JP4586425B2 - 振動式トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、微細な真空室内に微細な梁（振動子）を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサに関するものである。

真空室内に微細な振動子を形成し、この振動子に加えられる歪を高精度に測定する振動式トランスデューサの例としては、次のようなものがある。
図２６は、従来より一般に使用されている振動式トランスデューサの一例を示す側面断面図。図２７は、そのＡ−Ａ断面図である。図において、１は半導体単結晶基板、２は半導体基板１の一部を薄く加工して形成され、測定圧Ｐｍを受圧する測定ダイアフラムである。３は測定ダイアフラム２内に埋め込まれるように設けられた歪検出センサであり、ここでは、振動梁（振動子）が使用されている。４は振動子３を測定ダイアフラム２（半導体基板１）内に真空封止するためのシェルである。５はシェル４により形成される真空室である。

振動子３およびシェル４は、エピタキシャル成長やエッチングなどの半導体製造プロセスにより形成され、所望の形状に加工されている。
また、振動子３は、永久磁石（図示せず）による磁場と、この振動子３に接続された閉ループ自励振回路（図示せず）とにより励振され、その固有振動数（共振周波数）で振動するように構成されている。
したがって、測定ダイアフラム２に測定圧Ｐｍが加わると、振動子３の軸力が変化して、共振周波数が変化するので、この共振周波数（発振周波数）の変化を検出することにより、測定圧Ｐｍの大きさを測定することができる。

特開平０５−３３２８５２ 多結晶シリコン共振ビーム変換器およびその製造方法 特開平０７−０３０１２８ 振動式トランスデューサとその製造方法 特表平０７−５０２２７４ 定電界で駆動されるマイクロビームによる共振ゲージ 特開平０９−００８３３０ 力トランスデューサを有する装置およびその製造方法

このように、振動子３の励振に永久磁石を使用すると、振動子３に電流を供給するだけで、振動子３を振動させることができ、誘起される電流を測定するだけで、共振周波数の変化を検出することができる。
しかしながら、永久磁石を必要とすることや、磁石と振動子との位置合わせを精度良く行わなければならないこと等の問題点を有しており、製造コストを上昇させる要因となっている。

また、上記のように構成された振動式トサンスデューサでは、素子の製造工程を簡素化したり、振動子の下部にピエゾ抵抗などの電気素子を形成するために、振動子部分に多結晶シリコンが使用される場合が多いが、多結晶シリコンでは、振動子の残留歪の制御が容易ではなく、共振周波数のばらつきを抑えるためには、特殊な成膜条件を用い、これを厳密に管理する必要がある。

なお、振動子を単結晶シリコンにより形成した場合には、残留歪の制御を容易に行うことができるが、振動子を形成するために、エピタキシャル成長や不純物拡散によって膜の性質を制御して、選択的なエッチングを行うことになるため、振動子下部の犠牲層を酸化膜で構成したり、振動子中や振動子下部にピエゾ抵抗などの電気素子を形成する構造が難しくなってしまう。

振動式トランスデューサでは、振動子の構成材料にかかわらず、振動子の機械的Ｑ値を高くするために、振動子を微細な真空室内に形成する必要があり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ・Ｅｌｅｃｔｒｏ・Ｍｅｃａｎｉｃａｌ・Ｓｉｓｔｅｍｓ）技術により振動式トランスデューサを実現する場合には、その構造には自ずと限界があり、駆動方法や検出方法は、可能な限りシンプルなことが望ましい。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、振動子の駆動および共振周波数変化の検出機構を簡素化することのできる振動式トランスデューサを実現することを目的としたものである。
また、本発明は、振動子を単結晶シリコンにより構成して、振動子の残留歪の制御を容易にすることができるとともに、振動子の駆動および共振周波数変化の検出機構を簡素化することのできる振動式トランスデューサを実現することを目的としたものである。
さらに、本発明は、寄生容量に流れる電流等のノイズ成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の改善された検出出力を得ることのできる振動式トランスデューサを実現することを目的としたものである。

このような目的を達成するために、本発明の振動式トランスデューサは、次に示す構成を有するものである。

（１）半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第１の振動子を有する第１の振動子ユニットと、第２の振動子を有し、この第２の振動子をエッチング処理により形成する際に前記第２の振動子に接する犠牲層の一部が残されることで前記第２の振動子が前記第１の振動子とは異なる共振周波数を持つこと以外は、前記第１の振動子ユニットと同一構成になった第２の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第１および第２の振動子ユニットを前記第１の振動子における共振周波数で励振し、前記第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出することを特徴とする。

