JP4586425B2 - Vibrating transducer - Google Patents
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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ものである。 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例としては、次のようなものがある。
図26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一例を示す側面断面図。図27は、そのA−A断面図である。図において、1は半導体単結晶基板、2は半導体基板1の一部を薄く加工して形成され、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内に埋め込まれるように設けられた歪検出センサであり、ここでは、振動梁(振動子)が使用されている。4は振動子3を測定ダイアフラム2(半導体基板1)内に真空封止するためのシェルである。5はシェル4により形成される真空室である。
Examples of vibration transducers that form a fine vibrator in a vacuum chamber and measure the strain applied to the vibrator with high accuracy include the following.
FIG. 26 is a side sectional view showing an example of a vibration type transducer that has been generally used. FIG. 27 is a cross-sectional view taken along the line AA. In the figure,
振動子3およびシェル4は、エピタキシャル成長やエッチングなどの半導体製造プロセスにより形成され、所望の形状に加工されている。
また、振動子3は、永久磁石(図示せず)による磁場と、この振動子3に接続された閉ループ自励振回路(図示せず)とにより励振され、その固有振動数(共振周波数)で振動するように構成されている。
したがって、測定ダイアフラム2に測定圧Pmが加わると、振動子3の軸力が変化して、共振周波数が変化するので、この共振周波数(発振周波数)の変化を検出することにより、測定圧Pmの大きさを測定することができる。
The
The
Therefore, when the measurement pressure Pm is applied to the
このように、振動子3の励振に永久磁石を使用すると、振動子3に電流を供給するだけで、振動子3を振動させることができ、誘起される電流を測定するだけで、共振周波数の変化を検出することができる。
しかしながら、永久磁石を必要とすることや、磁石と振動子との位置合わせを精度良く行わなければならないこと等の問題点を有しており、製造コストを上昇させる要因となっている。
As described above, when a permanent magnet is used for exciting the
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 increases the manufacturing cost.
また、上記のように構成された振動式トサンスデューサでは、素子の製造工程を簡素化したり、振動子の下部にピエゾ抵抗などの電気素子を形成するために、振動子部分に多結晶シリコンが使用される場合が多いが、多結晶シリコンでは、振動子の残留歪の制御が容易ではなく、共振周波数のばらつきを抑えるためには、特殊な成膜条件を用い、これを厳密に管理する必要がある。 In the vibratory transducer configured as described above, in order to simplify the element manufacturing process or to form an electric element such as a piezoresistor in the lower part of the vibrator, polycrystalline silicon is formed in the vibrator portion. Although it is often used, in polycrystalline silicon, it is not easy to control the residual strain of the vibrator, and in order to suppress variations in resonance frequency, it is necessary to use special film formation conditions and strictly control this. There is.
なお、振動子を単結晶シリコンにより形成した場合には、残留歪の制御を容易に行うことができるが、振動子を形成するために、エピタキシャル成長や不純物拡散によって膜の性質を制御して、選択的なエッチングを行うことになるため、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にピエゾ抵抗などの電気素子を形成する構造が難しくなってしまう。 When the vibrator is made of single crystal silicon, the residual strain can be easily controlled. However, in order to form the vibrator, the film properties are controlled by epitaxial growth or impurity diffusion. Therefore, a structure in which a sacrificial layer under the vibrator is formed of an oxide film or an electric element such as a piezoresistor is formed in or under the vibrator becomes difficult.
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り、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には、その構造には自ずと限界があり、駆動方法や検出方法は、可能な限りシンプルなことが望ましい。 In a vibratory transducer, regardless of the constituent material of the vibrator, in order to increase the mechanical Q value of the vibrator, it is necessary to form the vibrator in a fine vacuum chamber, and MEMS (Micro Electro Mechanical Mechanical Systems) When a vibration transducer is realized by technology, its structure is naturally limited, and it is desirable that the driving method and detection method be as simple as possible.
