JPH0519090B2 - - Google Patents

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JPH0519090B2
JPH0519090B2 JP28627487A JP28627487A JPH0519090B2 JP H0519090 B2 JPH0519090 B2 JP H0519090B2 JP 28627487 A JP28627487 A JP 28627487A JP 28627487 A JP28627487 A JP 28627487A JP H0519090 B2 JPH0519090 B2 JP H0519090B2
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JP
Japan
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vibrating
pressure
differential pressure
substrate
epitaxial layer
Prior art date
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JP28627487A
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Japanese (ja)
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JPH01127929A (en
Inventor
Kinji Harada
Kyoichi Ikeda
Hideki Kuwayama
Takashi Kobayashi
Tetsuya Watanabe
Sunao Nishikawa
Takashi Yoshida
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • 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

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。
[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 vibrating beam as a frequency signal, and in particular has improved static pressure characteristics. Regarding a vibrating differential pressure sensor.

〈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形
差圧センサは、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
ンサとして説明して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。
<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 differential pressure sensor is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 59-42632 entitled "Pressure Sensor". 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7図と第8
図を用いてその概要を説明する。
Regarding this vibrating differential pressure sensor, Figures 7 and 8
The outline will be explained using figures.

第7図はこの従来の振動形差圧センサのカバー
をとつた構成を示す斜視図、第8図は第7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. 7 is a perspective view showing the structure of this conventional vibrating differential pressure sensor with the cover removed, and FIG. 8 is a sectional view taken along the line X--X in FIG. 7 with the cover removed.

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の中央を掘つ
て薄肉部を形成して上面から圧力Spを下面から圧
力(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 is dug in the center of this silicon substrate 1 to form a thin wall part that receives pressure S p from the top surface and pressure (S p +ΔP) from the bottom surface. The pressure receiving diaphragm 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
動梁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。
A vibration beam 3 is formed on the pressure receiving diaphragm 2 and has both ends fixed to the silicon substrate 1, and the vibration beam 3 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+形エピタキシヤル層を
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形エピタキシヤル層を形成した
後、さらにP+形エピタキシヤル層を形成してこ
の上を酸化膜SiO2で保護する。そして振動梁3
の下部の空洞部5はこのn形エピタキシヤル層を
アンダーエツチングで形成する。
Specifically, this vibrating beam 3 is made by forming a first P + type epitaxial layer on an n-type silicon substrate 1, cutting a cut in the center of the layer to electrically separate the left and right sides, and then forming a layer on top of the first P + type epitaxial layer. After forming the n-type epitaxial layer, a P + -type epitaxial layer is further formed, and the top thereof is protected with an oxide film SiO 2 . And vibration beam 3
The lower cavity 5 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l、厚さをh、幅をdとすれば、l=
100μm、h=1μm、d=5μmの程度の大きさであ
る。
For example, the vibrating beam 3 formed in this way has a length of l, a thickness of h, and a width of d, then l=
The sizes are approximately 100 μm, h = 1 μm, and 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。
Vibration beam 3 formed on pressure receiving diaphragm 2
The periphery of 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 the 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Dを形成して
いる。
The vibrating beam 3, cover 6, cavity 5, internal space 7, etc. form a detection section D of the vibrating differential pressure sensor.

以上の構成において、第2のP+形エピタキシ
ヤル層である振動梁3に対して第1の左右のP+
形エピタキシヤ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3はその固有振動数で
自励発振を起こす。
In the above configuration, the first left and right P +
When an oscillation circuit is connected between the shaped epitaxial layers to cause oscillation, the vibrating 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。
In this case, since the internal space 7 of the cover 6 is brought into a vacuum state and the vibrating beam 3 is held in vacuum, the Q value indicating the sharpness of resonance becomes large, making it easy to detect the resonance frequency.

