JPH02232538A - Vibration type semiconductor transducer - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To enable detection of an external force by vibrating a vibration beam at a natural frequency to check a change in a vibration frequency generated corresponding to a change in the external force. CONSTITUTION:First and second semiconductor vibrators 71 and 72 are arranged parallel to be fixed on a substrate 10 and bodies of vibrations of the vibrators 71 and 72 are connected mechanically wit a connecting beam 73 to form a vibrator body 70. Then, an excitation means 40 applies a DC magnetic field orthogonal to the vibrator body 70 while an alternating current flows at both ends of the vibrator 71 to excite the vibrator 71 and a vibration detection means 50 detects an electromotive force generated in the vibrator 72 and amplifies 52 it to last a self excitation oscillation at a natural frequency of the vibrator body 70. Here, an external force is applied to a substrate 10 and when an AC magnetic field orthogonal to the vibrators 71 and 72 is applied while an alternating current flows between both ends of the vibrator 71, the vibrator 71 is excited with a vibration frequency thereof equivalent to a natural frequency of the vibrator 71. As connected to the vibrator 71 with the connecting beam 73, the vibrator 72 vibrates at the same frequency and the means 50 detects a vibration frequency of the vibrator 72 thereby enabling direction of an external force.

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は振動形半導体トランスデューサに関するもので
ある． 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．！！ｉ板に加えら
れる力または環境の変化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形１・ランスデューサに関
するものである． さらに詳述すれば、Ｓ／Ｎ比が高く、自励発振を安定に
起こす事ができ、安価な振動形半導体１・ランスデュー
サに関するものである． く従来の技術〉 第５図〜第８図は昭和６１年６月６日出願の特願昭６１
−１３１４５６号「振動式半導体１・ランスデューサ」
の一実施例の構成説明図である．第５図は振動形トラン
スデューサを圧力センサとして用いた構成斜視図、第６
図は第５図におけるＡ部の拡大平面図に電気配線を施し
た図、第７図は第６図のＡ−Ａ断而図、第８図（Ａ）、
（Ｂ）は第６図を電気回路で示した図であり、第８図（
Ｂ）はｐ形層とｎ１形層の間に逆バイアス電圧を印加す
るための４ｊ：ｋ′ａを示している．これらの図におい
て、 １０は（１００）面を有する、例えば不純物４度１０１
ｓ原子／　ｃ　ｍ　コ以下のｐ形のシリコン基板である
． このシリコン基板１０の一方の面にダイアフラム１１が
エッチングにより形成されている．このダイアフラム１
１の表面（エッチングしない而）には部分的に不純物：
ａ度１０１７程度のｎ＋拡散層《図では省略》が形成さ
れ、このｎ＋拡、敗層の一部に振動梁１２が＜００１＞
方向に形成されている． なお、この振動梁１２はダイアフラム１１に形成された
ｎ十層およびｐＮＪをフォトリングラフィとアンダエッ
チングの技術を用いて加工する．１３は振動ＥＡ１２の
略中央上部に振動梁１２に直交し、かつ、非接触の状憇
で設けられた磁石である． １４は絶縁膜としてのＳｉ０２膜（第７図参照）である
． １５ａ，１５ｂは例えばアルミなどの金属電極で、この
金属′＠極１５ａの一端は振動梁１２から延長したｎ＋
層にＳｉＯ２ｆｆｌに設けたコンタク１・ホール１６ａ
、を通じて接続され，曲端はリード線を介して振動梁１
２の抵抗値とほぼ等しい比較抵抗Ｒ０および増幅器２０
の一端に接続されている． 増幅器２０の出力は出力信号として取出されるとともに
分岐して一次コイル）７，の一端に接続されている．こ
のコイルし，のｌｍ　９はコモンラインに接続されてい
る． 一方、比較抵抗Ｒｏの他端は中点がコモンラインに接続
した２次コイルＬ２の他端に接続され、この２次コイル
Ｌ２の他端は振動梁１２のＩ’ｌ！！端に前記同様に形
成された金属電横１５ｂに接枕されている． 上記構成において、Ｐ形層《基板１０》とｎ＋形層（振
動梁１２）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、振
動梁１２に交流；流ｉを流すと振動梁１２の共振周波数
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
上昇して、比較抵抗Ｒ０、および中点をコモンラインに
接続したＬ２により梢成されるブリッジにより不平衡信
号を得ることができる．この信号を増幅器２０で増幅し
、コイルＬ，にｆ帰還すると、系は振動梁１２の固有振
動数で自動発振する． 上記構成において、振動梁１２のインピーダンスＲは固
有振動数に応じて上昇する．このインピーダンスＲは、
次式のように表わすことができる．Ｒ　中　（１／２２
２）　　・　（１／（Ｅｇ　　γ　》　曹／２　）（Ａ
Ｂ”ｌ２／ｂｈ’　）　・Ｑ＋Ｒｏここで、Ｅ；弾性率 ｇ；重力加速 γ；振動子を楕成している材料の密度 Ａ；振動モードによって決まる定数 Ｂ；磁束密度 ！＝振動梁の長さ ｂ：Ｇ動梁の幅 ｈ：振動梁のＪブさ Ｑ：共振の鋭さ Ｒｏｔ直流抵抗値 上式によれば振動梁のＱが数百〜数万の値をとるため、
共振状態において増幅器の出力として、大きな振幅信号
を得ることができる．このように、振動形半導体１・ラ
ンスデューサ増幅器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する． しかしながら、この様な装置においては、振動梁１２に
発生ずる逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、＃振電流の励転成分を、交流ブリッジで完全に抑圧
することは事実上不可能であるから、ブリッジ出力には
励振電流成分が乗ってくる． このために、Ｓ／Ｎ比が悪く安定な出力信号が得られな
い． この様な問題点を解決するために、本願出願人は昭和６
２年１０月２８日出願の特願昭６２−２７２６５３号［
発明の名称：振動形トランスデュサＪを出願している． 以下、この出願について、第９図から第１１図により説
明する． 第９図は特願昭６２−２７２６５３号の一実施例の原理
