JP2023133524A - 振動式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧が印加された場合においても破壊が生じることがなく、印加される静圧の高低にかかわらず高い直線性が得られる振動式圧力センサを提供する。【解決手段】圧力検知部１が、ベース基板２と、固定部３１と、ベース基板２と離間して固定部３１から延出する離間部３２とを有する支持基盤３と、ベース基板２と支持基盤３との隙間Ｓに介在し、支持基板３を包み込む受圧流体と、支持基板３の離間部３２に配置され、受圧流体によって印加される静圧に応じて支持基板３に生じる歪みに基づき、共振周波数の変化値として検出する第１振動子４と、を備え、第１振動子４が不純物を含む半導体材料からなり、且つ、不純物の濃度が１×１０20（ｃｍ-3）以上であるとともに、不純物の原子半径が、母材である半導体材料の原子半径よりも小さく、第１振動子４は、両端が固定されており、第１振動子４には引張応力が予め付与されている。【選択図】図４

Description

本発明は、振動式圧力センサに関するものである。

例えば、振動式圧力センサは、従来から、計測対象である流体等の圧力をダイアフラムで受け、センサの表面に配置された振動子に生じる歪みによって引き起こされる、振動子の共振周波数の変化を検出することで、圧力を計測する構成が採用されている（例えば、特許文献１並びに非特許文献１を参照）。

また、流体等の絶対圧を計測する場合には、ダイアフラムの一面側に、所定の圧力値に規定した圧力参照室を配置し、ダイアフラムの他面側に計測対象である流体等の圧力を印加する必要がある。

特許第５１５８１６０号公報

Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，"Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｓｔｒａｉｎ Ｇａｕｇｅ ｏｎ Ｄｉａｐｈｒａｇｍ"，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖｏｌｕｍｅ ２１，Ｉｓｓｕｅｓ １－３，ｐ１４６－１５０（Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９０）

非特許文献１に記載された従来の技術においては、ダイアフラムに高い静圧を印加した場合に、その周縁部が変形することにより、ダイアフラム自体に発生する応力が緩和する。即ち、振動式圧力センサは、静圧が低い場合における感度に比べて、静圧が高い場合の感度が見かけ上小さくなる、所謂バルーン効果が発生することから、圧力センサとしての入出力特性の直線性が著しく劣化するという問題があった。従って、例えば、高い静圧が印加される用途において、高い計測精度が得られ難いという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、計測対象である流体等によって印加される静圧の高低にかかわらず、高い直線性が得られ、優れた計測精度を備える振動式圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の態様を包含する。
本発明の一態様による振動式圧力センサは、共振周波数の変化値に基づいて静圧を検出可能な圧力検知部を備えた振動式圧力センサであって、前記圧力検知部が、筐体に固定される筐体固定部と、前記筐体固定部に固定される少なくとも１箇所以上の基板固定部と、前記筐体固定部と離間して前記基板固定部から延出する基板離間部とを有する基板部と、前記筐体固定部と前記基板部との隙間に介在し、前記基板部を包み込む受圧流体と、前記基板離間部に配置され、前記受圧流体によって印加される静圧に応じて前記基板部に生じる歪みに基づき、共振周波数の変化値として検出する第１振動子と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記基板部が、前記基板固定部を支点とする片持ち梁構造であることを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記基板部が、前記基板部を貫通するように設けられる歪緩和孔を有することを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記第１振動子が不純物を含む半導体材料からなり、且つ、前記不純物の濃度が１×１０²⁰（ｃｍ^-3）以上であるとともに、前記不純物の原子半径が、母材である前記半導体材料の原子半径よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記圧力検知部が、前記基板部の前記基板離間部に配置され、前記受圧流体によって印加される静圧に応じて前記基板部に生じる歪みに基づき、共振周波数の変化値として検出する第２振動子を備え、前記第２振動子が、前記第１振動子における共振周波数の圧力感度と異なる共振周波数の圧力感度を有することを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記圧力検知部が、一つ又は複数の前記基板部に設けられる少なくとも２以上の前記基板離間部を有し、前記第１振動子と前記第２振動子が、それぞれ異なる前記基板離間部に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記第１振動子及び前記第２振動子は、何れも不純物を含む単結晶シリコン材料からなり、且つ、前記第１振動子と前記第２振動子とでは、各々における前記不純物の濃度が、単位を（ｃｍ^-3）としたとき、少なくとも１桁以上異なる値であり、前記第２振動子の共振周波数の温度係数が、前記第１振動子の共振周波数の温度係数に比べて大きいことを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記第２振動子は、前記基板部の厚み方向に沿った厚み寸法が、前記第１振動子の厚み寸法に比べて大きいことを特徴とする。

また、本発明の一態様による振動式圧力センサは、上記構成において、前記基板部が、前記基板固定部を有して前記筐体固定部に固定されるベース基板と、前記ベース基板に接続される支持基板とを有し、前記支持基板が、前記ベース基板に固定される固定部と、前記ベース基板と離間して前記固定部から延出する離間部とを有し、前記受圧流体が、前記ベース基板と前記支持基板との隙間に介在し、前記離間部を包み込むことを特徴とする。

本発明の一態様による振動式圧力センサによれば、筐体固定部に固定される少なくとも１箇所以上の基板固定部及び基板離間部を有する基板部と、基板部の基板離間部に配置され、受圧流体によって基板部に印加された静圧に応じて生じる歪みに基づき、共振周波数の変化値として検出する第１振動子を備えた構成を採用している。これにより、計測対象である流体等によって印加される静圧の高低にかかわらず、高い直線性が得られ、優れた計測精度が実現できる。

本発明の第１の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図１（ａ）は、受圧流体として液体を用いた場合、図１（ｂ）は、受圧流体として空気（大気）を用いた場合における、振動式圧力センサの全体構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図１（ａ），（ｂ）中に示した圧力検知部の平面図である。 本発明の第１の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図２中のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図２中のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、振動式圧力センサにおける信号の処理動作を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、圧力検知部を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、圧力検知部を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、圧力検知部を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図８中のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。 本発明の第４の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図８中のＤ－Ｄ線に沿う断面図である。 本発明の第５の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、台座上に設けられた圧力検知部を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態である振動式圧力センサを模式的に説明する図であり、図１１に示した圧力検知部の平面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である振動式圧力センサについて、図１～図１２を適宜参照しながら説明する。
なお、以下の説明においては、まず、本発明に係る振動式圧力センサの概要について説明し、次いで、本発明を適用した第１～５の実施形態の実施形態である振動式圧力センサについて詳述する。ここで、本実施形態の振動式圧力センサは、例えば、特に高い静圧が印加される用途において高い計測精度が得られるものである。
また、以下の説明においては、必要に応じて、各図中に記したＸＹＺ直交座標系（原点の位置は適宜変更する）を参照しつつ、各部材の配置関係について説明する。

