CN102667402A - 包括钝化层的共振器、包括这种共振器的振动传感器以及制造方法 - Google Patents

包括钝化层的共振器、包括这种共振器的振动传感器以及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种共振器(3)，该共振器包括硅基材料的本体，该本体具有至少一个共振部分(Z)，该至少一个共振部分(Z)包括覆盖于导电层(9)内的至少一个部分和未覆盖于导电层内的至少一个部分，该共振器的特征在于，未覆盖于导电层内的所述部分以如此方式覆盖于钝化层(10，10′)内，即，在共振部分内，硅基材料被导电层和钝化层的组合完全覆盖。本发明还提供一种振动传感器。

Description

包括钝化层的共振器、包括这种共振器的振动传感器以及制造方法
本发明涉及一种共振器、包括这种共振器的振动传感器以及制造该共振器的方法。这种共振器例如用于陀螺仪型振动传感器。
振动传感器的一般原理是使共振器振动并检测代表加速度对振动的影响的物理幅度。
存在包括其上安装有共振器的电极载板的振动传感器。共振器包括具有大体半球形共振部分的本体，该本体带有通过传感器杆连接到电极载板的极。共振部分包括由外表面和内表面限定的半球形腹板，这些表面具有通过平坦的环形表面彼此连接的自由边缘，该环形表面面向固定到电极载板的电极延伸。共振部分和杆覆盖于导电层内。导电层和电极连接到不同的电势，以使腹板经受周期性的椭圆变形并例如根据取决于形成于电极和平面环状表面之间的间隙的电容值来探测到椭圆的定向。
本体由二氧化硅制成，这是因为二氧化硅的各向同性的特性和非常小的机械阻尼。
在广泛应用的实施例中，共振部分和杆完全覆盖于形成导电层的铬层内(参加，例如文献US-A-2003/0019296)。
然而，继而发现铬层导致不可忽略的机械阻尼。
因此，考虑铬层未在共振部分全体上延伸的共振器：然后，铬层覆盖杆和环状表面，并且设有在内表面上从杆延伸到环状表面的分支。这使阻尼可以大幅减小，由此致使包含这种共振器的振动传感器的性能较大提高。
然后，用铂来代替这些共振器中的铬使振动传感器的性能进一步改善。
文献EP-A-1445580公开了一种具有被导电金属涂层完全覆盖的内表面和未被覆盖的外表面的共振器。
然而，二氧化硅是具有倾向于形成与其周围环境的结合的非常活性的表面的材料。二氧化硅会在其表面上覆盖有呈强极性并能与周围环境中的示例结合的硅烷醇Si-OH或硅烷Si-H的基团。在振动传感器中，共振器处于真空，因而，这种二氧化硅的污染不会发生。然而，引导本发明的研究已示出，即使污染水平较低，未被导电层覆盖的二氧化硅的这种污染也造成几何形状特性以及共振器的机械阻尼的不稳定和各向异性的改性。这种改性有可能导致不能电子补偿的漂移，这是因为它是不稳定的。
根据本发明，设置有一种共振器，该共振器包括硅基材料的本体，该本体具有至少一个共振部分，该至少一个共振部分包括覆盖于导电层内的至少一个部分和未覆盖于导电层内的至少一个部分，未覆盖于导电层内的部分以如此方式覆盖于钝化层内，即，在共振部分内，硅基材料被导电层和钝化层的组合完全覆盖。
因此，钝化层保护硅基材料，以使硅基材料不再暴露于在其共振部分内的污染物。由于钝化层的主要功能仅仅是使硅基材料与其周围环境隔开，所以钝化层的厚度可以减小到非常少地或根本不降低其机械特征并且特别是非常少地或根本不降低共振部分的阻尼的最小程度。
有利地，钝化层由贵金属制成并且贵金属较佳地是铂。
因此，钝化层对共振器的性能的影响减到最小。
在钝化层的有利的实施例中，导电层和钝化层由相同材料制成并且导电层的厚度大于钝化层的厚度。
这使共振器更易于制造。
在共振器的本体的有利实施例中，共振部分包括由未被钝化层覆盖的外表面和内表面限定的大体半球形的至少一个腹板部，这些表面具有通过被导电层覆盖的平坦环状表面彼此连接的自由边缘，并且较佳地，导电层具有在内表面上从环状表面延伸到内表面的极的分支。
如此制造的共振器具有向包含该共振器的振动传感器赋予良好性能的机械特性。
本发明还提供一种振动传感器，该振动传感器包括电极载板和共振器，本体包括将共振部分如此连接到电极载板的杆，即，导电层面向固定于电极载板的电极延伸，覆盖于导电层内的杆通过电气连接装置连接到环状表面的导电层。