本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、振動子の駆動および共振周波数変化の検出機構を簡素化することのできる振動式トランスデューサを実現することを目的としたものである。
また、本発明は、振動子を単結晶シリコンにより構成して、振動子の残留歪の制御を容易にすることができるとともに、振動子の駆動および共振周波数変化の検出機構を簡素化することのできる振動式トランスデューサを実現することを目的としたものである。
さらに、本発明は、寄生容量に流れる電流等のノイズ成分を除去して、S/N比の改善された検出出力を得ることのできる振動式トランスデューサを実現することを目的としたものである。
An object of the present invention is to realize a vibratory transducer that can eliminate the drawbacks of the above-described conventional devices and simplify the mechanism for driving a vibrator and detecting a change in resonance frequency.
Further, according to the present invention, it is possible to easily control the residual strain of the vibrator by configuring the vibrator with single crystal silicon, and to simplify the driving mechanism of the vibrator and the detection mechanism of the resonance frequency. The object is to realize a vibration transducer that can be used.
Another object of the present invention is to realize a vibratory transducer capable of removing a noise component such as a current flowing through a parasitic capacitance and obtaining a detection output with an improved S / N ratio.
このような目的を達成するために、本発明の振動式トランスデューサは、次に示す構成を有するものである。 In order to achieve such an object, the vibratory transducer of the present invention has the following configuration.
(1)半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第1の振動子を有する第1の振動子ユニットと、第2の振動子を有し、この第2の振動子をエッチング処理により形成する際に前記第2の振動子に接する犠牲層の一部が残されることで前記第2の振動子が前記第1の振動子とは異なる共振周波数を持つこと以外は、前記第1の振動子ユニットと同一構成になった第2の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第1および第2の振動子ユニットを前記第1の振動子における共振周波数で励振し、前記第1および第2の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出することを特徴とする。
(1) A vibrator is formed in a semiconductor substrate, and the vibrator is arranged in a vacuum chamber formed by a shell, and the magnitude of strain applied to the vibrator is detected as a change in the resonance frequency of the vibrator. In the vibratory transducer, the first vibrator unit having the first vibrator formed inside the shell and the second vibrator are formed, and the second vibrator is formed by etching. The first vibration except that a part of the sacrificial layer in contact with the second vibrator is left when the second vibrator has a resonance frequency different from that of the first vibrator. A second vibrator unit having the same configuration as that of the child unit, and detecting a change in resonance frequency due to strain as a change in capacitance between the vibrator and the shell. 2 vibrator units The Tsu bets excited at a resonant frequency in said first oscillator, and detects a difference in current flowing through each of the electrostatic capacitance in the first and second transducer units.
(2)半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第1の振動子を有する第1の振動子ユニットと、前記第1の振動子とは異なる長さに形成され前記第1の振動子とは異なる共振周波数を持つ第2の振動子を有すること以外は前記第1の振動子ユニットと同一構成になった第2の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第1および第2の振動子ユニットを前記第1の振動子における共振周波数で励振し、前記第1および第2の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出することを特徴とする。
(3)半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第1の振動子を有する第1の振動子ユニットと、前記第1の振動子とは異なる共振周波数を持つ第2の振動子を有すること以外は前記第1の振動子ユニットと同一構成になった第2の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第1および第2の振動子ユニットを前記第1の振動子における共振周波数で励振し、前記第1および第2の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出し、
前記第2の振動子ユニットは前記第1の振動子ユニットと、第2の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置を、前記第1の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置から、振動子の中央部に相当する位置を省略したものとするようにパターニングするプロセス以外は同一のプロセスにより形成されることを特徴とする。
(4)前記半導体基板はシリコン単結晶の基板であることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
(2) A vibrator is formed in a semiconductor substrate, and the vibrator is arranged in a vacuum chamber formed by a shell so that the magnitude of strain applied to the vibrator is detected as a change in the resonance frequency of the vibrator. In the vibratory transducer, the first vibrator unit having the first vibrator formed inside the shell and the first vibrator having a different length from the first vibrator. And a second vibrator unit having the same configuration as the first vibrator unit except that the second vibrator unit has a resonance frequency different from that of the first vibrator unit. Detecting the change in capacitance between the child and the shell, and exciting the first and second vibrator units at a resonance frequency of the first vibrator, so that the first and second vibrators are excited. Uni And detecting a difference between the currents flowing through the electrostatic capacitance in and.