的要部構成説明図である． 図において、第５図と同一記号の綱成は同一機能を表わ
す． 以下、第５図と相違部分のみ説明する．３０は振動子本
体である。振動子本体３０は両端が基板１１に固定され
互いに平行に配置された＠ｌ振動子３１、第２＃ｉ！動
子３２と第１振動子３１．第２振動子３２の＃Ａ動の腹
の部分を相互に機・械的に結合する連結梁３３とを備え
る．４０は振動子本体３０に直交する直流磁界を磁石１
３により加え第１振動子３Ｉの両端に交流電流を入力ト
ランス４１により流して磁気誘導作用により振動子本体
３０を磁界と電流に直交する方向に＃振する励振手段で
ある． 入力トランス４ｌは、二次側が第１振動子３１の両端に
接続されている． ５０は第２振動子３２の両端に発生ずる起電力を検出す
る振動検出手段である．この場合は、出力１・ランス５
１、増幅器５２が用いられている．出力トランス５１の
一次側は、第２振動子３２の両端に接続され、二次側は
増幅器５２を介して出力端子５３に接続されるとともに
、分岐して入力トランス４１の一次側に接続されている
．以上の禍或において、励振手段４０に人力された入力
信号により、振動子本体３０は励振される．振動子本体
３０の振動は、振動検出手段５０により検比され出力信
号として取出される．この結果、振動子本体３０は、励
振用の第１振動子３１と、起電力検出用の第２振動子３
２に分けられ，連結梁３３で、第１振動子３１と第２振
動子３２の振動の腹の部分を結合するようにされたので
、電気的には分離されているが、機械的には結合されて
いるため、高い励振成分除去比（ＳＺＮ比）が得られる
． 第１０図は振動子本体３０の実際例で、第１１図は第１
０図のＢ−８断面図である． 第１１図において、振動子本木３０は、＃Ａ動子３１．
，３２のＱｉｉｆｉを高くするために、シェル６０で振
動子本体３０を覆い、振動子３１．３２の川面に隙間６
２を設４１て真空室６１に封じ込められた状態を示す． 第９図、第１０図においては、分りやすくするなめに、
シエル６０は示されていない．この様な装置は、例えば
、第１２図に示す如くして作られる． （１）第１２図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（１
００）面にカッｌ・された基板１ｏに、シリコン酸化物
あるいはシリコン窒化物のｒｌＡＩＯ１を７形成する．
膜１０１の所要の箇所１０２をホｌ・リングラフィによ
り除去する． （２）第１２図（Ｂ）に示すごとく、１０５０’Ｃの水
素（Ｈ２）雰囲気中で、塩化水素でエッチングを行い、
基板１に所要箇所１０２をエッチングして膜１０１をア
ンダーカットして、四部１０３を形成する． なお、塩化水素の代りに，高温水蒸気、酸素を用いるか
、あるいは、４０℃〜１３０’Ｃのアルカリ液による異
方性エッチングでもよい。[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Fields The present invention relates to a vibrating semiconductor transducer. In the present invention, a vibrating beam formed on a silicon substrate is vibrated at its natural frequency. ! ! This relates to a vibrating type 1 transducer that detects changes in vibration frequency that occur in a vibrating beam in response to changes in the environment or the force applied to the i-plate. More specifically, the present invention relates to an inexpensive vibrating semiconductor transducer that has a high S/N ratio, can stably generate self-oscillation, and is inexpensive. Prior art> Figures 5 to 8 are from the patent application filed on June 6, 1986.
-131456 “Vibrating semiconductor 1/Lanceducer”
FIG. 2 is an explanatory diagram of the configuration of an embodiment. Figure 5 is a perspective view of a configuration using a vibrating transducer as a pressure sensor;
The figure is an enlarged plan view of part A in Fig. 5 with electrical wiring, Fig. 7 is a diagram showing A-A in Fig. 6, Fig. 8 (A),
(B) is a diagram showing FIG. 6 as an electric circuit, and FIG.
B) shows 4j:k'a for applying a reverse bias voltage between the p-type layer and the n1-type layer. In these figures, 10 has a (100) plane, for example, an impurity of 4 degrees 101
It is a p-type silicon substrate with less than s atoms/cm. A diaphragm 11 is formed on one surface of this silicon substrate 10 by etching. This diaphragm 1
There are some impurities on the surface of 1 (not etched):
An n+ diffusion layer (not shown in the figure) with a degree of about 1017 degrees is formed, and a vibrating beam 12 is placed in a part of this n+ diffusion layer <001>.
It is formed in the direction. Note that this vibrating beam 12 is fabricated by processing the n10 layers and pNJ formed on the diaphragm 11 using photolithography and under-etching techniques. Reference numeral 13 denotes a magnet that is disposed approximately at the upper center of the vibrating EA 12, perpendicular to the vibrating beam 12, and in a non-contact manner. 14 is a Si02 film (see Fig. 7) as an insulating film. 15a and 15b are metal electrodes such as aluminum, and one end of this metal'@pole 15a is an n+ electrode extended from the vibrating beam 12.
Contact 1/hole 16a provided in SiO2ffl layer
, and the curved end is connected to the vibration beam 1 through the lead wire.
