DE3833354C2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- DE3833354C2 DE3833354C2 DE3833354A DE3833354A DE3833354C2 DE 3833354 C2 DE3833354 C2 DE 3833354C2 DE 3833354 A DE3833354 A DE 3833354A DE 3833354 A DE3833354 A DE 3833354A DE 3833354 C2 DE3833354 C2 DE 3833354C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- silicon single
- crystal substrate
- epitaxial layer
- vibrating body
- recess
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
- H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H13/00—Measuring resonant frequency
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
- G01L9/0019—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49002—Electrical device making
- Y10T29/49082—Resistor making
- Y10T29/49103—Strain gauge making
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingtyp-Wandler
mit einem Sensorelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
und auf ein Verfahren zur Her
stellung des Sensorelements,
wie aus der DE 36 30 368 A1
bekannt.
Aus der DE-OS 17 66 913 ist ein elektrome
chanisches Filter bekannt, das für monolithische inte
grierte Schaltungen geeignet ist. In einem als Substrat
dienenden Kristall ist eine Ausnehmung ausgebildet, in
welcher ein Resonator mittels Querteilen, die einheit
lich mit dem Kristall ausgebildet sind, aufgenommen
ist. An dem Resonator sowie an den Querteilen sind me
tallische Streifen durch Diffusionstechniken ausgebil
det, die als elektrische Leiter fungieren und sich über
die gesamte Länge des Resonators erstrecken. Die beiden
Streifen sind über ihre gesamte Längserstreckung durch
den Resonator kapazitiv miteinander gekoppelt, wodurch
sich die Erreger- und Meßkreise dieses Filters gegen
seitig beeinflussen. Außerdem unterliegen die Resonanz
eigenschaften des Filters Störeinflüssen durch Tempera
turschwankungen. Die Temperaturempfindlichkeit des
bekannten Filters folgt aus der Unterschiedlichkeit des
Streifen- und Querteil-Materials. Da die Herstellung
des bekannten Filters so erfolgt, daß zunächst dielek
trische Filme auf den Streifen ausgebildet und die
metallischen Streifen sodann auf diesen Filmen gebildet
werden, unterliegt dieser Aufbau einer Resonanzfrequenz
verschiebung aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungs
koeffizienten der verwendeten Materialien.
Aus der DE 25 05 461 C2 ist ein Meßum
former zum Bestimmen einer ein Substrat verformenden
Meßgröße bekannt. Der Meßumformer weist mindestens zwei
auf dem Substrat angeordnete elektroakustische Wandler
auf, welche als Sende- bzw. Empfangseinrichtung für
sich zwischen ihnen im Substrat ausbreitende Oberflä
chen-Schallwellen dienen, wobei deren Ausbreitung einer
Zeitverzögerung infolge der Verformung des Substrats
unterliegt. Ein Rückkopplungsverstärker bildet mit den
elektroakustischen Wandlern einen Schwingkreis, dessen
Schwingungsfrequenz durch die Verformung der Membran
eine Veränderung erfährt, die als Maß für die die Ver
formung verursachende Meßgröße dient.
Aus der DE 27 49 937 A1 ist ein elektrome
chanisches Schaltungselement, insbesondere ein Kapazi
tätsglied, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung
bekannt, wobei an einem insbesondere aus Silizium beste
henden Halbleitersubstrat mit zwei entgegengesetzten
Seiten entlang eines Teilbereiches einer diesen Seiten
bis zu einer einer gewünschten Membrandicke entsprechen
den Tiefe eine ätzmittelbeständige Schicht mit einer
gewünschten Membrangröße entsprechenden seitlichen
Abmessungen ausgebildet und von der anderen Seite her
zur Ausbildung eines an der ätzmittelbeständigen
Schicht endenden Hohlraumes ein ausgewählter Teilbe
reich entfernt ist, so daß in der ätzmittelbeständigen
Schicht eine in ihren seitlichen Abmessungen dem Boden
des Hohlraumes entsprechende Membran entsteht, deren
der Tiefendimension der ätzmittelbeständigen Schicht
entsprechende Dicke unter Berücksichtigung ihrer seitli
chen Abmessung so gewählt ist, daß die Membran unter
der Einwirkung äußerer Kräfte eine
Durchbiegung erfahren kann und mechanisches Reso
nanzverhalten zeigt. Die Herstellung dieser bekannten
elektromechnischen Schaltungselemente erfolgt durch
geeignete Ätztechniken. Die Anwendung der in der vorste
hend genannten Druckschrift geoffenbarten elektromecha
nischen Schaltungselemente zur Messung physikalischer
Größen, wie beispielsweise einer Kraft oder eines
Druckes, wird beschrieben, wobei jedoch keine Hinweise
darauf gegeben werden, auf welche Weise durch eine Ver
besserung der Topographie der Halbleitermembran der
Rauschabstand, die Stabilität des Ausgangssignals und
eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielt werden
können.
Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen ein Beispiel für den
Schwingtyp-Wandler gemäß der genannten
DE 36 30 368 A1. Dabei
zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des als
Druckmeßfühler oder -sensor eingesetzten
Schwingtyp-Wandlers; Fig. 2 ein Blockschaltbild, in
welchem ein Ausschnitt A aus Fig. 1 vergrößert darge
stellt und an den Wandler ein Schwingungsmeßkreis ange
schlossen ist; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie
A-A′ in Fig. 2; und Fig. 4 ein Schaltbild, in welchem
die Konstruktion nach Fig. 2 als elektrischer Äquiva
lentschaltkreis dargestellt ist.
Gemäß Fig. 1 weist ein Siliziumeinkristall-Substrat 10
auf der Oberseite eine (100-)Ebene auf, die z. B. eine
Fremdstoff- oder Fremdatomkonzentration von 1015 Atome/cm3
oder weniger aufweist und von einem p-Leitfähigkeitstyp
ist. Auf der einen Seite des Siliziumeinkristallsubstrats 10 ist eine Membran
11 durch Ätzen von der Rückseite her ausgearbeitet und
dünn ausgebildet.
Ein dicker Umfangsrandteil 12 der Membran 11 ist mit einem
Sockel 14 verbunden, der im Zentrum eine Druckbohrung 13
aufweist und an den eine mit der Druckbohrung 13 kommuni
zierende Druckrohrleitung 15 angeschlossen ist, in wel
che ein zu messender Druck P einführbar ist.
Auf einem ungeätzten Teil einer Seitenfläche der Membran
11, mit dem Buchstaben A bezeichnet, ist eine nicht dar
gestellte, eine Fremdatomkonzentration von 1017 Atome/cm3
aufweisende n⁺-Diffusionsschicht ausgebildet, auf deren
einem Teil ein Schwinger 16 in <001<-Richtung ausgebildet
ist (Fig. 2). Der Schwinger 16 wird z.B. durch photo
lithographisches Bearbeiten der n⁺-Schicht und einer auf
der Membran 11 erzeugten p-Schicht und Unterätzung aus
gebildet.
Über dem Schwinger 16 ist nahezu in der Mitte desselben
und senkrecht dazu ein den Schwinger 16 nicht berührender
Magnet 17 vorgesehen. Ein SiO2-Film 18 dient als Isolier
film (Fig. 3).
Mit 19a, 19b sind Metall-Elektroden aus z.B. Al o.dgl.
bezeichnet. Das eine Ende der Metall-Elektrode 19a ist mit der
vom Schwinger 16 ausgehenden n⁺-Schicht über ein in der
SiO2-Schicht vorgesehenes Kontaktloch 20a verbunden, wäh
rend ihr anderes Ende über eine Zuleitung mit einem Ver
gleichswiderstand R0 mit nahezu demselben Widerstands
wert wie dem des Schwingers 16 und außerdem mit der Ein
gangsseite eines Verstärkers 21 verbunden ist. An einer
Ausgangsseite des Verstärkers 21, die mit der einen Seite
einer Primärwicklung L1 eines Transformators 22 verbunden
ist, wird ein Ausgangssignal geliefert. Die andere Seite
der Primärwicklung L1 ist mit einer Sammelleitung (Masse)
verbunden.
Die andere Seite des Vergleichswiderstands R0 ist mit
der einen Seite einer Sekundärwicklung L2 des Transfor
mators 22 verbunden, deren Mittelanzapfung an die Sammel
leitung (d.h. Masse) angeschlossen ist. Die andere Seite
der Sekundärwicklung L2 ist mit der n⁺-Schicht über die
Metall-Elektrode 19b und ein Kontaktloch 20b verbunden,
das am anderen Ende des Schwingers 16 ausgebildet ist.
Wenn bei der beschriebenen Anordnung eine Gegenvorspan
nung der Isolierung zwischen p-Schicht (Siliziumeinkristallsubstrat 10) und
n⁺-Schicht (Schwinger 16) aufgeprägt und ein Wechsel
strom zum Schwinger 16 geleitet wird, steigt die Impedanz
des Schwingers 16 in dessen Resonanzzustand an; wenn da
bei die Impedanz gleich R ist, ergibt sich ein in Fig. 4
gezeigter Äquivalentschaltkreis.
Die Sekundärwicklung L2 mit an die Sammelleitung ange
schlossener Mittelanzapfung C₀, der Ver
gleichswiderstand R₀ und die Impedanz R bilden damit
eine Meßbrücke; wenn dabei ein unsymmetrisches Signal auf
grund der Meßbrücke am Verstärker 21 abgegriffen und das
Ausgangssignal über eine Rückkopplungsleitung 23 positiv
zur Primärwicklung L1 rückgekoppelt wird, erzeugt das
System eine selbsterregte oder Eigen-Schwingung auf einer
Eigenschwingungsfrequenz des Schwingers 16.
Bei der beschriebenen Anordnung steigt die Impedanz R des
Schwingers 16 mit der Eigenschwingungsfrequenz an. Die
Impedanz R läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:
R ≒ (1/222) · (1/(Egγ)1/2) · (AB ²l ²/bh ²) · Q + Rd
Darin bedeuten:
E = Elastizitätsmodul,
g = Schwerkraftbeschleunigung,
γ = Dichte des den Schwinger bildenden Werkstoffs,
A = eine durch die Schwingungsmode bestimmte Konstante,
B = Magnetflußdichte,
l = Länge des Schwingbalkens,
b = Breite des Schwingbalkens,
h = Dicke des Schwingbalkens,
Q = Gütefaktor (Q-Faktor),
Rd = Gleichspannung-Widerstandswert.
g = Schwerkraftbeschleunigung,
γ = Dichte des den Schwinger bildenden Werkstoffs,
A = eine durch die Schwingungsmode bestimmte Konstante,
B = Magnetflußdichte,
l = Länge des Schwingbalkens,
b = Breite des Schwingbalkens,
h = Dicke des Schwingbalkens,
Q = Gütefaktor (Q-Faktor),
Rd = Gleichspannung-Widerstandswert.
