JPH01127930A - 振動形差圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は、半導体の振動梁の差圧に対応した歪みを周波
数信号として検出する振動形差圧センサに係り、特に静
圧特性を改善した振動形差圧センサに関する。

〈従来の技術〉 シリコンの受圧ダイアフラムの上に形成されて両端が固
定され励振手段で励振された振動梁の共振周波数の変化
から圧力或いは差圧を検出する形式のこの発明の改良の
ベースとなる公知の振動膨圧カセンサは、例えば特願昭
５９−４２６３２号「圧力センサ」に開示されている。

この提案では圧力センサとして説明しであるが差圧セン
サとしても用いることができるので、以下の説明では差
圧センサとして説明する。

この振動形差圧センサについて、第４図と第５図を用い
てその概要を説明する。

第４図はこの従来の振動形差圧センサのカバーをとった
構成を示す斜視図、第５１図は第４図におけるＸ−Ｘ断
面におけるカバーをつけた断面図である。

これ等の図において、１は円筒状のシリコン基板であり
、２はこのシリコン基板１の中央を掘って薄肉部を形成
して上面から圧力Ｓｐを下面から圧力（ＳＰ＋八Ｐへを
受ける受圧部としだ受圧ダイアフラムであり、例えばシ
リコン基板１をエツチングして作られる。ここで、ΔＰ
は測定しようとする差圧である。

３は受圧ダイアフラム２の上に形成され、両端がシリコ
ン基板１に固定された振＃ｌＪ梁であり、振＊＠３は受
圧ダイアフラム２のほぼ中央部に設けられている。

この振動＠３は、具体的には例えばｎ形シリコン基板１
の上に第１のＰ十形エピタキシャル層を形成し、その中
央部を切込んで電気的に左右を分離し、この上にｎ形エ
ピタキシャル層を形成した侵、さらにＰ十形エピタキシ
ャル層を形成してこの上を酸化膜５Ｌ０２で保護する。

そして振動梁３の下部の空洞部５はこのｎ形エピタキシ
ャル層をアンダーエツチングで形成する。

このようにして形成された振ＩＦＩ梁３は、例えば長さ
を！、厚さを１１幅をｄと寸れば、ｌ−ｉ。

０μｍ、ｈ＝１μｍ、ｄ＝５μｍの程度の大きさである
。

受圧ダイアフラム２の上に形成された振動梁３の周囲は
、例えばシリコンのカバー６を受圧ダイアフラム２に陽
極接合などで接合して覆い、この内部空間７を真空状態
に保持する。

この振動梁３、カバー６、空洞部５、内部空間７などで
振動形差圧センサの検出部りを形成している。

以上の構成において、第２のＰ十形エピタキシャル層で
ある振動梁３に対して第１の左右のＰ＋形エピタキシャ
ル層の間に発振回路を接続して発振を起こさせると、振
！１１１梁３はその固有振ｖＪ数で自励発蛋を起こす。

この場合、カバー６の内部空間７が真空゛状態にされ振
動梁３が真空の中に保持されるので、共振の鋭さを示す
Ｑ値が大きくなり、共振周波数の検出が容易となる。

第５図に示すように圧力ＳＰと圧力（ＳＰ＋ΔＰ）の差
圧ΔＰが受圧ダイアフラム２に印加されると振動梁３は
引張応力を受ける。

この引張応力により振動梁３の固有振動数が変化して差
圧ΔＰを知ることができる。

しかしながら、この様な従来の振動形差圧センサでは、
薄肉の受圧ダイアフラム２の上に形成された振動＠３の
上部に別に作られたシリコンのカバー６を陽極接合など
で接合し、カバー６と受圧ダイアフラム２とで形成され
た内部の空間を真空に引かなければなければならないの
で、振動形差圧センサの圧力特性或いは温度特性が悪く
なり精度低下の原因をなすという問題がある。

そこで、本出願人はこの問題を解決するために、昭和６
２年７月２日に特願昭６２−１６６．１７５号「発明の
名称：振動形トランスデユーサの製造方法」を提出して
いる。以下、この提案の概要について説明する。