また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかり易くするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。さらに、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜本発明に係る振動式圧力センサの概要＞
本発明に係る振動式圧力センサにおいては、筐体固定部に固定される少なくとも１箇所以上の基板固定部及び基板離間部を有する基板部と、基板部の基板離間部に配置され、受圧流体によって基板部に印加される静圧に応じて生じる歪みに基づいて共振周波数が変化する第１振動子とを備えている。

上記のような、本発明の基本的な構成では、計測対象である振動式圧力センサの周囲環境（流体）の圧力（静圧）が、圧力伝搬隔壁部材によって受圧流体に伝播され、この受圧流体の圧力が基板部に印加されることで、基板部が等方的に圧縮される。これにより、基板離間部に対しては等方的に圧縮する応力が印加され、然るに、第１振動子に対しては長手方向に圧縮する応力が印加される。結果として、第１振動子の共振周波数が変化する。
本発明に係る振動式圧力センサは、その共振周波数を計測することにより、当該振動式圧力センサに印加される静圧を計測するものである。

なお、大気圧を計測するケースにおいては、上述した圧力伝搬隔壁部材を用いない場合もあるが、このような場合は、受圧流体は「大気」そのものになる。
大気との隔膜として圧力伝搬隔壁部材を用いる場合には、例えば、湿度の影響を受け難い材料や、風の影響を受け難い材料が用いられる。

一方、従来の構成の振動式圧力センサにおいては、上述したように、高い静圧が印加されたときの圧力センサとしての入出力特性は、低い静圧が印加されたときの圧力センサとしての入出力特性と比較して、その直線性がバルーン効果により劣化するため、高い計測精度が得られない問題等がある。

これに対し、本発明に係る振動式圧力センサにおいては、高い静圧を計測する場合においても、上記のように、受圧流体を介して、支持基板が等方的な圧力で圧縮されるので、入出力特性の直線性を著しく劣化させるバルーン効果が原理上避けられる。これにより、計測対象である流体等によって印加される静圧の高低にかかわらず、幅広い領域の静圧下で、圧力センサとしての入出力特性の高い直線性が得られ、優れた計測精度が実現できる。

＜第１の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第１の実施形態の振動式圧力センサについて、図１～図５を参照しながら詳述する。
図１は、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａ，１Ｂを示す断面図であり、図１（ａ）は、計測対象とは別の受圧流体Ｆ（例えば、液体又は気体）を用いた場合、図１（ｂ）は、計測対象（例えば、液体又は気体）を受圧流体Ｋとして用いた場合を示す図である。また、図２は、図１（ａ），（ｂ）中に示した、振動式圧力センサ１Ａ，１Ｂにおける圧力検知部を示す平面図であり、図３は、図２中のＡ－Ａ線に沿う断面図、図４は、図２中のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。また、図５は、振動式圧力センサ１Ａ，１Ｂにおける信号の処理動作を示すブロック図である。

［振動式圧力センサの構成］
本実施形態の振動式圧力センサ１Ａは、共振周波数の変化値に基づいて静圧を検出可能な圧力検知部１を備え、ベース基板（筐体固定部）２と、支持基板（基板部）３と、ベース基板２と支持基板３との隙間Ｓに介在して支持基板３を包み込む受圧流体Ｆとを有する。支持基板３は、ベース基板２に固定される少なくとも１箇所以上の固定部（基板固定部）３１と、ベース基板２と離間して固定部３１からＺ方向と交差する方向（例えば、Ｘ方向）に向けて延出する離間部（基板離間部）３２とを有する。
そして、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａは、支持基板３の離間部３２に配置され、受圧流体Ｆによって支持基板３（離間部３２）に印加される静圧に応じて生じる歪みに基づいて共振周波数が変化する第１振動子４を有する。つまり、第１振動子４には、受圧流体Ｆによって支持基板３（離間部３２）に印加される静圧によって（離間部３２を介して）歪みが生じ、その歪みに基づいて第１振動子４の共振周波数が変化する。
さらに、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａは、支持基板３の離間部３２に配置され、受圧流体Ｆによって支持基板３に印加される静圧に応じて生じる歪みに基づいて変化する共振周波数の変化量（圧力感度）が第１振動子４における共振周波数の当該変化量（圧力感度）よりも小さい第２振動子５を備えている。
本実施形態においては、上記の第１振動子４が圧力を検出する機能を有し、第２振動子５が温度を検出する機能を有する。

より詳細に説明すると、第１振動子４は、例えば、一方の電極から交流電圧（励振信号）が入力されることで、静電吸引力によって励振される。さらに、他方の電極と第１振動子４との間に直流電圧を印加することにより、第１振動子４が励振された際の他方の電極と第１振動子４との間の容量の時間変化に伴い、他方の電極に電流が出力される。このときの、他方の電極に出力される電流を電流電圧変換することで、振動式圧力センサ１Ａの出力電圧が得られる。この出力電圧に基づき、一方の電極から入力する励振信号に適切なフィードバックをかけることにより、第１振動子４の共振周波数において、安定した自励振状態が得られる。このような動作は、図５のブロック図に示すアナログ回路８１の内部で実現される。そして、アナログ回路８１は、その出力電圧を周波数カウンタ８２に出力する。

第２振動子５は、第１振動子４と同様、一方の電極から交流電圧（励振信号）が入力されることで、静電吸引力によって励振される。さらに、他方の電極と第２振動子５との間に直流電圧を印加することにより、第２振動子５が励振された際の他方の電極と第２振動子５との間の容量の時間変化に伴い、他方の電極に電流が出力される。このような他方の電極に出力される電流を電流電圧変換することで、振動式圧力センサ１Ａの出力電圧が得られ、この出力電圧に基づいて、一方の電極から入力する励振信号に適切なフィードバックをかけることで、第２振動子５の共振周波数において安定した自励振状態が得られる。
このような動作は、図５のブロック図に示すアナログ回路８４の内部で実現され、このアナログ回路８４は、その出力電圧を周波数カウンタ８５に出力する。

次いで、図５中に示す周波数カウンタ８２において、アナログ回路８１から入力された出力電圧に対して周波数計測が実施される。そして、周波数カウンタ８２は、演算部８３に対し、第１振動子４の検出信号に基づいた周波数のカウント値であるデジタル信号を出力する。
これとともに、図５中に示す周波数カウンタ８５において、アナログ回路８４から入力された出力電圧に対して周波数計測が実施され、周波数カウンタ８５は、上記の周波数カウンタ８２と同様、演算部８３に対し、第２振動子５の検出信号に基づいた周波数のカウント値であるデジタル信号を出力する。
その後、演算部８３において、周波数カウンタ８２から入力されたデジタル信号に対応する圧力値が計算されるとともに、周波数カウンタ８５から入力されたデジタル信号に対応する圧力値が計算され、外部にそれらの圧力値を出力する。このとき、演算部８３は、周波数カウンタ８５から入力されたデジタル信号、即ち、第２振動子５による圧力検知部１の内部温度に応じた周波数を有するデジタル信号を温度補正用信号として用い、この信号から求められた圧力検知部１の内部温度により、圧力検知部１の検出結果を温度補正する。
以上のような動作により、振動式圧力センサ１Ａにおいて第１振動子４及び第２振動子５に生じる共振周波数の変化に基づき、圧力検知部１の内部温度による補正が反映された圧力値が得られる。

