JPH0232224A - Silicone vibration type strain sensor - Google Patents
Silicone vibration type strain sensorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は、振動式歪ゲージを用いるシリコン振動式歪セ
ンサに係り、特に振動式歪ゲージが取り付けられている
ダイヤフラムの共振特性を改良したシリコン振動式歪セ
ンサに関する。[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to a silicon vibrating strain sensor using a vibrating strain gauge, and particularly relates to a silicon vibrating strain sensor that uses a vibrating strain gauge, and in particular a silicon vibrating strain sensor with improved resonance characteristics of a diaphragm to which the vibrating strain gauge is attached. Regarding vibration type strain sensors.
〈従来の技術〉
第5図に従来の振動式歪ゲージを用いる振動式歪センサ
の縦断面図を示す。この種の振動式歪センサは、例えば
特願昭63−70361号などに開示されている。<Prior Art> FIG. 5 shows a vertical cross-sectional view of a vibrating strain sensor using a conventional vibrating strain gauge. This type of vibration strain sensor is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 70361/1983.
10はシリコンの単結晶基板をエツチングして凹部11
を形成して周囲の厚肉部12に対して薄く形成されたダ
イヤフラム13とされ、このダイヤフラム13上の所定
の位置に振動式歪ゲージ14が形成されたセンサチップ
である。10 is a recess 11 formed by etching a silicon single crystal substrate.
This is a sensor chip in which a diaphragm 13 is formed to be thinner than a surrounding thick portion 12, and a vibrating strain gauge 14 is formed at a predetermined position on the diaphragm 13.
この振動式歪ゲージ14は、例えば両端がセンサチップ
10に固定され周囲に薄い空隙を持つ振動梁が形成され
ており、この振動梁を外部回路と結合して自動発振させ
ておき、このダイヤフラムに印加される測定圧力Pに起
因する歪みによりその共振周波数が変化するのを利用し
て測定圧力Pを知るものである。This vibrating strain gauge 14 has a vibrating beam fixed to the sensor chip 10 at both ends and having a thin air gap around it, and this vibrating beam is connected to an external circuit to cause automatic oscillation. The measured pressure P is determined by utilizing the fact that the resonance frequency changes due to distortion caused by the applied measured pressure P.
このセンサチップ10の厚内部12は中央に貫通孔15
を持ちシリコンの単結晶で出来た基台チツブ16に接合
されている。The thick interior 12 of this sensor chip 10 has a through hole 15 in the center.
It is bonded to a base chip 16 made of single crystal silicon.
センサチップ10の厚肉部12と基台チップ16とは熱
酸化膜を介して接合されている。この接合に当たっては
厚肉部12と基台チップ16のそれぞれの表面を接合す
る前にあらかじめ熱酸化膜を形成しておき、これ等を加
熱酸化の直後、例えば1時間程度の表面が疎水性になら
ない程度の短時間の間に両面を合わせて、例えば100
0°Cの酸化雰囲気中で加熱処理をすることによって、
熱酸化膜同志に存在する隙間が埋められて完全に接合さ
れる。この熱酸化膜の厚さは薄く、例えば片方で0.7
μn1合わせて1.4μm程度のものである。The thick portion 12 of the sensor chip 10 and the base chip 16 are joined via a thermal oxide film. For this bonding, a thermal oxide film is formed in advance before bonding the respective surfaces of the thick part 12 and the base chip 16, and these are heated and oxidized immediately after, for example, for about an hour, so that the surfaces become hydrophobic. For example, 100
By heat treatment in an oxidizing atmosphere at 0°C,
The gaps between the thermal oxide films are filled and they are completely bonded. The thickness of this thermal oxide film is thin, for example 0.7 on one side.
The total length of μn1 is about 1.4 μm.
