JPS62297738A - 振動式圧力センサ - Google Patents
振動式圧力センサInfo
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- JPS62297738A JPS62297738A JP13985186A JP13985186A JPS62297738A JP S62297738 A JPS62297738 A JP S62297738A JP 13985186 A JP13985186 A JP 13985186A JP 13985186 A JP13985186 A JP 13985186A JP S62297738 A JPS62297738 A JP S62297738A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring 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
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
- G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
３、発明の詳細な説明
〈産業上の利用分野〉
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圧
力に対応して振動梁に生ずる振動周波数の変化を検出す
る振動式圧力センサに関するものである。
固有振動数で振動させておき、その基板に加えられる圧
力に対応して振動梁に生ずる振動周波数の変化を検出す
る振動式圧力センサに関するものである。
〈従来の技術〉
従来、半導体に振動梁を形成したトランスジューサとし
ては特開昭５５−２６４８７号公報に記載された［圧力
変換器とその製法」が知られている。上記公報に示され
た変換器の概要を簡単に説明する。
ては特開昭５５−２６４８７号公報に記載された［圧力
変換器とその製法」が知られている。上記公報に示され
た変換器の概要を簡単に説明する。
第４図は前記公報に記載された圧力変換器の斜視図、第
５図は同変換器の要部所面図である。第４図において、
１はシリコン基板である。このシリコン基板１には所定
の箇所〈突起部１２として残す２つの箇所と振動梁１４
・・・公報では織緒と呼んでいる）の部分に４Ｘ１０’
９原子／ｃｍ３以上のボロンを部分的にドープするとと
もに枠１０として残す部分にマスクが施される。そして
、このシリコン基板をカテコール＋ジアミン酸の水溶液
により買方性エツチングを行うと、枠１０と突起部１２
．隔ｐ１１１３および振動梁１４の部分のみを残してエ
ツチングされ、突起部１２の頂部に振動梁１４が形成さ
れる。
５図は同変換器の要部所面図である。第４図において、
１はシリコン基板である。このシリコン基板１には所定
の箇所〈突起部１２として残す２つの箇所と振動梁１４
・・・公報では織緒と呼んでいる）の部分に４Ｘ１０’
９原子／ｃｍ３以上のボロンを部分的にドープするとと
もに枠１０として残す部分にマスクが施される。そして
、このシリコン基板をカテコール＋ジアミン酸の水溶液
により買方性エツチングを行うと、枠１０と突起部１２
．隔ｐ１１１３および振動梁１４の部分のみを残してエ
ツチングされ、突起部１２の頂部に振動梁１４が形成さ
れる。
第５図は圧力変換器の要部断面を示し、同変換器の下底
向２１から離れて振動梁１４が配置され。
向２１から離れて振動梁１４が配置され。
下底面２１上には変換器駆動電極２２．取出し用電極２
３および保ｍ電極２４がある。この圧力変換器は静電気
力により駆動される。
３および保ｍ電極２４がある。この圧力変換器は静電気
力により駆動される。
〈発明が解決しようとづる問題点＝、・しかしながら、
上記従来技術においては振動梁を静電容量により励振し
ているため次のような問題点がある。
上記従来技術においては振動梁を静電容量により励振し
ているため次のような問題点がある。
（１） 振動梁の寸法が小さくなると静電容量が小さ
くなり、振動梁の出力インピーダンスが非常に高くなり
、リード線および容量変化を検出するために用いられる
ＦＥＩ−のゲート容量が無視できなくなる。このため、
実際にはＦＥＴのゲートより小さな寸法の振動梁の励振
は難しい。また、この様な振動を検出する方式として高
周波検出方式が考えられるが＾周波回路技術が必要とな
り９回路が複雑になるとともにパワー消費も増大する。
くなり、振動梁の出力インピーダンスが非常に高くなり