第8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 Figure 8, pressure S p and pressure (S p + ΔP)
When the pressure difference 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。
However, in such a conventional vibrating differential pressure sensor, 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. Since the internal space formed by the pressure-receiving diaphragm 2 must be evacuated, there is a problem in that the pressure characteristics or temperature characteristics of the vibrating 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62年7月2日に特願昭62−166175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。
Therefore, in order to solve this problem, the present applicant filed Japanese Patent Application No. 62-166175 on July 2, 1988 entitled "Title of the Invention: Method for Manufacturing a Vibratory Transducer"
has been submitted. The outline of this proposal will be explained below.

第9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. 9 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6図における検出部D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 D in FIG.

第9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. 9A 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(SiO2)9を形成する(第9図ロ)。
Next, this silicon substrate 8 is thermally oxidized to form an oxide film (SiO 2 ) 9 on its surface (FIG. 9b).

さらに、第9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オトエツチングして、溝
10を形成する。
Furthermore, in the step shown in FIG. 9C, the central portion of this oxide film 9 is photoetched in a direction perpendicular to the plane of the paper to form a groove 10.

第9図ニの工程では、1050℃の温度で水素ガス
H2に塩酸HCl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 process shown in Figure 9 (d), hydrogen gas is heated at a temperature of 1050°C.
A groove 11 is formed in the silicon substrate 8 through the groove 10 by etching in an atmosphere containing H 2 and hydrochloric acid HCl.

次に、第9図ホに示すように、溝11の中に
1050℃の温度で水素ガスH2の雰囲気中で1018cm-3
の濃度のホウ素(P形)を選択エピタキシヤルし
て第1エピ層12を形成する。
Next, as shown in FIG.
10 18 cm -3 in an atmosphere of hydrogen gas H 2 at a temperature of 1050 ° C
The first epitaxial layer 12 is formed by selectively epitaxially using boron (P type) having a concentration of .

この後、第9図ヘに示すように、第1エピ層1
2の上に1050℃の温度で水素ガスH2の雰囲気中
で1020cm-3の濃度のホウ素(P形)を選択エピタ
キシヤルして振動梁13となる第2エピ層14を
形成する。
After this, as shown in FIG.
A second epitaxial layer 14, which will become the vibrating beam 13, is formed on the vibrating beam 13 by selectively epitaxially depositing boron (P type) at a concentration of 10 20 cm -3 in an atmosphere of hydrogen gas H 2 at a temperature of 1050° C.

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1.17Åであり、ホウ素のそ
れは0.88Å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。
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 radius of silicon is 1.17 Å and that of boron is 0.88 Å, so when boron is partially implanted into silicon, that part experiences tensile strain.

そこで、この現象を利用して例えば第2エピ層
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1.10Å)濃度を調
整してシリコン基板8と第2エピ層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。
Therefore, by utilizing this phenomenon, for example, by adjusting the concentration of boron in the second epitaxial layer 14, an initial tension can be applied to the second epitaxial layer 14, or by applying phosphorus in the n-type silicon substrate 8 (covalent bond radius is 1.10 Å). The initial tension is given by adjusting the concentration and taking into account the relative strain between the silicon substrate 8 and the second epitaxial layer 14.

次に、第9図トに示すように、第2エピ層14
の上に1050℃の温度で水素ガスH2の雰囲気中で、
1018cm-3の濃度のホウ素(P形)を選択エピタキ
シヤルして第3エピ層15を形成する。
Next, as shown in FIG.
In an atmosphere of hydrogen gas H2 at a temperature of 1050 °C above
A third epitaxial layer 15 is formed by selectively epitaxially using boron (P type) with a concentration of 10 18 cm -3 .

更に、第9図チに示すように、第3エピ層15
の上に1050℃の温度で水素ガスH2の雰囲気中で、
1017cm-3の濃度のリン(n形)を選択エピタキシ
ヤルして第4エピ層16を形成する。
Furthermore, as shown in FIG.
In an atmosphere of hydrogen gas H2 at a temperature of 1050 °C above
A fourth epitaxial layer 16 is formed by selectively epitaxially using phosphorus (n-type) with a concentration of 10 17 cm -3 .