（２）半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第１の振動子を有する第１の振動子ユニットと、前記第１の振動子とは異なる長さに形成され前記第１の振動子とは異なる共振周波数を持つ第２の振動子を有すること以外は前記第１の振動子ユニットと同一構成になった第２の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第１および第２の振動子ユニットを前記第１の振動子における共振周波数で励振し、前記第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出することを特徴とする。
（３）半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第１の振動子を有する第１の振動子ユニットと、前記第１の振動子とは異なる共振周波数を持つ第２の振動子を有すること以外は前記第１の振動子ユニットと同一構成になった第２の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第１および第２の振動子ユニットを前記第１の振動子における共振周波数で励振し、前記第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出し、
前記第２の振動子ユニットは前記第１の振動子ユニットと、第２の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置を、前記第１の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置から、振動子の中央部に相当する位置を省略したものとするようにパターニングするプロセス以外は同一のプロセスにより形成されることを特徴とする。
（４）前記半導体基板はシリコン単結晶の基板であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。

（５）前記第２の振動子ユニットにおいて、第２の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第２の振動子の上面に接する犠牲層を残すことを特徴とする（１）に記載の振動式トランスデューサ。
（６）前記第２の振動子ユニットにおいて、第２の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第２の振動子の下面に接する犠牲層を残すことを特徴とする（１）に記載の振動式トランスデューサ。
（７）前記第２の振動子ユニットにおいて、第２の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第２の振動子に上下面に接する犠牲層を残すことを特徴とする（１）に記載の振動式トランスデューサ。

（８）前記第１の振動子ユニットと前記第２の振動子ユニットとを同一の真空室内に形成したことを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
（９）前記第１の振動子ユニットと前記第２の振動子ユニットとを同一基板上に形成したことを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
（１０）前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子とシェルとの間をエッチング処理するに際して、エッチングされる犠牲層として、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を用いたことを特徴とする（１）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。

（１１）前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子および振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板への不純物拡散により形成したことを特徴とする（１）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
（１２）前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板への不純物拡散により形成するとともに、振動子を基板上へのエピタキシャル成長をパターニングして形成したことを特徴とする（１）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
（１３）前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子および振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板へのエピタキシャル成長をパターニングして形成したことを特徴とする（１）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。

このように、本発明の振動式トランスデューサでは、振動子を囲む真空室を形成するに際して、振動子上部の犠牲層としてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を用いているので、非常に狭い隙間をエッチングすることができ、振動子とシェルの間の静電容量を利用して、振動子の駆動および共振周波数変化の検出を行うことができる。
また、同様のプロセスにより、共振周波数の異なる第１および第２の振動子ユニットを形成し、第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出するようにしているので、寄生容量に流れる電流などのノイズ成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の改善された検出出力を得ることができる。

以下、図面を用いて、本発明の振動式トランスデューサを説明する。

図１は、本発明の振動式トランスデューサの一実施例を示す構成図である。図において、（ａ）は第１の振動子３１を有する第１の振動子ユニットＵ１、（ｂ）は第２の振動子３２を有する第２の振動子ユニットＵ２を示す断面図であり、前記図２３、図２４と同様のものは同一符号を付して示す。１６は第２の振動子３２の一部に残された犠牲層である。図に示すように、第１の振動子ユニットＵ１と第２の振動子ユニットＵ２とは同様のプロセスにより形成され、同様の構成を有している。唯一の相違点は、第２の振動子３２の一部に犠牲層１６が残されている点である。

したがって、第１の振動子３１と第２の振動子３２とは、共振周波数は異なるが、シェル４との間の静電容量や周辺の寄生容量は同一となる。
本発明の振動式トランスデューサでは、第１および第２の振動子３１，３２とシェル４との間の静電容量を利用して、第１および第２の振動子３１，３２の駆動および共振周波数変化の検出を行うとともに、第１および第２の振動子ユニットＵ１，Ｕ２において各静電容量に流れる電流の差を検出するように構成しているので、寄生容量に流れる電流などのノイズ成分を除去して、Ｓ／Ｎ比の改善された検出出力を得ることができる。