、リード線および容量変化を検出するために用いられる
ＦＥＩ−のゲート容量が無視できなくなる。このため、
実際にはＦＥＴのゲートより小さな寸法の振動梁の励振
は難しい。また、この様な振動を検出する方式として高
周波検出方式が考えられるが＾周波回路技術が必要とな
り９回路が複雑になるとともにパワー消費も増大する。
（２） 振動子と固定電極の間のギャップを小ざクシ
。
。
輿空に減圧すると放電を起こす可能性がある。
（３） 静電容量により振動したりその振動を検出す
るためには高い直流バイアス電圧を印加する必要がある
。その結果、振動梁に余分の張力を加えることになり安
定性が低下したり振動梁を破断したりする。
るためには高い直流バイアス電圧を印加する必要がある
。その結果、振動梁に余分の張力を加えることになり安
定性が低下したり振動梁を破断したりする。
等の欠点がある。本発明は上記従来技術の問題点を解決
するために成されたもので、微細な振動梁を安定に励振
させることを目的とする。
するために成されたもので、微細な振動梁を安定に励振
させることを目的とする。
く問題点を解決するための手段〉
上記問題点を解決するための本発明の構成は。
（１００）面を有するｐ形（またはｐ形）シリコン基板
の表面の一部に不純物を加えてｐ形（またはｐ形）層を
形成し９選択性エツチングによりアンダエツヂングして
＜１０Ｑ＞方向に長手方向を有する両端固定振動梁を形
成し、前記振動梁が形成されたシリコン基板の裏面の（
１００）面をエツチング等により加工して＜１１０＞方
向に一辺を有する矩形状のダイアフラムを形成し、前記
振動梁に直交する方向に直流磁界をかりる手段および前
記振動梁に電流を流す手段を設けたものであり、さらに
、前記録＃ｈＩＲの両端を前記ダイアフラムの隣接する
辺から前記ダイアフラムの一辺の長さの約０．１２倍の
位置に配置し、前記ダイアフラム上に前記振動梁と対称
方向に前記振動梁の一端に接触して前記振動梁と同等の
比較抵抗を形成したものである。
の表面の一部に不純物を加えてｐ形（またはｐ形）層を
形成し９選択性エツチングによりアンダエツヂングして
＜１０Ｑ＞方向に長手方向を有する両端固定振動梁を形
成し、前記振動梁が形成されたシリコン基板の裏面の（
１００）面をエツチング等により加工して＜１１０＞方
向に一辺を有する矩形状のダイアフラムを形成し、前記
振動梁に直交する方向に直流磁界をかりる手段および前
記振動梁に電流を流す手段を設けたものであり、さらに
、前記録＃ｈＩＲの両端を前記ダイアフラムの隣接する
辺から前記ダイアフラムの一辺の長さの約０．１２倍の
位置に配置し、前記ダイアフラム上に前記振動梁と対称
方向に前記振動梁の一端に接触して前記振動梁と同等の
比較抵抗を形成したものである。
〈実施例〉
第１〜第３図は本発明の一実施例を示すもので。
第１図は振動式圧力センサ′の一部断面構成斜視図。
第２図は第１図のＡ−Ａ断面拡大図に直流磁界を加えた
状態を示す図、第３図は第１図および第２図を構成要素
に含めた電気回路を示す図である。
状態を示す図、第３図は第１図および第２図を構成要素
に含めた電気回路を示す図である。
これらの図において、５０は例えば不純物１１ｍ１０１
！原子／ｃｍ３以下のｐ形のシリコン基板でアリ、表面
は（１００）の結晶面とされる。このシリコン基板５０
の一方の面をエツチングしてく１１０〉方向に一辺を有
する矩形状のダイアフラム５１が形成されている。この
ダイアフラム５１の他方の表面（エツチングしない側）
には部分的に不純物ｍ痩１０１１程痕のｎ十拡散１１５
２が形成され、このｎ十拡散層に＜１００＞方向に長手
方向を有する振動梁５３が形成されている。なおこの振
動梁５３はダイアフラム５１に形成されたｎ十層および
ｐｌをフォトリソグラフィと選択性エツチングの技術を
用いて加工する。なお９本発明では振動梁はダイアフラ
ム５１の隣接する辺からダイアフラムの一辺の長さの約
０．１２倍の位置に配置されている。５４はｎ十拡散層
からなる比較抵抗でダイアフラム５１上に振動＃Ｒ５３
と対称方向に振動梁の一端に接触し、かつ、振動梁と同
等の抵抗値とされる。５５は振動梁５３の約中−６＝ 央上部に振動梁５３に１交し、かつ、非接触の状態で設
けられた磁石、５６は絶縁膜としての３ｉ０２膜（第２
図参照）である。５７８〜５７Ｇは例えばＡ１などの金
属電極で、この金属電極は振動梁５３から延長したｎ手
払散層５２ａ〜５２ｃに５ｔ０２層５６に設けたコンタ
クトホール５８ａ〜５８ｃを通じて接続されている。６
０は導圧孔６１および導圧＠６２が形成されたベースで
。
