JPH01127931A - 振動形差圧センサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、半導体の振１ＪＩＪ梁の差圧に対応した歪み
を周波数信号として検出する振動形差圧センサに係り、
特に静圧特性を改善した振動形差圧センサに関する。

〈従来の技術〉 シリコンの受圧ダイアフラムの上に形成されて両端が固
定され励振手段で励振された振動梁の共振周波数の変化
から圧力或いは差圧を検出する形式のこの発明の改良の
ベースとなる公知の振動膨圧カセンサは、例えば特願昭
５９−４２６３２号［圧力センサ］に開示されている。

この提案では圧力センサとして説明しであるが差圧セン
リとしても用いることができるので、以下の説明では差
圧センサとして説明する。

この振動形差圧センサについて、第６図と第７図を用い
てその概要を説明する。

第６図はこの従来の振動形差圧センサのカバーをとった
構成を示す斜視図、第７図は第６図におけるＸ−Ｘ断面
におけるカバーをつけた断面図である。

これ等の図において、１は円筒状のシリコン基板であり
、２はこのシリコン基板１の中央を掘って薄肉部を形成
して上面から圧力Ｓｐを下面がら圧力＜Ｓｐ＋ΔＰ）を
受ける受圧部とした受圧ダイアプラムであり、例えばシ
リコン基板１をエツチングして作られる。ここで、ΔＰ
は測定しようとする差圧である。

３は受圧ダイアフラム２の上に形成され、両端がシリコ
ン基板１に固定された振動梁であり、振１１ｉ１Ｊ梁３
は受圧ダイアフラム２のほぼ中央部に設けられている。

この振動梁３は、具体的には例えばｎ形シリコン基板１
の上に第１のＰ十形エピタキシャル層を形成し、その中
央部を切込んで電気的に左右を分離し、この上にｎ形エ
ピタキシャル層を形成した後、さらにＰ十形エピタキシ
ャル層を形成してこの上を酸化膜５ｔ０２で保護する。

そして振動梁３の下部の空洞部５はこのｎ形エピタキシ
ャル層をアンダーエツチングで形成する。

このようにして形成された振動梁３は、例えば長さを！
、厚さを１１幅をｄとすれば、ｌ＝１００ｕｍ、ｈ＝１
．ｃｚｍ、ｄ＝５μｍの程度の大きさである。

受圧ダイアフラム２の上に形成された振動梁３の周囲は
、例えばシリコンのカバー６を受圧ダイアフラム２に陽
極接合などで接合して覆い、この内部空間７を真空状態
に保持する。

この振動梁３、カバー６、空洞部５、内部空間７などで
振動形差圧センサの検出部りを形成している。

以上の構成において、第２のＰ十形エピタキシャル層で
ある振動梁３に対して第１の左右のＰ＋形エピタキシャ
ル層の間に発振回路を接続して発振を起こさせると、振
＃Ｊ梁３はその固有振動数で自励発振を起こす。

この場合、カバー６の内部空間７が真空状態にされ振動
＠３が真空の中に保持されるので、共振の鋭さを示すＱ
値が太き（なり、共成周波数の検出が容易となる。

第７図に示すように圧力Ｓｐと圧力（Ｓｐ＋ΔＰ）の差
圧ΔＰが受圧ダイアフラム２に印加されると振動梁３は
引張応力を受ける。

この引張応力により振動梁３の固有振動数が変化して差
圧ΔＰを知ることができる。

しかしながら、この様な従来の振動形差圧センサでは、
薄肉の受圧ダイアフラム２の上に形成された振動梁３の
上部に別に作られたシリコンのカバー６を陽極接合など
で接合し、カバー６と受圧ダイアフラム２とで形成され
た内部の空間を真空に引かなければならないので、＠動
形差圧センサの圧力特性或いは温度特性が悪くなり精度
低下の原因をなすという問題がある。

そこで、本出願人はこの問題を解決するために、昭和６
２年７月２日に特願昭６２−１６６１７５号「発明の名
称二振動形トランスデユー号の製造方法」を提出してい
る。以下、この提案のＩ’！　要について説明する。

第８図はこの提案による振動形差圧センサの要部である
検出部の製造工程を示す工程図である。

これは第７図にお（）る検出部りに対応する振動梁の軸
方向の断面で示した検出部Ｄ′の工程を示している。

第８図（イ）、は検出部Ｄ′を作るためのベースとなる
ｎ形のシリコン基板８を示す。

次に、このシリコン基板８を熱酸化してその表面に酸化
膜（ＳＬ０２　）９を形成する（第８図（ロ））。

さらに、第８図（ハ）の工程でこの酸化膜９の中央部を
紙面に垂直方向にフォトエツチングして、溝１０を形成
する。

第８図（ニ）の工程では、１０５０’Ｃの温度で水素ガ
スＨ２に塩酸ＨＣ１を混合した雰囲気でエツチングをす
ることによりシリコン基板８に溝１０を介して溝１１を
形成する。

