JPH01127931A - Vibration type differential pressure sensor - Google Patents

Vibration type differential pressure sensor

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JPH01127931A
JPH01127931A JP28627687A JP28627687A JPH01127931A JP H01127931 A JPH01127931 A JP H01127931A JP 28627687 A JP28627687 A JP 28627687A JP 28627687 A JP28627687 A JP 28627687A JP H01127931 A JPH01127931 A JP H01127931A
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pressure
static pressure
differential pressure
vibrating
vibrating beam
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Kinji Harada
原田 謹爾
Kyoichi Ikeda
恭一 池田
Hideki Kuwayama
桑山 秀樹
Takashi Kobayashi
隆 小林
Tetsuya Watanabe
哲也 渡辺
Sunao Nishikawa
直 西川
Takashi Yoshida
隆司 吉田
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0022Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element

Abstract

PURPOSE:To decrease a static pressure error by providing a compensating chamber in the vicinity of a vibrating beam, generating a tensile strain against static pressure, and compensating compressive strain caused by the static pressure. CONSTITUTION:In the center of a cylindrical silicon substrate 22, a pressure receiving diaphragm 23, a vibrating beam 25 and a shell 26 are formed, and on the bottom face of a fixed part 24, a compensating chamber 27 is formed. According to such constitution, when static pressure Sp is applied, the upper face of the fixed part of the upper part of the compensating chamber 27 is dented by the static pressure Sp, a deformation DELTAx is generated, the diaphragm 23 is deformed in a convex shape by the deformation DELTAx, and a tensile strain epsilonp is generated in the vibrating beam 25 provided in the vicinity of the surface of the diaphragm 23. On the other hand, in the vibrating beam 25, a compressive strain epsilons is generated by the static pressure Sp, therefore, when a size of the compensating chamber 27 is selected so as to obtain epsilonp=epsilons, a static pressure error can be suppressed small. When differential pressure DELTAp of the static pressure Sp, Sp+DELTAp is applied to the diaphragm 23, the vibrating beam 25 receives a tensile stress and the natural frequency is varied, and the differen tial pressure DELTAp can be known.

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、半導体の振1JIJ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。
[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to a vibrating differential pressure sensor that detects strain corresponding to the differential pressure of a semiconductor beam as a frequency signal.
In particular, it relates to a vibrating differential pressure sensor with improved static pressure characteristics.

〈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。
<Prior art> The present invention is based on a method of detecting pressure or differential pressure from changes in the resonant frequency of a vibrating beam formed on a silicon pressure receiving diaphragm, fixed at both ends, and excited by an excitation means. A known vibrating turgor pressure sensor is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 59-42632 [Pressure Sensor].

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
リ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。
In this proposal, it is explained as a pressure sensor, but it can also be used as a differential pressure sensor, so in the following explanation, it will be explained as a differential pressure sensor.

この振動形差圧センサについて、第6図と第7図を用い
てその概要を説明する。
An outline of this vibrating differential pressure sensor will be explained using FIGS. 6 and 7.

第6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7図は第6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。
FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of this conventional vibrating differential pressure sensor with the cover removed, and FIG. 7 is a sectional view taken along the line XX in FIG. 6 with the cover attached.

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を下面がら圧力<Sp+ΔP)を
受ける受圧部とした受圧ダイアプラムであり、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。
In these figures, 1 is a cylindrical silicon substrate, and 2 is a pressure-receiving part that receives pressure Sp from the top surface and pressure <Sp+ΔP from the bottom surface by digging in the center of the silicon substrate 1 to form a thin part. This is a pressure receiving diaphragm, and is made by etching the silicon substrate 1, for example. Here, ΔP
is the differential pressure to be measured.

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に固定された振動梁であり、振11i1J梁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。
3 is a vibration beam formed on the pressure receiving diaphragm 2 and fixed to the silicon substrate 1 at both ends;
is provided approximately at the center of the pressure receiving diaphragm 2.

この振動梁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後、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5t02で保護する。
Specifically, this vibration beam 3 includes, for example, an n-type silicon substrate 1
A first P-type epitaxial layer is formed on top, a cut is made in the center to electrically separate the left and right sides, an n-type epitaxial layer is formed on this layer, and then a P-type epitaxial layer is formed. This is then protected with an oxide film 5t02.

