JPH0781919B2

JPH0781919B2 - 振動形半導体トランスデューサ

Info

Publication number: JPH0781919B2
Application number: JP18985788A
Authority: JP
Inventors: 謹爾原田; 恭一池田; 秀樹桑山; 小林　　隆; 哲也渡辺; 直西川; 隆司吉田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPH0238934A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は振動形半導体トランスデューサに関するもので
ある。

本発明はシリコン基板に形成した振動梁をその振動梁の
固有振動数で振動させておき、その基板に加えられる力
または環境の変化に対応して振動梁に生ずる振動周波数
の変化を検出する振動形トランスデューサに関するもの
である。

さらに詳述すれば、S/N比が高く、自励発振を安定に起
こす事ができ、安価な振動形半導体トランスデューサに
関するものである。

＜従来の技術＞第５図〜第８図は昭和61年６月６日出願の特願昭61−13
1456号「振動式半導体トランスデューサ」の一実施例の
構成説明図である。

第５図は振動形トランスデューサを圧力センサとして用
いた構成斜視図、第６図は第５図におけるＡ部の拡大平
面図に電気配線を施した図、第７図は第６図のＡ−Ａ断
面図、第８図（Ａ）、（Ｂ）は第６図を電気回路で示し
た図であり、第８図（Ｂ）はｐ型層とn⁺形層の間に逆バ
イアス電圧を印加するための電源を示している。

これらの図において、 10は（100）面を有する、例えば不純物濃度10¹⁵原子/cm
³以下のｐ形のシリコン基板である。

このシリコン基板10の一方の面にダイアフラム11がエッ
チングにより形成されている。

このダイアフラム11の表面（エッチングしない面）には
部分的に不純物濃度10¹⁷程度のn⁺拡散層（図では省略）
が形成され、このn⁺拡散層の一部に振動梁12＜001＞方
向に形成されている。

なお、この振動梁12はダイアフラム11に形成されたn⁺層
およびｐ層をフォトリソグラフィとアンダエッチングの
技術を用いて加工する。

13は振動梁12の略中央上部に振動梁12に直交し、かつ、
非接触の状態で設けられた磁石である。

14は絶縁膜としてSiO₂膜（第７図参照）である。

15a、15bは例えばアルミナなどの金属電極で、この金属
電極15aの一端は振動梁12から延長したn⁺層にSiO₂層に
設けたコンタクトホール16a、を通じて接続され、他端
はリード線を介して振動梁12の抵抗値とほぼ等しい比較
抵抗R_oおよび増幅器20の一端に接続されている。

増幅器20の出力は出力信号として取出されるとともに分
岐して一時コイルL₁の一端に接続されている。このコイ
ルL₁の他端はコモンラインに接続されている。

一方、比較抵抗R_Oの他端は中点がコモンラインに接続し
た２次コイルL₂の他端に接続され、この２次コイルL₂の
他端に接続され、この２次コイルL₂の他端は振動梁12の
他端に前記同様に形成された金属電極15bに接続されて
いる。

上記構成において、ｐ形層（基板10）とn⁺形層（振動梁
12）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、振動梁12
に交流電流ｉを流すと振動梁12の共振周波数において電
磁誘導作用により振動梁のインピーダンスが上昇して、
比較抵抗R_O、および中点をコモンラインに接続しL₂によ
り構成されるブリッジにより不平衡信号を得ることがで
きる。この信号を増幅器20で増幅し、コイルL₁に正帰還
すると、系は振動梁12の固有振動数で自励発振する。

上記構成においては、振動梁12のインピーダンスＲは固
有振動数に応じて上昇する。このインピーダンスＲは、
次のように表わすことができる。

Ｒ≒（1/222）・（1/（Egγ）^1/2）・（AB²l²/bh²・Ｑ＋R_O ここで、E;弾性率 g;重量加速 γ；振動子を構成している材料の密度 A;振動モードによって決まる定数 B;磁束密度 l;振動梁の長さ b;振動梁の幅 h;振動梁の厚さ Q;共振の鋭さ R_O;直流抵抗値上式によれば振動梁のＱが数百〜数万の値をとるため、
共振状態において増幅器の出力として、大きな振幅信号
を得ることができる。このように、振動形半導体トラン
スデューサ増幅器のゲインを十分取って正帰還するよう
に構成すれば系は固有振動数で自励発振する。

