DE102017010404B4

DE102017010404B4 - Vibrationswandler

Info

Publication number: DE102017010404B4
Application number: DE102017010404.2A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Mishima; Hiroshi Suzuki
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2021-01-21
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: DE102017010404A1; CN108075032B; JP6372545B2; JP2018080915A; US10447231B2; US20180138887A1; CN108075032A

Abstract

Ein Vibrationswandler, der umfasst:ein Siliziumsubstrat (130),einen ersten Oxidfilm (135), der auf dem Siliziumsubstrat (130) ausgebildet ist,eine Aktivierschicht (150), die auf dem ersten Oxidfilm (135) ausgebildet ist,einen zweiten Oxidfilm (152), der auf der Aktivierungsschicht (150) ausgebildet ist,eine Polysiliziumschicht (153), die auf dem zweiten Oxidfilm (152) ausgebildet ist, undein Substratkontaktteil (131),wobei ein Schwingungserzeuger (100), eine Vibratorelektrode (101), die mit dem Schwingungserzeuger (100) elektrisch leitend ist, eine feststehende Elektrode (111, 121) nahe zu dem Schwingungserzeuger (100) und eine Vakuumkammer, die ausgestaltet ist, um den Schwingungserzeuger (100) zu umgeben, in der Aktivierungsschicht (150) ausgebildet sind,wobei die Polysiliziumschicht (153) eine Hülle bildet, undwobei das Substratkontaktteil (131) ausgestaltet ist, um mit der Polysiliziumschicht (153) und dem Siliziumsubstrat (130) elektrisch leitend zu sein, und ausgebildet ist, um die Vakuumkammer in einem Bereich der Aktivierungsschicht (150) kontinuierlich zu umgeben, in welchem der Schwingungserzeuger (100), die Vibratorelektrode (101) und die feststehende Elektrode der Aktivierungsschicht (150) nicht ausgebildet sind;dadurch gekennzeichnet, dass das Substratkontaktteil (131) kontinuierlich ausgebildet ist, um den Schwingungserzeuger (100), die Vibratorelektrode (101), die feststehende Elektrode und die Vakuumkammer der Aktivierungsschicht (150) zu umgeben.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationswandler und genauer gesagt auf eine Technologie zum Verhindern einer Fehlfunktion auf Grund von Gaspermeation.
Verwandte Technik
Ein Vibrationswandler ist eine Vorrichtung, die ausgestaltet ist, um eine angewandte bzw. aufgebrachte physikalische Größe durch Erfassen einer Änderung einer Resonanzfrequenz eines Schwingungserzeugers, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, zu messen. Der Vibrationswandler wird oft für einen Transmitter und dergleichen als eine MEMS-Vorrichtung (Mikro-ElektroMechanische-Systeme (Micro Electro Mechanical Systems)), wie beispielsweise ein Drucksensor, ein Beschleunigungssensor, ein Winkelgeschwindigkeitssensor, ein Wandler und dergleichen verwendet.
Bei der verwandten Technik ist der Vibrationswandler so ausgebildet, dass eine ebene Oberflächenseite eines langen bzw. länglichen plattenförmigen Schwingungserzeugers, der beide Enden fixiert hat, parallel mit einem chipförmigen Siliziumsubstrat ist, und ist ausgestaltet, um in einer oben und unten Richtung des Siliziumsubstrats zu vibrieren. Die Druckschrift JP 2012 - 58 127 A offenbart einen Vibrationswandler, der so ausgebildet ist, dass eine ebene Oberflächenseite eines Schwingungserzeugers senkrecht zu einem Siliziumsubstrat ist, und der ausgestaltet ist, um in einer horizontalen Richtung des Siliziumsubstrats zu vibrieren. Dadurch ist der Herstellungsprozess vereinfacht, und der Vibrationszwandler kann mit hoher Präzision bei geringen Kosten hergestellt werden.
8 zeigt eine zusammengebaute Konfiguration von Hauptteilen eines Vibrationswandlers 300, der in JP 2012 - 58 127 A offenbart ist, wobei 8A eine Schnittansicht und 8B eine Draufsicht eines Aktivierungsschichtteils ist.
Wie es in 8 dargestellt ist, hat der Vibrationswandler 300 eine Struktur, bei der eine Aktivierungsschicht 320 aus Silizium so verarbeitet ist, dass sie einen Schwingungserzeuger 330, eine erste Elektrodenplatte 341 und eine zweite Elektrodenplatte 342 auf einen SOI-Substrat bildet, das einen BOX-Schicht-Oxidfilm 311 hat, der zwischen einem Siliziumsubstrat 310 und einer Oberflächensiliziumschicht (unter der Aktivierungsschicht 320) eingefügt ist, wobei ein Isolieroxidfilm 360 und eine obere Polysiliziumschicht 350 zusätzlich aufgeschichtet sind, und wobei eine Hülle 351 durch die bzw. von der obere(n) Polysiliziumschicht 350 ausgebildet ist.
Die erste Elektrodenplatte 341 und die zweite Elektrodenplatte 342, welche feststehende bzw. fixierte Elektroden sind, sind so ausgebildet, dass sie den Schwingungserzeuger 330 dazwischen bzw. zwischen sich aufnehmen, und eine Vakuumkammer 370 ist um den Schwingungserzeuger 330 herum ausgebildet. Zudem ist auch eine Elektrode an einer Endseite des Schwingungserzeugers 330 ausgebildet und fungiert als eine Vibratorelektrodenplatte 331.
Unebene Teile 380 für einen Schutz vor Anhaftungen sind an sich zugewandten Oberflächen zwischen dem Schwingungserzeuger 330 und der ersten Elektrodenplatte 341 und zwischen dem Schwingungserzeuger 330 und der zweiten Elektrodenplatte 342 ausgebildet.