2 and the amplifier 20.
is connected to one end of the The output of the amplifier 20 is taken out as an output signal and is branched and connected to one end of the primary coil 7. This coil and lm 9 are connected to the common line. On the other hand, the other end of the comparison resistor Ro is connected to the other end of the secondary coil L2 whose midpoint is connected to the common line, and the other end of the secondary coil L2 is connected to the I'l! ! The end is connected to a metal wire 15b formed in the same manner as described above. In the above configuration, when a reverse bias voltage is applied between the P type layer (substrate 10) and the n+ type layer (vibrating beam 12) to insulate them, and an alternating current i is applied to the vibrating beam 12, the resonant frequency of the vibrating beam 12 is The impedance of the vibrating beam increases due to electromagnetic induction, and an unbalanced signal can be obtained by the bridge formed by the comparison resistor R0 and L2 whose midpoint is connected to the common line. When this signal is amplified by the amplifier 20 and fed back to the coil L, the system automatically oscillates at the natural frequency of the vibrating beam 12. In the above configuration, the impedance R of the vibrating beam 12 increases according to the natural frequency. This impedance R is
It can be expressed as the following equation. R Medium (1/22
2) ・(1/(Eg γ 》 Cao/2)(A
B"l2/bh') ・Q+Ro where, E; Modulus of elasticity g; Gravitational acceleration γ; Density A of the material making up the vibrator; Constant B determined by the vibration mode; Magnetic flux density! = Length of the vibrating beam S: G Width of the vibrating beam h: J Buzz of the vibrating beam Q: Sharpness of resonance Rot DC resistance value According to the above formula, the Q of the vibrating beam takes a value of several hundred to tens of thousands.
A large amplitude signal can be obtained as the output of the amplifier in a resonant state. In this way, if the gain of the vibrating semiconductor 1/transducer amplifier is set sufficiently to provide positive feedback, the system will self-oscillate at its natural frequency. However, in such a device, the back electromotive force generated in the vibrating beam 12 is detected using an AC bridge, but it is virtually impossible to completely suppress the excitation component of the vibrating current with an AC bridge. Since this is impossible, an excitation current component is added to the bridge output. For this reason, the S/N ratio is poor and a stable output signal cannot be obtained. In order to solve these problems, the applicant of the present application
Patent Application No. 1982-272653 filed on October 28, 2017 [
Title of invention: Vibration type transducer J has been filed. This application will be explained below with reference to FIGS. 9 to 11. FIG. 9 is an explanatory diagram of the basic structure of an embodiment of Japanese Patent Application No. 62-272653. In the figure, structures with the same symbols as in Figure 5 represent the same functions. Below, only the differences from Fig. 5 will be explained. 30 is a vibrator main body. Both ends of the vibrator main body 30 are fixed to the substrate 11, and the @l vibrator 31 and the second #i! Mover 32 and first vibrator 31. It is provided with a connecting beam 33 that mechanically and mechanically connects the antinodes of #A motion of the second vibrator 32 to each other. 40 is a magnet 1 that connects a DC magnetic field perpendicular to the vibrator body 30.
3, an alternating current is applied to both ends of the first vibrator 3I by an input transformer 41, and the vibrator main body 30 is vibrated in a direction perpendicular to the magnetic field and the current by magnetic induction. The input transformer 4l has a secondary side connected to both ends of the first vibrator 31. 50 is a vibration detection means for detecting the electromotive force generated at both ends of the second vibrator 32. In this case, output 1, lance 5
1. An amplifier 52 is used. The primary side of the output transformer 51 is connected to both ends of the second vibrator 32, and the secondary side is connected to the output terminal 53 via the amplifier 52, and is branched and connected to the primary side of the input transformer 41. There is. In the above-mentioned disaster, the vibrator main body 30 is excited by the input signal inputted to the excitation means 40. The vibration of the vibrator body 30 is detected by the vibration detection means 50 and extracted as an output signal. As a result, the vibrator main body 30 includes a first vibrator 31 for excitation and a second vibrator 3 for electromotive force detection.
Since the antinode of the vibration of the first vibrator 31 and the second vibrator 32 are connected by a connecting beam 33, they are electrically separated, but mechanically Because they are coupled, a high excitation component rejection ratio (SZN ratio) can be obtained. FIG. 10 shows an actual example of the vibrator main body 30, and FIG. 11 shows the first
This is a sectional view taken along B-8 in Figure 0. In FIG. 11, the main oscillator 30 includes the #A oscillator 31.
, 32, cover the transducer main body 30 with a shell 60, and leave a gap 6 on the surface of the transducers 31 and 32.
2 is set 41 to show the state in which the vacuum chamber 61 is sealed. In Figures 9 and 10, for the sake of clarity,
Ciel 60 is not shown. Such a device can be made, for example, as shown in FIG. (1) As shown in Figure 12 (A), n-type silicon (1
A layer of rlAIO1 made of silicon oxide or silicon nitride is formed on the substrate 1o which has been cut into the 00) surface.
Required portions 102 of the film 101 are removed by hole phosphorography. (2) As shown in Figure 12 (B), etching is performed with hydrogen chloride in a hydrogen (H2) atmosphere at 1050'C,
The film 101 is undercut by etching required portions 102 on the substrate 1 to form four portions 103. Note that instead of hydrogen chloride, high-temperature steam or oxygen may be used, or anisotropic etching may be performed using an alkaline solution at 40° C. to 130° C.