なお、上記説明においては、第１振動子４及び第２振動子５を用いて圧力を測定する例を説明しているが、本実施形態においては、第１振動子４のみを用いて圧力を測定することも可能である。

図示例においては、支持基板３は、固定部３１を固定端とし、離間部３２を自由端として構成されており、圧力検知部１は、概略で１点支持の片持ち梁構造とされている。

図示例においては、支持基板３上に形成された積層構造の表面３０の上に、さらに、この表面３０を覆うようにシェル６が設けられている。

ベース基板２は、圧力検知部１の基台であり、例えば、シリコン単結晶ウェハ等の半導体基板からなる。このベース基板２の表面２０側には支持基板３の固定部３１が固定されている。また、ベース基板２の表面２０には、ベース基板２を平面視したときに、周縁部を除いた領域（離間部３２と対向する領域）に凹部２０ａが設けられている。これにより、本実施形態においては、詳細を後述するように、ベース基板２と支持基板３の離間部３２との間に、受圧流体Ｆ（Ｋ）が入り込む隙間Ｓが確保されている。なお、本発明に係る振動式圧力センサは、ベース基板に凹部を設けることによってベース基板と離間部との間に受圧流体が入り込む隙間を確保した構成には限定されず、例えば、離間部を固定部の厚さよりも薄い厚さで形成することにより、ベース基板と離間部との間に受圧流体が入り込む隙間を確保する構成であってもよい。

ベース基板２は、例えば、詳細を後述する支持基板３と熱膨張係数や弾性定数等が近い材料からなることが好ましく、これらの特性が同じ材料（同一の材料）からなることがより好ましい。上述したように、ベース基板２に支持基板３が直接接合されることから、これら各基板に特性が近似した材料を用いることで、印加される圧力や環境温度等によって材料の変形が生じた際の変形量が概略で等しくなるので、ベース基板２と支持基板３との変形量の差によって接合面に生じる応力等が低減される。よって、振動式圧力センサ１の温度特性やヒステリシス、長期安定性等が向上する効果が得られる。

支持基板３は、追って詳述する第１振動子４及び第２振動子５を支持する基板であり、ベース基板２に固定される固定部３１と、ベース基板２の表面２０に設けられた凹部２０ａに対し、隙間ＳでＺ方向にて離間して固定部３１からＺ方向と交差する方向（例えば、Ｘ方向）に延出する離間部３２とを有する。支持基板３は、上述したように、ベース基板２と接合される固定部３１と、ベース基板２と離間される離間部３２とで片持ち梁構造が構成されている。

支持基板３は、固定部３１がベース基板２の表面２０に接合される。また、支持基板３は、当該支持基板３を平面視したとき、固定部３１から概略コの字状に延出するように形成され、且つ、離間部３２を囲むように設けられる側壁部３３を備えている。この側壁部３３は、圧力検知部１における側壁でもあり、固定部３１と同様、ベース基板２の表面２０に接合されている。また、支持基板３は、離間部３２が、側壁部３３に囲まれながら該側壁部３３と離間した概略舌片状に形成されており、カンチレバーとしての機能を有する（図中のＸ方向及びＹ方向を参照）。また、離間部３２は、平面視で概略矩形状に形成され、略同一の断面形状で（略均一に）固定部３１から図中のＸ方向へ延出している。
また、離間部３２は、図中のＺ方向における厚み、即ち、支持基板３の積層方向の厚みが、図中のＸ方向及びＹ方向の全体において一定とされている。

支持基板３の離間部３２における先端（固定部３１と反対側の端部）寄りの位置には、詳細を後述する第１振動子４及び第２振動子５が、離間部３２の延出方向に沿って並列に配置されている。図示例では、第１振動子４及び第２振動子５が、それぞれ、支持基板３をなす支持層３ａ上に設けられた活性層３ｃの位置に配置され、且つ、第１振動子４及び第２振動子５の周囲に所定のクリアランスＣが保たれた状態で、それぞれ配置されている。

また、支持基板３の固定部３１側の位置における表面３０には、第１振動子４及び第２振動子５と電気的に接続され、これら各振動子の検出信号を外部の制御機器に送出するためのパッド３５ａ，３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅ，３５ｆが配置されている。これらパッド３５ａ～３５ｆの材質としては、特に限定されないが、例えば、従来公知のアルミパッド等を何ら制限無く採用することができる。

また、図２に示すように、本実施形態においては、パッド３５ａ，３５ｃが、それぞれ、電極３６ａ、電極３６ｃに接続され、パッド３５ｂが電極３６ｂを介して第１振動子４と接続されている。また、パッド３５ｄ、３５ｆが、それぞれ、電極３６ｄ、電極３６ｆに接続され、パッド３５ｅが電極３６ｅを介して第２振動子５と接続される。ここで、本実施形態においては、図４中におけるパッド３５ｂと電極３６ｂとの接続構造に示すように、シェル６、並びに、後述するＴＥＯＳ酸化膜３ｅを貫通する孔部内に各パッドを配置することで、各パッドと各電極とが電気的に接続される。
なお、上述した各々の電極３６ａ～３６ｆの材料としても、従来からこの分野で用いられている導電材料を何ら制限無く採用することができる。

本実施形態においては、パッド３５ａ，３５ｂ，３５ｃ及び電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃを用いて、第１振動子４を励振させるための励振信号が外部から供給されるとともに、第１振動子４で発生した第１検出信号（圧力及び温度に応じた周波数を有する信号）が外部に向けて出力される。また、パッド３５ｄ，３５ｅ，３５ｆ及び電極３６ｄ、３６ｅ，３６ｆを用いて、第２振動子５を励振させるための励振信号が外部から供給されるとともに、第２振動子５で発生した第２検出信号（温度のみ又は圧力及び温度に応じた周波数を有する信号）が外部に向けて出力される。

支持基板３の材料としては、特に限定されないが、上述したように、この支持基板３の固定部３１が直接接合されるベース基板２と特性が近似した材料からなることが好ましく、同じ材料からなることがより好ましい。支持基板３としては、詳細については後述するが、例えば、シリコン単結晶ウェハ等の半導体基板からなるものを採用できる。

また、本実施形態の支持基板３をなす支持層３ａ上には、図３の断面図に示した層構造のように、埋め込み酸化膜３ｂ、活性層３ｃ、不純物拡散層３ｄ、及びＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）酸化膜３ｅが順次積層され、所謂ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ）構造が形成されている。そして、図３等に示す例においては、支持層３ａ上に形成された上記の層構造における活性層３ｃの位置で第１振動子４及び第２振動子５が形成されている。