Bei der obigen Konfiguration vibriert der Schwingungserzeuger 330 mit einer Resonanzfrequenz, wenn ein Anregungssignal an die erste Elektrodenplatte 341 in einem Zustand angelegt wird, in dem eine Bias-Spannung zwischen der Vibratorplatte 331 und der zweiten Elektrodenplatte 342 angelegt ist, und eine elektrostatische Kapazität zwischen dem Schwingungserzeuger 330 und der zweiten Elektrodenplatte 342 verändert sich so, dass ein Strom von der zweiten Elektrodenplatte 342 ausgegeben wird. Der Ausgabestrom wird an einer Strom-Spannungswandelschaltung, die einen Berechnungsverstärker (nicht dargestellt) verwendet, in eine Spannung gewandelt und eine Frequenz wird durch einen Ausgabesensor erfasst. Zu dieser Zeit kann eine Kombination der Spannung und ein Signal, das auf jede Elektrodenplatten anzuwenden ist, und die Anzahl der Elektrodenplatten verändert werden.
Wenn verschiedene Drücke auf die oberen und unteren Teile des Vibrationswandlers 300 angewandt werden, wird eine Deformation in dem Vibrationswandler 300 hervorgerufen und die Resonanzfrequenz des Schwingungserzeugers 330 verändert sich korrespondierend zu einem Ausmaß der Deformation. Aus diesem Grund kann eine Differenz zwischen den angewandten Drücken auf der Basis der Veränderung einer erfassten Frequenz erhalten werden.
Des weiteren zeigt EP 2 428 783 A1 einen Vibrationswandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Weiterer gattungsgemäßer Stand der Technik findet sich darüberhinaus in den Druckschriften JP 2014 - 515 884 A , WO 2014 / 050 229 A , sowie JP 2002 - 289 687 A .
Bei dem Vibrationswandler 300 der verwandten Technik kommunizieren der BOX-Schichtoxidfilm 311 und der Isolieroxidfilm 360 von einer Seitenoberfläche des Vibrationswandlers 300 mit der Vakuumkammer 370. Der Oxidfilm hat eine höhere Gaspermeabilität als eine Siliziumschicht und eine Polysiliziumschicht. Wenn dort Gase mit niedrigen Molekulargewicht wie beispielsweise Wasserstoff, Helium, und dergleichen um den Vibrationswandler 300 herum sind, können die Gase die Vakuumkammer 370 über den Oxidfilm eindringen. Wenn die Gase die Vakuumkammer 370 eindringen, ist ein Grad eines Vakuums so verringert, dass ein Anregefehler des Schwingungserzeugers 330 hervorgerufen werden kann.
Zusammenfassung
Beispielhafte Ausführungsformen sehen einen Vibrationswandler vor, welcher eine Fehlfunktion auf Grund einer Gaspermeation in eine Vakuumkammer verhindern kann. Ein Vibrationswandler, der umfasst:

ein Siliziumsubstrat,
einen ersten Oxidfilm, der auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist,
eine Aktivierschicht, die auf dem ersten Oxidfilm ausgebildet ist,
einen zweiten Oxidfilm, der auf der Aktivierungsschicht ausgebildet ist,
eine Polysiliziumschicht, die auf dem zweiten Oxidfilm ausgebildet ist, und
ein Substratkontaktteil,
wobei ein Schwingungserzeuger, eine Vibratorelektrode, die mit dem Schwingungserzeuger elektrisch leitend ist, eine feststehende Elektrode nahe zu dem Schwingungserzeuger und eine Vakuumkammer, die ausgestaltet ist, um den Schwingungserzeuger zu umgeben, in der Aktivierungsschicht ausgebildet sind, wobei die Polysiliziumschicht eine Hülle bildet, und
wobei das Substratkontaktteil ausgestaltet ist, um mit der Polysiliziumschicht und dem Siliziumsubstrat elektrisch leitend zu sein, und ausgebildet ist, um die Vakuumkammer in einem Bereich der Aktivierungsschicht kontinuierlich zu umgeben, in welchem der Schwingungserzeuger, die Vibratorelektrode und die feststehende Elektrode der Aktivierungsschicht nicht ausgebildet sind
Eine Vielzahl von Substratkontaktteilen kann in der Aktivierungsschicht ausgebildet sein.

Ein Pad, das ausgestaltet ist, um elektrisch mit der Vibratorelektrode leitend zu sein, ein Pad, das ausgestaltet ist, um elektrisch mit der feststehenden Elektrode leitend zu sein, und ein Substratkontaktpad, das ausgestaltet ist, um elektrisch mit dem Siliziumsubstrat leitend zu sein, kann an der Polysiliziumschicht-Seite vorgesehen werden.
Dioden können zwischen der Vibratorelektrode und dem Siliziumsubstrat und zwischen der feststehenden Elektrode und dem Siliziumsubstrat ausgebildet sind.
Die Dioden können durch den Bereich der Aktivierungsschicht, in welchen der Schwingungserzeuger, die Vibratorelektrode und die feststehende Elektrode nicht ausgebildet sind, und durch eine in dem Bereich ausgebildete Diffusion, die einen leitenden Typ hat, der von einem leitenden Typ des Bereichs verschieden ist, ausgebildet sein.
Die Dioden können durch die jeweiligen Elektroden und durch eine in jeder Elektrode ausgebildete Diffusion, die einen leitenden Typ hat, der von einem leitenden Typ jeder Elektrode verschieden ist, ausgebildet sein.
Eine Diode für einen Temperatursensor kann separat von den Dioden in dem Bereich der Aktivierungsschicht, in welchem der Schwingungserzeuger, die Vibratorelektrode und die feststehende Elektrode nicht ausgebildet sind, ausgebildet sein.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform kann verhindert eine Fehlfunktion auf Grund der Gaspermeation in die Vakuumkammer bei dem Vibrationswandler verhindert werden.
