DE69705430T2

DE69705430T2 - Dünnfilmresonator mit nulltemperaturkoeffizient

Info

Publication number: DE69705430T2
Application number: DE69705430T
Authority: DE
Inventors: W. Burns; R. Herb; W. Youngner
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: JP2001507885A; EP0950282B1; CA2270070C; WO1998029943A1; DE69705430D1; US6557419B1; CA2270070A1; EP0950282A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft Sensoren und insbesondere Resonanzsensoren. Ganz besonders betrifft die Erfindung mikromechanische Sensoren mit einem zusammengesetzten oder aus mehreren Materialien bestehenden Resonanzmikrobalken mit einer Frequenz, die sich mit der Temperatur nicht verändert bzw. anders ausgedrückt einen Temperatur-Frequenz-Koeffizienten (TCF = temperature coefficient of frequency) von Null hat.
Bei mikromechanischen Sensoren im Stand der Technik werden Resonatoren eingesetzt, die aus einem einzigen Material hergestellt sind, wie etwa Quarz, einkristallines Silizium oder abgeschiedene Polysiliziumfilme. Bei den Resonatoren jedes dieser Ansätze verändert sich die Frequenz aufgrund von Änderungen der Dichte, der Elastizitätsmodule und anderer Parameter mit der Temperatur. Durch die vorliegende Erfindung werden diese Veränderungen mit einem aus mehreren Materialien bestehenden Resonator reduziert, der eine Frequenz-Temperatur-Empfindlichkeit von fast Null aufweist, die mit sehr hochpräzisen Resonatoren vergleichbar ist, wie etwa solchen aus gut geschnittenem Quarz.
Aus dem Artikel "Electrothermally Excited Silicon Beam Mechanical Resonator" von Othman et al., veröffentlicht in Electronics Letters, Band 23, Nr. 14, 2. Juli 1987 auf den Seiten 728-730, ist ein Resonator mit einem freitragenden Balken aus einkristallinem Silizium mit einer Beschichtung aus thermischem Oxid und einem Polysiliziumwiderstand zur Bereitstellung der Anregung und Erfassung des Balkens bekannt. Bei Othman et al. wird eine Temperaturabweichung des Youngschen Moduls verwendet, um den gewünschten Koeffizienten an dem freitragenden Resonatorbalken zu erhalten. Dieser Ansatz funktioniert an einem freitragenden Balken gut, aber nicht an einem festen Balken. Der hier offenbarte Ansatz mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten arbeitet gut für einen festen Balken, aber nicht für einen freitragenden Balken. Der Balken von Othman et al. ist ein Balken mit konstanter Frequenz, und der hier offenbarte Balken ist einer mit veränderlicher Frequenz.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine zusammengesetzte Resonanzmikrostruktur, die an jedem Ende fest gestützt ist, bei der ein zweites, anderes Material verwendet wird, so daß die Verschiebung der Frequenz mit der Bauelementtemperatur zugeschnitten werden kann. Die spezifischen Geometrien für diesen Resonator ist derart, daß die Verschiebung der Resonanzfrequenz mit der Temperatur so gut wie Null ist. Der zusammengesetzte Resonator besteht aus mindestens zwei abgeschiedenen Dünnfilmen. Einer der Filme ist Polysilizium, und der zweite Film ist aus einer Gruppe bestehend aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid. Bei dem, zusammengesetzten Dünnfilmresonator kann der zweite Materialfilm mittig angeordnet sein, um Biegebeanspruchungen auf dem zweiten Material auf ein Minimum zu reduzieren. Der zweite Materialfilm überquert möglicherweise einen Teil, aber nicht die ganze Länge und Breite des Resonators. Bei dem zusammengesetzten Dünnfilmresonator weist das zweite Filmmaterial eine vorgeschriebene Dicke auf, und die Fläche des zweiten Materialfilms wird zum Zuschneiden der Temperaturempfindlichkeit des Resonators eingestellt.
Der zusammengesetzte Dünnfilmresonator kann so ausgelegt sein, daß er in einem symmetrischen Modus arbeitet, wobei der zweite Materialfilm eine Fläche überquert, wo Schwingungen dahingehend minimal sind, daß die Temperaturempfindlichkeit des Resonators zugeschnitten werden kann und praktisch zum Verschwinden gebracht werden kann.
Ein mikromechanischer Sensor, in den ein oder mehrere Resonatoren integriert sind, mit integralen Vakuumhohlräumen über den Resonatoren, so daß die Verschiebung der Frequenz mit der Temperatur ebenfalls so zugeschnitten werden kann, daß sie Null ist.