支持基板３をなす支持層３ａは、不純物がドープされたシリコン単結晶であり、１×１０¹⁸～１×１０¹⁹（ｃｍ^-3）程度の均一なボロン濃度を有する層である。また、支持層３ａは、上記のＳＯＩ構造における基台として機能する。
埋め込み酸化膜３ｂは、支持基板３の支持層３ａ上に形成され、支持層３ａを構成するシリコン単結晶に対して酸化処理が施された絶縁膜であり、上述した各電極間（電極３６ａと電極３６ｃとの間、並びに、電極３６ｄと電極３６ｆとの間）を電気的に絶縁する機能を有する。
活性層３ｃは、ドープされたシリコン単結晶であって、例えば、１×１０¹⁷～１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度の均一なボロン濃度を有する層である。
不純物拡散層３ｄは、活性層３ｃに対して、不純物としてボロン（Ｂ）が高濃度に拡散された層である。
また、ＴＥＯＳ酸化膜３ｅは、不純物拡散層３ｄが形成された活性層３ｃに対して、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳガス）を材料として形成されるシリコン酸化膜であり、埋め込み酸化膜３ｂと同様、上述した各電極間（電極３６ａと電極３６ｃとの間、並びに、電極３６ｄと電極３６ｆとの間）を電気的に絶縁する絶縁膜として機能する。

第１振動子４は、本実施形態の振動式圧力センサ１における圧力検出用振動子であり、支持基板３の離間部３２に設けられる。
第１振動子４は、図２～図５に示すように、支持基板３をなす支持層３ａ上に設けられた活性層３ｃをなすシリコン単結晶を加工することで線状に形成されており、Ｚ方向における活性層３ｃの位置で形成されている。

第１振動子４は、電極３６ａと電極３６ｃの間にＹ方向で挟み込まれるように配置されている。
また、第１振動子４は、Ｙ方向及びＺ方向において周囲に所定のクリアランスＣが確保され、Ｘ方向の両端部が支持された両持ち梁構造に形成されている。
また、第１振動子４は、詳細を後述するシェル６によって周囲のクリアランスＣが真空状態に保持されることにより、支持基板３とシェル６との間に真空封止されている。

そして、第１振動子４は、電極３６ａから入力される励振信号によって励振し、また、印加された圧力に応じた周波数を有する信号を電極３６ｃから出力する。
即ち、第１振動子４には、受圧流体Ｆ（Ｋ）によって支持基板３に印加される静圧に応じた歪みが生じ、この歪みに基づいて変化した第１振動子４の共振周波数の変化値は、上述したように、周波数信号として、図５のブロック図に示すアナログ回路８１を介して周波数カウンタ８２に出力される。周波数カウンタ８２においては、アナログ回路８１から入力された出力電圧に対して周波数計測が実施され、周波数のカウント値であるデジタル信号が演算部８３に出力される。そして、演算部８３においては、周波数カウンタ８２から入力されたデジタル信号に対応する圧力値が演算される。
圧力検知部１においては、上記構成により、当該圧力検知部１に作用する静圧（等方的な圧力）を検出できるように第１振動子４が設けられている。

本実施形態においては、第１振動子４が不純物を含む半導体材料からなり、且つ、不純物の濃度が１×１０²⁰（ｃｍ^-3）以上であるとともに、不純物の原子半径が、母材であるシリコンの原子半径よりも小さいことがより好ましい。
より詳細に説明すると、第１振動子４に含まれる不純物としては、例えば、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等が挙げられる。この場合、第１振動子４を構成するシリコンよりも原子半径の小さな不純物が当該シリコンと置き換わるため、第１振動子４が縮む方向に作用する。しかしながら、第１振動子４の固定端４ａ，４ｂは固定されているため、第１振動子４には引張応力が予め作用・付与されることとなる。その結果、通常、高圧の静圧下において、引張応力が付与されていない場合には、第１振動子４の固定端４ａ，４ｂに生じる圧縮応力によって第１振動子４が座屈して圧力計測機能が失われる虞があるのに対し、本実施形態の圧力検知部１は、引張応力が予め付与されており、その引張応力で当該圧力検知部１に作用する圧縮応力を相殺できるため、第１振動子４が座屈するのを防止でき、圧力計測機能を維持することが可能になる。

ここで、上記の非特許文献１に記載された平面視でＨ字状の振動子（Ｈ型振動子：非特許文献１のｆｉｇ．１を参照）に対して、例えば、不純物であるボロンを１×１０²⁰（ｃｍ^-3）以上の濃度で含み、且つ、不純物の原子半径が母材であるシリコンの原子半径よりも小さい半導体材料を適用した場合について説明する。
例えば、非特許文献１のようなＨ型振動子を備える振動式圧力センサ等においても、振動子を形成する選択エピタキシャル工程において１×１０²⁰（ｃｍ^-3）以上の濃度のボロンを導入することで、振動子の座屈を防ぎながら、高い静圧を計測できる圧力センサを実現できる。

なお、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａに備えられる圧力検知部１においては、離間部３２における第１振動子４の配置位置が、図２中に示すＸ方向において、固定部３１と離間部３２との接続箇所を基点として、離間部３２の長さの１／２以上２／３以下の位置であることが、圧力センサとしての感度及び計測精度が高められる観点からより好ましい。

第２振動子５は、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａにおける温度検出用振動子であり、圧力検出用の第１振動子４と同様、支持基板３の離間部３２に設けられる。第２振動子５は、図２等に示す例では、第１振動子４とＹ方向で離間しつつ、当該第１振動子４と平行（Ｘ方向に延出する）に設けられるとともに、離間部３２において第１振動子４とＹ方向で対称となる位置に設けられる。
即ち、第２振動子５は、図２～図５に示すように、支持基板３をなす支持層３ａ上に設けられた活性層３ｃをなすシリコン単結晶を加工することでＸ方向に延設された線状に形成されており、Ｚ方向における活性層３ｃの位置で形成されている。

第２振動子５は、電極３６ｄと電極３６ｆの間にＹ方向で挟み込まれるように配置されている。
また、第２振動子５も、第１振動子４の場合と同様、Ｙ方向及びＺ方向において周囲に所定のクリアランスＣが確保され、Ｘ方向の両端部が支持された両持ち梁構造に形成されている。
また、第２振動子５も、第１振動子４と同様、詳細を後述するシェル６によって周囲のクリアランスＣが真空状態に保持されることにより、支持基板３とシェル６との間に真空封止されている。

そして、第２振動子５は、電極３６ｄから入力される励振信号によって励振し、また、第１振動子４と異なる圧力感度で圧力に応じた周波数を有する信号を、圧力計測時の温度補正用信号として電極３６ｆから出力する。