第9図リは、第9図チに示す選択エピタキシヤ
ルの工程の後にSiO2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エピ層12と第3エピ層15を除
去するエツチング工程を示している。
FIG. 9 (ri) shows that the first epitaxial layer is removed after the selective epitaxial process shown in FIG. 12 and the third epitaxial layer 15 are shown.

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エピ層16がp形の第2エ
ピ層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エピ層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果そのエツチング速度が第1
エピ層12と第3エピ層15に対して大幅に遅く
なるので、これを利用して第1エピ層12と第3
エピ層15を除去する。さらに、第2エピ層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エピ層14を残して全体として第
9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エピ層14との間に間
隙を持つように形成される。
In this etching process, although not shown,
The entire structure is immersed in an alkaline solution, and a peak voltage is applied from a DC pulse power source 17 so that the n-type silicon substrate 8 and the fourth epitaxial layer 16 have a positive potential with respect to the p-type second epitaxial layer 14. A positive pulse voltage with a value of 5V and a repetition period of about 0.04Hz is applied. By applying this voltage, an insoluble film is formed on the surfaces of the n-type silicon substrate 8 and the fourth epitaxial layer 16 and the etching rate is increased to the first level.
Since it is much slower than the epitaxial layer 12 and the third epitaxial layer 15, the first epitaxial layer 12 and the third epitaxial layer are
Epi layer 15 is removed. Furthermore, the second epi layer 14
Taking advantage of the phenomenon that when the concentration of doped boron is greater than 4×10 19 , the etching rate is significantly slower than the normal rate for undoped silicon, the second epitaxial layer 14 is left in place and the entire etching process is performed as shown in FIG. As shown in FIG. 3, it is formed to have an opening 18 in a part and a gap between the silicon substrate 8 and the second epitaxial layer 14.

第9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エピ層14、および第
4エピ層16の内外の全表面にそれぞれ酸化膜
(SiO2)8a,14a、および16aを形成させ
る。
FIG. 9 shows the thermal oxidation process. In this step, oxide films (SiO 2 ) 8a, 14a, and 16a are formed on all inner and outer surfaces of the silicon substrate 8, the second epitaxial layer 14, and the fourth epitaxial layer 16, respectively.

第9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9図ルの工程でシリコン基板
8、第2エピ層14、および第4エピ層16の内
外の全表面にそれぞれ形成された酸化膜8a,1
4a、および16aのうち、シリコン基板8と第
4エピ層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
選択エピタキシヤル成長の準備をする。
FIG. 9E shows the plasma etching process.
In this step, oxide films 8a and 1 are formed on the entire inner and outer surfaces of the silicon substrate 8, the second epitaxial layer 14, and the fourth epitaxial layer 16, respectively, in the step of FIG.
Of 4a and 16a, the oxide films formed on the outer surfaces of silicon substrate 8 and fourth epitaxial layer 16 are removed by plasma etching to prepare for selective epitaxial growth in the next step.

第9図ワの工程では、全体を1050℃の温度で水
素H2の雰囲気中でシリコン基板8と第4エピ層
16の外面の部分にn形の選択エピタキシヤル成
長をさせる。この選択エピタキシヤル成長によ
り、シリコン基板8と第4エピ層16との間に形
成された開口部18が埋められてシエル20が形
成され内部に棒状の第4エピ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. 9W, n-type selective epitaxial growth is performed on the outer surfaces of the silicon substrate 8 and the fourth epitaxial layer 16 in an atmosphere of hydrogen H 2 at a temperature of 1050° C. as a whole. By this selective epitaxial growth, the opening 18 formed between the silicon substrate 8 and the fourth epitaxial layer 16 is filled, a shell 20 is formed, and the vibration beam 13 formed of the rod-shaped fourth epitaxial layer is formed inside. A detection section of a vibrating differential pressure sensor is formed.

