CN1013407B - 振动型传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动型传感器，其中H型振子与硅基片形成整体，在周围有一个空腔，连同放大器一起，在其固有频率上保持自激振荡；当施加到硅基片上一定物理量，如力、压力、差压等时，振子的固有频率随该物理量而变量，通过变化检测物理量；通过半导体技术制造该振动型传感器的工艺；维持空腔内真空的工艺；给予振子初始应力的结构，以及使自激振荡稳定工作的放大器结构。

Description

本发明涉及到一种振动型传感器及其制造方法，并且具体涉及到这样一种传感器及其制造方法;其中在一个硅基片上形成的桁架式（beamlike）振子按其固有振动频率维持振动，当象力、压力、压差等这样的物理量作用于硅基片上时，可通过该物理量引起的固有振动频率的变化来检测它们。

更具体地说，本发明涉及到一种高信噪比（S/N） 值的振动型传感器，该传感器能够产生稳定的自激振荡，并且还涉及到它的制造方法。

图1至图4是表示先有技术振动型传感器一个实例的框图。

图1是一个用作为压力传感器的振动型传感器的透视图。图2是图1中截面A的放大图，并且连接了一个振动检测电路。图3是沿图2的A-A′线所取的截面图。图4是一个解释性的图，其中用等效电路表示图2中所示的结构。

如图1所示，参考号10处是一个单晶硅基片，它的顶部有一处（100），掺杂浓度为10¹⁵原子/厘米³或以下，且为p型导电方式。膜片11通过蚀刻从背面挖出，并且在基片10的一侧形成薄层。

膜片11周围的厚壁部分12与基座14接合在一起，在其座14的中心有一个压力孔13。基座14还有一个相连的压力管15，以与压力孔13联通，要测量的压力P引入到压力管15。

在膜片11的侧面，用参考字符A指示的未被蚀刻的部分形成掺杂浓度为10¹⁷的n+扩散层（未示出）。在n+扩散层的一部分上，沿（001）方向（图2）形成振子16。例如，通过对用光刻法和欠蚀刻在膜片11形成的n+层和p层进行加工可以得到振子16。

参考号17代表一个磁体，它在振子16的上面，中心大致相对，相互垂直，并且不与其接触。18代表二氧化硅（SiO₂）膜，它起绝缘膜的作用（图3）。

参考字符19a，19b代表金属电报，例如铝等等。金属电极19a的一端连接到n+层，n+层是从振子16通过二氧化硅层提供的接触孔20a延伸过来的;电极19a的另一端通过一根导线连接到比较电阻R₀上，电阻R₀差不多等于振子16的电阻值;并且还连接到放大器21的输入端。从放大器21的输出端产生输出信号，该输出端连接到变压器22的初级线圈L₁的一端，线圈L₁的另一端连接到公共线。

另一方面，比较电阻R₀的另一端连接到变压器22的次级线圈L₂的一端，线圈L₂的中点连接到公共线，其另一端通过金属电极19b和在振子16另一端同样形成的接触孔20b连接到n+层。

在上述结构中，当p型层（基片10）和n+层（振子16）之间的绝缘上加有反向偏置电压，并且振子16上加上交流电流时，振子16的阻抗就在其谐振状态下上升，如果阻抗是R，就可获得图4所示的等效电路。

因此，次级线圈L₂（中点C₀连接到公共线），比较电阻R₀和阻抗R就构成一个电桥，这样，如果在放大器21上检测到了电桥的不平衡信号，并且放大器的输出通过反馈线23正反馈到初级线圈L₁，则该系统将在振子16的固有振荡频率上产生自激振荡。

在上述结构中，在固有振荡频率上振子16的阻抗R增大。该阻抗R可以用下式表示：

R＝（1/222）·〔1/（Egr） 1/2 〕·（AB²l²/bh²）·Q+Rd

其中：

E-弹性模数

g-重力加速度

r-构成振子材料的密度

A-由振动方式确定的常数

B-磁通密度

l-振动束的长度

b-振动束的宽度

h-振动束的厚度

Q-质量因数

Rd-直流电阻值

根据上式，由于振子16的Q取值从几百到几万，在谐振状态下放大器21的输出端可以得到幅值相当大的信号。所以，由于放大器21的增益足够大，可以产生正反馈，该振动型传感器系统就可以以固有振荡频率自激振荡。

于是，通过有选择的蚀刻，在n型硅基片上扩硼，密度在4×10¹⁹原子/厘米³或更高，所获得的P型半导体可以用于该振子。

但是，在这种振动型传感器中，振子16上产生的相反的电动力由交流电桥的不平衡电压检测到，事实上，激励电流分量不可能全部被直流电桥所抑制，则与激励电流分量相应的电压在电桥的输出端就被放大了，这样，由于振子阻抗变化生成的电压叠加到激励分量的电压上，使信噪比（S/N）值变坏，从而不能获得稳定的输出信号。

