JP2005037309A - Vibration-type transducer - Google Patents

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Tetsuya Watanabe
哲也 渡辺
Yoshitaka Suzuki
良孝 鈴木
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration-type transducer manufactured stably at a low cost. <P>SOLUTION: This vibration-type transducer is equipped with a vibrator 3 provided on a silicon monocrystal substrate 1, a shell 4 for forming a vacuum chamber in the substrate by surrounding the vibrator so as to keep a gap around the vibrator, an excitation means for exciting the vibrator, and an excitation detecting means for detecting the vibration of the vibrator. As to this transducer, when forming the vibrator out of silicon monocrystal and forming the vacuum chamber surrounding the vibrator, a silicon oxide film and a silicon nitride film are used as sacrificial layers on an upper part of the vibrator while electrically insulating the vibrator and the shell from each other. The vibrator and the shell are driven by capacitance, with these used as electrodes, to detect distortion given to the vibrator as a change in resonance frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、微細な真空室内に微細な梁 (振動子)を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサに関する。   The present invention relates to a vibratory transducer in which a fine beam (vibrator) is formed in a fine vacuum chamber, and strain applied to the vibrator is measured with high accuracy.

真空室内に微細な振動子を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサの先行文献としては次のようなものがある。   The following is a prior art document of a vibratory transducer in which a fine vibrator is formed in a vacuum chamber and the strain applied to the vibrator is measured with high accuracy.

特開平5−332852号公報 特開平7− 30128号公報 特開平9−008330号公報 図16は従来より一般に使用されている振動式トランスデューサの側面断面図。図17は、図16のA−A断面図である。[Patent Document 1] Japanese Patent Laid-Open No. 5-332852 [Patent Document 2] Japanese Patent Laid-Open No. 7-30128 [Patent Document 2] Japanese Patent Laid-Open No. 9-008330 FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

これらの図において、1は半導体単結晶基板であり、2は半導体基板1に設けられ、測定圧Pmを受圧する測定ダイアフラムである。
3は測定ダイアフラム2内に埋込んで設けられた歪み検出センサで、振動梁(振動子)3が使用されている。
In these drawings, 1 is a semiconductor single crystal substrate, and 2 is a measurement diaphragm provided on the semiconductor substrate 1 and receiving a measurement pressure Pm.
A strain detection sensor 3 is embedded in the measurement diaphragm 2 and uses a vibrating beam (vibrator) 3.

4は封止用の半導体エピタキシャル成長層からなるシェルで、振動子3を測定ダイアフラム2に封止する。振動子3の周囲の、シェル4で囲まれた部分は真空室5となっている。振動子3は、永久磁石(図示せず)による磁場と、振動子3に接続された閉ル−プ自励発振回路(図示せず)とにより、振動子3の固有振動で発振するように構成されている。   Reference numeral 4 denotes a shell made of a semiconductor epitaxial growth layer for sealing, which seals the vibrator 3 to the measurement diaphragm 2. A portion surrounded by the shell 4 around the vibrator 3 is a vacuum chamber 5. The vibrator 3 is oscillated by the natural vibration of the vibrator 3 by a magnetic field generated by a permanent magnet (not shown) and a closed loop self-excited oscillation circuit (not shown) connected to the vibrator 3. It is configured.

以上の構成において、測定ダイアフラム2に測定圧力Pmが加わると、振動子3の軸力が変化し、固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測定圧力Pmを測定することが出来る。   In the above configuration, when the measurement pressure Pm is applied to the measurement diaphragm 2, the axial force of the vibrator 3 changes and the natural frequency changes, so that the measurement pressure Pm can be measured by the change of the oscillation frequency.

図18〜図23は、図16,17の従来例の製作工程の一例を示す説明図である。
図18において、N型シリコン(100)面にカットされた基板1に、シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物の膜101を形成し、膜101の所要の箇所102をホトリソグラフィにより除去する。
18 to 23 are explanatory views showing an example of the manufacturing process of the conventional example of FIGS.
In FIG. 18, a silicon oxide or silicon nitride film 101 is formed on a substrate 1 cut into an N-type silicon (100) surface, and a required portion 102 of the film 101 is removed by photolithography.