Da gemäß obiger Gleichung der Q-Faktor des Schwingers 16
eine Größe von mehreren Hundert bis zu mehreren Zehn
tausend besitzt, kann in einem Resonanzzustand ein Signal
einer großen Amplitude als Ausgangssignal des Verstärkers
21 gewonnen werden. Bei ausreichend großer Verstärkung
des Verstärkers 21 für positive Rückkopplung wird mit
hin das System des Schwingtyp-Wandlers für Schwingung
auf der Eigenschwingungsfrequenz selbsterregt.
Für den Schwinger kann der p-Typ durch Diffusion von z.B.
B (Bor) in ein durch selektives Ätzen erhaltenes n-Typ-
Siliziumsubstrat mit einer Konzentration von 4 x 1019
Atome/cm3 angewandt werden.
Bei diesem Schwingtyp-Wandler wird jedoch eine am Schwin
ger 16 erzeugte gegenelektromotorische Kraft oder Gegen-
EMK anhand einer unsymmetrischen Spannung der Wechsel
spannungsmeßbrücke erfaßt; da die Komponente eines an
geregten Stroms tatsächlich durch die Gleichspannungs
brücke nicht vollkommen unterdrückt werden kann, wird
eine Spannung entsprechend der angeregten Stromkompo
nente an einem Ausgang der Meßbrücke vervielfacht. Der
Rauschabstand verschlechtert sich mithin aufgrund einer
von einer Impedanzänderung des Schwingers herrührenden
und einer Spannung der angeregten Komponente überlager
ten Spannung, so daß damit kein stabiles Ausgangssignal
erhalten werden kann.
Im Hinblick auf die geschilderten Mängel beim Stand der
Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen ein Sensor
element aufweisenden Schwingtyp-Wandler, der einen zu
friedenstellenden Rauschabstand und ein stabiles Aus
gangssignal gewährleistet und zudem eine hohe Ansprech
empfindlichkeit besitzt, sowie ein Verfahren zur Her
stellung des Sensorelementes eines derartigen Schwingtyp-Wandlers
in Vorschlag zu bringen.
Für einen Schwingtyp-Wandler nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
durch die in seinem kennzeichnenden Teil
angegebenen Merkmale sowie für das
Verfahren zur Herstellung des Sensorelements
eines derartigen Schwingtyp-Wandlers
durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.
In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte, nicht glatt selbstver
ständliche Weiterbildungen der Gegenstände der unabhän
gigen Ansprüche, auf die sie rückbezogen sind, angege
ben.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Wandler eine
externe Kraft auf eine durch das Siliziumeinkristall-Substrat
gebildete Membran als Sensorelement ausgeübt wird,
ändert sich eine Eigenschwingungsfrequenz des Schwinger
körpers entsprechend der externen Kraft. Eine Schwingung
des Schwingerkörpers wird durch eine Schwingungsmeßein
heit erfaßt, und eine Änderung der Eigenschwingungsfrequenz
wird als Ausgangssignal abgegriffen. Sodann
wird eine auf die Membran einwirkende physikalische Größe
anhand der Größe der Eigenschwingung erfaßt oder ge
messen.
Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird die dünne Membran
am Siliziumsubstrat durch Ätzen geformt, und der H-för
mige Schwinger kann an diesem Abschnitt materialeinheit
lich mit der Membran nach Ätz- und Halbleitertechnik ent
sprechend einer Charakteristik des Einkristalls geformt
werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er
findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine (teilweise weggeschnittene) perspektivische
Darstellung einer Konstruktion nach dem Standard der Technik, bei
der ein Schwingtyp-Wandler als Druckmeßfühler
benutzt wird,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des vergrößerten Ausschnitts
A von Fig. 1 mit einem angeschlossenen Schwin
gungsmeßkreis,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 2,
Fig. 4 ein Schaltbild, welches die Konstruktion nach
Fig. 2 als Äquivalentschaltkreis darstellt,
Fig. 5 ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus
einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 Darstellungen des Aufbaus eines Hauptteils
eines Schwingerkörpers gemäß Fig. 5, wobei
Fig. 6(a) eine Aufsicht bei abgenommener Kapsel
und Fig. 6(b) einen Schnitt längs der
Linie B-B′ in Fig. 6(a) zeigen,
Fig. 7 eine graphische Darstellung von Kennlinien, die
bei Messung des Rauschabstands beim Schwingtyp-
Wandler nach Fig. 5 erhalten werden,
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Hauptteils einer Ab
wandlung der Ausführungsform nach Fig. 5,
Fig. 9 Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung
des Schwingtyp-Wandlers gemäß Fig. 5,
Fig. 10 Darstellungen eines Teils eines Verfahrens zur
Ausbildung des H-förmigen Schwingerkörpers
nach Fig. 5,
Fig. 11 Darstellungen eines Verfahrens zur Verbesserung
und Stabilisierung des Ausbringens an Wandlern
beim Verfahren nach Fig. 9,
Fig. 12 eine Darstellung einer Verbesserung beim Ver
fahren nach Fig. 9,
Fig. 13 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Wirkung
oder des Einflusses einer zusätzlichen epitaxialen
Schicht beim Verfahren nach Fig. 11,
Fig. 14 Darstellungen eines Hauptteils eines Herstel
lungsverfahrens zur Realisierung einer Ausge
staltung des Schwingerkörpers, bei welcher in
der Kapsel ein Vakuum erhalten bleibt
oder erzeugt wird,
Fig. 15 eine graphische Darstellung einer Kennlinie
für das Absaugen eines Gases zur Erhaltung
eines Vakuums in der Kapsel nach Fig. 14,
Fig. 16 Darstellungen eines gegenüber Fig. 14 teilweise
abgewandelten Verfahrens,
Fig. 17 eine Schnittansicht der Ausgestaltung eines
Hauptteils eines Schwingtyp-Wandlers, bei dem
dem Schwingerkörper eine Anfangsspannung
erteilt wird,
Fig. 18 eine tabellarische Darstellung einer Beziehung
zwischen einem kovalenten Bindungsradius Ri
jedes Fremdatoms und dem kovalenten Bindungs
radius Ri verschiedener Fremdatome sowie einem
kovalenten Bindungsradius Rsi von Silizium,
Fig. 19 eine graphische Darstellung einer Änderung
einer Gitterkonstante mit der Fremdatom
dichte,
Fig. 20 Darstellungen eines Hauptteils (hauptsächlicher
Schritte) eines Verfahrens zur Herstellung des
Schwingerkörpers als Hauptteil des Schwingtyp-Wandlers
nach Fig. 17 als Dehnungssensor,
Fig. 21 ein detailliertes Schaltbild des Verstärkers
nach Fig. 5,
Fig. 22 eine graphische Darstellung einer Wirkung, die
bei Verwendung des Verstärkers nach Fig. 21 er
zielt wird, und
Fig. 23 eine graphische Darstellung für den Fall, daß
der Feldeffekttransistor nach Fig. 21 entfernt
und ein Kurzschluß hergestellt ist, um eine
Ansteuerkraft konstant einzustellen (Ansteuerung
mit konstanter Speisespannung).
Die Fig. 1 bis 4, die den Stand der Technik darstellen,
sind eingangs bereits erläutert worden.
Ein Schwingerkörper 24 mit einem H-förmigen Schwinger
und anderen Bauteilen besteht aus einem ersten
Schwinger mit Schwingerkörper-Längselementen
26A, 26B
und einem zweiten Schwinger mit einem Schwingerkörper-Querelement 27 aus
p-Typ-Silizium, die hinsichtlich der Kristallstruktur
materialeinheitlich auf einer Membran aus einem
Siliziumeinkristall-Substrat
25 z.B. des n-Leitfähig
keitstyps ausgebildet sind.
Wie im Fall der Membran 11 gemäß Fig. 3 wird das als Membran
dienende Siliziumeinkristall-Substrat
25 durch Ätzen und dadurch erfolgendes Ausdünnen des
zentralen Abschnitts einer Unterseite des n-Typ-Siliziumeinsub
strats unter Zurücklassung eines nicht darge
stellten dickwandigen Teils um die Membran herum ausge
bildet. Die Membran ist dabei insgesamt gegenüber einem
Meßdruck-Beaufschlagungspunkt versetzt. Eine H-förmige
Ausnehmung 28, in welche die einzelnen Schwinger einge
setzt sind, ist durch Ätzen auf einem Teil der Kristall
ebene (100) auf einer Oberseite der Membran ausge
bildet.
Die stab- oder balkenartigen
Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B des ersten Schwingers sind
mit dem p-Leitfähigkeitstyp hinsichtlich der Kristallstruktur
materialeinheitlich mit dem
als Membran dienenden Siliziumeinkristall-Substrat
25 parallel zu einer Kristallachse <001< so
ausgebildet, daß sie jeweils die Ausnehmung 28 über
spannen bzw. über dieser liegen, wobei ihre Mittelab
schnitte durch ein rechtwinklig zu ihnen verlaufendes
balkenartiges Schwingerkörper-Querelement 27 als
zweiter Schwinger vom p-Typ miteinander ver
bunden sind, so daß insgesamt ein H-förmiger Schwinger
entsteht.
An den gegenüberliegenden Enden des Schwingerkörper-Längselementes 26A
sind Elektroden 29 und 30 und an den
gegenüberliegenden Enden des Schwingerkörper-Längselementes 26B sind Elek
troden 31 und 32 vorgesehen. Auf einem oberen Ab
schnitt des Schwingerkörper-Querelementes 27 ist parallel dazu ein
Magnet 17 als Aufprägeeinheit angeordnet, so daß ein Magnetfeld rechtwinklig
zu den Schwingerkörper-Längselementen 26A, 26B erzeugt wird.
Eine Ausgangsklemme eines als Anregungseinheit dienenden
Eingangstransformators 33 ist mit den Elektroden 29, 30
verbunden, während ein Ende einer Eingangsklemme 34 mit
einer Ausgangsklemme 35 und das andere Ende mit einer
Sammelleitung (Masse) verbunden sind.
Eine Eingangsklemme eines als Schwingungsmeßeinheit dienen
den Ausgangstransformators 36 ist an die Elektroden 31,
32 angeschlossen, während Ausgangsklemmen 37, 38 mit einer
Eingangsseite eines Verstärkers 39 verbunden sind.
In den Fig. 5 und 6 ist eine Kapsel zum Abdecken des
oberen Abschnitts des als
Membran dienenden Siliziumeinkristall-Substrats 25 zur Verdeutlichung der
Darstellung weggelassen. Die Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B
und das Schwingerkörper-Querelement 27 sind jedoch zusammen mit der
Membran unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts oder
Abstands praktisch allseitig nach Halbleitertechnik, wie
epitaxiales Aufwachsen o.dgl., abgedeckt bzw. umschlossen.
Weiterhin wird im Spalt oder Zwischenraum ein Vakuum auf
rechterhalten, um einen hohen Q-Faktor der Schwingung
des Schwingerkörpers zu gewährleisten.
