JPS6232415B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は変換器、特に音響型の電気半導体変換
器に関するものである。

〔背景技術〕 従来、例えば米国特許第3242738号明細書
（Cl.73−393）に示されるような圧力変換器が提
案されている。すなわち上記米国特許明細書の第
３図には可撓性のある隔膜（diaphragm）上に２
本のアームを取付け、これらアーム間に振動弦を
張り渡した圧力変換器が開示されている。上記構
成によれば隔膜の動きがアームを互いに近接した
り離間したりするアーム間の距離の変化として現
われ、このアームの動きが振動弦を収縮させたり
伸張させたりする。このような状態で例えば電磁
石のようなもので弦を振動させると弦の収縮また
は伸張の程度に応じて弦の振動周波数が変化す
る。この振動周波数の変化から隔膜外部の圧力を
知ることができるものである。

しかし、このような従来の圧力変換器では隔
膜、アームおよび振動弦を夫々別の材料で作り、
それらを組付けることで構成していた。特にアー
ムと弦とを別々の材料で作成し組付けていたの
で、組付け時のわずかな調整誤差が弦の振動周波
数を大きく変化させ、同一特性の圧力変換器を量
産するのが困難であり、組付けが面倒で時間がか
かつた。また圧力変換器が小形になる程、組付け
が極めて困難になるという問題があつた。

〔発明の要約〕

本発明の目的は構造が簡単で量産が可能な圧力
変換器を提供することにある。

本発明の他の目的は小形化が容易な圧力変換器
を提供することにある。

本変換器の動作原理は、張り渡された弦の共振
周波数が張力によつて変動するのに類似してい
る。この変換器の共振周波数は加えられる力の直
接函数であり、温度変化の影響を２次的に受け
る。変換器の電気出力は論理回路やマイクロプロ
セツサによる信号処理に特に適した形式をしてい
る。本発明は圧力変換器の突起部（アーム）およ
び繊維状細片（弦）を好適にはエツチング技術を
用いて同一半導体物質から一体で形成するところ
に特徴がある。

〔発明の実施態様〕

本発明の実施例を付図を参照して説明する。

第１図及び第２図を参照すると、ここに示して
ある変換器１１は、ボロンをドープしたシリコン
基板を部分的にエツチングすることによつて形成
されている。第２図にはエツチング処理後に残つ
た部分が示されている。部分的にエツチングされ
たシリコン装置の製造は、ドープするボロンの濃
度を４×10¹⁹原子／c.c.以上にすることによつて、
あるエツチング工程で抑制現象が起ることに依存
している。ボロン濃度がこのレベルにあると、エ
ツチング速度がドープされないシリコンの場合の
通常の速度からほぼ０に急変するため、エツチン
グされない領域の厚みはボロンの拡散深度によつ
て精密に決定される。この工程については我々の
英国特許明細書第1211496号（J.C.グリーンウツ
ド−６）により詳しく記述されている。マスクを
通して基板のエツチングを必要としない領域にボ
ロンをドープした後、カテコールとジアミン酸エ
チレン及び水の混合物でエツチングすると、基板
が第１図及び第２図に示す構造の変換器となる。

変換器１１は、矩形のシリコン枠１０の中に保
持されたシリコン隔膜１３から付き出した１組の
突起部１２（溝と反対の部分）を有し、この両突
起部は圧力を加えられた時１組の繊維状細片１４
によつて連結される。実際上はもちろんこのよう
な装置が数多くシリコン基板上に配置される。

通常の半導体製造技術とはちがつて半導体基板
の両主表面がエツチングされるので、工程上にあ
る基板をその端部のみで操作するための装置を準
備する必要がある。このようにして基板上に形式
される変換器は端部を開放したまま中心部付近に
配置されなければならない。

エツチング工程で使用する装置では、変換器が
形成されるシリコン基板の端部をガラス運搬体に
取付けた後、１本の管の一方の端部の肩に対して
Ｏリングを通して密封する。クランプリングもし
くは逆ネジのグランドナツト金属で基板を正しく
固定する。次にこのようにして形成されたカツプ
の中にエツチング溶液を注ぎ、基板の片面のみを
反応させる。２、３の実施例に於いては、ガラス
運搬体を真空チヤツク機構に置き代えることも可
能である。