由上述先有技术看来，本发明首先要解决这个问题，因此要提供一个振动型传感器，该传感器具有满意的信噪比值的振子，稳定的输出以及高的灵敏度;其次要提供一种制造该振动型传感器的方法。

振动型传感器中设有振子体，该振子体包括单晶硅基片上的单晶硅材料，激励振子体的激励装置，检测被激励振子体振动的振动检测装置。为达到上述目的，本发明的主要结构包括：H形振子体，它 具有两个基本的振子，振子两端固定到基片上，且互相平行：另有一个将两个基本振子中心部分机械耦联起来的辅助振子;一个磁场感应装置，给振子体垂直地加一个直流磁场;一个激励装置，通过向一个基本振子的相对端或向两个基本振子的同侧端施加交流电流，人为地用直流磁场激励振子;一个振动检测装置，用来检测在另一个基本振子的两端上或在两个基本振子的同侧端上所产生的电动力;以及一个连接在激励装置和振动检测装置之间的放大装置。

还包括一个振子，通过注入另一种耦合半径小于构成该振子的原子耦合半径的原子，使该振子具有预先确定的初始应力。

关于振动型传感器的制造方法，在单晶硅基片上的薄膜片上形成一个桁架式振子，除了其端部以外，与该膜片有一个预定的间隙;它的顶部有一个外壳盖住，外壳与振子间也有一预定的间隙，本发明还包括一种辅助技术其中间隙的相应部分和由硅或氧化硅组成的振子与基片形成一个整体，然后，间隙相应部分的上部由与该基片成为一整体的外壳相当部分盖住。下一步，在外壳的相当部分上形成一个浸蚀剂注入口，该注入口延伸到间隙相应部分，以便通过蚀刻去掉间隙相应部分，然后封闭注入口，以维持密封。

在上述结构中，如果将外力施加到基片上的膜片上，振子体的固有振动频率就随外力而变化。由振动检测装置检测振子体的振动，取出固有振动频率的变化作为输出信号输出。进而，从固有频率的变化中检测出施加于膜片上的物理量。

再有，在上述制造方法中，通过蚀刻在硅基片上形成薄膜片，并且，还可根据单晶特性，用蚀刻以及半导体技术，在这一部分上将H形振子与膜片作成一个整体。

图1是表示一种先有技术结构的透视图，其中振动型传感器用作为压力传感器;

图2是图1中截面A的放大框图，并且连接了一个振动检测电路;

图3是沿图2A-A′线所取的截面图;

图4是一个解释性的图，其中图2所示的结构由一个等效电路来表示;

图5是一个总框图，给出了本发明的一个实施例的总结构;

图6表示图5中所示的振子体主要部分的结构，其中图6（A）是去掉外壳的顶视图，图6（B）是沿图6（A）中B-B′线所取的截面图;

图7是通过测量图1所示之振动型传感器的信噪比值所得到的结果特性图;

图8是表示图5所示之实施例变型的主要部分的框图;

图9给出了制造图5中振动型传感器的工艺方法;

图10是表示制作图5中H型振子体方法的一部分;

图11表示用来提高和稳定图9所示制作方法的振子生产率的工艺图;

图12是说明改进图9中的工艺方法的图;

图13是说明图11中辅助外延层作用的图;

图14是使外壳内部保持真空的振子体结构的制造方法主要部分的图;

图15是从图14中的外壳内部抽出气体使之保持真空的特性图;

图16是一个方法图，其中对图14所示的方法做了部分修改;

图17是表示振动型传感器主要部分结构的截面图，传感器的振子已被赋予初始应力;

图18是表示每种杂质共价键半径R₂以及各种杂质共价键半径Ri与硅共价键半径Rsi关系的特性图;

图19是一个表示晶格常数相对杂质密度变化的特性图;

图20是一个表示振子体制造方法主要部分的图，该振子体是图17所示振动型应变传感器的主要部分;

图21是表示图5所示放大器的详细结构的电路图;

图22是一个表示采用图21所示放大器电路结构时的效果特性图;

图23是当去掉图21所示场效应晶体管并将其短路以产生一个恒定驱动力（以恒定电源电压驱动）时的电路方块图。

下面结合较佳实施例的附图对本发明作详细叙述。

图5是本发明一个实施例总体结构的框图，图6表示图5所示振子体主要部分的结构;图6（A）是去掉外壳时的顶视图;图6（B）是沿图6（A）中B-B′线所取的截面图。

振子体24包括一个H型振子等，它由基本振子26A、26B和P型硅辅助振子27构成，整个作在n型单晶硅制成的膜片25上。

与图3所示膜片11的情况一样，膜片25是通过对周围具有厚壁部分（未示出）的n型硅基片下表面中部进行蚀刻，使之变薄而形成的;待测量压力作用其上时，总体上会移位。通过对膜片25上表面的晶面（100）的一部分进行蚀刻而形成H形凹部28，每个振子都装在此凹部中。