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。
The cavity 5 at the bottom of the vibrating beam 3 is formed by under-etching this n-type epitaxial layer.

このようにして形成された振動梁3は、例えば長さを!
、厚さを11幅をdとすれば、l=100um、h=1
.czm、d=5μmの程度の大きさである。
The vibrating beam 3 formed in this way has a certain length, for example!
, if the thickness is 11 and the width is d, l=100um, h=1
.. The size is on the order of czm, d=5 μm.

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。
The periphery of the vibrating beam 3 formed on the pressure receiving diaphragm 2 is covered with, for example, a silicon cover 6 bonded to the pressure receiving diaphragm 2 by anodic bonding or the like, and this internal space 7 is maintained in a vacuum state.

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。
The vibrating beam 3, cover 6, cavity 5, internal space 7, etc. form a detection section of the vibrating differential pressure sensor.

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
#J梁3はその固有振動数で自励発振を起こす。
In the above configuration, when an oscillation circuit is connected between the first left and right P+ type epitaxial layers for the vibration beam 3, which is the second P-type epitaxial layer, to cause oscillation, the vibration #J beam 3 causes self-oscillation at its natural frequency.

この場合、カバー6の内部空間7が真空状態にされ振動
@3が真空の中に保持されるので、共振の鋭さを示すQ
値が太き(なり、共成周波数の検出が容易となる。
In this case, the internal space 7 of the cover 6 is made into a vacuum state and the vibration @3 is kept in vacuum, so Q
The value becomes thicker, making it easier to detect the mutual frequency.

第7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。
As shown in FIG. 7, when a differential pressure ΔP between the pressure Sp and the pressure (Sp+ΔP) is applied to the pressure receiving diaphragm 2, the vibrating beam 3 receives tensile stress.

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。
This tensile stress changes the natural frequency of the vibrating beam 3, allowing the differential pressure ΔP to be determined.

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梁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らないので、@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。
However, with such conventional vibrating differential pressure sensors,
A separately made silicone cover 6 is bonded to the top of the vibrating beam 3 formed on the thin pressure receiving diaphragm 2 by anodic bonding or the like, and the internal space formed by the cover 6 and the pressure receiving diaphragm 2 is evacuated. As a result, there is a problem in that the pressure characteristics or temperature characteristics of the @dynamic differential pressure sensor deteriorate, causing a decrease in accuracy.

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62−166175号「発明の名
称二振動形トランスデユー号の製造方法」を提出してい
る。以下、この提案のI’! 要について説明する。
Therefore, in order to solve this problem, the applicant
On July 2, 1982, he filed Japanese Patent Application No. 166175/1982 titled ``Method for manufacturing a two-vibration transducer''. Below is the I'! of this proposal! Let me explain the main points.

第8図はこの提案による振動形差圧センサの要部である
検出部の製造工程を示す工程図である。
FIG. 8 is a process diagram showing the manufacturing process of the detection section, which is the main part of the vibratory differential pressure sensor according to this proposal.

これは第7図にお()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。
This shows the process of the detection part D' shown in the axial cross section of the vibrating beam corresponding to the detection part shown in FIG. 7().

第8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。
FIG. 8(a) shows an n-type silicon substrate 8 which will be the base for making the detection section D'.

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(SL02 )9を形成する(第8図(ロ))。
Next, this silicon substrate 8 is thermally oxidized to form an oxide film (SL02) 9 on its surface (FIG. 8(b)).

さらに、第8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。
Further, in the step shown in FIG. 8(c), the central portion of this oxide film 9 is photo-etched in a direction perpendicular to the plane of the paper to form a groove 10.

第8図(ニ)の工程では、1050’Cの温度で水素ガ
スH2に塩酸HC1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を介して溝11を
形成する。
In the step shown in FIG. 8(d), grooves 11 are formed in the silicon substrate 8 through the grooves 10 by etching in an atmosphere containing hydrogen gas H2 and hydrochloric acid HC1 at a temperature of 1050'C.