！原子／ｃｍ３以下のｐ形のシリコン基板でアリ、表面
は（１００）の結晶面とされる。このシリコン基板５０
の一方の面をエツチングしてく１１０〉方向に一辺を有
する矩形状のダイアフラム５１が形成されている。この
ダイアフラム５１の他方の表面（エツチングしない側）
には部分的に不純物ｍ痩１０１１程痕のｎ十拡散１１５
２が形成され、このｎ十拡散層に＜１００＞方向に長手
方向を有する振動梁５３が形成されている。なおこの振
動梁５３はダイアフラム５１に形成されたｎ十層および
ｐｌをフォトリソグラフィと選択性エツチングの技術を
用いて加工する。なお９本発明では振動梁はダイアフラ
ム５１の隣接する辺からダイアフラムの一辺の長さの約
０．１２倍の位置に配置されている。５４はｎ十拡散層
からなる比較抵抗でダイアフラム５１上に振動＃Ｒ５３
と対称方向に振動梁の一端に接触し、かつ、振動梁と同
等の抵抗値とされる。５５は振動梁５３の約中−６＝ 央上部に振動梁５３に１交し、かつ、非接触の状態で設
けられた磁石、５６は絶縁膜としての３ｉ０２膜（第２
図参照）である。５７８〜５７Ｇは例えばＡ１などの金
属電極で、この金属電極は振動梁５３から延長したｎ手
払散層５２ａ〜５２ｃに５ｔ０２層５６に設けたコンタ
クトホール５８ａ〜５８ｃを通じて接続されている。６
０は導圧孔６１および導圧＠６２が形成されたベースで
。
導圧？１！６２が導圧孔６１とダイアフラム５１を形成
するための穴を結んで配置されるとともに気密に固着さ
れている。
するための穴を結んで配置されるとともに気密に固着さ
れている。
本出願人は辺ａを有する正方形のダイアフラムに圧力Ｐ
が加わわった場合ダイアフラムの表面は隣接する辺の端
部より０．１２ａの点に最大の面内変位を生じることを
有限要素法を用いて計算し。
が加わわった場合ダイアフラムの表面は隣接する辺の端
部より０．１２ａの点に最大の面内変位を生じることを
有限要素法を用いて計算し。
実験により確認した。この発明では振動梁５３をこの位
置に形成しているので最大の歪みを得ることができる。
置に形成しているので最大の歪みを得ることができる。
この場合の振動梁に加わる歪みεは次式により表わすこ
とができる。
とができる。
εｚＯ，，１（１／Ｅ） ・ （ａ／ｈ） ２ ・
Ｐここで Ｅ；ヤング率 ａ；正方形ダイアフラムの一辺の長さ ｈ：ダイアフラムの厚さ Ｐ：圧力 また、この振動梁の固有振動数（最低次モード）ｆは次
式により表わすことができる。
Ｐここで Ｅ；ヤング率 ａ；正方形ダイアフラムの一辺の長さ ｈ：ダイアフラムの厚さ Ｐ：圧力 また、この振動梁の固有振動数（最低次モード）ｆは次
式により表わすことができる。
ｆ＝ｆｏ （１＋αε）
α＝０．１１８ （Ｉ！／ｌｌ
ここで
！；振動梁の長さ
ｔ；振動梁の厚さ
１０ ；ｐ＝ｏの時の固有振動数
第３図（イ）は第２図に示す振！Ｉｌｌ＃Ｒの抵抗値を
Ｒ９比較抵抗の抵抗値をＲｏとして振動梁を固有振動周
波数で自励振させるための電気回路図。
Ｒ９比較抵抗の抵抗値をＲｏとして振動梁を固有振動周
波数で自励振させるための電気回路図。
（ロ）はｐ形層と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。第３図（イ）においてＬｌ
は１次コイル＋Ｌ２は中点Ｃが共通電位とされた２次コ
イルであり、２次コイルの一端は振動梁５３の抵抗Ｒに
接続され、この抵抗Ｒと直列にこの抵抗Ｒとほぼ等しい
比較抵抗Ｒｏの一端に接続され、比較抵抗Ｒｏの他端は
２次コイルＬ２の他端に接続されている。ＲとＲｏの接
続点Ｆは増幅＠７０の入力端に接続されており、増幅器
７０の出力は出力信号ｆとして取出されるとともに分岐
して１次コイルＬ１の一端に接続されている。
るための電源を示している。第３図（イ）においてＬｌ
は１次コイル＋Ｌ２は中点Ｃが共通電位とされた２次コ
イルであり、２次コイルの一端は振動梁５３の抵抗Ｒに
接続され、この抵抗Ｒと直列にこの抵抗Ｒとほぼ等しい
比較抵抗Ｒｏの一端に接続され、比較抵抗Ｒｏの他端は
２次コイルＬ２の他端に接続されている。ＲとＲｏの接
続点Ｆは増幅＠７０の入力端に接続されており、増幅器
７０の出力は出力信号ｆとして取出されるとともに分岐
して１次コイルＬ１の一端に接続されている。
上記構成において、振動梁５３に交流電流、を流すと振
動梁５３の固有振動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。
動梁５３の固有振動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。