（３）第１２図（Ｃ）に示すごとく、１．　０　５　０
℃の水素（Ｈ２）雰囲気中でソースガスに塩化水素（｝
［Ｃｉ３ガスを混入して選択エビタキシャル成長法を行
う． すなわち、 ■ボロンの濃度ＩＱ”ｃｍ’のＰ形シリコンにより、隙
間部６２の下半分に相当する第１エビタキシャル層１０
４を選択エビタキシャル成長させる． ■ボロンの濃度３ｘ　１　０”　ｃｍ’のＰ形シリコン
により、第１エビタキシャル［１　０４の表面に、所要
の箇所１０２を塞ぐように、振動子本体３ｏに相当する
第２エビタキシャル層１０５を選択エビタキシャル成長
させる． ■ボロンの濃度１０”ｃｍ″３のＰ形シリコンにより、
第２エビタキシャル層１０５の表面に、隙間部６２の上
半分に相当する第３エビタキシャル層１０６を選択エビ
タキシャル成長させる．■ボロンの濃度３Ｘ１０”ｃｍ
″２のＰ形シリコンにより、第３エビタキシャルＪｆｆ
ｉｌ　０６の表面に、シェル６０に相当する第４エビタ
キシャル層１０７を選択エビタキシャル成長させる． （ノ１）第１２図（Ｄ）に示すごとく、シリコン酸化物
、あるいは、シリコン窒化物の膜１０１をフッ化水１酸
（ＨＦ）でエッチングして除去し、エッチング注入口１
０８を設ける． （５）第１２図（Ｅ）に示すごとく、第／ＩＭに対して
基板１０に正のパルスを印加して、エッチング液の注入
口１０８よりアルカリ液を注入して、第１エビタキシャ
ル層１０４と第３エビタキシャルＩｇＪ１　０６を選択
エッチングして除去する．第２エビタキシャルＭ［０５
と第１エビタキシャルＮ１０４あるいは第３エビタキシ
ャル層１０６との間にエッチング伴用の差があるのは、
ボロンの濃度が３Ｘ１０”　ｃｍ″２以上となるとエッ
チング作用に抑制現象が生ずることによる．このことは
、例えば、「トランスデュサーズ８７」日本電気学会発
行の１２３ベージ　ＦｉｇＨに示されている． （６）第１２図（Ｆ）に示すごとく、１０５０℃の水素
（Ｈ２）中で、ｎ形シリコンのエビタキシャル成長を行
い、第２エビタキシャル層１０５と第４エビタキシャル
層１０７と基板１の凹部１０３側の面を覆うと共に、注
入口１０８を塞ぐようにして、ｎ形シリコンからなる第
５エビタキシャル層１０９を形成し、エッチング注入Ｉ
ＬＩ　１　０　８をとじる． く発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、この様な装置においては、第１振動子３
１と第２振動子３２とが同一エビタキシャル層で連結さ
れているためＪ励振側と検出側が電気的に絶縁されてい
なかった．このため励振電涜が検出側に漏れ、夕ロスト
ークレベル増加の原因となっていた． 本発明は、この問題点を解決するものである，本発明の
目的は、Ｓ／Ｎ比が高く、自励発振を安定に起こす事が
でき、安価な振動形半導体トランスデューサを提供する
にある． 〈問題点を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶
の基板上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子
本体と、該振動子本体を励振するＷｊ振手段と、前記振
動子本体の励振された振動を検出する振動検出手段とを
具備する振動形半導体ｌ一ランスデューサにおいて、 両４１が前記基板に固定され互いに平行に配置され半導
体からなる第１，第２振動子と該第１振動子と第２振動
子との振動の腹の部分を機械的に結合し絶縁材からなる
連結梁とを備える振動子木体と、該振動子本体に直交す
る直流磁界を加え第１振動子の両端に交流電流を流して
磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する方向
にＷｈ振する励振手段と、第２振動子の両端に発生する
起電力を検出し自ＩＩＪ転するに必要なゲインを付与す
る増幅器をｊ１：ｆｌシ前記振動子本体の固有振動数で
自動発振が持続するように梢成された振動検出手段とを
具備してなる振動形半導体トランスデューサを構成した
ものである． 〈作用〉 以上の楕成において、基板に、外力が加えられる． 振動子には、直交するように交流磁界をかけ、第１振動
子の両端に交流電流を流すと、磁気誘導作用により、磁
界と電流とに直交する方向に励振する． このときの振動周波数は、第１振動子の長さ、幅、厚さ
および張力により決まる固有振動数で励振する． この時、第２振動子は、連結梁で第１振動子に連結され
ているので、第２振動子も同じ振動数で振動する． 振動子本体の振動は振動検出手段により検出され、その
周波数は出力信号として取出される．この結果、基板に
加わった外力が検出出来る．以下、実施例に基づき詳細
に説明する．く実施例〉 第１図は本発明の一実施例の要部梢成説明図で、第２図
は実際の使用例、第３図は第２図のＢ−Ｂ断面図である
． 図において、第９図と同一記号の楕成は同一機能を表わ
す． 以下、第９図と相違部分のみ説明する．７０は両端が基
板１０に固定され互いに平行に配置され半導体からなる
第１．第２振動子７１，７２と、第１振動子７１と第２
振動子７２との振動の腹の部分を機械的に結合し絶縁材
からなる連結ｉＡ７３とを備える振動子本木である．第
１，第２振動子７１．７２はＮ型半導体が使用され、連
結梁７３は酸化シリコン膜が使用されている． ４０は振動子本体７０に直交する直流磁界を加え第１振
動子７１の両端に交流電流を流して磁気誘導作用により
振動子を磁界と電流に直交する方向に励振する励振手段
である． ５０は第２振動子７２の両端に発生する起電力を検出し
自励振するに必要なゲインを”付与する増幅器５２を具
備し記振動子本体７０の固有振動数で自動発振が持続す
るように構成された振動検出手段である． 以上の構成において、基板１に外力が加えられる． 振動子７１．７２には、直交するように交流磁界をかけ
、第１振動子７１の両端に交番電流を流すと、磁気誘導
作用により、磁界と電流とに直交する方向に励振する． このときの振動周波数は、第１振動子７１の長さ、幅、
厚さおよび張力により決まる固有振動数で励振する． このとき、第２振動子７２は第１振動子７１に連結梁７
３で接続されているので、第２振動子７２も同じ振動数
で振動する． 第２振動子７２の振動は、振動検出手段により検出され
、その周波数は、出力信号として取出される． 従って、基板１０に加わった外力が検出出来る．この結
果、連紅梁７３により、第１振動子７工と第２振動子７
２とが電気的に絶縁されているので、夕ロストークレベ
ルが低く、高いｗＪ振成分除去比（Ｓ／Ｎ比）が得られ
る． この様な装置は、例えば、第４図に示すごとくして作ら
れる． （１）第４図（Ａ）に示すごとく、ｎ型シリコン（Ｚｏ
ｏ）面にカットされた基板１０に、シリコン酸化物ある
いはシリコン窒化物の膜１０１を形成する．この場合は
、酸化シリコン膜が使用されている．　１８１　１　０
　１の所要の箇所１０２をホトリソグラフィにより除去
する． ここで、第４図（Ａ１》は平面図、第４図（Ａ２）は第
４図（Ａ１）のＡ−Ａ断面図である．（２）第４図（Ｂ
