(57)【要約】【課題】静圧や温度によらない差圧センサと共に、温度や差圧によらず静圧のみに感度を有する静圧センサを実現する。【解決手段】弾性を有する半導体基板の所定の領域に形成された受圧ダイアフラムと、該受圧ダイアフラムの表面の中心部と周縁部に形成された振動子と、前記半導体基板の裏面に接合されたベースを有する振動式圧力センサにおいて、前記受圧ダイアフラムが形成された領域外の前記半導体基板と前記ベースとの間に空隙部を設け、前記空隙部に位置する領域に少なくとも一つの振動子を配置した。【選択図】図１
2011085407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有する半導体基板の所定の領域に形成された受圧ダイアフラムと、該受圧ダイアフラムの表面の中心部と周縁部に形成された振動子と、前記半導体基板の裏面に接合されたベースを有する振動式圧力センサにおいて、前記受圧ダイアフラムが形成された領域外の前記半導体基板と前記ベースとの間に空隙部を設け、前記空隙部に位置する領域に少なくとも一つの振動子を配置したことを特徴とする振動式圧力センサ。
【請求項２】
前記半導体基板は矩形状とされ、半導体基板と前記ベースとの間に形成した空隙部が、前記半導体基板外周の一辺に設けられたことを特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。
【請求項３】
請求項１記載の圧力センサにおいて、前記半導体基板と前記ベースとの空隙部の領域が、前記半導体基板の四隅のうち少なくとも一隅に設けられたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記空隙部の領域はベースの一部に段差を設けて形成したことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記空隙部の領域は半導体基板の一部に段差を設けて形成したことを特徴とする請求項
請求項１記載の振動式圧力センサ。
【請求項６】
前記空隙部の領域は前記ベースの一部に貫通穴を設けて形成したことを特徴とする請求項１記載の振動式圧力センサ。
【請求項７】
前記ダイアフラムの中心に配置された振動子の固有振動数と周縁部に形成された振動子の固有振動数から差圧を算出する演算手段と、前記空隙部の領域に形成された振動子の固有振動数から静圧を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は差圧伝送器や圧力伝送器に用いて好適な振動式圧力センサに関し、詳しくは、半導体微細加工技術を用いてシリコン基板に形成した振動子を、その固有振動数で振動させておき、基板に加えられる力または環境変化に対応して振動子に生ずる振動周波数の変化を検出する方式の振動式圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の振動式圧力センサは特開昭６０−１８６７２５、特公平４−６８５７５に記載されているようにダイアフラムの中心部と周縁部に、半導体微細加工の技術を用いて振動子が１個ずつ形成されている構成である。
【０００３】
図６は上記の先行特許文献に記載された振動圧力センサの平面（ａ）および（ａ）図のＡ−Ａ'断面図（ｂ）である。図６（ａ，ｂ）において、１０は矩形状のシリコン基板であり、中央部に８角形状の受圧ダイアフラム１４が形成されている。
【０００４】
この受圧ダイアフラム１４はシリコン基板１０の一方の面をエッチングすることにより形成され、このエッチング面はベース２０と張り合わされて空洞部１４ａが形成されている。２１は圧力を空洞部１４ａに導入するための導入孔である。
【０００５】
１１，１２はダイアフラム１４上に両端が形成された振動子でＣ振動子１１はダイアフラム１４のほぼ中央部に、Ｒ振動子１２はダイアフラム１４の周辺部に公知の方法によりそれぞれ形成されている。このように形成された振動子は例えば長さｌ＝１ｍｍ、厚さｈ＝５μｍ、幅ｄ＝３５μｍ程度に形成されている。
【０００６】
Ｃ振動子１１およびＲ振動子１２は、例えば選択エピタキシャル成長、犠牲層エッチング、封止のためのエピタキシャル成長などによって、シリコンのカバー１４ｂで覆われており、その内部空間１４ｃを真空状態（シェル構造）に保持している。なお、図６（ａ）ではカバー１４ｂは省略している。
以上の構成において、中心部の振動子の固有振動数をｆｃ、周縁部の振動子の固有振動数をｆｒとすると、このダイアフラムに差圧が印加された場合、両者の固有振動数は変化するが、その変化の方向は逆となる（逆相）。
【０００７】
