JP2005140614A - 振動式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｓ／Ｎ比が向上された振動式圧力センを実現する。
【解決手段】 測定圧が加えられる測定ダイアフラムと、この測定ダイアフラムに設けられた振動梁と を具備する振動式圧力センサにおいて、
前記測定ダイアフラムに設けられたＩ形状の絶縁材よりなる振動梁本体と、この振動梁本体の一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、この振動梁本体の他側面側に設けられ導電体よりなる検出振動梁部とを具備したことを特徴とする振動式圧力センサである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｓ／Ｎ比が向上された振動式圧力センサに関するものである。

振動式圧力センサに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
特開平４−１１６７４８号（第４−５頁、図４、図６、図７）

図１０は、従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図で、例えぱ実開平４−１１６７４８号、考案の名称「振動形圧カ測定装置」に示されている。
図１１は図１０の要部拡大説明図詳細図、図１２は図１１の要部拡大説明図、図１３は図１０の動作説明図、図１４は図１０の動作説明図である。
振動形センサを圧カ測定装置に使用した例である。

図において、１は半導体単結晶からなるセンサチツプである。
２は、センサチップ１に設けられた凹部３により形成され測定圧Ｐｍを受圧する測定ダイアフラムである。

４は測定ダイアフラム２に埋込み設けられた歪み検出センサで、振動子が使用されている。
５は封止用の半導体エピタキシャル成長層からなるシェルで、振動子４を測定ダイアフラム２に封止する。

６は、振動子４の周囲の、振動子４と、測定ダイアフラム２およびシェル５との間に設けられた真空室である。

振動子４は、図１３、図１４に示す如く、永久磁石７による磁場と、振動子４に接続された閉ループ自励発振回路とにより、振動子４の固有振動で発振するように構成されている。
永久磁石７は、ヨーク８，ヨークホルダ９，スペーサ１１を介して、振動子４に対向して配置されている。
なお、図１４においては、振動子４はＨ形状が採用されている。

２１は、底部２２側にヨークホルダ９がすきま嵌めされ、振動子４の方向に底部２２が、ヨークホルダ９をスペーサ１１に押圧し、開口部２３側に支持体１２がすきま嵌めされ、開口縁部２４において支持体１２に溶接２５固定される弾性を有する断面Ｕ字形状のキャツプ体である。

キャップ体２１は、ヨークホルダ９と支持体１２に対して熱膨脹係数が近い材料からなり、振動子４と磁石７との相対位置を精度よく設定する。
２６は底部２２の中央部に設けられた孔である。

以上の構成において、測定ダイアフラム２に測定圧力Ｐｍが加わると、振動子４の軸カが変化し、固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測定圧カＰｍの測定が出来る。
この場合、振動子４の励振側に駆動電流ｉ０を流してＨ型の振動子４を励振させ、検出側に発生する誘導起電力ｅoutにより共振周波数を検出する。
ここで、図１４に示す如く、Ｒ１は振動子４の抵抗、Ｒ２はシェル５の抵抗である。

しかしながら、このような装置においては、
（１）振動子形状、磁束密度などの制限により、出力電圧ｅoutが小さい。
（２）振動子とシェル部が電気的に絶縁されていないため、駆動電流ｉ０がシェル側に漏れる。
（３）振動子の励振側と検出側が電気的に絶縁されていないため、駆動電流ｉ０が検出側にもれ、クロストークレベルを増大させる。

上記（１）〜（３）により、振動子４の出力電圧のＳ／Ｎ比が悪化する。
また、Ｈ型の構造に特有の高調波共振モードによるモードクロスにより、差圧・圧力センサとして設計上の制約（差圧感度が大きく取れない、正常動作条件：静圧が大きく取れない）問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、Ｓ／Ｎ比に優れ、使用上の制限をなくした高感度かつダイナミックレンジの大きな振動式センサを提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の振動式圧力センサにおいては、
測定圧が加えられる測定ダイアフラムと、この測定ダイアフラムに設けられた振動梁と を具備する振動式圧力センサにおいて、
前記測定ダイアフラムに設けられたＩ形状の絶縁材よりなる振動梁本体と、この振動梁本体の一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、この振動梁本体の他側面側に設けられ導電体よりなる検出振動梁部とを具備したことを特徴とする。

本発明の請求項２においては、請求項１記載の振動式圧力センサにおいて、
前記振動梁本体は,シリコン材よりなることを特徴とする。

本発明の請求項３においては、請求項１又は請求項２記載の振動式圧力センサにおいて、
前記駆動振動梁部は、前記振動梁本体にボロンあるいはリンを注入して形成されたことを特徴とする。

本発明の請求項４においては、請求項１又は請求項２記載の振動式圧力センサにおいて、
前記検出振動梁部は、前記振動梁本体にボロンあるいはリンを注入して形成されたことを特徴とする。

本発明の請求項５においては、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の振動式圧力センサにおいて、
前記振動梁本体は、前記測定ダイアフラムに絶縁膜を介して設けられたことを特徴とする。

本発明の請求項６においては、請求項５記載の振動式圧力センサにおいて、
前記絶縁膜は、酸化シリコン膜であることを特徴とする。

本発明の請求項１から請求項４によれば、次のような効果がある。
（１）励振側と検出側が電気的に絶縁されているため、クロストークレベルが下がる振動式圧力センサが得られる。
（２）Ｉ型の単純構造を採用することにより、Ｈ型の設計上の制限であった高調波共振によるモードクロスがおこらない振動式圧力センサが得られる。
上記の理由により、Ｓ／Ｎ比が優れた振動式センサが得られる。

