DE3335772A1

DE3335772A1 - Piezowiderstands-messgroessen-umformer

Info

Publication number: DE3335772A1
Application number: DE19833335772
Authority: DE
Inventors: Leslie Bruce Palo Alto Calif. Wilner
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Meggitt Orange County Inc
Priority date: 1982-10-04
Filing date: 1983-10-01
Publication date: 1984-04-05
Also published as: FR2534022A1; GB2128404A; DE3335772C2; JPS59132173A; JPH0471343B2; GB2128404B; GB8326485D0; US4498229A; FR2534022B1

Description

Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformer

Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung elektromechanische Meßgrößen-Umformer zur Umformung mechanischer Bewegungen oder Verschiebungen in elektrische Signale. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes spannungsempfindliches Element oder eine Kraft-Meßlehre zum Einsatz in derartigen mechanischen Meßwert-Umformern.

In elektromechanischen Meßgrößen-Umformern, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, wird ein Umformer-Element zum Nachweis der Relativverschiebung zweier Teile und zur Entwicklung eines entsprechenden elektrischen Signals eingesetzt. Im allgemeinen wurden in der Vergangenheit und werden solche Relativverschiebungen mit Hilfe verschiedenartiger Spannungsmeßgeräte gemes-

sen. Diese tendieren jedoch zu einem erheblichen Gewicht, wobei einige von ihnen einen großen Raumbedarf haben und andere nicht sehr empfindlich sind. Diejenigen, die wiederum empfindlich sind, haben eine komplizierte Bauweise und sind sehr teuer. Wie oben darge-

legt, richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Sensor oder eine Meßlehre des auf eine Kraft ansprechenden Typs; dieser Sensor bzw. diese Meßlehre ist zwischen zwei Teilen befestigt, zwischen denen eine Kraft angelegt wird. Demgemäß wird die Meßlehre in

einem Maße gespannt, das von der betreffenden Kraft abhängt. Sie ist wesentlich kleiner als die Kraft-Meßgeräte gemäß dem Stand der Technik, von relativ einfachem Aufbau, leicht zu fertigen und infolgedessen weniger kostspielig.

Im Zuge der Entwicklungen der Anwendung solcher Meßgrößen-Umformer mit Piezowiderstand im Laufe der Jahre hat sich ein immer stärkerer Bedarf nach extrem kleinen Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und geringem Raumbedarf herausgebildet. Bei der Entwicklung von Kraft-Meßlehren extrem geringer Größe ergeben sich jedoch Schwierigkeiten in bezug auf ihre Handhabung bei der Befestigung auf ihrem Substrat, sobald sie entwickelt sind. Sie sind nicht nur wegen ihrer geringen Größe,
sondern auch wegen ihrer Zerbrechlichkeit schwierig zu handhaben.

Einer der Hauptvorteile von Kraft-Umformern liegt in der Tatsache, daß die Verschiebung zwischen den Auflagen an jedem ihrer Enden, die durch die Relativver-

Schiebung der beiden Teile erzeugt wird, an denen diese Auflagen angebracht sind, konzentriert wird in dem sozusagen "aufgehängten" Teil der Kraft-Meßlehre, der die zu erfühlende oder zu messende Spannung mechanisch zu vervielfachen vermag. Weiterhin ist die Widerstandsän-

derung des Elements bezogen auf die Einheit der Verschiebung am größten, wenn die Länge des Elements vermindert wird. Durch Einsatz von sowohl niedrigen Längen der Lehre als auch geeigneter Hebelverhältnisse können aus kleinen Verschiebungen sehr große Widerstandsände-

5 rungen resultieren. Diese Änderung des Widerstandes wird bestimmt mittels eines elektrischen Stromes, der durch das Element hindurch von einer Auflage zu der anderen fließt, und Messung der Änderungen der Spannung oder anderer elektrischer Eigenschaften, die von den

Änderungen des Widerstandes herrühren. Wenn jedoch Versuche unternommen werden, solche Kraft-Meßlehren immer kleiner zu machen, dann treten, wie oben erwähnt,

oft Schwierigkeiten auf in bezug auf ihre Handhabung bei der Befestigung auf ihren Substraten sowie andere Probleme, die gewöhnlich beim Umgang mit sehr kleinen Gegenständen enstehen.

Im Gegensatz dazu werden durch die vorliegende Erfindung spannungsempfindliche Elemente in Form von Kraft-Meßlehren verfügbar gemacht, die sich von dem Substrat ableiten, von dem sie anschließend beim Einsatz gehalten werden. Das heißt, die Meßlehren werden auf dem

Substrat festgelegt oder darauf markiert und anschließend direkt aus dem Material des Substrats geätzt. In einer Form der Kraft-Meßlehre gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lehre so geätzt, daß man eine kleine tragende Fläche oder Mesa darunter beläßt, wobei die

Meßlehre durch diesen kleinen Teil des Substrats noch mit dem Substrat richtig verbunden gehalten wird. In ihrer bevorzugten Ausführungsform richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine Kraft-Meßlehre, die von ihrem Substrat über ihre Länge hinweg freigeätzt ist,

mit ihm jedoch an ihren Enden kontinuierlich verbunden ist. Auf diese Weise sind die Kraft-Meßlehren gemäß der vorliegenden Erfindung kristallin kontinuierlich mit ihrem Träger verbunden.