第１振動子４及び第２振動子５は、圧力に応じて共振周波数が変化し、さらに、圧力検知部１の内部温度（第１振動子４の温度及び第２振動子５の温度とほぼ等しい温度）に応じたヤング率の変化や材料間の線膨張係数の差によっても共振周波数が変化する。これに加え、本実施形態では、第２振動子５の共振周波数の圧力感度が、第１振動子４の共振周波数の圧力感度に比べて小さいことにより、第２振動子５の共振周波数の変化値と第１振動子４の共振周波数の変化値との差分から圧力検知部１の内部温度（温度検出信号）を求めることができる。そして、求めた内部温度と、第１振動子４の共振周波数の変化値（圧力検出信号）とから、圧力検知部１に印加されるより正確な圧力値を求めることができる。

ここで、上述した「共振周波数の圧力感度」とは、単位圧力あたりの共振周波数の変化量であり、その単位は、例えば、「Ｈｚ／Ｐａ」等である。また、共振周波数の圧力感度を変化率で表す場合には、その単位は、例えば、「ｐｐｍ／Ｐａ」等である。

また、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａに備えられる圧力検知部１においては、離間部３２における第２振動子５の配置位置についても、第１振動子４の場合と同様、図２中に示すＸ方向において、固定部３１と離間部３２との接続箇所を基点として、離間部３２の長さの１／２以上２／３以下の位置であることが、温度検出精度が高められ、圧力センサとしての感度及び計測精度の向上にも寄与する観点からより好ましい。

シェル６は、支持基板３上に配置され、図３等に示す例では、支持層３ａ上の積層構造において最上層に配置されたＴＥＯＳ酸化膜３ｅの表面３０を覆うように設けられる。また、上述したように、シェル６は、第１振動子４及び第２振動子５を真空封止するものである。即ち、シェル６は、第１振動子４及び第２振動子５の周囲に設けられたクリアランスＣを封止しながら、上記の表面３０に接合される。
シェル６の材質としては、特に限定されないが、例えば、ポリシリコン等を用いることができる。

ケーシング５０の内部に、圧力検知部１が収容されるとともに、受圧流体Ｆ又は受圧流体Ｋが収容されることで、図１（ａ），（ｂ）に示すようなケーシング付きの振動式圧力センサ１Ａ又は振動式圧力センサ１Ｂが構成される。

ケーシング５０の内部で、ベース基板２や支持基板３等の圧力検知部１を構成する各部材が保護されるとともに、当該内部に受圧流体Ｆ，Ｋが収容されることで、計測対象である外部からの印加圧力が支持基板３に伝えられる。
また、ケーシング５０は、振動式圧力センサ１Ａ，１Ｂにおける基台として機能し、図示例においては、内底部上に台座５３が設けられ、その上に圧力検知部１が設置されている。

ケーシング５０としては、例えば、酸化アルミニウム等のセラミックスや、コバール、ＳＵＳ３１６Ｌ、又はインコネル等の金属によって形成される箱状部材が用いられる。
また、図１（ａ），（ｂ）においては図示を省略しているが、ケーシング５０には、内部に収容された圧力検知部１に備えられているパッド３５ａ～３５ｆと図視略の金属ワイヤによって電気的に接続され、外部機器との接続に用いられる複数の端子部が備えられている。

図１（ａ）に示す例の振動式圧力センサ１Ａは、ケーシング５０の内部に圧力伝搬隔壁部材５２によって計測対象と隔離された受圧流体Ｆを収容したものであり、例えば、流体による高い静圧が印加された状態で当該静圧（圧力）を測定する用途に用いられる。図示例の振動式圧力センサ１Ａは、ケーシング５０の天板部に設けられた貫通孔５１に圧力伝搬隔壁部材５２が設けられている。この圧力伝搬隔壁部材としては、従来からこの分野で用いられている金属材料や樹脂材料等を何ら制限無く採用することができる。

一方、図１（ｂ）に示す例の振動式圧力センサ１Ｂは、ケーシング５０の内部に計測対象の流体を受圧流体Ｋとして収容したものであり、例えば、一般的な大気圧等を計測する用途に用いられるものである。このように、図１（ｂ）に示す振動式圧力センサ１Ｂは、圧力伝搬隔壁部材等が設けられておらず、貫通孔５１が外部雰囲気に向けて開放された状態とされる。

［振動式圧力センサの動作］
次に、上述した振動式圧力センサ１Ａの動作について簡単に説明する。
まず、圧力検知部１に受圧流体Ｆを介して静圧が作用すると、この圧力が支持基板３に印加され、当該支持基板３の少なくとも一部（固定部３１を除く部分であり、本実施形態においては離間部３２）がほぼ等方的に圧縮される。このとき、第１振動子４には、離間部３２の圧縮（支持基板３に印加される圧力）に応じた歪みが生じ、この歪みに基づいて第１振動子４の共振周波数が変化する。これとともに、第２振動子５にも、離間部３２の圧縮（支持基板３に印加される圧力）に応じた歪みが生じ、この歪みに基づいて第２振動子５の共振周波数が変化する。

第１振動子４は、電極３６ａから入力される励振信号によって振動しており、上記の歪みに基づいて生じる共振周波数の変化値は、上述したように、周波数信号として、図５に示すアナログ回路８１を介して周波数カウンタ８２にされる。周波数カウンタ８２では、アナログ回路８１から入力された出力電圧に対して周波数計測が実施され、周波数のカウント値であるデジタル信号を演算部８３に出力する。

さらに、圧力検知部１は、上記の第１振動子４による圧力の計測と同時に、第２振動子５による内部温度に応じた周波数を有する信号を温度補正用信号として用い、この信号から求められた圧力検知部１の内部温度により、圧力検知部１の検出結果を温度補正することができる。即ち、第２振動子５は、電極３６ｄから入力される励振信号によって振動しており、離間部３２の圧縮に応じた歪みに基づいて生じる共振周波数の変化値は、上記同様、周波数信号として、アナログ回路８４を介して周波数カウンタ８５にされる。周波数カウンタ８５では、アナログ回路８４から入力された出力電圧に対して周波数計測が実施され、周波数のカウント値であるデジタル信号を演算部８３に出力する。

そして、演算部８３では、周波数カウンタ８２から入力されたデジタル信号に対応する圧力値が演算されるとともに、周波数カウンタ８５から入力されたデジタル信号に対応する圧力値が演算される。このとき、演算部８３は、周波数カウンタ８５から入力された、第２振動子５による内部温度に応じた周波数を有するデジタル信号を温度補正用信号として用い、この信号から求められた圧力検知部１の内部温度により、圧力検知部１の検出結果を温度補正する。
上記動作により、第１振動子４及び第２振動子５に生じる共振周波数の変化に基づき、圧力検知部１の内部温度による温度補正が反映された圧力値が得られる。

なお、上述したように本実施形態においては、第２振動子５を用いた温度補正を行わずに、第１振動子４のみを用いて圧力を測定することも可能である。

［作用効果］
以上説明したように、本実施形態の振動式圧力センサ１Ａによれば、少なくとも、ベース基板２に固定される固定部３１及び離間部３２を有する支持基板３と、支持基板３の離間部３２に配置され、受圧流体Ｆによって支持基板３に印加される静圧に応じて生じる歪みに基づいて、共振周波数が変化する第１振動子４を備えている。これにより、計測対象である液体又は気体等によって印加される静圧の高低にかかわらず、高い直線性、並びに、優れた計測精度が得られる。