本発明の請求項５,請求項６によれば、次のような効果がある。
振動子とシェルが絶縁膜により絶縁されているため、駆動電流がシェルにもれない振動式圧力センサが得られる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２から図９は、図１の製作説明図である。
図において、振動梁本体３１は、測定ダイアフラム２に絶縁膜３２（図示せず）を介して設けられたＩ形状の絶縁材よりなる。

駆動振動梁部３３は、この振動梁本体３１の一側面側に設けられ導電体よりなる。
検出振動梁部３４は、この振動梁本体３１の他側面側に設けられ導電体よりなる。
この場合は、振動梁本体３１は,シリコン材よりなること
この場合は、駆動振動梁部３３は、振動梁本体３１にボロンあるいはリンを注入して形成されている。

この場合は、検出振動梁部３４は、振動梁本体３１にボロンあるいはリンを注入して形成されている。
４１はリード部で,４箇所設けられている。
４２はリード部に接続された電極である。

そして、（１）I型振動子の駆動振動梁部３３と検出振動梁部３４はＰＮ接合部により電気的に絶縁されているので、駆動電流ｉ0が検出側にもれ、クロストークレベルを増大させる恐れがない振動式センサが得られる。
（２）構造がＩ型で単純化でき,安価な振動式センサが得られる。
（３）振動子とシェルの間に絶縁膜 (SiO2)をはさむことによりシェルに流れてしまう駆動電流を大幅に減少させることができる。

以上の構成において、測定ダイアフラム２に測定圧力Ｐｍが加わると、振動梁３３，３４の軸カが変化し、固有振動数が変化するため、発振周波数の変化により測定圧カＰｍの測定が出来る。
この場合、振動３３の励振側に駆動電流ｉ0を流して振動梁３４を励振させ、検出側に発生する誘導起電力ｅoutppにより共振周波数を検出する。

このような振動子は図２から図９に示す如くして製作する。
図２に示す如く、ＳＯＩ基板を使用する。
図３に示す如く、ＳＯＩ層１０１の駆動振動梁部３３と検出振動梁部３４とリード部４１の相当部分に、ボロンあるいはリンを注入する。

図４に示す如く、ＳＯＩ層１０１をドライエッチングして、振動子部分を形成する。
図５に示す如く、ＣＶＤ法（化学気相成長法）により酸化シリコン層１０２と、駆動振動梁部３３と検出振動梁部３４とリード部４１の相当部分に酸化シリコン層１０４を形成する。

図６に示す如く、ＣＶＤ法（化学気相成長法）により酸化シリコン層１０4上にポリシリコン層１０５を形成する。
図７に示す如く、ポリシリコン層１０５に、酸化シリコン層１０２，１０４エッチング用の細穴１０６をドライエッチングにより空ける。

同時に、電極１４形成部分のポリシリコン層１０５もエッチングする。
図８に示す如く、細穴１０６を介して酸化シリコン層１０２，１０４をウエットエッチングする。
図９に示す如く、ポリシリコン層１０５にポリシリコン層１０６を積層して、封止する。

なお、前述の実施例においては、振動式センサを形成するウェハーはＳＯＩよりなると説明したが、これに限ることはなく、たとえば、ＳＩＯＸであっても良い。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

この結果、
本発明によれば、次のような効果がある。
（１）励振側３３と検出側３４が電気的に絶縁されているため、クロストークレベルが下がる振動式圧力センサが得られる。

（２）Ｉ型３１の単純構造を採用することにより、Ｈ型の設計上の制限であった高調波共振によるモードクロスがおこらない振動式圧力センサが得られる。
（３）振動子とシェルが絶縁膜３２により絶縁されているため、駆動電流がシェルにもれない振動式圧力センサが得られる
上記（１）〜（３）の理由により、Ｓ／Ｎ比が優れた振動式センサが得られる。

本発明の一実施例の要部構成説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 図１の製作説明図である。 従来の振動式圧力センサの一例を示す要部構成説明図である。 図１０の要部拡大説明図である。 図１１の要部拡大説明図である。 図１０の動作説明図である。 図１０の動作説明図である。 図１０の動作説明図である。

符号の説明

１ センサチップ
２ 測定ダイアフラム
３ 凹部
４ 歪み検出センサ
５ シェル
６ 真空室
７ 永久磁石
８ ヨーク
９ ヨークホルダ
１１ スペーサ
２１ キャツプ体
２２ 底部
２３ 開口部
２４ 開口縁部
２５ 溶接
２６ 孔
３１ 振動梁本体
３２ 絶縁膜
３３ 駆動振動梁部
３４ 検出振動梁部
４１ リード部
４２ 電極
ｅout 誘導起電力
ｉ０ 駆動電流
Ｒ１ 振動子の抵抗
Ｒ２ シェルの抵抗

Claims (6)

1. 測定圧が加えられる測定ダイアフラムと、この測定ダイアフラムに設けられた振動梁とを具備する振動式圧力センサにおいて、
   前記測定ダイアフラムに設けられたＩ形状の絶縁材よりなる振動梁本体と、
   この振動梁本体の一側面側に設けられ導電体よりなる駆動振動梁部と、
   この振動梁本体の他側面側に設けられ導電体よりなる検出振動梁部と
   を具備したことを特徴とする振動式圧力センサ。
2. 前記振動梁本体は,シリコン材よりなること
   を特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。
3. 前記駆動振動梁部は、前記振動梁本体にボロンあるいはリンを注入して形成されたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の振動式圧力センサ。
4. 前記検出振動梁部は、前記振動梁本体にボロンあるいはリンを注入して形成されたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の振動式圧力センサ。
5. 前記振動梁本体は、前記測定ダイアフラムに絶縁膜を介して設けられたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の振動式圧力センサ。
6. 前記絶縁膜は、酸化シリコン膜であること
   を特徴とする請求項５記載の振動式圧力センサ。
   
   
   

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