この第9図ワの工程では水素H2の雰囲気中で
選択エピタキシヤ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とシエル20と
の間に形成された中空室21の中には水素H2
封入されている。
In the process shown in FIG. 9W, selective epitaxial growth was carried out in an atmosphere of hydrogen H 2 , so that the epitaxial growth was carried out in the hollow chamber 21 formed between the silicon substrate 8 made of single crystal silicon and the shell 20. is filled with hydrogen H2 .

そこで、第9図カに示すように900℃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
して得られた真空度は1×10-3Torr以下となる。
Therefore, as shown in Figure 9 F, a vibrating differential pressure sensor with this detection part is placed in a vacuum atmosphere at 900°C, and this hydrogen H 2 is degassed through the silicon crystal lattice. Make a vacuum. The degree of vacuum thus obtained is 1×10 -3 Torr or less.

〈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
製造することができ、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 vibrating 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 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
500Kg/cm2にも及ぶ高い静圧Spの基で例えば
(10mmH2O〜10Kg/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εs=Spl/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,
When measuring a minute differential pressure ΔP such as (10 mmH 2 O to 10 Kg/cm 2 ) under a static pressure Sp as high as 500 Kg/cm 2 , one side of the pressure receiving diaphragm of the vibrating differential pressure sensor Static pressure Sp is applied to one surface, and static pressure (S p + ΔP) is applied to the other surface, so this static pressure Sp causes the substrate, pressure-receiving diaphragm, and vibration beam to contract by ε s = S p l/E s do. However, E s is the volumetric compressibility, and l is the length of the vibrating beam.

従つて、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。
Therefore, a compressive strain of ε s is applied to the vibrating beam,
This causes a problem in that the resonant frequency of the vibrating beam changes, resulting in a static pressure error.

〈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つて変形
する受圧ダイアフラムを持つ半導体の基板と、こ
の基板に形成され差圧によつ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、一端が基板に固定され他端が
この振動梁の少なくとも一端に所定の角度で結合
された支持梁と、基板に一体に形成され振動梁と
支持梁の周囲を覆うシエルと、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 has the following features:
A semiconductor substrate having a fixed part around its periphery and a pressure receiving diaphragm deformed by differential pressure inside the semiconductor substrate, and at least one substrate formed on the substrate for measuring the strain generated near the surface of the pressure receiving diaphragm due to the differential pressure.
a support beam having one end fixed to the substrate and the other end connected at a predetermined angle to at least one end of the vibration beam, and a shell formed integrally with the substrate and surrounding the vibration beam and the support beam. and a semiconductor base having a pressure guiding hole which is connected to the fixed part and introduces one pressure forming a differential pressure.

〈作用〉 基板に一端が固定された支持梁の他端を振動梁
の少なくとも一端に固定するようにして静圧によ
つて振動梁に加わる歪みを静圧によつて支持梁に
生じる逆方向の歪みで打ち消す。
<Operation> By fixing one end of the support beam fixed to the substrate and the other end of the vibration beam to at least one end of the vibration beam, the strain applied to the vibration beam due to static pressure is reduced by the strain produced in the support beam in the opposite direction due to static pressure. Cancel with distortion.

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図は本発明のシエルを除いた1実
施例を示す射視図、第2図はシエルを付したその
X−X断面の構成を示す断面図、第3図は第1図
における振動梁の近傍を拡大して示した拡大図で
ある。
Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. Fig. 1 is a perspective view showing one embodiment of the present invention excluding the shell, Fig. 2 is a sectional view showing the configuration of the X-X cross section with the shell attached, and Fig. 3 is the vibrating beam in Fig. 1. FIG. 2 is an enlarged view showing the vicinity of FIG.

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の中央を掘つ
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 that is formed by digging the center of this substrate 22 to form a thin part to receive static pressure S p , (S p +ΔP). The diaphragm is made by etching silicon, for example, and has a thick annular fixing part 24 around the diaphragm.