Ein Sensor, der zwei oder mehr Resonatoren mit verschiedenen Längen enthält, um die Frequenzen der einzelnen Resonatoren zu trennen, wobei die Längen oder Breiten des zweiten Materialfilms nicht identisch sind, kann dennoch gestatten, daß die Temperaturempfindlichkeit der einzelnen Resonatoren zugeschnitten wird und auf Null eingestellt wird. Ein derartiger Sensor kann ein Drucksensor oder ein Beschleunigungsmeßgerät sein, das einen oder mehrere Resonatoren mit einem Temperatur-Frequenz-Koeffizienten enthält, der auf Null reduziert werden kann. Ein Verformungssensor kann gleichermaßen einen oder mehrere Resonatoren derart enthalten, daß der Temperatur- Frequenz-Koeffizient getrimmt und auf Null eingestellt werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt einen aus mehreren Materialien bestehenden Mikrobalken für einen mikrostrukturierten Resonanzbalkensensor.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Resonanzbalkens und seiner Stützstruktur.
Fig. 3 ist eine Kurve der Frequenzänderung relativ zu der Resonanzfrequenz pro Temperaturgrad relativ zu der Dicke der zweiten Materialschicht bei der Zusammensetzung eines Resonanzbalkens.
Fig. 4 zeigt einen aus mehreren Materialien bestehenden Resonanzbalken in einem mikromechanischen Sensor.
Fig. 5a und 5b zeigen einen Mikrobalkenresonator, der in einem symmetrischen Modus arbeiten kann, wobei in die Endgebiete ein zweites Material integriert ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt einen durch aufeinanderfolgende Abscheidungen aus einem Material 11 (z. B. Polysilizium) und einem Material 12 (z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumoxid) gebildeten Dünnfilmresonator 10 mit einem effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sich aus zwei einzelnen Materialien 11 und 12 zusammensetzt. Ein standardmäßiger Resonator (der aus einem Material 11 besteht) weist aufgrund von geringfügigen Veränderungen der Dichte, der Elastizitätsmodule und der Länge kleine Veränderungen der Frequenz mit der Temperatur auf. Durch die Hinzufügung eines zweiten Materials 12, das in dem Mikroresonator 10 vergraben ist oder an ihm angebracht ist, kann die effektive axiale Beanspruchung in dem zusammengesetzten Resonator 10 durch Temperaturveränderungen verändert werden, was durchaus mit der Einstellung der Spannung einer Gitarrensaite verglichen werden kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Polysilizium beträgt nominell 2,5 Teile pro Million (ppm) pro Grad Celsius (C.) der Temperatur, und für Siliziumnitrid beträgt er 1,5 ppm pro Grad C. Durch eine sorgfältige Auswahl der Filmdicken kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials verändert werden, und eine fast Null betragende Frequenzverschiebung bei Temperaturänderung kann erhalten werden. Ein in Fig. 1 gezeigter zusammengesetzer Mikrobalken 10 weist zusätzliches Material 12 auf, das mittig angeordnet ist, um die Biegebeanspruchungen in dem Material 12 auf ein Minimum zu reduzieren. Der Mikrobalken 10 wird in der Regel an den Punkten 13, wie in Fig. 2 gezeigt, doppelt gestützt, um große Frequenzverschiebungen relativ zu ausgeübten axialen Verformungen für Druck-, Beschleunigungs- und Verformungsmessungen mit einem guten Dynamikbereich zu erzielen.
Es sind mikromechanische Sensoren zum Messen von Druck, Beschleunigung und Verformung gezeigt worden, bei denen mit einer entsprechenden Siliziummikrostruktur gekoppelte Dünnfilmresonanzmikrobalken zum Einsatz kommen. Das Ausgangssignal derartiger Sensoren ist ein dem ausgeübten Reiz entsprechendes quasi digitales Frequenzsignal. Ein Resonanzmikrobalkendrucksensor beispielsweise weist einen oder mehrere auf einer Siliziummembran hergestellte Resonanzmikrobalken 10 auf, wobei Druckdifferenzen über die Membran hinweg in einer Ebene verlaufende Biegebeanspruchungen erzeugen, die Enden 13 des Resonators 10 ziehen 14 (oder schieben 15), was zu Verschiebungen der Resonanzfrequenz der Schwingung 16 des Mikrobalkens 10 führt. Die ausgegebenen Frequenzen können voneinander subtrahiert werden, was zu einer Auslöschung erster Ordnung von Effekten zweiter Ordnung wie etwa Verschiebungen mit der Temperatur führt. Diese Sensoren können jedoch aus der Fähigkeit einen Vorteil ziehen, daß die Eigentemperaturempfindlichkeit des Resonanzmikrobalkens insbesondere für sehr hochpräzise Anwendungen auf Null oder fast Null reduziert werden kann. Aus Quarz mit Alphaschnitt hergestellte Hochpräzisionssensoren beispielsweise weisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von fast Null auf und sind deshalb gegenüber Temperatureffekten viel weniger empfindlich. Es können komplizierte Algorithmen entwickelt werden, um die Temperatureffekte eines Sensors mit Resonanzmikrobalken 10 auszumodellieren, obwohl diese Algorithmen durch Reduzieren oder Eliminieren der Temperaturempfindlichkeit nennenswert minimiert werden können. Eine mittlere Leistung aufweisende Sensoren ohne Temperaturkorrekturfähigkeit würden verbessert werden, wenn die Eigentemperaturempfindlichkeit reduziert würde. Eine hohe Leistung aufweisende Sensoren würden durch Mikrobalken 10 mit einem niedrigen TCF oder einem TCF von Null dadurch weiter verbessert werden, daß die Genauigkeit reduziert wird, die für die zur Temperaturkompensation verwendete örtliche Temperaturmessung benötigt wird.
