-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer mechanischen
Spannung mit einer Messwerterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Frequenz
einer Schwingung, die von der Spannung abhängt, und einer Auswerteeinrichtung
zur Ermittlung und Ausgabe eines Ausgabewerts in Abhängigkeit
des erfassten Messwerts.
-
Die Überwachung
von Gas- und Flüssigkeitsdrücken stellt
eine Aufgabe dar, die in fast allen Bereichen der Industrie, sei
es in der Fertigungstechnik (Prozessdrücke, Fluidik-Systeme etc.)
oder bei fertigen Produkten (z. B. Reifendruck bei Autos) nach entsprechenden
Lösungen
verlangt. Daneben ist die Materialprüfung bzw. die Überwachung
von Materialeigenschaften während
verschiedener Herstellungsprozesse oder Daueranwendungen ein wichtiges
Einsatzgebiet, bei dem die Überwachung
von Materialspannungen erwünscht
ist.
-
Zu
diesem Zwecke sind in der letzten Zeit Sensoren entwickelt worden,
die entsprechende Druckspannungen von Gasen und Flüssigkeiten
bzw. an Festkörpern
anliegende mechanische Spannungen erfassen sollen.
-
Beispielsweise
sind Drucksensoren auf der Basis von Oberflächenwellenfilter (OFW)-Resonatoren
entwickelt worden, die unter anderem in der Veterinärmedizin
und der Energietechnik eingesetzt werden. Der prinzipielle Aufbau
eines solchen 1-Tor-OFW-Resonators umfasst einen Interdigitalwandler,
der zwischen entsprechenden Reflektorgittern angeordnet ist. Der
Interdigitalwandler erzeugt durch den reziproken piezoelektrischen
Effekt akustische Oberflächenwellen
auf einem piezoelektrischen Substrat. Die zu beiden Seiten des Wandlers
herauslaufenden Wellen werden von den Reflektorgittern reflektiert
und wieder empfangen. Durch die Geometrie des Resonators entstehen
bei einer bestimmten Frequenz – der
so genannten Mittenfrequenz – stehende Wellen.
Das Messprinzip derartiger Sensoren beruht auf der hochgenauen Detektion
der Änderung
der Mittenfrequenz eines OFW-Resonators in Abhängigkeit des Drucks. Derartige
Oberflächenwellenresonatoren
arbeiten im kHz-Bereich.
-
Andere
Lösungen
basieren auf Änderung der
Kapazität
in Membranstrukturen, die elektrisch ausgelesen wird.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung
einer mechanischen Spannung, die auf eine Probe wirkt, sowie ein
vereinfachtes Verfahren zum Erfassen einer mechanischen Spannung
bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
und weiterführende
Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erfassung einer mechanischen Spannung umfasst eine Messwerterfassungseinrichtung
zum Erfassen einer Frequenz einer Schwingung, die von einer Spannung abhängt, und
eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung und Ausgabe eines Ausgabewerts
in Abhängigkeit
des erfassten Messwerts. Erfindungsgemäß umfasst die Messwerterfassungseinrichtung
dabei mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement mit einer
piezoelektrischen Schicht und zwei an der piezoelektrischen Schicht
anliegenden Elektroden, wobei das piezoakustische Resonatorelement
derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittels
der Elektroden an die piezoelektrische Schicht eine Volumenschwingung
der piezoelektrischen Schicht mit einer Resonanzfrequenz angeregt wird,
deren Wert von der mechanischen Spannung beeinflusst wird.
-
Grundsätzlich sind
derartige piezoakustische Resonatorelemente als sogenannte BAW (Bulk Acoustic
Wafe)-Resonatoren
oder FBAR (Thin Film Bulk Acoustic Wave)-Resonatoren aus der Technik bekannt.
Im Unterschied zu den eingangs beschriebenen Oberflächenwellenresonatoren
werden bei BAW-Resonatoren keine Oberflächenwellen erzeugt, sondern
eine Volumenschwingung (bulk wafe) der gesamten piezoelektrischen
Schicht. Dies wird durch geeignete Elektrodenanordnung bei gegebener
kristallographischer Orientierung der piezoelektrischen Schicht
bewerkstelligt.
-
Je
nach Konfiguration des piezoakustischen Resonators kann es sich
bei der angeregten Volumenschwingung des piezoakustischen Resonatorelements
um eine longitudinale Schwingung und/oder eine Dickenscherschwingung
handeln. Beispielsweise lässt
sich bei senkrechter kristallographischer Orientierung der c-Achse
eines hexagonalen piezoelektrischen Materials, wie sie z.B. bei
PZT (Bleizirkonattitanat) vorliegt, bei unterseitiger und oberseitiger
Anordnung der Elektroden (Sandwich-Struktur) eine longitudinale
Schwingung entlang der Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht
erzielen. Hingegen kann eine Dickenscherschwingung entlang der lateralen
Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden, indem die
polykristalline Schicht derart orientiert ist, dass die c-Achse in der Schichtebene verläuft.
