JPH01127928A - 振動形歪センサ - 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、塞板に形成された振ｉ！Ｉ＠の測定圧力など
に対応した歪みを周波数信号として検出する振動形歪セ
ンサに係り、特に初期張力が加えられた振動梁を持つ振
動形歪センサに関する。

〈従来の技術〉 弦振動を用いた振動形歪センサは、例えば特開昭５４−
５６８８０号Ｆ振ｉｌｌ線装置」に開示されている。

ここに開示されているのは、差圧をダイアプラムで受け
て振動線に加わる張力の変化から差圧を検出する場合に
、この振動線に初期張力を与えるために振動線を取り囲
む一対の平坦で相互接続されたワッシャ状のゼロばねを
用いて振動線を引張る構成を取り、さらに張力の濡洩に
よる変化を防ぐ為に材料の膨張係数の差を利用している
。

また、半導体を用いた振動形歪センサは、例えば特願昭
５９−４２６３２号「圧力センサ」に開示されている。

この振動形歪センサについて、第７図から第９図を用い
てその概要を説明する。

第７図はこの従来の振動形歪センナのカバーをとった構
成を示す斜視図、第８図は第９図におけるｘ−ｘ断面に
おけるカバーをつけた断面図、第７図は一部を省略した
平面図である。

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
して測定圧力ＰｌＫを受ける受圧部とした受圧ダイアフ
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。

３．４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、振動梁３は受
圧ダイアフラム２のほぼ中央部に、振動梁４は受圧ダイ
アフラム２の周辺部にそれぞれ位置している。

これ等の振ｉＩＩ梁３．４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５ｔＯ２
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ｈ１幅をｄとすれば、！＝１００ａｍ、ｈ−１
μｍ１ｄ−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。なお、図示していないが振動梁４側も同じ
様に形成する。

この振ｖＪ梁３、カバー６、空洞部５、内部空間７など
で振動形トランスデユー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（４）に対して第１の左右のＰ十形エピタ
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、振動梁３（４）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
梁３が真空の中に保持されるので、共振の鋭さを示すＱ
値が大きくなり、共振周波数の検出が容易となる。

第８図に示すように測定圧力Ｐｕ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、振動梁４は圧縮応
力を受ける。

したがって、振動梁３と４の固有振動数は測定圧力に対
して差動的に変化し、これ等の差を演偉することによっ
て、２倍の感度で測定圧力Ｐ１を知ることができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の振動形歪センサは、前者
の機械式の振動形歪センサでは複雑な張力印加の構造を
とりさらに張力の安定度を保持するために多くの要素を
制御しなければならず、侵者の半導体式の振動形歪セン
サでは前者の機械式の振動形歪はンサに比べてその構成
が簡単になっているが初期張力を保持するために格別の
対策は講じられていないので、圧力に対する感度がバラ
ツクという欠点がある。また、圧縮Ｔみに対しては座屈
を生じる欠点がある。

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、両端が半導
体の基板に固定された半導体の振＃Ｊ梁の共振周波数を
測定することによりこの振動梁の両端に加えられた歪み
を測定する振動形歪センサにおいて、この基板を構成す
る主な原子の共有結合半径と異なる共有結合半径を持つ
他の原子をこの基板に混入させ振ｌｌｌ梁に初期張力を
与えるようにしたものである。

く作　用〉 基板を構成する主な原子の共有結合半径と異なる共有結
合半径を持つ他の原子をこの基板に混入させて基板に両
端が接合された振動梁に初期張力を与え、所定の感度を
維持する。

〈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１実施例を示す構成図であり、第１
図（イ）はその縦断面図、第１図（ロ）は（イ）におけ
るＹ−Ｙ断面を示す横所面図である。

８はシリコン基板であり、断面が矩形状のシリコンの振
動梁９はこのシリコン基板８の両端に固定され、この両
端を除いてシリコン基板８とは所定の間隔を保持して固
定されている。このシリコン基板８は、振動梁９に混入
された所定の共有結合半径を持つ原子に対して小さい共
有結合半径を持つ他の原子を混入させて振動梁９に初期
張力が与えられている。

この蛋ｖＪ梁９の上はシリコンのシェル１０で覆われて
中空室１１が形成され、この中は真空に保持されている
。

シリコン基板の底部には永久磁石１２が固定され振動梁
９に直流磁束のを印加し、振動梁９の振動が電気的に検
出できるようになっている。

第２図は第１図における振動形歪センサの要部を拡大し
て示す製造工程の説明図である。

１３はホウ１（Ｂ）の１ｌｉ１度が１Ｑ　Ｉ　７０　第
４の程度のＰ形のシリコンの保持基板である。

まづ、この上にｌＱ２’ｃｍ’のホウ素と５×１０”ｃ
ｍ−３以上のゲルマニウム（Ｇｅ）をドープしたＰ＋形
のシリコンのエピタキシャル層を第１エピタキシャル層
１４として形成する。