最后，本发明提供一种制造共振器的方法，该共振器包括硅基材料的本体，该本体具有至少一个共振部分，该至少一个共振部分包括覆盖于导电层内的至少一个第一部分和覆盖于与导电层相同材料的钝化层内的至少一个第二部分，该方法包括如下步骤：将足以形成钝化层的材料厚度沉积到第一部分和第二部分上，然后将材料厚度以如下方式再一次沉积到第一部分上，即，沉积于第一部分上的材料总厚度足以形成导电层。
这种制造方法特别简单。
在阅读本发明的特定、非限制性实施例的以下说明之后，本发明的其它特征和优点会显现出来。
参照附图，其中：
图1是第一实施例中的传感器的轴向剖视图；以及
图2是第二实施例中的传感器的与图1类似的视图。
参照附图，根据本发明的振动传感器包括电极载板1，该电极载板1上形成有电极2的电极载板1，这些电极呈环状设置并连接到控制单元(未示出)。
电极载板1固定到包括二氧化硅本体的、总地标记为3的共振器。本体包括由外表面5和内表面限定的半球形腹板4，这些表面具有通过平坦的环状表面7彼此连接的自由边缘。
杆8从半球形腹板4的极沿直径延伸，以具有突出超过环状表面7的自由端，从而固定到电极载板1。
半球形腹板4的从平坦的环状表面7向极延伸经腹板高度的约80-90％的区域Z构成共振器3的本体的共振部分(该部分参照区域Z被标记为Z)。
导电层9在共振器3的本体上延伸，所述层包括覆盖杆8的大体圆柱形部9.1、覆盖环状表面7的平坦的环状部9.2以及在内表面6上于圆柱形部9.1与平坦的环状部9.2之间延伸的分支9.3。
在图1中所示的第一实施例中，导电层9因此使所有的外表面5以及内表面6的、在分支9.3之间延伸的那些部分未被覆盖。钝化层10在这些未覆盖的表面部分上延伸：因此，所有的外表面5以及内表面6的、在分支9.3之间延伸的部分被钝化层10覆盖。
导电层9和钝化层10由同一导电材料制成，该导电材料在使用共振器时相对于共振器3的周围环境来说在化学上是惰性的。选择的材料是贵金属，在此是铂。
导电层9的厚度大于钝化层10的厚度。导电层9具有大于15纳米(nm)的厚度并较佳地等于约50纳米，而钝化层10具有在1纳米到10纳米范围内的厚度，并较佳地等于约5纳米(附图中所示的厚度比是任意的)。
制成共振器的方法包括如下步骤：将足以形成钝化层10的材料厚度沉积到共振器3的整个表面上，然后将附加厚度的材料沉积到杆8上、平坦的环状表面7上和内表面6上，以使沉积于第一部分上的材料总厚度足以形成导电层9的圆柱形部9.1、平坦的环状部9.2以及分支9.3。
借助示例，通过以下方式来施加第一铂层：使用断开二氧化硅内的硅键的方式来施加铂，并使铂在一温度下经受退火，该温度高到足以减小铂内的电阻率，同时保持导电层的电气连接。在此示例中，通过阴极溅射来施加铂。退火在位于400℃到550℃的范围内、并较佳地在550℃的温度下进行。
在图2中所示的第二实施例中，钝化层10′覆盖未被导电层覆盖的表面部分，但仅在共振部分Z内。因此，外表面5的极区域既未被导电层9也未被钝化层10′覆盖。
当然，本发明不限于所述实施例，而是覆盖落入由权利要求书所限定的本发明的范围内的任何变型。
特别是，钝化层延伸远至杆上的导电层，并具有足以确保两导电层之间的导电的厚度。
钝化层的材料可与所述材料不同并且可以与导电层的材料不同。具有能产生与硅的键合的任何不锈钢材料适合用于形成钝化层，例如铂、铱、锇、铑或钌。
共振器可包括硅基材料的本体，该本体具有包括覆盖于导电层9内的至少一个部分和未覆盖于导电层内的至少一个部分的至少一个共振部分Z，共振器的特征在于未覆盖于导电层内的部分以如下方式覆盖于钝化层10、10′内，即，在共振部分内，硅基材料被导电层和钝化层的组合完全覆盖，该钝化层的材料与导电层的材料不同并具有或不具有等于导电层厚度的的厚度。钝化层的与导电层不同的材料可以是诸如金属的导电材料。
在变型中，可通过钝化层提供导电层的部9.1至导电层的部9.2的电气连接，假定它具有相对于其面积足以确保电荷充分转移的厚度(由于钝化层的面积相对较大，它的厚度可以相对较小)。
尽管参照由SiO2制成的基质来描述本发明，但还可应用于其它硅化合物、特别是SiN、SiC、晶体、多晶体或多孔Si、铸造石英、...。
共振器可以呈不同于所述的形状，例如它可以呈梁的形式。