また、静圧が印加された場合は、振動子を内蔵するシェル構造が圧縮されるため、ｆｃ、ｆｒともその振動数が低下する（同相）。さらにダイアフラムが形成されたシリコン基板は通常、硼珪酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラスなど）からなるベースに接合されているため、半導体基板との熱膨張率差によって、温度変化に伴いシリコン基板上に歪が発生し、この歪はｆｃ、ｆｒに同相に影響する。
【０００８】
ｆｃ、ｆｒに対し、差圧入力は逆相、静圧入力と温度変化に対しては同相に変化するのでｆｃ、ｆｒの差信号を取ることで、差圧のみに感度を有する（温度と静圧によらない）差圧センサを構成している。さらに、ｆｃとｆｒの和信号を取ることで差圧の影響を除去し、静圧信号を取りだしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６０−１８６７２５号公報
【特許文献２】特公平４−６８５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来の技術は、温度入力に対しｆｃとｆｒは同相に動くため、和信号を取ると温度依存性も残ってしまい、その信号は静圧入力＋温度変化に対する出力となり、静圧のみの（差圧にも温度にも依存しない）出力が得られないという問題があった。このため、実際には温度センサを設けて、これによって更に補正を行っていた。
従って本発明の目的は振動式の圧力センサであって、静圧や温度によらない差圧センサと共に、温度や差圧によらず静圧のみに感度を有する静圧センサを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載の振動式圧力センサの発明においては、
弾性を有する半導体基板の所定の領域に形成された受圧ダイアフラムと、該受圧ダイアフラムの表面の中心部と周縁部に形成された振動子と、前記半導体基板の裏面に接合されたベースを有する振動式圧力センサにおいて、前記受圧ダイアフラムが形成された領域外の前記半導体基板と前記ベースとの間に空隙部を設け、前記空隙部に位置する領域に少なくとも一つの振動子を配置したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の振動式圧力センサの発明においては、
請求項１記載の振動式圧力センサにおいて、前記半導体基板は矩形状とされ、半導体基板と前記ベースとの間に形成した空隙部が、前記半導体基板外周の一辺に設けられたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の振動式圧力センサの発明においては、
請求項１記載の圧力センサにおいて、前記半導体基板と前記ベースとの空隙部の領域が、前記半導体基板の四隅のうち少なくとも一隅に設けられたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の振動式圧力センサの発明においては、
請求項１記載の圧力センサにおいて、前記空隙部の領域はベースの一部に段差を設けて形成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の振動式圧力センサの発明においては、
請求項１記載の振動式圧力センサにおいて、前記空隙部の領域は半導体基板の一部に段差を設けて形成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の振動式圧力センサの発明においては、
請求項１記載の振動式圧力センサにおいて、前記空隙部の領域は前記ベースの一部に貫通穴を設けて形成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の振動式圧力センサの発明においては、
請求項１記載の圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの中心に配置された振動子の固有振動数と周縁部に形成された振動子の固有振動数から差圧を算出する演算手段と、前記空隙部の領域に形成された振動子の固有振動数から静圧を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１乃至７記載の発明によれば、振動式圧力センサにおいて温度に依存しない静圧信号を得ることが可能になる。さらに従来の静圧センサのような温度補正を必要とせず信号処理の簡略化が可能となる。このセンサを振動式圧力伝送器に用いることで、より高精度な差圧、圧力伝送器が実現できる。
【００１９】
本発明の請求項２記載の発明によれば、コーナー部のスペースに静圧用振動子１３を設けることで、シリコン基板のサイズを小型化できる利点がある。
【００２０】