図19において、1050℃の水素(H)雰囲気中で、塩化水素でエッチングを行い、基板1に形成した所要箇所102をエッチングして膜101をアンダ−カットして、凹部103を形成する。 In FIG. 19, etching is performed with hydrogen chloride in a hydrogen (H 2 ) atmosphere at 1050 ° C., a required portion 102 formed in the substrate 1 is etched, and the film 101 is undercut to form a recess 103.

図20において、1050℃の水素(H)雰囲気中で、ソ−スガスに塩化水素ガスを混入して、選択エピタキシャル成長法を行う。すなわち、
a) ボロンの濃度1018cm-3のP形シリコンにより、真空室5の下半分に相当する第1エピタキシャル層104を選択エピタキシャル成長させる。
In FIG. 20, a selective epitaxial growth method is performed in a hydrogen (H 2 ) atmosphere at 1050 ° C. by mixing hydrogen chloride gas into the source gas. That is,
a) The first epitaxial layer 104 corresponding to the lower half of the vacuum chamber 5 is selectively epitaxially grown with P-type silicon having a boron concentration of 10 18 cm −3 .

b) ボロンの濃度3×1019cm-3のP形シリコンにより、第1エピタキシャル層104の表面に、所要の箇所102を塞ぐように、振動子3に相当する第2エピタキシャル層105を選択エピタキシャル成長させる。
c)ボロンの濃度1018cm-3のP形シリコンにより、第2エピタキシャル層105の表面に、真空室5の上半分に相当する第3エピタキシャル層106を選択エピタキシャル成長させる。
d) ボロンの濃度3×1019cm-3のP形シリコンにより、第3エピタキシャル層106の表面に、シェル4に相当する第4エピタキシャル層107を選択エピタキシャル成長させる。
b) The second epitaxial layer 105 corresponding to the resonator 3 is selectively epitaxially grown on the surface of the first epitaxial layer 104 with P-type silicon having a boron concentration of 3 × 10 19 cm −3 so as to block the required portion 102. Let
c) The third epitaxial layer 106 corresponding to the upper half of the vacuum chamber 5 is selectively epitaxially grown on the surface of the second epitaxial layer 105 with P-type silicon having a boron concentration of 10 18 cm −3 .
d) The fourth epitaxial layer 107 corresponding to the shell 4 is selectively epitaxially grown on the surface of the third epitaxial layer 106 with P-type silicon having a boron concentration of 3 × 10 19 cm −3 .

図21において、シリコン酸化物、あるいは、シリコン窒化物の膜101をフッ化水素酸(HF)でエッチングして除去し、エッチング注入口108を設ける。
図22において、第4エピタキシャル層107に対して基板1に正のパルスあるいは正の電圧を印加して、エッチング注入口108よりアルカリ液を注入して、第1エピタキシャル層104と第3エピタキシャル層106を選択エッチングして除去する。
In FIG. 21, the silicon oxide or silicon nitride film 101 is removed by etching with hydrofluoric acid (HF), and an etching inlet 108 is provided.
In FIG. 22, a positive pulse or a positive voltage is applied to the substrate 1 with respect to the fourth epitaxial layer 107, and an alkaline solution is injected from the etching inlet 108, and the first epitaxial layer 104 and the third epitaxial layer 106 are injected. Is removed by selective etching.

第2エピタキシャル層105と第1エピタキシャル層104あるいは第3エピタキシャル層106との間にエッチング作用の差があるのは、ボロンの濃度が3×1019cm-3以上となるとエッチング作用に抑制現象が生ずることによる。 There is a difference in etching action between the second epitaxial layer 105 and the first epitaxial layer 104 or the third epitaxial layer 106 because the etching action is suppressed when the boron concentration is 3 × 10 19 cm −3 or more. It depends on what happens.

図23において、1050℃の水素(H)中でN型シリコンのエピタキシャル成長を行い、基板1と第4エピタキシャル層107の外表面に、エピタキシャル成長層111を形成し、例えば熱酸化によりエッチング注入口108を閉じる。 In FIG. 23, N-type silicon is epitaxially grown in hydrogen (H 2 ) at 1050 ° C. to form an epitaxially grown layer 111 on the outer surfaces of the substrate 1 and the fourth epitaxial layer 107. For example, the etching inlet 108 is formed by thermal oxidation. Close.

