DE69529446T2 - Tunnelstromsensor - Google Patents

Tunnelstromsensor

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Description

    1. Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für eine dynamische Quantität bzw. Größe, welcher in der Lage ist, die dynamische Quantität bzw. Größe einer Verformung, einer Anziehung, einer Abstoßung, einer Vibration, einer Temperatur und ähnliches mit hoher Empfindlichkeit zu erkennen, basierend auf einer Veränderung des elektrischen Widerstandes einer Verformungs-Widerstands-Schicht. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verformungs-Widerstands-Element und ein erfahren zur Herstellung davon, einen Kragarm bzw. Träger und ein Verfahren zur Herstellung davon, und einen Winkel-Geschwindigkeits- Sensor.
    • 2. Beschreibung des technologischen Hintergrundes:
  • Elemente, welche eine Verformungs-Widerstands-Schicht aufweisen, wurden herkömmlich verwendet zum Umwandeln einer dynamischen Quantität bzw. Größe einer Verformung, Anziehung, Abstoßung, Schwingung, Temperatur und ähnliches in ein elektrisches Signal. Eines von solchen Verformungs- Widerstands-Elementen ist ein Element mit einem streifenförmigen Metall- Dünnfilm, welcher auf einem Substrat ausgebildet ist, welcher eine Veränderung des elektrischen Widerstandes des Metall-Dünnfilms erkennt, verursacht in Abhängigkeit von der Verformung des Elements aufgrund einer äußeren Kraft. Ein anderes Element erkennt eine Veränderung des elektrischen Widerstandes eines Halbleiters, wie zum Beispiel Silizium, dessen Widerstand verringert wurde durch eine Dotierung, welche durch die Verformung verursacht wurde. Solche Verformungs-Widerstands-Elemente werden weithin verwendet nicht nur als ein Verformungs-Sensor, sondern auch als ein Beschleunigungs-Sensor, ein Druck-Sensor, ein Stoß-Sensor und ein Infrarot-Sensor.
  • Das Verformungs-Widerstands-Element, welches einen Metall-Dünnfilm aufweist, welches hergestellt wurde durch einen Prozess zur Ausbildung eines Filmes, wie zum Beispiel Ablagerung aus der Dampfphase bzw. Bedampfung, ist dadurch vorteilhaft, dass es direkt auf einem Objekt ausgebildet werden kann, dessen Verformung gemessen werden soll und dass die Veränderung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur gering ist. Es ist jedoch dadurch nachteilig, dass die Veränderung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Verformung gering ist, d. h. die Empfindlichkeit ist niedrig.
  • Das Element, welches einen Halbleiter, wie zum Beispiel Silizium aufweist, hat eine hohe Empfindlichkeit, jedoch verändert sich der Widerstand stark in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • Aus der DE-36 03 449 A1 ist ein Verformungs-Widerstands-Element bekannt, wobei leitfähige Partikel auf einer isolierenden Schicht angeordnet sind. Aus der US-4 639 711 ist ein Verformungs-Widerstands-Element bekannt, wobei leitfähige Partikel in einem Gummistab verteilt sind.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der Erfindung ist ein Verformungs-Widerstands-Element vorgesehen, welches eine Schicht einer elektrisch isolierenden Substanz und mindestens ein Paar von Elektroden aufweist, welche die elektrisch isolierende Substanz-Schicht kontaktieren, zum Detektieren einer Verformung, welche in der elektrisch isolierenden Substanz-Schicht entsteht, basierend auf einem Strom, welcher zwischen dem Paar der Elektroden fließt, wobei eine Mehrzahl von leitfähigen Partikeln verteilt bzw. dispergiert ist, um mindestens Eine Schicht innerhalb der elektrisch isolierenden Substanz-Schicht auszubilden, so dass ein Tunnel-Strom fließt, wenn eine Spannung angelegt wird an das mindestens eine Paar der Elektroden. Andere Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
  • Demzufolge ermöglicht die hierin beschriebene Erfindung die Vorteile von (1) Schaffen eines Sensors für eine dynamische Quantität, wie zum Beispiel ein Verformungs-Widerstands-Element, welches bezüglich der Stabilität und Zuverlässigkeit hervorragend ist, (2) Schaffen eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Sensors für eine dynamische Quantität und (3) Schaffen eines kleinen, leichten und kostengünstigen Winkelgeschwindigkeits-Sensors mit einer hohen Empfindlichkeit.
  • Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten offensichtlich werden beim Lesen und Verstehen der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1A ist ein Beispiel zum technologischen Hintergrund und Fig. 1B ist eine schematische Querschnittsansicht und zeigt ein Verformungs-Widerstands-Element gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2A bis 2C sind Draufsichten und zeigen die Verteilung von leitfähigen Partikeln in einer Schicht einer elektrisch isolierenden Substanz gemäß den Beispielen zum technischen Hintergrund, welche nützlich zum Verstehen der vorliegenden Erfindung sind.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels des Verformungs- Widerstands-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer Sputter- bzw. Zerstäubungs-Vorrichtung, welche für die Herstellung des Verformungs- Widerstands-Elements von Fig. 3 verwendet wird.
  • Fig. 5A bis 5C sind Querschnittsansichten und zeigen die Schritte eines Verfahrens zur Ausbildung einer Elektrode.
  • Fig. 6 ist ein Diagramm und zeigt das Verhältnis zwischen der Verformung und der Veränderung des Widerstandes, festgelegt für das Verformungs-Widerstands-Element gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 7 ist eine Perspektivansicht einer Struktur mit einer Verformungs- Widerstands-Schicht auf einer Träger-Basis.
  • Fig. 8 ist eine schematische Perspektivansicht und zeigt ein Beispiel des Frei- bzw. Kragträgers.
  • Fig. 9A bis 9E sind Querschnittsansichten und zeigen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Kragträgers von Fig. 8.
  • Fig. 10 ist eine Perspektivansicht eines Detektions-Teiles eines Beispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors.
  • Fig. 11 ist ein Ersatzschaltbild eines Kopplungs-Teils zwischen einem Detektions-Teil des Winkelgeschwindigkeitssensors von Fig. 10 und einer Detektions-Schaltung.
  • Fig. 12 ist eine Perspektivansicht eines Detektions-Teiles eines anderen Winkelgeschwindigkeitssensors.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Als Erstes werden bezugnehmend auf die Fig. 1A und 1B Verformungs- Widerstands-Elemente, welche für einen dynamischen Quantitäts-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, beschrieben werden. Die "dynamische Quantität", wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine "physikalische Quantität bzw. Größe, welche den Abstand zwischen benachbarten leitfähigen Partikeln beeinflusst, welche in einer Schicht einer elektrisch isolierenden Substanz verteilt bzw. dispergiert sind", was eine Verformung, Anziehung, Schwingung und Temperatur umfasst. Fig. 1A ist ein Beispiel zum technologischen Hintergrund und Fig. 1B zeigt schematisch einen Querschnitt eines Verformungs-Widerstands-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem in Fig. 1A gezeigten Verformungs-Widerstands-Element sind leitfähige Partikel 2 im Wesentlichen gleichförmig entlang der Tiefe einer Schicht 3 einer elektrisch isolierenden Substanz verteilt bzw. dispergiert. Andererseits liegen in dem in Fig. 1B gezeigten Verformungs-Widerstands-Element leitfähige Partikel 2 nur in einem spezifischen Tiefen-Bereich einer Schicht 3 einer elektrisch isolierenden Substanz vor, welche eine Schicht der leitfähigen Partikel 2 darin ausbildet.
  • Bei solchen Verformungs-Widerstands-Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung treten Elektronen durch Zwischenräume zwischen den leitfähigen Partikeln, welche in der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz dispergiert sind, hindurch, wenn eine Spannung V angelegt wird zwischen ein Paar der Elektroden 4 und 5, welche in Kontakt mit der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz angeordnet sind, um es zu ermöglichen, dass ein sogenannter Tunnelstrom durchfließt. Eine Studie bezüglich des Tunnelstromes ist zum Beispiel in Rev. Sci. Instrum. 60(2) 165, 1989 dargestellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung fließt ein Tunnelstrom I, dargestellt durch den folgenden Ausdruck, durch die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz.
  • I = k (V/d) exp (-Aφ1/2d)
  • wobei k eine Konstante ist, d ist der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln (Å), A = 1,025 (eV)1/2 Å&supmin;¹, und φ ist die Barrierenhöhe bzw. Höhe der Potentialschwelle zwischen den leitfähigen Partikeln (eV).
  • Es wird aus dem obigen Ausdruck gesehen, dass der Widerstand zwischen den leitfähigen Partikeln stark von dem Abstand d zwischen den leitfähigen Partikeln abhängt. Dies ermöglicht es, eine Verformung mit einer hohen Empfindlichkeit zu detektieren. Der Widerstand hängt nicht direkt von der Temperatur ab, obwohl sich der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln in Abhängigkeit von der Wärmeausdehnung verändert. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass dieses Prinzip verwendet werden kann, um ein Verformungs-Widerstands-Element zu realisieren bzw. herzustellen, welches eine hohe Empfindlichkeit bezüglich Einer Verformung und hervorragende Temperatur-Kennlinien hat und welches während eines langen Zeitraumes mit einer hohen Stabilität und Zuverlässigkeit betrieben werden kann.
  • Jetzt wird das Verformungs-Widerstands-Element von Fig. 1A beschrieben werden als ein Beispiel zum technologischen Hintergrund, nützlich zum Verstehen der Erfindung. Das Verformungs-Widerstands-Element enthält die Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz, ausgebildet auf einem nicht gezeigten Substrat und das Paar der Elektroden 4 und 5 ist in Kontakt mit der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz angeordnet. Die leitfähigen Partikel 2 sind in der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz dispergiert bzw. verteilt, um es zu ermöglichen, dass ein Tunnelstrom dazwischen fließt, wenn eine Spannung zwischen dem Paar der Elektroden 4 und 5 angelegt wird. Die volumetrische Besetzung bzw. Belegung der leitfähigen Partikel in der Schicht der elektrisch leitfähigen Substanz beträgt 15 bis 70%, wenn die leitfähigen Partikel so dispergiert bzw. verteilt sind, dass es ermöglicht wird, dass ein Tunnelstrom dazwischen fließt.
