JPH02159769A - シリコン振動式歪センサの製造方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、シリコン単結晶を用いて測定圧力に対応した
歪みを周波数信号として検出するシリコン振動式歪セン
サの製造方法に係り、特にその耐圧を向上させるように
改良されたシリコン振動式歪センサの製造方法に関する
。

〈従来の技術〉 弾性を有するシリコン半導体で構成した受圧ダイアフラ
ムの上に形成されて両端が固定された振動梁と、この振
動梁を励振する励振手段と、この励振手段で励振されて
生じる振動を検出する振動検出手段とで構成されたこの
出願の改良のベースとなるシリコン振動式歪センサは、
例えば本出願人より提出された特願昭５９−４２６３２
号「圧力センサ」に開示されている。

このシリコン振動式歪センサの検出部について、第３図
から第５図を用いてその概要を説明する。

第３図はこの従来のシリコン振動式歪センサのセンサチ
ップのカバーをとった構成を示す斜視図、第４図は第３
図におけるＸ−Ｘ断面におけるカバをつけた断面図、第
５図は一部を省略した平面図である。

これ等の図において、１は弾性を有する半導体で構成さ
れた円筒状のシリコン基板である。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測定圧力Ｐ■を受
ける受圧部としだ受圧ダイアフラムであり、この受圧タ
イアフラム２は例えはシリコン基板１を異方性エツチン
グして作られる６その厚肉の周縁部３はこの薄肉の受圧
タイアフラム２を周縁で保持する。

４．５は受圧タイアフラム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、振動梁４は受
圧タイアフラム２のほぼ中央部に、振動梁５は受圧タイ
アフラム２の周辺部にそれぞれ位置している。

これ等の振動梁４．５は、具体的には例えはｎ形シリコ
ン基板１の上に第１のＰ＋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＋形エ
ピタキシャル層を形成してこの上を酸化膜５ｉｏ２で保
護する。そして振動梁４の下部の空洞部はこの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動梁４は、例えば長さを！
、厚さをｈ、幅をｄとすれは、１−１００μｍ＋ｈ＝１
μｍ＋ｄ＝５μｍの程度の大きさである。

受圧タイアフラム２の上に形成された振動梁４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、この内部を真空状態に保持
する。なお、図示していないが振動梁５側も同じ様に形
成する。この様にして、センサチップ７が形成される。

以上の構成において、第２のＰ＋形エピタキシャル層で
ある振動梁４（５）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、振動梁４（５）はその固有振動数で自動発振を起こ
す。この場合、カバ６の内部が真空状態にされ振動梁か
真空の中に保持されるので、共振の鋭さを示すＱ値か大
きくなり、共振周波数の検出が容易となる。

この自励発振の周波数は振動梁に印加される引張或いは
圧縮応力に対応して互いに逆方向に変化する。第４図に
示すように測定圧力Ｐ、か受圧タイアフラム２に印加さ
れると振動梁４は引張応力、振動梁５は圧縮応力を受け
る。

したかって、振動梁４と５の固有振動数は測定圧力に対
して差動的に変化し、これ等の差を演算することによっ
て、２倍の感度で測定圧力ｐｍを知ることかできる。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかしながら、以上のような従来のシリコン振動式歪セ
ンサは、シリコン基板１をエツチング速度が結晶方位に
よって異なる異方性エツチングでエツチングして受圧タ
イアフラムを形成するので、結晶面同志が鋭角に交わる
。従って、受圧タイアフラみに測定圧力が印加された場
合に最大応力はこの鋭角部に発生し、測定圧力の最大値
に制限を受けたり、レンジアビリティが制約受けたりす
るという問題かある。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、以上の課題を解決するために、シリコン基板
の内部に四部が形成されて受圧タイアフラムが形成され
この受圧タイアフラムの一部が中空室とされこの中空室
の中に所定の張力で両端をシリコン基板に固定する振動
梁を形成するシリコン振動式歪センサの製造方法におい
て、凹部を異方性エツチングで形成した後、弗化水素が
３０〜９０％、硝酸が１０％以下、水分１０〜７０％の
範囲で混合されたエツチング液で凹部の鋭角部に丸みを
つけて受圧ダイアフラムの破壊強度を向上させるように
したものである。

く作　用〉 受圧ダイアフラムを形成するに際して、異方性エツチン
グでほぼ所定の形状の凹部を形成し、この後で所定の混
合比を持つ等方性エツチング液を用いて受圧タイアフラ
ムの角部に丸みを付けて耐圧を向上させる。