桁架式基本振子26A，26B是P型的，与膜片25形成一个整体，且与晶轴（001）平行，其每一个都跨在凹部28上;在这两个振子的中部，有一个P型桁架式辅助振子27垂直地将它们连接起来，因此形成H形振子。

在基本振子26A相对的两端形成电极29和30，在基本振子26B相对的端形成电极31和32。

在辅助振子27的上部与其平行设置了磁体17，于是，在基本振子26A，26B上产生了一个垂直磁场。

输入变压器33用作为激励装置，其输出端连接到电极29、30，输入端34的一端连接到输出端35，而另一端连接到公共线。

输出变压器36用作为振动检测装置，其输入端连接到电极31、32，而输出端37、38连接到放大器39的输入端。

然而，为了叙述方便，在图5和图6中，将覆盖在膜片25上的外壳去掉了。如下所述，基本振子26A、26B和辅助振子27实际上用膜片25在四周整体覆盖住，在用外延生长技术等生产半导体时，在膜片与振子间留有间隙，而将间隙内部抽成真空，以维持振子振动的高Q因数。

在上述结构中，基本振子26A被从放大器39输入到输入变压器33的电压激励而振动，该电压是由与磁体17的磁场的相互作用产生的。于是该振动通过辅助振子27使得基本振子26B振动，并且通过与磁铁17的相互作用，此振动使输出变压器36在其输入端产生一个电动力e。该电动力e通过输出变压器输入到放大器39而被放大，并且输出到输出端35，被放大的电压正反馈到输入变压器33，如此反复就产生系统的自激振荡。

如上所述，振子体14分成用于激励的基本振子26A和用于检测电动力的基本振子26B;而基本振子26A、26B是借助于辅助振子27机械地连接在一起形成振动电路的，因此，激励电流分量不叠加在电动力e上，而又获得一个消除了（信噪）比率的高激励分量。

图7示出通过测量如上构成的振动型传感器的信噪比值所获得的结果。

在图7中，横坐标轴表示频率，每个分度为1千赫（KH₂），纵坐标轴表示衰减，每个分度为5分贝（dB）。当施加在膜片25上的压力为零时，谐振频率是71551、1赫（Hz）。记号X所表示的点对于参考电平-7，0dBm是-13，3dBm，随着它离开谐振点，逐渐接近指示-52dBm噪声线的线。信噪比值表示其差值，得到的信噪比达到30-40dB，比上面的好得多。

图8是本发明另一个实施例的主要部分的框图。

在该实施例中，其结构是输入变压器33的副边与二个基本振子26A、26B的同侧端相连接，而输出变压器36的原边与基本振子26A、26B的另一同侧端相连接。

这样，上述实施例中的辅助振子27须是P型硅的，但是，并不一定如此，例如可以是在氧化硅（SiO₂）或氮化硅（Si₃N₄）上蒸发象铝等导体。

再有，这种振动型传感器的振动频率随硅的弹性模数的温度系数而变化。因此这些振子放在真空容器中可以用作为温度计，还可以不作压力表而作浓度计。

如上述，振子体24被分成用于激励的基本振子26A和用于检测电动力的基本振子26B，进而由辅助振子27机械地将基本振子26A和26B连接在一起形成振动环路。因此不包括激励电流分量，于是可以获得除去（信噪）比率的高激励分量。

因此，根据图5的实施例，可以获得信噪比值满意和输出信号频率稳定的振动型传感器。

图9是表示图5所示振动型传感器制造方法的图。为叙述简便起见，该方法只涉及到制造桁架式基本振子26A，与之相连接的不是辅助振子27，而是振子体24。

图9（a）表示形成保护覆盖层以及在其一部分开口的方法。

在n型单晶硅基片40的晶面（100）上形成诸如氧化硅、氮化硅等的保护覆盖层41，然后借助一个掩模，在保护覆盖层的一部分上形成一个开口42，掩模的式样沿袭基本振子26A的形状。

下一步，制造工艺进行到图9（b），在基片上形成一个凹部。

通过在1050℃氢（H₂）气体中的盐酸蚀刻，在基片40上相应于开口42处形成一个凹部43。

在这种情况下，例如可以借助40℃-130℃的碱溶液，而不是盐酸，进行非均质的蚀刻。

图9（c）表示外延工艺。

将盐酸混合到源气体中，在1050℃氢（H₂）气体中进行多层选择性外延生长。在这一方面，下面将进一步详述。

（1）第一步，作为间隙相应部分下半部的第一外延层44，是借助于硼的浓度为10¹⁸cm^-3的P型硅，在凹部43上进行选择性外延生长处理生成的。

（2）第二步，在第一外延层44的表面上，借助硼浓度为10²⁰cm^-3P型硅，进行选择性外延生长处理，生成相应于基本振子26A的第二外延层45，从而封闭开口42。