次に、第8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−
’の濃度のホウ素(P形)を選択エピタキシャルして第
1エビ層12を形成する。
Next, as shown in FIG. 8(E), 105
10”cm− in an atmosphere of hydrogen gas H2 at a temperature of 0.000
The first shrimp layer 12 is formed by selectively epitaxially using boron (P type) having a concentration of .

この後、第8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”am−’の濃度のホウ素(P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。
After this, as shown in FIG.
A second shrimp layer 14 that becomes the vibrating beam 13 is formed by selectively epitaxially epitaxially using boron (P type) having a concentration of Q"am-".

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エピ庖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)濃度を調整してシリコン基板8と
第2エビ暦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。
Even if the differential pressure ΔP is zero, the vibrating beam 13 will buckle due to the application of the differential pressure ΔP and become unmeasurable unless an initial tension is applied to it. Also, the covalent bond radius of silicon is 1.17 and that of boron is 0.88, so when boron is partially implanted into silicon, that part undergoes tensile strain, so this phenomenon occurs. For example, by adjusting the concentration of boron in the second epitaxial layer 14 using The adjustment is made so that the initial tension is given in consideration of the relative strain between the silicon substrate 8 and the second shrimp 14.

次に、第8図(ト)に示すように、第2エビ層14の上
に10500Cの温度で水素ガスH2の雰囲気中で、1
Q”cm−’の濃度のホウ素(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。
Next, as shown in FIG.
A third shrimp layer 15 is formed by selectively epitaxially epitaxially using boron (p-type) having a concentration of Q''cm-'.

更に、第8図〈チ)に示すように、第3エビ層15の上
に10500Gの濡洩で水素ガス1」2の雰囲気中で、
1017cm″″3のC度のリン〈n形)を選択エピタ
キシャルして第4エビ層16を形成する。
Furthermore, as shown in FIG.
A fourth shrimp layer 16 is formed by selectively epitaxializing 1017 cm''3 of C degree phosphorus (n type).

第8図(す)は、第8図(チ)に示す選択エピタキシャ
ルの工程の後に5102の酸化膜9を弗化水素HF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エビ層12と第3エビ層15を除去するエツチン
グ工程を示している。
FIG. 8(S) shows the state in which the oxide film 9 of 5102 is removed by etching with hydrogen fluoride HF (step not shown) after the selective epitaxial process shown in FIG. 8(H). It shows an etching process for removing the shrimp layer 12 and the third shrimp layer 15.

このエツチング工程では、図示していないが、アルカリ
の液中に全体が浸梢されており、n形のシリコン基板8
と第4エビ層16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0.048Z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
されて不働態化される結束そのエツチング速度が第1エ
ピ否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エビ層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4×101g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8図(ヌ)に示すように一部に開口部18を
もち、さらにシリコン基板8と第2エビ層14との間に
間隙を持つように形成される。
In this etching step, although not shown, the entire n-type silicon substrate 8 is immersed in an alkaline solution.
A positive pulse voltage with a peak value of 5V and a repetition period of about 0.048Z is applied from the DC pulse power supply 17 so that the fourth shrimp layer 16 has a positive potential with respect to the p-type second shrimp layer 14. ing. By applying this voltage, an insoluble film is formed on the surfaces of the n-type silicon substrate 8 and the fourth layer 16, and the etching rate is increased relative to the first layer 12 and the third layer 15. Since it becomes much slower, the first shrimp layer 12 and the third shrimp layer 15 are removed by taking advantage of this. Further, the second shrimp layer 14 is formed by leaving the second shrimp layer 14 by taking advantage of the phenomenon that when the concentration of doped boron is greater than 4×101 g, the etching rate is significantly slower than the normal speed for undoped silicon. As a whole, it is formed to have an opening 18 in a part and a gap between the silicon substrate 8 and the second shrimp layer 14, as shown in FIG.

第8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2エビ層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(SiC2)8a、
14a、および16a!形成させる。
FIG. 8(R) shows the thermal oxidation process. In this process,
Silicon substrate 8, second shrimp layer 14, and fourth shrimp layer 1
Oxide film (SiC2) 8a on the entire inner and outer surfaces of 6, respectively.
14a, and 16a! Let it form.