Bei der oben beschriebenen Anordnung wird das Schwingerkörper-Längs
element 26A nach Maßgabe einer Wechselwirkung mit einem Magnet
feld des Magneten 17 als Aufprägeeinheit durch eine Spannung, die dem Ein
gangstransformator 33 als Anregungseinheit vom Verstärker 39 eingespeist wird,
zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen setzen sodann das
Schwingerkörper-Längselement 26B über das Schwingerkörper-Querelement 27
in Schwingungen, und die Schwingungen lassen den Ausgangstrans
formator 36 als Schwingungsmeßeinheit aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Magneten
17 eine elektromotorische Kraft oder EMK e an der Eingangs
seite erzeugen. Die EMK e wird dem Verstärker 39 über den
Ausgangstransformator 36 als Schwingungsmeßeinheit eingespeist, in ersterem ver
stärkt und dann zur Ausgangsklemme 35 ausgegeben. Die
verstärkte Spannung wird zum Eingangstransformator 33 als
Anregungseinheit positiv rückgekoppelt, was wiederholt erfolgt, um eine
selbsterregte Schwingung oder Eigenschwingung des Systems
hervorzubringen.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Schwingerkörper 24 in das
Schwingerkörper-Längselement 26A
für Anregung und
das Schwingerkörper-Längselement 26B
für Erfassung oder Abgreifen der EMK unter
teilt. Die Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B sind an Schwingungs
schleifen durch das Schwingerkörper-Querelement 27 als
zweiten Schwinger mechanisch mit
einander gekoppelt, so daß die angeregte Stromkomponente
der EMK e nicht überlagert wird und ein hohes Anregungs
komponenten-Unterdrückungsverhältnis (Rauschabstand) er
zielbar ist.
Fig. 7 veranschaulicht ein Ergebnis der Messung des
Rauschabstands beim Schwingtyp-Wandler mit dem oben be
schriebenen Aufbau.
In Fig. 7 sind auf der Abszisse eine Frequenz in Schritten
von 1 kHz pro Teilungsstrich und auf der Ordinate eine
Dämpfung von 5 dB pro Teilungsstrich aufgetragen. Die
Resonanzfrequenz für den Fall, daß ein das
Siliziumeinkristall-Substrat 25 als Membran
beaufschlagender Druck gleich Null ist, beträgt 71.551,1 Hz;
der mit x bezeichnete Punkt entspricht -13,3 dBm bei einem
Bezugspegel von -7,0 dBm, und die Kurve nähert sich bei Ent
fernung vom Resonanzpunkt fortlaufend der eine Störsignal
linie von -52 dBm angebenden Linie an. Der Rauschabstand
ist als die Differenz dieser Kurven oder Größen darge
stellt, so daß ein Rauschabstand von 30-40 dB erzielt
wird, der bei weitem besser ist als bei allen bisherigen
Konstruktionen.
Fig. 8 veranschaulicht in einem Blockschaltbild einen
Hauptteil einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Sekundärseite des
Eingangstransformators 33 als Anregungseinheit jeweils an die auf derselben
Seite liegenden Enden der beiden Schwingerkörper-Längselemente 26A,
26B angeschlossen, während eine Primärseite eines Aus
gangstransformators 36 als Schwingungsmeßeinheit mit den jeweils auf derselben
Seite liegenden Enden der Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B ver
bunden ist.
Obgleich das Schwingerkörper-Querelement 27 bei der vorher beschrie
benen Ausführungsform aus p-Typ-Silizium besteht, ist es
nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann es auch in
der Weise ausgebildet sein, daß ein Leiter, wie Aluminium
o.dgl., auf Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4)
aufgedampft wird.
Weiterhin ändert sich bei Schwingtyp-Wandlern die
Schwingfrequenz in Abhängigkeit von einem Temperatur
koeffizienten des Elastizitätsmoduls von Silizium; diese
Wandler können daher als ein in einem Vakuumgefäß einge
schlossenes Thermometer oder auch als Densimeter und
nicht nur als Druckmesser eingesetzt werden.
Da der Schwingerkörper 24, wie beschrieben, in die bei
den Schwingerkörper-Längselemente 26A und 26B für Anregung bzw. Er
fassung der EMK unterteilt ist und außerdem die beiden
Schwingerkörper-Längselemente 26A und 26B an Schwingungsschleifen durch das
Schwingerkörper-Querelement 27 als zweiten Schwinger mechanisch miteinander gekoppelt
sind, ist dabei keine Anregungsstromkomponente
vorhanden, so daß ein hohes Anregungs
komponenten-Unterdrückungsverhältnis (d.h. Rauschabstand)
erzielbar ist.
Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann demzufolge ein
Schwingtyp-Wandler mit zufriedenstellendem Rauschabstand
und mit einem Ausgangssignal stabiler Frequenz realisiert
werden.
Fig. 9 veranschaulicht die Schritte eines Verfahrens zur
Herstellung des Sensorelementes des Schwingtyp-Wandlers gemäß Fig. 5. Zur
Vereinfachung der Erläuterung bezieht sich die Beschrei
bung des Verfahrens nicht auf den Schwingerkörper 24, son
dern auf die Herstellung bzw. Ausbildung des balken
artigen Schwingerkörper-Längselements 26A des ersten Schwingers, mit dem
der Schwingerkörper als Querelement 27 noch nicht verbunden ist.
Fig. 9(a) veranschaulicht einen Verfahrensschritt zur
Ausbildung eines Schutzüberzugs und einer Öffnung in
einem Teil derselben.
Auf einer Kristallebene (100) eines Siliziumein
kristall-Substrats 40 vom n-Typ wird ein Schutzüberzug 41 aus z.B.
Siliziumoxid, Siliziumnitrid o.dgl. ausgebildet. Sodann
wird in einem Teil des Schutzüberzugs 41 mittels einer
Maske mit einem Muster entsprechend der Form des herzu
stellenden Schwingerkörper-Längselements 26A eine Öffnung 42 ge
formt.
Gemäß Fig. 9(b) wird sodann eine der Öffnung 42 entspre
chende Vertiefung oder Ausnehmung 43 im Substrat 40 durch
Ätzen mit Chlorwasserstoff in einer Atmosphäre aus Wasser
stoff (H2) von 1050°C ausgebildet.
In diesem Fall kann anstelle der Chlorwasserstoffätzung
auch ein anisotropes Ätzen mittels einer Alkalilösung von
40-130°C durchgeführt werden.
Fig. 9(c) veranschaulicht ein Aufwachsverfahren. Dabei
wird Chlorwasserstoff in einem Quellen- oder Rohstoffgas
in einer Wasserstoffatmosphäre von 1050°C für selek
tives mehrlagiges Aufwachsen gemischt. Die einzelnen
Verfahrensschritte hierfür sind nachstehend beschrieben.
- 1) Im ersten Schritt wird eine erste epitaxiale Schicht 44, die als untere Hälfte des dem Spalt entsprechenden Teils dient, einem selektiven Aufwachsen auf der Ausnehmung 43 mittels p-Typ-Siliziums einer Borkonzentration von 1018 Atome/cm³ unterworfen.
- 2) Im zweiten Schritt wird eine zweite, dem Schwin gerkörper-Längselement 26A entsprechende epitaxiale Schicht 45 durch se lektives Aufwachsen auf der Oberfläche der ersten epitaxialen Schicht 44 zum Verschließen der Öffnung 42 mittels p-Typ-Siliziums einer Borkonzentration von 1020 Atome/cm3 gezüchtet.
- 3) Im dritten Schritt wird eine dritte epitaxiale Schicht 46, die als obere Hälfte des der Ausnehmung 43 entsprechenden Teils dient, aus p-Typ-Silizium einer Borkonzentration von 1018 Atome/cm³ selektiv auf einer Oberfläche der zweiten epitaxialen Schicht 45 gezüchtet oder zum Aufwachsen gebracht.
- 4) Im vierten Schritt wird eine vierte epitaxiale Schicht 47, welche der Abdeckung oder der Kapsel (noch zu be schreiben) entspricht, mittels p-Typ-Siliziums einer Borkonzentration von 1020 Atome/cm³ selektiv auf einer Ober fläche der dritten epitaxialen Schicht 46 gezüchtet.
Im beschriebenen Fall kann jedoch für die dritte epitaxiale
Schicht 46 auch ein n-Typ-Silizium einer Phosphorkonzen
tration von 1017 Atome/cm³ verwendet werden.
Fig. 9(d) veranschaulicht einen Verfahrensschritt zur
Ausbildung einer Injektionsöffnung 48, durch die ein Ätz
reagens injiziert wird.
Dabei wird der Schutzüberzug 41 durch Ätzen mit Fluor
wasserstoffsäure (HF) abgetragen, wobei eine Injektions
öffnung 48, durch die ein Ätzreagens oder -mittel inji
zierbar ist, an der einen Seite der vierten epitaxialen
Schicht 47 entsteht.
Fig. 9(e) veranschaulicht einen selektiven Ätzvorgang zur
Ausbildung eines Zwischenraums zwischen dem Schwinger
und dem Substrat sowie anderen Teilen.
Hierbei wird mittels einer Impulsspannungsquelle Ep eine
positive Impulsspannung so aufgeprägt, daß das Siliziumeinkristall-
Substrat 40 vom n-Typ in Gegen- oder Sperrichtung zur vierten
epitaxialen Schicht 47 vom p-Typ vorgespannt ist; durch die
Injektionsöffnung 48 im Siliziumeinkristall-Substrat 40 wird eine Alkalilösung
injiziert, durch welche die erste epitaxiale Schicht 44
und die dritte epitaxiale Schicht 46 in einem selektiven
Ätzvorgang entfernt werden.
Im oben beschriebenen Fall können für die dritte epitaxiale
Schicht 46 n-Typ-Silizium mit einer Phosphorkonzentration
von 1017 Atome/cm³ und auch für die vierte epitaxiale Schicht
47 p-Typ-Silizium einer Borkonzentration von 1020 Atome/cm³
verwendet werden. Hierfür wird die Erscheinung genutzt,
daß die Ätzwirkung mit einer Borkonzentration von mehr als
4 × 1019 Atome/cm³ unterdrückt wird.
Der letzte Verfahrensschritt besteht im Verschließen bzw.
Versiegeln gemäß Fig. 9(f).
In diesem Verfahrensschritt wird das n-Typ-Silizium einem
epitaxialen Aufwachsen in einer Wasserstoffatmosphäre
von 1050°C unterworfen. Dabei wird auf den Außenflächen
des Siliziumeinkristall-Substrats 40 und der vierten epitaxialen Schicht 47
eine epitaxiale Schicht 50 erzeugt oder gezüchtet, um
eine Kapsel 51 zu bilden, welche die Anordnung teilweise
umschließt und die Injektionsöffnung 48 versiegelt.