次に、第８図（ホ）に示すように、溝１１の中に１０５
０００の温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１０”ｃｍ−
’の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシャルして第
１エビ層１２を形成する。

この後、第８図（へ）に示すように、第１エビ層１２の
上に１０５０’Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で１
Ｑ”ａｍ−’の濃度のホウ素（Ｐ形）を選択エピタキシ
ャルして振動梁１３となる第２エビ層１４を形成する。

振動梁１３は差圧ΔＰがゼロの状態でも初期張力を与え
ておかないと差圧ΔＰの印加により座屈を起こして測定
できない状態となる。また、シリコンの共有結合半径は
１．１７人であり、ホウ素のそれは０．８８人であるの
で、ホウ素が部分的にシリコンの中に注入されるとその
部分は引張歪みを受ける そこで、この現象を利用して例えば第２エピ庖１４のホ
ウ素の濃度を調整することによりここに初期張力を与え
るか、或いはｎ形のシリコン基板８の中のリン（共有結
合半径は１．１０人）濃度を調整してシリコン基板８と
第２エビ暦１４との相対歪みを考慮して初期張力を与え
るようにする。

次に、第８図（ト）に示すように、第２エビ層１４の上
に１０５００Ｃの温度で水素ガスＨ２の雰囲気中で、１
Ｑ”ｃｍ−’の濃度のホウ素（ｐ形）を選択エピタキシ
ャルして第３エビ層１５を形成する。

更に、第８図〈チ）に示すように、第３エビ層１５の上
に１０５００Ｇの濡洩で水素ガス１」２の雰囲気中で、
１０１７ｃｍ″″３のＣ度のリン〈ｎ形）を選択エピタ
キシャルして第４エビ層１６を形成する。

第８図（す）は、第８図（チ）に示す選択エピタキシャ
ルの工程の後に５１０２の酸化膜９を弗化水素ＨＦでエ
ツチングして除去（工程は図示せず）した状態において
、第１エビ層１２と第３エビ層１５を除去するエツチン
グ工程を示している。

このエツチング工程では、図示していないが、アルカリ
の液中に全体が浸梢されており、ｎ形のシリコン基板８
と第４エビ層１６がｐ形の第２エビ層１４に対してプラ
スの電位となるように直流パルス電源１７からピーク値
が５Ｖで繰返し周期が０．０４８Ｚ程度の正のパルス電
圧が印加されている。この電圧印加によりｎ形のシリコ
ン基板８と第４エビ層１６はその表面に不溶性膜が形成
されて不働態化される結束そのエツチング速度が第１エ
ピ否１２と第３エビ層１５に対して大幅に遅くなるので
、これを利用して第１エビ層１２と第３エビ層１５を除
去する。さらに、第２エビ層１４はドープされたホウ素
の濃度が４×１０１ｇより大きいときにはエツチング速
度がドープされないシリコンの場合の通常の速度から大
幅に遅れる現象を利用して、第２エビ層１４を残して全
体として第８図（ヌ）に示すように一部に開口部１８を
もち、さらにシリコン基板８と第２エビ層１４との間に
間隙を持つように形成される。

第８図（ル）は、熱酸化の工程を示す。この工程では、
シリコン基板８、第２エビ層１４、および第４エビ層１
６の内外の全表面にそれぞれ酸化膜（ＳｉＣ２）８ａ、
１４ａ、および１６ａ！形成させる。

第８図〈オ）はプラズマエツチングの工程を示す。この
工程では、第８図（ル）の工程でシリコン基板８、第２
エビｌｌ！１１４、および第４エビ層１６の内外の全表
面にそれぞれ形成された酸化膜８ａ、１４ａ、および１
６ａのうち、シリコン基板８と第４エビ層１６の外面の
部分に形成された酸化膜をプラズマエツチングにより除
去し、次の工程での選択エピタキシャル成長の準備をす
る。

第８図（ワ）の工程では、全体を１０５００Ｃの温度で
水素Ｈ２の雰囲気中でシリコン基板８と第４エビ層１６
の外面の部分にｎ形の選択エピタキシャル成長をさせる
。この選択エピタキシャル成長により、シリコン基板８
と第４エビ層１６との間に形成された開口部１８が埋め
られてシェル２ｏが形成され内部に棒状の第４エビ層で
形成された振動梁１３をもつ振動形差圧センサの検出部
が形成される。