この抵抗Ｒと比較抵抗Ｒｏ＋および中点をコモンライン
に接続した２次コイルＬ２により形成されるブリッジに
より不平等信号を得ることができる。
に接続した２次コイルＬ２により形成されるブリッジに
より不平等信号を得ることができる。
この信号を増幅器７０で増幅し１次コイル１１に正帰還
すると、系は振動梁の固有振動数で自励発振する。
すると、系は振動梁の固有振動数で自励発振する。
上記構成において、振動梁５３の一インピーダンスＲは
固有振動数において極大値をとる。このインビーダンス
Ｒは２次式のように表わすことができる。
固有振動数において極大値をとる。このインビーダンス
Ｒは２次式のように表わすことができる。
Ｒ中（１／２２２＞・＜１／ＪＴ’−了Ｔ）・（Ａ Ｂ
２１ ’ ／ ｂ ｈ ２） ・Ｑ ＋ Ｒ。
２１ ’ ／ ｂ ｈ ２） ・Ｑ ＋ Ｒ。
ここでｌ Ｅ １弾性率
０；重力加速
γ：振動密度
Ａ：振動モードによって決まる定数
Ｂ；磁束密麿
Ｉ！：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
Ｒｏ：直流抵抗値
上式によれば振動子のＱが数自〜数万の値をとるため、
共振状態において増幅ｆ５１７０の出力として、大きな
振幅信号を１ｇることができる。さらに増幅器７０のゲ
インを充分取って正帰還するように構成すれば系は固有
振動数で自励発振を行う。
共振状態において増幅ｆ５１７０の出力として、大きな
振幅信号を１ｇることができる。さらに増幅器７０のゲ
インを充分取って正帰還するように構成すれば系は固有
振動数で自励発振を行う。
上記構成において。
基板の厚さ： ０．５３ｍｍダイア
フラムの辺の長さ；３．５Ｘ３．５ｍｍダイアフラムの
厚さ； ０．２ｍｍ振動梁の長さ；
ｌ、４ｍｍ振動梁の幅：
０．０３５ｍｍ振動梁の厚さ： ０
．００７ｍｍに加工した場合の実験結果は。
フラムの辺の長さ；３．５Ｘ３．５ｍｍダイアフラムの
厚さ； ０．２ｍｍ振動梁の長さ；
ｌ、４ｍｍ振動梁の幅：
０．０３５ｍｍ振動梁の厚さ： ０
．００７ｍｍに加工した場合の実験結果は。
印加圧力が零の場合 ／ Ｏ”” ３６ ｋ Ｈ
Ｚ印加圧力を２ｋＱｆ／Ｃｍ２とした場合！＝４１ｋＨ
ｚ と変化し。
Ｚ印加圧力を２ｋＱｆ／Ｃｍ２とした場合！＝４１ｋＨ
ｚ と変化し。
このとぎの歪みは３４ｐｐｍであった。
なお９本実施例においてはダイアフラムを正方形とした
が、ダイアフラムの形状は正方形に限ることなく長方形
であってもよい。また９本実施例においてはシリコン基
板をｐ形としたが、ｎ形のシリコン基板の表面にｐ十層
を拡散して振動梁を形成してもよい。
が、ダイアフラムの形状は正方形に限ることなく長方形
であってもよい。また９本実施例においてはシリコン基
板をｐ形としたが、ｎ形のシリコン基板の表面にｐ十層
を拡散して振動梁を形成してもよい。
〈発明の効果〉
以上実施例とともに具体的に説明したように本発明によ
れば。
れば。
（１） インピーダンスが低く励振が容易である。
（２）振動子を小形にしても振動梁の励振が容易である
。
。
（３） 動作電圧が低いため放電が生じない。
（４）振動梁に余分な張力がかからないため高い精度で
圧力を測定覆ることができる。
圧力を測定覆ることができる。
（５） 比較抵抗をダイアフラム上に振動梁と対称の
位置に形成したので、ピエゾ抵抗効果および温度による
抵抗変化を打消すことができ、安定した発振を得ること
ができる。
位置に形成したので、ピエゾ抵抗効果および温度による
抵抗変化を打消すことができ、安定した発振を得ること
ができる。
等の効果がある。
第１〜第３図は本発明の振動式圧力センサの一実施例を
示し、第１図は振動式圧力センサの一部断面構成斜視図
、第２図は第１図のＡ−△断面拡大図に直流磁界を加え
た状態を示す図、第３図（イ）、（ロ）は第１図を構成
要素に含めた電気回路を示す図、第４図、第５図は従来
例を示す斜視図および要部断面図である。 ５０・・・ｐ形シリコン基板、５１・・・ダイアフラム
。 ５２ａ、５２ｂ、５２ｃｍｎ＋拡散１１．５３−・・振
動梁、５４・・・比較抵抗、５５・・・磁石、５７ａ、
５７ｂ、５７ｃ・・・金属電極、６０・・・ベース、６
１・・・導圧孔、６２・・・導圧溝、７０・・・増幅器
＋ＬＩ・・・１次コイル１１２・・・２次コイル。
示し、第１図は振動式圧力センサの一部断面構成斜視図
、第２図は第１図のＡ−△断面拡大図に直流磁界を加え
た状態を示す図、第３図（イ）、（ロ）は第１図を構成
要素に含めた電気回路を示す図、第４図、第５図は従来