Im Unterschied zum oben beschriebenen Verfahren kann der
Versiegelungsvorgang auch folgendes umfassen: 1) Ver
schließen der Injektionsöffnung 48 durch thermische Oxi
dation; 2) Verschließen der Injektionsöffnung 48 durch
Filmbildung auf ihr mittels Polysiliziums nach dem CVD-
Prozeß oder durch Aufsprühen; 3) Ausfüllen der Injektions
öffnung 48 mit Silizium durch Aufdampfen bzw. Aufwachsen;
oder 4) Einfüllen eines Isoliermaterials, wie Glas (SiO2),
Siliziumnitrid, Aluminiumoxid o.dgl., in die Injektions
öffnung 48 nach dem CVD-Prozeß, durch Aufsprühen oder
Aufdampfen.
Obgleich nicht dargestellt, wird die Membran anschlie
ßend durch Hochziehen des Siliziumeinkristall-Substrats 40 von
einer Bodenseite desselben her ausgebildet.
Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren
werden die folgenden Wirkungen erzielt:
- 1) Da das Siliziumeinkristall-Substrat 40, die als Schwingerkörper-Längselement 26A wir kende zweite epitaxiale Schicht 45 und die Kapsel 51 einstückig oder materialeinheitlich ausgebildet wer den, ist es nicht nötig, das Siliziumeinkristall-Substrat 40 mit der Kapsel 51 zu verbinden, so daß etwaige Unsicherheiten auf grund des Verbindungsvorgangs vermieden werden.
- 2) Die Schwinger können mittels eines einfachen Gebildes gegenüber der Luft getrennt werden, so daß sich ohne weiteres eine Miniaturisierung erzielen läßt.
- 3) Da eine Halbleiterverfahrenstechnik angewandt wird, lassen sich genaue Lage, Dicke und Form der Schwinger und der Kapsel (oder der Abdeckung) ohne weiteres er zielen.
Fig. 10 veranschaulicht einen Teil eines Verfahrens zur
Ausbildung des H-förmigen Schwingers.
Das Verfahren gemäß Fig. 10 wird dabei anstelle der Ver
fahrensschritte nach Fig. 9(a) und 9(b) angewandt, wäh
rend die anderen Verfahrensschritte denen von Fig. 9
entsprechen; auf diese Weise kann der Schwinger
körper 24 als H-förmiger Schwinger erzeugt werden.
Gemäß Fig. 10(a) wird zunächst ein Schutzüberzug 52 aus
z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid o.dgl. auf einer Ober
seite einer Kristallebene (100) des Siliziumeinkristall-Substrats 40
erzeugt, worauf der Schutzüberzug 52 auf der Oberfläche
des Siliziumeinkristall-Substrats 40 auf photolithographischem Wege mittels
einer Maske mit einer H-förmigen Öffnung unter Ausbildung
einer H-Form entfernt wird, so daß im Schutzüberzug 52
eine H-förmige Öffnung 53 entsteht.
Diese H-förmige Öffnung 53 ist so angeordnet, daß durch
die jeweiligen Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B und
das Schwingerkörper-Querelement 27 gebildete Balken der H-Form in der Richtung
<001< des Siliziumeinkristall-Substrats 40 und auch in der rechtwinklig dazu
liegenden Richtung weisen.
Sodann wird gemäß Fig. 10(b) eine der H-förmigen Öffnung 53 entspre
chende H-förmige Ausnehmung oder Vertiefung 54 durch
Ätzen über den Schutzüberzug 52 mit dieser H-förmigen Öffnung 53
im Siliziumeinkristall-Substrat 40 ausgebildet. Anschließend wird der H-för
mige Schwingerkörper 24 gemäß Fig. 5 mittels der Ver
fahrensschritte gemäß Fig. 9 ausgebildet.
Fig. 11 veranschaulicht Verfahrensschritte zur Verbesse
rung und Stabilisierung des Ausbringens von Schwingern
beim Herstellungsverfahren gemäß Fig. 9. Mit Ausnahme
des Schritts gemäß Fig. 11(c) entsprechen diese Ver
fahrensschritte im wesentlichen denjenigen nach Fig. 9.
Im Verfahrensschritt gemäß Fig. 11(c) wird eine epitaxiale
P++- bzw. p-Typ-Schicht 71 einer hohen Borkonzentration
und einer Dicke von 1 µm oder weniger auf einer Ober
fläche der im Schritt gemäß Fig. 11(b) erzeugten Ausnehmung
43 ausgebildet. Dabei wird die Borkonzentration
vorzugsweise zur Begrenzung des Ätzens der epitaxialen
p-Typ-Schicht 71 mit dem Ätzmittel auf z.B. etwa 3 × 1019 Atome/cm³
eingestellt.
Das Verfahren geht sodann über den Aufwachsprozeß gemäß
Fig. 11(d) und den Verfahrensschritt der Ausbildung einer
Ätzmittel-Injektionsöffnung gemäß Fig. 11(e) auf den Ätz
schritt gemäß Fig. 11(f) über.
In diesem Verfahrensschritt wird ein Ätzmittel über die
Injektionsöffnung 48 eingespritzt, um den
Teil der ersten epitaxialen Schicht
44 und der dritten epitaxialen Schicht 46 zu entfernen, der dem Spalt entspricht. Dabei ist
die zusätzliche epitaxiale p-Typ-Schicht 71 mit hoher
Eigen-Fremdatomkonzentration, so daß sie nicht geätzt
wird; da sie jedoch sehr dünn ist, verringert sich die
Borkonzentration und macht die Schicht für das Ätzen mit
tels einer Alkalilösung nach Selbstdotierung beim selek
tiven Aufwachsprozeß und Diffusion beim Erwärmungsprozeß
bereit, so daß die n-Typ-Fläche des Siliziumeinkristall-Substrats 40 an der
Oberfläche zutage tritt.
Das obige Verfahren ist nachstehend anhand der Fig. 12 und
13 im einzelnen erläutert.
Wenn im Verfahrensschritt gemäß Fig. 11(c) keine zusätz
liche epitaxiale p-Typ-Schicht 71 vorhanden ist, bleibt nach
dem Ätzvorgang gemäß Fig. 11(f) p-Typ-Si in Form von
Inseln auf einem pn-Übergang zwischen dem Siliziumeinkristall-Substrat 40
und der ersten epitaxialen Schicht 44 zurück.
Ein in Inselform zurückbleibender p-Typ-Rückstand 72
(Fig. 12) bildet eine zum n-Typ invertierte n-Inversions
schicht 73 an einer Grenzfläche mit der Alkalilösung als
Ätzmittel für den Ätzvorgang, so daß eine durch einen
Pfeil angedeutete Strecke entsteht, über welche ein Strom il von
der Impulsspannungsquelle Ep (Fig. 11(f)) fließt und die
Oberfläche des p-Typ-Rückstands 72 vor einem Anätzen schützt,
wodurch das Problem hervorgerufen wird, daß ein unterer
Abschnitt oder Bereich des Schwingers teilweise nicht ge
ätzt wird.
Durch Ausbildung der zusätzlichen epitaxialen p-Typ-Schicht 71,
die eine hoch mit Bor in einer Konzentration P++ (etwa
3 x 1019 Atome/cm³ dotierte Schicht mit einer Dicke von 1 µm
oder weniger ist, auf der Oberseite des Siliziumeinkristall-Substrats 40
wird daher der Strom il unterbrochen, so daß die Ent
stehung des p-Typ-Rückstands 72 verhindert und unter Verbesse
rung der Fertigungsleistung ein sicheres und zuver
lässiges Ätzen gewährleistet wird.
In den folgenden Verfahrensschritten wird die Kapsel wie
im Fall von Fig. 9(f) ausgebildet.
Fig. 14 veranschaulicht den Hauptteil der Verfahrens
schritte für die Erzielung einer Ausgestaltung des Schwin
gerkörpers, bei dem in der Kapsel ein Vakuum erhalten
bleibt.
Zum Messen von Druck o.dgl. mit hoher Ansprechempfind
lichkeit und hohem Q-Faktor muß der Schwinger in einem
Vakuum gehalten werden. Hierfür sind jedoch bestimmte
Maßnahmen für das Herstellungsverfahren des Sensorelements eines solchen
Schwingtyp-Wandlers einer Ausgestaltung nötig, bei wel
cher die Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B und das Schwingerkörper-Querelement 27
hinsichtlich ihrer Kristallstruktur materialeinheitlich auf der Membran aus
gebildet sind.
Im folgenden ist anhand von Fig. 14 der Fall erläutert,
in welchem die Schwingerkörper-Längselemente des Schwingerkörpers ge
mäß Fig. 5 in einem Vakuum gehalten werden.
Die Verfahrensschritte der Fig. 9(a) bis 9(e) werden wie
derum durchgeführt, wobei das Ätzergebnis gemäß Fig. 10(a)
entsprechend Fig. 9(f) erzielt wird.
Im Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(b) werden die Außen
flächen des Siliziumeinkristall-Substrats 40 und die vierte epitaxiale Schicht
47 einem n-Typ-Aufwachsprozeß bei einer Temperatur von
1050°C, allgemein in einer Wasserstoffatmosphäre oder
im Vakuum, unterworfen. Die zwischen dem Siliziumeinkristall-Substrat 40 und
der vierten epitaxialen Schicht 47 gebildete Injektions
öffnung 48 wird unter Erzeugung der Kapsel 51 durch Auf
wachsen ausgefüllt, und der Schwingerkörper für den
Wandler mit z.B. dem Schwingerkörper-Längselement 26A wird im Inneren
der zweiten epitaxialen Schicht erzeugt.
Dabei entsteht eine n-Typ-Schicht mit einer Dicke entspre
chend einem Zwischenraum (t) der Injektionsöffnung 48 um
das Schwingerkörper-Längselement 26A herum und auch an der Innenseite
eines Hohlraums 74.
Da im Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(b) das Aufwachsen
in der Wasserstoffatmosphäre stattfindet, wird der zwi
schen dem Siliziumeinkristall-Substrat 40 und der
Kapsel 51 gebildete Hohlraum 74 mit Wasserstoff (H2) ge
füllt.
Gemäß Fig. 14(c) wird sodann ein Schwingtyp-Wandler mit
dem Schwingerkörper in ein Vakuum bei 900°C
gebracht, und der Wasserstoff wird durch das Kristall
gitter des Siliziums hindurch bis zum Vakuum abgesaugt.
Der damit erzielte Vakuumgrad beträgt 1 × 10-3 Torr
(133,3 × 10-3 Pa) oder weniger.
Ein ähnliches Ergebnis läßt sich mit Inertgas und gas
förmigem Stickstoff mit geringerem Wasserstoffpartial
druck erzielen.
Im folgenden ist die Wasserstoffabsaugung anhand von
Fig. 15 erläutert. In Fig. 15 sind auf der Abszisse die
Temperatur und auf der Ordinate der Dissoziationsdruck auf
getragen. Die vom Nullpunkt ausgezogene schräge Gerade
gibt eine Grenze für die Trennung einer Domäne, in wel
cher Wasserstoff im Silizium des Siliziumeinkristall-Substrats 40 absorbiert
wird, und einer Domäne an, in welcher Wasserstoff aus dem
Silizium nach außen abgesaugt wird.