  • Das Substrat kann aus Glas, Metall, Harzen und anderen verschiedenen Materialien hergestellt werden, in Abhängigkeit von der Verwendung des resultierenden Elements. Wenn das Substrat aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, wie zum Beispiel Metall, kann dieses verwendet werden als eine des Paars des Elektroden. In einem solchen Fall fließt der Tunnelstrom in der vertikalen Richtung, wie aus Fig. 1A gesehen. Das Substrat ist nicht notwendigerweise eine flache Platte, und tatsächlich kann ein Substrat mit anderen Formen verwendet werden. Alternativ kann die Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz und das Paar der Elektroden 4 und 5 direkt auf einem Objekt ausgebildet werden, dessen Verformung gemessen werden soll.
  • Die leitfähigen Partikel 2 können aus jedem leitfähigen Material hergestellt sein. Vorzugsweise sind diese aus einem Material hergestellt, welches thermisch und chemisch stabil ist, insbesondere zum Beispiel ein Edelmetall. Der Durchmesser der leitfähigen Partikel 2 beträgt vorzugsweise 1 bis 50 nm. Leitfähige Partikel dieses Größenbereiches können vergleichsweise gleichförmig dispergiert bzw. verteilt werden in der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz, wobei der Abstand zwischen den Partikeln im Nanometer-Bereich gehalten wird. Insbesondere wurde durch die Erfinder herausgefunden, dass wenn die leitfähigen Partikel gewachsen werden durch Sputtern bzw. Zerstäuben, um einen Durchmesser von 1 bis 50 nm zu haben, wird der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln geeignet für den Fluss des Tunnel-Stromes. Am wichtigsten ist es, dass der Abstand zwischen den Partikeln in einem geeigneten Bereich sein sollte, zum Beispiel von mehr als 0 bis 5 nm, um es zu erlauben, dass der Tunnel-Strom dazwischen fließt. Entsprechend können leitfähige Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 50 nm dispergiert bzw. verteilt werden und es dem Tunnel-Strom erlauben dazwischen zu fließen, solange die Dichte der leitfähigen Partikel in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz geeignet eingestellt ist. Natürlich müssen nicht alle Partikel von jedem benachbarten Partikel um einen bestimmten Abstand entfernt sein, um es zu ermöglichen, dass der Tunnel-Strom dazwischen fließt. Es entsteht kein Problem, wenn einige Partikel mit anderen Partikeln kurzgeschlossen sind. Kurz gesagt ist es ausreichend einen Teil irgendwo zwischen dem Paar der Elektroden zu haben, wo kein Strom außer dem Tunnel-Strom hindurchfließen wird. Ein besonders empfindliches Verformungs- Widerstands-Element wurde erhalten, wenn die volumetrische Besetzung bzw. Belegung der leitfähigen Partikel 2 in dem Teil der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz, wo der Strom tatsächlich fließt, in dem Bereich von 15 bis 70% war. Dies wird später im Detail beschrieben werden.
  • Als Nächstes wird das Verformungs-Widerstands-Element der vorliegenden Erfindung und wie in Fig. 1B gezeigt beschrieben werden. Weil die leitfähigen Partikel dispergiert bzw. verteilt sind, um eine Schicht in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz auszubilden, ist eine vergleichsweise geringe Menge eines leitfähigen Materials ausreichend zur Ausbildung der erforderlichen Quantität bzw. Menge der Partikel. Der Prozess bzw. das Verfahren zur Ausbildung der leitfähigen Partikel ist insbesondere einfach, wenn es durch Sputtern bzw. Zerstäuben durchgeführt wird. Das Element von Fig. 1B hat eine anisotrope Empfindlichkeit, wo die Empfindlichkeit bezüglich einer Verformung einer Ebene der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz größer ist als diejenige bezüglich einer Verformung entlang der Tiefe (Dicke) davon. Dies ist so, weil sich der Tunnel-Strom wenig in der Amplitude verändert oder gar nicht fließt für einige Verformungen entlang der Tiefe der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz. In Fig. 1B sind die leitfähigen Partikel so gezeigt, dass sie dispergiert bzw. verteilt sind, um eine Schicht auszubilden. Der gleiche Effekt kann auch erhalten werden, wenn die leitfähigen Partikel dispergiert bzw. verteilt sind, um eine Mehrzahl von Schichten auszubilden. Durch das Dispergieren der leitfähigen Partikel, um eine Schicht oder Schichten in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz auszubilden, ist es möglich, einen Teil der Partikel zu begrenzen, wo ein Strom hindurchfließt, innerhalb der elektrisch isolierenden Substanz, wodurch verhindert wird, dass die elektrischen Eigenschaften des Elements verschlechtert werden aufgrund eines atmosphärischen Gases. Demzufolge ist das erhaltene Element sehr zuverlässig, selbst wenn die leitfähigen Partikel aus einem Material hergestellt sind, welches leicht mit einem atmosphärischen Gas reagiert.
  • Die Fig. 2A bis 2C sind schematische Draufsichten und zeigen die Verteilung bzw. Dispersion von leitfähigen Partikeln zwischen einem Paar von Elektroden. In Fig. 2A ist ein Zwischenraum S zwischen den leitfähigen Partikeln zu groß, um es zu ermöglichen, dass ein Tunnel-Strom hindurchfließt. In Fig. 2B ist der Raum S zwischen den Partikeln so klein, dass ein Strom-Weg ausgebildet wird durch direkt kontaktierte Partikel und demzufolge wird im Wesentlichen verhindert, dass ein Tunnel-Strom fließt. In Fig. 2C existiert ein Raum bzw. Zwischenraum, welcher geeignet ist für den Fluss des Tunnel-Stromes, in mindestens einem Teil des Strom-Weges, was es ermöglicht, dass der Tunnel-Strom hindurchfließt und demzufolge kann die Größenordnung bzw. Amplitude einer Verformung detektiert werden durch Messen des Tunnel-Stromes.
  • Die Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz kann aus einem Material hergestellt werden, welches eine Leitfähigkeit aufweist, welche niedrig genug ist, um es zu erlauben, dass eine Veränderung des Tunnel-Stromes detektiert wird, wie zum Beispiel Oxide, Nitride und organische Materialien. Die Elektroden 4 und 5 sind so ausgebildet, dass diese sicherstellen, dass sie elektrisch verbunden sind mit den leitfähigen Partikeln 2. Zum Beispiel sollte, wenn die leitfähigen Partikel 2 ausgebildet sind in Schichten in einem spezifischen Tiefen-Bereich in der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz, mindestens ein Teil der Oberfläche der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz entfernt werden, so dass die Elektroden 4 und 5 elektrisch im Kontakt mit einigen der leitfähigen Partikeln 2 sein können, welche in den Schichten verteilt sind. Die Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz ist vorzugsweise hergestellt aus einer Substanz, welche als eine Hauptkomponente mindestens ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden des Siliziums (Si), Aluminiums (Al), Titaniums (Ti) und Hafniums (Hf) und Nitriden des Siliziums (Si) und Aluminiums (Al). Unter Verwendung einer solchen Substanz wird ein Element, welches stabil arbeiten kann, selbst in einer Atmosphäre eines ätzenden Gases und/oder einer Amosphäre hoher Temperatur, realisiert.
  • Eine stabile elektrische Verbindung zwischen den leitfähigen Partikeln und den Elektroden wird sichergestellt durch die Ausformung der Elektroden und der zusammengesetzten Schicht, zusammengesetzt aus der elektrisch isolierenden Substanz mit den darin dispergierten leitfähigen Partikeln, auf einem elektrisch isolierenden Substrat in Schichten. Demzufolge kann ein Element mit einer hohen Zuverlässigkeit hergestellt werden. Wenn die leitfähigen Partikel so ausgebildet werden, dass sie einen Durchmesser in dem Bereich von 1 bis 50 nm haben, kann der Abstand zwischen den Partikeln leicht eingestellt bzw. kontrolliert werden, um es so zu ermöglichen, dass der Tunnel-Strom stabil dazwischen fließt, und als Ergebnis kann das Element mit einer guten Wiederholbarkeit bzw. Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Insbesondere kann die Veränderungs-Rate des Widerstands in Abhängigkeit von der Verformung erhöht werden, wenn der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln 5 nm oder weniger ist. Des Weiteren können die Flächen der Oberflächen der leitfähigen Partikel, entlang welcher der Tunnel-Strom fließt, über einen langen Zeitraum stabil gehalten werden, wenn die leitfähigen Partikel abgerundet sind. Dies schafft ein Verformungs-Widerstands-Element mit einer hohen Stabilität ohne eine anfängliche Veränderung oder eine Drift des Widerstandes. Leitfähige Partikel mit einem Durchmesser von 1 bis 50 nm wurden hergestellt mit einer guten Reproduzierbarkeit unter Verwendung mindestens eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Gallium (Ga), Palladium (Pd), Silber (Ag), Indium (In), Zinn (Sn), Platin (Pt), Gold (Au) und Blei (Pb). Insbesondere sind die Partikel vorzugsweise hergestellt aus mindestens einem der Edelmetalle, wie zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer, Platin und Palladium, so dass die Reaktion der leitfähigen Partikel mit der elektrisch isolierenden Substanz verhindert werden kann, wenn die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz aus einem Oxid hergestellt ist, und demzufolge kann die Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Elementes über die Zeit unterdrückt werden.
