JPH04297838A - 振動形半導体トランスデュ―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Ｓ／Ｎ比が高く、自励発
振を安定に起こす事ができる振動形半導体トランスデュ
―サに関するものである。

【従来の技術】図１５〜図１９は、昭和６１年６月６日
出願の特願昭６１−１３１４５６号「振動式半導体トラ
ンスデュ―サ」の一実施例の構成説明図である。図１５
は振動形トランスデュ―サを圧力センサとして用いた構
成斜視図、図１６は図１５におけるＡ部の拡大平面図に
電気配線を施した図、図１７は図１６のＡ−Ａ断面図、
図１８は図１６を電気回路で示した図であり、図１９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、１０は｛
１００｝面を有する、例えば不純物濃度１０１５原子／
ｃｍ３　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１１の表面（
エッチングしない面）には部分的に不純物濃度１０１７
程度のｎ＋　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はダイアフラム１１に形成された
ｎ＋　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ＳｉＯ２　膜（
図１７参照）である。１５ａ、１５ｂは例えばアルミな
どの金属電極で、この金属電極１５ａの一端は振動梁１
２から延長したｎ＋　層にＳｉＯ２　層に設けたコンタ
クトホ―ル１６ａ、を通じて接続され、他端はリ―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２
０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
Ｌ１　の他端はコモンラインに接続されている。一方比
較抵抗Ｒ０　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の他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
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―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、コイルＬ１　
に正帰還すると、系は振動梁１２の固有振動数で自励発
振する。上記構成において、振動梁１２のインピ―ダン
スＲは固有振動数に応じて上昇する。このインピ―ダン
スＲは、次式のように表わすことができる。 Ｒ◆（１／２２２）・（１／（Ｅｇγ）１／２　）・（
ＡＢ２　ｌ２　／ｂｈ２　）・Ｑ＋Ｒ０ここで、◆は近
似等号符号を表わすものとする。 Ｅ；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―ドによって決まる定数 Ｂ；磁束密度 ｌ；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 Ｒ０　；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トランス
デュ―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。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（ボロン）を４×１０
１９原子／ｃｍ３　以上拡散して選択性エッチングによ
り形成したものを用いてもよい。

【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、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、励振電流の励振成
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。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
得られる振動形半導体トランスデュ―サを提供するにあ
る。

【課題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―サにおいて、両端が前記基板に固定され互いに同心
円状に配置された柱状の中心部振動子と筒状の外周部振
動子と該外周部振動子と前記中心部振動子とを絶縁する
筒状の絶縁体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前記外周部振動子と前記中心部
振動子とのいずれか一方の振動子の両端に交流電流を流
して磁気誘導作用により該一方の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、前記外周部振動子
と前記中心部振動子の内の他方の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
増幅器と必要な位相を与えるフイルタ―とを具備し前記
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―サを構成したものである。

【作用】以上の構成において、基板に外力が加わると、
振動子本体の固有振動数は外力に対応して変化する。振
動子本体の振動は振動検出手段により検出され周波数は
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。