図２〜図１０は、第１の振動子ユニットＵ１における製造プロセスの概略を示す工程図である。以下、図にしたがって、製造プロセスを説明する。

図２において、Ｎ型シリコン単結晶基板１に、シリコン酸化膜１０ａを形成し、パターニングする。
酸化膜を除去した部分をアンダーカットして凹部を形成し、ボロンの濃度１０^１８ｃｍ^−３のＰ型シリコンにより選択エピタキシャル成長を行って、Ｐ^＋単結晶シリコン１１を成長させる。次に、ボロンの濃度３×１０^１９ｃｍ^−３のＰ型シリコンにより、Ｐ^＋単結晶シリコン１１の表面に、凹部を塞ぎ更に上方にＰ^＋＋単結晶シリコン１２ａを成長させる。後に、Ｐ^＋単結晶シリコン層が振動子下のギャップ、Ｐ^＋＋単結晶シリコン層が振動子となる。

図３において、Ｐ^＋＋単結晶シリコン１２ａ上を含む基板表面に、シリコン酸化膜１０ｂを形成し、パターニングする。酸化膜を除去した凹部Ｄで示す部分が、シェルにおける基板への接地部となる。

図４において、凹部Ｄを含む基板表面にシリコン窒化膜１３を形成し、パターニングする。Ｐ^＋＋単結晶シリコン１２ａ（振動子）上のシリコン酸化膜１０ｂおよびシリコン窒化膜１３が、振動子上のギャップとなる。これらの膜厚、振動子の面積により各部に形成される静電容量の大きさが決まる。したがって、これらの値を制御することにより、振動子の駆動、検出のための静電容量を最適化することができる。

図５において、Ｐ^＋＋ポリシリコン１４を全面に形成し、パターニングにより犠牲層エッチングのためのエッチング液導入穴Ｅを形成する。このＰ^＋＋ポリシリコン１４が、後にシェルおよび電極取り出しのための配線となる。配線は、Ｐ^＋＋／Ｐ^＋単結晶シリコンを利用することや、選択エピタキシャル成長前にシリコン基板への不純物拡散をすることで形成することも可能である。配線とシリコン基板との間の寄生容量が最も小さくなるように選択するのが良い。

図６において、エッチング液の導入穴Ｅから弗酸を流入させ、シリコン窒化膜１３およびシリコン酸化膜１０ｂを除去する。シェルにおける基板への接地部は、シリコン窒化膜１３のエッチング速度が遅いため、横方向では、シリコン窒化膜１３がエッチングストップ層となる。

図７において、Ｐ^＋単結晶シリコン１１を、アルカリ溶液（ヒドラジン、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等）により除去する。この時、Ｐ^＋＋単結晶シリコン１２ａおよびＰ^＋＋ポリシリコン１４は高濃度に不純物導入されているため、エッチングされない。また、アルカリ溶液によるエッチング中に、Ｎ型シリコン基板に１〜２Ｖの電圧を印加しておくことにより、エッチングされないよう保護することができる。振動子の長さ方向は、シリコン単結晶の＜１１１＞方向のエッチング速度が遅いことを利用して、エッチングストップとする。

図８において、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、エピタキシャル成長等により、封止部材１５（例えば、スパッタにより形成したＳｉＯ_２、ガラス等）を形成して、エッチング液の導入穴を塞ぐとともに、微細な真空室５を形成する。

図９において、Ｐ^＋＋ポリシリコン１４をパターニングし、シェルおよびシェルからの電気的配線を形成するとともに、ボンディングパッド用の電極を形成する。
図１０において、シリコン基板１を裏面から薄肉化して、測定ダイアフラム２を形成する。
このようにして、第１の振動子３１およびこの振動子を有する第１の振動子ユニットＵ１が形成される。

次に、第２の振動子３２およびこの振動子を有する第２の振動子ユニットＵ２の製造プロセスについて説明する。
図１１〜図１５は、第２の振動子ユニットＵ２における製造プロセスの概略を示す工程図である。なお、第２の振動子ユニットＵ２における製造プロセスは、基本的に前記した第１の振動子ユニットＵ１における製造プロセスと同様であるので、ここでは、その相違する部分のみについて説明する。

図１１は、前記図５に相当する部分であり、エッチング液の導入穴Ｅの配置例を示す図である。図は、エッチング液導入穴Ｅの配置を上から見たものであり、例えば、振動子の中央部に相当する位置の導入穴が省略されており、この部分の間隔が広くなっている。なお、前記した第１の振動子ユニットＵ１の場合には、エッチング液導入穴Ｅは等間隔に設けられている。