次に、この第１エピタキシャル層１４の上にさらにリン
（Ｐ）をＩ　Ｑ　Ｉ　ＩＩ　ｃ　ｍ橿ドープしたＮ形の
シリコンのエピタキシャル層を第２エピタキシヤル１１
２１１５として形成する。

第３に、この第２エピタキシャル層１５の上に長方形状
に不純物拡散、イオン注入、選択エピタキシャルなどに
よって１０”ｃｍ’のホウ素をドープしたＰ＋形の振動
梁９となる梁偵域１６を形成する。

第４に、この梁領域１６の周辺部をエツチングする際の
マスクとして熱酸化膜（Ｓｉ０２）１７を形成し、その
後フォトリソによって窓１８を開ける。

以上のようにして第２図（イ）に示すエツチング前の中
間工程を終る。

次に、第２図（ロ）に示すエツチング工程に進む。第２
図（イ）に示す中間工程で得た半製品をアルカリ液の中
に浸してエツチングすると、ホウ素の濃度が１Ｑ”ｃｍ
−’の梁ｗＸ域１６とＰ＋の第１エピタキシャル層１４
（底面）はアルカリ液でエツチングされないので、振動
梁９は図示のような矩形状の両端を除いて周囲と離間し
て形成される。

さらに、保持基板１３の部分は裏側からエツチングする
と除去され、第１エピタキシヤルＪｌｌ！１４と第２エ
ピタキシヤル１１５の厚さを加えた厚さを持つシリコン
基板８を得ることができる。

このシリコン基板８は永久磁石１２を除去して別の位置
に設けることによって差圧などを検出するダイヤフラム
として用いることもできる。

振ｖＪ＠９には振動形歪センサに例えば測定圧力Ｐｔが
印加されたときに１ｆ！助梁９が座屈を引き起こさない
ように初期張力を付与しておく必要があるが、以上の構
成により振動梁９に初期張力が付与される点について次
に説明する。

第３図は各種の不、純物の共有結合半径Ｒ９とシリコン
の共有結合半径Ｒ８Ｌに対する各種の不純物の共有結合
手ｔ！Ｒｔ／Ｒｓｔの関係を現している。第４図は不純
物の１ｌｉ１度に対する格子定数の変化を示している。

これ笠の図からシリコン＜Ｓｔ　）の共有結合半径１．
１７人に対してリン（Ｐ）は１．１０Ａ、ホウ素（Ｂ）
は０．８８人とシリコンよりも小さく、ゲルマニウム（
Ｇｅ）は１．２２Ａとシリコンよりも大きいことが判る
。

従って、これ等のドーパントとシリコンの共有結合半径
のｌ１ｆｉに対する加重平均をとると、その部分の共有
結合半径が算出され、この値の異なる２つの層が接触す
ることによつて歪みが生じることになる。例えば、ホウ
素或いはリンがシリコンの中に注入されるとこの部分は
縮むが、その縮みの程度は、第４図から例えばホウ素が
１０１０２６Ｏ’の濃度の場合の格子定数の変化は２×
１０−３人であり、一方シリコンの格子定数は５．４３
１人であるので約４Ｘ１０−４　　（−２Ｘ１０−コ１
５．４３１）の縮みとなる。４×１０″″４以上の縮み
を与えるには、注入間に比例してホウ素を注入すれば良
い。

以上の点を考慮すれば、梁領域１６にはホウ素が１０”
ｃｍ４ドーピングされているので、格子は非常に縮んで
いる。一方、第２エピタキシヤル！１５はリンが１Ｑ　
Ｉ　Ｉ　ｃ　ｒ７１橿程度ドーピングされているので、
梁領域１６より縮み方が小さく、このため＠ｇＡ域１６
に引張り歪みを生じさせている。しかし、第２エピタキ
シャル層１５はＰ＋である第１エピタキシャル層１４の
上に形成されたエピタキシャル層なので、第１エピタキ
シャル層１４の影響を受ける。もし、第１エピタキシャ
ル層１４がホウ素のみでドープされた層であれば、この
層の格子は梁領域１６と同様に縮み、従って第２エピタ
キシャル層１５も圧縮され梁領域１６に十分な張力が生
じな（なる。このため、Ｐ＋である第１エピタキシヤル
ｌｌ！ｇ１４にシリコンよりも共有結合半径の大きいゲ
ルマニウムを同時にドープして格子を拡げて張力が緩和
されないようにする。