Figurenliste

1A und 1B zeigen eine Basisstruktur eines Vibrationswandlers der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Beispiel, in dem ein 1 Substratkontaktteil, das ausgestaltet ist, um eine Vakuumkammer zu umgeben, verdreifacht ist.
3A und 3B zeigen eine erste Ausführungsform des Vibrationswandlers der vorliegenden Erfindung
4 zeigt einen Schaltkreis des Vibrationswandlers der ersten Ausführungsform in Betrieb.
5A und 5B zeigen eine zweite Ausführungsform des Vibrationswandlers der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein Schaltkreis des Vibrationswandlers der zweiten Ausführungsform in Betrieb.
7A und 7B zeigen eine dritte Ausführungsform des Vibrationswandlers der vorliegenden Erfindung.
8A und 8B zeigen eine Zusammenbaukonfiguration von Hauptteilen des Vibrationswandlers, der in JP 2012 - 58 127 A offenbart ist.

Detaillierte Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. 1A und B zeigen eine Basisstruktur eines Vibrationswandlers 10 der vorliegenden Erfindung, wobei 1A eine Draufsicht ist, die eine Aktivierungsschicht zeigt, und 1B eine Schnittansicht entlang einer Linie A-B ist.
Wie es in 1A und B dargestellt ist, hat ein Vibrationswandler 10 eine Struktur, bei der eine Aktivierungsschicht 150 aus Silizium so hergestellt bzw. bearbeitet ist, dass sie einen Schwingungserzeuger 100, eine erste Elektrodenplatte 111 und eine zweite Elektrodenplatte 121 auf einem SOI-Substrat bildet, das einen BOX-Schichtoxidfilm 135 hat, der zwischen einem Siliziumsubstrat 130 und einer Oberflächensiliziumschicht (der Aktivierungsschicht 150) eingefügt ist, und wobei ein Isolationsoxidfilm 152 und eine obere Polysiliziumschicht 153 zusätzlich aufgeschichtet (stacked) sind.
Die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121, welche feststehende bzw. fixierte Elektroden sind, sind so ausgebildet, dass sie zwischen sich den Schwingungserzeuger 100 aufnehmen, und eine Vakuumkammer ist um den Schwingungserzeuger 100 herum ausgebildet. Zudem ist auch eine Elektrode an einer Endseite des Schwingungserzeugers 100 ausgebildet und fungiert als eine Vibratorelektrodenplatte 101.
Bei dem Vibrationswandler 10 ist das Siliziumsubstrat 130 durch ein Substratkontaktteil 131 aus Polysilizium oder Silizium elektrisch mit der Aktivierungsschicht 150 (genannt eine „Rand-Aktivierungsschicht 151“), ausgenommen der Elektrodenplatten und dem Vibrator, und der oberen Polysiliziumschicht 153 verbunden.
Das Substratkontaktteil 131 ist so ausgebildet, dass es die Vakuumkammer ohne Unterbrechung kontinuierlich umgibt. Die Vakuumkammer wird von dem Substratkontaktteil 131 aus Polysilizium oder Silizium so umgeben, dass ein Gaspermeationspfad des Oxidfilms unterbrochen ist. Daher kann ein Anregefehler des Schwingungserzeugers 100 auf Grund eines Verschlechterns eines Grads eines Vakuums der Vakuumkammer verhindert werden.
Da davon ausgegangen wird, dass die Gaspermeation des Oxidfilms durch Gasdiffusion voranschreitet, ist eine Lebenszeit des Vibrationswandlers durch die Gaspermeation proportional zu einem Quadrat einer Dicke eines Films, der zu durchdringen ist. Wenn das Substratkontaktteil 131 mehrfach ausgebildet ist, ist eine Breite des Siliziums oder des Polysiliziums, das den Gaspermeationspfad des Oxidfilms unterbricht, ebenso erhöht, so dass die Lebensdauer des Vibrationswandlers weiter verlängert werden kann. 2 stellt ein Beispiel dar, bei dem das Substratkontaktteil 131 dreifach ist, das heißt drei Substratkontaktteile 131, 131, 131 sind ausgebildet. Die Konfiguration des Ausbildens des Substratkontaktteils 131 in einer Vielzahl (d. h. Ausbilden einer Vielzahl von Substratkontaktteilen) kann auf jede der später beschriebenen Ausführungsform angewandt werden.
3A und B stellen eine erste Ausführungsform des Vibrationswandlers 10 der vorliegenden Erfindung dar, auf welchen die Basisstruktur angewandt ist, wobei 3A eine Draufsicht der Aktivierungsschicht ist, und wobei 3B eine Schnittansicht ist. In 3A ist die Aktivierungsschicht, ausgenommen des Schwingungserzeugers und der Elektrodenplatten, weggelassen.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Aktivierungsschicht 150 aus Silizium hergestellt, um den Schwingungserzeuger 100, die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121 auf dem SOI-Substrat zu bilden, wobei der BOX-Schichtoxidfilm 135 zwischen dem Siliziumsubstrat 310 und der Oberflächensiliziumschicht (der Aktivierungsschicht 150) eingefügt ist, wobei der Isolationsoxidfilm 152 und die obere Polysiliziumschicht 153 zusätzlich aufgeschichtet sind, und wobei eine Hülle 154 durch die obere Polysiliziumschicht 153 ausgebildet ist.
Die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121, welche feststehende Elektroden sind, sind so ausgebildet, dass sie den Schwingungserzeuger 100 dazwischen aufnehmen, und die Vakuumkammer ist ausgebildet, um den Schwingungserzeuger zu umgeben. Zudem ist auch eine Elektrode an einer Endseite des Schwingungserzeugers 100 ausgebildet und fungiert als die Vibratorelektrodenplatte 101. Unebene Teile können an jeweiligen einander zugewandten Flächen zwischen dem Schwingungserzeuger 100 und der ersten Elektrodenplatte 111 und zwischen dem Schwingungserzeuger 100 und der zweiten Elektrodenplatte 121 ausgebildet sein. Zudem kann die Anzahl der feststehenden Elektroden verändert werden.