Das bedeutet, daß Kraft-Meßlehren mit einem wesentlich geringeren Spannungsvolumen dadurch erzeugt werden, daß die Meßlehre in dem Substrat oder in einem starr an das Substrat gebundenen Material festgelegt wird und anschließend das unmittelbar benachbarte Material fortgeätzt wird, wodurch die Meßlehre, nach Art der Meßlehren der Vergangenheit, frei im Raum zurückgelassen wurden, jedoch gehaltert gegen unerwünschte Querbelastungen

durch voneinander entfernte Teile des Substrats. Solche Meßlehren können ein Volumen haben, das so klein ist wie 3 χ 10 cm³ des beanspruchten Materials, im Gegensatz zu den gegenwärtig im Handel erhältlichen
Kraft-Meßlehren, bei denen das unter Spannung stehende Volumen 5 χ 10 cm³ beträgt. Beide Meßlehren werden typischerweise zu einem Teil auf tausend Teile gespannt. Somit ist die Spannungsenergie für die kleinere Meßlehre ein tausendfaches weniger.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß das Volumen der gemäß der vorliegenden Erfindung formulierten Meßlehren über einen weiten Bereich hinweg variiert wird, je nach der vorgesehenen endgültigen Verwendung. Beispielsweise kann eine "derbe" Meßlehre die

-4 -4 -4

Abmessungen 3 χ 10 cm χ 8 χ 10 cm χ 32 χ 10 cm

-9
oder 10 cm³ aufweisen. Andererseits kann eine emp-

-4 -4 -4

findliche 0,3 χ 10 cm χ 3 χ 10 cm χ 12 χ 10 cm oder 10 cm³ aufweisen. Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, durch Einsatz der Elektronen-

-12
strahl-Lithographie ein Meßlehren-Volumen von 10 cm³ zu erzielen.

Betrachtet man die allgemeinen Bedingungen für die Durchführung des hier angegebenen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Kraft-Meßlehre, wird ein übliches Silicium-Kristall-Material ausgewählt, und der Umriß der Lehre wird auf den ausgewählten Kristall, der das Substrat bildet, geätzt. Gewählt wird eine Ätzung, die sowohl anisotrop als auch Dotierungsmittel-selektiv ist. Ätzalkali-, Hydrazin-

und Brenzcatechin-Ätzmittel können gewählt werden, je

nach den angestrebten Ergebnissen. Sie greifen Silicium rasch in der /_ 112_/-Richtung, mäßig rasch in der /_ 110_/-Richtung und sehr langsam in der ]_ 11 ^/-Richtung an. In der vorliegenden Erfindung ist die Substrat-Orientierung (110) in der Ebene und ]_ 111_7 längs der Meßlehre, wodurch eine Rille definiert wird, über der sich die Meßlehre ausdehnt. Bei einer solchen Orientierung wird eine Rille mit Wandungen, die nahezu senkrecht sind, und mit Böden, die nahezu waagerecht
sind, gebildet.

Die gleichen Ätzmittel, die anisotrop sind, sind dahingehend selektiv in bezug auf das Dotierungsmittel, daß sie ein Silicium, in dem sich eine Bor-Konzentration

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von mehr als 5 χ 10 /cm³ entwickelt hat, sehr langsam

angreifen. Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Meßlehre festgelegt und ihre Anschlüsse werden ebenfalls definiert durch eine planare Diffusion

' oder Ionen-Implantation durch eine Oxid-Maske bis zu

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einer Bor-Konzentration von grob 10 /cm³. Das Bor

macht die Meßlehre zu einer solchen des p-Typs, während das Substrat vom η-Typ ist. Die Diffusionsfläche ist von dem Substrat durch einen p-n-Ubergang elektrisch isoliert. Während des Ätzvorgangs, der die Rille bildet, wird die Meßlehre dem Ätzmittel ausgesetzt, ist

jedoch gegenüber diesem beständig. Es ist ausdrücklich darauf hinzuweisen und wird auch weiter unten näher erläutert, daß bei der Festlegung der Rille, über die sich die Meßlehre erstreckt, auch eine Gelenkverbindung in dem Substrat festgelegt wird, um die sich das eine

0 Ende des Substrats relativ zu dem anderen bewegt, um die Spannung zu entwickeln, die von dem Sensor überwacht wird. Außerdem schützt die Gelenkverbindung die Meßlehre vor der Einwirkung von Belastungen in Querrichtuncr.

Als weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung können zwei Substrat-Plättchen (Wafers) miteinander verbunden werden. Rillen können vor oder nach dem Vereinigen der Plättchen gebildet werden. Wenn die Rillen durch Ultraschallbohrung hergestellt werden, müssen sie vor dem Verbinden hergestellt werden. Die Meßlehren und ihre Anschlüsse müssen in dem Meßlehren-Plättchen durch Dotieren auf die erforderliche hohe Bor-Konzentration vor dem Verbinden festgelegt werden, und anschließend wird

der gesamte undotierte Teil des Meßlehren-Plättchens fortgeätzt. Alternativ hierzu kann die gesamte Bindungsfläche des Meßlehren-Plättchens mit Bor dotiert werden, so daß die Ätzung eine durchgehende Folie des Meßlehren-Materials hinterläßt, aus der Meßlehren mit-

tels eines anschließenden photolithographischen Schrittes herausgeätzt werden können. Dieses Verfahren ähnelt dem Lösungsweg des verbundenen Plättchens, der durch die Anmelderin beschrieben und beansprucht wird in der gleichfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Ak-

tenzeichen 233 728, eingereicht am 12. Februar 1981.