この第８図（ワ）の工程では水素Ｈ２の゛谷間気中で選
択エピタキシャル成長をさせたので、シリコンの単結晶
で出来たシリコン基板８とシェル２０との間に形成され
た中空室２１の中には水素Ｈ２が封入されている。

そこで、第８図（力）に示すように９０００Ｃで真空と
した雰囲気の中にこの検出部を持つ振動形差圧センサを
入れて、シリコンの結晶格子の間を通してこの水素Ｈ２
を脱気して真空とする。このようにして得られた真空麿
は１Ｘ１０−３Ｔ。

ｒｒ・以下となる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 以上のようにして、先願に係る＃ｉ動形差圧センサは振
動梁と共にカバーもシリコン基板と一体に￥Ｊ造するこ
とができ、従来の公知の振動形差圧センサの欠点を除去
することができるが、なお次に説明する欠点を持つ。

このような振動形差圧センサを用いて、例えば５００　
Ｋ　ＣＪ　ｆ　／　ｃ　ｍ　’にも及ぶ高い静圧Ｓｐの
基で例えば（１０ｍｍ８２０〜１０ＫＯｆ／ｃｍ’　）
のような微小な差圧ΔＰを測定する場合には、振動形差
圧センサの受圧ダイアフラムの一方の而には静圧ＳＰが
他方の面には静圧（Ｓｐ＋ΔＰ）が印加されるので、こ
の静圧ＳＰにより基板、受圧ダイアフラム、振！ＦＪＪ
梁がε５＝ｓｐｊ’／Ｅｓだけ収縮する。但し、Ｅｓは
体積圧縮率、ｌは振動梁の長さである。

従って、振動梁にはεＳだけの圧縮歪が加わり、このた
め振！ＩＪＩ梁の共振周波数が変化して静圧誤差を生じ
るという問題が生じる。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、周囲に固
定部を持ちその内側に差圧によって変形する受圧ダイア
プラムを持つ半導体の基板と、この基板に形成され差圧
によって受圧ダイアフラムの表面付近に生じる歪みを測
定する少なくとも１個以上の振動梁と、基板に一体に形
成され振ａ梁の周囲を真空状態に保持するシェルと、固
定部と接合され差圧を成す一方の圧力を導入する導圧孔
を持つ半導体の基台と、固定部あるいはこの固定部に対
向する基台に設けられた補償室を有するようにしたもの
である。

く作　用〉 基板の固定部あるいはこの固定部に対向する基台に空間
を持つ補償室を形成することにより、これ等の周囲から
印加される静圧によりこの補償室を凹ませて基板に形成
された振動梁に引張応力を生じさせ、静圧による圧縮歪
を打ち）肖す。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する
。第１図は本発明のシェルを除いた１実施例を示す射視
図、第２図はシェルを付したその×−Ｘ断面の構成を示
す断面図である。

これ等の図において、２２は円筒状のシリコンの基板で
あり、２３はこの基板２２の中央を掘って薄肉部を形成
して静圧Ｓｐ　Ｎ　　＜Ｓｐ＋ΔＰ）を受ける受圧部と
しだ受圧ダイアフラムであり、例えばシリコンをエツチ
ングして作られ、その周囲は円環状に厚肉の固定部２４
とされている。

２５は差圧による歪みを検出する振ｅ梁、２６は内部を
例えば真空に保持するシェルであり、これ等は第８図で
説明した製造方法で作られる。

固定部２４の円環状の底面には円環状の凹部である補償
室２７が例えばエツチングなどにより形成されている。

補償室２７を除く固定部２４の底面は中央に圧力（Ｓｐ
＋ΔＰ）を導入する導圧孔２８を持つ円板状のシリコン
の基台２９が例えば陽極接合などにより接合されている
。この接合に当たって、真空状態で接合すれば補償室２
７の内部は真空となり、大気圧下で接合させれば補償室
２７の内部は大気圧となる。