第６図はこの提案による振動形差圧廿ンサの要部である
検出部の製造工程を示す工程図である。

これは第５図における検出部りに対応する振動梁の軸方
向の断面で示した検出部Ｄ′の工程を示している。

第６図〈イ）は検出部Ｄ′を作るためのベースとなるｎ
形のシリコン基板８を示す。

次に、このシリコン基板８を熱酸化してその表面に酸化
膜（Ｓｔ　０２　＞　９を形成する（第６図（ロ））。

さらに、第６図（ハ）の工程でこの酸化膜９の中央部を
紙面に垂直方向にフォトエツチングして、溝１０を形成
する。

第６図（ニ）の工程では、１０５００　Ｇの温度で水素
ガスＨ２に塩酸ＨＣＩを混合した雰囲気でエツチングを
することによりシリコン基板８に溝１０を介して満１１
を形成する。

次に、第６図（ホ）に示すように、溝１１の中に１０５
０００の温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１０”ｃｍ′
″コの濃度のホウ素（ｎ形）を選択エピタキシャルして
第１エビ層１２を形成する。

この後、第６図（へ）に示すように、第１エビ層１２の
上に１０５０’Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１
Ｑ”ｃｍ−’のｃＪ庶のホウ素（ｎ形）を選択エピタキ
シャルして振動梁１３となる第２エビ層１４を形成する
。

振動梁１３は差圧ΔＰがゼロの状態でも初期張力を与え
ておかないと差圧ΔＰの印加により座屈を起こして測定
できない状態となる。また、シリコンの共有結合半径は
１．１７人であり、ホウ素のそれは０．８８人であるの
で、ホウ素が部分的にシリコンの中に注入されるとその
部分は引張歪みを受ける そこで、この現象を利用して例えば第２エビ層１４のホ
ウ素の濃度を調整することによりここに初期張力を与え
るか、或いはｎ形のシリコン基板８の中のリン（共有結
合半径は１．１０人）ｌｌｆ１度を調整してシリコン基
板８と第２エビ膚１４との相対歪みを考慮して初期張力
を与えるようにする。

次に、第６図（ト）に示すように、第２エビ習１４の上
に１０５０００の温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で、１
Ｑ　Ｉ　ｌ　ｃ　ｍ″″３のＩｎのホウ素（ｐ形）を選
択エピタキシャルして第３エビ層１５を形成する。

更に、第６図〈チ）に示すように、第３１ピ居１５の上
に１０５０’Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で、ｌ
　Ｑ　１７　ｃ　ｍ″″３の濃度のリン（ｎ形）を選択
エピタキシャルして第４エビ膚１６を形成する。

第６図（す）は、第６図（チ）に示す選択エピタキシャ
ルの工程の後に８．０２の酸化膜９を弗化水素１１Ｆで
エツチングして除去（工程は図示せず）した状態におい
て、第１工と１１２と第３エビ［１１５を除去するエツ
チング工程を示している。

このエツチング工程では、図示していないが、アルカリ
の液中に全体が浸積されており、ｎ形のシリコン基板８
と第４エビＭ１６がｐ形の第２エビ層１４に対してプラ
スの電位となるように直流パルス電源１７からピーク値
が５ｖで繰返し周期が０．０４Ｈｚ程度の正のパルス電
圧が印加されている。この電圧印加によりｎ形のシリコ
ン基板８と第４エビ層１６はその表面に不溶性膜が形成
されて不ＩＩＩＲ化される結果そのエツチング速度が第
１エビ層１２と第３エビ層１５に対して大幅に遅くなる
ので、これを利用して第１エビ層１２と第３エビ！！１
１５を除去する。さらに、第２エビ層１４はドープされ
たホウ素の濃度が４×１０１９より大きいときにはエツ
チング速度がドープされないシリコンの場合の通常の速
度から大幅に遅れる現象を利用して、第２エビ層１４を
残して全体として第６図（ヌ）に示１ｒように一部に間
口部１８をもち、さらにシリコン基板８と第２エビ層１
４との間に間隙を持つように形成される。

第６図〈ル）は、熱酸化の工程を示す。この工程では、
シリコン基板８、第２１ビ居１４、および第４エビ層１
６の内外の全表面にそれぞれ酸化膜（Ｓｉ　０２　）８
８，１４ａ、および１６ａを形成させる。

第６図（オ）はプラズマエツチングの工程を示す。この
工程では、第６図（ル）の工程でシリコン基板８、第２
エビ層１４、および第４エビ唐１６の内外の全表面にそ
れぞれ形成された酸化膜８ａ、１４ａ１および１６ａの
うち、シリコン基板８と第４エビ層１６の外面の部分に
形成された醸化ｌＩＱをプラズマエツチングにより除去
し、次の工程での選択エピタキシャル成長の準備をづる
。