【実施例】図１は本発明の一実施例の原理的要部構成説
明図で、分り易くするためカバ―部分を除いて示してあ
る。、図２は図１のＡ―Ａ断面図である。図において、
図１６と同一記号の構成は同一機能を表わす。以下、図
１６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
いに同心円状に配置された柱状の中心部振動子３１と筒
状の外周部振動子３２と、中心部振動子３１と筒状の外
周部振動子３２とを絶縁する筒状の絶縁体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
１３により加え外周部振動子３２と中心部振動子３１と
のいずれか一方の振動子の両端に交流電流を流して磁気
誘導作用により一方の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。この場合は、中心部振動
子３１が励振される。入力トランス４１は、二次側が中
心部振動子３１の両端に接続されている。５０は、外周
部振動子３２と中心部振動子３１の内の他方の振動子の
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と必要な位相を与えるフイルタ―と
を具備し振動子本体３０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である。この場合は
、出力トランス５１、増幅器５２が用いられている。 出力トランス５１の一次側は、外周部振動子５２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
に接続されると共に、分岐して入力トランス４１の一次
側に接続されている。以上の構成において、励振手段４
０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、励振用の中心部振動子３１と、起電力
検出用の外周部振動子３２とに分けられ、中心部振動子
３１と外周部振動子３２とは絶縁体３３により電気的に
絶縁され、振動に対しては機械的に結合されているため
、高い励振成分除去比（Ｓ／Ｎ比）が得られる。図３は
、振動子本体３０の実際例である。図４は図３のＢ−Ｂ
断面図、図５は図３のＣ−Ｃ断面図である。振動子本体
３０は、Ｃ−Ｃ断面付近で基板１に接続固定されている
。図において、６０は、振動子本体３０を、覆うシエル
で、振動子本体３０との間の隙間は、真空に保たれ、真
空室６１が構成されている。７１は、中心部振動子３１
に連通する電極、７２は、外周部振動子３２に連通する
電極である。なお、上記トランスデュ―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。 本発明のトランスデュ―サは、例えば、以下の如くして
製作する。図６から図１４は、本発明のトランスデュ―
サの製作工程説明図である。 （１）図６に示す如く、ｎ型シリコン（１００）面にカ
ットされた基板１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１
０２をホトリソグラフィにより除去する。 （２）図７に示す如く、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１に所要
箇所１０２をエッチングして膜１０１をアンダ―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℃〜１
３０℃のアルカリ液による異方性エッチングでもよい。 （３）図８に示す如く、１０５０℃の水素（Ｈ２　）雰
囲気中で、ソ―スガスに塩化水素ガスを混入して、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１０１８ｃｍ−３のＰ形シリコンにより、真空室６１
の下半分に相当する第１エピタキシャル層１０４を選択
エピタキシャル成長させる。■ボロンの濃度３×１０１
９ｃｍ−３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、中
心部振動子３１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
１８ｃｍ−３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、真空室６１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３×１０１９ｃｍ−３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の一部に相当する第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）図９に示す如く、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）でエッ
チングして除去し、エッチング注入口１０８を設ける。 （５）図１０に示す如く、第４層に対して、基板１に正
のパルスあるいは正の電圧を印加して、エッチング注入
口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を選択エッ
チングして除去する。第２エピタキシャル層１０５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との間にエッチング作用の差があるのは、ボロ
ンの濃度が３×１０１９ｃｍ−３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。 （６）図１１に示す如く、全体にシリコン酸化物あるい
はシリコン窒化物の膜１０９を形成する。この場合は、
酸化シリコン膜１０９を形成する。 （７）図１２に示す如く、９５０℃、２００Ｔｏｒｒ中
で、シラン（ＳｉＨ４　）０．３ｌ／ｍｉｎ、フォスフ
ィン（ＰＨ３　）０．０００５ｌ／ｍｉｎ、水素２００
ｌ／ｍｉｎの状態で、リンを混入して、酸化シリコン膜
１０９の表面にリンド―プのポリシリコン層１１１を形
成し、エッチング注入口１０８を閉じる。この場合、第
２エピタキシャル成長層１０５の表面に、外周部振動子
３２に相当するリンド―プのポリシリコン層１１１が形
成される。 （８）図１３に示す如く、リンド―プのポリシリコン層
１１１の表面に、シエル６０の一部を構成するポリシリ
コン層１１１を形成する。 （９）図１４に示す如く、図３の形状が得られるように
パタ―ニングを行う。

【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―サにおいて、両端
が前記基板に固定され互いに同心円状に配置された柱状
の中心部振動子と筒状の外周部振動子と該外周部振動子
と前記中心部振動子とを絶縁する筒状の絶縁体とを備え
る振動子本体と、該振動子本体に直交する直流磁界を加
え前記外周部振動子と前記中心部振動子とのいずれか一
方の振動子の両端に交流電流を流して磁気誘導作用によ
り該一方の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、前記外周部振動子と前記中心部振動子の
内の他方の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と必要な位相を
与えるフイルタ―と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―サを構成
した。この結果、振動子本体は、励振用の中心部振動子
と、起電力検出用の外周部振動子とに分けられ、あるい
は、中心部振動子と外周部振動子の励振用と起電力検出
用の作用を逆にし、中心部振動子と外周部振動子とは絶
縁体により電気的に絶縁され、振動に対しては機械的に
結合されているため、高い励振成分除去比（Ｓ／Ｎ比）
が得られる。従って、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が良好
で安定な周波数出力信号が得られる振動形半導体トラン
スデュ―サを実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部斜視図である。

【図２】図１の要部構成説明図である。

【図３】図１の要部詳細図である。

【図４】図３のＢ―Ｂ断面図である。

【図５】図３のＣ―Ｃ断面図である。

【図６】図１の製作説明図である。

【図７】図１の製作説明図である。

【図８】図１の製作説明図である。

【図９】図１の製作説明図である。

【図１０】図１の製作説明図である。

【図１１】図１の製作説明図である。

【図１２】図１の製作説明図である。

【図１３】図１の製作説明図である。

【図１４】図１の製作説明図である。

【図１５】振動形トランスデュ―サを圧力センサとして
用いた構成斜視図である。

【図１６】図１５におけるＡ部の拡大平面図に電気配線
を施した図である。

【図１７】図１６のＡ−Ａ断面図である。

【図１８】図１６を電気回路で示した図である。

【図１９】図１６における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た図である。

【符号の説明】

１０…基板 １１…ダイアフラム １３…磁石 ３０…振動子本体 ３１…中心部振動子 ３２…外周部振動子 ３３…絶縁体 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン単結晶の基板上に設けられたシリ
   コン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
   ―サにおいて、両端が前記基板に固定され互いに同心円
   状に配置された柱状の中心部振動子と筒状の外周部振動
   子と該外周部振動子と前記中心部振動子とを絶縁する筒
   状の絶縁体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前記外周部振動子と前記中心部振
   動子とのいずれか一方の振動子の両端に交流電流を流し
   て磁気誘導作用により該一方の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、前記外周部振動子と
   前記中心部振動子の内の他方の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
   幅器と必要な位相を与えるフイルタ―とを具備し前記振
   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―サ。