Aus dieser Darstellung ist folgendes ersichtlich: Wenn
Wasserstoff für eine längere Zeit im Vakuum T1 oder bei
z.B. 1200°K belassen wird, wird der in der Kapsel 51 be
findliche Wasserstoff im Silizium der Kapsel 51 und des
Siliziumeinkristall-Substrats 40 absorbiert und darin diffundiert, während
der die Oberfläche erreichende Wasserstoff zersetzt und
abgeführt wird, wenn der Umgebungsdruck bei P1 oder z.B.
10-3 Torr bzw. 1333-3 Pa oder darunter liegt. Im Hohl
raum 74 kann damit ein hohes Vakuum von z.B. 10-3 Torr
aufrechterhalten werden.
Obiges läßt sich anhand des Ergebnisses eines Versuchs
verstehen, bei dem eine Größe von 3 × 104 oder mehr als
Q-Faktor für das Schwingerkörper-Längselement 26A, entsprechend etwa
10-3 Torr, für den Hohlraum 74 in der Kapsel 51 erzielt
wurde.
Fig. 16 veranschaulicht ein Verfahren, bei dem ein Teil
der Verfahrensschritte gegenüber Fig. 14 abgewandelt
wurde. Nach dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(a) geht
das Verfahren auf den Verfahrensschritt gemäß Fig. 16(a)
über.
Im Verfahrensschritt gemäß Fig. 16(a) wird die im Ver
fahrensschritt gemäß Fig. 14(a) durch Ätzen gebildete
Injektionsöffnung 48 versiegelt.
In diesem Verfahrensschritt wird Sauerstoff in einem
durch die vierte epitaxiale Schicht 47, als Schwin
gerkörper-Längselement 26A, gebildeten Spalt zur zweiten epitaxialen Schicht
45 und zum Siliziumeinkristall-Substrat 40 verdrängt,
worauf die Injektionsöffnung 48 unter Ausbildung einer
Kapsel 75 durch Aufsprühen von amorphem Silizium versie
gelt wird.
Sodann erfolgt der Absaugschritt gemäß Fig. 16(b). Dabei
wird der Schwingtyp-Wandler mit dem Schwingerkörper bei
900°C oder mehr in ein Vakuum eingebracht, und eine
Innenwandfläche des Hohlraums 74 wird durch den diesen
ausfüllenden Sauerstoff im Verfahrensschritt gemäß
Fig. 16(a) oxidiert, oder der Sauerstoff diffundiert in
das Silizium ein und tritt teilweise an der Silizium
oberfläche aus, wodurch das Vakuum erhöht wird.
Beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren
werden die Schwinger materialeinheitlich mit
dem Siliziumeinkristall-Substrat unter Festlegung eines vorbestimmten
Spalts oder Zwischenraums dazu ausgebildet, worauf nach
einem vorbestimmten Prozeß ein Vakuum erzeugt wird, so
daß sich ein Schwingtyp-Wandler mit überlegener Druck-
und Temperaturcharakteristik erzielen läßt.
Fig. 17 veranschaulicht in Schnittansicht einen Haupt
teil des Schwingtyp-Wandlers, bei dem den Schwingern eine
Anfangsspannung erteilt wird.
Der Schwingerkörper ist dabei so ausgebildet, daß seine
beiden Enden z.B. am Siliziumeinkristall-Substrat 40 vom n-Typ befestigt
sind und der p-Typ-Schwinger 13 unter Festlegung eines
vorbestimmten Spalts zum Siliziumeinkristall-Substrat 40, mit Ausnahme der
gegenüberliegenden Enden, befestigt ist, wobei der
Schwinger oder der Schwingkörper von der
hinsichtlich der Kristallstruktur materialeinheit
lich mit dem Substrat ausgebildeten Kapsel 51 aus Silizium
abgedeckt und um ihn herum der Hohlraum 74 ausgebildet
ist. Im Hohlraum 74 herrscht dabei ein Vakuum.
Anschließend wird das die Membran
bildende Siliziumeinkristall-Substrat 25 z.B. mit einem Meßdruck
Pm beaufschlagt, und eine Resonanzfrequenz eines Schwin
gers 76, dessen gegenüberliegende Enden an der Membran
festgelegt sind, was einer auf den Schwinger 76 ein
wirkenden Spannung entspricht, wird gemessen, um damit
den Meßdruck Pm zu ermitteln.
Sofern nicht eine Anfangsspannung auch zu dem Zeitpunkt
vorliegt, zu dem der Meßdruck Pm gleich Null ist, wird im
Schwinger 76 eine Ausbeulung oder Wölbung aufgrund des
Meßdrucks Pm hervorgerufen, was für die Messung ungünstig
ist. Sofern die Streuung der Anfangsspannung nicht gesteuert
wird, kann dies auch zu einer Streuung oder Abweichung der
Ansprechempfindlichkeit führen.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf diesen Fall. Fig. 18
veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem kovalenten
Bindungsradius Ri verschiedener Fremdatome und dem kovalen
ten Bindungsradius Ri jedes Fremdatoms einerseits und einem
kovalenten Bindungsradius Rsi von Silizium andererseits.
Fig. 19 veranschaulicht eine Änderung der Gitterkonstante in
Abhängigkeit von einer Fremdatomkonzentration. Aus Fig. 18
geht folgendes hervor: Während der kovalente Bindungsradius
Rsi von Silizium (Si) 1,17 Å beträgt, beträgt derjenige von
Phosphor (P) 1,10 Å und derjenige von Bor (B) 0,88 Å, was
bedeutet, daß die letzteren Werte ziemlich klein sind. Wenn
daher Bor oder Phosphor in Silizium injiziert wird, wird der
betreffende Abschnitt einer Zugspannung unterworfen. Wenn
gemäß Fig. 19 die Borkonzentration z.B. 1020 Atome/cm³
beträgt, beträgt die Änderung der Gitterkonstante 2 × 10-3 Å,
und da die Gitterkonstante von Silizium gleich 5,431 Å ist,
beträgt die Spannung etwa 4 × 10-4 (=2 × 10-3/5,431). Für
eine Spannung von 4 × 10-4 oder darüber wird Bor in doppel
ter Menge oder mit 2 × 1020 Atome/cm³ injiziert, wobei
proportional zur Injektionsrate eine Anfangsspannung von
8 × 10-4 hervorgerufen wird. Durch Injizieren bzw. Dotieren
mit einer beliebigen oder willkürlichen Borkonzentration
kann somit eine beliebige Anfangsspannung erzielt werden.
Dem Schwinger 76 gemäß Fig. 17 wird auf entsprechende Weise
eine Anfangsspannung erteilt.
Für die Spannung von weniger als 4 × 10-4 wird die
Phosphorkonzentration des Siliziumeinkristall-Substrats 40
vom n-Typ, oder der Schwinger 76 wird oxidiert, um Bor auf
der Oberfläche des Schwingers im Oxidfilm zu verteilen, wo
bei durch Entfernen des Oxidfilms mittels HF die Borkonzen
tration im Schwinger 76 verringert wird, um die Spannung auf
4 × 10-4 oder darunter einzustellen. Wie aus Fig. 19 her
vorgeht, wird vorausgesetzt, daß die Spannung bei einer Bor
konzentration von etwa 1017 Atome/cm3 nahezu nicht auftritt.
Fig. 20 veranschaulicht Verfahrensschritte zur Herstellung
eines Schwingerkörpers als Hauptteil des Sensorelementes.
Gemäß Fig. 20(a) wird in einem Verfahrensschritt ent
sprechend Fig. 9(a) und 9(b) die Ausnehmung 43 durch Ätzen
mit HCl ausgebildet. Gemäß Fig. 20(b) wird sodann bei einer
Borkonzentration (p-Typ) von 1018 Atome/cm³ durch selektives
Aufwachsen in einer Wasserstoffatmosphäre von 1050°C
innerhalb der Ausnehmung 43 die erste epitaxiale Schicht 44
erzeugt.
Anschließend wird gemäß Fig. 20(c) bei einer auf
1020 Atome/cm³ eingestellten Borkonzentration (p-Typ) in
der Wasserstoffatmosphäre von 1050°C durch selektives
Aufwachsen auf der ersten epitaxialen Schicht 44 eine als
Schwinger 76 dienende zweite epitaxiale Schicht 77
ausgebildet.
Der kovalente Bindungsradius von Silizium beträgt 1,17 Å,
während derjenige von Bor 0,88 Å beträgt; wenn daher Bor
teilweise in Silizium injiziert wird, wird der betreffende
Abschnitt einer Zugspannung unterworfen, die dazu benutzt
wird, dem betreffenden Abschnitt eine erforderliche Anfangs
spannung zu erteilen; dies kann durch Einstellung der Borkon
zentration der als Schwinger 76 wirkenden zweiten epitaxia
len Schicht 77 geschehen.
Gemäß Fig. 20(d) wird sodann bei einer Borkonzentration
(p-Typ) von 1018 Atome/cm³ auf der zweiten epitaxialen Schicht
77 durch selektives Aufwachsen in der Wasserstoffatmosphäre
von 1050°C die dritte epitaxiale Schicht 46 erzeugt.
Weiterhin wird gemäß Fig. 20(e) bei einer Borkonzentration
(p-Typ) von 1020 Atome/cm³ auf der dritten epitaxialen Schicht
46 in der Wasserstoffatmosphäre von 1050°C durch selek
tives Aufwachsen die vierte epitaxiale Schicht 47 ausge
bildet.
Fig. 20(f) veranschaulicht einen Ätzvorgang zum Entfernen
oder Abtragen der ersten epitaxialen Schicht 44 und der
dritten epitaxialen Schicht 46 in dem Zustand, in welchem
der Schutzüberzug 41 aus SiO₂ (auf nicht dargestellte Weise)
durch Ätzen mit Fluorwasserstoff (HF) nach dem selektiven
Aufwachsvorgang gemäß Fig. 20(e) entfernt worden ist.
Das gesamte Gebilde wird bei diesem Ätzvorgang auf nicht
dargestellte Weise in eine Alkalilösung eingetaucht, wo
bei von der Gleichstrom-Impulsspannungsquelle Ep her eine
positive Impulsspannung eines Spitzenwerts von 5 V und einer
Wiederholungsfrequenz von etwa 0,04 Hz der zweiten epitaxialen
Schicht 77 (p-Typ) aufgeprägt wird, so daß das Sili
ziumeinkristall-Substrat 40 vom n-Typ an positivem Potential liegt. Da bei
der Spannungsaufprägung auf dem genannten Siliziumeinkristall-Sub
strat 40 und der vierten epitaxialen Schicht 47 jeweils
ein diese Elemente passivierender unlöslicher Ober
flächenfilm erzeugt wird, wird die Ätzgeschwindigkeit
beim Entfernen der ersten epitaxialen Schicht 44 und der
dritten epitaxialen Schicht 46 zu diesen Schichten hin
ziemlich niedrig. Wenn weiterhin die Dotierungskonzen
tration von Bor größer ist als 4 × 1019 Atome/cm³, ist die Ätzge
schwindigkeit gegenüber dem Normalfall mit nicht dotiertem
Silizium erheblich verringert; diese Erscheinung wird für
die Ausbildung eines Gebildes genutzt, bei dem in einem
Teil die Injektionsöffnung 48 vorgesehen und außerdem
ein Spalt zwischen dem Siliziumeinkristall-Substrat 40 und der zwei
ten epitaxialen Schicht 77 als Ganzes hervorgebracht wird,
so daß die zweite epitaxiale Schicht 77 gemäß Fig. 20(g)
zurückbleibt.
