JPH0252514A

JPH0252514A - メカニカルフィルター

Info

Publication number: JPH0252514A
Application number: JP20444288A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kuwayama; 桑山　秀樹; Kinji Harada; 原田　謹爾; Kyoichi Ikeda; 恭一池田; Takashi Kobayashi; 隆小林; Tetsuya Watanabe; 哲也渡辺; Sunao Nishikawa; 直西川; Takashi Yoshida; 隆司吉田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1988-08-17
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JP2513280B2

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、シリコン基板に形成した振動梁を利用した、
メカニカルフィルターに関するものである。

〈従来の技術〉第５図〜第７図は従来より一般に使用されている従来例
の構成説明図である。

第５図は原理的構成説明図、第６図は第５図のＡ−Ａ断
面図、第７図（Ａ）、（Ｂ）は第５図を電気回路で示し
た図であり、第７図（Ｂ）はｐ形層とｎ＋形層の間に逆
バイアス電圧を印加するための電源を示している。

これらの図において、１１は（Ｚｏｏ）面を有する、例
えば不純物濃度１０１５原子／ｃｍ’以下のρ形のシリ
コン基板である。

この基板１１の表面には部分的に不純物濃度１０盲７程
度のｎ十拡散層（図では省略）が形成され、このｎ＋拡
散層の一部に振動梁１２が＜００１〉方向に形成されて
いる。なお、この振動梁１２は基板１１に形成されたｎ
十層およびｐ層をフォトリソ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は振動梁１２の略中央上部に振動梁１２に直交し、
かつ、非接触の状態で設けられた磁石、１４は絶縁膜と
しての５ｉ０２膜（第６図参照）である。

１５ａ、１５ｂは例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金
属＠極で、この金属な極１５ａの一端は振動梁１２から
延長したｎ＋層にＳｉＯ２層に設けたコンタクトホール
１６ａ、を通じて接続され、他端はリード線を介して振
動梁１２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Ｌ１の一端に接続されている。この
コイルＬ　＋の１也端はコモンラインに接続されている
。

一方比較抵抗Ｒ，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Ｌ
２の他端は振動梁１２の１１！！端に前記同様に形成さ
れた金属電極１５ｂに接続されている。

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に交流電流ｌ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Ｒｏ−および中点をコモンラインに
接続したＬ２により構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
、出力信号として取出す。

十記栖成において、振動梁１２のインピーダンス）ｔは
固有振動数に応じて上昇する。このインピーダンスＩ（
は、次式のように表わすことができる。

トｔ　−辷　（１／２２２）　　・　　（１／（Ｅｇ　
　γ　）　　ｌ／２　）（ＡＩ３’　　ｌ’　　／ｂｈ
２　　）　　・　Ｑ十　丁（０ここで、ｌシ；弾性率ｇ；重力加速 γ；振動子を構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：振動梁の幅ｈ；振動梁の厚さＱ；共振の鋭さＲｏ：直流抵抗値上式によれば振動梁のＱが数百〜致方の値をとるため、
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。

なお、振動梁の加工手段および形状は本実施例に限るも
のではなく、例えば、ｎ形シリコン基板にＢ（ボ西ン）
を４Ｘ１０”原子／　ｃ　ｍ　３以上拡散して選択性エ
ツチングにより形成したものを用いてもよい。

しかしながら、この様な装置においては、振動梁１２に
発生する逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、入力信号の成分を、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、ブリッジ出力には入力
成分の一部が乗ってくる。

このために、Ｓ／Ｎ比が悪く安定な出力信号が４４＞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２７日出願の特願昭６２−２７１５５７号「
発明の名称；メカニカルフィルタ」を出願している。

以上、この出願について、第８図から第１１図により説
明する。

第８図は特願昭６２−２７１５５７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図と同一記号の構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は両端か基板
１１に同定され互いに平行に配置された第１振動子３１
．第２振動子３２と、第１振動子３１　第２振動子３２
の振動の腹の部分を相互に機械的に結合する連結梁動３
３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】３に
より加え第１振動子３】の両端に交流電流を入カドラン
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励振する励振手段である
。

入カドランス４１は一次側が入力端子４２に接続されて
いる。二次側は第１振動子３１の両端に接続されている
。

５０は他方の第２振動子３２の両端に発生する起電力を
検出する振動検出手段である。この場合は、出カドラン
ス５１が用いられている。出カドランス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に接続されている。