）に示すごとく、１０５０℃の水素（Ｈ２）雰囲気中で
、塩化水素でエッチングを行い、基板１０の所要箇所１
０２をエッチングして膜１０１をアンダーカットして、
凹部１０３を形成する． なお、塩化水素の代りに、高温水蒸気、酸素を用いるか
、あるいは、４０℃〜１３０℃のアルカリ液による異方
性エッチングでもよい．（３）第４図（Ｃ）に示すごと
く、１０５０℃の水素（Ｈ２）雰囲気中でソースガスに
塩化水素（ＨＣＩ’）ガスを混入して選択エビタキシャ
ル成長法を行う． すなわち、 ■ボロンの濃度１０”ｃｍ″３のＰ形シリコンにより、
隙間部６２の下半分に相当する第１エビタキシャル層１
０４を選択エビタキシャル成長さ仕る． （４）第４図（Ｄ）に示すごとく、第１エビタキシャル
ｙ／ａ１０４の上に酸化シリコン膜１０１を形成する． （５）第４図（Ｅ）に示すごとく、第１，第２振動子７
１．７２に相当する部分１０５をフォトリソグラフィに
より除去する ここで、第４図（Ｅ１）は平面図、第４図（Ｅ２）は第
４図（Ｅ１）のＡ−ＡＩｉｆ＋面図である．（６）第４
図（Ｆ）に示すごとく、１０５０℃の水素《Ｈ２》雰囲
気中でソースガスに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを混入して
選択エビタキシャル成長法を行う． すなわち、 ■ボロンの濃度３Ｘ１０’°ｃｍ″３のＰ形シリコンに
より、第１エビタキシャルＮ１０４の表面に、第１．第
２振動子７１．７２に相当する第２エビタキシャル層１
０６を、選択エビタキシャル成長させる． （７）第７１図（Ｇ）に示すごとく、連結梁７３を残す
ように膜１０１の箇所１０７をフオｌ・リングラフィに
より除去する． ここにおいて、第ｌ１図（Ｇ１）は平面図、第４図（Ｇ
２）は第４図（Ｇ１）のＡ−Ａ断面図、第４図（Ｇ３》
は第４図（Ｇ１）のＢ−Ｂ断面図である． 〈８》第４図（　Ｈ　）に示すごとく、１０５０℃の水
素（Ｈ２）雰囲気中でソースガスに塩化水素（ＨＣｉ’
）ガスを混入して選択エビタキシャル成長法を行う． 即ち、 ■ボロンの濃度ＩＱ”ｃｍ−３のＰ形シリコンにより、
第２エビタキシャル層１０６の表面に、隙間部６２の上
半分に相当する第３エビタキシャル層１０８を選択エビ
タキシャル成長させる．■ボロンの濃度３Ｘ１０”ｃｎ
ビ３のＰ形シリコンにより、第３占とタキシャル層】０
８の表面に、シエル６０に相当する第４エビタキシャル
Ｎ！ｊ１０９を選択エビタキシャル成長させる． （９）第４図（１）に示すごとく、シリコン酸化物の膜
１０１をフフ化水素酸（　｝ｉ　Ｆ　＞でエッチング除
去し、エッチング注入１１１１１を設ける．（１０）第
４図（Ｊ）に示すごとく、第２，第７１エビタキシャル
層１０４，１０９に対して暴板１０に正のパルスを印加
して、エッチング液の注入口１１１よりアルカリ液を注
入して、第１エビタキシャル層１０４と第３エビタキシ
ャル層１０８を選択工・ｙチングして除去する． 第１，第３エビタキシャル層１０４，１０８と第２，第
４エビタキシャル層１０６，１０９との間にエッチング
伴用の差があるのは、ボロンの濃度が３Ｘ１０”　ｃｍ
″３以上となると工ｙチング作用に抑制現象が生ずるこ
とによる． このことは、例えば、川一ランスデュサーズ−８７」日
本電気学会発行の１２３ページ　Ｆｉｇ８に示されてい
る． （８）第４図（Ｋ）に示すごとく、１０５０℃の水素（
｝［２）中で、ｎ形シリコンのエビタキシャル成長を行
い、基板１０の凹部１０３側の面と第２，第４エビタキ
シャル層１０６．１０９を覆うと共に、注入ａ　１　１
　１を塞ぐようにして、ｎ形シリコンからなる第５エビ
タキシャル層１１２を形成し、エッチング注入口１１１
をとじる．なお、上記トランスデューサはシリコンの弾
性率の温度係数によって、その振動周波数が変化するの
で、圧力計のほかに、真空容器に収納して温度計として
利用できるほか、密度計としても利用することができる
． く発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子本体と
、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動子木体
の励振された振動を検出する振動検出手段とを具備する
振動形半導体ｌ・ランスデューサにおいて、 両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され半導体
からなる第１，第２振動子と該第１振動子と第２振動子
との振動の腹の部分を機械的に結合し絶縁材からなる連
結梁とを備える振動了本体と、該振動子本体に直交する
直流磁界を加え第１振動子の両端に交流電流．を流して
磁気誘樽作川により振動子を磁界と電流に直交する方向
に励振する励振手段と、第２振動子の両端に発生ずる起
電力を検出し自ｗＢ振するに必要なゲインを付手する増
幅器を具備し前記振動子本体の固有振動数で自励発振が
持続するように槽成された振動検出手段とを具備してな
る振動形半導体トランスデューサを桶成した． この結果、連結梁により、第１振動子と第２振動子とが
電気的に絶縁されているので、クロスＩ・ークレベルが
低く、高いＩｉｊＪ振成分除去比（　Ｓ／Ｎ比）が得ら
れる． 従って、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が高く、自動発振を
安定に起こす事ができ安価な振動形半導体トランスデュ
ーサを実現することが出来る．(3) As shown in Figure 12 (C), 1. 0 5 0
Hydrogen chloride (}) as a source gas in a hydrogen (H2) atmosphere at ℃
[Selective epitaxial growth method is performed by mixing Ci3 gas.] In other words, ■ the first epitaxial layer 10 corresponding to the lower half of the gap 62 is made of P-type silicon with a boron concentration IQ "cm";
4 by selective epitaxial growth. ■A second epitaxial layer 105 corresponding to the vibrator main body 3o is formed on the surface of the first epitaxial layer [104] using P-type silicon with a boron concentration of 3 x 10"cm' so as to cover the required locations 102. Selective epitaxial growth. ■P-type silicon with a boron concentration of 10"cm"3.