（3）第三步，借助硼浓度为10¹⁸cm^-3P型硅，进行选择性外延生长处理，在第二外延层45表面上生成作为间隙相应部分的上半部的第三外延层46。

（4）第四步，相应于外壳的第四外延层47（下面将叙述），是借助于硼浓度为10²⁰cm^-3P型硅，在第三外延层46的表面上进行选择性外延生长处理生成的。

但是，在这种情况下，对于第三外延层4G，可以使用磷浓度10¹⁷cm^-3n型硅。

图9（d）表示形成注入浸蚀剂的注入口的方法。

在该方法中，借助于氢氟酸（HF）蚀刻保护覆盖层41，并将其除掉。在第四外延层47的一侧提供注入浸蚀剂的注入口48。

图9（e）表示在振子和基片以及其它部分之间形成间隙的选择性蚀刻方法。

施加来自脉冲源EP的正脉冲电压，n型基片40相对于P型第四外延层47将是反偏置的;为了保护基片40，通过注入口48注入碱溶液，于是通过选择性蚀刻，将第一外延层44和第三外延层46除去了。

在这种情况下，对于第三外延层46可以使用磷浓度为10¹⁷cm^-3n型硅。对于第四外延层47可以使用硼浓度为10²⁰cm^-3P型硅，利用硼的浓度超过4×10¹⁹cm^-3会抑制这种蚀刻作用现象。

最后进入到图9（f）所示的密封工艺。

在此项工艺中，n型硅受到1050℃氢（H²）环境中的外延生长处理，在基片40和第四外延层47处表面上形成外延层50，部分地形成外壳51且密封注入口48。

除上述方法外，密封工艺可以包括：（1）通过加热氧化封闭注入口48;（2）按照CVD（化学汽相淀积）工艺或溅蚀，用多晶硅给注入口48复以薄膜;（3）按照外延工艺的真空蒸发技术在注入口48中加注硅;或者（4′）按照CVD工艺，溅蚀或蒸发，在注入口48中加注一种绝缘材料，例如玻璃（SiO₂），氮化硅，硅土等。尽管没有指出，但其后借助于通过从基片40下侧蚀刻使基片向上弯。而形成了膜片25。

上述制造工艺可以产生如下效果。

第一，由于基片40，第二外延层45（起基本振子26A的作用）和外养51形成一个整体，就无需将基片40和外壳51再结合在一起，这样可以避免由于结合造成的不稳定性。

第二，借助简单的结构可以将空气和振子隔离，因而易于实现小型化。

第三，由于采用半导体工艺技术，则易于实现振子及外壳的精确的定位，厚度及形状。

图10示出形成H形振子体的部分工艺。

在这种情况下，图10所示工艺代替了图9（a）和（b）的工艺，且其它工艺与图9等同，因此而完成H形振子体24。

首先，如图10（a）所示，在硅基片（40）的晶面（100）的上表面上，形成诸如氧化硅，氧化硅等的保护涂层52，然后借助一个有H形开口的掩模通过光刻法在基片40表面的保护层52上除去一H形状，于是在保护涂层52上就形成了一个H形开口53。

处置H形开口53，使在基片40的（001）方向和与其正交方向的表面由每个基本振子26A、26B和辅助振子27形成H形桁条。

下一步如图10（b）所示，通过蚀刻具有该开口53的保护涂层52，在基片40上形成了一个相应于开口53的H形凹部54。

然后，按照图9所示的工艺形成图5所示的H形振子体24。

图11示出了一种工艺，据此可提高和稳定按图9的制造工艺生产振子的生产率。

该项工艺与图9所示工艺几乎相同，图11（c）除外。

图11（c）的工艺包括：在图11（b）所形成的凹部43表面上形成一个厚度在1微米或以下高浓度硼P⁺⁺P型外延薄层71。这种情况下，浓度最好定到用浸蚀 剂蚀刻P型外延层71的极限上，或例如3×10¹⁹cm^-3左右。

后面的工艺是通过图11（d）的外延工艺做图11（f）的蚀刻，形成图11（e）的浸蚀剂注入口。

在此项工艺中，从注入口48注入浸蚀剂，蚀刻并除去等同于间隙相应部分的第一外延层44及第三外延层46。在此情况下，辅助外延层71原本就是P型及高浓度的，因此不用蚀刻。但是，由于它非常薄，硼聚集度变差，且按照选择外延工艺的自动掺杂和加热工艺扩散，由碱溶液进行蚀刻，于是在表面上显露出基片40的n型面。

下面将参考图12和图13对上述工艺进一步详细介绍。

在图11（c）的工艺中，不出现附加外延层71;在图11（f）的蚀刻工艺中，P型硅在n型基片40和P型第一对延层44之间的PN结上维持孤岛状。

上述维持孤岛状的P型剩余物72（图12）形成一个n型的转化层73。用碱溶液作为蚀刻过程中的浸蚀液，该转化层在边界处转换为n型，于是形成一个通路，从脉冲源EP〔图11（f）〕来的电流ie流过该通路，如箭头所示，保护剩余物72表面免受蚀刻，这会产生在振子下部有部分蚀刻不到的问题。