なお、この基台チップ16は中央に圧力導入孔17をも
つ円筒状の例えばコバールなどで出来た継手18に貫通
孔15と圧力導入孔17とが連通して接合されている。The base chip 16 is joined to a cylindrical joint 18 made of, for example, Kovar, which has a pressure introduction hole 17 in the center so that the through hole 15 and the pressure introduction hole 17 communicate with each other.
〈発明が解決しようとする課題〉
しかしながら、この様な従来の振動式歪センナは、振動
式歪ゲージが外部回路と結合して自励発振をさせてその
共振周波数の変化から測定圧力を検出するものであるか
ら、この共振によりダイヤフラムを介してセンサチップ
全体が共振をしてセンサの入出力特性などの緒特性が悪
くなるという問題がある。<Problems to be Solved by the Invention> However, in such conventional vibrating strain sensors, the vibrating strain gauge is coupled to an external circuit to cause self-oscillation, and the measured pressure is detected from changes in the resonance frequency. Since this resonance causes the entire sensor chip to resonate through the diaphragm, there is a problem that the sensor's input/output characteristics and other characteristics deteriorate.
この場合に、この凹部の中に単にシリコンオイルなどの
粘度の大きい流体を封入しても所定のダンピング効果が
得られず、これ等の緒特性は改善されない。In this case, simply enclosing a highly viscous fluid such as silicone oil into the recess will not provide the desired damping effect and will not improve these mechanical characteristics.
く課題を解決するための手段〉
本発明は、以上の問題点を解決するために、シリコン基
板をエツチングして凹部を形成しこれにより周囲の厚肉
部に対して薄肉とされたダイヤプラムに振動式歪ゲージ
が形成されたセンサチップと、厚内部と接合され中央部
に貫通孔を有する基台チップと、凹部に収納され中央に
流通孔を持ちダイヤフラムと所定の狭いギャップを閑持
して基台チップに固定されたダンピング基台と、凹部に
封入されたシリコンオイルと、中央に開けられた圧力導
入孔が貫通孔と連通して基台チップと接合された継手と
を具備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 etches a silicon substrate to form a recess, thereby forming a diaphragm thinner than the surrounding thick part. A sensor chip on which a vibrating strain gauge is formed, a base chip that is joined to the thick inside and has a through hole in the center, and a base chip that is housed in a recess and has a communication hole in the center with a predetermined narrow gap between it and the diaphragm. It includes a damping base fixed to the base chip, silicone oil sealed in the recess, and a joint in which the pressure introduction hole opened in the center communicates with the through hole and is joined to the base chip. This is what I did.
く作 用〉
センサチップの凹部の中にダイヤフラムと所定の狭い間
隙を保持してダンピンク基台を基台チップに固定し、さ
らにこの凹部にシリコンオイルを封入することにより振
動式歪ゲージの自動発振に起因する全体振動が抑えられ
、これにより緒特性が改善される。Function: The damping base is fixed to the base chip by maintaining a predetermined narrow gap between the diaphragm and the diaphragm in the recess of the sensor chip, and by filling this recess with silicone oil, automatic oscillation of the vibrating strain gauge is achieved. The overall vibration caused by this is suppressed, which improves the mechanical characteristics.
〈実施例〉
次に、本発明の構成について図面を用いて説明する。第
1図は本発明の1実施例の構成を示す縦断面図である。<Example> Next, the configuration of the present invention will be described using the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the configuration of one embodiment of the present invention.
なお、従来の構成と同一の機能を持つ部分については同
一の符号を付して適宜にその説明を省略する。Note that parts having the same functions as those in the conventional configuration are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
19は凹部13の中に収納できるシリコン単結晶で出来
たダンピング基台であり、中央には流通孔20が形成さ
れておりその底部は貫通孔15と連通するように基台チ
ップ16に熱酸化接合されている。その上部はダイヤフ
ラム13の底部と所定の間隙Δが保持されている。Reference numeral 19 denotes a damping base made of silicon single crystal that can be housed in the recess 13. A communication hole 20 is formed in the center, and the bottom of the damping base is thermally oxidized into the base chip 16 so as to communicate with the through hole 15. It is joined. A predetermined gap Δ is maintained between the upper part and the bottom of the diaphragm 13.