A third epitaxial layer 106 corresponding to the upper half of the gap 62 is selectively grown on the surface of the second epitaxial layer 105. ■Boron concentration 3X10”cm
By the P-type silicon of ``2, the third epitaxial Jff
A fourth epitaxial layer 107 corresponding to the shell 60 is selectively grown on the surface of the il 06. (No. 1) As shown in FIG. 12(D), the silicon oxide or silicon nitride film 101 is removed by etching with hydrofluoric acid (HF), and the etching injection port 1 is removed.
08 will be established. (5) As shown in FIG. 12(E), a positive pulse is applied to the substrate 10 for the /IM, and alkaline solution is injected from the etching solution injection port 108 to form the first epitaxial layer 104. and the third epitaxial IgJ106 are selectively etched and removed. 2nd Ebitaxial M[05
The reason why there is a difference in etching pattern between the first epitaxial layer N104 or the third epitaxial layer 106 is because
This is because when the concentration of boron exceeds 3 x 10"cm"2, a phenomenon that inhibits the etching action occurs. This is shown, for example, in "Transducers 87" published by the Institute of Electrical Engineers of Japan, page 123, Fig.H. (6) As shown in FIG. 12(F), n-type silicon is epitaxially grown in hydrogen (H2) at 1050°C, and the second epitaxial layer 105, the fourth epitaxial layer 107, and the substrate 1 are grown. A fifth epitaxial layer 109 made of n-type silicon is formed so as to cover the surface on the side of the recess 103 and close the injection port 108, and the etching injection I
Close LI 1 0 8. Problems to be Solved by the Invention> However, in such a device, the first vibrator 3
1 and the second oscillator 32 are connected by the same epitaxial layer, the J excitation side and the detection side were not electrically insulated. For this reason, the excitation voltage leaked to the detection side, causing an increase in the evening losstalk level. The present invention solves this problem.An object of the present invention is to provide a vibrating semiconductor transducer that has a high S/N ratio, can stably generate self-oscillation, and is inexpensive. <Means for Solving the Problems> In order to achieve this object, the present invention provides a vibrator body made of a silicon single crystal material provided on a silicon single crystal substrate, and a method for exciting the vibrator body. A vibrating semiconductor l-transducer comprising Wj vibration means and vibration detection means for detecting excited vibrations of the vibrator body, wherein both 41 are fixed to the substrate and are arranged parallel to each other and are made of a semiconductor. 1. A vibrator wooden body comprising a second vibrator and a connecting beam made of an insulating material that mechanically couples the antinodes of vibration of the first vibrator and the second vibrator; an excitation means that applies an orthogonal DC magnetic field and flows an alternating current to both ends of the first vibrator to vibrate the vibrator in a direction perpendicular to the magnetic field and the current by magnetic induction; The vibrator is equipped with an amplifier for detecting electric power and providing a gain necessary for self-rotation, and a vibration detecting means configured to maintain automatic oscillation at the natural frequency of the vibrator body. It consists of a vibrating semiconductor transducer. <Effect> In the above ellipse, an external force is applied to the substrate. When an alternating current magnetic field is applied orthogonally to the vibrator and an alternating current is passed through both ends of the first vibrator, it is excited in a direction perpendicular to the magnetic field and current due to magnetic induction. At this time, the vibration frequency is excited at a natural frequency determined by the length, width, thickness, and tension of the first vibrator. At this time, since the second vibrator is connected to the first vibrator by a connecting beam, the second vibrator also vibrates at the same frequency. The vibration of the vibrator body is detected by the vibration detection means, and its frequency is extracted as an output signal. As a result, the external force applied to the board can be detected. The following is a detailed explanation based on examples. Embodiment> FIG. 1 is an explanatory diagram of the main parts of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an example of actual use, and FIG. 3 is a sectional view taken along line BB in FIG. 2. In the figure, ellipses with the same symbols as in Figure 9 represent the same functions. Below, only the differences from Fig. 9 will be explained. 70 has both ends fixed to the substrate 10, is arranged parallel to each other, and is made of a semiconductor. The second vibrator 71, 72, the first vibrator 71 and the second vibrator
This is a vibrator main tree including a connecting iA73 made of an insulating material and mechanically coupled to the vibrator 72 at its antinode. N-type semiconductors are used for the first and second vibrators 71 and 72, and a silicon oxide film is used for the connecting beam 73. Reference numeral 40 denotes an excitation means that applies a direct current magnetic field orthogonal to the vibrator body 70 and flows an alternating current across both ends of the first vibrator 71 to excite the vibrator in a direction orthogonal to the magnetic field and current by magnetic induction. 50 is equipped with an amplifier 52 that detects the electromotive force generated at both ends of the second vibrator 72 and provides a gain necessary for self-oscillation, so that automatic oscillation is maintained at the natural frequency of the vibrator body 70. This is a vibration detection means constructed as above. With the above configuration, an external force is applied to the substrate 1. An alternating current magnetic field is applied to the vibrators 71 and 72 so as to be perpendicular to each other, and an alternating current is applied to both ends of the first vibrator 71. When the current flows, it is excited in a direction perpendicular to the magnetic field and the current due to magnetic induction.The vibration frequency at this time is determined by the length, width, and width of the first vibrator 71.