Die folgenden Verfahrensschritte entsprechen denen von
Fig. 9(g) oder 14(b) bis 14(e). Nach dem beschriebenen
Verfahren wird ein Hauptteil des Schwingerkörpers gemäß
Fig. 17 erzeugt.
Für die weitere Einstellung einer Anfangsspannung des
Schwingers 76 wird beispielsweise eine Phosphorkonzen
tration im Siliziumeinkristall-Substrat 40 vom n-Typ eingestellt. Damit
wird die Anfangsspannung auf eine relative Spannung bzw.
Dehnung des Siliziumeinkristall-Substrats 40 und der zweiten epi
taxialen Schicht 77 eingestellt.
Wahlweise kann eine scheinbare Anfangsspannung dadurch
reduziert werden, daß ein n-Typ-Silizium einer niedrigen
Fremdatom-Konzentration auf dem Schwinger 76 mit einer ge
eigneten Dichte zum Aufwachsen gebracht wird. Außerdem
kann durch thermische Oxidation eine
Druckspannung in einem "heißen" Oxidfilm
erzeugt werden, um damit die scheinbare Anfangsspannung
einzustellen. Darüber hinaus kann die Anfangsspannung auch
auf ähnliche Weise nach einem CVD-Verfahren, durch Auf
sprühen, Aufdampfen o.dgl. eingestellt werden.
Im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Aus
führungsbeispielen wurde als zu injizierendes Fremdatom
Bor oder Phosphor erwähnt, es können jedoch auch andere Fremdatome
injiziert werden. Der Schwingbalken kann auch
nicht nur aus Silizium bestehen.
Obgleich für das beschriebene Sensorelement
eine Druckmessung erwähnt ist, kann es auch als Beschleu
nigungssensor, Wirkdrucksensor o.dgl. eingesetzt werden.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, kann
dem Schwingbalken bzw. Schwinger auf eine im Ver
gleich zum Stand der Technik einfache Weise eine Anfangs
spannung erteilt werden, die sich außerdem einfach ein
stellen bzw. justieren läßt.
Im folgenden ist der in Fig. 5 dargestellte Verstärker im
einzelnen beschrieben.
Da beim bisherigen Schwingtyp-Wandler gemäß Fig. 4 der
Schwinger so ausgelegt ist, daß er in einer nicht-linearen
Domäne schwingt, ändert sich eine Schwingungsfrequenz auf
grund der Begrenzung der Amplitude durch z.B. eine Zener-
Diode, und eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung
einer Ansteuerspannung vermag häufig die Amplitude des
Schwingers entsprechend Grenzbedingungen des Übergangs
zum anderen Resonanzsystem oder zu dem zu messenden Strö
mungsmittel zu ändern, wodurch die Erzeugung einer ge
nauen Resonanzfrequenz verhindert wird. Dieses Problem
kann durch Verwendung des Verstärkers gemäß Fig. 21 aus
geschaltet werden.
Fig. 21 zeigt in einem Schaltbild den detaillierten Auf
bau des Verstärkers 39 gemäß Fig. 5.
In Fig. 21 ist mit AMC1 ein Verstärkerkreis bezeichnet,
dessen Eingänge (+), (-) mit den Ausgängen 37, 38 des
Schwingerkörpers 24 verbunden sind. Sein Ausgang liegt
über einen Koppelkondensator C5 an einem weiteren Ver
stärkerkreis AMC2, dessen Ausgangsspannung an einer Ver
zweigung J erscheint. Das Ausgangssignal wird sodann über
einen Phaseneinstellkreis PHC zu einem Verstärkungsregel
kreis GAC geliefert. Ein verstärktes Ausgangssignal vom
Verstärkungsregelkreis GAC, nach Verstärkung in dessen
erster Stufe erhalten, wird an einen Widerstand R10, einen
Feldeffekttransistor Q1, die in Reihe mit einem Transfor
mator T liegen, angelegt, und eine in ihrer Größe ge
regelte oder eingestellte Ausgangsspannung wird an die
Ausgangsklemme 35 von der Sekundärwicklung des Transfor
mators T geliefert.
Andererseits wird eine Spannung Vj von der Verzweigung J
einem Halbweg-Gleichrichterkreis HWR eingespeist, in eine
Gleichspannung Ej entsprechend einer Größe der Spannung
Vj umgewandelt und dann an den invertierenden Eingang
(-) eines Komparators CMP angelegt. Dem nicht-invertieren
den Eingang (+) des Komparators CMP wird von einem Ampli
tudeneinstellkreis ASC eine Bezugsspannung VR aufgeprägt,
wobei der Komparator CMP eine Abweichung bzw. Differenz
zwischen der Gleichspannung Ej und der Bezugsspannung VR
verstärkt, die Differenzspannung oder Spannungsdifferenz
von seinem Ausgang her an die Gate-Elektrode des Feld
effekttransistors Q1 anlegt und (damit) einen Widerstand
zwischen Drain- und Gate-Elektrode regelt, um auf diese
Weise einen zum Transformator T fließenden Strom zu
regeln.
In den obigen Kreisen erfolgt eine Phaseneinstellung
durch einen Kondensator C6 und einen Widerstand R17, wäh
rend die Amplitude der an die Ausgangsklemme 35 gelieferten Spannung
durch einen Widerstand R26 eingestellt wird.
Wenn bei der obigen Schaltung vom Verstärker 39 her eine
Spannung dem Eingangstransformator 33 eingespeist wird,
fließt von dessen Ausgang ein Strom i zum
Schwingerkörper-Längselement 26A, so daß letzterer mit einer elektromagnetischen
Kraft aufgrund des Zusammenwirkens mit einem Magnetfeld
des Magneten 17 als Aufprägeeinheit schwingt. Die Schwingung wirkt über das Schwingerkörper-Querelement 27
auf das Schwingerkörper-Längselement 26B ein,
doch da dem Schwingerkörper-Längselement 26B vom Magneten 17 her ein
Magnetfeld aufgeprägt ist, wird am Schwingerkörper-Längselement 26B
eine Spannung e erzeugt und über den Ausgangstransformator
36 als Schwingungsmeßeinheit dem Verstärker 39 eingespeist. Der Verstärker 39 ver
stärkt diese Spannung und liefert an seiner Ausgangs
klemme eine verstärkte Spannung.
Die verstärkte Spannung wird wiederum dem Eingangstrans
formator 33 als Anregungseinheit und weiterhin als höhere Spannung dem
Schwingerkörper-Längselement 26A aufgeprägt.
Durch Wiederholung der obigen Vorgänge gerät eine den Ver
stärker 39 und den Schwingerkörper 24 koppelnde Schleife
in Eigenschwingung oder selbsterregte Schwingung. Bei
Einstellung der Verstärkung der Schleife auf 1 oder höher
bleibt dann die Eigenschwingung erhalten.
Hierbei wird eine Spannungsamplitude der Eigenschwingung
so gesteuert oder geregelt, daß sie in eine ständige
Differenz zur Bezugsspannung VR gelangt.
Wenn nämlich die der Spannung
Vj entsprechende Gleichspannung Ej gegenüber der Bezugs
spannung VR hoch ist, vergrößert sich ein Innen- oder
Eigenwiderstand des Feldeffekttransistors Q1 an oder mit
einem Ausgang des Komparators CMP entsprechend diesen Ab
weichungen bzw. Differenzen wobei ein zum
Transformator T fließender Strom sowie die an die Aus
gangsklemme 35 gelieferte Spannung minimiert werden. In
folgedessen werden die dem Schwingerkörper 24 aufgeprägte
Spannung und auch die dem Verstärker 39 eingespeiste Span
nung ebenfalls minimiert.
Wenn dagegen die der Spannung Vj entsprechen
de Gleichspannung Ej gegenüber der Bezugsspannung VR
klein ist, ist die Wirkungsweise oder Operation umgekehrt.
Die Schwingungsamplitude gerät dabei in Koinzidenz mit
der Bezugsspannung VR innerhalb des Bereichs des ständigen
Fehlers bzw. der ständigen Differenz. Letzterer bzw.
letztere wird durch den Quotienten Ausgangsspannung/Verstärkung des
Komparators CMP bestimmt. Wenn die
Verstärkung des Komparators CMP groß ist, kann die Größe
des Fehlers bzw. der Differenz vernachlässigt werden,
wobei die Amplitude des Schwingers jederzeit gleich der
Bezugsspannung VR wird.
Im folgenden ist anhand der Fig. 22 und 23 eine bei Ver
wendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 21 erzielte
Wirkung erläutert.
Fig. 22 veranschaulicht eine bei Verwendung der Schaltung
nach Fig. 21 erzielte Wirkung (Kennlinie); Fig. 23 veran
schaulicht eine ähnliche Wirkung oder Kennlinie für den
Fall der Verwendung einer bisherigen Schaltungsanordnung,
bei welcher der Feldeffekttransistor Q1 gemäß Fig. 21
unter Herstellung eines Kurzschlusses entfernt ist und
eine Ansteuerkraft konstantgehalten wird (Ansteuerung mit
konstanter Speisespannung). Der Meßbereich beträgt in
jedem Fall 1 kg/cm2, wobei (in Fig. 22 und 23) auf der
Abszisse der Druck und auf der Ordinate Indexgrößen auf
getragen sind.
Wie aus den Fig. 22 und 23 hervorgeht, beträgt im Fall
von Fig. 22 die Schwankung etwa ±0,005%, während sie im
Fall von Fig. 23 etwa ±0,025% (maximal) beträgt, was
einer Verbesserung um etwa den Faktor 5 entspricht.
Wie vorstehend beschrieben, erfolgt die Er
fassung einer Amplitude der Eigenschwingungshalbwelle
des Verstärkers, das Vergleichen der erfaßten oder abge
griffenen Amplitude mit einer vorgegebenen Bezugsspannung und
die Einstellung der Amplitude einer in der letzten Stufe
angeordneten Verstärkungsregeleinheit, um sie mit der Be
zugsspannung koinzidieren zu lassen und damit die Ampli
tude konstant zu halten, so daß die Schwingungsamplitude
jederzeit und ohne Beeinflussung durch äußere Bedingungen
oder Umstände konstant bleibt, keine Schwankung in der
Eigenschwingungsfrequenz auftritt und damit ein Schwing
typ-Wandler einer hohen Präzision realisiert werden kann.