Beispielsweise ist das Meßlehren-Plättchen immer noch (110) _/ 111_/ orientiert, während das Gelenkverbindungs-Plättchen zum Zwecke des leichten und präzisen Ätzens (100) _/ 110_7 orientiert ist. Dies liefert eine

geringere Differenz der Spannung an den Plättchen und der damit verbundenen Oberfläche der Gelenkverbindung als das quadratische Ä"tzmuster in (110) . Wenn die beiden Plättchen einmal mit einander verbunden sind, wobei die Meßlehren über ihren entsprechenden Rillen oder

Öffnungen angeordnet sind, die in den Plättchen fest-

gelegt sind, dann werden die Meßlehren dadurch freigelegt, daß das gesamte Meß lehrenplättchen bis auf die Meßlehren und ihre Anschlüsse weggeätzt werden. Dieses Verfahren ist in bezug auf seine Durchführung komplexer, aber es bietet eher eine dielektrische Isolierung der Meßlehren als eine Dioden-Isolierung. Außerdem ermöglicht es die Verwendung verschiedener Kristallorientierungen in dem Meßlehren-Plättchen und dem Substrat-Plättchen. Dieses Verfahren weicht allerdings von einem der vorrangigen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ab, nach dem die Meßlehre und ihr Substrat-Träger die gleiche Kristallstruktur haben sollen.

Ein Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformer, der nach den im Vorstehenden angegebenen allgemeinen Verfahrensweisen entwickelt wurde, eignet sich besonders für .Beschleunigungsmesser, Druck-Meßgrößen-Umformern und Verschiebungs-Meßlehren. Die Länge jeder hiernach erzeugten Meß lehre beträgt im allgemeinen etwa 25 μΐη, während die Breite etwa bei 6 μπι liegt.

Die allgemeinen Schritte oder Arbeitsgänge, die zur Herstellung eines Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformer-Würfels zum Einsatz in einem Beschleunigungsmeßgerät durchzuführen sind, umfassen zuerst die Auswahl eines Silicium-Plättchens. In diesem Zusammenhang ist anzu-

merken, daß in einem einzelnen Plättchen eine Mehrzahl Sensoren erzeugt werden, je nach der Form des auszubildenden Sensors für eine besondere Anwendungsform. Anschließend werden einzelnen Sensoren, sobald sie mit ihren Meßlehren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind, aus dem Plättchen würfelförmig herausgeschnitten. Nachdem das Plättchen ausgewählt worden

ist, wird es stark oxydiert. Anschließend werden photolithographisch auf beide Seiten des Plättchens Index-Markierungen aufgebracht, um die Muster auf jeder Seite des Plättchens auszurichten. Hier ist klarzustellen,
daß in bezug auf jeden auf einem Plättchen gebildeten Würfel Meßlehren auf einer Seite oder beiden Seiten des Plättchens ausgebildet werden können, was wiederum abhängt von der Form des in der Entwicklung für einen besonderen Anwendungszweck befindlichen Sensors.

Nach dem Aufbringen der Index-Markierungen auf jede Seite mittels eines photolithographischen Mittels werden öffnungen in der Oxid-Schicht freigelegt, die kräftig zu dotieren sind, um die Meßlehren und die Leiter für diese festzulegen. Nachdem dies getan ist, wird Bor auf die freigelegten Flächen auf beiden Seiten in einer Menge von 1,5 χ 10 /cm² aufgebracht, die ausreicht, um eine Bor-Konzentration in einer Menge von wenigstens

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5 χ 10 Atomen/cm³ und eine Tiefe innerhalb des Bereichs von etwa 0,1 bis 3 um zu erhalten. Die Implantation sollte nahezu den gleichen Grad der Dotierung auf beiden Seiten liefern. Anschließend an das Implantieren des Bors wird das Siliciuin-Plättchen bei einer Temperatur von 92O⁰C etwa 1 h getempert. In diesem Zusammenhang wird hinsichtlich einer ausführlicheren Diskussion über die allgemeinen Verfahrensweisen, die hier zur Durchführung gelangen und erörtert werden, auf die oben genannte gleichzeitig anhängige US-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 233 728 verwiesen. Die gleiche Bor-Dotierung kann durch planare Diffusion erreicht werden.

0 Nachdem der Arbeitsgang des Temperns stattgefunden hat, werden die Ätzmuster auf beiden Seiten photolithographisch freigelegt. Auf diese Weise wird das Plättchen

für den Arbeitsgang des Ätzens vorbereitet. Das Ätzen kann erfolgen mittels eines Kaliumhydroxyd-Wasser-Isopropylalkohol-Bades. Vorzugsweise wird jedoch ein Ethylendiamin-Brenzcatechin-Ätzmittel verwendet. In diesem
Zusammenhang werden während dieses Ätzvorgangs Flächen, die durch Oxid geschützt sind, und Flächen, die stark mit Bor dotiert sind, nicht geätzt. Der Ätzvorgang dauert annähernd vier Stunden. Vorzugsweise wird das Ätzen bis zu einer Tiefe von etwa 0,056 mm (0,0022 inches)

durchgeführt, wenn man ein Plättchen von 0,127 mm (0,005 inches) zugrundelegt, so daß eine zentrale Gelenkverbindung von 0,015 mm (0,0006 inches) verbleibt. Die Tiefe sollte ausreichend sein, um eine im wesentlichen ebene Bodenoberfläche der Rille unterhalb der Meßlehren zu erreichen. Die Tiefe sollte ebenfalls ausreichend sein, daß die Restdicke am Boden der Rille, die als ein elastisches Scharniergelenk betrachtet wird, einen kleinen Bruchteil der Biegesteifigkeit in einem System repräsentiert, das aus dem gebildeten Scharniergelenk und seiner Meßlehre besteht.