Bei der ersten Ausführungsform sind sowohl das Siliziumsubstrat 130, die Aktivierungsschicht 150 als auch die obere Polysiliziumschicht 153 vom P-Typ. Das Siliziumsubstrat 130 ist elektrisch mit der Aktivierungsschicht 150 (bezeichnet als „Rand-Aktivierungsschicht 151“), ausgenommen der Elektrodenplatten und dem Vibrator, und der oberen Polysiliziumschicht 153, die die Hülle 154 umfasst, durch das Substratkontaktteil 131 verbunden. Hier ist das Substratkontaktteil 131 so ausgebildet, dass es die Vakuumkammer ohne Unterbrechung kontinuierlich umgibt (nur ein Teil ist in 3B gezeigt).
Die obere Polysiliziumschicht 153, die elektrisch mit dem Substratkontaktteil 131 leitend ist, ist elektrisch mit einem Substratkontaktpad 132, das an einer Oberfläche des Vibrationswandlers 10 ausgebildet ist, verbunden. Das Substratkontaktteil 131 kann durch teilweises Entfernen der Rand-Aktivierungsschicht 151 und des BOX-Schichtoxidfilms 135 unter diesem und wieder Befüllen der entfernten Abschnitte mit Polysilizium, in welchem P-Typ Dotierungen bzw. Verunreinigungen eingebracht bzw. vermischt sind, ausgebildet werden.
Auf diese Weise kann, da das Substratkontaktpad 132, das elektrisch mit dem Siliziumsubstrat 130 verbunden ist, an der Oberfläche des Vibrationswandlers 10 ausgebildet ist (die obere Polysiliziumschicht-153-Seite), ein Potential von der Oberfläche wie bei den anderen Elektrodenplatten auf das Siliziumsubstrat 130 angewandt werden. Aus diesem Grund kann ein Problem vermieden werden, das darin besteht, ein Potential von einer Rückseite (der Siliziumsubstrat-130-Seite) über eine Basis zum Befestigen eines Chips des Vibrationswandlers 10 oder dergleichen anzuwenden, und die Struktur kann vereinfacht werden.
Wenn das Potential von dem Substratkontaktpad 132 auf das Siliziumsubstrat 130 angewandt wird, kann das gleiche Potential kollektiv auch auf die Rand-Aktivierungsschicht 151 und die obere Polysiliziumschicht 153 angewandt werden. Bei der ersten Ausführungsform sind, da das Substratkontaktpad 132 geerdet ist, die Rand-Aktivierungsschicht 151 und die obere Polysiliziumschicht 153 ebenso geerdet.
Indes sind, während das Siliziumsubstrat 130 nicht elektrisch fixiert ist, jede Elektrode und das Siliziumsubstrat 130 kapazitiv so verbunden, dass der Vibrationswandler 10 keine ausreichende Ausgabe erhalten könnte. Daher muss das Siliziumsubstrat 130 elektrisch kontaktiert werden. Bei der ersten Ausführungsform kann wie oben beschrieben, da das Substratkontaktpad 132 vorgesehen ist, das Potential von der Oberfläche wie bei den anderen Elektrodenplatten auf das Siliziumsubstrat 130 angewandt werden. Dies trifft auf die anderen später beschriebenen Ausführungsformen ebenso zu.
Bei der ersten Ausführungsform ist die P-Typ-Rand-Aktivierungsschicht 151 mit der Diffusion vom N-Typ ausgebildet, um eine Schutzdiode zu konfigurieren, und um mit der Vibratorelektrodenplatte 101, der ersten Elektrodenplatte 111 und der zweiten Elektrodenplatte 121 verbunden zu sein. Die Diffusion vom N-Typ kann beispielsweise durch Ausführen der Fremdstoffdiffusion mit dem Oxidfilm, der als eine Maske verwendet wird, ausgebildet werden.
Hier wird der Grund, warum die Schutzdiode ausgebildet ist, beschrieben. Bei dem Vibrationswandler der verwandten Technik, der in 8A und B dargestellt ist, kann, da die unebene Teile 380 an jeweiligen einander zugewandten Oberflächen zwischen dem Schwingungserzeuger 330 und der ersten Elektrodenplatte 341 und zwischen dem Schwingungserzeuger 330 und der zweiten Elektrodenplatte 342 ausgebildet sind, das wechselseitige Anhaften bei einem normalen Nutzungsaspekt verhindert werden.
Jedoch, wenn die elektrostatische Entladung (ESD) oder dergleichen auf die Elektrodenplatte, das Siliziumsubstrat 310 oder dergleichen angewandt wird, und der große Entladestrom dadurch bedingt fließt, kann der Strom durch die unebenen Teile 380 nicht komplett vermieden bzw. verhindert werden, und der Schwingungserzeuger 330 kann mit umgebenden Elementen kontaktiert werden, beispielweise mit der ersten Elektrodenplatte 341, der zweiten Elektrodenplatte 342, dem Siliziumsubstrat 310 und der Hülle 351 und er kann schmelzen.
Daher ist bei der Ausführungsform durch Ableiten der Elektrizität zu der Erde über die Schutzdiode, selbst wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf die Vibratorelektrodenplatte 101, die erste Elektrodenplatte 111 und/oder die zweite Elektrodenplatte 121 angewandt ist, verhindert, dass der Schwingungserzeuger 100 mit den umgebenden Elementen kontaktiert und schmilzt.