次に、以上のように構成された第１図、第２図に示す実
施例の動作について第３図に示す動作説明図を用いて説
明する。

差圧ΔＰが加わったときの動作は従来と全く同じである
ので、以下の説明では静圧ＳＰが加わったときの動作に
ついて説明する。

基板２２と基台２９の外周および受圧ダイアフラム２３
の表裏に静圧ＳＰが加わっても補償室２７は封止されて
いるので静圧Ｓｐは加わらない。

このため、補償室２７の上部の固定部２４の上面は静圧
Ｓｐによって凹み、ΔＸなる変形をする。

この変形Δχにより受圧ダイアフラム２３は凸状に変形
し、受圧ダイアフラム２３の表面近傍に設けられた振動
梁２５には引張歪εＰを生じる。

一方、振動梁２５には静圧Ｓｐによりε５＝Ｓｐｌ／Ｅ
ｓなる圧縮歪が生じている。

従って、εＰ＝εＳとなるように、補償室２７の大きさ
を選定することにより静圧誤差を小さく抑えることがで
きる。

第４図は本発明の第２の実施例の構成を示す縦断面図で
ある。

この実施例は、基台に受圧ダイアフラム用と補償室用の
凹部を設けたものである。

円板状の基板３０はその中央部に振ａｌｌ梁２５とシェ
ル２６が第２図と同様にして形成されている。

基板３０の中央部は受圧ダイアフラム３１、その周囲は
固定部３２として機能する。

基板３０の固定部３２はシリコンの基台３３に接合され
、この基台３３の固定部３２に対向する面には円環状に
四部が作られ補償室３４が形成されている。また、基台
３３の中央には導圧孔３５が貫通されその上面近傍には
受圧ダイアフラム３１と対向離間して凹部３６が形成さ
れている。

以上の構成でも第１図に示す実施例と同様な動作をする
。

第５図は受圧ダイアフラム近傍の基板中に補償室を形成
した第３の実施例を示す。

円板状の基板３７はその中央部に振ａ＠２５とシェル２
６が第２図と同様にして形成されているが、この基板３
７に形成された受圧ダイアフラム２３の近傍で固定部３
８側の基板３７の内部に選択エツチング、エピタキシャ
ル成長などによる封止によって、補償室３９を設けてい
る。

この構成でも第１図に示す実施例と同様な動作をする。

なお、バラツキのためにこれ等の補償室２７．３４．３
９による静圧補償では補償の程度が不十分な場合には、
第１図および第２図における固定部２４．３２．３９の
上面或いは内部に例えば拡散などにより歪みゲージを形
成したり、或いは振動梁２５と同じような振動梁を別に
設けてこれを静圧センサとして用い、その出力で補償室
での静圧補償のバラツキ分を電気回路で補償するように
すると、より完全な静圧補償を達成できる。また、この
静圧センサは基台２９．３３側に設けても良い。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば振動梁の近傍に補償室を設けることによって静圧に
対して引張歪を生じさせるようにして静圧による圧縮歪
みを補償するようにしたので、静圧誤差を小さくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシェルを除いた本発明の１実施例の構成を示す
射視図、第２図は第１図のＸ−Ｘ断面を示す断面図、第
３図は第１図と第２図に示す実施例の動作を説明する動
作説明図、第４図は本発明の第２の実施例の構成を示す
断面図、第５図は本発明の第３の実施例の構成を示す断
面図、第６図はシェルを除いた公知の従来の振動形差圧
センサの構成を示す射視図、第７図は第６図のＸ−Ｘ断
面を示す断面図、第８図は先願の従来の振動形差圧セン
）１を製造する工程を説明する工程図である。 １・・・シリコン基板、２・・・受圧ダイアフラム、３
・・・振動梁、５・・・空洞部、６・・・カバー、７・
・・内部空間、８・・・シリコン基板、１２・・・第１
エビ層、１３・・・振ａ梁、１４・・・第２エビ層、１
５・・・第３エビ層、１６・・・第４エビ層、１８・・
・開口部、２０・・・シェル、２１・・・中空室、２２
．３０・・・基板、２３・・・受圧ダイアフラム、２４
．３８・・・固定部、２５・・・振動梁、２６・・・シ
ェル、２７．３４．３９・・・補償室、２９．３３・・
・基台、 第　４Ｉ２１ 第５図 第６図 第７図 検出部ｏ　　　　Ｓｐ士Δｐ ゝ−Ｉ　　　　　　　　　ゝ−′　　　　　　　　　〜
Ｉ　　　　　　　　　　−一ノ　　　　　　　　　　・
Ｎ−・（ヌ）　エツチング結束 （力）　　Ｈ２ガスの脱気 ８図 ７Ｍ−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周囲に固定部を持ちその内側に差圧によって変形する受
   圧ダイアフラムを持つ半導体の基板と、この基板に形成
   され前記差圧によって前記受圧ダイアフラムの表面付近
   に生じる歪みを測定する少なくとも１個以上の振動梁と
   、前記基板に一体に形成され前記振動梁の周囲を覆うシ
   ェルと、前記固定部と接合され前記差圧を成す一方の圧
   力を導入する導圧孔を持つ半導体の基台と、前記固定部
   あるいはこの固定部に対向する前記基台に設けられた補
   償室を有することを特徴とする振動形差圧センサ。