単結晶シリコンで作製された振動子を有する振動式トランスデューサは、多結晶材料やアモルファス材料と比較して、残留歪のばらつきが小さく、制御も容易である。振動子を単結晶シリコンで構成する場合、上述のようにエピタキシャル成長や不純物拡散によって不純物の種類や濃度を変え、選択的なエッチングにより振動子を形成する。   A vibratory transducer having a vibrator made of single crystal silicon has less variation in residual strain and is easy to control as compared with a polycrystalline material or an amorphous material. When the vibrator is made of single crystal silicon, the kind and concentration of impurities are changed by epitaxial growth or impurity diffusion as described above, and the vibrator is formed by selective etching.

このため、振動子下部の犠牲層を酸化膜で構成したり、振動子中や振動子下部の基板部分に電気素子(ピエゾ抵抗や静電容量を構成する電極)をもつような構造は実現が困難であるか、実現のために複雑な製造工程が必要になり製造コストが上昇する。という問題がある。   For this reason, a structure in which the sacrificial layer at the bottom of the vibrator is composed of an oxide film, or an electrical element (electrode that forms a piezoresistance or capacitance) is provided in the vibrator or at the bottom of the vibrator is realized. It is difficult or a complicated manufacturing process is required for realization, resulting in an increase in manufacturing cost. There is a problem.

振動式トランスデューサでは、振動子の構成材料にかかわらず、振動子の機械的Q値を高くするために、振動子を微細な真空室内に形成する必要がある。MEMS(Micro・Electro・Mecanical・Sistems)技術により振動式トランスデューサを実現する場合、その構造には自ずと限界があり、駆動方法、検出方法は、可能な限りシンプルな構造が望ましい。   In a vibratory transducer, it is necessary to form a vibrator in a fine vacuum chamber in order to increase the mechanical Q value of the vibrator regardless of the constituent material of the vibrator. When a vibration type transducer is realized by a MEMS (Micro / Electro / Mechanical / Systems) technology, its structure is naturally limited, and a drive method and a detection method are preferably as simple as possible.

電磁駆動/検出の場合、外部に永久磁石を設置すれば、振動子に電流を通電するだけで駆動でき、誘起された電流を測定するだけで検出できる。しかし、永久磁石を必要とすることや、磁石と振動子の位置合わせを精度良く行わなければならない等の問題があり、製造コストを上昇させる要因になっている。   In the case of electromagnetic drive / detection, if a permanent magnet is installed outside, it can be driven simply by energizing the vibrator, and it can be detected simply by measuring the induced current. However, there are problems such as the need for a permanent magnet and the need to position the magnet and the vibrator with high precision, which increase the manufacturing cost.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、
a)振動子を単結晶により構成して、残留歪の制御を容易にし、
b)基板、振動子、真空室を、半導体プロセスにより、モノリシックに形成し、
c)静電容量により振動子の駆動、検出を行い、振動子の駆動、検出機構を簡便化することにより、安価に、且つ、安定に製造できる振動式トランスデューサを提供することを目的としている。
The present invention has been made to solve such problems,
a) The vibrator is composed of a single crystal to facilitate control of residual strain,
b) A substrate, a vibrator, and a vacuum chamber are formed monolithically by a semiconductor process,
c) An object of the present invention is to provide a vibratory transducer that can be manufactured inexpensively and stably by driving and detecting a vibrator by electrostatic capacitance and simplifying the drive and detection mechanism of the vibrator.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
シリコン単結晶の基板に設けられた振動子と、該振動子の周囲に隙間が維持されるように該振動子を囲み前記基板内に真空室を構成するシェルと、該振動子を励振する励振手段と、前記振動子の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動式トランスデューサにおいて、前記振動子をシリコン単結晶で形成し、該振動子を囲む真空室を形成するに際しては、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いるとともに前記振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子およびシェルを電極として静電容量により駆動させ、前記振動子に加えられた歪を共振周波数の変化として検出することを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A vibrator provided on a silicon single crystal substrate, a shell that surrounds the vibrator so as to maintain a gap around the vibrator and forms a vacuum chamber in the substrate, and an excitation that excites the vibrator And an excitation detecting means for detecting vibration of the vibrator, the vibrator is formed of a silicon single crystal and a vacuum chamber surrounding the vibrator is formed. A silicon oxide film and a silicon nitride film are used as sacrificial layers of the electrodes, the vibrator and the shell are electrically insulated, and the vibrator and the shell are used as electrodes to be driven by an electrostatic capacity to resonate the strain applied to the vibrator. It is detected as a change in frequency.