Die Schutzdiode ist in der Rand-Aktivierungsschicht 151 außerhalb der Elektrodenplatte ausgebildet und ist elektrisch mit der Elektrodenplatte über das Elektrodenpad verbunden. Genauer gesagt ist, wie es in 3B dargestellt ist, die zweite Elektrodenplatte 121 elektrisch mit einer Schutzdiodendiffusion 123, die in der Rand-Aktivierungsschicht 151 ausgebildet ist, über ein zweites Elektrodenplattenpad 122 verbunden. Dies gilt auch für die Vibratorelektrodenplatte 101 und die erste Elektrodenplatte 111.
Da die Rand-Aktivierungsschicht 151 elektrisch mit dem Siliziumsubstrat 130 durch das Substratkontaktteil 131 verbunden ist, ist sowohl die Vibratorleketrodenplatte 101, die erste Elektrodenplatte 111 als auch die zweite Elektrodenplatte 121 mit dem Siliziumsubstrat 130 Diodenverbunden. Bei der ersten Ausführungsform werden die Vibratorelektrodenplatte 101, die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121 zu einer Kathodenseite.
Zudem ist bei der ersten Ausführungsform ein Teil der Aktivierungsschicht vom P-Typ, die unabhängig von der Elektrodenplatte und der Rand-Aktivierungsschicht 151 ist, mit einem Temperatursensordiffusion 143 vom N-Typ so ausgebildet, dass eine Temperatursensordiode 140 konfiguriert ist. Hier hängen elektrische Eigenschaften der Diode stark von Temperaturen ab, und eine Durchlassspannung sinkt im Wesentlichen linear mit der ansteigenden Temperatur bei konstantem Strom. Aus diesem Grund kann die Diode 140 als ein Temperatursensor durch Ausbilden eines Elektrodenpads, das elektrisch mit der Temperatursensordiffusion 143 vom N-Typ und einem Elektrodenpad in einem Teil des Aktivierungsschicht vom P-Typ, die unabhängig von der Rand-Aktivierungsschicht 151 ist, und Messen einer Durchlassspannung unter konstantem Strom verwendet werden.
Im Allgemeinen muss, wenn der Vibrationswandler 10 montiert wird, ein Temperatursensor für eine Temperaturkompensation vorbereitet werden. Jedoch kann bei der ersten Ausführungsform, da die Temperatursensordiode 140 in dem Vibrationswandler 10 durch den gleichen Prozess wie die Schutzdiode, die mit der elektrischen Platte zu verbinden ist, einfach konfiguriert werden kann, ein Temperatursensor für eine Temperaturkompensation in dem gleichen Chip wie der Schwingungserzeuger 100 ohne Vorsehen als einen separaten Chip angeordnet werden.
Indes sind die Formen, Größen und Anordnungen des Schwingungserzeugers 100, jedes Elektrodenpads, jeder Schutzdiode und der Temperatursensordiode 140 nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt. Beispielsweise ist jedes Elektrodenpad aus Aluminium, das plastisch zu deformieren ist, bevorzugt beabstandet von dem Schwingungserzeuger 100 bei dem Montieren so angeordnet, dass ein Driften einer Ausgabe verhindert ist. In diesem Fall sind die Schutzdiode und die Temperatursensordiode 140 ebenso von dem Schwingungserzeuger 100 beabstandet angeordnet.
4 zeigt einen Schaltkreis des Vibrationswandlers 100 der ersten Ausführungsform in Betrieb. Wie es in 4 dargestellt ist, vibriert der Schwingungserzeuger 100 mit einer Resonanzfrequenz, wenn ein Anregungssignal auf die erste Elektrodenplatte 111 in einem Zustand angewandt wird, in dem eine Bias-Spannung zwischen der Vibratorelektrodenplatte 101 und der zweiten Elektrodenplatte 121 angewandt wird, und eine elektrostatische Kapazität zwischen dem Schwingungserzeuger 100 und der zweiten Elektrodenplatte 121 verändert sich so, dass ein Strom von der zweiten Elektrodenplatte 121 ausgegeben wird. Der Ausgabestrom wird in eine Spannung an eine Strom-Spannungswandelschaltung durch Verwenden eines Berechnungsverstärkers gewandelt und eine Frequenz wird durch einen Ausgabesensor erfasst. Indes ist der Schaltkreis in Betrieb nicht auf das gezeigte Beispiel limitiert.
Wenn verschiedene Drücke auf das obere und untere Teil des Vibrationswandlers 10 angewandt werden, wird eine Deformation in dem Vibrationswandler 10 hervorgerufen und eine Resonanzfrequenz des Schwingungserzeugers 100 verändert sich korrespondierend zu einem Ausmaß der Deformation. Aus diesem Grund kann eine Differenz zwischen den angewandten Drücken auf der Basis der Veränderung einer erfassten Frequenz erhalten werden.
Eine Anodenseite jeder Schutzdiode, die eine Kathodenseite elektrisch leitend mit der Vibratorplatte 101, der ersten Elektrodenplatte 111 und der zweiten Elektrodenplatte 121 hat, ist elektrisch mit dem geerdeten Siliziumsubstrat 130 verbunden. Zudem haben sowohl die obere Polysiliziumschicht 153 als auch die Rand-Aktivierungsschicht 151 das gleiche Potential wie das Siliziumsubstrat 130.
Bei der obigen Konfiguration kann, selbst wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf die Vibratorelektrodenplatte 101, die erste Elektrodenplatte 111 und/oder die zweite Elektrodenplatte 121 angewandt wird, die Elektrizität zu der Erde über die Schutzdiode abgeleitet werden. Genauer gesagt ist, wenn eine niedrige Spannung auf die Elektrodenseite angewandt wird, die Schutzdiode so in Betrieb, dass die Elektrizität zu der Erde abgleitet wird, und wenn eine hohe Spannung auf die Elektrodenseite angewandt wird, ist die Schutzdiode so eingebracht, dass die Elektrizität zu der Erde abgeleitet werden kann.