第６図（ワ）の工程では、全体を１０５０００の温度で
水素Ｈ２の雰囲気中でシリコン基板８と第４エビ層１６
の外面の部分にｎ形の選択エピタキシャル成長をさせる
。この選択エピタキシャル成長により、シリコン基板８
と第４エビ層１６との間に形成された開口部１８が埋め
られてシェル２０が形成され内部に棒状の第４エビ層で
形成された振＃ｉＩ］梁１３をもつ振動形差圧センサの
検出部が形成される。

この第６図（ワ）の工程では水素ト（２の雰囲気中で選
択エピタキシャル成長をさせたので、シリコンの単結晶
で出来たシリコン基板８とシェル２０との間に形成され
た中空苗２１の中には水素Ｈ２が封入されている。

そこで、第６図（力）に示すように９００００で真空と
した雰囲気の中にこの検出部を持つ振動形差圧センサを
入れて、シリコンの結晶格子の間を通してこの水素１２
を脱気して真空とする。このようにして得られた真空度
はｌＸ１０−コＴ。

ｒｒ以下となる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 以上のようにして、先願に係る振動形差圧センサは振動
梁と共にカバーもシリコン基板と一体にＩ！１３Ｆ！す
ることができ、従来の公知の振動形差圧センサの欠点を
除去することができるが、なお次に説明する欠点を持つ
。

このような振動形差圧センサを用いて、例えば５００Ｋ
ｇｆ／ｃｍ２にも及ぶ高い静ＪＩＳＦ（７）３３で例え
ば（１ｏｍｍＨ２０〜１０に９ｆ／ｃｍ２）のような微
小な差圧ΔＰを測定する場合には、振動形差圧センサの
受圧ダイアフラムの一方の面には静圧Ｓｐが他方の面に
は静圧（Ｓｐ＋ΔＰ）が印加されるので、この静圧Ｓｐ
により基板、受圧ダイアフラム、振動梁がε５＝ｓｐｊ
’／Ｅｓだけ収縮する。但し、Ｅｓは体積圧縮率、！は
振ａ梁の良さである。

従って、振動梁にはεＳだけの圧縮歪が加わり、このた
め振動梁の共振周波数が変化して静圧誤差を生じるとい
う問題が生じる。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、周囲に固
定部を持ちその内側に差圧によって変形する受圧ダイア
フラムを持つ半導体の基板と、固定部の一部が掘られて
凹部とされここに形成された薄肉の補償ダイアプラムと
、この補償ダイアフラムの上に一端が設けられ他端が受
圧ダイアフラムの上に形成された振動梁と、基板に一体
に形成され振動梁の周囲を覆うシェルと、固定部と接合
され差圧を成す一方の圧力を導入する導圧孔を持つ半導
体の基台とを有するようにしたものである。

く作　用〉 振動梁の各一端が受圧ダイアフラムと補償ダイアフラム
の上に固定されているので、静圧が補償ダイアフラムに
印加されると補償ダイアフラムにより引張歪が発生する
。一方、振動梁には静圧による圧縮歪が発生する。従っ
て、これ等は互いにキャンセルされ静圧が補償される。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する
。第１図は本発明のシェルを除いた１実施例を示す射視
図、第２図はシェルを付したそのＸ−Ｘ断面の構成を示
す断面図である。

これ等の図において、２２は円筒状のシリコンの基板で
あり、２３はこの基板２２の中央を屁って薄肉部を形成
して静圧Ｓｐ、＜Ｓｐ＋ΔＰ）を受ける受圧部とした受
圧ダイアフラムであり、例えばシリコンをエツチングし
て作られ、その周囲は円環状に厚内の固定部２４とされ
ている。

２５は固定部２４の一部の円環状の底面を掘って形成さ
れた薄肉の補償ダイアフラムである。

２６は差圧による歪みを検出する振動梁であり、その一
端は受圧ダイアフラム２３の上に、他の一端は補償ダイ
アフラム２５の上にそれぞれ形成され、この上は内部を
例えば真空に保持するシェル２７で覆っである。これ等
の振動梁２６とシェル２７は第６図で説明した製造方法
と同じ製造方法で作られる。