Sobald der Ätzvorgang stattgefunden hat, wird das gesamte vorher aufgebrachte Oxid abgestreift, und eine dünne Oxid-Schicht wird auf dem Plättchen wachsen gelassen, um die p-n-übergänge zu schützen. Sobald dies

erledigt ist, wird Aluminium auf einer oder beiden Seiten aufgebracht, um die metallischen Verbindungen für die einzelne Meßlehre oder die Meßlehren anzubringen. In Verbindung hiermit werden nach dem Aufbringen des Aluminiums die Muster des Aluminiums für die BiI-

dung der Kontaktflächen photolithographisch auf dem Plättchen definiert. Anschließend wird das Plättchen mit einer Diamantsäge in die einzelnen Würfel zerschnitten.

Im Hinblick auf die oben genannten und andere Ziele wird die vorliegende Erfindung im Folgenden ausführlicher beschrieben, und weitere Ziele und Vorteile sind dieser Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformers zur Veranschaulichung der Erfindung, in dem eine einzelne Meßlehre auf einer Seite des betreffenden Substrats angeordnet
ist.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformers zur Veranschaulichung der Erfindung, in dem zwei Kraft-Meßlehren auf einer Seite des Substrats angeordnet sind.

Die Fig. 3a bis 3j zeigen diagrammartige Schnittansichten der Abfolge der erfindungsgemäßen Verarbeitungsbedingungen bei der Bearbeitung der Plättchen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der die Meßlehren auf einen überhängenden Träger geätzt sind.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die eine
Form der Erfindung veranschaulicht, in der die Meßlehren versetzt von der Haupt-Kristallrichtung geätzt sind.

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer von einer Mesa unterstützten Meßlehre, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

In den Zeichnungen bezeichnen in verschiedenen Darstellungen gleiche Bezugszahlen die gleichen Teile.

Fig. 1 zeigt einen die Erfindung veranschaulichenden Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformer 10 mit einem Substrat 24 mit einer darin festgelegten Rille 25, die die Meßlehre 12 unterschneidet. Wie aus der Fig. 1 zu er-

sehen ist, erstreckt sich die Meßlehre 12 über die Rille 25 hinweg zu den Auflageflächen 14, 16 an den jeweiligen Enden derselben. 18 ist eine Verbindung zwischen der Auflagefläche 14 der Meßlehre und dem Ende 19 des Substrats 24, während 20 das entgegengesetzte Glied oder die Gegenverbindung 20 ist, die den Kontakt mit der Meßlehren-Auflagefläche 16 aufrechterhält. 22 ist der Kontakt zu dem Substratende 28. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Rille 25 eine Scharniergelenkverbindung 30 zwischen dem festgehaltenen Ende 28 des Sub-

strats 24 und dessen beweglichem Ende 26 definiert. Eine Kraft wird zur Einwirkung gebracht auf das bewegliche Ende 26 in Richtung der Pfeile 32, die bewirkt, daß das bewegliche Ende 26 sich um das Gelenk 30 relativ zu dem festen Ende 28 bewegt und auf diese Weise in der Meßlehre 12 eine Spannung erzeugt, die elektronisch gemessen wird, wie dies oben erörtert wurde.

Wenn die empfindlichen Elemente oder Meßlehren in der Weise der vorliegenden Erfindung formuliert sind, können sie in eine elektronische Schaltung zur Verbindung
mit einem Aufzeichnungssystem eingebaut werden, je nach

dem Endzweck dieser Schaltung. Beispielsweise können die Meßlehren für den Einsatz in einem Druck-Meßgrößen-Umformer-Sy stem in eine Wheatstone'sehe Brückenschaltung in einen Druck-Sensor ähnlich dem in der US-PS
4 065 970 gezeigten eingebaut werden.

Fig. 2 zeigt einen Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformer 34 mit zwei Meßlehren 36, die auf der Oberseiten-Oberfläche 60 desselben mit Hilfe der allgemeinen, oben erörterten Arbeitsweisen aufgebracht sind. Die beiden

Meßlehren 36 enden auf der einen Seite in einer Auflagefläche 58, die auf dem beweglichen Ende 44 des Substrats 42 liegt, während die beiden Meßlehren 36 einzeln für sich getrennte Auflageflächen 56 aufweisen, die auf dem festen Ende 46 des Substrats 42 angeordnet

sind. Die Auflageflächen 56 haben darauf liegende elektrische Kontaktanschlüsse 38, während die Auflage 58 die Fläche 40 trägt. Die metallische Fläche 40 wird gebildet, um den elektrischen Widerstand der Auflagefläche 58 und den benachbarten Enden der Meßlehren 36

zu erniedrigen. Sie ist für die gezeigte Konstruktion nicht zwingend erforderlich. Die Flächen 38 und 40 können im Sinne des oben Gesagten aus Aluminium bestehen.

Wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die Gelenk-Verbindung 52 in der Mitte zwischen der Oberseite und

der Unterseite des Substrats 42 angeordnet, was im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung steht. Auf diese Weise werden eine obere Rille 48 und eine untere, rückwärtige Rille 50 gebildet, die das Scharniergelenk 52 festlegen. In Verbindung mit der Darstellung der Fig. 2 hat man sich vorzustellen, daß ein Muster der Lehren ähnlich dem auf der Oberseiten-Oberfläche 60 des Substrats 42 dargestellten auch auf der

Unterseiten-Oberfläche desselben gebildet werden kann, wobei dieses Lehren-Muster nominell mit dem abgebildeten identisch ist. Die Lehrenmuster werden von dem Substrat und voneinander durch p-n-übergänge isoliert.
Diese Anordnung leitet sich aus den oben angegebenen allgemeinen Arbeitsbedingungen und -schritten ab.

Die Fig. 3a bis 3j zeigen eine Abfolge von Arbeitsgängen zur erfxndungsgemäßen Herstellung einer Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformer-Anordnung mit einer einseitigen, freiliegenden oder aufgehängten Meßlehre. Wie in der Fig. 3a dargestellt ist, besitzt ein Substrat 62 darauf ausgebildet eine oxydierte Schicht 64 auf der Oberseite und eine oxydierte Schicht 66 auf der Oberfläche der Unterseite. Nach dem Schritt des Oxydierens

v/erden Indices für Bearbeitung sowohl der Oberseiten-Oberfläche 64 als auch der Unterseiten-Oberfläche 66 des Substrats koordiniert angebracht, indem die Koordinaten-Indices 68, 70 darin gebildet werden. Wie aus

ι der Fig. 3c zu entnehmen ist, wird die Oberseiten-Oberfläche 64 bei 72 für die Dotierung freigelegt. Danach wird Bor aus B₉O- in die freigelegten öffnungen bis zu einer B-Atom-Konzentration von I0~ /cm³ eindiffundieren gelassen, wodurch beispielsweise ein Flächenwiderstand von 6 Ohm/cm² erzeugt werden kann. Die Fig. 3d zeigt

das in die offenen Flächen 72 und in das Index-Muster 68 eindiffundierte Bor 74.

Nach dem Schritt der Bor-Diffusion werden beide Seiten des Substrats 62 mit einem Ätzmuster für den anschließenden Ätzvorgang freigelegt, wie dies in 7 6 bzw. 7 8
(Fig. 3e) gezeigt ist. Anschließend wird der Arbeitsgang des Ätzens durchgeführt, vorzugsweise mit dem

Ethylendiamin-Brenzcatechin-Ätzmittel, wie die im Vorstehenden erörtert wurde. Das Ätzen findet bis zu einer Tiefe von 0,056 mm (0,0022 inches) in Material von 0,127 mm (0,005 inches) statt, so daß die Meßlehren unterschnitten werden und zentrale Gelenkverbindungen
von 0,015 mm (0,0006 inches) verbleiben. Wie aus der Fig. 3f zu ersehen ist, bildet das Ätzen Rillen 48, 50, die an jeder Ätzstelle eine Gelenkverbindung 52 festlegen. Aus der Fig. 3f ist weiterhin zu entnehmen, daß die Koordinaten-Index-Muster-Anordnung 68, 70 durch das Ätzen beeinflußt wird. In diesem Zusammenhang sind die ursprünglichen Index-Markierungen durch Bor-Dotierung gegen das Ätzen immunisiert. Index-Bilder können neue dem Ätzen neue Index-Flächen öffnen oder auch nicht, wie dieses gewünscht wird. Die gebildeten Meßlehren 8 4

erstrecken sich, wie der Fig. 3f zu entnehmen ist, über die Rillen 48 in ähnlicher Weise wie in der Darstellung der Fig. 2.

Anschließend wird das verwendete Oxid von dem Substrat 62 abgestreift, und ein dünner Oxid-Überzug wird auf

beiden Oberflächen 64, 66 wachsen gelassen, wodurch die in der Fig. 3g dargestellte Anordnung gebildet wird. Im Anschluß an das Wachstum der dünnen Oxid-Schicht wird eine Metall-Schicht 80 auf die Oberflächen-Oberseite 64 des Substrats 62 aufgebracht, wie dies aus der Fig. 3h

hervorgeht. Der Überzug aus Aluminium oder der metallisierte Überzug 80 wird dann mit einem Muster versehen, um die Kontakte oder Verbindungsglieder der an jedem Ende der Meßlehren gebildeten Auflageflächen festzulegen (Fig. 3i) . Schließlich werden die einzelnen Würfel

aus dem nach der oben beschriebenen Arbeitsweise bearbeiteten Plättchen herausgeschnitten, wobei ein einzelner Würfel eine Form ähnlich der in der Fig. 3j dargestellten Form 86 besitzt.