Aus diesem Grund kann verhindert werden, dass der Schwingungserzeuger 100 und die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121 kontaktieren und auf Grund des Entladestroms, der von der elektrostatischen Entladung und der gleichen resultiert, geschmolzen werden.
Indes wird die Messung in einem Spannungsbereich, der auf die Elektrodenplatte bei dem normalen Verwendungsaspekt anzuwenden ist, nicht beeinflusst, da die elektrische Leitung mit einer Schutzdiode nicht hergestellt wird.
Zudem sind, selbst wenn die elektrische Entladung (ESD) auf die obere Polysiliziumschicht 153, die Rand-Aktivierungsschicht 151 und/oder das Siliziumsubstrat 130 angewandt wird, da diese geerdet sind, diese nicht beeinflusst.
Bei der ersten Ausführungsform, da das Siliziumsubstrat 130, die obere Polysiliziumschicht 153 und die Rand-Aktivierungsschicht 151 in dem Chip über das Substratkontaktteil 131 elektrisch leitend sind, kann ein Wiederstand verglichen mit einem Fall reduziert werden, in dem die Verbindung von einer Rückseite über eine Basis für ein Befestigen vorgesehen ist. Falls ein Wiederstand hoch ist, wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf irgendeinen angewandt wird, wird eine Potentialdifferenz hervorgerufen, und ein Risiko steigt, dass ein Schwingungserzeuger und das Siliziumsubstrat 130 und eine Hülle 154 kontaktiert und durch den Entladestrom geschmolzen werden. In diesem Punkt hat die Konfiguration der ersten Ausführungsform einen Vorteil.
Nachfolgend ist eine zweite Ausführungsform des Vibrationswandlers 10 der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu 5A und B beschrieben. Im Folgenden sind hauptsächlich die Unterschiede von der ersten Ausführungsform beschrieben.
Bei der zweiten Ausführungsform sind das Siliziumsubstrat 130 und die Aktivierungsschicht 150 wie bei der ersten Ausführungsform vom P-Typ. Jedoch ist die obere Polysiliziumschicht 153 ein N-Typ. Das Siliziumsubstrat 130 ist elektrisch mit der Rand-Aktivierungsschicht 151 durch das Substratkontaktteil 131 leitend. Bei der zweiten Ausführungsform sind die Aktivierungsschicht und der BOX-Schichtoxidfilm 135 an dem SOI-Substrat, die die dünne Aktivierungsschicht haben, partial entfernt und die Aktivierungsschicht 150 ist durch ein epitaktisches Wachstum so eingestellt, dass sie eine gewünschte Dicke hat. Der partial entfernte Ort wird das Substratkontaktteil 131, sodass das Siliziumsubstrat 130 und die Rand-Aktivierungsschicht 151 elektrisch leitend sind.
Bei dem gezeigten Beispiel ist ein Substratkontaktteil 137, das kontinuierlich ausgebildet ist, um die Vakuumkammer ohne Unterbrechung zu umgeben, separat von dem Substratkontaktteil 131 ausgebildet. Jedoch kann das Substratkontaktteil 131 kontinuierlich ausgebildet sein, um die Vakuumkammer ohne Unterbrechung zu umgeben, und mit der oberen Polysiliziumschicht 153 in Kontakt zu sein (in 5B ist das Substratkontaktteil 137 weggelassen).
Die obere Polysiliziumschicht 153, die die Hülle 154 umfasst, ist elektrisch mit dem Siliziumsubstrat 130 durch die Substratkontaktpads 132 verbunden, die an der Oberfläche des Vibrationswandlers 10 ausgebildet sind. Aus diesem Grund kann auch bei der zweiten Ausführungsform das Potential des Siliziumsubstrats 130 von der Oberfläche und das gleiche Potential auf die Rand-Aktivierungsschicht 151 und die obere Polysiliziumschicht 153 auch von der Oberfläche zu der gleichen Zeit angewandt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform ist jede Elektrodenplatte vom P-Typ (die Vibratorelektrodenplatte 101, die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121) mit der Diffusion vom N-Typ ausgebildet, um die Kathode der Schutzdiode zu bilden, und um die Kathode mit der oberen Polysiliziumschicht 143 elektrisch leitend zu kontaktieren. Zu dieser Zeit wird die Aktivierungsschicht 150 jeder Elektrode die Anode.
Genauer gesagt ist, wie es in 5B dargestellt ist, die zweite Elektrodenplatte 121 mit der Schutzdiodendiffusion 123 ausgebildet, um die Kathode zu bilden und die Kathode mit der oberen Polysiliziumschicht 153 elektrisch leitend zu verbinden. Die Vibratorelektrodenplatte 101 und die erste Elektrodenplatte 111 sind ebenfalls gleich. Die obere Polysiliziumschicht 153 ist elektrisch mit der Rand-Aktivierungsschicht 151 über das Substratkontaktpad 132 und mit dem Siliziumsubstrat 130 über das Substratkontaktteil 131 leitend.
Die Temperatursensordiode 140 ist durch Ausbilden der Temperatursensordiffusion 143 vom N-Typ in einem Teil der Aktivierungsschicht vom P-Typ, unabhängig von der Rand-Aktivierungsschicht 151 vom P-Typ, und durch Ausbilden eines Elektrodenpads für einen Temperatursensor über die obere Polysiliziumschicht 153, von welcher die Fremdstoffkonzentration erhöht worden ist, ausgebildet. Aus diesem Grund ist der Schaltkreis des Vibrationswandlers 10 der zweiten Ausführungsform in dem Betrieb, wie es in 6 dargestellt ist, und dessen Funktionen sind im Wesentlichen die gleichen, wie bei der ersten Ausführungsform, zudem sind die Polaritäten der Schutzdiode umgekehrt.