(3) A vibrator is formed in a semiconductor substrate, and the vibrator is arranged in a vacuum chamber formed by a shell so that the magnitude of strain applied to the vibrator is detected as a change in the resonance frequency of the vibrator. The vibration type transducer includes a first vibrator unit having a first vibrator formed inside the shell, and a second vibrator having a resonance frequency different from that of the first vibrator. And a second vibrator unit having the same configuration as the first vibrator unit, and detecting a change in resonance frequency due to strain as a change in capacitance between the vibrator and the shell. In addition, the first and second vibrator units are excited at a resonance frequency in the first vibrator, and a difference between currents flowing through the respective capacitances in the first and second vibrator units is determined. Out,
The second vibrator unit has an arrangement of the first vibrator unit and an etchant introduction hole for forming the second vibrator, and an etchant introduction hole for forming the first vibrator. In this arrangement, the pattern is formed by the same process except for the patterning process so that the position corresponding to the central portion of the vibrator is omitted .
(4) The vibration transducer according to any one of (1) to (3), wherein the semiconductor substrate is a silicon single crystal substrate.
(5)前記第2の振動子ユニットにおいて、第2の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第2の振動子の上面に接する犠牲層を残すことを特徴とする(1)に記載の振動式トランスデューサ。
(6)前記第2の振動子ユニットにおいて、第2の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第2の振動子の下面に接する犠牲層を残すことを特徴とする(1)に記載の振動式トランスデューサ。
(7)前記第2の振動子ユニットにおいて、第2の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第2の振動子に上下面に接する犠牲層を残すことを特徴とする(1)に記載の振動式トランスデューサ。
(5) In the second of the transducer unit, wherein the second oscillator when forming by etching, to leave the sacrificial layer, characterized in (1) in contact with the upper surface of the second oscillator Vibratory transducer.
(6) said second oscillator unit, wherein the second oscillator when forming by etching, in (1) to leave the sacrificial layer in contact with the lower surface of the second oscillator Vibratory transducer.
(7) In the second of the transducer unit, when the second vibrator is formed by etching, to leave the sacrificial layer, characterized in (1) in contact with the upper and lower surfaces to the second oscillator The vibratory transducer as described.
(8)前記第1の振動子ユニットと前記第2の振動子ユニットとを同一の真空室内に形成したことを特徴とする(1)乃至(7)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
(9)前記第1の振動子ユニットと前記第2の振動子ユニットとを同一基板上に形成したことを特徴とする(1)乃至(8)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
(10)前記第1および第2の振動子ユニットにおいて、振動子とシェルとの間をエッチング処理するに際して、エッチングされる犠牲層として、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を用いたことを特徴とする(1)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
( 8 ) The vibratory transducer according to any one of (1) to (7) , wherein the first vibrator unit and the second vibrator unit are formed in the same vacuum chamber.
( 9 ) The vibratory transducer according to any one of (1) to ( 8 ), wherein the first vibrator unit and the second vibrator unit are formed on the same substrate.
( 10 ) The first and second vibrator units are characterized in that a silicon oxide film and a silicon nitride film are used as sacrificial layers to be etched when etching is performed between the vibrator and the shell. (1) The vibrating transducer according to any one of (4), (5), (6), (7), (8), and (9) .
(11)前記第1および第2の振動子ユニットにおいて、振動子および振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板への不純物拡散により形成したことを特徴とする(1)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
(12)前記第1および第2の振動子ユニットにおいて、振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板への不純物拡散により形成するとともに、振動子を基板上へのエピタキシャル成長をパターニングして形成したことを特徴とする(1)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
(13)前記第1および第2の振動子ユニットにおいて、振動子および振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板へのエピタキシャル成長をパターニングして形成したことを特徴とする(1)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
( 11 ) In the first and second vibrator units, the vibrator and the sacrificial layer under the vibrator are formed by impurity diffusion into the silicon single crystal substrate. (1) , (4) , (5), (6), (7), (8), (9), (10) .