請求項2記載の発明は、
1)シリコン単結晶基板に、シリコン酸化膜を形成する工程。
2)シリコン酸化膜を部分的に除去し、除去した個所をアンダ―カットして、凹部Dを形成し、この凹部中にP単結晶シリコンおよびP++単結晶シリコンを選択エピタキシャル成長により順次成長させる工程。
3)P++単結晶シリコン上にシリコン酸化膜を形成する工程。
4)基板表面にシリコン窒化膜を形成する工程。
5)基板表面にP++ポリシリコンを形成し、このP++ポリシリコンにエッチング液導入穴を形成する工程。
6)シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を除去する工程。
7)P単結晶シリコン層を除去する工程。
8)エッチング液の導入穴をふさぎ真空室を形成する工程。
9)P++ポリシリコンをパターニングし、振動子及びシェルからの電気的配線を形成しボンディングパッド用の電極を形成する工程。
10) シリコン基板を裏面から薄肉化しダイアフラムを形成する工程。を含むことを特徴とする。
The invention according to claim 2
1) A step of forming a silicon oxide film on a silicon single crystal substrate.
2) The silicon oxide film is partially removed, the removed portion is undercut to form a recess D, and P + single crystal silicon and P ++ single crystal silicon are sequentially grown in this recess by selective epitaxial growth. Process.
3) A step of forming a silicon oxide film on P ++ single crystal silicon.
4) A step of forming a silicon nitride film on the substrate surface.
5) A step of forming P ++ polysilicon on the substrate surface and forming an etching solution introduction hole in the P ++ polysilicon.
6) A step of removing the silicon nitride film and the silicon oxide film.
7) A step of removing the P + single crystal silicon layer.
8) A step of closing the etching solution introduction hole to form a vacuum chamber.
9) A step of patterning P ++ polysilicon to form an electrical wiring from the vibrator and shell to form an electrode for a bonding pad.
10) A step of thinning the silicon substrate from the back surface to form a diaphragm. It is characterized by including.

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
1)振動子を単結晶シリコンで構成しているため、残留歪の制御が容易である。
2)振動子を囲む真空室を形成するに際して、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いているのでエッチング液としてHFを用いて非常に狭いギャップのエッチングが可能となる。HFは0.1μm以下の非常に狭いギャップ内も、容易にエッチングすることが可能である。これにより、1μm以下のギャップを形成することが可能となり、所望の振動子/シェル間の容量を得ることが可能となる。
3)また、振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子/シェル間の静電容量により駆動/検出を行うため、振動子より基板側に電気素子を形成する必要がなく、構造が簡便で、安価に、安定に製造できる。
4)電磁駆動/検出方式で必要となる外部に設置する永久磁石が必要なく、安価に、安定に製造できる。
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.
1) Since the vibrator is made of single crystal silicon, the residual strain can be easily controlled.
2) When the vacuum chamber surrounding the vibrator is formed, since a silicon oxide film and a silicon nitride film are used as a sacrificial layer on the top of the vibrator, it is possible to etch a very narrow gap using HF as an etchant. HF can be easily etched even in a very narrow gap of 0.1 μm or less. As a result, a gap of 1 μm or less can be formed, and a desired capacitance between the vibrator / shell can be obtained.
3) Since the vibrator and shell are electrically insulated and driven / detected by the capacitance between the vibrator and shell, there is no need to form an electric element on the substrate side from the vibrator, and the structure is simple. Thus, it can be manufactured stably at low cost.
4) There is no need for an external permanent magnet required for the electromagnetic drive / detection method, and it can be manufactured stably at low cost.