25は差圧による歪みを検出する振動梁部、2
6は内部を例えば真空に保持するシエルであり、
これ等は第9図で説明した製造方法と同様にして
製造される。
25 is a vibrating beam section that detects distortion due to differential pressure;
6 is a shell that maintains the inside in a vacuum, for example;
These are manufactured in the same manner as the manufacturing method explained in FIG.

振動梁部25の詳細は第3図に示してある。こ
の図において、27は断面が矩形の棒状の振動梁
であり、その一端27aは基板22の受圧ダイア
フラム23に一体に固定され他端27bは断面が
矩形の棒状の支持梁28,29の各一端28a,
29aに一体に固定されている。支持梁28,2
9は振動梁27に対して角度αだけ傾斜してその
他端28b,29bが基板22の受圧ダイアフラ
ム23に一体に固定されている。さらに、振動梁
27の側面には空間30,31が、支持梁28,
29の側面も空間32が、振動梁27の底面にも
空間33(第2図)がそれぞれ形成されている。
従つて、振動梁27、支持梁28,29はこれ等
の各一端が受圧ダイアフラム23に固定されてい
る以外は空間に浮いている。
Details of the vibrating beam section 25 are shown in FIG. In this figure, 27 is a bar-shaped vibration beam with a rectangular cross section, one end 27a of which is integrally fixed to the pressure receiving diaphragm 23 of the substrate 22, and the other end 27b is one end of each of rod-shaped support beams 28 and 29 with a rectangular cross section. 28a,
It is integrally fixed to 29a. Support beam 28,2
9 is inclined at an angle α with respect to the vibrating beam 27, and the other ends 28b and 29b are integrally fixed to the pressure receiving diaphragm 23 of the substrate 22. Furthermore, spaces 30 and 31 are provided on the side surfaces of the vibration beam 27, and support beams 28 and
A space 32 is also formed on the side surface of the vibration beam 29, and a space 33 (FIG. 2) is formed on the bottom surface of the vibration beam 27, respectively.
Therefore, the vibrating beam 27 and the supporting beams 28, 29 are floating in space except that one end of each of them is fixed to the pressure receiving diaphragm 23.

固定部24の底面は中央に圧力(Sp+ΔP)を
導入する導圧孔33を持つ円板状のシリコンの基
台34が例えば陽極接合などにより接合されてい
る。
A disk-shaped silicon base 34 having a pressure guiding hole 33 for introducing pressure (S p +ΔP) in the center is bonded to the bottom surface of the fixed part 24 by, for example, anodic bonding.

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4図と第5図に
示す動作説明図を用いて説明する。第4図は静圧
Spが印加されたときの振動梁部25の変形を、第
5図は差圧ΔPが印加されたときの振動梁部25
の変形をそれぞれ示している。
Next, the operation of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 constructed as above will be explained using the operation explanatory diagrams shown in FIGS. 4 and 5. Figure 4 shows static pressure
Figure 5 shows the deformation of the vibrating beam section 25 when S p is applied, and Fig. 5 shows the deformation of the vibrating beam section 25 when differential pressure ΔP is applied.
The deformation of each is shown.

まづ、静圧Spが加わつたときの動作について第
4図を用いて説明する。
First, the operation when static pressure S p is applied will be explained using FIG. 4.

静圧Spが受圧ダイアフラム23に印加される
と、当初は実線のような形状をしている振動梁2
7、支持梁28,29が、振動梁27にはその長
さに応じてεs=Spl1/Esなる圧縮歪が、支持梁2
8,29にはεs=Spl2/Esなる圧縮歪が生じるこ
とによつて、支持梁28,29は振動梁27に対
してαなる角度で結合されているので点線で示し
たように変形し、振動梁27の右端はΔx1だけ右
に変位する。
When static pressure S p is applied to the pressure receiving diaphragm 23, the vibrating beam 2, which initially has a shape like a solid line,
7. The support beams 28 and 29 have a compressive strain of ε s = S p l 1 /E s depending on the length of the vibration beam 27.
The support beams 28 and 29 are connected to the vibration beam 27 at an angle α due to the compressive strain ε s =S p l 2 /E s generated in the beams 8 and 29, which is indicated by a dotted line. The right end of the vibrating beam 27 is displaced to the right by Δx 1 .

