JPH02232538A - 振動形半導体トランスデューサ - 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】 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。

（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．

【図面の簡単な説明】

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

Claims (1)

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。