しかしながら、この様な装置にのいては、振動梁12に発
生する逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、励振電流の励振成分を、交流ブリッジで完全に抑圧
することは事実上不可能であるから、ブリッジ出力には
励振電流成分が乗ってくる。

このために、S/N比が悪く安定な出力信号が得られな
い。

この様な問題点を解決するために、本願出願人は昭和62
年10月28日出願の特願昭62−272653号「発明の名称；振
動形トランスデュサ」を出願している。

以下、この出願について、第９図から第12図により説明
する。

第９図は特願昭62−272653号の一実施例の原理的要素構
成説明図である。

図において、第５図と同一符号の構成は同一機能を表わ
す。

以下、第５図と相違部分のみ説明する。

30は振動子本体である。振動子本体30は両端が基板11に
固定され互いに並行に配置された第１振動子31,第２振
動子32と第１振動子31,第２振動子32の振動の腹の部分
を相互に機械的に連合する連結梁33とを備える。

40は振動子本体30に直交する直流電界を磁石13により加
え第１振動子31の両端に交流電流を入力トランス41によ
り流して磁気誘導作用により振動子本体30を磁界と電流
に直交する方向に励振する励振手段である。

入力トランス41は、二次側が第１振動子31の両端には接
続されている。

50は第２振動子32の両端に発生する起電力を検出する振
動検出手段である。この場合は、出力トランス51、増幅
器52が用いられている。出力トランス51の一時側は、第
２振動子32の両端に接続され、二次側は増幅器52を介し
て出力端子53に接続されるとともに、分岐して入力トラ
ンス41の一次側に接続されている。

以上の構成において、励振手段40に入力された入力信号
により、振動子本体30は励振される。振動子本体30の振
動は、振動検出手段50により検出され出力信号として取
出される。

この結果、振動子本体30は、励振用の第１振動子31と、
起電力検出用の第２振動子32に分けられ、連結梁33で、
第１振動子31と第２振動子32の振動の腹の部分を結合す
るようにされたので、電気的には分離されているが、機
械的には結合されているため、高い励振成分除去比（S/
N比）が得られる。

第10図は振動子本体30の実際例で、第11図は第10図のＢ
−Ｂ断面図である。

第11図において、振動子本体30は、振動子31,32のＱ値
を高くするために、シエル60で振動子本体30を覆い、振
動子31,32の周面に隙間62を設けて真空室61に封じ込め
られた状態を示す。

第９図、第10図においては、分かりやすくするために、
シエル60は示されていない。

この様な装置は、例えば、第12図に示す如くして作られ
る。

（１）第12図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（10
0）面にカットされた基板10に、シリコン酸化物あるい
はシリコン窒化物の膜101を形成する。膜101の所要の箇
所102をホトリソグラフィにより除去する。

（２）第12図（Ｂ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中で、塩化水素でエッチングを行い、基板１に所
要箇所102をエッチングして膜101をアンダーカットし
て、凹部103を形成する。

なお、塩化水素の代りに、高温水蒸気、酸素を用いる
か、あるいは、40℃〜130℃のアルカリ液による異方性
エッチングでもよい。

（３）第12図（Ｃ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
雰囲気中でソースガスに塩化水素（HCl）ガスを混入し
て選択エピタキシャル成長法を行う。

すなわち、ボロンの濃度10¹⁸cm^-3のＰ形シリコンにより、隙間部
62の下半分に相当する第１エピタキシャル層104を選択
エピタキシャル成長させる。

ボロンの濃度３×10²⁰cm^-3のＰ形シリコンにより、第
１エピタキシャル層104の表面に、所要の箇所102を塞ぐ
ように、振動子本体30に相当する第２エピタキシャル層
105を選択エピタキシャル成長させる。

ボロンの濃度10¹⁸cm^-3のＰ形シリコンにより、第２エ
ピタキシャル層105の表面に、隙間部62の上半分に相当
する第３エピタキシャル層106を選択エピタキシャル成
長させる。

ボロンの濃度３×10²⁰cm^-3のＰ形シリコンにより、第
３エピタキシャル層106の表面に、シエル60に相当する
第４エピタキシャル層107を選択エピタキシャル成長さ
せる。

（４）第12図（Ｄ）に示すごとく、シリコン酸化物、あ
るいは、シリコン窒化物の膜101をフッ化水素酸（HF）
でエッチングして除去し、エッチング注入口108を設け
る。