因此，在基片40的顶部就形成了辅助外延层71，它是P型高浓度P⁺⁺（3×10¹⁹cm^-3左右）硼涂层，厚度在1微米或以下：漏电流ie被切断，以防止形成剩余物72，且保证稳定的蚀刻从而提高蚀刻生产率。

下面介绍用于形成图9（f）情况下的外壳的工艺。

图14是一个工艺图，是实现使振子体保持在内部真空的外壳中的结构的制造工艺的主要部分。

为了高灵敏度地以高Q因数检测压力及其它物理量，需要将振子装设在真空里。但是，在这种情况下，要制造桁条式振子26A、26B、27与模片25形成一个整体这样一种结构的振动型传感器，其制造工艺需要一些设备。

为描述图14，需研究将图5示的振子体的基本振子保持在真空中的情况。

从图9（a）到图9′（e）的工艺仍不变，于是，图10（a）的蚀刻结果等效于图9（f）。

在图14（b）的工艺中，对基片40和第四外延层47的外表面在温度约1050℃的氢（H₂）气或真空中进行n型外延生长处理，在基片40和第四外延层47之间形成的注入口48由外延生长填充，于是形成外壳51，且在第二外延层内形成带有基本振子26A的振动型传感器的振子体。

这种情况下，在基本振子26A的周围和空腔74内部形成与注入口48的间隙（t）相等厚度的n型层。

在图14（b）的工艺中，由于在氢（H₂）气中实现外延生长，在单晶硅基片40和外壳51之间的空腔74中充了氢气（H₂）。

如图14（c）所示，具有振子体的振动型传感器被放入保持900℃的真空中，通过硅晶格将氢（H₂）抽出至真空。于是可得到1×10^-3乇或以下的真空度。

然而在惰性气体和氮气（压力略低于氢）中亦已得到类似的结果。

下一步，参考图15叙述氢的抽取。图15中，横座标轴表示温度，纵座标轴表示离解压力。而从原点划线表示一个界限，该界限区分氢被基片40的硅吸收的区域和从硅中向外抽出氢的区域。

根据介绍，当在温度为T₁（例如1200°K）的真空中留存长时间时，在外壳51内的氢就吸收到外壳51和基片40的硅中，且扩散到其内部，如果周围压力为P₁（如10^-3乇）或以下，则已达到表面的氢就会被分离且释放。

于是，空腔74内可保持例如10^-3乇的真空度。

从按照上述工艺进行的试验结果可以理解以上叙述，在外壳51内的空腔74中压力约为10^-3乇的情况下，得到基本振子26A的Q因数值为3×10⁴或以上。

图16是一个对图14所示的工艺部分改型的工艺图。

直至图14（a）的工艺维持相同，工艺进入到图16（a）。

通过图14（a）的刻蚀工艺形成了注入口48，而图16（a）工艺则用于密封注入口48。

在该项工艺中，在由第四外延层47（用作基本振子26A）到第二外延层45和硅基片40的间隙中，氧被取代，然后通过喷镀非晶硅密封注入口48，因而形成外壳75。

此后，工艺进入到抽气的图16（b）。在该项工艺中，包括振子体的振动型传感器置于温度为900℃或以上的真空中，空腔74的一个内壁被该空腔内在图16（a）工艺中充的氧气氧化，或是在硅中的氧气部分扩散出硅的表面，因此，真空度增高。

根据本发明上述制造工艺，振子与硅基片形成 一个整体，它们之间并留有一个预定的间隙，并且通过预定工艺实现真空，因此，可以实现压力和温度特性都优越的振动型传感器。

图17是一个截面图，表示振子加了初始应力的振动型传感器结构的主要部分。振子体的制造方法是，两头固定在n型硅基片40上，P型振子13固定时，除两端外，与基片40留有预定的间隙，上面盖有一个与基片40成一整体的硅外壳51，因此，振子周围形成空腔74，空腔74内部保持真空。

然后，例如待测压力Pm施加于膜片25，测量两端固定在膜片25上的振子76上相应于本身应变的谐振频率，从而获得待测量压力Pm。

其时，除非待测压力Pm为零时施加初始应力，否则待测压力Pm会使振子76出现弯曲，这是不准备测量的;除非初始应力的消散受到控制，否则会由此导至灵敏度偏移。

下边的叙述将涉及到这方面。图18表示各种杂质的共价键半径Ri以及每种杂质的共价键半径Ri与硅共价键半径Ri之间的关系。图19示出晶格常数的变化与杂质浓度的关系。从图18可以理解，当硅（Si）的共价键半旋RSi为1.17 时，磷（P）的共价键半径为1.10 ，硼（B）为0.88

，相当小，因此，当硼或磷注入到硅中时，这部分就受到拉伸应变。因此，在图19中硼的浓度是10²⁰cm^-3，例如晶格常数的变化为2×10^-3A由于硅的晶格常数为5.431 ，则应变约为4×10^-4（＝2×10^-3/5.431）。对于4×10^-4或以上的应变，将两倍地注入硼，即为2×10²⁰cm^-3，与注入率成正比，则将产生8×10^-4的初始应力。因此，可通过注入任意浓度的硼，得到任意的初始应力。