Als ein weiteres Merkmal gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die kostengünstige Fertigung von Druck-Sensoren mit hoher Empfindlichkeit; wurde gefunden, daß die relative Unebenheit einer Meßlehre auf ihrem eigenen Träger gegenüber einer vollständig freigelegten oder "schwimmenden" Meßlehre zu bevorzugen ist. Die für eine solche "Mesa"-unterstützte Meßlehre aufzuwendende Spannungsenergie beträgt etwa das Dreifache derjenigen, die für eine freiliegende

Meßlehre benötigt wird, jedoch macht ihre Beständigkeit gegenüber Beschädigungen bei der Handhabung sie erheblich billiger, worauf besonders hinzuweisen ist. Wenn nämlich das fitzen in einer (10 0) Kristalloberfläche vorgenommen wird, bilden die Wandungen der geätzten

Hohlräume Winkel von 35° bis 45° mit der Senkrechten. Leitende Metall-Filme können aufwärts und abwärts dieser Hänge aufgebracht und mit Mustern versehen werden, die dann eine Meßlehren tragende Mesa definieren. Beim Ätzen in (100) sind die Meßlehren in J_ 110_/

ausgerichtet, wie dies für den höchsten Meßlehren-Faktor erforderlich ist, und die Meßlehren werden nicht unterschnitten, wie oben beschrieben wurde, sondern sie verbleiben auf Mesas, wodurch Meßlehren mit relativer Unebenheit erhalten werden.

Die Fig. 6 veranschaulicht diese Form der vorliegenden Erfindung in einem Schnittbild, in dem die Meßlehre 150 von ihrer zugehörigen Mesa 152 oberhalb der Rillenebene 154 getragen wird. In dieser Form wird eine neutrale Biegeachse 156 in der Nähe der Ebene 154 des Gelenks

ausgebildet.

Auf der anderen Seite ist es vorzuziehen, daß die Meßlehren in durch Ätzen freigelegter Form in dieser Ebene

vorliegen, fall sie "schlecht zentriert" sind; das Versetzen des einen Endes der Meßlehre um wenigstens die Breite derselben ermöglicht, daß beim Ätzen die Meßlehre unterschnitten wird. Eine gewisse zusätzliche
Verdrehung der Meßlehre kann erforderlich werden, um ein Glätten des Raumes, der die Rille unter der Meßlehre definiert, durch das Ätzmittel zu ermöglichen. Die gewinkelte Meßlehre besitzt eine Breite von etwa 7,5 μπι, eine Länge von 37,5 μπι, eine Tiefe von 15 μπι
und eine ebene Bodenbreite von etwa 15 μπι.

Die Konzession, die für die Winkelabweichung der Meßlehre von der Haupt-Kristallrichtung /_ 110_/ zu machen ist, liegt in einer Verminderung des Meßlehren-Faktors. Beispielsweise verringert ein Winkel von 13° zur Meß-

lehre den Meßlehren-Faktor um 19 %. Dies bedeutet eine relativ geringe Einbuße im Vergleich zu dem Gewinn an Emfindlichkeit aufgrund der Entfernung des darunterliegenden Materials. Die Fig. 5 ist repräsentativ für ' eine Ausführungsform der oben diskutierten Art, in der

die Meßlehren 126 in einem Winkel relativ zu der Hauptachse 145 des Substrats 120 angeordnet sind. Wie aus der Fig. 5 zu entnehmen ist, wirkt die angelegte Kraft, wie durch die Pfeilrichtungen 142 angezeigt wird, auf das bewegliche Ende 122 des Substrats 120 an dem Gelenk 140 um das feste Ende 124 des Substrats 120. Das Gelenk 140 wird durch die obere Rille 136 bzw. die untere Rille 138 festgelegt. In dieser besonderen geometrischen Form des Sensor-Elements enden die Meßlehren 126 in einer einzigen Auflagefläche 128 an ihrem einen Ende,

während die Einzel-Meßlehren 126 an ihrem anderen Ende in einzelne getrennte Auflageflächen 130 münden. Aluminium-Verbindungen 132, 134 sind auf diese Auflageflächen aufgebracht.

Als ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein überhängender Sensor eingesetzt werden. Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Überhang benutzt wird. In Fig. 4 ist ein Sensor 94 auf einem
Grundblock 92 befestigt. Der Sensor 94 kann auf dem Grundblock 92 vermittels einer Klammer befestigt sein, oder die beiden Teile können mit Hilfe eines Klebstoffs miteinander verbunden sein. Der Sensor 94 besitzt ein festes Ende 100, das mit dem Grundblock 92 verbunden

ist, während das bewegliche Ende 102 des Sensors 94 einen Überhang bildet. Auf diese Weise reagiert das bewegliche Ende 102 auf Kräfte in der Richtung der Pfeile 104 um das Scharniergelenk 114, das durch eine obere Rille 116 bzw. eine untere Rille 118 festgelegt

ist. Die Meßlehren 98 erleiden während dieser Bewegung in einer Richtung die Einwirkung einer Spannung, und das elektrische Signal in ihnen wird von den Kontakten 106, 112 aufgenommen, die auf die Auflageflächen 105 bzw. 107 an jedem Ende der Meßlehren 98 aufgebracht

sind. Diese besondere Sensor-Form enthält identische Meß lehren, die auf der Bodenfläche des Sensors 94 angebracht sind, um die Bewegung des Endes 102 in der umgekehrten Kraftrichtung 104 zu erfühlen.. Insofern erstrecken sich die Leitungen 108 von den Kontakten 106 her, während die Leitungen 110 von den Kontakten herkommen, die auf der Unterseite des Sensors 94 angebracht sind und in Berührung mit den darauf befestigten Meßlehren stehen. Das in der Fig. 4 dargestellte Verbundelement kann beispielsweise als Beschleunigungs-

Meßgerät eingesetzt werden, in dem die Trägheitskraft des Endes 102 diejenige Kraft ist, die von dem System gemessen wird.