21はシリコンオイルであり、このシリコンオイルを凹
部11の内部に封入することによって振動式歪ゲージ1
4の自励振動の影皆を狭い間隙Δによってダンピングさ
せて除去させている。その効果の程度については後述す
る。21 is silicone oil, and by sealing this silicone oil inside the recess 11, the vibrating strain gauge 1
4 is damped and removed by the narrow gap Δ. The degree of this effect will be discussed later.
次に、この様な振動式歪センナを製造する製造方法につ
いて第2図を参照して説明する。Next, a manufacturing method for manufacturing such a vibrating strain sensor will be explained with reference to FIG.
第2図(イ)は最終的に基台チップ16となるシリコン
基板22に貫通孔15を形成するエツチング工程を示し
ている。FIG. 2(a) shows an etching process for forming a through hole 15 in a silicon substrate 22 that will eventually become a base chip 16.
この貫通孔15は、例えば異方性エツチングにより形成
するが、この上下面には例えば0.7μm程度の薄い熱
酸化[23が形成されている。The through hole 15 is formed by, for example, anisotropic etching, and a thin thermal oxidation layer [23] of, for example, about 0.7 μm is formed on the upper and lower surfaces.
第2図(イ)−は最終的にダンピング基台19となるシ
リコン基板24に流通孔20を形成するエツチング工程
を示している。FIG. 2A shows an etching process for forming communication holes 20 in a silicon substrate 24 that will eventually become the damping base 19.
この上下面も第2図〈イ)と同様にして熱酸化膜25が
形成されている。A thermal oxide film 25 is also formed on the upper and lower surfaces in the same manner as in FIG. 2(a).
第2図(ロ)はこれ等のシリコン基板22.24を突き
合わせて熱酸化接合をする熱酸化接合工程を示している
。FIG. 2(B) shows a thermal oxidation bonding process in which these silicon substrates 22 and 24 are brought together and thermally oxidized bonded.
この工程は、第5図に示すセンサチップ10と基台チッ
プ16とを熱酸化接合する場合と同様な工程で接合する
。This step is similar to the thermal oxidation bonding of the sensor chip 10 and base chip 16 shown in FIG. 5.
第2図(ハ)はシリコン基板24に対してメサ構造を形
成する工程を示す。FIG. 2(c) shows a step of forming a mesa structure on a silicon substrate 24. As shown in FIG.
シリコン基板24の上面の所定位置にフォトマスクを固
定しヒドラジン(N2H4)などでアルカリエツチング
を行なってメサ41!mとして基台チップ16に接合さ
れたダンピング基台19を形成する。A photomask is fixed at a predetermined position on the upper surface of the silicon substrate 24, and alkali etching is performed using hydrazine (N2H4) or the like to form a mesa 41! A damping base 19 bonded to the base chip 16 is formed as m.
第2図(ニ)はダイヤフラムなどが加工されたセンサチ
ップを示している。FIG. 2(d) shows a sensor chip with a processed diaphragm.
このセンサチップ10は別工程で加工されてダイヤフラ
ム13とこの上に振動式歪ゲージ14などが形成されて
いる。その周囲は熱酸化11!26で覆われている。This sensor chip 10 is processed in a separate process to form a diaphragm 13 and a vibrating strain gauge 14 thereon. The surrounding area is covered with thermal oxidation 11!26.
第2図(ホ)の工程は熱酸化接合の工程を示している。The process shown in FIG. 2(e) shows the process of thermal oxidation bonding.
この工程では、第2図(ハ)で形成された中間工程のチ
ップと(ニ)に示すセンサチップとを突き合わせて熱酸
化接合をして、ダイヤフラム13とダンピング基台19
との間隙Δを所定の値にする。In this process, the intermediate process chip formed in FIG. 2(C) and the sensor chip shown in FIG.
and the gap Δ is set to a predetermined value.