( 12 ) In the first and second vibrator units, the sacrificial layer under the vibrator is formed by impurity diffusion into the substrate of the silicon single crystal, and the vibrator is formed by patterning epitaxial growth on the substrate. The vibratory transducer according to any one of (1) , (4), (5), (6), (7), (8), (9), and (10) .
( 13 ) In the first and second vibrator units, the sacrificial layer under the vibrator and the vibrator is formed by patterning epitaxial growth of the silicon single crystal on the substrate (1) , ( 1) 4) The vibrating transducer according to any one of (5), (6), (7), (8), (9), and (10) .
このように、本発明の振動式トランスデューサでは、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およびシリコン窒化膜を用いているので、非常に狭い隙間をエッチングすることができ、振動子とシェルの間の静電容量を利用して、振動子の駆動および共振周波数変化の検出を行うことができる。
また、同様のプロセスにより、共振周波数の異なる第1および第2の振動子ユニットを形成し、第1および第2の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出するようにしているので、寄生容量に流れる電流などのノイズ成分を除去して、S/N比の改善された検出出力を得ることができる。
As described above, in the vibratory transducer according to the present invention, when forming the vacuum chamber surrounding the vibrator, the silicon oxide film and the silicon nitride film are used as the sacrificial layer on the top of the vibrator, so that a very narrow gap is etched. It is possible to drive the vibrator and detect a change in the resonance frequency using the capacitance between the vibrator and the shell.
Further, the first and second vibrator units having different resonance frequencies are formed by the same process, and the difference between the currents flowing through the respective capacitances in the first and second vibrator units is detected. Therefore, it is possible to obtain a detection output with an improved S / N ratio by removing noise components such as a current flowing through the parasitic capacitance.
以下、図面を用いて、本発明の振動式トランスデューサを説明する。 Hereinafter, the vibratory transducer of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の振動式トランスデューサの一実施例を示す構成図である。図において、(a)は第1の振動子31を有する第1の振動子ユニットU1、(b)は第2の振動子32を有する第2の振動子ユニットU2を示す断面図であり、前記図23、図24と同様のものは同一符号を付して示す。16は第2の振動子32の一部に残された犠牲層である。図に示すように、第1の振動子ユニットU1と第2の振動子ユニットU2とは同様のプロセスにより形成され、同様の構成を有している。唯一の相違点は、第2の振動子32の一部に犠牲層16が残されている点である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the vibration type transducer of the present invention. In the figure, (a) is a cross-sectional view showing a first vibrator unit U1 having a first vibrator 31, and (b) a second vibrator unit U2 having a second vibrator 32. 23 and 24 are denoted by the same reference numerals.
したがって、第1の振動子31と第2の振動子32とは、共振周波数は異なるが、シェル4との間の静電容量や周辺の寄生容量は同一となる。
本発明の振動式トランスデューサでは、第1および第2の振動子31,32とシェル4との間の静電容量を利用して、第1および第2の振動子31,32の駆動および共振周波数変化の検出を行うとともに、第1および第2の振動子ユニットU1,U2において各静電容量に流れる電流の差を検出するように構成しているので、寄生容量に流れる電流などのノイズ成分を除去して、S/N比の改善された検出出力を得ることができる。
Therefore, the first vibrator 31 and the second vibrator 32 have different resonance frequencies, but have the same electrostatic capacitance with the
In the vibratory transducer of the present invention, the drive and resonance frequencies of the first and second vibrators 31 and 32 are made using the capacitance between the first and second vibrators 31 and 32 and the
図2〜図10は、第1の振動子ユニットU1における製造プロセスの概略を示す工程図である。以下、図にしたがって、製造プロセスを説明する。 2 to 10 are process diagrams showing an outline of the manufacturing process in the first vibrator unit U1. The manufacturing process will be described below with reference to the drawings.