したがって、エッチング時間を制御することにより、図１２に示す如く、犠牲層１６の一部を残すことができる。図１３は、この様子を前記図６に対応させて示したものである。エッチング液導入穴Ｅの間隔が広くなった位置に対応した犠牲層１６の一部が、エッチングされずに残っている。

図１４は、前記図７に相当する工程であり、アルカリ溶液（ヒドラジン、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等）により、振動子下のＰ^＋単結晶シリコン１１を除去する。ここでは、振動子下のＰ^＋単結晶シリコン１１を全て除去している。
図１５は、この様子を前記図７に対応させて示したものである。振動子上の犠牲層１６の一部が残っている。

このように、エッチング液の導入穴Ｅの配置を変え、エッチング時間を制御すると、振動子に接する犠牲層１６の一部を残すことができ、第１の振動子３１とは共振周波数の異なる第２の振動子３２を形成することができる。

図１６は、第１および第２の振動子３１，３２に接続されるように、Ｐ^＋＋ポリシリコン（１４）をパターニングし、電気的配線２０を形成するとともに、電極（ボンディングパッド）２１を形成した状態を示す平面図である。図は、第１および第２の振動子ユニットＵ１，Ｕ２を同一の基板上に形成した場合を例示したものである。
また、図１７は、そのＢ−Ｂ断面図である。

図１８は、振動子の駆動および検出回路の一例を示すもので、一方の振動子に対する回路部分を示したものである。図において、Ｖｂはバイアス電圧（定電圧）、Ｖｉは駆動電圧（交流）、Ｒ１、Ｒ２は配線抵抗、Ｒ３は基板抵抗、ＯＰ１は演算増幅器、Ｒ４は演算抵抗である。このような構成において、Ｃ１は振動子とシェルとの間の容量であり、検出すべき容量である。Ｃ２は寄生容量、Ｃ３、Ｃ４は配線と基板との間の容量である。

容量Ｃ１が一定の場合、Ｖｉの角周波数をωとすると、出力電流の振幅は（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｖｉ・ωに比例する。一方、Ｃ１が角周波数ωで共振する場合、共振によるＣ１の変化分をΔＣ１とすると、近似的にΔＣ１・Ｖｂ・ωに比例した振幅の電流が加算される。この電流の増加分により、共振周波数を検出する。

すなわち、この回路においては、共振周波数の変化に応じたＣ１の変化を、Ｒ４に流れる電流の変化として検出することができる。
しかしながら、このような回路では、Ｃ１が変化しなくてもＣ１に流れる電流、Ｃ２を流れる電流、Ｃ３、Ｃ４を経由して流れる電流を同時に検出しており、これがノイズ電流となっている。

図１９は、本発明の振動式トランスデューサに使用される検出回路の一実施例を示す構成図である。図において、前記図１８と同様のものは、同一符号を付して示す。前記図１８の回路を第１の振動子ユニットＵ１に対する検出回路部分であるとすると、Ｃ１２、Ｃ２２を含む回路は、第２の振動子ユニットＵ２に対する検出回路部分である。すなわち、Ｃ１２が第２の振動子３２とシェル４との間の容量であり、Ｃ２２がその寄生容量である。演算増幅器ＯＰ１は、第１の振動子ユニットＵ１の容量Ｃ１と第２の振動子ユニットＵ２の容量Ｃ２に流れる電流の差を求めるように構成されている。また、Ｖｉの角周波数ωは、第１の振動子３１の共振周波数に選ばれている。

したがって、第１および第２の振動子ユニットＵ１、Ｕ２が全く同形状（Ｃ１＝Ｃ１２、Ｃ２＝Ｃ２２）であれば、Ｃ１が第１の振動子ユニットＵ１に流れるノイズ電流を、第２の振動子ユニットＵ２に流れるノイズ電流で打ち消し、Ｃ１の容量変化に応じて流れる電流Ｉｓのみを、Ｖｏ＝Ｉｓ×Ｒ４として検出することができる。

ここで、前記したように、第２の振動子ユニットＵ２においては、第２の振動子３２に接する犠牲層の一部を残し、共振周波数を変化させているために、Ｃ１とＣ１２およびＣ２とＣ２２は僅かに異なる値となっているが、この差に比べて、Ｃ１、Ｃ１２の値を大きくすれば、この影響を小さくして、充分なノイズ電流の除去効果を得ることができる。