Excite with natural frequency determined by thickness and tension. At this time, the second vibrator 72 connects the connecting beam 7 to the first vibrator 71.
3, the second vibrator 72 also vibrates at the same frequency. The vibration of the second vibrator 72 is detected by the vibration detection means, and its frequency is extracted as an output signal. Therefore, the external force applied to the substrate 10 can be detected. As a result, the first oscillator 7 and the second oscillator 7 are
2 are electrically isolated from each other, the evening losstalk level is low and a high wJ vibrational component rejection ratio (S/N ratio) can be obtained. Such a device can be made, for example, as shown in FIG. (1) As shown in Figure 4(A), n-type silicon (Zo
o) A film 101 of silicon oxide or silicon nitride is formed on the substrate 10 which has been cut into a plane. In this case, a silicon oxide film is used. 181 1 0
Required portions 102 of 1 are removed by photolithography. Here, Fig. 4 (A1) is a plan view, and Fig. 4 (A2) is a sectional view taken along line A-A in Fig. 4 (A1). (2) Fig. 4 (B
), etching is performed with hydrogen chloride in a hydrogen (H2) atmosphere at 1050°C to remove the required portions 1 of the substrate 10.
02 to undercut the film 101,
Form a recess 103. Note that instead of hydrogen chloride, high-temperature steam or oxygen may be used, or anisotropic etching may be performed using an alkaline solution at a temperature of 40°C to 130°C. (3) As shown in FIG. 4(C), selective epitaxial growth is performed by mixing hydrogen chloride (HCI') gas into the source gas in a hydrogen (H2) atmosphere at 1050°C. In other words, ■P-type silicon with a boron concentration of 10"cm"3,
The first epitaxial layer 1 corresponds to the lower half of the gap 62
Select 04 to perform evitaxial growth. (4) As shown in FIG. 4(D), a silicon oxide film 101 is formed on the first epitaxial Y/A 104. (5) As shown in FIG. 4(E), the first and second vibrators 7
A portion 105 corresponding to 1.72 is removed by photolithography. FIG. 4 (E1) is a plan view, and FIG. 4 (E2) is an A-AIif+ plane view of FIG. 4 (E1). (6) Fourth
As shown in Figure (F), selective epitaxial growth is performed in a hydrogen (H2) atmosphere at 1050°C by mixing hydrogen chloride (HCl) gas into the source gas. That is, ■ A second epitaxial layer 1 corresponding to the first and second oscillators 71 and 72 is formed on the surface of the first epitaxial layer N104 by P-type silicon with a boron concentration of 3×10'°cm''3.
06 is selectively grown epitaxially. (7) As shown in FIG. 71(G), portions 107 of the membrane 101 are removed by phosphorography so as to leave the connecting beams 73. Here, FIG. 11 (G1) is a plan view, and FIG. 4 (G1) is a plan view.
2) is a sectional view taken along line A-A in Figure 4 (G1), and Figure 4 (G3)
is a cross-sectional view taken along line B-B in Figure 4 (G1). <8> As shown in Figure 4 (H), hydrogen chloride (HCi') was added to the source gas in a hydrogen (H2) atmosphere at 1050°C.
) Perform the selective epitaxial growth method by mixing gas. That is, ■ P-type silicon with boron concentration IQ"cm-3,
A third epitaxial layer 108 corresponding to the upper half of the gap 62 is selectively grown on the surface of the second epitaxial layer 106 . ■Boron concentration 3X10”cn
Due to the P-type silicon of Bi3, the tertiary horoscope and taxial layer】0
On the surface of 8, the 4th epitaxial N, which corresponds to Ciel 60! Selective epitaxial growth of j109. (9) As shown in FIG. 4 (1), the silicon oxide film 101 is removed by etching with hydrofluoric acid ( }i F >, and etching implantation 11111 is provided. (10) As shown in FIG. 4 (J). As shown, a positive pulse is applied to the exposed plate 10 for the second and 71st epitaxial layers 104 and 109, and alkaline solution is injected from the etching solution injection port 111 to form the first epitaxial layer 104 and 109. The third epitaxial layer 108 is selectively etched and removed. There is a difference in etching process between the first and third epitaxial layers 104 and 108 and the second and fourth epitaxial layers 106 and 109. There is a boron concentration of 3X10" cm
When the value is 3 or more, a phenomenon of inhibition occurs in the engineering action. This is shown, for example, in Fig. 8 on page 123 of Kawaichi Lance Ducers-87, published by the Institute of Electrical Engineers of Japan. (8) As shown in Figure 4 (K), hydrogen (
} [2), n-type silicon is epitaxially grown to cover the surface of the substrate 10 on the concave portion 103 side and the second and fourth epitaxial layers 106 and 109, as well as implantation a 1 1
A fifth epitaxial layer 112 made of n-type silicon is formed so as to cover the etching inlet 111.