例を示す斜視図および要部断面図である。 ５０・・・ｐ形シリコン基板、５１・・・ダイアフラム
。 ５２ａ、５２ｂ、５２ｃｍｎ＋拡散１１．５３−・・振
動梁、５４・・・比較抵抗、５５・・・磁石、５７ａ、
５７ｂ、５７ｃ・・・金属電極、６０・・・ベース、６
１・・・導圧孔、６２・・・導圧溝、７０・・・増幅器
＋ＬＩ・・・１次コイル１１２・・・２次コイル。
Claims (3)
- （１）（１００）面を有するｐ形（またはｎ形）シリコ
ン基板の表面の一部に不純物を加えてｎ形（またはｐ形
）層を形成し、選択性エッチングによりアンダエッチン
グして＜１００＞方向に長手方向を有する両端固定振動
梁を形成し、前記振動梁が形成されたシリコン基板の裏
面の（１００）面をエッチング等により加工して＜１１
０＞方向に一辺を有する矩形状のダイアフラムを形成し
、前記振動梁に直交する方向に直流磁界をかける手段お
よび前記振動梁に電流を流す手段を設けたことを特徴と
する振動式圧力センサ。 - （２）前記振動梁の両端が前記ダイアフラムの隣接する
辺から前記ダイアフラムの一辺の長さの約０．１２倍の
位置に配置されたことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の振動式圧力センサ。 - （３）前記ダイアフラム上に前記振動梁と対称方向に前
記振動梁の一端に接触して前記振動梁と同等の比較抵抗
を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
振動式圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13985186A JPS62297738A (ja) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | 振動式圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13985186A JPS62297738A (ja) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | 振動式圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62297738A true JPS62297738A (ja) | 1987-12-24 |
| JPH0556814B2 JPH0556814B2 (ja) | 1993-08-20 |
Family
ID=15255008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13985186A Granted JPS62297738A (ja) | 1986-06-16 | 1986-06-16 | 振動式圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62297738A (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5383677A (en) * | 1976-12-29 | 1978-07-24 | Rikagaku Kenkyusho | Measurement of grain size distribution |
| JPS5526487A (en) * | 1978-05-30 | 1980-02-25 | Itt | Pressure converter and producing same |
-
1986
- 1986-06-16 JP JP13985186A patent/JPS62297738A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5383677A (en) * | 1976-12-29 | 1978-07-24 | Rikagaku Kenkyusho | Measurement of grain size distribution |
| JPS5526487A (en) * | 1978-05-30 | 1980-02-25 | Itt | Pressure converter and producing same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0556814B2 (ja) | 1993-08-20 |
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