-
Erfindungsgemäß ist die
Messwerterfassungseinrichtung derart ausgelegt, dass die Frequenz
der angeregten Schwingung von der mechanischen Spannung abhängt, die
auf die zu vermessende Probe wirkt oder von dieser erzeugt wird
(Fluide). Zu diesem Zweck wird naturgemäß ein geeigneter Abschnitt
Messwerterfassungseinrichtung mit der Probe in Kontakt gebracht.
Dabei kann vorzugsweise eine Kontaktschicht zur akustischen Kopplung
mit der zu analysierenden Probe auf dem piezoakustischen Resonatorelement
ausgebildet sein. Bei der Analyse von Festkörpern kann es sich beispielsweise um
eine Haftschicht handeln, über
die das Resonatorelement mit dem Festkörper verbunden ist. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Messwerterfassungseinrichtung entsprechend zur
Erfassung von Spannungen eines Si-Wafers ausgelegt, wodurch eine
Realzeit-Überwachung
der Schichtspannung während
unterschiedlicher Halbleiterprozesse realisiert werden kann.
-
In
diesem Zusammenhang besteht ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin,
dass die piezoakustischen Resonatoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Dünnschichttechnologie
auf Silizium hergestellt werden können, d. h. Siliziumkompatibilität aufweisen.
Im Gegensatz zu Oberflächenwellenresonatoren,
die spezielle Substrate erfordern, kann daher bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einfacher Weise eine Integration mit anderen elektronischen Funktionskomponenten auf
einem Halbleiterchip erfolgen. Auf diese Weise kann beispielsweise
ein System-on-a-Chip realisiert werden.
-
Bevorzugterweise
liegt der Arbeitsbereich des piezoakustischen Resonatorelements
im Frequenzbereich > 0,5
GHz, stärker
bevorzugt > 1 GHz und
am stärksten
bevorzugt > 2 GHz.
Hierdurch wird nicht nur eine hochempfindliche Spannungsmessung grundsätzlich möglich, sondern
es ergeben sich synergetische Effekte mit z.B, der Telekommunikationstechnik.
Beispielsweise ist die Ausgestaltung der Vorrichtung zur drahtlosen
Datenübertragung über Frequenzen
der Mobilfunktechnik zugänglich.
Aufgrund der bereits angesprochenen Si-Kompatibilität ist es
zudem möglich,
auf kostengünstige
und zuverlässige
Halbleiter-Technologien
zurückzugreifen, was
z.B. die Integration der Auswerteschaltung (Schwingkreis etc.) auf
dem Si-Chip anbetrifft. Gängige
Herstellungsverfahren der Halbleitertechnologie zur Integration
des piezoakustischen Resonatorelements sind beispielsweise die CMOS-,
Bipolar- oder BiCMOS-Technologie.
-
Vorzugsweise
liegt die Größe des piezoakustischen
Resonatorelements der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich < 50 μm bis < 250 μm, stärker bevorzugt < 100 μm, und am
meisten bevorzugt < 50 μm, was aufgrund
des erheblichen „Miniaturisierungspotenzials" einen weiteren Vorteil
gegenüber
den gesamten OFW-Elementen bedeutet.
-
In
Abhängigkeit
der Anwendung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung unterschiedlich
konfiguriert sein. Beispielsweise kann zur Messung von Drücken (Druckspannungen)
von Flüssigkeiten
oder Gasen ein Aufbau Verwendung finden, bei dem das piezoakustische
Resonatorelement auf einer Membran angeordnet ist. Diese Membran
kann beispielsweise durch rückseitiges Ätzen eines
Si-Wafers unter Verwendung eines Ätzstopps aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid
erstellt werden. Die Deckschicht des Wafers, die durch den Ätzprozess
nicht abgetragen wird, bildet die freistehende Membran. Wird diese Membran
nun einer Druckspannung mit einer Druckdifferenz zwischen Ober-
und Unterseite ausgesetzt, verbiegt sie sich und diese Druckspannung
wird in das piezoakustische Resonatorelement eingebracht, das auf
der Oberseite der Membran angeordnet ist.
-
Zur
Messung von Festkörpern
kann das piezoakustische Resonatorelement gemeinsam mit einem akustischen
Spiegel (Bragg-Reflektor) zur Vermeidung von akustischen Verlusten
der Volumenwellen in das zu vermessende Substrat auf dem zu analysierenden
Festkörper
angeordnet sein.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann eine Mehrzahl von piezoakustischen Resonatorelementen aufweisen,
die als Einzelsensoren in einem Array integriert sind. Auf diese
Weise wird eine sehr feine ortsaufgelöste Messung realisiert.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden
im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf
die Figuren beschrieben.