この後、基台チップ16を継手18に接合してこの中に
シリコンオイル21を封入することによって振動式歪セ
ンサを作る。Thereafter, the base chip 16 is joined to the joint 18 and silicone oil 21 is sealed therein, thereby producing a vibrating strain sensor.
このようにして製造された振動式歪センサのダンピング
効果について第3図、第4図を用いて説明する。The damping effect of the vibrating strain sensor manufactured in this way will be explained using FIGS. 3 and 4.
第3図はこのダンピング効果をシュミレートするための
模型であり、第4図はこのシュミレートの結果を示す特
性図である。FIG. 3 is a model for simulating this damping effect, and FIG. 4 is a characteristic diagram showing the results of this simulation.
27はコバールなどで出来た基板であり、この上にシリ
コンの基台28が固定されている。このシリコンの基台
28の中央部には上面が平坦な突出部29が形成されて
いる。この突出部29に接してシリコンのチップ30が
固定されている。このチップ30の上にはコイン状の圧
電素子31が固定されている。そして、このチップ30
と基台28の間は突出部29で決定されるギャップ!だ
け離されている。27 is a substrate made of Kovar or the like, and a silicon base 28 is fixed on this substrate. A protruding portion 29 having a flat upper surface is formed in the center of the silicon base 28 . A silicon chip 30 is fixed in contact with this protrusion 29 . A coin-shaped piezoelectric element 31 is fixed on top of this chip 30. And this chip 30
There is a gap between the base 28 and the protrusion 29! are separated by only
第4図は第3図に示す模型を各種の媒体条件の中で共振
をさせたときの特性を測定したものである。FIG. 4 shows the characteristics measured when the model shown in FIG. 3 was caused to resonate under various media conditions.
横軸はチップ30と基台28との間のギャップ2を示し
、縦軸は圧電素子31を振動させることによって模型に
生じる共振のQファクタを示している。The horizontal axis indicates the gap 2 between the chip 30 and the base 28, and the vertical axis indicates the Q factor of resonance generated in the model by vibrating the piezoelectric element 31.
大気中でこの模型を共振させたときの特性をへ曲線、フ
レオンガスの中で共振させたときの特性を8曲線、シリ
コンオイルの中で共振をさせたときの特性をC曲線でそ
れぞれ示しである。Curve 8 shows the characteristics when this model resonates in the atmosphere, curve 8 shows the characteristics when it resonates in Freon gas, and curve C shows the characteristics when it resonates in silicone oil. .
いずれの曲線らギャップ!が小さくなるとQファクタが
小さくなる傾向を示している。シリコンオイル中では例
えば150μm程度までギャップを小さくするとQファ
クタは0,5程度と大幅にダンピング効果があることを
示している。Gap between any curves! It shows a tendency for the Q factor to decrease as the value decreases. In silicone oil, if the gap is reduced to, for example, about 150 μm, the Q factor is about 0.5, indicating a significant damping effect.
〈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、センサチップの凹部にダンピング基台を設はダイ
ヤフラムとダンピング基台との間隙を狭く保持しこの間
にシリコンオイルを封入したので、振動式歪ゲージの共
振周波数により全体が共振するのを防止することができ
高精度、高安定なシリコン振動式歪センサが実現できる
。<Effects of the Invention> As described above in detail with the embodiments, according to the present invention, the damping base is provided in the recess of the sensor chip, the gap between the diaphragm and the damping base is kept narrow, and silicone oil is applied between the damping base and the damping base. Since it is encapsulated, it is possible to prevent the entire structure from resonating due to the resonant frequency of the vibrating strain gauge, and a highly accurate and highly stable silicon vibrating strain sensor can be realized.