図1〜図10は、本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図である。
図において、図16〜図23に示す従来例と同一機能のものは同一記号を付している。
図1は完成図、図2〜図10は概略製作工程図である。製作工程に従って説明する。
FIGS. 1-10 is principal part structure explanatory drawing which shows an example of embodiment of this invention.
In the figure, components having the same functions as those of the conventional example shown in FIGS.
1 is a completed drawing, and FIGS. 2 to 10 are schematic production process diagrams. This will be described according to the manufacturing process.

図2において、N型シリコン単結晶基板1に、シリコン酸化膜10aを形成しパターニングする。
酸化膜を除去した部分をアンダ―カットして、凹部を形成しボロンの濃度1018cm-3のP形シリコンにより、選択エピタキシャル成長を行ってP単結晶シリコン11を成長させる。次に、ボロンの濃度3×1019cm-3のP形シリコンにより、P単結晶シリコン11の表面に、凹部を塞ぎ更に上方にP++単結晶シリコン12を成長させる。後に、P単結晶シリコン層が振動子下のギャップ、P++単結晶シリコン層が振動子となる。
In FIG. 2, a silicon oxide film 10a is formed on the N-type silicon single crystal substrate 1 and patterned.
The portion from which the oxide film has been removed is undercut to form a recess, and selective epitaxial growth is performed with P-type silicon having a boron concentration of 10 18 cm −3 to grow P + single crystal silicon 11. Next, a P ++ single crystal silicon 12 is grown on the surface of the P + single crystal silicon 11 by closing the recess with P-type silicon having a boron concentration of 3 × 10 19 cm −3 . Later, the P + single crystal silicon layer becomes the gap under the vibrator, and the P ++ single crystal silicon layer becomes the vibrator.

図3において、P++単結晶シリコン12上を含む基板表面にシリコン酸化膜10bを形成しパターニングする。酸化膜を除去した凹部Dで示す部分が、シェルの基板への接地部となる。 In FIG. 3, a silicon oxide film 10b is formed on the surface of the substrate including the P ++ single crystal silicon 12 and patterned. The portion indicated by the recess D from which the oxide film has been removed becomes a grounding portion of the shell to the substrate.

図4において、凹部Dを含む基板表面にシリコン窒化膜13を形成し、パターニングする。P++単結晶シリコン12a(振動子)上のシリコン酸化膜10bおよびシリコン窒化膜13が、振動子上のギャップとなる。これらの膜厚,振動子の面積により静電容量が決まる。従ってこれらの値を所望の静電容量が得られるように調整しておくことで、振動子の駆動、検出のための静電容量を最適化することができる。 In FIG. 4, a silicon nitride film 13 is formed on the substrate surface including the recess D and patterned. The silicon oxide film 10b and the silicon nitride film 13 on the P ++ single crystal silicon 12a (vibrator) form a gap on the vibrator. The capacitance is determined by the film thickness and the area of the vibrator. Accordingly, by adjusting these values so that a desired capacitance can be obtained, the capacitance for driving and detecting the vibrator can be optimized.

図5において、P++ポリシリコン14を全面に形成し、パターニングにより犠牲層エッチングのためのエッチング液導入穴Eを形成する。このP++ポリシリコンが、後にシェル及び電極取り出しのための配線となる。配線は、P++/P単結晶シリコンを利用することや、選択エピタキシャル成長前にシリコン基板への不純物拡散をすることで形成することも可能である。配線とシリコン基板との間の寄生容量が最も小さくなるよう選択するのが良い。 In FIG. 5, P ++ polysilicon 14 is formed on the entire surface, and an etching solution introduction hole E for sacrificial layer etching is formed by patterning. This P ++ polysilicon will later become wiring for shell and electrode extraction. The wiring can also be formed by using P ++ / P + single crystal silicon or by diffusing impurities into the silicon substrate before selective epitaxial growth. It is preferable to select the parasitic capacitance between the wiring and the silicon substrate to be the smallest.