固定部２４の底面は中央に圧力（Ｓｐ＋ΔＰ）を導入す
る導圧孔２８を持つ円板状のシリコンの基台２９が例え
ば陽極接合などにより接合されている。この接合に当た
って、真空状態で接合すれば補償ダイアフラム２５の内
部は真空となり、大気圧下で接合させれば補償ダイアフ
ラム２５の内部は大気圧となる。

次に、以上のように構成された第１図、第２図に示す実
施例の動作について第３図に示す動作説明図を用いて説
明する。

まづ、差圧ΔＰが印加された状態の動作について説明す
る。

差圧ΔＰが受圧ダイアフラム２３に印加されろと、受圧
ダイアフラム２３が変位し、これに伴ない振動梁２６の
受圧ダイアフラム２３側の一端が変位して振＠ｌＩ梁２
６に張力が加わる。この結果、振動梁２６の共振周波数
が変化するので、これにより差圧ΔＰが検出される。

次に静圧Ｓｐが印加されたときの動作について、説明す
る。

静圧Ｓｐが受圧ダイアフラム２３に印加されても受圧ダ
イアフラム２３は変位しないが振ＦＪＪ梁２６には前述
のようにε５＝ｓｐｉ’／Ｅｓなる圧縮歪が加わる。一
方、補償・ダイアフラム２５は静圧Ｓｐを受け、第３図
に示す様に補償ダイアフラム２５を下方に押し下げて振
動梁２６の補償ダイアフラム２５上の端部を変位させ、
振動梁２６にεχなる引張歪を加える。

従って、εＳ＝εＸになるように補償ダイアフラム２５
を設計しておくことによって静圧Ｓｐを印加しても振動
梁２６には歪みが加わらないようにすることができる。

なお、バラツキのために補償ダイアフラム２５による静
圧補償では補償の程度が不十分な場合には、第１図およ
び第２図における固定部２４の上面或いは内部に例えば
拡散などにより歪みゲージを形成したり、或いは振動梁
２６と同じような振動梁を別に設けてこれを静圧センサ
として用い、その出力で補償ダイアフラムでの静圧補償
のバラツキ分を電気回路で補償するようにすると、より
完全な静圧補償を達成できる。また、この静圧センサは
基台２９側に設けても良い。

〈発明の効果〉 以−Ｌ１実浦例と共に具体的に説明したように本発明に
よれば基板に受圧ダイアフラムと補償ダイアフラムを設
け、これ等にまたがるように振動梁を設けることによっ
て静圧による引張歪と圧縮歪みを補償するようにしたの
で静圧誤差を小さくすることができ精度の向上に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はシェルを除いた本発明の１実施例の構成を示す
側視図、第２図は第１図のＸ−Ｘ断面を示す断面図、第
３図は第１図と第２図に示す実施例の動作を説明する動
作説明図、第４図はシェルを除いた公知の従来の撮動形
差圧センサの構成を示す側視図、第５図は第４図のＸ−
Ｘ断面を示す断面図、第６図は先願の従来の振動形動圧
センサを製造する工程を説明する工程図である。 １・・・シリコン基板、２・・・受圧ダイアフラム、３
・・・振動梁、５・・・空洞部、６・・・カバー、７・
・・内部空間、８・・・シリコン基板、１２・・・第１
エピ贋、１３・・・振動梁、１４・・・第２エビ層、１
５・・・第３Ｔ−ビ層、１６・・・第４エビ層、１８・
・・開口部、２０・・・シェル、２１・・・中空室、２
２・・・基板、２３・・・受圧ダイアフラム、２４・・
・固定部、２５・・・補償ダイアフラム、２６・・・振
動梁、２７・・・シェル、２９・・・基台。 第４図 第５図 験土部ｏ　　　　Ｓｐ士Δｐ （ヌ）　エツチング結束 （カ）　　Ｈ２ガスの脱気 ６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周囲に固定部を持ちその内側に差圧によって変形する受
   圧ダイアフラムを持つ半導体の基板と、前記固定部の一
   部が掘られて凹部とされここに形成された薄肉の補償ダ
   イアフラムと、この補償ダイアフラムの上に一端が設け
   られ他端が前記受圧ダイアフラムの上に形成された振動
   梁と、前記基板に一体に形成され前記振動梁の周囲を覆
   うシェルと、前記固定部と接合され前記差圧を成す一方
   の圧力を導入する導圧孔を持つ半導体の基台を有するこ
   とを特徴とする振動形差圧センサ。