Claims (10)
1. Schwingtyp-Wandler mit einem Sensorelement beste
hend aus
einem dotierten Siliziumeinkristall-Substrat und einem Schwingerkörper, wobei der Schwingerkörper in einer Ausnehmung des Siliziumeinkristall-Substrats mit an diesem festgelegten Endabschnitten angeord net ist, und wobei der Schwingerkörper hinsichtlich seiner Kristallstruktur materialeinheitlich mit dem Siliziumeinkristall-Substrat ausgebildet ist,
einer Anregungseinheit zum Schwingungsanregen des Schwingerkörpers,
einer Aufprägeeinheit zum Aufprägen eines Magnet gleichfelds senkrecht zum Schwingerkörper,
einer Schwingungsmeßeinheit zum Erfassen der Schwin gung des Schwingerkörpers,
einem der Schwingungsmeßeinheit nachgeschalteten Ver stärker und
einer Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Ver stärkers zum Eingang der Anregungseinheit zum Erzeu gen einer Eigenschwingung des Schwingerkörpers, deren Änderung bei Anliegen einer zu messenden phy sikalischen Größe am Schwingerkörper zu deren Erfas sung dient,
dadurch gekennzeichnet, daß
einem dotierten Siliziumeinkristall-Substrat und einem Schwingerkörper, wobei der Schwingerkörper in einer Ausnehmung des Siliziumeinkristall-Substrats mit an diesem festgelegten Endabschnitten angeord net ist, und wobei der Schwingerkörper hinsichtlich seiner Kristallstruktur materialeinheitlich mit dem Siliziumeinkristall-Substrat ausgebildet ist,
einer Anregungseinheit zum Schwingungsanregen des Schwingerkörpers,
einer Aufprägeeinheit zum Aufprägen eines Magnet gleichfelds senkrecht zum Schwingerkörper,
einer Schwingungsmeßeinheit zum Erfassen der Schwin gung des Schwingerkörpers,
einem der Schwingungsmeßeinheit nachgeschalteten Ver stärker und
einer Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Ver stärkers zum Eingang der Anregungseinheit zum Erzeu gen einer Eigenschwingung des Schwingerkörpers, deren Änderung bei Anliegen einer zu messenden phy sikalischen Größe am Schwingerkörper zu deren Erfas sung dient,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Schwingerkörper (24) durch epitaxiales Aufwachsen auf dem Siliziumeinkristall-Substrat (25) ausgebildet ist, und
- b) der Schwingerkörper (24) eine H-Form mit einem Paar parallel mit Abstand zueinander verlaufender, endseitig am Siliziumeinkristall-Substrat (25) festgelegter Schwingerkörper-Längselemente (26A, 26B) sowie einem Schwingerkörper-Querele ment (27), das die Mittelabschnitte der beiden Schwingerkörper-Längselemente (26A, 26B) mitein ander verbindet, aufweist, wobei die Anregungs einheit (Eingangstransformator 33) an das eine und die Schwingungsmeßeinheit (Ausgangstransfor mator 36) an das andere der beiden Schwinger körper-Längselemente (26A, 26B) angeschlossen ist.
2. Schwingtyp-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Schwingerkörper-Längsele
mente (26A, 26B) des H-förmigen Schwingerkörpers
(24) balkenartig in der <001<-Richtung zu einer
Kristallebene (100) des Siliziumeinkristall-Sub
strats (25), auf dem der Schwingerkörper (24) ausge
bildet ist, geformt sind.
3. Verfahren zum Herstellen des Sensorelementes des
Schwingungstyp-Wandlers nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß auf dem Siliziumeinkristall-Substrat (40) ein Schutzüberzug (41) ausgebildet wird, der mit Hilfe einer Ätzmaske mit einer Öffnung in H-Form unter Zurücklassung einer H-förmigen Ausnehmung teilweise entfernt wird, wobei durch einen weite ren Ätzschritt in dieser Ausnehmung (43) die H-förmige Ausnehmung im Siliziumeinkristall-Sub strat (40) erzeugt wird, die zwei mit Abstand zueinander liegende, zueinander parallele Längs kanäle umfaßt, deren Mittelabschnitte durch einen Querkanal miteinander verbunden sind,
- b) daß in die Ausnehmung (43) eine erste epitaxiale Schicht (44) selektiv aufgewachsen wird, die die untere Hälfte der Ausnehmung (43) ausfüllt und einen gegenüber dem Siliziumeinkristall-Substrat (40) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf weist, und auf der eine dem Schwingerkörper (24) entsprechende zweite epitaxiale Schicht (45) unter strenger Konzentrationskontrolle aufgewach sen wird, auf welche eine dritte epitaxiale Schicht (46) unter Einbeziehung eines Teils des angrenzenden Schutzüberzugs (41) aufgewachsen wird, die die obere Hälfte der Ausnehmung (43) ausfüllt und auf die sodann eine vierte epita xiale Schicht (47) aufgewachsen wird, die als den Schwingerkörper (24) bedeckende Kapsel (51) dient, und
- c) daß der verbliebene Teil des Schutzüberzugs (41) durch Ätzen zugunsten einer Injektionsöffnung (48) entfernt wird, durch welche ein Ätzreagens in die obere Hälfte sowie die untere Hälfte der die Ausnehmung (43) ausfüllenden Schichten (er ste epitaxiale Schicht 44, dritte epitaxiale Schicht 46), zu deren Entfernung unter Freile gung des Schwingerkörpers (24) eingespritzt wird, woraufhin die Kapsel (51) unter Verschlie ßen der Injektionsöffnung (48) unter Einschluß des beim Freilegen des Schwingerkörpers (24) entstandenen Vakuums dicht verschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Siliziumeinkristall-Substrat (40) einen
n-Leitfähigkeitstyp und der der Ausnehmung (43)
entsprechende Teil einen p-Leitfähigkeitstyp be
sitzen und der Schwingerkörper (24) sowie die Kap
sel (51) jeweils eine hohe Fremdatomkonzentration
und den p-Leitfähigkeitstyp aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ferner auf dem Siliziumeinkristall-Substrat
(40) eine zusätzliche epitaxiale Schicht einer
Dicke von 1 µm oder weniger einer hohen Fremdatom
konzentration und des p-Leitfähigkeitstyps ausge
bildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der der Ausnehmung (43) entsprechende Teil
durch Ätzen entfernt wird, um einen Hohlraum zu
bilden, und die Injektionsöffnung (48) sodann in
einer Gasatmosphäre bei hoher Temperatur verschlos
sen oder versiegelt wird, um damit im Hohlraum ein
Vakuum zu erzeugen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasatmosphäre eine Wasserstoffatmosphäre
ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasatmosphäre eine Sauerstoffatmosphäre
ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalt einer
vorbestimmten Anfangsspannung des Schwingerkörpers
(24), diesem Fremdatome mit einem Bindungsradius,
der kleiner ist als derjenige der den Schwinger
körper (24) bildenden Atome, implantiert werden.
10. Schaltungsanordnung zum Betreiben des Schwingtyp-
Wandlers nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch eine erste Verstärkereinheit (Verstärkerkreis
AMC1) zum Verstärken eines vom Schwingerkörper (24)
erzeugten Signals, eine Verstärkungsregeleinheit
(Verstärkungsregelkreis GAC) zum Regeln einer Ver
stärkung durch Verstärken eines auf ein Ausgangs
signal der ersten Verstärkereinheit (Verstärker
kreis AMC1) bezogenen Signals und eine Vergleicher
einheit (Komparator CMP) zum Ausgeben eines Diffe
renzsignals durch Vergleichen eines auf eine Ampli
tude eines Ausgangssignals der ersten Verstärker
einheit (Verstärkerkreis AMC1) bezogenen Signals
mit einem vorbestimmten Bezugswert, wobei die Ver
stärkungsregeleinheit (Verstärkungsregelkreis GAC)
durch das Differenzsignal steuerbar ist, um damit
die Amplitude der Eigenschwingung oder der selbst
erregten Schwingung zu erhalten.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63129671A JPH07104217B2 (ja) | 1988-05-27 | 1988-05-27 | 振動式トランスデューサとその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3833354A1 DE3833354A1 (de) | 1989-11-30 |
DE3833354C2 true DE3833354C2 (de) | 1993-04-22 |
Family
ID=15015277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3833354A Granted DE3833354A1 (de) | 1988-05-27 | 1988-09-30 | Schwingtyp-wandler und verfahren zu seiner herstellung |
Country Status (11)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US4926143A (de) |
JP (1) | JPH07104217B2 (de) |
KR (1) | KR920010024B1 (de) |
CN (1) | CN1013407B (de) |
AU (1) | AU603291B2 (de) |
BR (1) | BR8902406A (de) |
CA (1) | CA1318521C (de) |
DE (1) | DE3833354A1 (de) |
FR (1) | FR2632407B1 (de) |
GB (3) | GB2219088B (de) |
NL (1) | NL193884C (de) |
Families Citing this family (44)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5310610A (en) * | 1988-05-07 | 1994-05-10 | Sharp Kabushiki Kaisha | Silicon micro sensor and manufacturing method therefor |
US4972076A (en) * | 1988-09-29 | 1990-11-20 | Schlumberger Industries Limited | Solid state sensor with dual resonant vibratable members |
HU212353B (en) * | 1990-02-22 | 1996-06-28 | Istvan Almasi | Path-frequency signal transducer |
US5207866A (en) * | 1991-01-17 | 1993-05-04 | Motorola, Inc. | Anisotropic single crystal silicon etching solution and method |
DE4106933B4 (de) * | 1991-03-05 | 2004-12-16 | Robert Bosch Gmbh | Strukturierungsverfahren |
DE4114268A1 (de) * | 1991-05-02 | 1992-11-12 | Kernforschungsz Karlsruhe | Verfahren zur ermittlung der groesse von parametern, welche die frequenz von eigenschwingungen von mikrostrukturen aendern |
EP0524381A1 (de) * | 1991-07-22 | 1993-01-27 | Landis & Gyr Business Support AG | Mikrotechnisch hergestellte Sensorvorrichtung |
US5559358A (en) * | 1993-05-25 | 1996-09-24 | Honeywell Inc. | Opto-electro-mechanical device or filter, process for making, and sensors made therefrom |
US5417115A (en) * | 1993-07-23 | 1995-05-23 | Honeywell Inc. | Dielectrically isolated resonant microsensors |
DE19514542C2 (de) * | 1995-04-20 | 1997-07-31 | Daimler Benz Ag | Komposit-Struktur und Verfahren zu deren Herstellung |