図6において、エッチング液の導入穴Eから弗酸を流入させシリコン窒化膜14、シリコン酸化膜12bを除去する。シェルの基板への接地部は、シリコン窒化膜14のエッチング速度が遅いため、横方向では、シリコン窒化膜がエッチングストップ層となる。   In FIG. 6, hydrofluoric acid is introduced from the etching solution introduction hole E to remove the silicon nitride film 14 and the silicon oxide film 12b. Since the etching rate of the silicon nitride film 14 is slow at the ground portion of the shell to the substrate, the silicon nitride film serves as an etching stop layer in the lateral direction.

図7において、P単結晶シリコン層11を、アルカリ溶液(ヒドラジン、KOH、TMAH等)により除去する。この時、P++単結晶シリコン12a、P++ポリシリコン14は、高濃度に不純物導入されているため、エッチングされない。また、アルカリ溶液によるエッチング中に、N型シリコン基板に1〜2Vの電圧を印加しておくことにより、エッチングされないよう保護することができる。振動子の長さ方向は、シリコン単結晶の<111>方向のエッチング速度が遅いことを利用して、エッチングストップとする。 In FIG. 7, the P + single crystal silicon layer 11 is removed by an alkaline solution (hydrazine, KOH, TMAH, etc.). At this time, the P ++ single crystal silicon 12a and the P ++ polysilicon 14 are not etched because impurities are introduced at a high concentration. Further, by applying a voltage of 1 to 2 V to the N-type silicon substrate during etching with an alkaline solution, it can be protected from being etched. The length direction of the vibrator is set as an etching stop by utilizing the slow etching rate in the <111> direction of the silicon single crystal.

図8において、スパッタ、蒸着、CVD、エピタキシャル成長等により、封止部材15(例えば、スパッタにより形成したSiO,ガラス等)を形成してエッチング液の導入穴をふさぐとともに、微細な真空室5を形成する。この工程の前に、熱酸化等により振動子表面及び真空室内部にシリコン酸化膜を形成する等の方法で、シェルと振動子の電気的絶縁をより安定にすることも可能である。この場合には、封止部材として、導電性の材料を使用することができる。 In FIG. 8, a sealing member 15 (for example, SiO 2 formed by sputtering, glass, etc.) is formed by sputtering, vapor deposition, CVD, epitaxial growth, etc. to close the etching solution introduction hole, and the fine vacuum chamber 5 is formed. Form. Prior to this step, it is possible to further stabilize the electrical insulation between the shell and the vibrator by a method such as forming a silicon oxide film on the vibrator surface and in the vacuum chamber by thermal oxidation or the like. In this case, a conductive material can be used as the sealing member.

図9において、P++ポリシリコン14をパターニングし、振動子及びシェルからの電気的配線を形成するとともにボンディングパッド用の電極を形成する。
図10において、シリコン基板を裏面から薄肉化し、ダイアフラムを形成する。
図11(a)は振動子12a及びシェル14に接続してP++ポリシリコン14をパターニングし、電気的配線20を形成するとともにボンディング用のAl電極21を形成した状態を示す平面図である。
In FIG. 9, P ++ polysilicon 14 is patterned to form electrical wirings from the vibrator and shell, and to form bonding pad electrodes.
In FIG. 10, the silicon substrate is thinned from the back surface to form a diaphragm.
FIG. 11A is a plan view showing a state in which the P ++ polysilicon 14 is patterned by being connected to the vibrator 12a and the shell 14 to form the electrical wiring 20 and the bonding Al electrode 21. FIG.

図11(b)は本発明の振動式トランスデューサの回路図を示すものである。
図においてVbはバイアス電圧(定電圧)、Viは駆動電圧(交流)、R1,R2は配線抵抗、R3は基板抵抗である。
C1は振動子/シェル間の容量、C2は寄生容量、C3,C4は配線/基板間の容量である。図において、R3,C2,3,4が小さい程ノイズ電流が小さくなる。また、これらの値は、配線の形成方法、パターン等により決まる。従って、これらの値を可能な限り小さくなるように決定する。
FIG. 11 (b) shows a circuit diagram of the vibratory transducer of the present invention.
In the figure, Vb is a bias voltage (constant voltage), Vi is a drive voltage (AC), R1 and R2 are wiring resistances, and R3 is a substrate resistance.
C1 is the capacitance between the vibrator / shell, C2 is the parasitic capacitance, and C3 and C4 are the capacitance between the wiring and the substrate. In the figure, the smaller the R3, C2, 3 and 4, the smaller the noise current. These values are determined by the wiring formation method, pattern, and the like. Therefore, these values are determined to be as small as possible.