〈実施例〉 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は本発明の１実施例の構成を示す製造手順の概
要を示したものである。

１０はシリコン基板であり、このシリコン基板１０には
あらかじめ、振動梁１１がその中央部の付近に形成され
、その周囲は中空室１２とされている。

このシリコン基板１０の上面にはＳ、Ｎなどの保護ｐＩ
Ａ１Ｂが形成されている。その裏面１４の周囲の固定部
１５を形成する部分は酸化膜（Ｓｉ、０２）１６とＳｉ
Ｎなどの保護膜１７がエツチングのマスクとして形成さ
れている。

この状態で裏面１４側をＫＯＨ／ヒドラジンなとのアル
カリのエツチング液の中に浸積すると、エツチングされ
るが、シリコンの結晶方位によりエツチング速度が異な
るので、第１図（イ）に示すように四部１８か形成され
、これにより受圧ダイアフラム１９が形成される。凹部
１８の底面２０は（１，ＯＯ）結晶面であり、その周囲
の斜面２１は（］、　１．１　＞結晶面か露出される。

このようにして形成された底面２０と斜面２１との交差
面は第１図（ロ）に第１図（イ）のＡの部分を拡大して
示すように鋭いエツジを持つ角部２２となっている。

次に、この凹部１８をＨＰ　−ＨＮ　Ｏ３系溶液、例え
ばＨＦ：３０〜９０％、ＨＮＯ３≦１０％、Ｈ２Ｏ：１
０〜７０％の混合範囲のエツチング液で等方性エツチン
グを行うと、第１図（イ）のＡ部分を拡大した第１図（
ハ）に示すように角部２２は丸みをもった角部２３とな
っている。

この角部２３の丸みの程度は、エツチング時間を変える
ことによって任意に変更することができる。

第２図は丸みの大きさＲと受圧ダイアフラムの破壊応力
との関係を示したものである。

角形の受圧ダイアフラムの一辺の長さを２１／２　ａ、
その厚さをも、弾性係数をＥ、破壊圧力をＰとして全周
辺を固定したときの破壊応力σは、次式で表すことがで
きる。

ｏ＝０．６１５ｘａ２Ｐ／１２Ｅ そこで、シリコン基板１０の裏面１４を中央に圧力導入
孔が穿設された基板チップ接合した状態で、この圧力導
入孔に測定圧力を印加して角部２３の丸みＲを変えて受
圧ダイアフラムがそれぞれ破壊したときの破壊圧力Ｐか
ら」１式を用いて破壊応力σを求めてプロットしたもの
が第２図に示す特性図である。そして、この結果はシリ
コンの理論強度と一致している。

以上のようにして、角部に丸みＲを付けることにより、
例えばＲ＝１０ＪＪ、ｍのときの破壊応力σは異方性エ
ツチングのみの場合に比べて、３倍以上になることがわ
かった。

〈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、受圧ダイアフラムの周面に丸みを持たせることに
より、受圧ダイアフラムの破壊応力の限度が上り、この
結果、レンジアビリティか大きくなり、また過大圧力に
対する耐圧も大きくなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す概略の工程図、第２図
は第１図に示す実施例の特性を示す特性図、第３図は、
従来のシリコン振動式歪センサのセンサチップのカバー
をとった構成を示す射視図、第４図は第３図におけるＸ
−Ｘ断面におけるカバを付けた断面図、第５図は一部を
省略した平面図である。 １・・・シリコン基板、２受圧タイアフラム、４．５・
・・振動梁、６・・・カバー、７・・・センサチップ、
１０・・・シリコン基板、１１・・・振動梁、１２・・
・中空室、１８・・・凹部、１９・・・受圧ダイアフラ
ム、２０・・・底面、２１・・・斜面、２２．２３・・
・角部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコン基板の内部に凹部が形成されて受圧ダイアフラ
   ムが形成されこの受圧ダイアフラムの一部が中空室とさ
   れこの中空室の中に所定の張力で両端を前記シリコン基
   板に固定する振動梁を形成するシリコン振動式歪センサ
   の製造方法において、前記凹部を異方性エッチングで形
   成した後、弗化水素が３０〜９０％、硝酸が１０％以下
   、水分１０〜７０％の範囲で混合されたエッチング液で
   前記凹部の鋭角部に丸みをつけて受圧ダイアフラムの破
   壊強度を向上させたことを特徴とするシリコン振動式歪
   センサの製造方法。