US5736430A (en) * | 1995-06-07 | 1998-04-07 | Ssi Technologies, Inc. | Transducer having a silicon diaphragm and method for forming same |
US6021675A (en) * | 1995-06-07 | 2000-02-08 | Ssi Technologies, Inc. | Resonating structure and method for forming the resonating structure |
CA2176052A1 (en) * | 1995-06-07 | 1996-12-08 | James D. Seefeldt | Transducer having a resonating silicon beam and method for forming same |
KR100363246B1 (ko) * | 1995-10-27 | 2003-02-14 | 삼성전자 주식회사 | 진동구조물및진동구조물의고유진동수제어방법 |
US5963857A (en) * | 1998-01-20 | 1999-10-05 | Lucent Technologies, Inc. | Article comprising a micro-machined filter |
US6085594A (en) * | 1998-09-04 | 2000-07-11 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | High resolution and large dynamic range resonant pressure sensor based on Q-factor measurement |
SE9903304L (sv) * | 1999-09-16 | 2001-03-17 | Integration Diagnostics Ltd | Anordning och metod för implantat beläget i ben |
US6593666B1 (en) * | 2001-06-20 | 2003-07-15 | Ambient Systems, Inc. | Energy conversion systems using nanometer scale assemblies and methods for using same |
US7156927B2 (en) * | 2002-04-03 | 2007-01-02 | Fsi International, Inc. | Transition flow treatment process and apparatus |
US7199498B2 (en) * | 2003-06-02 | 2007-04-03 | Ambient Systems, Inc. | Electrical assemblies using molecular-scale electrically conductive and mechanically flexible beams and methods for application of same |
US20040238907A1 (en) * | 2003-06-02 | 2004-12-02 | Pinkerton Joseph F. | Nanoelectromechanical transistors and switch systems |
US7095645B2 (en) * | 2003-06-02 | 2006-08-22 | Ambient Systems, Inc. | Nanoelectromechanical memory cells and data storage devices |
US7148579B2 (en) | 2003-06-02 | 2006-12-12 | Ambient Systems, Inc. | Energy conversion systems utilizing parallel array of automatic switches and generators |
DE10330327A1 (de) * | 2003-07-04 | 2005-02-03 | Thierauf, Georg, Prof. Dr.-Ing. | Messverfahren für Spannungen in Membrantragwerken |
JP2008506548A (ja) | 2004-07-19 | 2008-03-06 | アンビエント システムズ, インコーポレイテッド | ナノスケール静電および電磁モータおよび発電機 |
US7443509B1 (en) | 2004-12-12 | 2008-10-28 | Burns David W | Optical and electronic interface for optically coupled resonators |
US7499604B1 (en) | 2004-12-12 | 2009-03-03 | Burns David W | Optically coupled resonant pressure sensor and process |
US7605391B2 (en) * | 2004-12-12 | 2009-10-20 | Burns David W | Optically coupled resonator |
US7379629B1 (en) | 2004-12-12 | 2008-05-27 | Burns David W | Optically coupled resonant pressure sensor |
US7176048B1 (en) | 2004-12-12 | 2007-02-13 | Burns David W | Optically coupled sealed-cavity resonator and process |
EP1910217A2 (de) * | 2005-07-19 | 2008-04-16 | PINKERTON, Joseph P. | Wärmeaktivierte pumpe im nanometerbereich |
JP5007912B2 (ja) * | 2005-08-22 | 2012-08-22 | 横河電機株式会社 | 半導体梁を有する構造体 |
CN103956977A (zh) * | 2005-12-02 | 2014-07-30 | Nxp股份有限公司 | 低噪声放大器 |
JP4895177B2 (ja) * | 2006-06-09 | 2012-03-14 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサ |
US7839028B2 (en) * | 2007-04-03 | 2010-11-23 | CJP IP Holding, Ltd. | Nanoelectromechanical systems and methods for making the same |
JP2012070193A (ja) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 発振器 |
JP5429696B2 (ja) | 2011-12-02 | 2014-02-26 | 横河電機株式会社 | 振動式トランスデューサの製造方法 |
US20150042409A1 (en) * | 2013-08-06 | 2015-02-12 | Earl J. Brown | System for continuously oscillating a cantilevered beam |
CN103439033B (zh) * | 2013-09-17 | 2016-02-10 | 青岛理工大学 | 一种夹具振弦式纤维筋拉力测量装置 |
US20150355035A1 (en) * | 2014-06-05 | 2015-12-10 | Intel Corporation | In-package temperature sensor and methods therefor |
JP6341190B2 (ja) * | 2015-02-16 | 2018-06-13 | 株式会社デンソー | 半導体装置の製造方法 |
WO2016132694A1 (ja) * | 2015-02-16 | 2016-08-25 | 株式会社デンソー | 半導体装置の製造方法 |
JP6779247B2 (ja) * | 2018-03-23 | 2020-11-04 | 株式会社日立製作所 | 超音波診断装置 |
CN118190231A (zh) * | 2024-05-20 | 2024-06-14 | 北京量子信息科学研究院 | 一种基于半导体薄膜的气体压力传感器芯片及其制备方法 |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3614678A (en) * | 1967-08-11 | 1971-10-19 | Gen Electric | Electromechanical filters with integral piezoresistive output and methods of making same |
CA1094229A (en) * | 1976-11-08 | 1981-01-20 | Henry Guckel | Electrostatically deformable thin silicon membranes |
GB1588669A (en) * | 1978-05-30 | 1981-04-29 | Standard Telephones Cables Ltd | Silicon transducer |
US4381672A (en) * | 1981-03-04 | 1983-05-03 | The Bendix Corporation | Vibrating beam rotation sensor |
US4783237A (en) * | 1983-12-01 | 1988-11-08 | Harry E. Aine | Solid state transducer and method of making same |
JPS6263828A (ja) * | 1985-09-06 | 1987-03-20 | Yokogawa Electric Corp | 振動式トランスジューサ |
GB8530809D0 (en) * | 1985-12-13 | 1986-01-22 | Gen Electric Co Plc | Sensor |
GB8610253D0 (en) * | 1986-04-26 | 1986-05-29 | Stc Plc | Resonator device |
US4721925A (en) * | 1986-11-20 | 1988-01-26 | Motorola, Inc. | Micromechanical electronic oscillator |
GB2198611B (en) * | 1986-12-13 | 1990-04-04 | Spectrol Reliance Ltd | Method of forming a sealed diaphragm on a substrate |
US4895616A (en) * | 1987-12-07 | 1990-01-23 | Honeywell Inc. | Method for making thin film orthogonal microsensor for air flow |
JP3053909B2 (ja) * | 1991-07-09 | 2000-06-19 | 株式会社東芝 | プラント警報制御装置 |
-
1988
- 1988-05-27 JP JP63129671A patent/JPH07104217B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1988-09-16 US US07/245,681 patent/US4926143A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-09-23 KR KR1019880012353A patent/KR920010024B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1988-09-27 NL NL8802370A patent/NL193884C/nl not_active IP Right Cessation
- 1988-09-30 DE DE3833354A patent/DE3833354A1/de active Granted
- 1988-10-03 GB GB8823123A patent/GB2219088B/en not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-04-11 AU AU32648/89A patent/AU603291B2/en not_active Ceased
- 1989-04-18 CA CA000596951A patent/CA1318521C/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-05-25 CN CN89103429A patent/CN1013407B/zh not_active Expired
- 1989-05-26 BR BR898902406A patent/BR8902406A/pt not_active IP Right Cessation
- 1989-05-26 FR FR898906952A patent/FR2632407B1/fr not_active Expired - Fee Related
- 1989-10-20 US US07/424,510 patent/US4966649A/en not_active Expired - Lifetime
-
1992
- 1992-02-28 GB GB9204322A patent/GB2252824B/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-02-28 GB GB9204323A patent/GB2252825B/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA1318521C (en) | 1993-06-01 |
NL193884B (nl) | 2000-09-01 |
AU603291B2 (en) | 1990-11-08 |
AU3264889A (en) | 1989-11-30 |
KR890017861A (ko) | 1989-12-18 |
GB9204322D0 (en) | 1992-04-08 |
GB2252824B (en) | 1992-12-02 |
JPH01299428A (ja) | 1989-12-04 |
BR8902406A (pt) | 1990-01-16 |
GB8823123D0 (en) | 1988-11-09 |
GB2219088B (en) | 1992-12-02 |
GB2219088A (en) | 1989-11-29 |
GB9204323D0 (en) | 1992-04-08 |
CN1013407B (zh) | 1991-07-31 |
CN1038162A (zh) | 1989-12-20 |
NL193884C (nl) | 2001-01-03 |
FR2632407A1 (fr) | 1989-12-08 |
FR2632407B1 (fr) | 1994-03-04 |
GB2252825B (en) | 1992-12-02 |
GB2252825A (en) | 1992-08-19 |
JPH07104217B2 (ja) | 1995-11-13 |
US4966649A (en) | 1990-10-30 |
US4926143A (en) | 1990-05-15 |
GB2252824A (en) | 1992-08-19 |
KR920010024B1 (ko) | 1992-11-13 |
DE3833354A1 (de) | 1989-11-30 |
NL8802370A (nl) | 1989-12-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3833354C2 (de) | ||
DE3630368C2 (de) | ||
DE69111118T2 (de) | Schwingungserkennung eines Mikrobalkens durch eine Hülle. | |
DE60038711T2 (de) | Mehrschichtige Scheibe mit dicker Opferschicht unter Verwendung von porösem Silizium oder porösem Siliziumdioxid und Herstellungsverfahren | |
DE10063991B4 (de) | Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen | |
DE69303893T2 (de) | Betatigungseinheiten und mikrosensoren in soi-technik | |
DE19632060B4 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors | |
DE10127231B4 (de) | Herstellungsverfahren eines Halbleitersubstrats | |
DE3419710A1 (de) | Halbleiterwandler | |
DE2641752C3 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors | |
DE19826317A1 (de) | Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats, Halbleiterdrucksensor und sein Herstellungsverfahren | |
DE4444149A1 (de) | Halbleiter-Gierungsmaßsensor und Verfahren zu desen Herstellung | |
DE3938624A1 (de) | Resonanzbruecken-mikrobeschleunigungs-messfuehler | |
DE69308298T2 (de) | Messgerät-herstellungsverfahren | |
DE1766913A1 (de) | Elektromechanisches Filter und Verfahren zur Herstellung dieses Filters | |
DE3936694A1 (de) | Halbleiterbauteil mit gitterstruktur | |
EP1105344A1 (de) | Mikromechanischer sensor und verfahren zu seiner herstellung | |
DE69210444T4 (de) | Verfahren zum Herstellen eines Gleichstrom-Squids | |
DE3445774A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines kapazitiven halbleiterdruckaufnehmers | |
EP0616573B1 (de) | Beschneiden der breite eines grabens | |
DE3689403T2 (de) | Halbleiterdruckwandler mit versiegeltem hohlraum und verfahren dazu. | |
DE10146574A1 (de) | Herstellungsverfahren eines Mikromaterialstücks | |
DE1959527C3 (de) | Halbleiterbauelement zur Umwandlung mechanischer Spannungen in elektrische Signale, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung | |
DE1639418A1 (de) | Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen und nach dem Verfahren hergestellte Halbleitervorrichtungen | |
EP1347937A2 (de) | Mikromechanisches bauelement und entsprechendes herstellungsverfahren |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) |