従つて、Δx1=εsの関係になるように選定する
と、静圧Spが受圧ダイアフラム23に加わつて
も、結果として振動梁27には歪みが加わらない
ことになる。
Therefore, if the relationship of Δx 1s is selected, even if the static pressure S p is applied to the pressure receiving diaphragm 23, no strain will be applied to the vibrating beam 27 as a result.

次に、差圧ΔPが振動梁の方向に圧縮応力σd
して加わつたときの動作について第5図を用いて
説明する。
Next, the operation when a differential pressure ΔP is applied as a compressive stress σ d in the direction of the vibrating beam will be explained using FIG. 5.

差圧ΔPが印加されない状態では振動梁27、
支持梁28,29は実線で示すような形状になつ
ている。
When the differential pressure ΔP is not applied, the vibrating beam 27,
The support beams 28 and 29 are shaped as shown by solid lines.

次に、振動梁27の長手方向に差圧ΔPにより
圧縮応力σdが加わると、振動梁27の一端27a
にはその長さに応じて圧縮歪εdが加わり、一方で
支持梁28,29のの両端にはその長さに応じて
逆に引張歪εd′=−l2νεd/l1(ν:ポアソン比)が
加わる。
Next, when compressive stress σ d is applied in the longitudinal direction of the vibrating beam 27 due to the differential pressure ΔP, one end 27a of the vibrating beam 27
A compressive strain ε d is applied to the supporting beams 28 and 29 depending on their length, while a tensile strain ε d ′=−l 2 νε d /l 1 ( ν: Poisson's ratio) is added.

このεdとεd′の歪みにより支持梁28,29の
各一端28a,29aはΔx2だけ変位する。この
Δx2がΔx2≒0となるように各梁を設計すると、
圧縮歪εdが振動梁27に加わり差圧ΔPに対応し
た共振周波数の変化となり、これにより差圧ΔP
が検出できる。
Due to the distortions of ε d and ε d ', the ends 28a and 29a of the support beams 28 and 29 are displaced by Δx 2 . If each beam is designed so that Δx 2 becomes Δx 2 ≒ 0, then
Compressive strain ε d is applied to the vibrating beam 27, resulting in a change in the resonance frequency corresponding to the differential pressure ΔP.
can be detected.

第6図は本発明における振動梁部の第2の実施
例の構成を示す縦断面図である。
FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view showing the structure of a second embodiment of the vibrating beam section according to the present invention.

この実施例は、第3図に示す振動梁27の他端
27bが紙面に対して上下に変位するのを防止す
るために、支持梁33の一端33aを支持梁2
8,29の一端28a,29aに固定し、その他
端33bを受圧ダイアフラム23に固定するよう
にしたものである。このように構成しても第3図
に示す実施例と同様に動作する。
In this embodiment, one end 33a of the support beam 33 is connected to the support beam 27 in order to prevent the other end 27b of the vibration beam 27 shown in FIG.
8 and 29, and the other end 33b is fixed to the pressure receiving diaphragm 23. Even with this configuration, it operates in the same way as the embodiment shown in FIG.

なお、いずれの実施例も振動梁27の一端は基
板に結合し、他端のみに支持梁を設ける構成とし
て説明したが、これに限らず振動梁の両端に支持
梁を設ける構成としても同様に動作する。
In each of the embodiments, one end of the vibrating beam 27 is connected to the substrate, and a support beam is provided only at the other end. Operate.