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ーカットして凹部を形成し、ボロンの濃度1018cm−3のP型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型シリコンにより、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12a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 an N-type silicon
A portion from which the oxide film has been removed is undercut to form a recess, and selective epitaxial growth is performed using P-type silicon having a boron concentration of 10 18 cm −3 to grow P +
図3において、P++単結晶シリコン12a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、シェルにおける基板への接地部となる。
In FIG. 3, a
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各部に形成される静電容量の大きさが決まる。したがって、これらの値を制御することにより、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
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14が、後にシェルおよ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に選択するのが良い。 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 14 will later become a wiring for taking out the shell and electrodes. 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13およびシリコン酸化膜10bを除去する。シェルにおける基板への接地部は、シリコン窒化膜13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13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
図7において、P+単結晶シリコン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および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, P +
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SiO2、ガラス等)を形成して、エッチング液の導入穴を塞ぐとともに、微細な真空室5を形成する。 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. Form.
図9において、P++ポリシリコン14をパターニングし、シェルおよ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1を裏面から薄肉化して、測定ダイアフラム2を形成する。
このようにして、第1の振動子31およびこの振動子を有する第1の振動子ユニットU1が形成される。
In FIG. 9, P ++ polysilicon 14 is patterned to form a shell and electrical wiring from the shell, and an electrode for a bonding pad.
In FIG. 10, the
In this way, the first vibrator 31 and the first vibrator unit U1 having this vibrator are formed.
次に、第2の振動子32およびこの振動子を有する第2の振動子ユニットU2の製造プロセスについて説明する。
図11〜図15は、第2の振動子ユニットU2における製造プロセスの概略を示す工程図である。なお、第2の振動子ユニットU2における製造プロセスは、基本的に前記した第1の振動子ユニットU1における製造プロセスと同様であるので、ここでは、その相違する部分のみについて説明する。
Next, a manufacturing process of the second vibrator 32 and the second vibrator unit U2 having the vibrator will be described.
11 to 15 are process diagrams showing an outline of the manufacturing process in the second vibrator unit U2. Note that the manufacturing process in the second vibrator unit U2 is basically the same as the manufacturing process in the first vibrator unit U1 described above, and only the differences will be described here.
図11は、前記図5に相当する部分であり、エッチング液の導入穴Eの配置例を示す図である。図は、エッチング液導入穴Eの配置を上から見たものであり、例えば、振動子の中央部に相当する位置の導入穴が省略されており、この部分の間隔が広くなっている。なお、前記した第1の振動子ユニットU1の場合には、エッチング液導入穴Eは等間隔に設けられている。 FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 5 and showing an example of arrangement of the etching solution introduction hole E. FIG. In the figure, the arrangement of the etching solution introduction holes E is viewed from above. For example, the introduction holes at positions corresponding to the central portion of the vibrator are omitted, and the intervals between these portions are widened. In the case of the first vibrator unit U1, the etchant introduction holes E are provided at equal intervals.
したがって、エッチング時間を制御することにより、図12に示す如く、犠牲層16の一部を残すことができる。図13は、この様子を前記図6に対応させて示したものである。エッチング液導入穴Eの間隔が広くなった位置に対応した犠牲層16の一部が、エッチングされずに残っている。
Therefore, by controlling the etching time, a part of the
図14は、前記図7に相当する工程であり、アルカリ溶液(ヒドラジン、KOH、TMAH等)により、振動子下のP+単結晶シリコン11を除去する。ここでは、振動子下のP+単結晶シリコン11を全て除去している。
図15は、この様子を前記図7に対応させて示したものである。振動子上の犠牲層16の一部が残っている。
FIG. 14 is a process corresponding to FIG. 7, and the P +
FIG. 15 shows this state corresponding to FIG. A part of the
このように、エッチング液の導入穴Eの配置を変え、エッチング時間を制御すると、振動子に接する犠牲層16の一部を残すことができ、第1の振動子31とは共振周波数の異なる第2の振動子32を形成することができる。
As described above, when the arrangement of the etching solution introduction hole E is changed and the etching time is controlled, a part of the
図16は、第1および第2の振動子31,32に接続されるように、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、電極(ボンディングパッド)21を形成した状態を示す平面図である。図は、第1および第2の振動子ユニットU1,U2を同一の基板上に形成した場合を例示したものである。
また、図17は、そのB−B断面図である。
In FIG. 16, P ++ polysilicon (14) is patterned so as to be connected to the first and second vibrators 31 and 32, thereby forming the electrical wiring 20 and forming the electrode (bonding pad) 21. It is a top view which shows the state which carried out. The figure illustrates the case where the first and second vibrator units U1, U2 are formed on the same substrate.