因此，图17中所示的振子76是有一个初始应力的。

对于小于4×10^-14的应变，n型硅基片40的磷浓度增加了，或者振子76被氧化，使振子表面上的硼分离成为氧化膜，用氟化氢（HF）除去该氧化膜，则在振子76中的硼浓度减小了，以调整应力为4×10^-4或以下。然后，如图21体现的，认为在10¹⁷cm^-3左右的硼浓度上，应力将几乎不增加。

图20是表示振子体制造工艺主要部分的工艺图，振子体是本发明振动型应变传感器的主要部分。

图20（a）表示在图9（a）和图9（b）工艺中通过盐酸（HCl），蚀刻形成凹部的状态。

下一步如图20（b）所示，对浓度为10¹⁸cm^-3的硼（P型），在1050℃氢气（H₂）中，进行选择性外延生长处理使之成为凹部43，因而形成第一外延层44。

此后，如图20（c）所示，在1050℃氢（H₂）气中，对被调整为10²⁰cm^-3浓度的硼（P型），在第一外延层44上进行选择外延生长处理，因而形成用作为振子76的第二外延层77。

硅的共价键半径为1.17

，且硼的共价键半径为0.88 ，因此，如果硼被部分地注入硅中，该部分就受到了拉伸应变，它通过调整用作为振子76的第二外延层77的硼的密度产生一个必须的初始应力。

下一步如图20（d）所示，对10¹⁸cm^-3浓度的硼（P型）在1050℃氢（H₂）气中，在第二外延层77上进行选择性外延生长处理，因而形成第三外延层46。

进一步如图20（e）所示，对10²⁰cm^-3浓度的硼（P型）在1050℃氢气（H₂）中在第三外延层46上所进行选择性外延生长处理，因而形成第四外延层47。

图20（f）表示蚀刻工艺，用于除去第一外延层44及第三外延层46，其中SiO₂保护涂层41是经由图20（e）的选择性外延生长工艺之后借助氟化氢（HF）蚀刻去除的（工艺未示出）。

尽管没有描述，在这个蚀刻工艺中，整个浸在碱溶液中，从直流脉冲源EP施加一个重复频率为0.04赫，峰值为5伏的正脉冲电压，从而相对于P型第二外延层77，n型硅基片40的电位为正。由于n型硅片40和第四外延层47表面都有一层不可溶解的薄膜，对施加其上的电压为钝态，所以蚀刻率大大低于第一外延层44和第三外延层46。利用这一点去除第一外延层44和第三外延层46。进而当掺硼浓度大于4×10¹⁹时，蚀刻率比硅没有被掺杂的正常情况的低得多，正是利用这种现象实现了部分形成注入口48的结构，进而在硅基片40和第二延长层77之间整个获得一个间隙，留下第二外延层77，如图20（g）表示。

接下来的工艺与图9（g）或图14（b）到图14（e）的相同。图17所示的振子体的主要部分是经由这样的工艺形成的。

为进一步调整振子76的初始应力，需调整例如n型硅基片40中磷的密度，从而调整基片40和第二外延层77的相对受力下的初始应力。

或否则，在振子76上外延生长适当厚度的低浓度n型硅，也可以减少外显的初始应力。进而，加热氧化可在热氧化薄膜中产生压应变，从而调整外显的初始应力。再进一步，还可以通过化学汽相淀积（CVD）， 溅射、蒸发或其它方法调整初始应力。

上述实施例的描述中规定注入的原子是硼或是磷原子，然而，本发明不一定限于此。同时，振动桁条也不只限于硅。

上述的振动型应变传感器是就压力测量叙述的，它也可作加速度传感器，压差传感器及其它。

正如上面具体叙述的，根据本发明，可经由比先有技术更简单的结构给振动桁条加初始应力，而且可容易地调整应力。

下面将详细叙述图5中所示的放大器。

在图4所示的先有技术的振动型传感器中由于振子在非线性区振动，振荡频由于齐纳二极管的限幅作用而变化，控制驱动电压的结构能够按照与其它谐振系统或与测试流体结合部的边界来改变振子的振动幅度，这样便不能产生精确的谐振频率，这样的问题可以用图21所示的放大器来解决。

图21是一个表示图5放大器39详细结构的电路图。

参考符号AMC1代表一个放大器电路，它的输入端（正）、（负）连接到振子体24的输出端37、38上，而它的输出端通过一个耦合电容器C₅进一步输入到放电器电路AMC2，并且它的输出电压加到连接点J上。然后通过一个相位调整电路PHC向增益调整电路GAC输出一个电压。经第一级放大以后，增益调整电路GAC的放大输出加在电阻R₂₀、场效应晶体管Q、变压器T的串联电路上。经变压器T次级绕组对输出端35产生一个控制量值的输出电压。