  • Das zusammengesetzte Material mit den leitfähigen Partikeln, welche in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz verteilt sind mit einer gewünschten Dichte, kann leicht ausgebildet werden mit einer guten Reproduzierbarkeit durch das Ablagern der elektrischen isolierenden Substanz und der leitfähigen Partikel abwechselnd oder gleichzeitig auf einem Substrat. Leitfähige Partikel, welche ausgebildet sind durch Sputtern bzw. Zerstäuben eines Metall-Materials, sind vergleichsweise gleichförmig im Durchmesser, so dass die elektrischen Eigenschaften des Elements mit einer guten Reproduzierbarkeit eingestellt bzw. kontrolliert werden können. Eine Schicht einer elektrisch isolierenden Substanz, ausgebildet durch Sputtern, ist fest bzw. solide und hervorragend bezüglich der Isolation, so dass ein stabiles und zuverlässiges Element hergestellt werden kann.
  • Das zusammengesetzte Material mit den darin verteilten leitfähigen Partikeln kann Hitze-behandelt werden, um so die Größe und Form der leitfähigen Partikel zu verändern und die Kristallinität davon zu verbessern. Dies ermöglicht es, den Abstand zwischen den Partikeln und die Dichte der Partikel zu kontrollieren und dadurch ein Element mit gewünschten hervorragenden Eigenschaften herzustellen.
    • Ausführungsform
  • Eine Ausführungsform des Verformungs-Widerstands-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben werden.
  • Bezugnehmend auf Fig. 3 umfasst das Verformungs-Widerstands-Element dieser Ausführungsform ein Silica-Glas-Substrat 1, eine Schicht 3 einer elektrisch isolierenden Substanz (Dicke: 0,04-2,0 um), auf dem Substrat 1 getragen, und ein Paar von Elektroden 4 und 5 (Dicke: ungefähr 0,1 um) im Kontakt mit der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz. Bei dieser Ausführungsform ist die Größe des Silica-Glas-Substrats 1 gleich 3 mm in der Länge, 5 mm in der Breite und 0,2 mm in der Dicke. Eine Mehrzahl von leitfähigen Partikeln 2 sind in der Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz dispergiert bzw. verteilt, so dass ein Tunnelstrom dazwischen fließen kann, wenn eine Spannung angelegt wird zwischen dem Paar der Elektroden 4 und 5. Als Ergebnis arbeitet die Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz mit den darin verteilten leitfähigen Partikeln 2 als ein "Verformungs-Widerstand" oder eine "Verformungs-Widerstands-Schicht". Bei dieser Ausführungsform ist die Schicht 3 der elektrisch isolierenden Substanz hergestellt aus SiO&sub2;, und die leitfähigen Partikel sind hergestellt aus Gold (Au).
  • Bei dieser Ausführungsform wurde die Verformungs-Widerstands-Schicht ausgebildet unter Verwendung einer Sputter-Vorrichtung, wie in Fig. 4 gezeigt. Ein Silica- bzw. Siliziumdioxid (SiO&sub2;) Glas-Target bzw. -Ziel 6 und ein Gold (Au) Target bzw. Ziel 7 wurden als Sputter-Targets verwendet. Ein Substrat 8 (entsprechend dem Substrat 1 in Fig. 3) wurde an einem Substrat-Halter 10, versehen mit einem Heizelement 9, befestigt. Das Substrat 8 kann oberhalb des SiO&sub2; Targets 6 oder des Au Targets 7 platziert werden durch das Drehen der Achse, welche mit dem Substrat-Halter 10 gekoppelt ist. Die Position des Substrats 8 oberhalb eines jeden der Targets 6 und 7 und die Dauer, wenn das Substrat 8 bei jeder Position bleibt, werden durch einen Computer kontrolliert bzw. gesteuert. Jedes der Targets 6 und 7 ist umgeben von einem Schild 11, um so zu verhindern, dass das Substrat und die auszubildenden Schichten während des Sputterns kontaminiert bzw. verunreinigt werden. Ein Silica-Glas mit einer hochglanzpolierten (mirrorfinished) Oberfläche mit einer Dicke von 0,2 mm wurde als das Substrat 8 verwendet. Argon oder ein Argon-Gas, welches Sauerstoff enthält, wurde als ein Sputter-Gas verwendet, welches in die Vorrichtung über einen Einlass 12 eingeführt wurde. Ein Auslass 13 wurde verbunden mit einem Vakuum- Abgas-System und der Gasdruck wurde auf 1,0 Pa festgelegt. Die Temperatur des Substrats wurde auf 200ºC festgelegt, und die an das SiO&sub2; Target 6 und das Au Target 7 angelegte Leistung betrugen 250 W bzw. 30 W.
  • Zuerst wurde ermöglicht, dass das Substrat 8 oberhalb des Au Targets 7 während 200 Sekunden ist, so dass Au Partikel darauf abgelagert werden, in Einem Argon-Gas. Dann wurde das Substrat 8 gedreht, um oberhalb des SiO&sub2; Targets 6 für 5 min zu bleiben, so dass SiO&sub2; darauf abgelagert wurde in einem Argon-Gas, welches 10% Sauerstoff enthält, um einen SiO&sub2; Film auszubilden. Demzufolge wurde die Verformungs-Widerstands-Schicht (die Schicht 3 mit der elektrisch isolierenden Substanz mit den darin dispergierten bzw. verteilten leitfähigen Partikeln 2) ausgebildet. Die Temperatur des Substrat-Halters 10 wurde in dem Bereich von Raumtemperatur bis 200ºC gehalten. Der resultierende SiO&sub2; Film mit darin dispergierten Au Partikeln wurde im Querschnitt beobachtet durch ein Transmissions-Elektronen- Mikroskop (TEM). Der durchschnittliche Durchmesser der Au Partikel betrug 5 nm. Der Durchmesser der Au Partikel ist größer, wenn sich die Dauer, wenn das Substrat 8 oberhalb des Au Targets bleibt, verlängert. Wenn die Dauer zum Beispiel 600 Sekunden überschreitet, verbinden bzw. schließen sich die Au Partikel benachbarten Au Partikeln an, und bilden einen porösen Au Film. Entsprechend müssen die Sputter-Bedingungen so eingestellt werden, dass der Durchmesser der Au Partikel nicht 50 nm überschreitet, um die Verformungs-Widerstands-Schicht auszubilden, welche verwendet wird für die vorliegende Erfindung.
  • Danach wurde das Paar der Elektroden 4 und 5 ausgebildet auf der so ausgebildeten Verformungs-Widerstands-Schicht durch Aufdampfung bzw. Ablagerung aus der Dampfphase. Insbesondere wurden die Teile des SiO&sub2; Filmes, wo die Elektroden ausgebildet werden sollen, weggeätzt mit einer Dicke von ungefähr 0,1 um unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäure, vor der Ausbildung der Elektroden. Dann wurde Chrom (Cr) aus der Dampfphase abgelagert bzw. aufgedampft mit einer Dicke von 50 nm und dann wurde Au aufgedampft mit einer Dicke von 0,1 um, um so die Elektroden 4 und 5 auszubilden. Die Breite einer jeden Elektrode betrug 3 mm, und der Abstand zwischen den Elektroden war 0,5 mm. So wurde das Verformungs-Widerstands-Element, wie in Fig. 3 gezeigt, vervollständigt.
  • Ein anderes Verfahren zur Elektroden-Ausbildung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5C beschrieben werden. Zuerst wird, wie in Fig. 5A gezeigt, die Verformungs-Widerstands-Schicht auf dem Substrat 1 in der oben beschriebenen Art ausgebildet. Dann werden, wie in Fig. 5B gezeigt, ein Paar von V-förmigen Rillen ausgebildet durch die Verformungs- Widerstands-Schicht, um das Substrat 1 zu erreichen. Danach, wie in Fig. 5C gezeigt, werden die Elektroden 4 und 5 in den V-förmigen Rillen ausgebildet. Die V-förmigen Rillen erhöhen effektiv die Flächen der Elektroden, welche elektrisch im Kontakt mit den leitfähigen Partikeln sind. Dies stellt einen stabilen Kontakt zwischen den Elektroden und den leitfähigen Partikeln sicher. Diese Ausbildung der V-förmigen Elektroden ist insbesondere effektiv, wenn die leitfähigen Partikel dispergiert sind, um Schichten auszubilden.
  • Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen der Verformung und dem Widerstand, gemessen durch das Verformungs-Widerstands-Element. Es wird aus Fig. 6 gesehen, dass die Widerstands-Veränderungs-Rate (Empfindlichkeitsfaktor bzw. Dehnungsfaktor) für eine Einheits-Verformung 15 beträgt. Dies belegt, dass das Verformungs-Widerstands-Element dieses Beispiels fast 10-mal so empfindlich ist wie das herkömmliche Element, welches einen Metall- Dünnfilm verwendet. Das Verformungs-Widerstands-Element der vorliegenden Erfindung kann einen Empfindlichkeitsfaktor bzw. Dehnfaktor von 5 bis 80 zur Verfügung stellen. Es wird auch herausgefunden, dass das Verformungs-Widerstands-Element der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Temperatur-Widerstands-Kennlinie von 10 ppm/ºC in dem Temperaturbereich von -40ºC bis 200ºC hat. In Fig. 6 ist die Veränderung des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden aufgrund der Verformung gezeigt. Jedoch wurde herausgefunden, dass die Amplitude bzw. Größe der Verformung auch detektiert werden kann durch das Detektieren einer Veränderung der Kapazität.
  • In der obigen Ausführungsform wurde die Verformungs-Widerstands-Schicht hergestellt durch das einmalige Sputtern eines jeden, des Metall-Targets und des Isolator-Targets. Alternativ kann eine Verformungs-Widerstands-Schicht hergestellt werden durch das ungefähr 300-fache Wiederholen des Prozesses, wobei das Substrat 8 zum Beispiel oberhalb des Metall-Targets für 5 Sekunden und dann oberhalb des Isolator-Targets für 10 Sekunden angeordnet ist. Die resultierende Verformungs-Widerstands-Schicht hat Schichten von leitfähigen Partikeln mit gleichförmigen Durchmessern und kann einen präzisen Widerstand zur Verfügung stellen.