Moreover, FIG. 17 is the BB sectional drawing.
図18は、振動子の駆動および検出回路の一例を示すもので、一方の振動子に対する回路部分を示したものである。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、OP1は演算増幅器、R4は演算抵抗である。このような構成において、C1は振動子とシェルとの間の容量であり、検出すべき容量である。C2は寄生容量、C3、C4は配線と基板との間の容量である。 FIG. 18 shows an example of a drive and detection circuit for a vibrator, and shows a circuit portion for one vibrator. In the figure, Vb is a bias voltage (constant voltage), Vi is a drive voltage (AC), R1 and R2 are wiring resistances, R3 is a substrate resistance, OP1 is an operational amplifier, and R4 is an operational resistance. In such a configuration, C1 is a capacitance between the vibrator and the shell, and is a capacitance to be detected. C2 is a parasitic capacitance, and C3 and C4 are capacitances between the wiring and the substrate.
容量C1が一定の場合、Viの角周波数を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が角周波数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。 When the capacitance C1 is constant and the angular frequency of Vi is ω, the amplitude of the output current is proportional to (C1 + C2) · Vi · ω. On the other hand, when C1 resonates at an angular frequency ω, assuming that the change in C1 due to resonance is ΔC1, a current having an amplitude proportional to ΔC1 · Vb · ω is approximately added. The resonance frequency is detected from the increase in current.
すなわち、この回路においては、共振周波数の変化に応じたC1の変化を、R4に流れる電流の変化として検出することができる。
しかしながら、このような回路では、C1が変化しなくてもC1に流れる電流、C2を流れる電流、C3、C4を経由して流れる電流を同時に検出しており、これがノイズ電流となっている。
That is, in this circuit, it is possible to detect a change in C1 corresponding to a change in the resonance frequency as a change in the current flowing through R4.
However, in such a circuit, even if C1 does not change, the current flowing through C1, the current flowing through C2, and the current flowing through C3 and C4 are simultaneously detected, and this is a noise current.
図19は、本発明の振動式トランスデューサに使用される検出回路の一実施例を示す構成図である。図において、前記図18と同様のものは、同一符号を付して示す。前記図18の回路を第1の振動子ユニットU1に対する検出回路部分であるとすると、C12、C22を含む回路は、第2の振動子ユニットU2に対する検出回路部分である。すなわち、C12が第2の振動子32とシェル4との間の容量であり、C22がその寄生容量である。演算増幅器OP1は、第1の振動子ユニットU1の容量C1と第2の振動子ユニットU2の容量C2に流れる電流の差を求めるように構成されている。また、Viの角周波数ωは、第1の振動子31の共振周波数に選ばれている。
FIG. 19 is a block diagram showing an embodiment of a detection circuit used in the vibration type transducer of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 18 are denoted by the same reference numerals. If the circuit of FIG. 18 is a detection circuit portion for the first transducer unit U1, the circuit including C12 and C22 is a detection circuit portion for the second transducer unit U2. That is, C12 is a capacitance between the second vibrator 32 and the
したがって、第1および第2の振動子ユニットU1、U2が全く同形状(C1=C12、C2=C22)であれば、C1が第1の振動子ユニットU1に流れるノイズ電流を、第2の振動子ユニットU2に流れるノイズ電流で打ち消し、C1の容量変化に応じて流れる電流Isのみを、Vo=Is×R4として検出することができる。 Therefore, if the first and second vibrator units U1 and U2 have exactly the same shape (C1 = C12, C2 = C22), the noise current flowing through the first vibrator unit U1 is converted into the second vibration by C1. Only the current Is that cancels with the noise current flowing in the child unit U2 and flows according to the change in the capacitance of C1 can be detected as Vo = Is × R4.