代表的な変換器製造工程に於いては、沸化水素
酸やカロ酸、水で基板を洗浄した後、両面にボロ
ン拡散処理を施す。基板の前面をアルミニウムの
蒸着層でマスクし、反対面もマスクしてリン酸エ
ツチングを施し、隔膜の面を形成する。アルミニ
ウム被膜上にはホトレジストがあるので、リン酸
及び硝酸の混合物でエツチングする。シリコンは
プラズマエツチングを使用すると、ボロン拡散に
よる部分的なエツチングでは溶解が不可能な深さ
までエツチングされる。このエツチングを切片の
両面に施した後、部分的なエツチングを施して、
変換器の第１形状を定める。

先行技術に精通している人には各種のエツチン
グ技術が明白になつているであろうが、次の規則
を守るべきである。

(1) カテコール、ジアミン酸及び水によるエツチ
ング速度は、＜111＞結晶学方向の速度が他のど
の方向よりも十分に遅い。第１次近似にとつて
は、＜111＞方向に於ける速度を０とみなすこと
ができる。

(2) 最もエツチングの遅い＜111＞面（８面）に
よつて仕切られる窪みが表われるまで凹面が開
かれてゆく傾向にある。従つて＜111＞方位の
切片上の保護酸化被膜中のピンホールは正三角
錐体のエツチング穴に立ち上がる。

(3) 凸面は最も速いエツチング面である24個の＜
331＞面によつて仕切られる立体を与える傾向
がある。

(4) マスクの誤りによつて発生されるような＜
111＞面中の不規則性はまつすぐになる傾向が
あるが、速いエツチング面中の同種の不規則性
はこの傾向がない。

(5) 凹凸のない＜331＞高速エツチング面は、１
つの端部のみが別の高速エツチング面に隣接し
ており、他の端部は不溶解物質もしくは＜111
＞平面に隣接している場合に得られる。隣接す
る面の組み合わせのすべてについて試験したわ
けではないが、不規則な形状は上記以外の整列
から起る。

(6) ＜100＞切片上には、マスクに補償用スパイ
クをつけることによつて、角を種々の形状にす
ることができる。スパイクの角度は、1/3傾斜
が良好な結果を生じるがあまり臨界的なもので
はない。スパイクの長さは、切片の厚みによつ
て決まるエツチング時間に関係する。通常はエ
ツチング時間は、他方の側まで達するのに必要
な時間以上であるべきである。これによりすべ
ての不規則性が除去される。エツチング時間
が、他方の側まで達するのに必要な時間より20
％増である場合は、スパイクの長さを切片の厚
みより20％長くすることによりほぼ直角な角が
得られる。スパイクを用いない場合は、面取り
された角が得られる。中間の寸法のスパイクは
中間的な結果を与える。

(7) 表面の一部をえぐり取る場合は、この工程が
＜111＞面によつて停止させられることのない
よう注意する必要がある。例えば、＜100＞方位
切片上に橋をえぐり取る場合は、その橋は＜
111＞面に対してある角度を有し、さらに十分
幅が狭くなければならない。

第３図は、第１図または第２図図示の変換器１
１を任意の１本の繊維状細片１４に沿つて切りと
つた断面図である。第３図には図示されていない
が、測定源に取りつけるべき隔膜１３は第３図の
上方に位置することになり、丁度第１図または第
２図図示の変換器１１が逆さになつた状態を示し
ている。また第３図にはこのような逆さの変換器
から離れて繊維状細片１４に対向するように配置
された変換器の下底面２１が存在する。この下底
面２１は、変換器の構造を示すのに邪魔となるた
め第１図および第２図では省略して描いている。
下底面２１上には各々の繊維状細片に対する変換
器駆動電極２２、取り出し用電極２３および両電
極間の保護電極２４がある。取り出し用電極２３
は関連する繊維状細片１４に容量的または静電的
に結合され、かつ図示していない検出回路に接続
されている。この検出回路は繊維状細片１４が測
定した圧力の関数として振動する周波数範囲をカ
バーする通過帯域を有しており、この検出回路で
取り出し用電極を介して測定圧力を検出する。保
護電極２４は接地電位が与えられ、変換器駆動電
極２２と取り出し電極２３との間の結合を防止す
るためのものである。