  • Alternativ kann das Substrat 8 oberhalb einer Position zwischen den Targets 6 und 7 angeordnet sein, um so das Sputtern des Metalls und des Isolators gleichzeitig zu empfangen.
  • Ein oder mehr Metalle, wie zum Beispiel Aluminium (Al), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Gallium (Ga), Palladium (Pd), Silber (Ag), Indium (In), Zinn (Sn), Platin (Pt) und Blei (Pb) können verwendet werden anstelle von Au, um eine Verformungs-Widerstands-Schicht zu erhalten mit darin dispergierten leitfähigen Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 50 nm.
  • Alternativ kann jedes der leitfähigen Partikel mit einer dünnen isolierenden Schicht (Dicke: 5 nm oder weniger) bedeckt sein. Zum Beispiel kann jedes der Al Partikel bedeckt sein mit einer AlxOy Schicht mit einer Dicke von 1 nm, um so eine Verformungs-Widerstands-Schicht zu erhalten, welche es erlaubt, dass ein Tunnel-Strom hindurchfließt. In diesem Fall können die Partikel in Kontakt miteinander sein über die dünne AlxOy Schicht. Der Tunnel-Strom fließt durch die dünnen AlxOy Schichten. Eine solche dünne Isolations- Schicht, welche jedes der leitfähigen Partikel bedeckt, zum Beispiel die AlxOy Schicht, kann ausgebildet werden durch eine Hitze-Behandlung, welche durchgeführt wird nach der Dispersion der leitfähigen Partikel in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz. Die Wärmebehandlung ermöglicht es, dass jedes der leitfähigen Partikel mit der elektrisch isolierendend Substanz reagiert, und ein dünner isolierender Film ausgebildet wird, welcher das leitfähige Partikel bedeckt. Dann wird das leitfähige Partikel nicht mit der elektrisch isolierenden Substanz reagieren und demzufolge können stabile Kennlinien mit einer verringerten Veränderung über die Zeit erhalten werden.
  • In der obigen Ausführungsform wurde SiO&sub2; verwendet als die elektrisch isolierende Substanz. Materialien wie zum Beispiel Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Aluminiumnitrid (AlN), Titanoxid (TiO&sub2;) und Hafniumoxid (HfO&sub2;) können auch anstelle von SiO&sub2; verwendet werden, um so eine Verformungs-Widerstands-Schicht mit einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit herzustellen. Diese elektrisch isolierenden Substanzen können hergestellt werden durch das Sputtern des Oxids und des Nitrids. Diese können auch hergestellt werden durch das Sputtern eines Halbleiter-Materials, wie zum Beispiel Silizium und Aluminium und eines Metall-Materials in einer Atmosphäre, welche Sauerstoff und Stickstoff enthält.
  • Wenn ein Oxid als die elektrisch isolierende Substanz verwendet wird, sind die leitfähigen Partikel vorzugsweise hergestellt aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Au, Ag, Cu, Pt und Pd. Mit dieser Kombination kann ein außergewöhnlich stabiles resultierendes Element hergestellt werden. Der Grund liegt darin, dass die Grenzfläche zwischen den obigen Metallen und dem Oxid scharf und stabil ist.
  • Als eine alternative Struktur des Verformungs-Widerstands-Elements kann mindestens ein Paar von Elektroden zuerst ausgebildet werden auf dem elektrisch isolierenden Substrat, vor der Ausbildung der oben beschriebenen Verformungs-Widerstands-Schicht. Dies stellt eine stabile elektrische Verbindung zwischen den Elektroden und den leitfähigen Partikeln sicher, und ein resulierendes Element, dessen Eigenschaften bzw. Kennlinien und Qualität aufrechterhalten werden kann über einen langen Zeitraum, wird erhalten. Die Verformungs-Widerstands-Schicht kann weiter mit einer anderen Schicht einer elektrisch isolierenden Substanz bedeckt werden, wodurch die Stabilität weiter erhöht wird und eine Qualitäts-Verschlechterung wird verhindert, selbst in einer ätzenden bzw. korrosiven Atmosphäre.
  • Silica-Glas wurde als das Substrat-Material verwendet. Jedoch können andere Materialien, wie zum Beispiel eine Oberflächen-polierte Platte aus rostfreiem Stahl, eine mit Glas überzogene bzw. beschichtete Eisen-Platte und eine keramische Platte auch verwendet werden, unabhängig davon, ob diese leitfähig sind oder nicht. Wenn ein Material mit einem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel ein Metall, für das Substrat verwendet wird, ist die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes groß, weil der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln groß wird aufgrund der Wärmeausdehnung des Substrats, was den Widerstand erhöht. Dieser Effekt kann verwendet werden, um einen hoch empfindlichen Temperatursensor herzustellen.
  • Bei den Verformungs-Widerstands-Schichten, welche aus den obigen Materialien hergestellt wurden, können die Hysterese und die Veränderung über die Zeit der Verformungs-Widerstands-Kennlinien durch die Wärme- bzw. Hitzebehandlung reduziert werden. Eine geeignete Temperatur für die Wärmebehandlung war ein Fünftel bis drei Fünftel des Schmelzpunktes des verwendeten Metall-Materials. Es wird daran gedacht, dass die obigen Effekte der Wärmebehandlung erhalten werden, weil sich der Durchmesser der Partikel erhöht und gleichförmig gemacht wird, als auch die Verformungen und Defekte der leitfähigen Partikel-Kristalle entfernt werden. Wenn ein Nitrid-Material für die elektrisch isolierende Substanz verwendet wurde, war die Vergrößerung des Durchmessers der Partikel klein, jedoch wurden die Eigenschaften bzw. Kennlinien stabilisiert. In diesem Fall wurde der Durchmesser der Partikel kontrolliert bzw. eingestellt durch das Einstellen der Temperatur des Substrats während des Sputterns bzw. Zerstäubens.
  • Die Partikel wurden abgerundet durch das Erhöhen der Temperatur des Substrats während des Sputterns und durch die Wärmebehandlung. Die abgerundeten Partikel zeigten mehr hervorragende anfängliche Eigenschaften bzw. Kennlinien als die Partikel, welche Ecken hatten. Dies ist wahrscheinlich so, weil der Tunnel-Strom dazu neigt durch den Oberflächenzustand der Partikel beeinflusst zu werden. Die abgerundeten Partikel stellen stabile Oberflächen zur Verfügung und ermöglichen es, dass ein stabilier Tunnel-Strom dazwischen fließt.
  • Die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz mit den darin dispergierten leitfähigen Partikeln kann ausgebildet werden durch ein Sol-Gel-Verfahren anstelle des Sputterns. Zum Beispiel wird Salzsäure zu einer Mischung einer Silizium-Alkoxid-Lösung und einer wässrigen Gold-Chlorid-Säure-Lösung hinzugefügt. Die erhaltene Mischung wird bzw. ist hydrolysiert, wird dann bei dem Substrat angewandt und getrocknet. Danach wird die angewandte Mischung bei 700 bis 800ºC gesintert, um so eine Silica-Glas-Schicht zu erhalten, mit darin dispergierten Gold-Partikeln.
  • Eine Vielzahl von Sensoren für die dynamische Quantität bzw. Größe kann hergestellt werden unter Verwendung des in dieser Ausführungsform erhaltenen Verformungs-Widerstands-Elements. Unter Verwendung eines Trägers als Basis kann eine Verzerrung aufgrund einer Verformung des Trägers leicht detektiert werden. Fig. 7 zeigt einen Sensor, welcher einen Träger als Basis verwendet. Der in Fig. 7 gezeigte Sensor umfasst einen Träger, Elemente, welche die beiden Seiten des Trägers tragen, eine Verformungs-Widerstands-Schicht, welche auf dem Träger ausgebildet ist und ein Paar von Elektroden, welche auf der Verformungs-Widerstands- Schicht ausgebildet sind. Wenn sich der Träger deformiert bzw. verformt durch das Empfangen einer äußeren Kraft (zum Beispiel Druck und Beschleunigung), entsteht eine Verformung in der Verformungs-Widerstands- Schicht. Die Verformung bewirkt, dass sich der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln in der Verformungs-Widerstands-Schicht verändert, und bewirkt wiederum, dass sich die Menge des Tunnel-Stromes verändert in Abhängigkeit von der Veränderung des Abstands zwischen den Partikeln. Die Menge der Verformung kann bestimmt werden durch das Vergleichen der Menge des Tunnel-Stromes mit derjenigen des Tunnel-Stroms, welche durch eine nicht gezeigte Referenz-Verformungs-Widerstands-Schicht fließt.
  • Ein Kragträger kann auch verwendet werden als die Basis, welche die Verformungs-Widerstands-Schicht trägt, anstelle des in Fig. 7 gezeigten Trägers.
    • Beispiel 1
  • In den zurückliegenden Jahren wurde ein Mikroskop für eine zwischenatomare bzw. zwischen Atomen auftretende Kraft entwickelt zum Beobachten der Oberfläche eines Festkörpers auf dem Niveau in der Größenordnung von Atomen. Ein solches Mikroskop für die zwischenatomare Kraft enthält einen Kragarm mit einer Länge von 100 bis 200 um, welcher mit einer Sonde versehen ist, um eine kleine Kraft zu detektieren. Eine Kraft, welche von einem Atom oder einem Molekül bei einer Oberfläche einer Probe empfangen wird, wenn die Spitze der Sonde in Kontakt mit der Oberfläche kommt, wird detektiert durch das Messen der Biegung bzw. Krümmung des Kragarmes durch ein optisches Hebel- Verfahren oder ein optisches Interferenz-Verfahren. Im Allgemeinen erhöht sich die Auflösung des Mikroskops für die zwischenatomare Kraft, wenn die Größe des Mikroskops verringert wird. Jedoch war die Verringerung der Größe des Mikroskops nicht erfolgreich, weil ein Detektions-Mechanismus, wie zum Beispiel ein optischer Hebel zum Detektieren der Krümmung des Kragarmes erforderlich ist. Des Weiteren werden Elemente, wie zum Beispiel eine Laserlichtquelle und eine Fotodiode, verwendet bei dem optischen Hebel-Verfahren und dem optischen Interferenz-Verfahren, bei einer Umgebung mit hoher Temperatur zerstört, wenn das Mikroskop für die zwischenatomare Kraft unter Vakuum verwendet wird. Dies verhindert es, dass die Brenn-Temperatur einer Kammer auf eine hohe Temperatur erhöht wird, und demzufolge benötigt es eine lange Zeit, um das ultra-hoch Vakuum zu erreichen.