図において、振動子/シェル間の容量C1が一定の場合、Viの周波数をωとすると、出力電流の振幅は(C1+C2)・Vi・ωに比例する。一方、C1が周波数ωで共振する場合、共振によるC1の変化分をΔC1とすると、近似的にΔC1・Vb・ωに比例した振幅の電流が加算される。この電流の増加分により、共振周波数を検出する。   In the figure, when the capacitance C1 between the vibrator and the shell is constant, the amplitude of the output current is proportional to (C1 + C2) · Vi · ω when the frequency of Vi is ω. On the other hand, when C1 resonates at frequency ω, assuming that the change in C1 due to resonance is ΔC1, a current having an amplitude approximately proportional to ΔC1 · Vb · ω is added. The resonance frequency is detected from the increase in current.

図12は、振動子をH型として形成し、駆動用の静電容量と検出用の静電容量に分けたものである。ただし、この場合、2つのシェル(上部電極)を電気的に絶縁するために、前述の作製方法より複雑な作製方法が必要となる。図(a)は振動子の平面図、図(b)は図(a)のA−A断面図で測定ダイアフラム2やシェル14を含んだ状態を示している。   In FIG. 12, the vibrator is formed as an H type, and is divided into a driving capacitance and a detection capacitance. However, in this case, in order to electrically insulate the two shells (upper electrodes), a more complicated manufacturing method than the above-described manufacturing method is required. FIG. 4A is a plan view of the vibrator, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

図13〜15は真空室5の下部と振動子3を構成するための他の実施例を示すもので、図13はN型シリコン単結晶基板1の表面にP拡散層11aを形成し、この拡散層中にP++拡散層12bを形成したもの。 FIGS. 13 to 15 show another embodiment for constituting the lower part of the vacuum chamber 5 and the vibrator 3. FIG. 13 shows that a P + diffusion layer 11 a is formed on the surface of the N-type silicon single crystal substrate 1. In this diffusion layer, a P ++ diffusion layer 12b is formed.

図14はN型シリコン単結晶基板1の表面にPエピタキシャル層11bを形成し、このエピタキシャル層11b上にP++エピタキシャル層12cを形成し、それぞれをパターニングしたもの。 FIG. 14 shows a P + epitaxial layer 11b formed on the surface of an N-type silicon single crystal substrate 1, a P ++ epitaxial layer 12c formed on the epitaxial layer 11b, and patterned.

図15はN型シリコン単結晶基板1の表面にP拡散層11aを形成し、この拡散層11a上にP++エピタキシャル層12dを形成し、パターニングしたものである。 In FIG. 15, a P + diffusion layer 11a is formed on the surface of an N-type silicon single crystal substrate 1, and a P ++ epitaxial layer 12d is formed on the diffusion layer 11a and patterned.

本発明の実施形態の一例を示すトランスデューサの要部構成説明図である。It is principal part structure explanatory drawing of the transducer which shows an example of embodiment of this invention. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の製作工程図である。FIG. 2 is a production process diagram of FIG. 1. 図1の配線図及び回路図である。It is the wiring diagram and circuit diagram of FIG. 本発明の他の実施例を示す図である。It is a figure which shows the other Example of this invention. 他の製作例を示す図である。It is a figure which shows the other example of manufacture. 他の製作例を示す図である。It is a figure which shows the other example of manufacture. 他の製作例を示す図である。It is a figure which shows the other example of manufacture. 一般に使用されている従来例の構成説明図である。It is structure explanatory drawing of the conventional example generally used. 図16のA―A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 図16の製作工程図である。FIG. 17 is a production process diagram of FIG. 16. 図16の製作工程図である。FIG. 17 is a production process diagram of FIG. 16. 図16の製作工程図である。FIG. 17 is a production process diagram of FIG. 16. 図16の製作工程図である。FIG. 17 is a production process diagram of FIG. 16. 図16の製作工程図である。FIG. 17 is a production process diagram of FIG. 16. 図16の製作工程図である。FIG. 17 is a production process diagram of FIG. 16.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 測定ダイアフラム
3 振動子
4 シェル
5 真空室
10 シリコン酸化膜
11 P単結晶シリコン
12 P++単結晶シリコン
13 シリコン窒化膜
14 P++ポリシリコン
15 封止部材
20 配線
21 Alパッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Measurement diaphragm 3 Vibrator 4 Shell 5 Vacuum chamber 10 Silicon oxide film 11 P + Single crystal silicon 12 P ++ Single crystal silicon 13 Silicon nitride film 14 P ++ Polysilicon 15 Sealing member 20 Wiring 21 Al pad