＜第２の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第２の実施形態の振動式圧力センサについて、主として図６を適宜参照しながら詳述する。
なお、第２の実施形態の振動式圧力センサの説明において、上述した第１の実施形態の振動式圧力センサ１Ａと共通する構成については、図中において同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
また、図６においては、第２の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０のみを示し、例えば、ケーシングや受圧流体等については図示を省略している。

図６は、第２の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０を説明する平面図である。図６に示すように、本実施形態の振動式圧力センサは、圧力検知部１０に備えられる支持基板（基板部）３Ａが、この支持基板３Ａを貫通するように設けられる歪緩和孔３７を有する点で、上述した第１の実施形態の振動式圧力センサ１Ａとは異なる。

歪緩和孔３７は、支持基板３Ａにおける離間部（基板離間部）３２Ａ及びシェル６をＺ方向で貫通するように設けられる。また、図示例の歪緩和孔３７は、支持基板３Ａを平面視したとき、第１振動子４と第２振動子５との間に設けられている。

本実施形態の振動式圧力センサによれば、支持基板３Ａに歪緩和孔３７が設けられていることで、ベース基板２から固定部３１を介して離間部３２Ａに伝播され得る歪み、及び、離間部３２Ａ内で伝播され得る歪みが歪緩和孔３７によって吸収される。これにより、ベース基板２から固定部３１を介して離間部３２Ａに伝播され得る歪み、及び、離間部３２Ａ内で伝播され得る歪みの両方が抑制（低減）されるので、計測誤差の要因となり得るこれらの歪み伝播の影響を軽減でき、第１振動子４及び第２振動子５の共振周波数がより静圧に応じた変化を示すこととなる。
従って、上記のような、高い直線性、並びに、優れた計測精度が得られる効果がより顕著に得られる。

＜第３の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第３の実施形態の振動式圧力センサについて、主として図７を参照しながら詳述する。
なお、第３の実施形態の振動式圧力センサの説明においても、上述した第１，２の実施形態の振動式圧力センサと共通する構成については、図中において同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
また、図７においても、図６に示した第２の実施形態の振動式圧力センサの場合と同様、第３の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ａのみを示し、ケーシングや受圧流体等については図示を省略している。

図７は、第３の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ａを説明する平面図である。図７に示すように、本実施形態の振動式圧力センサは、圧力検知部１０Ａに備えられる支持基板（基板部）３Ｂにおいて、第１振動子４と第２振動子５が、それぞれ異なる離間部（基板離間部）３２Ｂ又は離間部（基板離間部）３２Ｃに配置されている点で、上述した第１，２の実施形態の振動式圧力センサ１Ａ等とは異なる。
即ち、本実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ａは、支持基板３Ｂに二つの離間部３２Ｂ，３２Ｃが設けられ、それぞれに、第１振動子４又は第２振動子５が配置されている。

具体的には、本実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ａにおいては、基板離間部として、離間部３２Ｂ及び離間部３２Ｃを有し、離間部３２Ｂに圧力検出用の第１振動子４が配置され、離間部３２Ｃに温度検出用の第２振動子５が設置されている。
離間部３２Ｂと離間部３２Ｃとは、Ｙ方向で離間しつつ、互いに平行に配列されている。また、離間部３２Ｂと離間部３２Ｃとは、その延出方向（Ｘ方向）において概略同じ位置及び大きさとなるように整列されている。

本実施形態の振動式圧力センサによれば、上記のように、第１振動子４と第２振動子５が、それぞれ、独立して設けられる離間部３２Ｂ又は離間部３２Ｃに配置されていることで、振動エネルギーの授受等が生じ難い。
従って、圧力計測の誤差をさらに抑制することが可能になる。

なお、図７に示す例では、一つの支持基板３Ｂに二つの離間部３２Ｂ，３２Ｃが設けられた構成を示しているが、これには限定されない。例えば、一つの支持基板（基板部）に設けられる離間部（基板離間部）が三つ以上であってもよい。また、例えば、複数の支持基板（基板部）を備えたうえで、それぞれの支持基板に離間部が個別に（独立して）設けられた構成、即ち、複数の支持基板に設けられる少なくとも２以上の離間部を有する構成を採用してもよい。

＜第４の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第４の実施形態の振動式圧力センサについて、主として図８～図１０を参照しながら詳述する。
なお、第４の実施形態の振動式圧力センサの説明においても、上述した第１，２，３の実施形態の振動式圧力センサと共通する構成については、図中において同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
また、図８～図１０においても、図６及び図７に示した第２，３の実施形態の振動式圧力センサの場合と同様、第４の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｂのみを示し、ケーシングや受圧流体等については図示を省略している。

図８は、第４の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｂを説明する平面図であり、図９は、図８中のＣ－Ｃ線に沿う断面図、図１０は、図８中のＤ－Ｄ線に沿う断面図である。
図８～１０に示す本実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｂは、第１振動子４及び第２振動子５が単結晶シリコン材料からなる。また、圧力検知部１０Ｂにおける第１振動子４と第２振動子５とは、各々における不純物の濃度が、単位を（ｃｍ^-3）としたとき、少なくとも１桁以上異なる値である。そして、圧力検知部１０Ｂは、第２振動子５の共振周波数の温度係数が、第１振動子４の共振周波数の温度係数に比べて大きい構成とされている。ここで、上述した共振周波数の温度係数とは、単位温度あたりの共振周波数の変化率であって、その単位は、例えば、（ｐｐｍ／℃）等である。

より具体的に説明すると、本実施形態の振動式圧力センサは、例えば、単結晶シリコン材料からなる第１振動子４と第２振動子５が、一方の不純物の濃度を［ａ×１０ⁿ（ｃｍ^-3）］としたとき、他方の不純物の濃度が［ａ×１０^n-1（ｃｍ^-3）］以下、又は、［ａ×１０ⁿ⁺¹（ｃｍ^-3）］以上となる。

本実施形態の振動式圧力センサは、図示を省略する工程フローにより、第１振動子４には高濃度の不純物を拡散し、第２振動子５には不純物の拡散を行わないことにより、共振周波数の温度係数を異にする構成とされている。即ち、本実施形態では、図８中に示す支持基板３の非拡散領域Ｒ、即ち、第２振動子５の近傍の領域には不純物の拡散を行っていない。

より具体的には、図９に示すように、本実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｂは、支持基板３における第１振動子４の周辺には不純物拡散層３ｄが形成されているが、第２振動子５の周辺には不純物拡散層３ｄが形成されていない。これにより、圧力検知部１０Ｂは、第１振動子４と第２振動子５とで不純物濃度が大きく異なる構成とすることができる。