Bei einem Herstellungsprozess sind das Teil der Elektrodenplatte vom P-Typs in welchem die Diffusion vom N-Typ, ausgebildet ist, und die obere Polysiliziumschicht 153 direkt kontaktiert, und die Diffusion vom N-Typ jeder Elektrodenplatte kann zu der gleichen Zeit ausgeführt werden, wenn die Störstellen bzw. Fremdatome in die obere Polysiliziumschicht 153 eindiffundiert werden.
Bei der Konfiguration der zweiten Ausführungsform kann, selbst wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf die Vibratorelektrodenplatte 101, die erste Eletrodenplatte 111 und/oder die zweite Elektrodenplatte 121 angewandt wird, die Elektrizität zu der Erde über die Schutzdiode abgeleitet werden. Genauer gesagt, wenn eine hohe Spannung auf die Elektrodenseite angewandt wird, wird die Schutzdiode so aktiviert, dass die Elektrizität zu der Erde abgeleitet wird, und wenn eine niedrige Spannung auf die Elektrodenseite angewandt wird, ist die Schutzdiode so eingebracht, dass die Elektrizität zu der Erde geleitet werden.
Aus diesem Grund kann verhindert werden, dass der Schwingungserzeuger 100 und die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121 kontaktieren und auf Grund des Entladestroms geschmolzen werden, der von der elektrischen Entladung und der gleichen resultiert. Indes wird die Messung in einem Spannungsbereich, der auf die Elektrodenplatte bei dem normalen Verwendungsaspekt angewandt wird, nicht beeinflusst, da das elektrische Leiten mit einer Schutzdiode nicht hergestellt ist.
Zudem sind, selbst wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf die obere Polysiliziumschicht 153, die Rand-Aktivierungsschicht 151 und/oder das Siliziumsubstrat 130 angewandt wird, da diese geerdet sind, diese nicht beeinflusst. Die anderen Vorzüge sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform des Vibrationswandlers 10 der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu 7A und B beschrieben. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede von der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben.
Bei der dritten Ausführungsform ist das Siliziumsubstrat 130 vom N-Typ, die Aktivierungsschicht 150 ist der P-Typ und die obere Polysiliziumschicht 153 ist vom N-Typ. Das Siliziumsubstrat 130 ist elektrisch mit den Substratkontaktpads 132, die an der Oberfläche der Rand-Aktivierungsschicht 151 ausgebildet sind, durch das Substratkontaktteil 131, das durch Entfernen von Teilen der Rand-Aktivierungsschicht 151 und des BOX-Schichtoxidfilms 135 und Wiederbefüllen der entfernten Teile mit dem Polysilizium vom N-Typ ausgebildet ist, elektrisch leitend.
Bei dem gezeigten Beispiel ist das Substratkontaktteil 137 so ausgebildet, dass es die Vakuumkammer ohne Unterbrechung kontinuierlich umgibt, beabstandet von dem Substratkontaktteil 131. Jedoch kann das Substratkontaktteil 131 so ausgebildet sein, dass es die Vakuumkammer ohne Unterbrechung kontinuierlich umgibt, und mit der oberen Polysiliziumschicht 153 kontaktiert (in 7B ist das Substratkontaktteil 137 weggelassen).
Zudem ist das Siliziumsubstrat 130 elektrisch mit der oberen Polysiliziumschicht 153 über ein oberes Schichtkontaktteil 156, das durch Entfernen von Teilen der Aktivierungsschicht 150, die die Elektrodenplatte bildet, und des BOX-Schichtoxidfilms 135 und Wiederbefüllen der entfernten Teile mit dem Polysilizium vom N-Typ ausgebildet ist, elektrisch leitend.
Aus diesem Grund kann auch bei der dritten Ausführungsform das Potential des Siliziumsubstrats 130 von der Oberfläche angewandt werden, und zu der gleichen Zeit kann auch das gleiche Potential auf die periphere Aktivierungsschicht und die obere Polysiliziumschicht von der Oberfläche angewandt werden.
Bei der dritten Ausführungsform ist die Kathode der Schutzdiode durch Diffundieren von Verunreinigungen vom N-Typ in dem Polysilizium vom N-Typ ausgebildet, das wieder aufgefüllt wurde, wenn das obere Schichtkontaktteil 156 in der umgebenden Aktivierungsschicht 150 ausgebildet ist, die das Elektrodenteil bildet, und die Kathode ist elektrisch mit der oberen Polysiliziumschicht 153 über das obere Schichtkontaktteil 156 leitend. Zu dieser Zeit wird die Aktivierungsschicht 150 jeder Elektrode die Anode. Da die Diffusion vom N-Typ in dem Einzelkristallteil der Aktivierungsschicht 150 ausgebildet ist, wird die bevorzugte Diode erhalten.
Genauer gesagt ist, wie es in 7B dargestellt ist, die zweite Elektrodenplatte 121 mit der Schutzdiodendiffusion 123 ausgebildet, um die Kathode zu bilden, und die Kathode ist elektrisch mit der oberen Polysiliziumschicht 153 leitend. Die Vibratorelektrodenplatte 101 und die erste Elektrodenplatte 111 sind ebenso dieselben. Die obere Polysiliziumschicht 153 ist elektrisch mit dem Siliziumsubstrat 130 über das obere Schichtkontaktteil 156 und mit der Rand-Aktivierungsschicht 151 über das Substratkontaktteil 131 leitend.
Die Temperatursensordiode 140 ist mit einem Temperatursensorkontaktteil 146 durch Entfernen von Teilen der Aktivierungsschicht und des BOX-Schichtoxidfilms 135 an einem Teil der Aktivierungsschicht vom P-Typ, unabhängig von der Rand-Aktivierungsschicht 151, und durch Befüllen der entfernten Teile mit dem Polysilizium vom N-Typ ausgebildet, und ist mit einem Temperatursensordiffusion 143 durch Diffundieren der Verunreinigungen bzw. Fremdatome vom N-Typ in die umgebende Rand-Aktivierungsschicht 151 ausgebildet. Aus diesem Grund ist der Schaltkreis des Vibrationswandlers 10 der dritten Ausführungsform in Betrieb gleich zu einer Konfiguration, in der die Kathode der Temperatursensordiode 140 mit dem Siliziumsubstrat 130 in dem Schaltkreis der zweiten Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, verbunden ist.