另一方面，连结点J的电压Vj，输入到一个半波整流电路HWR转换成相应于电压Vj量值的直流电压Ej，然后输入到比较器CMP的反相输入端（-）。从一个幅值整定电路ASC将参考电压VR加到比较器CMP的非反向输入端（+），比较器CRP将直流电压Ej和参考电压VR之间的偏差放大，从它的输出端将误差值电压加到放场效应晶体管Q的栅极上，控制漏极和栅极之间的电阻，从而对流到变压器T的电流进行控制。

然后在这些电路中，由电容器C₆和电阻R₂₇调整相位，并由电阻R₂₆调整输出端上产生的电压量值。

在上述结构中，当电压从放大器39加到输入变压器29上时，电流i从输出端流到基本振子26A，于是基本振子26A就按照由磁体17的磁场控制的电动力振动。该振动通过辅助振子27控制基本振子26B，但是由于磁体17的磁场也施加到基本振子26B上，则在 基本振子26B上产生一个电压e，并且该电压通过输出变压器36输入到放大器39。放大器39将该电压放大，并在它的输出端35产生放大的电压。

该放大器的电压再次施加到输入变压器33上，并且以更大的电压施加到基本振子26A上。

重复上述过程，耦合放大器39和振子体24的回路就产生自激振荡，然后，将回路的增益定为1或以上，自激振荡就持续下去。

在这种情况下，自振荡的电压幅值是受到控制的，结果对参考电压VR的差值达到恒定。

就是说，当相应于连接点处电压V₃的直流电压Ej比参考电压VR大时，在比较器CMP的输出端场效应晶体管Q₁的内阻就随这些偏差值而增加，流到变压器T的电流减至最小，并且在输出端35产生的电压也减至最小，结果，施加在振子体24上的电压减至最小，并且输入到放大器39的电压也减至最小。

相反，当相应于连结点处电压Vj的直流电压Ej比参考电压VR小时，工作情况相反。

于是，振荡幅值在常差范围内与参考电压VR相吻合。该常差由比较器CMP的输出电压/增益来确定，因此，当比较器CMP的增益大时，该常差值可以忽略不计，并且振子的振幅总等于参考电压VR。

接下来，参考图22和图23叙述采用图21电路结构时的效果。

图22表示采用图21电路结构时的效果，图23表示当采用先有技术电路结构时的效果，其中图21的场效应晶体管Q₂去掉并成短路状态，并且保持驱动力为常量（恒定电源电压驱动）。在图22和图23中，横座标表示压力，纵座标表示指数值。在两种情况下，横座标的单位间距都是1Kg/cm²。

从其结果可以理解，当图22情况下波动为±0.005%左右时，图23情况下的波动最大为±0.025左右，则改善约5倍左右。

具体如上所述，本发明包括检测放大器自激振荡半波的幅值;将检测得到的幅值与预整定参考电压比较;调整放大器末级控制装置的增益，以与参考电压吻合;因而维持放大振幅恒定，且任何时候不受外界条件影响;波动不会引起自激振动频率，所以可实现高精度振动型传感器。

结合以上实施例的具体叙述，本发明可产生如下效果。

由于振子体分别用于激励的基本振子26A和用 于检测电动力的基本振子26B，进而由辅助振子27将其本振子26A和26B机械地耦合成回路，因而可以得到高激励分量除去率（即高信噪比值），不包括激励电流分量，于是可以实现频率输出信号稳定的振动型传感器。对于结构为振子桁条的方向被限制与硅单晶晶轴相关的方向上的振动型传感器，其效果相似。

再有，如以上有关实施例工艺的叙述，由于基片、起基本振子作用的第二外延层以及外壳形成一个整体，则基片不必连接到外壳，这样首先就可以避免由于连接造成的不稳定性，第二，由于可以用简单的结构将振子与空气隔开，则易于实现小型化。第三，由于采用了半导体工艺技术，则可易于达到振子及外壳精确定位，厚度和形状也做得精确。

按照这种工艺，对于其中上述基片的导电方式为n型，上述间隙相应部分导电方式为P型，上述振子和外壳均为高浓度的，且为P型导电方式;对于引入形成H型凹槽的工艺，在凹槽中封装一个H形振子体，而不是振子，蚀刻凹槽的工艺是，在基片（100）的晶面的（100）方向以及与其垂直的方向上放置一个H形蚀刻掩膜，进行蚀刻;以及对于其中在上述基片上形成氧化硅或氮化硅的保护涂层，且通过蚀刻将其部分地除掉留下一个凹槽，下一步在凹槽内依外管生长形成上述振子、间隙相应部分以及外壳等效部分，然后通过蚀刻将保护种层剩余部分除去，形成上述注入口等，均可达到类似效果。而对于引入一道在上述基片上形成厚度1微米或以下，高浓度，P型导电方式的辅助外延层的工艺，可以进一步保证该制造工艺获得较好的生产率。