  • Um die obigen Probleme zu überwinden, wurde ein Mikroskop für eine zwischenatomare Kraft entwickelt, welches keinen Mechanismus für eine Krümmungs-Detektion enthält, welcher außerhalb ausgebildet ist. Stattdessen ist ein Silizium-Dünnfilm, dessen Widerstand verringert ist durch Dotierung, auf dem Kragarm ausgebildet, und die Veränderung des Widerstands des Dünnfilmes aufgrund der Krümmung des Kragarmes kann gemessen werden unter Verwendung des Piezo-Widerstands-Effekts, um so die Krümmung des Kragarms zu detektieren.
  • Der obige Kragarm wird auch angewendet bei einem Beschleunigungssensor, welcher verwendet wird für Autos, etc., einem Ultraschall-Sensor und ähnliches. Bei diesen Anwendungen kann die Krümmung des Kragarmes auch detektiert werden unter Verwendung eines dotierten Silizium-Dünnfilms und eines piezoelektrischen Dünnfilms (japanische Patentoffenlegungsschriften mit den Nummern 4-164373 und 59- 57595).
  • Jedoch hat das Krümmungs-Detektions-Verfahren, welches den Piezowiderstands-Effekt eines Halbleiter-Dünnfilms, hergestellt aus Silizium und dergleichen verwendet ein Problem: Weil die Temperaturabhängigkeit des Dünnfilmes groß ist, kann der erhaltene Sensor nicht bei solchen Bedingungen verwendet werden, wenn sich die Temperatur stark verändert. Das Krümmungs-Detektionsverfahren, welches einen piezoelektrischen Dünnfilm verwendet, hat auch ein anderes Problem: Obwohl eine dynamische Krümmung, wie zum Beispiel eine Ultraschall-Vibration bzw. - Schwingung, mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden kann, kann eine statische Krümmung nicht detektiert werden.
  • Durch die Verwendung der Verformungs-Widerstands-Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung, beschrieben in der obigen Ausführungsform, kann ein Kragarm mit hervorragenden Eigenschaften geschaffen werden, welcher eingesetzt werden kann bei Mikroskopen für zwischenatomare Kräfte, Beschleunigungssensoren, Ultraschall-Sensoren und ähnliches.
  • Hiernach wird ein Beispiel des Kragarmes, welcher ein Verformungs- Widerstands-Element verwendet gemäß der vorliegenden Erfindung, beschrieben werden.
  • Fig. 8 zeigt schematisch eine Perspektivansicht eines Kragarmes 23 dieses Beispiels. Ein Ende des Kragarmes 23, zusammengesetzt aus einem Dünnfilm, ist an einem Glas-Substrat 24 befestigt. Ein Paar der Elektroden 25 sind ausgebildet auf dem Ende des Kragarmes 23, befestigt an dem Glas- Substrat 24. Der Kragarm 23 hat eine Mehrschicht-Struktur einschließlich eines 0,8 um dicken Si&sub3;N&sub4; Dünnfilmes 21 und einer Verformungs- Widerstands-Schicht 22, zusammengesetzt aus einem 0,1 um dicken SiO&sub2; Dünnfilm mit darin dispergierten bzw. verteilten Au Partikeln. Die Länge des Dünnfilm-Kragarmes 23 beträgt 100 um. Eine Sonde 26, hergestellt aus dem gleichen Material wie dasjenige des Kragarmes 23, ist vorgesehen bei dem oberen Ende des Kragarmes 23.
  • Eine Krümmung des Kragarmes 23 kann detektiert werden durch Messen einer Veränderung des Widerstandes zwischen dem Paar der Elektroden 25. Der Widerstand verändert sich in Abhängigkeit von der Verformung der Verformungs-Widerstands-Schicht 22, verursacht durch die Krümmung des Kragarmes 23. Das Verhältnis zwischen der Verformung und dem Widerstand ist im Wesentlichen das gleiche wie dasjenige, welches in Fig. 6 gezeigt ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist die Veränderungsrate des Widerstandes (Eich- bzw. Maßfaktor) für eine Einheits-Verformung 15, was angibt, dass die Verformung mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Es wird auch herausgefunden, dass der resultierende Kragarm eine hervorragende Temperatur-Widerstands-Kennlinie von 10 ppm/ºC in dem Temperaturbereich von -40ºC bis 200ºC hat. Die Größe der Krümmung kann auch mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden durch das Detektieren einer Veränderung der Kapazität aufgrund der Verformung.
  • Der Dünnfilm-Kragarm 23 wurde eingebaut in einem Mikroskop für zwischenatomare Kraft. Die Krümmung des Kragarmes 23, welche in dem Moment entsteht, wenn die Sonde 26 eine Oberfläche einer Probe berührt hat, wurde detektiert durch das Messen des Widerstandes, und die Oberfläche der Probe wurde gescannt bzw. abgetastet, während die Position der Sonde auf der Probe kontrolliert bzw. gesteuert wurde, um einen festen Widerstand zu erhalten. Mit dieser Arbeitsweise wurde die Rauheit der Oberfläche der Probe beobachtet. Dieses Verfahren zum Detektieren einer Krümmung macht Elemente, wie zum Beispiel eine Laserlichtquelle und eine Fotodiode, überflüssig. Des Weiteren ist es möglich, in dem Fall der Mikroskopie der zwischenatomaren Kraft, durchgeführt unter ultra-hoch Vakuum, das ultra-hoch Vakuum in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum zu erreichen, weil die Kammer leicht gebrannt werden kann. Des Weiteren kann die Mikroskopie für zwischenatomare Kraft leicht durchgeführt werden bei einer niedrigen oder hohen Temperatur, weil der Kragarm hervorragende Temperatureigenschaften hat.
  • Jetzt bezugnehmend auf die Fig. 9A bis 9E wird das Verfahren zur Herstellung des Kragarmes 23 beschrieben werden.
  • Zuerst wurde, wie in Fig. 9A gezeigt, eine Ätz-Vertiefung 27 auf einer oberen Oberfläche eines einkristallinen Si Substrats 28 durch anisotropes Ätzen ausgebildet. Die Größe der Ätz-Vertiefung 27 war zum Beispiel ungemäß 5 um · 5 um mit einer Tiefe von ungefähr 3 um. Cr und Au wurden sequentiell aus der Dampfphase abgelagert bzw. aufgedampft auf das Si Substrat 28 in dieser Reihenfolge mit den Dicken 50 nm bzw. 500 nm, um so die Ätz-Vertiefung 27 abzudecken und dann geätzt durch Fotolithografie, um das Paar der Elektroden 25 auszubilden. Die Breite von jeder der Elektroden 25 betrug 3 mm und der Abstand zwischen den Elektroden 25 betrug 20 um.
  • Danach wurden Au Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 5 nm abgelagert auf dem Si Substrat 28, und nachfolgend wurde SiO&sub2; abgelagert mit einer Dicke von 0,1 um unter Verwendung der gleichen Sputter-Vorrichtung durch ein anderes Sputter-Verfahren, um so die Verformungs-Widerstands-Schicht 22 auszubilden. Dann wurde, wie in Fig. 9B gezeigt, Si&sub3;N&sub4; abgelagert auf der so ausgebildeten Verformungs- Widerstands-Schicht 22 mit einer Dicke von 0,8 um durch CVD, um den Si&sub3;N&sub4; Dünnfilm 21 auszubilden.
  • Dann wurden, wie in Fig. 9C gezeigt, der Si&sub3;N&sub4; Dünnfilm 21 und die Verformungs-Widerstands-Schicht 22 gemustert bzw. strukturiert mit der Form des Kragarmes 23 durch Fotolithografie. Danach, wie in Fig. 9D gezeigt, wurde ein Teil des Glas-Substrates 33 anodisch bzw. elektrolytisch verbunden mit den festliegenden Teilen des Kragarmes 23. Das Si Substrat 28 wurde dann entfernt durch Ätzen, wie in Fig. 9E gezeigt, um so den Dünnfilm-Kragarm 23 zu vervollständigen. Durch das Ausbilden der Ätz- Vertiefung 27 auf der Oberfläche des Si Substrats 28 ist der Kragarm 23 mit der integral ausgebildeten Sonde 26 versehen.
  • Bei Beispiel 1 wurde der Kragarm für das Mikroskop für die zwischenatomare Kraft beschrieben. Kragarme mit der im Wesentlichen gleichen Struktur können auch eine Beschleunigung und eine Ultraschallwelle mit einer hohen Empfindlichkeit detektieren. Die Sonde wird nicht benötigt für das Detektieren der Beschleunigung und der Ultraschallwelle. Jedoch kann das Verfahren zum Versehen des Kragarmes mit der oben beschriebenen Sonde (d. h. das Ausbilden der Ätz-Vertiefung auf dem Si Substrat) verwendet werden, um ein Gewicht auf einem Kragarm für einen Ultraschallsensor auszubilden. Das Gewicht kann verwendet werden zum Einstellen der Resonanzfrequenz des Kragarmes, was insbesondere für den Ultraschallsensor wichtig ist.