（５）第12図（Ｅ）に示すごとく、第４層に対して基板
10に正のパルスを印加して、第４層に対して基板10に正
のパルスを印加して、エッチング液の注入口108よりア
ルカリ液を注入して、第１エピタキシャル層104と第３
エピタキシャル層106を選択エッチングして除去する。

第２エピタキシャル層105と第１エピタキシャル層104あ
るいは第３エピタキシャル層106との間にエッチング作
用の差があるのは、ボロンの濃度が３×10¹⁹cm^-3以上と
なるとエッチング作用に抑制現象が生ずることによる。

このことは、例えば、「トランデュサーズ87」日本電気
学会発行の123ページFig8に示されている。

（６）第12図（Ｆ）に示すごとく、1050℃の水素（H₂）
中で、ｎ形シリコンのエピタキシャル成長を行い、第２
エピタキシャル層105と第４エピタキシャル層107と基板
１の凹部103側の面を覆うと共に注入口108を塞ぐように
して、ｎ形シリコンからなる第５エピタシャル層109を
形成し、エッチング注入口108をとじる。

＜発明が解決しようとする課題＞しかしながら、この様な装置においては第１振動子31,
第２振動子32と連結梁32との結合部分が複雑となり、エ
ピタキシャル成長が結晶方位によって異なるため、結合
部分の結晶形成が綺麗に出来ない。また、シエル60と第
１振動子31,第２振動子32との間の隙間62が狭くなる等
の問題があり、製造上の歩留りを悪くするとの問題があ
った。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、S/N比が高く、自励発振を安定に起こ
す事ができ、安価な振動形半導体トランスデューサを提
供するにある。

＜問題点を解決するための手段＞この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶
の基板上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子
本体と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動
子本体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具
備する振動形半導体トランスデューサにおいて、両端が前記基板に固定され互いに並行に配置され長さと
幅と厚さがほぼ等しい第１振動子と第２振動子とを備え
る振動子本体と、該振動子本体に直交する直流磁界を加
え第１振動子の両端に交流電流を流して磁気誘導作用に
より振動子を磁界と電流に直交する方向に励振する振動
手段と、前記第２振動子の両端に発生する起電力を検出
し自励振するに必要なゲインを付与する増幅器と必要な
位相を与えるフイルターとを具備し前記振動子本体の固
有振動数で自励発振が持続するように構成された振動検
出手段とを具備してなる振動形半導体トランスデューサ
を構成したものである。

＜作用＞以上の構成において、基板に、外力が加えられる。

振動子には、直交するように交流磁界をかけ、第１振動
子の両端に交番電流を流すと、磁気誘導作用により、磁
界と電流とに直交する方向に励振する。

このときの振動周波数は、第１振動子の長さ、幅は、厚
さおよび張力により決まる固有振動数で励振する。

このとき、第２振動子も、同形状、同張力であると、等
しい固有振動数を持つために、励振された第１振動子の
振動エネルギーが、第１振動子の両端の壁を介して伝達
し、第２振動子も同じ振動数で振動する。

振動子本体の振動は振動検出手段により検出され、その
周波数は出力信号として取出される。

この結果、基板に加わった外力が検出出来る。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

＜実施例＞第１図は本発明の一実施例の要部構成説明図で、第２図
は実際の使用例、第３図は第２図のＢ−Ｂ断面図、第４
図は第１図の動作説明図である。

図において、第９図と同一記号の構成は同一機能を表わ
す。

以下、第９図と相違部分のみ説明する。

第９図との相違は、第１振動子31と第２振動子32とを連
結する連結梁33がないのみである。

しかして、第１振動子31と第２振動子32とは近接して設
けられ、その長さ、幅、厚さはほぼ等しく形成されてい
る。

以上の構成において、基板１に外力が加えられる。

振動子31,32には、直交するように交流磁界をかけ、第
１振動子31の両端に交番電流を流すと、磁気誘導作用に
より、磁界と電流とに直交する方向に励振する。

このときの振動周波数は、第１振動子の長さ、幅、厚さ
および張力により決まる固有振動数で励振する。

このとき、第２振動子32も、同形状、同張力であると、
等しい固有振動数を持つために、振動された第１振動子
31の振動エネルギーが、第１振動子31の両端の壁を介し
て伝達し、第２振動子32も同じ振動数で振動する。