Wie die zweite Ausführungsform kann bei der dritten Ausführungsform, selbst wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf die Vibratorelektrodenplatte 101, die erste Elektrodenplatte 111 und/oder die zweite Elektrodenplatte 121 angewandt wird, die Elektrizität zu der Erde über die Schutzdiode abgeleitet werden. Genauer gesagt, wenn eine hohe Spannung auf die Elektrodenseite angewandt wird, wird die Schutzdiode so aktiv, dass die Elektrizität zu der Erde abgeleitet wird, und wenn eine niedrige Spannung auf die Elektrodenseite angewandt wird, ist die Schutzdiode so eingebracht, dass die Elektrizität zu der Erde entladen wird.
Aus diesem Grund kann verhindert werden, dass der Schwingungserzeuger 100 und die erste Elektrodenplatte 111 und die zweite Elektrodenplatte 121 kontaktiert werden und auf Grund des Entladestroms, der von der elektrostatischen Entladung und dergleichen resultiert, schmelzen. Indes ist in einem Spannungsbereich, der auf die Elektrodenplatte in dem normalen Verwendungsaspekt angewandt wird, da die elektrische Leitung mit einer Schutzdiode nicht hergestellt ist, die Messung nicht beeinflusst.
Zudem sind, selbst wenn die elektrostatische Entladung (ESD) auf die obere Polysiliziumschicht 153, die Rand-Aktivierungsschicht 151 und/oder das Siliziumsubstrat 130 angewandt wird, da diese geerdet sind, sind diese nicht beeinflusst. Die anderen Vorzüge sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Claims

Ein Vibrationswandler, der umfasst: ein Siliziumsubstrat (130), einen ersten Oxidfilm (135), der auf dem Siliziumsubstrat (130) ausgebildet ist, eine Aktivierschicht (150), die auf dem ersten Oxidfilm (135) ausgebildet ist, einen zweiten Oxidfilm (152), der auf der Aktivierungsschicht (150) ausgebildet ist, eine Polysiliziumschicht (153), die auf dem zweiten Oxidfilm (152) ausgebildet ist, und ein Substratkontaktteil (131), wobei ein Schwingungserzeuger (100), eine Vibratorelektrode (101), die mit dem Schwingungserzeuger (100) elektrisch leitend ist, eine feststehende Elektrode (111, 121) nahe zu dem Schwingungserzeuger (100) und eine Vakuumkammer, die ausgestaltet ist, um den Schwingungserzeuger (100) zu umgeben, in der Aktivierungsschicht (150) ausgebildet sind, wobei die Polysiliziumschicht (153) eine Hülle bildet, und wobei das Substratkontaktteil (131) ausgestaltet ist, um mit der Polysiliziumschicht (153) und dem Siliziumsubstrat (130) elektrisch leitend zu sein, und ausgebildet ist, um die Vakuumkammer in einem Bereich der Aktivierungsschicht (150) kontinuierlich zu umgeben, in welchem der Schwingungserzeuger (100), die Vibratorelektrode (101) und die feststehende Elektrode der Aktivierungsschicht (150) nicht ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, dass das Substratkontaktteil (131) kontinuierlich ausgebildet ist, um den Schwingungserzeuger (100), die Vibratorelektrode (101), die feststehende Elektrode und die Vakuumkammer der Aktivierungsschicht (150) zu umgeben.
Der Vibrationswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Substratkontaktteilen (131) in der Aktivierungsschicht ausgebildet sind,
Der Vibrationswandler gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pad, das ausgestaltet ist, um elektrisch mit der Vibratorelektrode (101) leitend zu sein, ein Pad, das ausgestaltet ist, um elektrisch mit der feststehenden Elektrode (111, 121) leitend zu sein, und ein Substratkontaktpad, das ausgestaltet ist, um elektrisch mit dem Siliziumsubstrat (130) leitend zu sein, an der Polysiliziumschicht-Seite vorgesehen sind.
Der Vibrationswandler gemäß einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Dioden zwischen der Vibratorelektrode (101) und dem Siliziumsubstrat (130) und zwischen der feststehenden Elektrode (111, 121) und dem Siliziumsubstrat (130) ausgebildet sind.
Der Vibrationswandler gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden durch den Bereich der Aktivierungsschicht (150), in welchen der Schwingungserzeuger (100), die Vibratorelektrode (101) und die feststehende Elektrode (111, 121) nicht ausgebildet sind, und durch eine in dem Bereich ausgebildete Diffusion, die einen leitenden Typ hat, der von einem leitenden Typ des Bereichs verschieden ist, ausgebildet sind.
Der Vibrationswandler gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden durch die jeweiligen Elektroden und durch eine in jeder Elektrode ausgebildete Diffusion, die einen leitenden Typ hat, der von einem leitenden Typ jeder Elektrode verschieden ist, ausgebildet sind.
Der Vibrationswandler gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode für einen Temperatursensor separat von den Dioden in dem Bereich der Aktivierungsschicht (150), in welchem der Schwingungserzeuger (100), die Vibratorelektrode (101) und die feststehende Elektrode (111, 121) nicht ausgebildet sind, ausgebildet ist.
Der Vibrationswandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende Elektrode (111, 121) umfasst: ein erstes Elektrodenpad, und eine zweites Elektrodenpad, und wobei das erste Elektrodenpad und das zweite Elektrodenpad so ausgebildet sind, dass sie den Schwingungserzeuger zwischen sich aufnehmen.