  • In Beispiel 1 wurden Au Partikel als die leitfähigen Partikel verwendet. Jedoch kann jedes leitfähige Material auch als die leitfähigen Partikel verwendet werden. Insbesondere wird es bevorzugt, Materialien zu verwenden, welche thermisch und chemisch stabil sind, wie zum Beispiel Edelmetalle. Zum Beispiel kann mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Gallium (Ga), Palladium (Pd), Silber (Ag), Indium (In), Zinn (Sn), Platin (Pt) und Blei (Pb) verwendet werden. Wenn der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln 5 nm oder weniger ist, ist die Veränderungsrate des Widerstandes in Abhängigkeit von der Biegung bzw. Krümmung groß, was die Detektions-Genauigkeit der Krümmung verbessert. Der Durchmesser der leitfähigen Partikel ist vorzugsweise 1 bis 50 nm vom Standpunkt der Herstellung und um die Partikel vergleichsweise gleichförmig mit dem Abstand zwischen den Partikel in der Größenordnung von nm zu verteilen. Im Grunde ist es wichtigt, dass der Abstand groß genug sein sollte, dass ein Tunnelstrom dazwischen fließt. Natürlich müssen nicht alle Partikel entfernt sein von allen benachbarten Partikeln mit einem Abstand, um es zu ermöglichen, dass der Tunnel-Strom dazwischen fließt. Kein Problem entsteht, wenn einige Partikel mit anderen Partikeln kurzgeschlossen sind. Kurz gesagt ist es ausreichend, einen Teil irgendwo zwischen dem Paar der Elektroden zu haben, wo kein Strom außer des Tunnel-Stromes hindurchfließen wird. Die volumetrische Belegung bzw. Besetzung der leitfähigen Partikel in dem Teil der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz, wo der Strom tatsächlich fließt, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 15 bis 70%. Innerhalb dieses Bereiches kann ein besonders empfindliches Verformungs-Widerstands-Element erhalten werden.
  • Leitfähige Partikel, welche einen Durchmesser von 1 bis 50 nm haben, wurden auch erhalten unter Verwendung von mindestens einem von Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Pd, Ag, In, Sn, Pt und Pb anstelle der Au Partikel.
  • Alle Materialien mit einer Leitfähigkeit, welche niedrig genug ist, um eine Veränderung des Tunnel-Stromes zu detektieren, wie zum Beispiel Oxide, Nitride, und organische Materialien, können als die elektrisch isolierenden Materialien verwendet werden.
  • Wenn die leitfähigen Partikel mit der elektrisch isolierenden Substanz bedeckt sind, sollten die Elektroden so ausgebildet werden, um im Kontakt mit den leitfähigen Partikeln zu sein, durch Entfernen der elektrisch isolierenden Substanz, welche die Partikel abdeckt.
  • In Beispiel 1 wurde die Verformungs-Widerstands-Schicht 22, zusammengesetzt aus dem SiO&sub2; Film mit den darin dispergierten Au Partikeln, erhalten durch ein einmaliges Sputtern bzw. Zerstäuben von Au und SiO&sub2;. Alternativ kann eine Verformungs-Widerstands-Schicht, hergestellt aus einer elektrisch isolierenden Substanz mit Schichten von leitfähigen Partikeln mit gleichförmigen Durchmessern hergestellt werden, zum Beispiel durch mehrfaches Sputtern von Au und SiO&sub2;. Zu diesem Zeitpunkt wird jeder SiO&sub2; Film dünn gemacht. Demzufolge kann ein Kragarm, welcher in der Lage ist, den Widerstand mit hoher Genauigkeit zu detektieren, hergestellt werden. Die Verformungs-Widerstands-Schicht kann auch hergestellt werden durch gleichzeitig Sputtern des Metalls und des Isolators.
  • In Beispiel 1 wurde SiO&sub2; als die elektrisch isolierende Substanz verwendet. Stattdessen kann eine Substanz verwendet werden, welche als einen Hauptbestandteil mindestens ein Metall hat, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden des Siliziums (Si), Aluminiums (Al), Titans (Ti) und Hafniums (Hf) und Nitriden des Siliziums (Si) und Aluminiums (Al). Wenn Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, AlN, TiO&sub2; und HfO&sub2; verwendet werden als die elektrisch isolierende Substanz, kann eine Verformungs-Widerstands-Schicht mit einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit erhalten werden. Diese elektrisch isolierenden Substanzen können hergestellt werden durch Sputtern des Oxids und des Nitrids. Diese können auch hergestellt werden durch Sputtern eines Halbleitermaterials, wie zum Beispiel Si und Al und eines Metall- Materials in einer Atmosphäre, welche Sauerstoff und Stickstoff enthält.
  • Wenn ein Oxid oder ein Nitrid verwendet wird als die elektrisch isolierende Substanz, werden die leitfähigen Partikel vorzugsweise hergestellt aus mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Au, Ag, Cu, Pt und Pd. Mit dieser Kombination kann die Verformungs- Widerstands-Schicht 22 mit einer hervorragenden Stabilität hergestellt werden. Der Grund liegt darin, dass die Grenzfläche zwischen den obigen Metallen und einem Oxid oder einem Nitrid scharf und stabil ist.
  • Das Paar der Elektroden kann auch so ausgebildet werden, um die Verformungs-Widerstands-Schicht zu umgeben. Mit dieser Struktur wird eine stabile elektrische Verbindung zwischen den Elektroden und den leitfähigen Partikeln sichergestellt.
  • In Beispiel 1 wurde die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz ausgebildet über der gesamten oberen Oberfläche des Kragarmes. Jedoch kann die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz ausgebildet werden nur auf dem Teil der oberen Oberfläche des Kragarmes, wo eine Krümmung auftritt. Die Empfindlichkeit erhöhte sich durch das Ausbilden der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz nahe dem befestigten Teil des Kragarmes, wo die Krümmung am höchsten ist.
  • Eiei den Verformungs-Widerstands-Schichten, welche aus den obigen Materialien hergestellt wurden, kann die Hysterese und die Veränderung über die Zeit der Verformungs-Widerstands-Kennlinien durch eine Wärmebehandlung verringert werden. Eine geeignete Temperatur für die Wärmebehandlung war ein Fünftel bis drei Fünftel des Schmelzpunktes des verwendeten Metall-Materials. Es wird in Betracht gezogen, dass die obigen Effekte der Wärmebehandlung erhalten werden, weil der Durchmesser der Partikel ansteigt und gleichmäßig gemacht wird, sowie die Verformungen bzw. Verzerrungen und Defekte in den Kristallen der leitfähigen Partikel entfernt sind. Wenn ein Nitrid-Material verwendet wurde für die elektrisch isolierende Substanz, war die Vergrößerung des Durchmessers der Partikel klein, jedoch wurden die Eigenschaften bzw. Kennlinien stabilisiert. In diesem 1 = all wird der Durchmesser der Partikel durch die Temperatur des Substrats während des Sputterns kontrolliert bzw. eingestellt.
  • Der Träger für den Kragarm, d. h. der Si&sub3;N&sub4; Dünnfilm wurde ausgebildet nach der Ausbildung der Verformungs-Widerstands-Schicht, zusammengesetzt aus der elektrisch isolierenden Substanz mit den darin dispergierten leitfähigen Partikeln. Jedoch kann die Verformungs-Widerstands-Schicht ausgebildet werden auf dem Träger durch Sputtern und ähnliches nach der Ausbildung des Trägers.
    • Beispiel 2
  • Herkömmlich wurde ein mechanisches Gyroskop bzw. ein mechanischer Kreisel verwendet als eine Trägheits-Navigations-Vorrichtung für Flugzeuge, Schiffe und ähnliches. Der Kreisel ist sehr präzise, jedoch groß und teuer.
  • Entsprechend werden für elektrische Anwendungen zuhause und Autos Winkelgeschwindigkeitssensoren des Vibrations-Typs mit einer Stimmgabel- Form und einer Dreiecks-Pol-Form verwendet.
  • Ein herkömmlicher Winkelgeschwindigkeitssensor eines Vibrations-Typs ist beschrieben in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-264282, welche die Stimmgabel-Form hat, wo eine Vibrations- bzw. Schwingungs- Einheit, zusammengesetzt aus einem Ansteuerelement und einem Detektions-Element, gekoppelt, um einander mit rechten Winkeln zu überkreuzen, gekoppelt ist mit einer Einheit, zusammengesetzt aus einem Überwachungselement und einem anderen Detektionselement über einen Kopplungs-Block.
  • Wenn eine Spannung angelegt wird an das Ansteuerelement, um eine Schwingung zu verursachen, schwingt das Überwachungselement über den Kopplungs-Block und die gesamte Stimmgabel-Struktur schwingt mit. Die Ansteuerspannung wird gesteuert bzw. geregelt durch das Überwachen der Amplitude und der Phase der Schwingung des Überwachungs-Elements, um so die Ansteuer-Schwingung zu stabilisieren. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω erzeugt wird in der Richtung der Sensor-Achse, tritt eine Coriolis-Kraft Fc auf in einer Richtung vertikal zu den Richtungen der Schwingung des Detektions-Elements. Weil das Paar der Detektions- Elemente schwingt in entgegengesetzten Richtungen in Bezug aufeinander, verformen sich diese in entgegengesetzte Richtungen durch die Coriolis- Kraft, was bewirkt, dass elektrische Ladungen erzeugt werden auf den Oberflächen aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Die Winkelgeschwindigkeit kann detektiert werden durch das Messen der elektrischen Ladungen.
  • Bei den herkömmlichen Sensoren weicht jedoch die Resonanz-Frequenz ab oder die Dämpfungseigenschaft bzw. -Kennlinie verändert sich, außer wenn piezoelektrische Elemente zum Ansteuern, Überwachen und zur Detektion mit hoher Präzision bearbeitet und zusammengesetzt werden. Entsprechend kann die Winkelgeschwindigkeit nicht mit einer hohen Empfindlichkeit detektiert werden. Des Weiteren ist es schwierig, die Größe und die Kosten des resultierenden Sensors zu verringern, weil der Sensor ausgebildet wird durch das Zusammensetzen einer Mehrzahl von Komponenten.