以上の構成において、励振手段４０に入力された入力信
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により検出さ
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３２に分けられ、連結梁
３３で、第１振動子３１の振動の腹の部分を結合するよ
うにされなので、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、高い入力成分除去比（ＳＮ比
）が得られる。

第９図は振動子本体３０の実際例で、第１０図は第９図
のＢ−Ｂ断面図である。

第１０図において、振動子本体３０は、振動子３１．３
２のＱｆｌｉ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の周面に隙間６２を設
けて真空室６１に封じ込められた状態を承す。

第８図、第９図においては、分りやすくするために、シ
ェル６０は示されていない。

この様な装置は、例えば、第１１図に示す如くして作ら
れる。

（１）第１１図＜Ａ＞に示すごとく、ｎ型シリコン（１
００）面にカットされた基板１１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。膜１０１
の所要の箇所１０２をホトリソグラフィにより除去する
。

（２）第１１図（Ｂ　）に示すごとく、１０５０℃。

の水素（Ｈ２）雰囲気中で、塩化水素でエツチングを行
い、基板１１に所要箇所１０２をエツチングして膜１０
１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℃のアルカリ液による異方
性エツチングでもよい。

（３）第１１図（Ｃ）に示すごとく、１０５０℃の水素
（Ｈ２）雰囲気中でソースカスに塩化水素（Ｈ（１）ガ
スを混入して選択エピタキシャル成長法を行う。

すなわち、 ■ボロンの濃度１０”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エピタキシャル層１０
４を選択エピタキシャル成長させる。

■ボロンの濃度３Ｘ１０”ｃｍ’以上のＰ形シリコンに
より、第１エピタキシャル層１０４の表面に、所要の箇
所１０２を塞ぐように、振動子本体３０に相当する第２
エピタキシャル層１０５を選択エピタキシャル成長させ
る。

■ボロンの濃度１０”ｃｍ’のＰ形シリコンにより、第
２エピタキシャル層１０５の表面に、隙間部６２の上半
分に相当する第３エピタキシャル層１０６を選択エピタ
キシャル成長させる。

■ボロンの濃度３Ｘ１０’　”　ｃｍ″２以上のＰ形シ
リコンにより、第３エピタキシャル層１０６の表面に、
シェル６０に相当する第４エピタキシャル層１０７を選
択エピタキシャル成長させる。

（４）第１１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をフッ化水素酸（
ＨＦ’　）でエツチングして除去し、エツチング注入口
１０８を設ける。

（５）第１１図（Ｅ）に示すごとく、第４層に対して基
板】１に正のパルスを印加して、エツチング液の注入Ｌ
ｌ　１０８よりアルカリ液を注入して、第１エピタキシ
ャル層１０４と第３エピタキシャル層１０６を選択エツ
チングして除去する。

第２エピタキシヤルＲ１Ｊ１０５と第１エピタキシャル
層１０４あるいは第３エピタキシャル層１０６との間に
エツチング作用の差があるのは、ボロンの濃度が３Ｘ１
０”　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ー８７ＪＦ
Ｉ本電気学会発行の１２３ベージ　Ｆｉｇ８に示されて
いる。

（６）第１１図（Ｆ）に示すごとく、１０５０℃の水素
（Ｈ２）中で、ｎ形シリコンのエピタキシャル成長を行
い、第２エピタキシャル層１０５と第４エピタキシャル
層１０７と基板１１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エピタキシャル層１０９を形成し、エツチング注入
口１０８をとじる。

〈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３１
．第２振動子３２と連結梁３３との結合部分が複雑とな
り、エピタキシャル成長が結晶方位によって異なるため
、結合部分の結晶形成が綺麗に出来ない、また、シェル
６０と第１振動子３１、第２振動子３２との間の隙間６
２が狭くなる等の問題があり、製造上の歩留りを悪くす
るとの問題があった。

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比が良好で安定な出力信号が得
られ、安価なメカニカルフィルターを提供するにある。

く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
備するメカニカルフィルターにおいて、両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され長さと
幅と厚さがほぼ等しい第１振動子と第２振動子とを備え
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、前記第２振動子の両端に発生ずる起電力を検出
する振動検出手段とを具備してなるメカニカルフィルタ
ーを構成したものである。