Claims (9)

1.一种共振器(3)，所述共振器包括硅基材料的本体，所述本体具有至少一个共振部分(Z)，所述至少一个共振部分(Z)包括覆盖于导电层(9)内的至少一个部分和未覆盖于导电层内的至少一个部分，所述共振器的特征在于，未覆盖于导电层内的所述部分以如此方式覆盖于钝化层(10，10′)内，即，在所述共振部分内，所述硅基材料被所述导电层和所述钝化层的组合完全覆盖。
2.如权利要求1所述的共振器，其特征在于，所述钝化层(10，10′)由贵金属制成。
3.如权利要求2所述的共振器，其特征在于，所述贵金属板是铂。
4.如权利要求1所述的共振器，其特征在于，所述导电层(9)和所述钝化层(10，10′)由相同的材料制成，并且所述导电层的厚度大于所述钝化层的厚度。
5.如权利要求4所述的共振器，其特征在于，所述导电层(9)具有大于15纳米并较佳地等于约50纳米的厚度，且所述钝化层(10，10′)具有1纳米到10纳米范围内并较佳地等于约5纳米的厚度。
6.如权利要求1所述的共振器，其特征在于，所述共振部分(Z)包括由所述钝化层(10，10′)覆盖的外表面(5)和内表面(6)限定的大体半球形的至少一个腹板部(4)，所述表面具有通过被所述导电层(9)覆盖的平坦的环形表面(7)彼此连接的自由边缘。
7.如权利要求6所述的共振器，其特征在于，所述导电层(9)具有在所述内表面(6)上从所述环状表面(7)延伸到所述内表面的极的分支(9.3)。
8.一种振动传感器，所述振动传感器包括电极载板(1)和如权利要求6或7所述的共振器(3)，所述本体包括如此将所述共振部分(Z)连接到所述电极载板杆(8)，即，所述导电层(9)面向固定至所述电极载板的电极(2)延伸，覆盖于导电层(9.1)内的所述杆通过电气连接装置(9.3)连接到所述环状表面的导电层(9.2)。
9.一种制造共振器(3)的方法，所述共振器包括硅基材料的本体，所述本体具有至少一个共振部分(Z)，所述至少一个共振部分(Z)包括覆盖于导电层(9)内的至少一个第一部分和覆盖于与所述导电层材料相同的钝化层(10)内的至少一个第二部分，所述方法包括如下步骤：将足以形成所述钝化层的材料厚度沉积到所述第一部分和所述第二部分上，然后将材料厚度以如下方式再一次沉积到所述第一部分上，即，沉积于所述第一部分上的材料总厚度足以形成所述导电层。
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