第２振動子32の振動は、振動検出手段により検出され、
その周波数は、出力信号として取出される。

この結果、基板１に加わった外力が検出出来る。

しかして、（１）振動子本体30の形状が２本の振動子31,32のみと
なり、第９図従来例の様な連結梁33が無くなったため
に、製造プロセスの歩留が大幅に向上する。

（２）励振電流を流す第１振動子31と、第２振動子32は
電気的に完全に、絶縁されているため、高い励振成分除
去比（S/N比）が得られる。

（３）振動子本体30に、振動子31,32の軸に直角方向
に、第４図に示すごとき、歪みε_Ｏ（例えば、静圧下の
発生歪み）が加わると、従来例の振動子本30では、連結
梁33のために、第４図（Ａ）の破線の様な変形を生じ、
第１振動子31,第２振動子32の固有振動数が変化すると
いう問題があった。

しかし、本発明では、第４図（Ｂ）の破線の様な変形を
生じ、誤差を生じない。

なお、上記トランスデューサはシリコンの弾性率の温度
係数によってその振動周波数が変化するので、圧力計の
ほかに真空容器に収納して温度計として利用できるほ
か、密度計としても利用することができる。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子本体
と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動子本
体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具備す
る振動形半導体トランスデューサにおいて、両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され長さと
幅と厚さがほぼ等しい第１振動子と第２振動子とを備え
る振動子本体と、該振動子本体に直交する直流磁界を加
え第１振動子の両端に交流電流を流して磁気誘導作用に
より振動子を磁界と電流に直交する方向に励振する励振
手段と、前記第２振動子の両端に発生する起電力を検出
し自励振するに必要なゲインを付与する増幅器と必要な
位相を与えるフイルターとを具備し前記振動子本体の固
有振動数で自励発振が持続するように構成された振動検
出手段とを具備してなる振動形半導体トランスデューサ
を構成した。

この結果、基板に加わった外力が検出出来る。

しかして、（１）振動子本体の形状が２本の振動子のみとなり、従
来例の様な連結梁が無くなったために、製造プロセスの
歩留が大幅に向上する。

（２）励振電流を流す第１振動子と、第２振動子は電気
的に完全に、絶縁されているため、高い励振成分除去比
（S/N比）が得られる。

（３）振動子本体に、振動子の軸に直角方向に、、歪み
（例えば、静圧下の発生歪み）が加わると、従来例の振
動子本体では、連結梁のために、第１振動子第２振動子
の固有振動数が変化するという問題があった。

しかし、本発明では、誤差を生じない。

従って、本発明によれば、S/N比が高く、自励発振を安
定に起こす事ができ安価な振動形半導体トランスデュー
サを実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原理的要部構成説明図、第
２図は実際使用例の要部構成説明図で、第３図は第２図
のＢ−Ｂ断面図、第４図は第１図の動作説明図、第５図
〜第８図は従来より一般に使用されている従来例の構成
説明図で、第５図はトランスデューサを圧力計として構
成した斜視図、第６図は第５図におけるＡ部の拡大平面
図に電気配線を施した図、第７図は第６図のＡ−Ａ断面
図、第８図は第６図を電気回路で示した図、第９図〜第
12図は特願昭62−272653号の構成説明図である。 10……基板、11……ダイアフラム、13……磁石、30……
振動子本体、31……第１振動子、32……第２振動子、40
……励振手段、41……入力トランス、42……入力端子、
50……振動検出手段、51……出力トランス、52……増幅
器、53……出力端子、60……シエル、61……真空室、62
……隙間。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林隆東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者渡辺哲也東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者西川直東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者吉田隆司東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (56)参考文献特開昭62−63828（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−288542（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−186725（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−221631（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン単結晶の基板上に設けられたシリ
コン単結晶材よりなる振動子本体と、該振動子本体を励
振する励振手段と、前記振動子本体の励振された振動を
検出する振動検出手段とを具備する振動形半導体トラン
スデューサにおいて、両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され長さと
幅と厚さがほぼ等しい第１振動子と第２振動子とを備え
る振動子本体と、該振動子本体に直交する直流磁界を加
え第１振動子の両端に交流電流を流して磁気誘導作用に
より振動子を磁界と電流に直交する方向に励振する励振
手段と、前記第２振動子の両端に発生する起電力を検出
し自励振するに必要なゲインを付与する増幅器と必要な
位相を与えるフィルターとを具備し前記振動子本体の固
有振動数で自励発振が持続するように構成された振動検
出手段とを具備してなる振動形半導体トランスデュー
サ。