一般に、振動子に含まれる不純物の濃度や種類、振動子を構成する材料の結晶軸方向、並びに圧力計測に用いる振動子の共振モードにより、その共振周波数の温度係数が変化することが知られている。本実施形態においては、上記のように、第１振動子４と第２振動子５との間で、不純物の濃度［ｃｍ^-3］が少なくとも１桁以上異なる値に設定することにより、第１振動子４の共振周波数の温度係数に比べ、第２振動子５の共振周波数の温度係数を大きくする。即ち、本実施形態においては、振動式圧力センサに温度変化があった場合、第１振動子４の共振周波数の変化量に比べて、第２振動子５の共振周波数の変化量が大きくなることを意味する。つまり、第２振動子５の温度感度が第１振動子４の温度感度と比較して高くなるため、第1振動子４を用いた圧力測定において、第２振動子５を用いた温度測定による（二つの振動子（第１振動子４及び第２振動子５）における共振周波数から算出される内部温度を用いた）温度補正を高精度で行うことが出来る。従って、第１振動子４を用いた圧力測定の温度補正精度が向上される。

一例として、不純物にボロン（Ｂ）を用い、単結晶シリコン材料からなる支持基板３において、第１振動子４が配置される領域（第１振動子４を構成する材料）の結晶軸方向を＜１１０＞方向、ウェハ表面の法線方向を＜１００＞方向とし、固定端４ａ，４ｂにおける基本振動がウェハの面内に振動するモードである場合について説明する。上記のような条件において、第１振動子４の不純物濃度を１０²⁰（ｃｍ^-3）、第２振動子５の不純物濃度を１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度にした場合、共振周波数の温度係数は、第１振動子４においては－１０（ｐｐｍ／℃）、第２振動子５においては－３０（ｐｐｍ／℃）程度になる。つまり、第２振動子５の温度感度が第１振動子４の温度感度と比較して高くなるため、第１振動子４を用いた圧力測定において、第２振動子５を用いた温度測定による温度補正を高精度で行うことが出来る。従って、第１振動子４を用いた圧力測定の温度補正精度が向上される。

また、本実施形態では、詳細な図示は省略するが、第２振動子５の、支持基板３の厚み方向に沿った厚み寸法が、第１振動子４の厚み寸法に比べて大きいことがより好ましい。
つまり、第２振動子５の、支持基板３の積層方向、即ち、Ｚ方向における厚み寸法が、第１振動子４の厚み寸法に比べて大きいことがより好ましい。このような構成を採用することにより、第２振動子５による内部温度の計測精度がより高められ、温度補正精度も向上するので、結果として、圧力検知部１による圧力の計測精度も高められる。

上記のような、第２振動子５の厚み寸法が、第１振動子４の厚み寸法に比べて大きい構成は、以下に説明するような製造工程の条件に依存する。
例えば、上述したような、第１振動子４に不純物を高濃度で導入する際には、まず、第２振動子５を形成する領域に不純物が導入されることを防ぐため、当該領域に熱酸化膜からなるマスクを形成する。
次いで、第１振動子４に、ガス材料、もしくは塗布ガラス材料を用いて不純物拡散源を形成し、その後、１０００℃以上の高温下で、第１振動子４中に不純物を導入、並びに拡散させる。このような、第１振動子４中に不純物を導入並びに拡散させる高温下での工程は、一般に酸素を供給しながら実施するため、シリコンの表面が露出している面では、シリコンが酸化されてシリコン酸化膜が形成される。
上記のような工程の結果、上述した第１振動子４の厚み寸法は、活性層の元の厚みよりも小さくなる。一方、第２振動子５の厚み寸法は、活性層の元の厚みと同等になる。これにより、第２振動子５の厚み寸法が、第１振動子４の厚み寸法に比べて大きくなる。

なお、本実施形態で説明する「支持基板（基板部）３の厚み方向に沿った厚み寸法」とは、支持基板３の積層方向であって、図中のＺ方向における厚み寸法のことをいう。

＜第５の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第５の実施形態の振動式圧力センサについて、主として図１１及び図１２を参照しながら詳述する。
なお、第５の実施形態の振動式圧力センサの説明においても、上述した第１～４の実施形態の振動式圧力センサと共通する構成については、図中において同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
また、図１１及び図１２においても、図６～図１０に示した第２～４の実施形態の振動式圧力センサの場合と同様、第５の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｃのみを示し、ケーシングや受圧流体等については図示を省略している。

図１１は、第５の実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｃを概略で説明する断面図であり、図１２はその平面図である。なお、図１１は、図１２中におけるＥ－Ｅ線に沿う断面図である。
図１１に示すように、本実施形態の振動式圧力センサは、ベース基板（基板部）２Ａ及び支持基板（基板部）３Ｃを有する圧力検知部１０Ｃに、さらに、ベース基板２Ａが固定される台座（固定基板（筐体固定部））５３を備える。
また、本実施形態の振動式圧力センサに備えられる圧力検知部１０Ｃは、ベース基板２Ａが、台座５３の表面５３ａに固定される少なくとも１箇所以上の固定部（基板固定部）２１と、台座５３と距離ＳでＺ方向に離間して固定部２１から表面５３ａに沿って（Ｚ方向と交差する方向、例えば、Ｘ方向）延出する離間部（基板離間部）２２，２３とを有する。図示例では、ベース基板２Ａが、固定部２１を支点とし、離間部２２及び離間部２３が自由端とされた片持ち梁構造として構成されている。
そして、本実施形態の振動式圧力センサは、図１１中では図示を省略する受圧流体が、台座５３とベース基板２Ａとの隙間Ｓに介在しながら、ベース基板２Ａ（離間部２２及び離間部２３）を包み込むように構成される。
なお、図１１及び図１２に示す本実施形態の振動式圧力センサにおいても、図８～１０に示した第４の実施形態の振動式圧力センサの場合と同様、支持基板３Ｃにおける第１振動子４の周辺には不純物拡散層３ｄが形成されている一方、第２振動子５の周辺には不純物拡散層３ｄが形成されていない。

本実施形態の振動式圧力センサによれば、ベース基板２Ａが、上記のような固定部２１及び離間部２２，２３を備える構成を採用することで、第１～４の実施形態で説明した振動式圧力センサと同様、受圧流体によって支持基板３Ｃに印加された静圧に応じて生じる歪みに基づいて第１振動子４の共振周波数が変化する。これにより、計測対象である液体又は気体等によって印加される静圧の高低にかかわらず、高い直線性、並びに、優れた計測精度が得られる。

一方、本実施形態の振動式圧力センサにおいては、上記のように、ベース基板２Ａが台座５３に対する離間部２２，２３を有する構成なので、支持基板３Ｃには、第１～４の実施形態で説明したような離間部を設けてもよいし、設けなくても構わない。なお、図１１には、支持基板３Ｃにおいても、ベース基板２Ａの凹部２０ａとの間に離間部が設けられている例を示している。