第8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8図(ル)の工程でシリコン基板8、第2
エビll!114、および第4エビ層16の内外の全表
面にそれぞれ形成された酸化膜8a、14a、および1
6aのうち、シリコン基板8と第4エビ層16の外面の
部分に形成された酸化膜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す
る。
FIG. 8(e) shows the plasma etching process. In this step, the silicon substrate 8 and the second
Shrimp! 114, and the oxide films 8a, 14a, and 1 formed on the entire inner and outer surfaces of the fourth shrimp layer 16, respectively.
In 6a, the oxide film formed on the outer surfaces of the silicon substrate 8 and the fourth layer 16 is removed by plasma etching to prepare for selective epitaxial growth in the next step.

第8図(ワ)の工程では、全体を10500C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2oが形成され内部に棒状の第4エビ層で
形成された振動梁13をもつ振動形差圧センサの検出部
が形成される。
In the process shown in FIG. 8(W), the entire silicon substrate 8 and the fourth shrimp layer 16 are heated in an atmosphere of hydrogen H2 at a temperature of 10,500C.
N-type selective epitaxial growth is performed on the outer surface of the substrate. By this selective epitaxial growth, the silicon substrate 8
and the fourth shrimp layer 16 is filled to form a shell 2o, and the detecting part of the vibrating differential pressure sensor has a vibrating beam 13 formed of a rod-shaped fourth shrimp layer inside. is formed.

この第8図(ワ)の工程では水素H2の゛谷間気中で選
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
た中空室21の中には水素H2が封入されている。
In the process shown in FIG. 8(W), selective epitaxial growth was performed in a valley atmosphere of hydrogen H2, so that the hollow chamber 21 formed between the silicon substrate 8 made of a silicon single crystal and the shell 20 was formed. contains hydrogen H2.

そこで、第8図(力)に示すように9000C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H2
を脱気して真空とする。このようにして得られた真空麿
は1X10−3T。
Therefore, as shown in Figure 8 (force), a vibrating differential pressure sensor with this detection part is placed in a vacuum atmosphere at 9000C, and the hydrogen H2 is passed through the silicon crystal lattice.
Degas to create a vacuum. The thus obtained vacuum tube was 1X10-3T.

rr・以下となる。It will be less than rr.

〈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#i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¥J造するこ
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。
<Problems to be Solved by the Invention> As described above, in the #i dynamic differential pressure sensor according to the prior application, both the vibrating beam and the cover can be manufactured integrally with the silicon substrate. Although the drawbacks of the vibrating differential pressure sensor can be eliminated, it still has the following drawbacks.

このような振動形差圧センサを用いて、例えば500 
K CJ f / c m ’にも及ぶ高い静圧Spの
基で例えば(10mm820〜10KOf/cm’ )
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而には静圧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!FJJ
梁がε5=spj’/Esだけ収縮する。但し、Esは
体積圧縮率、lは振動梁の長さである。
Using such a vibrating differential pressure sensor, for example, 500
For example, under a high static pressure Sp as high as K CJ f/cm'(10mm820~10KOf/cm')
When measuring a minute differential pressure ΔP, static pressure SP is applied to one side of the pressure receiving diaphragm of the vibrating differential pressure sensor, and static pressure (Sp + ΔP) is applied to the other side. The static pressure SP causes the board, pressure receiving diaphragm, and vibration! F.J.J.
The beam contracts by ε5=spj'/Es. However, Es is the volumetric compressibility, and l is the length of the vibrating beam.

従って、振動梁にはεSだけの圧縮歪が加わり、このた
め振!IJI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。
Therefore, a compressive strain of εS is applied to the vibrating beam, which causes vibration! A problem arises in that the resonant frequency of the IJI beam changes, causing static pressure errors.