前記第１の実施例においては、第１および第２の振動子３１、３２における共振周波数を異ならせる手段として、第２の振動子３２に接する犠牲層の一部、特に振動子上の犠牲層を残す方法を例示したが、エッチング処理の際に残す犠牲層は、これに限らず、振動子下の犠牲層または振動子の上下の犠牲層であってもよい。

第１および第２の振動子３１、３２における共振周波数を異ならせる手段としては、第１および第２の振動子３１、３２の長さを変える方法も可能である。

第１および第２の振動子３１、３２における共振周波数を異ならせる手段としては、第第２の振動子ユニットＵ２におけるシェル４を真空封止しない方法も可能である。真空封止を行わないことにより、振動子３２の振動抵抗が増し、共振周波数が変化する。

前記第１の実施例においては、図１６に示す如く、第１および第２の振動子ユニットＵ１、Ｕ２を同一基板上に形成した場合を例示したが、さらに、第１および第２の振動子３１、３２を同一の真空室内に形成することもできる。
図２０は、この状態を示す平面図である。図に示すように、第１および第２の振動子３１、３２は共通のシェル４（真空室）の中に形成されている。

図２１は、前記図１１に相当する部分であり、エッチング液の導入穴Ｅ１〜Ｅ３の配置例を示す図である。第２の振動子３２側のエッチング液導入穴Ｅ３において、振動子の中央部に相当する位置の導入穴が省略されており、この部分の間隔が広くなっている。
このため、エッチング時間を制御することにより、第２の振動子３２側の犠牲層１６の一部のみを残すことができる。

図２２は、前記図１５に対応させて示したＡ−Ａ断面図である。図に示されるように、同一の真空室５内に第１および第２の振動子３１、３２が設けられ、第２の振動子３２に接する犠牲層１６の一部が残されている。

このように、同一の真空室内に第１および第２の振動子３１、３２を形成するようにすると、振動子を形成するプロセスにおいて、振動子下部における犠牲層のエッチングを歩留まり良く行うことができる。

なお、第１および第２の振動子３１、３２を同一の真空室内に形成した場合においても、振動子の共振周波数を異ならせる手段として、振動子の長さを変える方法を利用することもできる。

また、前記第１の実施例においては、第１および第２の振動子ユニットＵ１、Ｕ２を同一基板上に形成した場合を例示したが、第１および第２の振動子ユニットＵ１、Ｕ２は、同一のプロセスにより形成されるものであれば、必ずしも同一基板上に形成される必要はない。

図２３は、本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図である。図に示す例は、Ｎ型シリコン単結晶基板１の一部に振動子となる単結晶シリコン層を形成する工程において、まず、振動子下の犠牲層となるＰ^＋拡散層１１ａを形成し、次いで、振動子となるＰ^＋＋拡散層１２ｂを形成するようにしたものである。

図２４は、本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図である。図に示す例は、Ｎ型シリコン単結晶基板１の一部に振動子となる単結晶シリコン層を形成する工程において、まず、振動子下の犠牲層となるＰ^＋エピタキシャル層１１ｂを成長させ、次いで、振動子となるＰ^＋＋エピタキシャル層１２ｃを成長させるようにしたものである。Ｐ^＋エピタキシャル層１１ｂおよびＰ^＋＋エピタキシャル層１２ｃは順次パターニングされ、所望の形状に形成される。

図２５は、本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図である。図に示す例は、Ｎ型シリコン単結晶基板１の一部に振動子となる単結晶シリコン層を形成する工程において、まず、振動子下の犠牲層となるＰ^＋拡散層１１ａを形成し、次いで、振動子となるＰ^＋＋エピタキシャル層１２ｄを成長させるようにしたものである。Ｐ^＋＋エピタキシャル層１２ｄはパターニングされ、所望の形状に形成される。

なお、上記の説明においては、基板および振動子の材料として単結晶シリコンを使用した場合を例示したが、基板および振動子の材料はこれに限られるものではなく、他の半導体材料を使用することも可能である。

本発明の振動式トランスデューサの一実施例を示す構成図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの製造工程図。 本発明の振動式トランスデューサの一実施例を示す平面図。 図１６のＢ−Ｂ断面図。 振動子の駆動および検出回路の一例を示す構成図。 本発明の振動式トランスデューサに使用される検出回路の一実施例を示す構成図。 本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す平面図。 図１１に相当する製造工程図。 図１５に相当するＡ−Ａ断面図。 本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図。 本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図。 本発明の振動式トランスデューサの他の実施例を示す構成図。 従来より一般に使用されている振動式トランスデューサの一例を示す側面断面図。 図２６のＡ−Ａ断面図。

