10Kg／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（S_p＋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ε_s＝S_pｌ／E_sだけ収縮する。但し、E_sは体積圧
縮率、ｌは振動梁の長さである。

従つて、振動梁にはε_s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。

〈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つて変形
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つ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、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エルと、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。

〈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
つて振動梁に加わる歪みを静圧によつて支持梁に
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図は本発明のシエルを除いた１実
施例を示す射視図、第２図はシエルを付したその
Ｘ−Ｘ断面の構成を示す断面図、第３図は第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の中央を掘つ
て薄肉部を形成して静圧S_p、（S_p＋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、２
６は内部を例えば真空に保持するシエルであり、
これ等は第９図で説明した製造方法と同様にして
製造される。

振動梁部２５の詳細は第３図に示してある。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２７ｂは断面が
矩形の棒状の支持梁２８，２９の各一端２８ａ，
２９ａに一体に固定されている。支持梁２８，２
９は振動梁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
２７の側面には空間３０，３１が、支持梁２８，
２９の側面も空間３２が、振動梁２７の底面にも
空間３３（第２図）がそれぞれ形成されている。
従つて、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（S_p＋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
示す動作説明図を用いて説明する。第４図は静圧
S_pが印加されたときの振動梁部２５の変形を、第
５図は差圧ΔPが印加されたときの振動梁部２５
の変形をそれぞれ示している。

まづ、静圧S_pが加わつたときの動作について第
４図を用いて説明する。

静圧S_p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２
７、支持梁２８，２９が、振動梁２７にはその長
さに応じてε_s＝S_pl₁／E_sなる圧縮歪が、支持梁２
８，２９にはε_s＝S_pl₂／E_sなる圧縮歪が生じるこ
とによつて、支持梁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Δx₁だけ右
に変位する。

従つて、Δx₁＝ε_sの関係になるように選定する
と、静圧S_pが受圧ダイアフラム２３に加わつて
も、結果として振動梁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σ_dと
して加わつ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は振動梁２７、
支持梁２８，２９は実線で示すような形状になつ
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σ_dが加わると、振動梁２７の一端２７ａ
にはその長さに応じて圧縮歪ε_dが加わり、一方で
支持梁２８，２９のの両端にはその長さに応じて
逆に引張歪ε_d′＝−l₂νε_d／l₁（ν：ポアソン比）が
加わる。

このε_dとε_d′の歪みにより支持梁２８，２９の
各一端２８ａ，２９ａはΔx₂だけ変位する。この
Δx₂がΔx₂≒０となるように各梁を設計すると、
圧縮歪ε_d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図に示す振動梁２７の他端
２７ｂが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を支持梁２
８，２９の一端２８ａ，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動梁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する。

なお、バラツキのためにこれ等の支持梁２８，
２９，３３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、その出力で振動梁での静圧補償のバラ
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
を設けることによつ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図はシエ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図はシエルを除いた
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エピ層、１３
…振動梁、１４…第２エピ層、１５…第３エピ
層、１６…第４エピ層、１８…開口部、２０…シ
エル、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、２
６…シエル、２７…振動梁、２８，２９，３３…
支持梁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周囲に固定部を持ちその内側に差圧によつて
   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、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
   シエルと、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。