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
プラムを持つ半導体の基板と、この基板に形成され差圧
によって受圧ダイアフラムの表面付近に生じる歪みを測
定する少なくとも1個以上の振動梁と、基板に一体に形
成され振a梁の周囲を真空状態に保持するシェルと、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、固定部あるいはこの固定部に対
向する基台に設けられた補償室を有するようにしたもの
である。
Means for Solving the Problems> In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor substrate having a fixed portion around the periphery and a pressure-receiving diaphragm that is deformed by differential pressure inside the substrate; At least one or more vibrating beams that are formed to measure the strain generated near the surface of the pressure receiving diaphragm due to the differential pressure, a shell that is integrally formed with the substrate and that maintains the periphery of the vibrating beams in a vacuum state, and a shell that is joined to the fixed part. It has a semiconductor base having a pressure guide hole for introducing one pressure forming the differential pressure, and a compensation chamber provided in the fixed part or the base facing the fixed part.

く作 用〉 基板の固定部あるいはこの固定部に対向する基台に空間
を持つ補償室を形成することにより、これ等の周囲から
印加される静圧によりこの補償室を凹ませて基板に形成
された振動梁に引張応力を生じさせ、静圧による圧縮歪
を打ち)肖す。
Effect: By forming a compensation chamber with a space in the fixed part of the board or the base opposite to this fixed part, the static pressure applied from the surroundings will cause this compensation room to be depressed and formed in the board. A tensile stress is generated in the vibrating beam, and compressive strain due to static pressure is applied.

〈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断面の構成を示
す断面図である。
<Example> Hereinafter, an example of the present invention will be described based on the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of the present invention without a shell, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the X-X cross section with the shell attached.

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の中央を掘って薄肉部を形成
して静圧Sp N  <Sp+ΔP)を受ける受圧部と
しだ受圧ダイアフラムであり、例えばシリコンをエツチ
ングして作られ、その周囲は円環状に厚肉の固定部24
とされている。
In these figures, 22 is a cylindrical silicon substrate, and 23 is a pressure receiving part and a pressure receiving diaphragm which is formed by digging the center of this substrate 22 to form a thin part to receive static pressure Sp N <Sp+ΔP). , made by etching silicone, for example, and surrounded by a thick-walled fixing part 24 in an annular shape.
It is said that

25は差圧による歪みを検出する振e梁、26は内部を
例えば真空に保持するシェルであり、これ等は第8図で
説明した製造方法で作られる。
Reference numeral 25 is an e-beam for detecting strain due to differential pressure, and reference numeral 26 is a shell for maintaining the inside in a vacuum, and these are manufactured by the manufacturing method explained in FIG. 8.

固定部24の円環状の底面には円環状の凹部である補償
室27が例えばエツチングなどにより形成されている。
A compensation chamber 27, which is an annular recess, is formed on the annular bottom surface of the fixing portion 24 by, for example, etching.

補償室27を除く固定部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室2
7の内部は真空となり、大気圧下で接合させれば補償室
27の内部は大気圧となる。
The bottom surface of the fixed part 24 except for the compensation chamber 27 has a pressure (Sp
A disk-shaped silicon base 29 having a pressure guiding hole 28 for introducing +ΔP) is bonded by, for example, anodic bonding. If this bonding is performed in a vacuum state, the compensation chamber 2
The inside of the compensation chamber 27 becomes a vacuum, and if they are bonded under atmospheric pressure, the inside of the compensation chamber 27 becomes atmospheric pressure.

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。
Next, the operation of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 constructed as above will be explained using the operation explanatory diagram shown in FIG. 3.

差圧ΔPが加わったときの動作は従来と全く同じである
ので、以下の説明では静圧SPが加わったときの動作に
ついて説明する。
The operation when the differential pressure ΔP is applied is exactly the same as the conventional one, so in the following explanation, the operation when the static pressure SP is applied will be explained.

基板22と基台29の外周および受圧ダイアフラム23
の表裏に静圧SPが加わっても補償室27は封止されて
いるので静圧Spは加わらない。
The outer periphery of the substrate 22 and the base 29 and the pressure receiving diaphragm 23
Even if static pressure SP is applied to the front and back sides of the compensating chamber 27, the static pressure Sp will not be applied because the compensation chamber 27 is sealed.

このため、補償室27の上部の固定部24の上面は静圧
Spによって凹み、ΔXなる変形をする。
Therefore, the upper surface of the fixing portion 24 above the compensation chamber 27 is depressed by the static pressure Sp, and is deformed by ΔX.