  • Fig. 10 ist eine Perspektivansicht eines Beispiel eines Winkelgeschwindigkeitssensors, welcher ein Verformungs-Widerstands- Element gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • Bezugnehmend auf Fig. 10 umfasst der Winkelgeschwindigkeits-Sensor einen befestigten Teil 33, einen Kragarm 34, welcher sich in einer Richtung 39 von dem befestigten Teil 33 erstreckt, ein piezoelektrisches Ansteuerelement 32 zum Schwingen des Kragarmes 34, und ein Substrat 31 zum Tragen dieser Komponenten. Der Kragarm 34 ist hergestellt aus Siliziumoxid und hat eine Größe von 250 um in der Länge, 25 um in der Breite und 5 um in der Dicke. Die Resonanzfrequenz des Kragarmes 34 beträgt 60 kHz. Der Kragarm 34 und der befestigte Teil 33 können leicht hergestellt werden aus einem Silizium-Wafer mit einem darauf ausgebildeten Oxid-Film, durch eine Halbleiter-Bearbeitungs-Technik. Der befestigte Teil 33 ist angeheftet bzw. angebracht an einer Elektrode 37 des piezoelektrischen Ansteuerelements 32 durch ein Haft- bzw. Klebemittel.
  • Das Substrat 31 kann hergestellt werden aus verschiedenen Materialien, wie zum Beispiel Glas, Metall und Harze in Abhängigkeit von der Verwendung des resultierenden Sensors. Das Substrat 31 kann verwendet werden als eine Elektrode gegenüberliegend der Elektrode 37 des piezoelektrischen Ansteuerelements 32, unter Verwendung eines leitfähigen Materials, wie zum Beispiel eines Metalls.
  • Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b sind auf dem Kragarm 34 ausgebildet. Das Verformungs-Widerstands-Element der vorliegenden Erfindung, welches vorher beschrieben wurde, wird verwendet als die Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b. Die Verformungs- Widerstands-Elemente 35a und 35b sind ausgebildet durch das Ausbilden einer 1 um dicken Verformungs-Widerstands-Schicht, zusammengesetzt aus Siliziumoxid mit darin dispergierten Gold-Partikeln, durch das abwechselnde Sputtern bzw. Zerstäuben von Gold und Siliziumoxid und das Ätzen der Verformungs-Widerstands-Schicht, um die in Fig. 10 gezeigte Form zu haben. Der obige Prozess bzw. das Verfahren kann durchgeführt werden vor der Ausbildung des Kragarmes 34. In einem solchen Fall wird der Siliziumoxidfilm zuerst ausgebildet auf einer Oberfläche des Siliziumwafers, und die Verformungs-Widerstands-Schicht wird auf dem Siliziumoxidfilm ausgebildet. Dann wird die Verformungs-Widerstands-Schicht strukturiert, um die Form des in Fig. 10 gezeigten Verformungs-Widerstands-Elements zu haben, auf der Fläche des Siliziumoxidfilms, welche der Kragarm 34 werden soll.
  • In diesem Beispiel wurden die Verformungs-Widerstands-Elemente so angeordnet, um sich in einer Richtung zu erstrecken, welche um ungefähr 300 geneigt ist von der Richtung 39 (Richtung der Länge) des Kragarmes 34. Die Neigung ist nicht auf 30º begrenzt, sondern jeder Winkel ist annehmbar, solange die Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b sich in Richtungen erstrecken, welche nicht parallel sind zu der Richtung 39. Die Größe der Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b beträgt 10 bis 100 um in der Länge und 3 bis 10 um in der Breite.
  • Gemäß dem in Fig. 10 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor expandiert bzw. dehnt sich eines der Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b und das andere kontrahiert bzw. zieht sich zusammen, wenn eine Torsions- Belastung um die Achse der Richtung 39 erzeugt wird. Die Verformungs- Widerstands-Elemente 35a und 35b sind elektrisch verbunden mit einer Aufnahme (drawing)-Elektrode 36c, hergestellt aus einem Metall-Dünnfilm bei den Enden davon, welche näher sind an dem freien Ende des Kragarmes 34, und diese sind verbunden mit Aufnahme-Elektroden 36a und 36b, hergestellt jeweils aus Metall-Dünnfilmen, bei den befestigten Enden davon. Diese Aufnahme-Elektroden 36a, 36b und 36c können ausgebildet werden aus Metall, wie zum Beispiel Gold, vor oder nach der Ausbildung der Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b. Als Verformungs- Widerstands-Elemente 35a und 35b wird es insbesondere bevorzugt das Verformungs-Widerstands-Element der vorher beschriebenen Ausführungsform zu verwenden, zusammengesetzt aus der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz mit einer Mehrzahl von darin dispergierten leitfähigen Partikeln, um eine hohe Empfindlichkeit zu erhalten.
  • Fig. 11 ist ein Schaltplan und zeigt die Verbindungen zwischen den Aufnahme-Elektroden 36a, 36b und 36c für die Verformungs-Widerstands- Elemente 35a und 35b und eine Detektions-Schaltung 43.
  • Wheatstone-Brücken sind ausgebildet zwischen den Verformungs- Widerstands-Elementen 35a und 35b und den Widerstandselementen 40a und 40b, welche im Wesentlichen die gleichen Widerstände haben wie diejenigen der Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b. Jedes der Widerstandselemente 40a und 40b kann ein Verformungs-Widerstands- Element sein und kann ausgebildet erden bzw. sein auf dem Oberflächen- Oxidfilm des befestigten Teiles 33, gleichzeitig mit der Ausbildung der Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b. Weil der befestigte Teil 33 keine Biegebelastung aufnimmt, verändert sich der Widerstand der Widerstands-Elemente 40a und 40b nicht, selbst wenn der Kragarm 34 vibriert bzw. schwingt. Durch die Verwendung des gleichen Materials für die Widerstandselemente 40a und 40b und die Verformungs-Widerstands- Elemente 35a und 35b werden die Veränderungen des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur für diese Elemente kompensiert. Entsprechend kann ein Winkelgeschwindigkeitssensor mit hervorragenden Temperatureigenschaften hergestellt werden. Eine elektrische Quelle 42 legt eine Spannung an zwischen die Aufnahmeelektrode 36c und eine Elektrode 41. Die Detektions-Schaltung 43 verstärkt und detektiert die Spannung zwischen den Elektroden 36a und 36b.
  • Die Arbeitsweise des Winkelgeschwindigkeitssensors mit der obigen Struktur wird beschrieben werden.
  • Eine Wechselstromspannung wird angelegt an das piezoelektrische Ansteuerelement 32, um den Kragarm 34 in einer Richtung 38 vertikal zu der Hauptebene des Kragarmes 34 zu vibrieren bzw. schwingen zu lassen. Die Widerstände der Verformungswiderstandselemente 35a und 35b steigen wiederholt an und fallen, in Abhängigkeit von der Vibration bzw. Schwingung, jedoch tritt keine Differenz auf zwischen den zwei Widerständen auf, wodurch eine geringe Spannung zwischen den Elektroden 36a und 36b erzeugt wird. Jedoch wird ein Winkelgeschwindigkeits-Vektor in die Richtung dler Länge 39 des Kragarmes 34 gerichtet, wenn eine Drehung um die Achse der Richtung 39 angelegt wird. Dies bewirkt die Erzeugung einer Coriolis- Kraft in einer Richtung vertikal zu der Drehachse (Richtung 39) und der Vibrations- bzw. Schwing-Richtung (Richtung 38), was von der Richtung der Schwingung des Kragarmes 34 abweicht. Als Ergebnis wird eine Torsionsbelastung in dem Kragarm 34 erzeugt, und eine Dehn- bzw. Expansionsbelastung wird angelegt an eines der Verformungs-Widerstands- Elemente 35a und 35b, während eine Kontraktionsbelastung an das andere angelegt wird. Dies erzeugt eine Differenz des Widerstandes zwischen den Verformungs-Widerstands-Elementen 35a und 35b und erzeugt eine Spannung zwischen den Verformungs-Widerstands-Elementen 35a und 35b. Diese Spannung wird verstärkt und detektiert durch die Detektions-Schaltung 43, um die Winkelgeschwindigkeit zu messen. Die Spannung wird auch verwendet, um die Richtung der Drehung zu detektieren, weil die Polarität der Spannung invertiert ist, in Abhängigkeit von der Richtung der Drehung.
  • Die Amplitude der Vibration bzw. Schwingung des Kragarmes 34 in der Richtung 38 kann detektiert werden durch Überwachen der Veränderung des Widerstandes von jedem der Verformungs-Widerstands-Elemente 35a und 35b. Insbesondere kann die Amplitude gleichförmig gehalten werden durch das Detektieren der Amplitude, durch das Überwachen der Spannung zwischen der Elektrode 36a und dem Knoten (Elektrode) 41 durch die Detektions-Schaltung 43, und das Steuern des piezoelektrischen Ansteuerelements 32 durch die Rückkopplung des detektierten Signals. Für die obige Überwachung kann auch ein drittes Verformungs-Widerstands- Element vorgesehen sein entlang der Länge des Kragarmes 34, um exklusiv bzw. ausschließlich verwendet zu werden für die Detektion der Amplitude der Vibration bzw. Schwingung des Kragarmes 34.
  • Es ist auch möglich, eine Schaltung für das piezoelektrische Ansteuerelement 32, eine Schaltung zum Verstärken und Detektieren einer Spannung, erzeugt zwischen den Elektroden 36a und 36b, eine Schaltung zum Überwachen der Amplitude der Vibration bzw. Schwingung des Kragarmes, eine Schaltung für die Rückkopplungs-Regelung des piezoelektrischen Ansteuerelements 32, und einen Widerstand für die Brücken-Schaltung in ein Siliziumsubstrat des befestigten Teiles 33 aufzunehmen. Dies macht die. Notwendigkeit der Herstellung eines Schaltteils, separat von dem Sensor-Teil und das Verbinden dieser Teile mit Verdrahtungen überflüssig. Dies verringert erheblich die Größe des resultierenden Sensors.