Die vorstehende Diskussion macht deutlich, daß die hier beschriebene Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Piezowiderstands-Meßgrößen-Umformern und diese als Produkt des Verfahrens verfügbar macht, die sich Sensor-Elemente mit solchen Meßlehren zunutze machen, die in situ auf ihren jeweiligen Substraten hergestellt sind. Dieses Verfahren und die dadurch erhaltenen Produkte machen es möglich, mit unter Spannung stehenden Material-Volumina zu arbeiten, die um einen Faktor von

mehreren hundert kleiner sind als diejenigen unter Spannung stehenden Volumina, die zuvor für praktisch einsetzbar gehalten wurden. Diese gesteigerte Sensor-Empfindlichkeit kann bei verschiedenen Arten von Meßgrößen-Umformern ausgenutzt werden, um sie mit stark

verbesserter Leistungsfähigkeit auszustatten. Beschleunigungs-Meßgeräte, die sich des erfindungsgemäßen Sensors bedienen, haben beispielsweise einen außerordentlich hohen Arbeitsbereich. Beispielsweise ist berechnet, daß ein herkömmlicher Beschleunigungsmesser eine

Resonanzfrequenz von 161 kHz für eine Empfindlichkeit von 1 μ,ν/V besitzt. Im Gegensatz dazu besitzt eine Anordnung mit freigeätzter Meßlehre gemäß der vorliegenden Erfindung bei der gleichen Empfindlichkeit eine Resonanzfrequenz von 1,28 MHz. Des weiteren sind Druck-Meßgrößen-Umformer mit einer wesentlich geringeren Größe entwickelt worden, die eine viel höhere Empfindlichkeit, Resonanzfrequenz und gute Linearität besitzen, da nur geringe Ablenkungen erforderlich sind.

Diese Sensor-Elemente gemäß der Erfindung können in
einfacher Weise mittels Techniken der Massenproduktion hergestellt werden, weil sie in situ formuliert werden und auf diese Weise der Umfang der erforderlichen

Handhabungsarbeiten vermindert wird, insbesondere im Hinblick auf die Montage der Meßlehren für diese auf den Trägersubstraten. Dies macht die Verfahren und das mittels dieser Verfahren hergestellte Produkt gemäß der vorliegenden Erfindung in hohem Maße vorteilhaft, zumal im Hinblick auf die beträchtliche Senkung des Materialbedarfs für das unter Spannung befindliche Volumen in den Sensoren.

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Leerseite

Claims

VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES
VON KREISLER KELLER SELTlNG WERNER

PATENTANWÄLTE
Dr.-Inq. von Kreisler 11973

Becton Dickinson and Company Dr.-ing. K.W. Eishold 11981

Paramus, N.J. 07652, U.S.A. Dr.-lny. K. Schönwdd

DrJ. F. Fues

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler

Dipl.-Chem. Carola Keller

Dipl.-Ing. G. Selling

Dr. H-K.Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

29. September 1983
AvK/GF 534

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines spannungsempfindlichen Elements mit den folgenden Schritten:

(a) Auswählen eines Silicium-Kristallplättchens

(Wafer);

(b) Aufbringen einer Oxid-Schicht in einem ersten Auflagerungsschritt auf beide Seiten des in dem Schritt des Auswählens ausgewählten Plättchens;

(c) Festsetzen von Koordinatenindices auf beiden Seiten des in dem Auflagerungsschritt erhaltenen Plättchens;

(d) Festlegen von Meßlehren und Leitern für diese auf wenigstens einer Seite des Plättchens in der Oxid-Schicht in einem ersten Schritt der Festlegung durch das Freilegen von Öffnungen in dem aufgelagerten Oxid, die den festgelegten Meßlehren und Leitungen entsprechen;

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(e) Aufbringen von Bor in einem zweiten Auflagerungsschritt in die Öffnungen aus dem ersten Schritt der Festlegung;

(f) Einwirkenlassen hinreichend hoher Temperaturen während einer hinreichend langen Zeitspanne auf das Plättchen, um das Plättchen zu tempern;

dadurch gekennzeichnet, daß

(g) auf wenigstens einer Seite des Plättchens ein Stzmuster freigelegt wird, durch das auf dem Plättchen zu bildende Rillen festgelegt werden, über die sich die genannten festgelegten Meßlehren ausdehnen;

(h) das fitzmuster aus dem Freilegungsschritt durch Anwendung eines Ätzbades geätzt wird;

(i) das gesamte restliche Oxid von dem Plättchen abgestreift wird;

(j) in einem dritten Auflagerungsschritt eine dünne Oxid-Schicht auf das Plättchen aufgebracht wird, um alle Positiv-Negativ-Verbindungen auf diesem zu schützen;

(k) in einem vierten Auflagerungsschritt eine metallische Schicht auf wenigstens eine Seite des Plättchens aufgebracht wird;

(1) in einem zweiten Festlegungsschritt die Leiter für die Meßlehren in der metallischen Schicht festgelegt werden; und