本発明の請求項３記載の発明によれば、シリコン基板１０側に段差を設けている。そのためダイアフラム１４を形成するエッチング工程で同時に段差もエッチング加工できるため、工程の簡略化が可能となる。
本発明の請求項４記載の発明によれば、貫通孔（２２）は、ベース導圧口２１を明けるのと同じ工程で明けることができ、簡単な加工で形成できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の振動式圧力センサの実施形態の一例を示す平面図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ’断面図（ｂ）、（ａ）図のＢ−Ｂ’断面図（ｃ）である。
【図２】差圧・静圧の演算式を演算手順に従って示す図である。
【図３】他の実施例を示す平面図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図４】他の実施例を示す断面図である。
【図５】他の実施例を示す断面図である。
【図６】従来の振動式圧力センサの一例を示す平面図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の実施形態の一例を示す平面図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ’断面図（ｂ）、（ａ）図のＢ−Ｂ’断面図（ｃ）である。
図１において、半導体（シリコン）基板１０の表面にＣ振動子１１、Ｒ振動子１２、Ｓ振動子１３が形成され、裏面側はアルカリエッチング液(ＫＯＨ、ＴＭＡＨ水溶液など)によってシリコン基板１０がエッチングされ、ダイアフラム１４が形成されている。
【００２３】
Ｃ振動子１１はこのダイアフラムの中心部に、Ｒ振動子１２はダイアフラムの周縁部に配置される。また、シリコン基板１０は硼珪酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラスなど）からなるベース２０に陽極接合などの手段で接合される。このベース２０の接合面の一辺は接合前にダイサー加工やエッチングにより削られ、シリコン基板１０との間に接合されない空隙部２２が形成されている。
【００２４】
シリコン基板１０のサイズが数ミリとすれば、その削り幅は数百ミクロン、削り深さは、加工方法によっても異なるが、十ミクロン程度〜数百ミクロン程度の寸法である。Ｓ振動子１３はこの空隙部２２上のシリコン基板１０上に形成される。Ｓ振動子１３を空隙部２２上に設けることで、シリコン基板１０とベース２０の熱膨張率差による歪はほとんど無視できる程小さくなり、固有振動数ｆｓは温度影響を受けず、静圧にのみ感度を有するようになる。
【００２５】
以下数式を用いて簡単に説明する。一般に振動子の固有振動数をｆとすると、以下のように表現することができる。
ｆ＝ｆ0（１＋ｋ・ε）0.5                    -----（１）
ここで、ｆ0＝振動子に加わる歪がゼロの場合の固有振動数（振動子の材質（弾性係数）、形状で決まる値）。
ε＝振動子にかかる歪。
ｋ＝比例定数（振動子の形状によって決まる定数）。
【００２６】
歪εは、圧力センサの製作プロセスで発生する初期歪ε0、差圧に起因する歪εdp、静圧に起因する歪εsp、温度に起因する歪εtの和からなるものである。
ｆc2／ｆ02＝１＋ｋc・（ε0＋εdp＋εsp＋εt）      -----（２）
入力差圧dp＝0、静圧sp=0、基準温度（室温Rt）での発振周波数をfc0とすると、
ｆc02／ｆ02＝１＋ｋc・（ε0＋εRT）                  -----（３）
となる。よって、Ｃ振動子のｆｃとfc0の比は、
（fc/fc0）2＝1＋ｋｃ・（εdp＋εsp＋εt―εRT）      -----（４）
と表せる。一方Ｒ振動子では、
ｆr2／ｆ02＝１＋ｋr・（ε0―εdp＋εsp＋εt）      -----（５）
ｆc02／ｆ02＝１＋ｋr・（ε0＋εRT）                  -----（６）
となるから、これらの比は、
（fr/fr0）2＝1＋ｋr・（−εdp＋εsp＋εt―εRT）      -----（７）
である。（４）式と（７）式から、
((fc／fc0)2−１)/kc−((fr／fr0)2−１)/kr＝2εdp      -----（８）
差圧に起因する歪εdpはダイアフラムの厚さ、径、弾性係数、ポアソン比によって定まる係数をαとして、差圧dＰに比例する。
εdp＝α・ｄP                                    -----（９）
（８）式から、差圧dＰは以下により求まる。
ｄP＝（1／2α）・〔((fc／fc0)2−１)/kc−((fr／fr0)2−１)/kr〕  -----（10）