-
1 zeigt
den schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Messwerterfassungseinrichtung zur Erfassung mechanischer Spannungen
in Festkörpern.
-
3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Messwerterfassungseinrichtung zur Erfassung von Fluiddrücken.
-
4 zeigt
ein Diagramm der Messung der Serien- bzw. Parallel-Resonanzfrequenz
in Abhängigkeit
der anliegenden mechanischen Spannung.
-
Wie
in 1 schematisch dargestellt, umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Messwerterfassungseinrichtung 10 zum Erfassen einer Frequenz
einer Schwingung, die von einer auf eine Probe wirkenden mechanischen
Spannung abhängt, und
eine Auswerteeinrichtung 11 zur Ermittlung und Ausgabe
eines Ausgabewerts in Abhängigkeit
des erfassten Messwerts.
-
Die
Messwerterfassungseinrichtung 10 und die Auswerteeinrichtung 11 sind
auf einem Silizium-Chip 12 integriert.
-
Obgleich
bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
gemäß 1 die
Auswerteeinrichtung 11 als mit der Messwerterfassungseinrichtung 10 auf einem
Chip 12 integrierte Schaltung ausgebildet ist, ist die
Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Die Auswerteeinrichtung 11 kann auch als separate externe Einrichtung
ausgebildet sein.
-
Die
Auswerteeinrichtung 11 umfasst einen üblichen Schwingkreis 13 zum
Auslesen einer Resonanzfrequenz eines piezoakustischen Resonatorelements
der Messwerterfassungseinrichtung 10.
-
Zudem
umfasst die Auswerteeinrichtung 11 eine Ausgabeeinrichtung 14 zur
Ausgabe eines Ausgabewerts. Bei dem Ausgabewert kann es sich um eine
Spannung handeln. Die Ausgabeeinrichtung 14 kann beispielsweise
auch ein Anzeigemittel, z. B. in Form eines Displays, beinhalten.
Obgleich die Ausgabeeinrichtung 14 bei diesem Ausführungsbeispiel als
von der Auswerteeinrichtung 11 strukturell umfasst dargestellt
ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt und kann ebenso Ausgestaltungen
mit einer externen Ausgabeeinrichtung 14 vorsehen.
-
Bezug
nehmend auf die 2 und 3 werden
im Folgenden verschiedene Ausführungsformen
der Messwerterfassungseinrichtung beschrieben, wie sie zum Beispiel
bei dem anhand der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Verwendung finden können.
-
Der
Aufbau eines Ausführungsbeispiels
einer Messwerterfassungseinrichtung 20 die zur Erfassung
mechanischer Spannungen eines Festkörpers ausgelegt ist, ist in 2 gezeigt.
Die Messwerterfassungseinrichtung 20 umfasst ein piezoakustisches
Resonatorelement 21 mit einer piezoelektrische Schicht 211,
an deren Oberseite bzw. Unterseite Elektroden 212 bzw. 213 angebracht
sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
besteht die piezoelektrische Schicht 211 aus AlN und weist
eine Schichtdicke von 1 μm
auf. Die Elektroden 212, 213 bestehen aus Platin
und haben eine Schichtdicke von 0,5 μm. Die Länge des piezoakustischen Resonators 21 beträgt 150 μm, die Breite
100 μm.
-
Die
untere Elektrode 213 ist auf einem akustischen Spiegel 22 angeordnet,
der aus mehreren Lagen mit stark unterschiedlicher akustischer Impedanz besteht.
Der akustische Spiegel 22 dient der akustischen Isolation
der Volumenschwingung gegenüber einem
Substrat 24. Die Messwerterfassungseinrichtung 20 ist über eine
Haftschicht 23 auf das Substrat 24 aufgebracht.
Zweck dieser Anordnung ist es, die äußeren Spannungen des Substrats 24 zu
erfassen, wobei die Haftschicht 23 für eine entsprechende Anbindung
des Substrats 24 an das piezoakustische Resonatorelement 21 sorgt,
die gewährleistet,
dass die Spannungen sich auf das piezoakustische Resonatorelement 21 übertragen.
Die Haftschicht 23 besteht aus einem üblichen Klebemittel, kann jedoch auch
ein Lot oder ein beliebiges anderes Material zur Verbindung der
beiden Festkörper 24 und 22 zur Spannungsübertragung
sein.
-
3 zeigt
eine Ausführungsform
einer Messwerterfassungseinrichtung 30, die zur Messung von
Drücken
von Fluiden (Gasen/Flüssigkeiten)
geeignet ist.