この変形Δχにより受圧ダイアフラム23は凸状に変形
し、受圧ダイアフラム23の表面近傍に設けられた振動
梁25には引張歪εPを生じる。
Due to this deformation Δχ, the pressure receiving diaphragm 23 is deformed into a convex shape, and a tensile strain εP is generated in the vibrating beam 25 provided near the surface of the pressure receiving diaphragm 23.

一方、振動梁25には静圧Spによりε5=Spl/E
sなる圧縮歪が生じている。
On the other hand, due to the static pressure Sp in the vibrating beam 25, ε5=Spl/E
A compressive strain of s has occurred.

従って、εP=εSとなるように、補償室27の大きさ
を選定することにより静圧誤差を小さく抑えることがで
きる。
Therefore, by selecting the size of the compensation chamber 27 so that εP=εS, the static pressure error can be kept small.

第4図は本発明の第2の実施例の構成を示す縦断面図で
ある。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the structure of a second embodiment of the present invention.

この実施例は、基台に受圧ダイアフラム用と補償室用の
凹部を設けたものである。
In this embodiment, the base is provided with recesses for the pressure receiving diaphragm and the compensation chamber.

円板状の基板30はその中央部に振all梁25とシェ
ル26が第2図と同様にして形成されている。
A disk-shaped substrate 30 has a swinging beam 25 and a shell 26 formed at its center in the same manner as shown in FIG.

基板30の中央部は受圧ダイアフラム31、その周囲は
固定部32として機能する。
The center portion of the substrate 30 functions as a pressure receiving diaphragm 31, and the surrounding area functions as a fixing portion 32.

基板30の固定部32はシリコンの基台33に接合され
、この基台33の固定部32に対向する面には円環状に
四部が作られ補償室34が形成されている。また、基台
33の中央には導圧孔35が貫通されその上面近傍には
受圧ダイアフラム31と対向離間して凹部36が形成さ
れている。
The fixing part 32 of the substrate 30 is joined to a silicon base 33, and on the surface of the base 33 facing the fixing part 32, four annular parts are formed to form a compensation chamber 34. Further, a pressure guiding hole 35 passes through the center of the base 33, and a recess 36 is formed in the vicinity of the upper surface of the base 33, facing and spaced apart from the pressure receiving diaphragm 31.

以上の構成でも第1図に示す実施例と同様な動作をする
The above configuration also operates in the same way as the embodiment shown in FIG.

第5図は受圧ダイアフラム近傍の基板中に補償室を形成
した第3の実施例を示す。
FIG. 5 shows a third embodiment in which a compensation chamber is formed in the substrate near the pressure receiving diaphragm.

円板状の基板37はその中央部に振a@25とシェル2
6が第2図と同様にして形成されているが、この基板3
7に形成された受圧ダイアフラム23の近傍で固定部3
8側の基板37の内部に選択エツチング、エピタキシャ
ル成長などによる封止によって、補償室39を設けてい
る。
The disk-shaped substrate 37 has a swing a@25 and a shell 2 in its center.
6 is formed in the same manner as in FIG.
The fixed part 3 is located near the pressure receiving diaphragm 23 formed at 7.
A compensation chamber 39 is provided inside the substrate 37 on the 8 side by sealing by selective etching, epitaxial growth, or the like.

この構成でも第1図に示す実施例と同様な動作をする。This configuration also operates in the same way as the embodiment shown in FIG.

なお、バラツキのためにこれ等の補償室27.34.3
9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24.32.39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25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、その出力で補償室
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29.33側に設けても良い。
In addition, due to variations, these compensation chambers 27.34.3
If the static pressure compensation according to 9 is insufficient,
A strain gauge may be formed on the upper surface or inside of the fixed part 24, 32, 39 in FIGS. 1 and 2 by diffusion, or a separate vibrating beam similar to the vibrating beam 25 may be provided and used as a static pressure sensor. If the output is used to compensate for variations in static pressure compensation in the compensation chamber using an electric circuit, more complete static pressure compensation can be achieved. Moreover, this static pressure sensor may be provided on the base 29.33 side.