ここで、前記したように、第2の振動子ユニットU2においては、第2の振動子32に接する犠牲層の一部を残し、共振周波数を変化させているために、C1とC12およびC2とC22は僅かに異なる値となっているが、この差に比べて、C1、C12の値を大きくすれば、この影響を小さくして、充分なノイズ電流の除去効果を得ることができる。 Here, as described above, in the second vibrator unit U2, since a part of the sacrificial layer in contact with the second vibrator 32 is left and the resonance frequency is changed, C1, C12, and C2 Although C22 has a slightly different value, if the values of C1 and C12 are made larger than this difference, this effect can be reduced and a sufficient noise current removal effect can be obtained.
前記第1の実施例においては、第1および第2の振動子31、32における共振周波数を異ならせる手段として、第2の振動子32に接する犠牲層の一部、特に振動子上の犠牲層を残す方法を例示したが、エッチング処理の際に残す犠牲層は、これに限らず、振動子下の犠牲層または振動子の上下の犠牲層であってもよい。 In the first embodiment, as means for making the resonance frequencies of the first and second vibrators 31 and 32 different, a part of the sacrificial layer in contact with the second vibrator 32, particularly a sacrificial layer on the vibrator. However, the sacrificial layer to be left in the etching process is not limited to this, and may be a sacrificial layer under the vibrator or a sacrificial layer above and below the vibrator.
第1および第2の振動子31、32における共振周波数を異ならせる手段としては、第1および第2の振動子31、32の長さを変える方法も可能である。 As a means for making the resonance frequencies of the first and second vibrators 31 and 32 different, a method of changing the lengths of the first and second vibrators 31 and 32 is also possible.
第1および第2の振動子31、32における共振周波数を異ならせる手段としては、第第2の振動子ユニットU2におけるシェル4を真空封止しない方法も可能である。真空封止を行わないことにより、振動子32の振動抵抗が増し、共振周波数が変化する。
As a means for making the resonance frequencies of the first and second vibrators 31 and 32 different, a method in which the
前記第1の実施例においては、図16に示す如く、第1および第2の振動子ユニットU1、U2を同一基板上に形成した場合を例示したが、さらに、第1および第2の振動子31、32を同一の真空室内に形成することもできる。
図20は、この状態を示す平面図である。図に示すように、第1および第2の振動子31、32は共通のシェル4(真空室)の中に形成されている。
In the first embodiment, as shown in FIG. 16, the first and second vibrator units U1 and U2 are formed on the same substrate. However, the first and second vibrators are further illustrated. 31 and 32 can also be formed in the same vacuum chamber.
FIG. 20 is a plan view showing this state. As shown in the figure, the first and second vibrators 31 and 32 are formed in a common shell 4 (vacuum chamber).
図21は、前記図11に相当する部分であり、エッチング液の導入穴E1〜E3の配置例を示す図である。第2の振動子32側のエッチング液導入穴E3において、振動子の中央部に相当する位置の導入穴が省略されており、この部分の間隔が広くなっている。
このため、エッチング時間を制御することにより、第2の振動子32側の犠牲層16の一部のみを残すことができる。
FIG. 21 is a view corresponding to FIG. 11 and showing an arrangement example of the etching solution introduction holes E1 to E3. In the etching solution introduction hole E3 on the second vibrator 32 side, the introduction hole at a position corresponding to the central portion of the vibrator is omitted, and the interval between the portions is wide.
Therefore, by controlling the etching time, only a part of the
図22は、前記図15に対応させて示したA−A断面図である。図に示されるように、同一の真空室5内に第1および第2の振動子31、32が設けられ、第2の振動子32に接する犠牲層16の一部が残されている。
FIG. 22 is a cross-sectional view taken along the line AA corresponding to FIG. As shown in the figure, the first and second vibrators 31 and 32 are provided in the
このように、同一の真空室内に第1および第2の振動子31、32を形成するようにすると、振動子を形成するプロセスにおいて、振動子下部における犠牲層のエッチングを歩留まり良く行うことができる。 As described above, when the first and second vibrators 31 and 32 are formed in the same vacuum chamber, the sacrificial layer under the vibrator can be etched with a high yield in the process of forming the vibrator. .