  • Bei dem obigen Beispiel wurde der rechtwinklige Kragarm, wie in Fig. 10 gezeigt, verwendet. Alternativ kann auch ein Kragarm, wie in Fig. 12 gezeigt, verwendet werden. Bei diesem Kragarm ist der Teil davon, wo die Verformungs-Widerstands-Elemente ausgebildet sind, verschmälert. Diese Form verringert die Ansprech- bzw. Reaktionsgeschwindigkeit, jedoch erhöht sich die Empfindlichkeit, weil die Torsionsbelastung, welche in der Richtung 39 wirkt, in diesem verschmälerten Teil konzentriert werden kann. Der gleiche Effekt wird auch erhalten durch Verdünnen des Teiles des Kragarmes, wo die Verformungs-Widerstands-Elemente ausgebildet sind.
  • Das Dünnfilm-Widerstandselement ist zusammengesetzt aus einem Isolator und hat darin dispergierte leitfähige Partikel und wurde verwandet als die Verformungs-Widerstands-Elemente. Alternativ können ein Halbleiter- Diffusions-Widerstands-Element, welches einen Halbleiter verwendet, wie zum Beispiel Silizium, dotiert mit Fremdatomen, ein Dünnfilm-Metall- Widerstands-Element, und ein Dünnfilm-Halbleiter-Widerstands-Element unter Verwendung von Germanium, amorphem Silizium und ähnlichem verwendet werden.
  • Wenn das Halbleiter-Diffusions-Widerstandselement verwendet wird, ist der Kragarm aus dem gleichen Halbleiter hergestellt. Durch das Einsetzen von Fremdatomen in den Oberflächenbereich des Kragarmes, hergestellt aus dem Halbleiter, können die Verformungs-Widerstands-Elemente leicht auf der Oberfläche des Kragarms ausgebildet werden. Der resultierende Sensor ist überlegen bezüglich der Empfindlichkeit, jedoch unterlegen bezüglich der Temperatur-Kennlinien. Das Dünnfilm-Metall-Widerstands-Element ist überlegen bezüglich der Temperaturkennlinien, jedoch unterlegen bezüglich der Empfindlichkeit. Das Halbleiter-Dünnfilm-Widerstandselement weist Eigenschaften auf, welche zwischen diesen der vorderen zwei liegen. Insgesamt ist das Dünnfilm-Widerstands-Element, zusammengesetzt aus einem Isolator mit darin dispergierten leitfähigen Partikeln am besten, was überlegen ist in beiden, den Temperatur-Kennlinien bzw. -Eigenschaften und der Empfindlichkeit und kann leicht hergestellt werden. Demzufolge kann ein Sensor mit einer hohen Stabilität mit einer guten Reproduzierbarkeit produziert werden. Wie bei den leitfähigen Partikeln zeigen Edelmetalle, wie zum Beispiel Gold, Platin, Silber und Kupfer besonders hervorragende Eigenschaften.
  • Der Siliziumoxidfilm wurde als der Kragarm in diesem Beispiel verwendet. Alternativ kann ein Kragarm hergestellt aus Silizium, produziert aus einem Silizium-Wafer durch Feinstbearbeitung bzw. Feinstzerspanung und ein Kragarm hergestellt aus Siliziumnitrid auch verwendet werden. Der Silizium- Kragarm ist dadurch vorteilhaft, dass die Verformungs-Widerstands- Elemente integral ausgebildet werden können durch das Einbringen von Borlonen und ähnliches in dem Oberflächenbereich des Kragarms. Der Siliziumnitrid-Kragarm kann einen Sensor herstellen, welcher eine hohe Bruchfestigkeit und eine hohe Stoßfestigkeit hat. Der Siliziumoxid-Kragarm dieses Beispiels kann einen Sensor herstellen bzw. erzeugen, welcher einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und ist überlegen, bezüglich der Hitzebeständigkeit und den Temperatureigenschaften. Insbesondere ist ein Sensor, zusammengesetzt aus dem Siliziumoxid-Kragarm und den Verformungs-Widerstands-Elementen, zusammengesetzt aus dem Siliziumoxid-Dünnfilm mit darin dispergierten leitfähigen Partikeln, hervorragend bezüglich der Hitzebeständigkeit und den Temperatureigenschaften, und demzufolge ist er am besten geeignet für Winkelgeschwindigkeits-Sensoren für Fahrzeuge, welche eine Langzeit- Zuverlässigkeit erfordern.
  • Demzufolge wird gemäß dem Sensor für die dynamische Größe bzw. Quantität der vorliegenden Erfindung die dynamische Größe bzw. Quantität, wie zum Beispiel eine Verformung, detektiert durch, das Messen eines Tunnelstromes, welcher fließt durch kleine Zwischenräume zwischen den leitfähigen Partikeln. Entsprechend ist die Empfindlichkeit des Sensors für die dynamische Quantität bzw. Größe hoch, und die Temperaturabhängigkeit der Verformung wird verringert. Des Weiteren ist der resultierende Sensor für die dynamische Quantität hervorragend bezüglich der Zuverlässigkeit und der Langzeit-Stabilität, weil Metall-Materialien und elektrisch isolierende Materialien, welche eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit haben, verwendet werden können. Der Sensor für die dynamische Quantität kann verarbeitet werden in eine Form eines Kragarmes oder angebracht werden an einem flexiblen bzw. biegbarem Harz-Substrat, um als ein Beschleunigungssensor, ein Erschütterungs- bzw. Stoß-Sensor, ein Drucksensor und ähnliches verwendet zu werden. Er kann auch verwendet werden als ein Temperatursensor, indem er angeordnet wird auf dem Teil eines großen Substrats mit einem großen Wärmeausdehnungskoeffizient, wo keine Verformung erzeugt wird.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Sensors für die dynamische Quantität der vorliegenden Erfindung können die Art des verwendeten Metalls, die Größe der leitfähigen Partikel, die Dichte der leitfähigen Partikel in der Verformungs-Widerstands-Schicht und der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln leicht kontrolliert bzw. eingestellt werden, und ein Sensor mit einer Verformungs-Widerstands-Schicht mit hervorragenden Eigenschaften bzw. Kennlinien kann mit einer guten Reproduzierbarkeit hergestellt werden.
  • Die Verformungs-Widerstands-Schicht, welche zusammengesetzt ist aus der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz mit den darin dispergierten leitfähigen Partikeln kann ausgebildet werden auf einer Träger-Basis, wie zum Beispiel einem Kragarm. Dann kann eine Krümmung des Trägers gemessen werden durch das Detektieren eines Tunnelstromes, welcher durch die kleinen Zwischenräume zwischen den leitfähigen Partikeln fließt. Demzufolge kann ein Kragarm mit einem Krümmungs-Mess-Teil, welcher Eine Krümmung des Kragarmes mit einer hohen Empfindlichkeit detektieren kann, hervorragende Temperatureigenschaften hat und stabil über einen langen Zeitraum arbeitet, realisiert werden.
  • Gemäß dem Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher ein Verformungs- Widerstands-Element der vorliegenden Erfindung verwendet, kann eine Halbleiter-Bearbeitungs-Technik verwendet werden, welche eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit erlaubt. Entsprechend kann ein sehr empfindlicher Winkelgeschwindigkeitssensor mit kleiner Größe und niedrigen Kosten hergestellt werden. Des Weiteren können eine Schaltung zum Verstärken und Detektieren einer kleinen Veränderung des Widerstands des Verformungs-Widerstands-Elements, eine Schaltung zur Überwachung der Amplitude der Vibration bzw. Schwingung des Kragarms, und ähnliches in den befestigen Teil des Sensors aufgenommen werden, weil der Kragarm ein Halbleitersubstrat umfasst, welches aus Silizium und ähnlichem hergestellt ist. Dies verringert weiter die Größe und das Gewicht des resultierenden Sensors.
  • Der Schutzbereich der Erfindung ist definiert durch die beiliegenden Ansprüche.

Claims (8)

1. Verformungs-Widerstands-Element mit einer Schicht (3) einer elektrisch isolierenden Substanz und mindestens einem Paar von Elektroden (4, 5), welche die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz kontaktieren, zum Detektieren einer Verformung, welche in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz entsteht, basierend auf einem Strom, welcher zwischen dem Paar der Elektroden fließt,
wobei eine Mehrzahl leitfähiger Partikel (2) dispergiert sind, um mindestens eine Schicht innerhalb der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz auszubilden, so dass ein Tunnel-Strom fließt, wenn eine Spannung angelegt wird an das mindestens eine Paar der Elektroden.
2. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der leitfähigen Partikel in dem Bereich von 1 bis 50 nm liegt.
3. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Partikel in Schichten in der Schicht der elektrisch isolierenden Substanz dispergiert bzw. verteilt sind.
4. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln 5 nm oder weniger ist.
5. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Partikel mindestens ein Metall aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium (Al), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Gallium (Ga), Palladium (Pd), Silber (Ag), Indium (In), Zinn (Sn), Platin (Pt), Gold (Au) und Blei (Pb).
6. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz aus einem Oxid hergestellt ist, und die leitfähigen Partikel weisen mindestens ein Metall auf ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt) und Palladium (Pd).
7. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz mindestens ein Material aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden von Silizium (Si), Aluminium (Al), Titan (Ti) und Hafnium (Hf) und Nitriden des Siliziums (Si) und Aluminiums (Al).
8. Verformungs-Widerstands-Element nach Anspruch 1, wobei die Schicht der elektrisch isolierenden Substanz und das Paar der Elektroden ausgebildet sind als eine Mehrzahl von gestapelten Schichten.
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