(m) das Plättchen in Chips zerschnitten wird, die die festgelegten Meßlehren und Leiter enthalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Schritt der Festlegung, der Freilegungsschritt und der vierte Auflagerungsschritt auf beiden Seiten des Plättchens durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Auflagerungsschritt mit einer solchen Menge durchgeführt wird, die ausreicht, um diffundiertes Bor in einer Menge von wenigstens

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5 χ 10 Atomen/cm³ und einer Tiefe innerhalb des Bereichs zwischen etwa 0,1 und 3 μπι zu erhalten.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Schritt des Einwirkenlassens mittels Ionen-Implantation durchgeführt wird und das Plättchen 1 h einer Temperatur von 92O⁰C ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Schritt des Ätzens mit einem Bad durchgeführt wird, das Kaliumhydroxid, Wasser und Isopropylalkohol enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Schritt des Ätzens mit einem Bad durchgeführt wird, das Ethylendiamin, Brenzcatechin und Wasser enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der erste Schritt der Festlegung, der Freilegungs-" schritt und der vierte Auflagerungsschritt auf einer Seite des Plättchens durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der zweite Auflagerungsschritt mit einer solchen Menge durchgeführt wird, die ausreicht, um diffundiertes Bor in einer Menge von wenigstens 10 Atomen/cm³ zu erhalten.

System zur Umwandlung der mechanischen Bewegung zweier relativ zueinander beweglicher Teile einer mechanischen Vorrichtung in elektrische Signale, gekennzeichnet durch:

(a) ein Substrat aus einem Halbleiter-Material mit Piezowiderstand;

(b) Rillen-Einrichtungen, die sich über das Substrat erstrecken und die relativ zueinander beweglichen Teile festlegen;

(c) wenigstens ein spannungsempfindliches Element, das sich über die Rillen-Einrichtungen hinweg senkrecht zu diesen ausdehnt,

(d) daß das spannungsempfindliche Element ein einheitliches Glied mit zwei Endteilen ist, die mittels eines dazwischen liegenden eingeschnürten Teiles miteinander verbunden und voneinander getrennt sind;

(e) daß das einheitliche spannungsempfindliche Element sich ableitet aus dem gleichen Halbleiter-Material mit Piezowiderstand des Substrats;

(f) daß die Endteile und der eingeschnürte Teil des spannungsempfindlichen Elements auf einer gemeinsamen Achse liegen;

(g) daß jedes der beiden Endteile mit einem der genannten relativ zueinander beweglicher Teile des Substrats verbunden ist;

(h) daß Elektroden-Vorrichtungen elektrisch mit den Endteilen verbunden sind, um Änderungen des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Endteilen nachzuweisen, wenn der eingeschnürte Teil einer Spannung unterworfen wird, die von dem Relativmoment der beiden Substrat-Teile herrührt.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

das spannungsempfindliche Element ein Spannungs-

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volumen von 3 χ 10 cm³ des beanspruchten Materials besitzt.

11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

die "Rillen-Einrichtungen ein Drehgelenk zwischen den beiden beweglichen Teilen definiern.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

die Rillen-Einrichtungen aus einer Einzelrille bestehen, die sich von einer Oberfläche des Substrats zu dem Drehgelenk erstreckt.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

sich eine Mehrzahl spannungsempfindlicher Elemente quer zu der Rille erstreckt und

die Endteile der Mehrzahl spannungsempfindlicher Elemente mittels der Elektroden-Vorrichtungen elektrisch untereinander verbunden sind.

14. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

die Rillen-Einrichtungen aus zwei entgegengesetzten, in Abständen von einander angeordneten Rillen bestehen, die sich von der oberen Oberfläche und der unteren Oberfäche des Substrats aufeinander zu erstrecken, um das Drehgelenk zu definieren.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß

sich eine Mehrzahl spannungsempfindlicher Elemente quer zu den Rillen auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfäche des Substrats erstreckt und
die Endteile der Mehrzahl spannungsempfindlicher Elemente mittels der Elektroden-Vorrichtungen elektrisch untereinander verbunden sind.

16. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

die Achse des spannungsempfindlichen Elements parallel zu der Achse des Substrats ist_v

17. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

die Achse des spannungsempfindlichen Elements gegen die Achse des Substrats seitlich versetzt ist; und

ein Ende jedes der spannungsempfindlichen Elemente gegen das andere Ende desselben in Richtung der Achse des Substrats um einen Betrag seitlich versetzt ist, der gleich der Breite des eingeschnürten Teils des Substrats ist.

18. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

das einheitliche spannungsempfindliche Element frei von dem Substrat geätzt wird und
die beiden Endteile des spannungsempfindlichen Elements mit den relativ zueinander beweglichen Teilen des Substrats verbunden sind.

19. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

eine tafelbergartige (Mesa-) Trägereinrichtung sich zwischen der Unterseiten-Oberfläche jedes spannungsempfindlichen Elements und dem Substrat erstreckt; und

die Mesa-Trägereinrichtungen mit den Endteilen ihrer jeweiligen spannungsempfindlichen Elemente und den betreffenden Oberflächen des Substrats, auf der die Mesa-Trägereinrichtungen aufliegen, eine Einheit bilden.

20. Meßgrößen-Umformer, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl miteinander verbundene Sensoren umfaßt und

jeder dieser Sensoren ein System nach Anspruch 9 ist.