-
Die
Messwerterfassungseinrichtung 30 umfasst ein piezoakustisches
Resonatorelement 31 mit einer piezoelektrischen Schicht 311 und
einer oberseitigen bzw. unterseitigen Elektrode 312 bzw. 313. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
besteht die piezoelektrische Schicht 311 aus ZnO und hat
eine Dicke von 500 nm. Die Elektroden 312, 313 bestehen
aus einer Ag/Pd-Legierung mit einer Dicke von 100 nm. Die Breite
des piezoakustischen Resonatorelements 31 beträgt 50 μm und die
Länge 100 μm.
-
Im
Unterschied zu der Anordnung gemäß 2 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
das piezoakustische Resonatorelement 31 nicht auf einem akustischen
Spiegel angeordnet, sondern auf einer Membran 32. Die Membran 32 besteht
aus einer Siliziumoxid-Schicht, die auf einem Siliziumsubstrat 33 angeordnet
ist. Das Siliziumsubstrat 33 weist rückseitig eine Ausnehmung 34 auf,
die durch mikromechanische Bearbeitung hergestellt wurde. Diese
Ausnehmung 34 kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Flusskanal dienen, durch den das entsprechende Fluid strömt. Durch
die auf diese Weise auftretende Druckdifferenz zwischen Oberseite
und Unterseite des piezoakustischen Resonatorelements 31 und
der Membran 32 wird die Membran 32 ausgelenkt
und es entsteht eine Spannung, die sich in das piezoakustische Resonatorelement 31 überträgt. Bei diesem
Aufbau ist die Auswerteeinrichtung, die in 3 nicht
gezeigt ist, derart ausgelegt, dass sie die Dicke und Elastizität der Membran 32 berücksichtigt.
-
4 zeigt
Messkurven, die mit einem 2 GHz-Resonator bei verschiedenen Spannungen
vorgenommen wurden. Die dargestellten Serien- bzw. Parallel-Resonanzfrequenz
verdeutlichen, dass es mit zunehmender Spannung zu einer Frequenzverschiebung
des piezoakustischen Resonatorelements 21, 31 kommt.
Bei den vorliegenden Messungen ergab sich mit dem 2 GHz-Resonator
eine Empfindlichkeit von 0,03 Hz pro Pa, was bedeutet, dass bei
einer Frequenzauflösung
von 1 kHz Spannungsdifferenzen von circa 32.500 Pa bzw. 320 mbar
detektiert werden können.
-
In 5 ist
der schematische Funktionsablauf eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum
Erfassen von Spannungen, die an einer Probe anliegen oder von dieser
verursacht werden, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie
sie beispielsweise in den 1 bis 3 gezeigt ist,
dargestellt.
-
In
Schritt 51 erfolgt das In-Kontaktbringen der zu analysierenden
Probe, bei der es sich um einen Festkörper, ein Gas oder eine Flüssigkeit
handeln kann, mit dem piezoakustischen Resonatorelement 21, 31 derart,
dass eine mechanische Spannung (Druckspannungen bei Fluiden) auf
das piezoakustische Resonatorelement 21, 31 übertragen wird,
welche die Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements 21, 31 beeinflusst.
-
In
Schritt 52 erfolgt der Messung der Resonanzfrequenz des
piezoakustischen Resonatorelements 21, 31, nachdem
das piezoakustische Resonatorelement 21, 31 mit
der Probe in Kontakt gebracht wurde.
-
In
Schritt 53 erfolgt das Auswerten der gemessen Resonanzfrequenz
zur Ermittlung und Ausgabe eines Ausgabewerts, der bei diesem Beispiel die
mechanische Spannung ist. Zu diesem Zweck kann eine Eichkurve des
piezoakustischen Resonatorelements 21, 31 vorliegen.
-
Die
Details und Komponenten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
können
miteinander kombiniert werden, um auf diese Weise weitere Ausführungsbeispiele
bereitzustellen, die für
den entsprechenden Anwendungszweck optimiert sind. Soweit derartige
Modifikationen für
den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, sind sie durch die
obige Beschreibung der Ausführungsbeispiele
als implizit offenbart anzusehen.
-
Die
Erfindung stellt einen Mikrosensor auf Basis eines piezoakustischen
Resonatorelements 21, 31 bereit, dessen Volumenschwingung
spannungsabhängig
ist, was zur Erfassung mechanischer Spannungen ausgenutzt wird.
Aufgrund der geringen äußeren Abmessungen
des über
Dünnschichttechnik bei
gegebener Siliziumkompatibilität
herstellbaren Bauelements ergibt sie einen kostengünstigeren
Mikrosensor mit erweitertem Einsatzbereich gegenüber bestehenden Lösungen.