なお、第1および第2の振動子31、32を同一の真空室内に形成した場合においても、振動子の共振周波数を異ならせる手段として、振動子の長さを変える方法を利用することもできる。 Even when the first and second vibrators 31 and 32 are formed in the same vacuum chamber, a method of changing the length of the vibrator can be used as means for changing the resonance frequency of the vibrator. .
また、前記第1の実施例においては、第1および第2の振動子ユニットU1、U2を同一基板上に形成した場合を例示したが、第1および第2の振動子ユニットU1、U2は、同一のプロセスにより形成されるものであれば、必ずしも同一基板上に形成される必要はない。 Further, in the first embodiment, the case where the first and second vibrator units U1 and U2 are formed on the same substrate is exemplified, but the first and second vibrator units U1 and U2 are As long as they are formed by the same process, they are not necessarily formed on the same substrate.
図23は、本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図である。図に示す例は、N型シリコン単結晶基板1の一部に振動子となる単結晶シリコン層を形成する工程において、まず、振動子下の犠牲層となるP+拡散層11aを形成し、次いで、振動子となるP++拡散層12bを形成するようにしたものである。
FIG. 23 is a block diagram showing another embodiment of the vibration type transducer of the present invention. In the example shown in the figure, in the step of forming a single crystal silicon layer serving as a vibrator on a part of the N-type silicon
図24は、本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図である。図に示す例は、N型シリコン単結晶基板1の一部に振動子となる単結晶シリコン層を形成する工程において、まず、振動子下の犠牲層となるP+エピタキシャル層11bを成長させ、次いで、振動子となるP++エピタキシャル層12cを成長させるようにしたものである。P+エピタキシャル層11bおよびP++エピタキシャル層12cは順次パターニングされ、所望の形状に形成される。
FIG. 24 is a block diagram showing another embodiment of the vibration type transducer of the present invention. In the example shown in the figure, in the step of forming a single crystal silicon layer serving as a vibrator on a part of the N-type silicon
図25は、本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図である。図に示す例は、N型シリコン単結晶基板1の一部に振動子となる単結晶シリコン層を形成する工程において、まず、振動子下の犠牲層となるP+拡散層11aを形成し、次いで、振動子となるP++エピタキシャル層12dを成長させるようにしたものである。P++エピタキシャル層12dはパターニングされ、所望の形状に形成される。
FIG. 25 is a block diagram showing another embodiment of the vibration type transducer of the present invention. In the example shown in the figure, in the step of forming a single crystal silicon layer serving as a vibrator on a part of the N-type silicon
なお、上記の説明においては、基板および振動子の材料として単結晶シリコンを使用した場合を例示したが、基板および振動子の材料はこれに限られるものではなく、他の半導体材料を使用することも可能である。 In the above description, the case where single crystal silicon is used as the material for the substrate and the vibrator is exemplified, but the material for the substrate and the vibrator is not limited to this, and other semiconductor materials should be used. Is also possible.
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
16 犠牲層
20 配線
21 ボンディングパッド
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第2の振動子ユニットは前記第1の振動子ユニットと、第2の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置を、前記第1の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置から、振動子の中央部に相当する位置を省略したものとするようにパターニングするプロセス以外は同一のプロセスにより形成されることを特徴とする振動式トランスデューサ。 A vibration that is formed in a semiconductor substrate and placed in a vacuum chamber formed by a shell so that the magnitude of strain applied to the vibrator is detected as a change in the resonance frequency of the vibrator. In the type transducer, except that it has a first vibrator unit having a first vibrator formed inside the shell and a second vibrator having a resonance frequency different from that of the first vibrator. A second vibrator unit having the same configuration as the first vibrator unit, and detecting a change in resonance frequency due to strain as a change in capacitance between the vibrator and the shell; The first and second vibrator units are excited at a resonance frequency in the first vibrator, and a difference between currents flowing through the respective capacitances in the first and second vibrator units is detected.
The second vibrator unit has an arrangement of the first vibrator unit and an etchant introduction hole for forming the second vibrator, and an etchant introduction hole for forming the first vibrator. A vibratory transducer formed by the same process except for the patterning process so that the position corresponding to the central portion of the vibrator is omitted from the arrangement of the above .
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