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば振動梁の近傍に補償室を設けることによって静圧に
対して引張歪を生じさせるようにして静圧による圧縮歪
みを補償するようにしたので、静圧誤差を小さくするこ
とができる。
<Effects of the Invention> As described above in detail with the embodiments, according to the present invention, a compensation chamber is provided near the vibrating beam to generate tensile strain against static pressure, thereby reducing compression due to static pressure. Since the distortion is compensated for, the static pressure error can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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
射視図、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図は本発明の第2の実施例の構成を示す
断面図、第5図は本発明の第3の実施例の構成を示す断
面図、第6図はシェルを除いた公知の従来の振動形差圧
センサの構成を示す射視図、第7図は第6図のX−X断
面を示す断面図、第8図は先願の従来の振動形差圧セン
)1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
エビ層、13・・・振a梁、14・・・第2エビ層、1
5・・・第3エビ層、16・・・第4エビ層、18・・
・開口部、20・・・シェル、21・・・中空室、22
.30・・・基板、23・・・受圧ダイアフラム、24
.38・・・固定部、25・・・振動梁、26・・・シ
ェル、27.34.39・・・補償室、29.33・・
・基台、 第 4I21 第5図 第6図 第7図 検出部o    Sp士Δp ゝ−I         ゝ−′         〜
I          −一ノ          ・
N−・(ヌ) エツチング結束 (力)  H2ガスの脱気 8図 7M−
Fig. 1 is a perspective view showing the configuration of one embodiment of the present invention excluding the shell, Fig. 2 is a cross-sectional view taken along the line X-X in Fig. 1, and Fig. 3 is a diagram showing Figs. 1 and 2. FIG. 4 is a sectional view showing the structure of the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the third embodiment of the present invention. , FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of a known conventional vibrating differential pressure sensor excluding the shell, FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line X-X in FIG. 6, and FIG. FIG. 2 is a process diagram illustrating a process of manufacturing a conventional vibrating differential pressure sensor (1). 1... Silicon substrate, 2... Pressure receiving diaphragm, 3
... Vibration beam, 5... Cavity, 6... Cover, 7.
...Internal space, 8...Silicon substrate, 12...First
Shrimp layer, 13... Shaking beam, 14... Second shrimp layer, 1
5...Third shrimp layer, 16...Fourth shrimp layer, 18...
- Opening, 20... Shell, 21... Hollow chamber, 22
.. 30... Substrate, 23... Pressure receiving diaphragm, 24
.. 38... Fixed part, 25... Vibration beam, 26... Shell, 27.34.39... Compensation chamber, 29.33...
・Base, 4I21 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Detection section o Sp Δp ゝ-I ゝ-' ~
I-ichino ・
N-・(NU) Etching binding (force) H2 gas degassing 8 Figure 7M-

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 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、この基板に形成
され前記差圧によって前記受圧ダイアフラムの表面付近
に生じる歪みを測定する少なくとも1個以上の振動梁と
、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と、前記固定部
あるいはこの固定部に対向する前記基台に設けられた補
償室を有することを特徴とする振動形差圧センサ。
A semiconductor substrate having a fixed part around it and a pressure receiving diaphragm deformed by differential pressure inside the semiconductor substrate, and at least one or more vibrations formed on this substrate to measure the strain generated near the surface of the pressure receiving diaphragm due to the differential pressure. a beam, a shell that is integrally formed on the substrate and covers the periphery of the vibrating beam, a semiconductor base that is joined to the fixed part and has a pressure guiding hole that introduces one pressure forming the differential pressure, and the fixed part. A vibrating differential pressure sensor characterized in that it has a compensation chamber provided in the base or the base facing the fixed part.
JP28627687A 1987-11-12 1987-11-12 Vibration type differential pressure sensor Expired - Lifetime JPH0778460B2 (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004093140A (en) * 2002-08-29 2004-03-25 Yokogawa Electric Corp Semiconductor pressure sensor
JP2012242123A (en) * 2011-05-16 2012-12-10 Yokogawa Electric Corp Vibration type pressure transducer
CN104422547A (en) * 2013-08-19 2015-03-18 横河电机株式会社 Resonant pressure sensor and manufacturing method therefor

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