符号の説明

１ 基板
２ 測定ダイアフラム
３ 振動子
４ シェル
５ 真空室
１０ シリコン酸化膜
１１ Ｐ＋単結晶シリコン
１２ Ｐ＋＋単結晶シリコン
１３ シリコン窒化膜
１４ Ｐ＋＋ポリシリコン
１５ 封止部材
１６ 犠牲層
２０ 配線
２１ ボンディングパッド

Claims (13)

1. 半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第１の振動子を有する第１の振動子ユニットと、第２の振動子を有し、この第２の振動子をエッチング処理により形成する際に前記第２の振動子に接する犠牲層の一部が残されることで前記第２の振動子が前記第１の振動子とは異なる共振周波数を持つこと以外は、前記第１の振動子ユニットと同一構成になった第２の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第１および第２の振動子ユニットを前記第１の振動子における共振周波数で励振し、前記第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出することを特徴とする振動式トランスデューサ。
2. 半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第１の振動子を有する第１の振動子ユニットと、前記第１の振動子とは異なる長さに形成され前記第１の振動子とは異なる共振周波数を持つ第２の振動子を有すること以外は前記第１の振動子ユニットと同一構成になった第２の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第１および第２の振動子ユニットを前記第１の振動子における共振周波数で励振し、前記第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出することを特徴とする振動式トランスデューサ。
3. 半導体基板内に振動子を形成するとともに、この振動子をシェルにより形成される真空室内に配置し、振動子に加わる歪の大きさをこの振動子の共振周波数の変化として検出するようにした振動式トランスデューサにおいて、前記シェルの内部に形成された第１の振動子を有する第１の振動子ユニットと、前記第１の振動子とは異なる共振周波数を持つ第２の振動子を有すること以外は前記第１の振動子ユニットと同一構成になった第２の振動子ユニットとを具備し、歪による共振周波数の変化を前記振動子とシェルとの間の静電容量の変化として検出するとともに、前記第１および第２の振動子ユニットを前記第１の振動子における共振周波数で励振し、前記第１および第２の振動子ユニットにおいて各静電容量に流れる電流の差を検出し、
   前記第２の振動子ユニットは前記第１の振動子ユニットと、第２の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置を、前記第１の振動子を形成するためのエッチング液導入穴の配置から、振動子の中央部に相当する位置を省略したものとするようにパターニングするプロセス以外は同一のプロセスにより形成されることを特徴とする振動式トランスデューサ。
4. 前記半導体基板はシリコン単結晶の基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
5. 前記第２の振動子ユニットにおいて、第２の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第２の振動子の上面に接する犠牲層を残すことを特徴とする請求項１に記載の振動式トランスデューサ。
6. 前記第２の振動子ユニットにおいて、第２の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第２の振動子の下面に接する犠牲層を残すことを特徴とする請求項１に記載の振動式トランスデューサ。
7. 前記第２の振動子ユニットにおいて、第２の振動子をエッチング処理により形成する際に、前記第２の振動子に上下面に接する犠牲層を残すことを特徴とする請求項１に記載の振動式トランスデューサ。
8. 前記第１の振動子ユニットと前記第２の振動子ユニットとを同一の真空室内に形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
9. 前記第１の振動子ユニットと前記第２の振動子ユニットとを同一基板上に形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
10. 前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子とシェルとの間をエッチング処理するに際して、エッチングされる犠牲層として、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を用いたことを特徴とする請求項１、４、５、６、７、８、９のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
11. 前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子および振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板への不純物拡散により形成したことを特徴とする請求項１、４、５、６、７、８、９、１０のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
12. 前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板への不純物拡散により形成するとともに、振動子を基板上へのエピタキシャル成長をパターニングして形成したことを特徴とする請求項１、４、５、６、７、８、９、１０のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。
13. 前記第１および第２の振動子ユニットにおいて、振動子および振動子下部の犠牲層を前記シリコン単結晶の基板へのエピタキシャル成長をパターニングして形成したことを特徴とする１、４、５、６、７、８、９、１０のいずれかに記載の振動式トランスデューサ。

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