第1図は本発明の1実施例の構成を示す縦断面図、第2
図は第1図に示すシリコン振動式歪センサを製造する工
程を示す工程図、第3図は第1図に示すシリコン振動式
歪センサの効果を推定するための模型を示す縦断面図、
第4図はは第3図に示す模型を各種の媒体条件の中で共
振をさせたときの特性を示す特性図、第5図は従来のシ
リコン振動式歪センサの構成を示す縦断面図。
10・・・センサチップ、11・・・凹部、12・・・
厚肉部−113・・・ダイヤフラム、14・・・振動式
歪ゲージ、16・・・基台チップ、19・・・ダンピン
グ基台、21・・・シリコンオイル、25・・・熱酸化
膜、Δ・・・間隙、27・・・基板、
28・・・基台、
29・・・突起部、
30・・・
チップ、
1・・・圧電素子。
第
図
専
図
子7アと基台つギヤマフ。
)LrnFIG. 1 is a vertical sectional view showing the configuration of one embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a process diagram showing the process of manufacturing the silicon vibrating strain sensor shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a vertical cross-sectional view showing a model for estimating the effect of the silicon vibrating strain sensor shown in FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the characteristics when the model shown in FIG. 3 is caused to resonate in various medium conditions, and FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the configuration of a conventional silicon vibration strain sensor. 10...sensor chip, 11...recess, 12...
Thick part - 113...Diaphragm, 14...Vibrating strain gauge, 16...Base chip, 19...Damping base, 21...Silicon oil, 25...Thermal oxide film, Δ... Gap, 27... Substrate, 28... Base, 29... Protrusion, 30... Chip, 1... Piezoelectric element. Figure 7A and base gear muff. )Lrn
Claims (1)
周囲の厚肉部に対して薄肉とされたダイヤフラムに振動
式歪ゲージが形成されたセンサチップと、前記厚肉部と
接合され中央部に貫通孔を有する基台チップと、前記凹
部に収納され中央に流通孔を持ち前記ダイヤフラムと所
定の狭いギャップを保持して前記基台チップに固定され
たダンピング基台と、前記凹部に封入された粘性流体と
、中央に開けられた圧力導入孔が前記貫通孔と連通して
前記基台チップと接合された継手とを具備することを特
徴とするシリコン振動式歪センサ。A sensor chip has a vibrating strain gauge formed on a diaphragm made by etching a silicon substrate to form a recess, thereby making the diaphragm thinner than the surrounding thick part, and a through hole in the center that is joined to the thick part. a damping base housed in the recess and having a circulation hole in the center and fixed to the base chip while maintaining a predetermined narrow gap with the diaphragm; and a viscous fluid sealed in the recess. and a joint in which a pressure introduction hole opened in the center communicates with the through hole and is joined to the base chip.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18253588A JPH0786442B2 (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Silicon vibration type strain sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18253588A JPH0786442B2 (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Silicon vibration type strain sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0232224A true JPH0232224A (en) | 1990-02-02 |
JPH0786442B2 JPH0786442B2 (en) | 1995-09-20 |
Family
ID=16120004
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18253588A Expired - Lifetime JPH0786442B2 (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Silicon vibration type strain sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0786442B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007263679A (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Yokogawa Electric Corp | Vibration detection device, pressure detection device, vibration detection method, and pressure detection method |
EP2568269A2 (en) | 2011-08-25 | 2013-03-13 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant pressure sensor and method of manufacturing the same |
-
1988
- 1988-07-21 JP JP18253588A patent/JPH0786442B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007263679A (en) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Yokogawa Electric Corp | Vibration detection device, pressure detection device, vibration detection method, and pressure detection method |
EP2568269A2 (en) | 2011-08-25 | 2013-03-13 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant pressure sensor and method of manufacturing the same |
US9003889B2 (en) | 2011-08-25 | 2015-04-14 | Yokogawa Electric Corporation | Resonant pressure sensor and method of manufacturing the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0786442B2 (en) | 1995-09-20 |
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