Close. The vibration frequency of the above transducer changes depending on the temperature coefficient of silicon's elastic modulus, so in addition to being used as a pressure gauge, it can also be used as a thermometer by storing it in a vacuum container, or as a density meter. ．． Effects of the Invention> As explained above, the present invention provides a vibrator body made of a silicon single crystal material provided on a silicon single crystal substrate, an excitation means for exciting the vibrator body, and the vibrator body. A vibrating semiconductor l transducer comprising a vibration detecting means for detecting vibrations excited by a wooden body, comprising first and second vibrators made of semiconductors, both ends of which are fixed to the substrate and arranged parallel to each other. A vibrating body includes a connecting beam made of an insulating material and mechanically connects the antinodes of vibration of a first vibrator and a second vibrator, and a DC magnetic field orthogonal to the vibrator body is applied to generate a first vibration. AC current is applied to both ends of the coil. The device is equipped with an excitation means that excites the oscillator in a direction perpendicular to the magnetic field and the current by flowing a magnetic induction barrel, and a gain necessary to detect the electromotive force generated at both ends of the second oscillator and cause it to oscillate automatically. A vibrating semiconductor transducer is constructed, which is equipped with a handheld amplifier and a vibration detecting means configured to sustain self-excited oscillation at the natural frequency of the vibrator body. As a result, since the first and second oscillators are electrically insulated by the connecting beam, the cross I and -k levels are low and a high IijJ vibrational component rejection ratio (S/N ratio) is obtained. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an inexpensive vibrating semiconductor transducer that has a high S/N ratio, can stably cause automatic oscillation, and is inexpensive.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第】図は本発明の一実施例の原理的要部構成説明図、第
２図は実際使用例の要部梢成説明図で、第３図は第２図
のＢ−Ｂ断面図、第４図は第１図の製作説明図、第５図
〜第８図は従来より一般に使用されている従来例の椙成
説明図で、第５図はトランスデューサを圧力計として構
成した斜視図、第６図は第５図におけるＡ部の拡大平面
図に電気配線を施した図、第７図は第６図のＡ−Ａ断面
図、第８図は第６図を電気回路で示した図、第９図〜第
１２図は特願昭６２−２７２６５３号の構成説明図であ
る． １０・・・基板、１ｌ・・・ダイアフラム、１３・・・
磁石、４０・・・励振手段、４１・・・入力トランス、
４２・・・入力端子、５０・・・振動検出手段、５１・
・・出力トランス、５２・・・増幅器、５３・・・出力
端子、６０・・・シェル、６１・・・真空室、６２・・
・隙間、７０・・・振動子本体、７１・・・第１振動子
、７２・・・第２振動子、７３・・・連結梁、１０１・
・・膜、１０２・・・箇所、１０３・・・凹部、１０４
・・・第１エビタキシャル層、１０５・・・部分、１０
６・・・第２エビタキシャル層、１０７・・・箇所、１
０８・・・第３エビタキシャル層、１０９・・・第４エ
ビタキシャル層、１１１・・・エッチング注入口、１１
２・・・第５エビタキシャル層，第１図 第３図 第２図 ｔ　　ｍｌ Ｉ　碩 Ｘマ不Σへ ！ ！ 帛５図 垢６図 第７図 第８図 （Ａ） 第１１図 第９図 第１０図 第 Ｉ２ 図Fig. 2 is an explanatory diagram of the principal structure of an embodiment of the present invention, Fig. 2 is an explanatory diagram of the main part of an example of actual use, and Fig. 3 is a sectional view taken along line B-B in Fig. 2. Figure 4 is an explanatory diagram of the production of Figure 1, Figures 5 to 8 are explanatory diagrams of a conventional example commonly used, and Figure 5 is a perspective view of the transducer configured as a pressure gauge. 6 is an enlarged plan view of part A in FIG. 5 with electrical wiring, FIG. 7 is a sectional view taken along line A-A in FIG. 6, and FIG. 8 is a diagram showing FIG. 6 as an electric circuit. Figures 9 to 12 are explanatory diagrams of the structure of Japanese Patent Application No. 62-272653. 10...Substrate, 1l...Diaphragm, 13...
Magnet, 40... Excitation means, 41... Input transformer,
42... Input terminal, 50... Vibration detection means, 51.
...Output transformer, 52...Amplifier, 53...Output terminal, 60...Shell, 61...Vacuum chamber, 62...
- Gap, 70... Vibrator body, 71... First vibrator, 72... Second vibrator, 73... Connection beam, 101...
... Membrane, 102 ... Location, 103 ... Recess, 104
...first epitaxial layer, 105...part, 10
6... Second epitaxial layer, 107... Location, 1
08... Third epitaxial layer, 109... Fourth epitaxial layer, 111... Etching inlet, 11
2...5th epitaxial layer, Figure 1 Figure 3 Figure 2 t ml I 碩XMafuΣ! ! Figure 5 Figure 6 Figure 7 Figure 8 (A) Figure 11 Figure 9 Figure 10 Figure I2

Claims (1)

【特許請求の範囲】 シリコン単結晶の基板上に設けられたシリコン単結晶材
よりなる振動子本体と、該振動子本体を励振する励振手
段と、前記振動子本体の励振された振動を検出する振動
検出手段とを具備する振動形半導体トランスデューサに
おいて、 両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され半導体
からなる第１、第２振動子と該第１振動子と第２振動子
との振動の腹の部分を機械的に結合し絶縁材からなる連
結梁とを備える振動子本体と、該振動子本体に直交する
直流磁界を加え第１振動子の両端に交流電流を流して磁
気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する方向に
励振する励振手段と、第２振動子の両端に発生する起電
力を検出し自励振するに必要なゲインを付与する増幅器
を具備し前記振動子本体の固有振動数で自励発振が持続
するように構成された振動検出手段とを具備してなる振
動形半導体トランスデューサ。[Scope of Claims] A vibrator body made of a silicon single crystal material provided on a silicon single crystal substrate, an excitation means for exciting the vibrator body, and detecting the excited vibration of the vibrator body. A vibrating semiconductor transducer comprising a vibration detecting means, first and second vibrators made of semiconductors having both ends fixed to the substrate and arranged parallel to each other, and detecting vibrations between the first vibrator and the second vibrator. A vibrator body is provided with a connecting beam made of an insulating material and whose antinodes are mechanically connected, and a direct current magnetic field perpendicular to the vibrator body is applied, and an alternating current is passed through both ends of the first vibrator to cause magnetic induction. The vibrator body is provided with an excitation means for exciting the vibrator in a direction orthogonal to the magnetic field and the current, and an amplifier for detecting the electromotive force generated at both ends of the second vibrator and providing a gain necessary for self-excitation. A vibrating semiconductor transducer comprising vibration detecting means configured to sustain self-excited oscillation at a natural frequency.