く作用〉以上の構成において、振動子には、直交するように交流磁界が掛けられている
。

第１振動子の両端に入力交番電流を流すと、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される。

この場合の振動周波数は、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。

このとき、第２振動子も、同形状、同張力であると、等
しい固有振動数を持つために、励振された第１振動子の
振動ネルギーが、第１振動子の両端の壁を介して伝達し
、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。

以下、実施例に基づき詳細に説明する。

〈実施例〉第１図は本発明の一実施例の要部構成説明図で、第２図
は実際の使用例、第３図は第２図のＢ−）１断面図、第
４図は第１図の動作説明図である。

図において、第８図と同一記号の構成は同一・機能を表
わす。

以下、第８図と相違部分のみ説明する。

第８図との相違は、第１振動子３］と第２振動子３２と
を連結する連結梁３３がないのみである。

しかして、第１振動子３１と第２振動子３２とは近接し
て設りられ、その長さ、幅、厚さは等しく形成されてい
る。

以上の構成において、振動子３１．３２には、直交するように交流磁界をかけ
、第１振動子３１の両端に入力交番電流を流すと、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、第２振動子３２も、同形状、同張力であると
、等しい固有振動数を持つために、励振された第１振動
子３１の振動ネルギーか、第１振動子３１の両端の壁を
介して伝達し、第２振動子３２も同じ振動数で振動する
。

第２振動子３２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、（１）振動子本体３０の形状が２本の振動子３１゜３２
のみとなり、第８図従来例の様な連結梁３３が無くなっ
た為に、製造プロセスの歩留が大幅に向上する。

（２）励振電流を流す第１振動子３１と、起電力検出用
の第２振動子３２は電気的に完全に、絶縁されているた
め、高い入力成分除去比（Ｓ／Ｎ比）か得られる。

（３）振動子本体３０に、振動子３１．３２の軸に直角
方向に、第４図に示すごとき、歪みε。が加わると、従
来例の振動子本体・３０では、連結梁３３のなめに、第
４図（Ａ）の破線の様な変形を生じ、第１ｆｉ＋動子３
１．第２振動子３２の固有振動数が変化するという問題
があった。

しかし、本発明では、第４図（Ｂ）の破線の様な変形を
生じ、誤差を生じない。

〈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
メカニカルフィルタにおいて、両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され長さと
幅と厚さがほぼ等しい第１振動子と第２振動子とを備え
る振動子本体と、該振動子本体に直交するＦｌ’ｌ流磁
界流加界第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、前記第２振動子の両端に発生する起電力
を検出する振動検出手段とを具（＋ｔｔｉ　してなるメ
カニカルフィルタを構成した。

この結果、（１）振動子本体の形状が２木の振動子のみとなり、従
来例の様な連結梁が無くなった為に、製造プロセスの歩
留が大幅に向上する。

（２）励ｒ２電流を流す第１振動子と、起電力検出用の
第２振動子は電気的に完全に、絶縁されているため、高
い入力成分除去比（Ｓ／Ｎ比）が得られる。

＜３）！動子本体に、振動子の軸に直角方向に、歪みが
加わると、従来例の振動子本体では、連結梁の存在のな
めに、第１振動子、第２　ＪＭ動子の固有振動数が変化
するという問題があったが、本発明では、誤差を生じな
い。

従って、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が良好で安定な出力
信号が得られ、安価なメカニカルフィルターを実現する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１し１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構成説明図で、第３図は第２
図のＢ−Ｂ断面図、第４図は第１図の動作説明図、第５
図〜第７図は従来より一般に使用されている従来例の構
成説明図で、第５図は要部構成説明図、第６図は第５図
のＡ−Ａ断面図、第７図は第５図を電気回路で示した図
、第８図〜第１】図は特願昭６２−２７１５５７号の構
成説明図である。１１・・・基板、１３・・・磁石、３０・・・振動子本
体、３１・・・第１ｆＡ動子、３２・・・第２振動子、
４０・・・励振手段、１１１・・・入カドランス、４２
・・・入力端子、５０・・・振動検出手段、５１・・・
出カドランス、５２・・・増幅器、５３・・・出力端子
、６０・・・シェル、６１・・・真空室、６２・・・隙
間。第５図第６図０冒第ス；　９　四第図

Claims

【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メカニカルフィルターにおいて
、両端が前記基板に固定され互いに平行に配置され長さと
幅と厚さがほぼ等しい第１振動子と第２振動子とを備え
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する
振動検出手段とを具備してなるメカニカルフィルター。