台座５３としては、ベース基板や支持基板と同様、シリコン単結晶ウェハ等の材料を何ら制限なく用いることができる。

なお、本実施形態の振動式圧力センサにおいては、図示例のように、ベース基板２Ａにおける離間部２２，２３の少なくとも一部に、凹状の歪絶縁用溝２４、又は、ベース基板２Ａを貫通する歪絶縁用孔２５の少なくとも何れかが設けられていることがより好ましい。図示例においては、離間部２２の１箇所に、台座５３側に向かって開口するように、凹状の歪絶縁用溝２４が設けられているとともに、離間部２３の１箇所に歪絶縁用孔２５が設けられている。
本実施形態においては、上記の歪絶縁用溝２４及び歪絶縁用孔２５がベース基板２Ａに設けられていることにより、台座５３からベース基板２Ａ（離間部２２及び離間部２３）を介して支持基板３Ｃに伝播され得る歪み、及び、ベース基板２Ａ内を伝播され得る歪みが歪絶縁用溝２４又は歪絶縁用孔２５によって吸収される。これにより、台座５３からベース基板２Ａ（離間部２２及び離間部２３）を介して支持基板３Ｃに伝播される歪み、及び、ベース基板２Ａ内を伝播され得る歪みが抑制（低減）されるので、計測誤差の要因となり得るこれら歪みの伝播の影響を低減でき、第１振動子４及び第２振動子５の共振周波数がより静圧に応じた変化を示すこととなる。従って、上記のような、高い直線性、並びに、優れた計測精度が得られる効果がより顕著に得られる。

＜その他の構成＞
以上、本発明の各実施形態について説明したが、これらの各実施形態は一例として示したものであり、本発明の範囲を限定するものではない。これらの各実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるのと同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上述した各実施形態では、支持基板又はベース基板における離間部が１点の固定部でベース基板又は台座（固定基板）に支持された、所謂片持ち梁構造の例を示しているが、これには限定されず、例えば、２点以上の固定部で離間部が支持された構成を採用することも可能である。

また、本発明に係る振動式圧力センサにおいて採用した、支持基板が、ベース基板との間に隙間を有する離間部を備え、当該離間部に振動子を配置した構成は、例えば、平面視でＨ字状の振動子（Ｈ型振動子：例えば、上記の非特許文献１におけるｆｉｇ．１を参照）を備える振動式圧力センサ等にも適用可能である。具体的には、上記のＨ字状の振動子を、例えば、上述した各実施形態に記載の振動子に代えて、支持基板３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃにおける離間部３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃであって、シェル６によって真空封止された空間に設けることにより、上述した各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の振動式圧力センサは、計測対象である流体等によって印加される静圧の高低にかかわらず、直線性が高く、計測精度に優れている。従って、本発明の振動式圧力センサは、高い静圧が印加される用途において、特に有用である。

１Ａ，１Ｂ…振動式圧力センサ
１，１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…圧力検知部
２…ベース基板（筐体固定部）
２Ａ…ベース基板（基板部）
２０…表面
２０ａ…凹部
２１…固定部（基板固定部）
２２，２３…離間部（基板離間部）
２４…歪絶縁用溝
２５…歪絶縁用孔
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…支持基板（基板部）
３ａ…支持層
３ｂ…埋め込み酸化膜
３ｃ…活性層
３ｄ…不純物拡散層
３ｅ…ＴＥＯＳ酸化膜
３０…表面
３１…固定部（基板固定部）
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ…離間部（基板離間部）
３３…側壁部
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ，３５ｆ…パッド
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ…電極
３７…歪緩和孔
Ｒ…非拡散領域
４…第１振動子
４ａ，４ｂ…固定端
５…第２振動子
５ａ，５ｂ…固定端
６…シェル
５０…ケーシング
５１…貫通孔
５２…圧力伝搬隔壁部材
５３…台座（固定基板（筐体固定部））
５３ａ…表面
Ｓ…隙間
Ｃ…クリアランス
Ｆ，Ｋ…受圧流体

Claims (8)

1. 共振周波数の変化値に基づいて静圧を検出可能な圧力検知部を備えた振動式圧力センサであって、
   前記圧力検知部が、
   筐体に固定される筐体固定部と、
   前記筐体固定部に固定される少なくとも１箇所以上の基板固定部と、前記筐体固定部と離間して前記基板固定部から延出する基板離間部とを有する基板部と、
   前記筐体固定部と前記基板部との隙間に介在し、前記基板部を包み込む受圧流体と、
   前記基板離間部に配置され、前記受圧流体によって印加される静圧に応じて前記基板部に生じる歪みに基づき、共振周波数の変化値として検出する第１振動子と、
   を備え、
   前記第１振動子が不純物を含む半導体材料からなり、且つ、前記不純物の濃度が１×１０²⁰（ｃｍ^-3）以上であるとともに、前記不純物の原子半径が、母材である前記半導体材料の原子半径よりも小さく、
   前記第１振動子は、両端が固定されており、前記第１振動子には引張応力が予め付与されている、
   ことを特徴とする振動式圧力センサ。
2. 前記基板部が、前記基板固定部を支点とする片持ち梁構造であることを特徴とする請求項１に記載の振動式圧力センサ。
3. 前記基板部が、前記基板部を貫通するように設けられる歪緩和孔を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動式圧力センサ。
4. 前記圧力検知部が、前記基板部の前記基板離間部に配置され、前記受圧流体によって印加される静圧に応じて前記基板部に生じる歪みに基づく共振周波数の変化を検出する第２振動子を備え、
   前記第２振動子が、前記第１振動子における共振周波数の圧力感度と異なる共振周波数の圧力感度を有することを特徴とする請求項１～請求項３の何れか一項に記載の振動式圧力センサ。
5. 前記圧力検知部が、一つ又は複数の前記基板部に設けられる少なくとも２以上の前記基板離間部を有し、
   前記第１振動子と前記第２振動子が、それぞれ異なる前記基板離間部に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の振動式圧力センサ。
6. 前記第１振動子及び前記第２振動子は、何れも不純物を含む単結晶シリコン材料からなり、且つ、前記第１振動子と前記第２振動子とでは、各々における前記不純物の濃度が、単位を（ｃｍ^-3）としたとき、少なくとも１桁以上異なる値であり、
   前記第２振動子の共振周波数の温度係数が、前記第１振動子の共振周波数の温度係数に比べて大きいことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の振動式圧力センサ。
7. 前記第２振動子は、前記基板部の厚み方向に沿った厚み寸法が、前記第１振動子の厚み寸法に比べて大きいことを特徴とする請求項４～請求項６の何れか一項に記載の振動式圧力センサ。
8. 前記基板部が、前記基板固定部を有して前記筐体固定部に固定されるベース基板と、前記ベース基板に接続される支持基板とを有し、
   前記支持基板が、前記ベース基板に固定される固定部と、前記ベース基板と離間して前記固定部から延出する離間部とを有し、
   前記受圧流体が、前記ベース基板と前記支持基板との隙間に介在し、前記離間部を包み込むことを特徴とする請求項１～請求項７の何れか一項に記載の振動式圧力センサ。

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