圧力計としての機能を有する本変換器を使用す
る場合は、その隔膜を有する端部を測定すべき圧
力源に取り付ける。繊維状細片は例えば第４図に
示す型式の回路によつてその共振振動周波数で励
振される。２つの変換器駆動電極２２は第４図に
「出力」と示された２つの端子に夫々接続され
る。低レベルの発振器（図示していない）が第４
図の２つのFETの入力端に接続され繊維状細片
１４の共振周波数に一致するように周波数が調節
される。この周波数は隔膜にかかる圧力差によつ
て決まる。圧力が変化すると、それに対応して繊
維状細片１４の張力が変化し、従つて共振周波数
が変わる。

変換器を静電気力で励振しても、繊維状細片を
制動することがほとんどないので、便宜上さしつ
かえない。従つて変換器と変換器駆動電極２２す
なわち下底面２１とは間隙が設けられている。第
４図の回路はこの目的にそつたものである。

入力と出力の静電容量結合を軽減するために、
第１図及び第２図に示すように２本の共振用繊維
状細片を使用し、互いに反対位相で駆動する。変
換器には前置増幅用FETが取り付けられる。第
４図の回路は約100の総合利得を与える増幅段を
示している。この中の第２段目はAGC段であ
り、第３段目は単位利得の位相分割器である。第
４段目は任意選択可能な段であり、出力振幅を増
大させるためのものである。

〔効果〕 以上述べたように、本発明によれば突起部と繊
維状細片とを一体で形成しているから構造が簡単
で同一特性を有する圧力変換器が量産でき、また
突起部と繊維状細片との組付け作業が必要ないか
ら圧力変換器を容易に小形化できるという優れた
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体共振繊維状細片変換器の斜視図
である。第２図は第１図の変換器の上平面図であ
る。第３図は１本の共振繊維状細片に沿つて切つ
た本変換器の断面図である。第４図は本変換器に
使用する発振器駆動回路の回路図である。 １０……枠、１１……変換器、１２……突起、
１３……隔膜、１４……繊維状細片、２２……駆
動電極、２３……取り出し電極、２４……保護電
極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 隔膜と同一の物質でできた枠に保持された可
   撓性のある隔膜と、前記隔膜の一方の表面に突き
   出た第１突起部および第２突起部と、前記突起部
   間に張り渡され固定された前記突起部と同一の物
   質でできた複数の繊維状細片と、前記繊維状細片
   を前記隔膜の形状によつて決定される共振周波数
   で夫々振動させる装置とを有し、前記突起部と前
   記繊維状細片とは相互連結部材を持たない前記同
   一の物質により一体で形成され、かつ前記繊維状
   細片とこれに隣接する突起部部分とは実質的に同
   一平面をなし、前記隔膜の運動により前記突起部
   が互いに近接したり離間したりする運動が生じ、
   該突起部の運動が前記繊維状細片の夫々に圧力、
   引張力それ故長さ方向の収縮、伸張を引き起こ
   し、それにより前記繊維状細片の張力および共振
   周波数を夫々低下および上昇させることを特徴と
   した圧力変換器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の変換器であつ
   て、一体で形成された前記突起部と前記繊維状細
   片とがさらに前記隔膜と一体で形成されているこ
   とを特徴とした前記変換器。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の変
   換器であつて、前記の物質がシリコンであること
   を特徴とした前記変換器。 ４ シリコン圧力変換器の製法であつて、シリコ
   ン基板の両面にボロンを選択的にドープする工程
   と、前記基板の第１のボロンドープ面をエツチン
   グしてエツチング溝を形成し、エツチングされな
   い部分が第１および第２の突起部と該突起部間で
   保持される複数の繊維状細片とを形成する工程
   と、前記基板の前記第１のボロンドープ面と反対
   側の第２のボロンドープ面を選択的にエツチング
   して可撓性のあるシリコン隔膜を形成する工程と
   を有し、前記第１および第２の突起部が前記繊維
   状細片と一体で形成されていることを特徴とした
   前記製法。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の製法であつて、
   前記選択的なエツチング工程がカテコール、ジア
   ミン酸エチレンおよび水の混合物で行なわれるこ
   とを特徴とした前記製法。