なお、バラツキのためにこれ等の支持梁28,
29,33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27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、その出力で振動梁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34側に設けても良い。
Note that due to variations, these support beams 28,
If the static pressure compensation by 29 and 33 is insufficient, a strain gauge may be formed on the top surface or inside the fixed part 24 in FIGS. 1 and 2 by diffusion, or the vibrating beam 27 may be If you separately install a vibrating beam similar to the above, use it as a static pressure sensor, and use its output to compensate for variations in static pressure compensation in the vibrating beam using an electric circuit, more complete static pressure compensation can be achieved. . Further, this static pressure sensor may be provided on the base 34 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、振動梁の少なくとも一端に支持梁
を設けることによつ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 specifically explained above in conjunction with the embodiments, according to the present invention, a support beam is provided at at least one end of the vibrating beam to generate tensile strain against static pressure. Since compressive strain caused by static pressure is compensated for, static pressure errors can be reduced.

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

第1図はシエ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図における振動梁部を
拡大した拡大図、第4図は第1図と第2図に示す
実施例の静圧が印加されたときの動作を説明する
動作説明図、第5図は第1図と第2図に示す実施
例の差圧が印加されたときの動作を説明する動作
説明図、第6図は本発明の振動梁部の第2の実施
例の構成を示す断面図、第7図はシエルを除いた
公知の従来の振動形差圧センサの構成を示す射視
図、第8図は第7図のX−X断面を示す断面図、
第9図は先願の従来の振動形差圧センサを製造す
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エピ層、13
…振動梁、14…第2エピ層、15…第3エピ
層、16…第4エピ層、18…開口部、20…シ
エル、21…中空室、22…基板、23…受圧ダ
イアフラム、24…固定部、25…振動梁部、2
6…シエル、27…振動梁、28,29,33…
支持梁。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of one embodiment of the present invention excluding the shell, FIG. 2 is a sectional view taken along the line X-X in FIG. 1, and FIG. 3 is a vibrating beam section in FIG. 1. FIG. 4 is an explanatory view of the operation of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 when static pressure is applied, and FIG. 5 is an enlarged view of the embodiment shown in FIGS. FIG. 6 is a sectional view showing the configuration of the second embodiment of the vibrating beam section of the present invention, and FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of a known conventional vibrating differential pressure sensor; FIG. 8 is a sectional view taken along the line X-X in FIG. 7;
FIG. 9 is a process diagram illustrating the process of manufacturing the conventional vibrating differential pressure sensor of the prior application. 1...Silicon substrate, 2...Pressure diaphragm, 3
... Vibration beam, 5... Cavity, 6... Cover, 7... Internal space, 8... Silicon substrate, 12... First epi layer, 13
... Vibration beam, 14... Second epi layer, 15... Third epi layer, 16... Fourth epi layer, 18... Opening, 20... Shell, 21... Hollow chamber, 22... Substrate, 23... Pressure receiving diaphragm, 24... Fixed part, 25... Vibration beam part, 2
6... Ciel, 27... Vibration beam, 28, 29, 33...
Support beam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 周囲に固定部を持ちその内側に差圧によつて
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つて前記受
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、一端が前記基
板に固定され他端がこの振動梁の少なくとも一端
に所定の角度で結合された支持梁と、前記基板に
一体に形成され前記振動梁と支持梁の周囲を覆う
シエルと、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。
1. A semiconductor substrate having a fixed part around it and a pressure receiving diaphragm inside which is deformed by differential pressure, and at least a semiconductor substrate formed on this substrate to measure the strain generated near the surface of the pressure receiving diaphragm due to the differential pressure. one or more vibrating beams; a support beam having one end fixed to the substrate and the other end coupled at a predetermined angle to at least one end of the vibrating beam; and a support beam integrally formed with the substrate and connecting the vibrating beam and the support beam A vibrating differential pressure sensor comprising: a shell that covers the surrounding area; and a semiconductor base that is joined to the fixing part and has a pressure guiding hole that introduces one pressure forming the differential pressure.
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