次に、Ｓ振動子について考察する。
Ｓ振動子は、差圧や温度にほとんど依存しないため、初期歪と静圧歪の関数として、
ｆs2／ｆ02＝１＋ｋs・（ε0＋εsp）                    -----（11）
と書ける。静圧入力sp=0の発振周波数をfs0とすると、
ｆs02／ｆ02＝１＋ｋs・（ε0）                        -----（12）
よって、fsとfs0の比は、
（ｆs／ｆs0）2＝１＋ｋs・（εsp）                    -----（13）
となり、静圧spのみの関数となる。静圧歪εspはシエルの厚さ、サイズ、弾性係数などによって定まる定数をβとして、静圧spに比例する。
εsp＝β・SP                                    -----（14）
(13)式から、静圧SPは、温度と差圧に依らず、以下のようになる。
ＳＰ＝（１／βks）・〔（ｆs／ｆs0）2−１〕            -----（15）
【００２７】
図２は上述の演算式を演算手順に従って示すものであり、Ｃ振動子とＲ振動子の振動周波数から差圧信号を、Ｓ振動子の振動周波数から静圧信号を演算するための演算手段の手順を示す図である。
【００２８】
始めに差圧信号を求めるに際しては、手順（ａ）において振動子（Ｃ，Ｒ，Ｓ）の固有周波数（fc，fc0，fr，fr0，ｆs，ｆs0）を求め、手順（ｂ）においてfc/fc0，fr/fr0，ｆs/ｆs0の演算を行い、結果を２乗する。手順（ｃ）において２乗した値を各振動子の比例乗数（ひずみ感度係数）ｋで除算する。次に差圧信号を求める手順（ｄ）においては除算したＣ振動子の結果からＲ振動子の結果を減算してその差分を求める。
【００２９】
次に手順（ｅ）において手順（ｄ）により求めた差分にダイアフラム形状による係数を乗じ、手順（ｆ）にて差圧信号として出力する。
一方、静圧信号を求めるに際しては手順（ｃ）において２乗した値を各振動子の比例乗数（ひずみ感度係数）ｋで除算したＳ振動子の値をシェル形状による係数βで除して静圧信号として出力する。
【００３０】
参考のため、従来の静圧信号は、以下の式によって静圧を求めていた。
1/2｛（（fc/fc0）2−１）／kc＋(fr/fr0）2−１）／kr｝
＝εsp＋εt―εRT＋ε0    -----（16）
この式では、明らかに温度に依存する項を含み、静圧のみの信号を取り出すことはできず、温度補正を必要とすることがわかる。
【００３１】
従って、本発明によれば、振動式の圧力センサにおいて温度に依存しない静圧信号を得ることが可能になる。さらに従来の静圧センサのような温度補正を必要とせず信号処理の簡略が可能となる。このセンサを伝送器に用いることで、より高精度な差圧、圧力伝送器が実現できる。
【００３２】
図２は他の実施例を示す平面図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
静圧検出用のＳ振動子１３はシリコン基板１０の角部に配置され、空隙部２２もその振動子１３を含むエリアの角部に形成されたものである。
ダイアフラム１４を例えば８角形とした場合、コーナー部にスペースがあり、ここに静圧用振動子１３を設けることで、シリコン基板１０のサイズを小型化できる利点がある。
【００３３】
図３は他の実施例を示す断面図である。この実施例は空隙部２２の形成方法を変えた例を示している。図１，図２に示す実施例では、ベース２０の一部を削って空隙部２２を設けたが、この実施例では、シリコン基板１０側に段差を設けている。このような構造は、ダイアフラム１４を形成するエッチング工程で同時にエッチング加工できるため、工程の簡略化が可能となる。
図４は他の実施例を示す断面図である。この実施例は空隙部２２を貫通孔とした例である。この貫通孔（２２）は、ベース導圧口２１を明けるのと同じ工程で明けることができ、簡単な加工で形成できる利点がある。
【００３４】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０    半導体（シリコン）基板
１１    振動子
１２    振動子
１３    振動子
１４    ダイアフラム
１４ａ  空洞部
１４ｂ  カバー
１４ｃ  内部空間
２０    ベース
２１    導圧孔
２２    空隙部
【図１】
2011085407.tif 000003
【図２】
2011085407.tif 000004
【図３】
2011085407.tif 000005
【図４】
2011085407.tif 000006
【図５】
2011085407.tif 000007
【図６】
2011085407.tif 000008