さらに、ゲルマニウムの濃度を上げたり、第２エピタキ
シャル層１５にもゲルマニウムを混入すれば張力をより
大きくすることができる。

以上のようにして振動梁９に任意の初期張力を与えるこ
とができ、る。

第５図は第１図に示す振動形歪センサを励振する励振回
路と組み合わせた構成を示す全体構成図である。

１９は測定圧力を検出する第１図に示す振動形歪センサ
であり、２０は振動形歪センサ１９を励振してその共振
周波数の変化を取り出す励振回路である。

振動形歪センサ１９の振動梁９の両端からはリード線ｉ
ｔ　、１２が端子Ｔ＋　、Ｔ２にそれぞれ引き出されて
いる。

励振部２０は、中点タップ付きのトランス２１、増幅器
２２、および比較抵抗２３などで構成されている、。端
子Ｔ＋　、Ｔ２を介して接続された振動梁９と比較抵抗
２３との直列回路にはトランス２１の２次巻ＩＩＩ　ｎ
　２の電圧が印加されている。

さらに、振動梁９及び比較抵抗２３の接続点とトランス
２１の１次巻線ｎ１との間には増幅器２２が接続されて
正帰還がかけられ、その出力端から端子Ｔ３を介して発
振周波数を検出する。

振ａ＠９には永久磁石１２から直流ｔａ界のが印加され
ているので、第６図に示すように振動梁９に交流電流１
が流れると振＃Ｊ梁９に電磁力が働き振動する。この振
動は、中空す１１が真空状態に保持されているので振動
＠９のＱが数百〜数万の値と高く、共振すると大きな振
幅となる。従って、増幅器２２を介してトランス２１に
正帰還をかけると系は振動梁９の歪みにより異なる固有
振動数で自励発振をする。

シリコン基板８などの周囲から印加される測定圧力Ｐｔ
ｕによりシリコン基板８を構成するシリコンＳｔ＆−固
有の体積圧縮率で決定される圧縮歪により振動梁９の軸
方向の張力が変化して共振周波数ｆが変化するので、こ
の発振周波数ｆの変化から測定圧力ＰＩＬを知ることが
できる。

以上は、主として振動形歪センサの外側から測定圧力を
加えて振動梁が縮むことにより生じる発振周波数の相違
から歪みを検出する構成として説明したが、これに限る
ことはなく例えばダイヤフラムを持つ差圧／圧力センサ
、加速度センサなどに用いることもできる。

また、注入する原子はホウ素、リン、ゲルマニウムを例
として説明したが、これに限られることはない。

さらに、振ａ＠或いはこれを固定する基板の材質はシリ
コンに限られることはなく、例えばＧａＸＩＴＬ（＋−
χ）Ｇａ　Ａｓの振動梁を形成しても張力が発生する。

く発１■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、不純物を制御するだけで任意の大きさでしかも安
定に初期張力を加えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は第１図に示す振動形歪センサを製造する工程を説明す
る説明図、第３図は各種の不純物の共有結合半径とシリ
コンの共有結合半径に対する各種の不純物の共有結合半
径の比を示す特性図、第４図は不純物の濃度に対する格
子定数の変化を示す特性図、第５図は第１図に示す１！
妨形歪Ｃンサを励振する励振回路を示すブロック図、第
６図は第５図に示す励振状態を説明する説明図、第７図
は従来の振動膨圧力センサの構成を示す射視図、第８図
は第７図におけるｘ−Ｘ断面でカバーをつけた断面図、
第９図は第８図で一部を省略して示した平面図である。 １．８・・・シリコン基板、２・・・受圧ダイアフラム
、３．４．９・・・振動梁、１１・・・中空室、１２・
・・永久磁石、１３・・・保持基板、１４・・・第１エ
ピタキシャル層、１５・・・第２エピタキシャル層、１
６・・・梁領域、１９・・・振動形歪ヒンサ、２０・・
・励振回路。 第３図 第４図 第５図 第　６　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 両端が半導体の基板に固定された半導体の振動梁の共振
   周波数を測定することによりこの振動梁の両端に加えら
   れた歪みを測定する振動形歪センサにおいて、前記基板
   を構成する主な原子の共有結合半径と異なる共有結合半
   径を持つ他の原子を前記基板に混入させ前記振動梁に初
   期張力を与えることを特徴とする振動形歪センサ。