Claims (2)

シリコン単結晶の基板に設けられた振動子と、該振動子の周囲に隙間が維持されるように該振動子を囲み前記基板内に真空室を構成するシェルと、該振動子を励振する励振手段と、前記振動子の振動を検出する励振検出手段とを具備する振動式トランスデューサにおいて、前記振動子をシリコン単結晶で形成し、該振動子を囲む真空室を形成するに際しては、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を用いるとともに前記振動子およびシェルを電気的に絶縁し、振動子およびシェルを電極として静電容量により駆動させ、前記振動子に加えられた歪を共振周波数の変化として検出することを特徴とする振動式トランスデューサ。   A vibrator provided on a silicon single crystal substrate, a shell that surrounds the vibrator so as to maintain a gap around the vibrator and forms a vacuum chamber in the substrate, and an excitation that excites the vibrator And an excitation detecting means for detecting vibration of the vibrator, the vibrator is formed of a silicon single crystal and a vacuum chamber surrounding the vibrator is formed. A silicon oxide film and a silicon nitride film are used as sacrificial layers of the electrodes, the vibrator and the shell are electrically insulated, and the vibrator and the shell are used as electrodes to be driven by an electrostatic capacity to resonate the strain applied to the vibrator. A vibratory transducer that is detected as a change in frequency. 1)シリコン単結晶基板に、シリコン酸化膜を形成する工程。
2)シリコン酸化膜を部分的に除去し、除去した個所をアンダ―カットして、凹部Dを形成し、この凹部中にP単結晶シリコンおよびP++単結晶シリコンを選択エピタキシャル成長により順次成長させる工程。
3)P++単結晶シリコン上にシリコン酸化膜を形成する工程。
4)基板表面にシリコン窒化膜を形成する工程。
5)基板表面にP++ポリシリコンを形成し、このP++ポリシリコンにエッチング液導入穴を形成する工程。
6)シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜を除去する工程。
7)P単結晶シリコン層を除去する工程。
8)エッチング液の導入穴をふさぎ真空室を形成する工程。
9)P++ポリシリコンをパターニングし、振動子及びシェルからの電気的配線を形成しボンディングパッド用の電極を形成する工程。
10)シリコン基板を裏面から薄肉化しダイアフラムを形成する工程。を含むことを特徴とする振動式トランスデューサの製造方法。
1) A step of forming a silicon oxide film on a silicon single crystal substrate.
2) The silicon oxide film is partially removed, the removed portion is undercut to form a recess D, and P + single crystal silicon and P ++ single crystal silicon are sequentially grown in this recess by selective epitaxial growth. Process.
3) A step of forming a silicon oxide film on P ++ single crystal silicon.
4) A step of forming a silicon nitride film on the substrate surface.
5) A step of forming P ++ polysilicon on the substrate surface and forming an etching solution introduction hole in the P ++ polysilicon.
6) A step of removing the silicon nitride film and the silicon oxide film.
7) A step of removing the P + single crystal silicon layer.
8) A step of closing the etching solution introduction hole to form a vacuum chamber.
9) A step of patterning P ++ polysilicon to form electrical wirings from the vibrator and shell to form electrodes for bonding pads.
10) A step of thinning the silicon substrate from the back surface to form a diaphragm. The manufacturing method of the vibration type transducer characterized by the above-mentioned.
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