对于通过蚀刻除去上述间隙相应部分，形成一个空腔，然后在气体中密封上述注入口，且维持高温，因而保持上述空腔真空的工艺，振子与硅基片形成一个整体，中间留一个预定的间隙，且简单地按预定工艺使之保持真空，因此可使振动型传感器在压力和温度特性方向都有优越的性能。

当用氢作为上述气体时，该工艺包括在氢气中密封真空，有类似的效果。当用氧作上述气体时，该工艺包括在氧气中密封真空，有类似的效果，且进而保证了各种制造工艺的安全。

当用注入其键半径小于构成上述每一个振子的原子键半径的另一个原子来给上述每个振子加预定的初始应力时，其应力易于调整。

本发明的振动型传感器包括检测放大器自激振荡半波幅值;将检测得的幅值与预整定参考电压比较;调整放大器末级控制装置的增益，以与参考电压吻合;因而维持振幅恒定，任何时候均保持振幅是一个常量而不受外界条件影响;波动不会引起自振频率，所以可以实现高精密度振动型传感器。

Claims (10)

1、一种振动型传感器，其中，在一个单晶硅基片内设有一个由单晶硅制的振子体，上述振子体通过将其两端固定到上述单晶硅基片内侧而被支撑，且该振子体被除了上述两端外的空间所围绕来自激励装置的激励电流被加到上述振子体，对该振子体施加一个磁场；基于上述振子体的振动产生的电压由放大装置检测；从该放大装置来的一个被放大的电压正反馈至上述激励装置，以产生一个固有频率自激振荡；通过测量由物理量而被改变的上述固有频率对该物理量进行检测，其改进的特征在于：

(A)上述振子体通过在上述单晶基片上外延层生长而形成，则该振子体与上述单晶基片形成整体；(B)上述振子体之构成是一对沿长度方向平行设置的第一振子，且在其间留有间隙而互相隔开；以及由外延层生长形成的一个第二振子，它仅垂直联接到上述第一振子中心部分，则形成H形振子体。

2、权利要求1所限定的振动型传感器，其中，上述振子体的构成是其键半径比构成上述每个振子的原子键半径小的另一个原子被注入其内，给上述振子体相对于上述单晶基片施加预定初始应力。

3、权利要求1所限定的振动型传感器，其中，上述放大装置包括一个作为上述放大器放大上述振子体产生的信号的前置放大装置;一个通过放大前置放大装置输出的有关信号来控制增益的增益控制装置;一个对前置放大装置输出幅值有关的信号和预定参考值进行比较并输出一个差值信号的比较装置;并且通过根据差值信号控制上述增益控制装置使上述自激振荡幅值保持恒定，以达到自激振荡的稳定。

4、一种专用于制造权利要求1所述的振动型传感器制造工艺，其中，桁架式振子制作在一个单晶硅基片的薄膜之上，与之形成一体，但除其两端外与膜片有一个预定的间隙;上述振子的顶部由一个与上述振子有一个预定间隙的外壳盖住，其改进特征在于：

（A）在上述基片上形成一个保护涂层，而该涂层借助一个沿上述基片晶面的<100>方向并与其垂直的H形蚀刻掩膜而除掉部分，以形成一个开口，且而后在上述基片上形成一个与该开口相应的一个H形凹槽;

（B）通过外延生长技术在上述凹槽内形成对上述基片呈反向导电方式的间隙相应部分的下半部，在该气隙相应部分的上述下半部上形成其浓度被控制在预定值的振子相应部分;通过外延生长技术，在上述振子相应部分和上述保护涂层二者上都形成间隙相应部分的上半部，然后，在上述振子相应部分和上述保护部分上，通过外延生长技术与它们整体形成一个外壳相应部分。

（C）然后，通过蚀刻除去上述保护涂层的保留部分，以形成一个注入口，通过注入口能够将蚀刻剂注入到上述间隙相应部分的上半部以及上述间隙相应部分的下半部;通过蚀刻将上述间隙相应部分除掉，以形成一个其内形成一个振子体的空腔;通过密封上述注入口形成上述外壳，以维持其内的真空。

5、权利要求4所限定的振动型传感器制造工艺，其中，上述基片的一种导电模式为n型，上述间隙相应部分的导电方式为P型;上述振子和外壳为高浓度且各为P型导电方式。

6、权利要求4所限定的振动型传感器的制造工艺，其中，上述保护涂层是用氧化硅或氮化物形成。

7、权利要求4所限定的振动型传感器的制造工艺，其中引入一道这样的工艺：在上述基片上形成上述凹槽之后，在上述凹槽上形成厚度为1微米或以下，高浓度，P型导电方式的辅助外延层。

8、权利要求4所限定的振动型传感器的制造工艺，其中，上述气隙相应部分通过蚀刻被除去，以形成空腔;然后在气体中将上述注入口密封并维持高温，因而保持上述空腔真空。

9、权利要求4所限定的振动型传感器的制造工艺，其中，用氢作为上述气体。

10、权利要求4所限定的振动型传感器的制造工艺，其中，用氧作为上述气体。

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