Bisher entwickelte mikromechanische Sensoren verwenden Resonatoren, die aus einem einzigen Material hergestellt sind, wie etwa Quarz, einkristallines Silizium oder abgeschiedene Polysiliziumfilme. Mehrere dieser Sensoren sind bekannt aus: US-Patent Nr. 4,744,863, erteilt am 17. Mai 1988, von den Erfindern Henry Guckel et al. und mit dem Titel "Sealed cavity Semiconductor Pressure Transducers and Method of Producing the Same", US-Patent Nr. 5,417,115, erteilt am 23. Mai 1995, von dem Erfinder David W. Burns und mit dem Titel "Dielectrically Isolated Resonant Microsensors", US-Patent Nr. 5,458,000, erteilt am 17. Oktober 1995, von den Erfindern David W. Burns et al. und mit dem Titel "Static Pressure Compensation of Resonant Integrated Microbeam Sensors", und US-Patent Nr. 5,511,427, erteilt am 30. April 1996, von dem Erfinder David W. Burns und mit dem Titel "Cantilevered Microbeam Temperature Sensor". Die Resonatoren dieses und eines anderen verwandten Stands der Technik weisen verschiedene Anregemechanismen auf, einschließlich einem piezoelektrischen Antrieb, optischen Antrieb, elektrostatischen Antrieb und magnetischen Antrieb. Zu den Empfindungsmechanismen zählen ein piezoelektrisches Empfinden, ein piezoresistives Empfinden, ein kapazitives Empfinden, ein optisches Empfinden, ein magnetisches Empfinden und ein FET-Empfinden. Bei den Resonatoren dieser Ansätze verändert sich die Frequenz mit der Temperatur aufgrund von Änderungen der Dichte, der Elastizitätsmodule, der Poisson-Zahl, der inneren Verformung und der inkrementalen Länge. Die Polysiliziumresonatoren weisen integrale Vakuumhohlräume auf, und bei ihnen können zusätzliche Passivierungsschichten verschiedener Materialien bei dem Sensoraufbau zum Einsatz kommen. Die Temperatureffekte dieser zusätzlichen Schichten und Materialien sowie einer etwaigen, durch das Gehäuse induzierten thermischen Beanspruchung, können durch weitere Änderungen der medialen Nitridschichtdicke in dem Resonatormikrobalken 10 auf Null gebracht werden. Die Polysiliziumresonatoren weisen von Natur aus eine sehr geringe Temperaturempfindlichkeit von etwa -40 ppm pro Grad C. auf, was hauptsächlich aus geringfügigen Dichteänderungen und kleinen Elastizitätsmoduländerungen mit der Temperatur herrührt. Die hier offenbarte Erfindung fügt jedoch ein Merkmal hinzu, um diese Temperaturempfindlichkeit auf unter 2 ppm/Grad C. zu reduzieren, was dem eines wohlgeschnittenen Quarzes vergleichbar ist und so ausgelegt werden kann, daß Passivierungsschichten, die Mikrostrukturkonfiguration und die Verkapselung des Sensors betreffende thermische Beanspruchungen berücksichtigt werden. Fig. 4 zeigt eine Polysiliziumresonator 24, in den die vorliegende mediale Siliziumnitridschicht 12 im Balken 10 integriert ist, der in einem integralen Vakuumhohlraum 19 gezeigt ist. Der Hohlraum 19 ist mit einer Polysiliziumabdeckung oder -hülle 25 ausgebildet, die auf einem Siliziumsubstrat 26 ausgebildet ist.
In Fig. 3 ist die normierte Frequenzverschiebung mit der Temperatur oder die Variation der Frequenz-zu-Temperatur-Empfindlichkeit als Funktion der Siliziumnitriddicke für einen zwei Mikrometer dicken und 200 Mikrometer langen Polysiliziumresonatorbalken 10 gezeigt. Fig. 3 ist eine Kurve der Änderung der Frequenz relativ zu der Resonanzfrequenz (Δf/f) in ppm pro Grad C. relativ zu der Dicke in Ångström der zweiten Materialschicht 12 (d. h. Siliziumnitrid) in der Zusammensetzung des Resonanzbalkens 10. Die in der Kurve angemerkte ideale Dicke liegt bei etwa 570 Ångström für eine zwischen zwei Polysiliziumschichten vergrabene Siliziumnitridschicht 12, um einen Resonatormikrobalken 10 mit einem TCF von Null zu erhalten. Das Nitrid kann als eine Schicht in der Mitte (d. h. neutrale Achse) des Mikrobalkens 10 ausgebildet sein, um die Effekte einer zyklischen Beanspruchung auf ein Minimum zu reduzieren, obwohl auch ein TCF von Null durch Abscheiden des Films 12 auf der Oberfläche des Resonatorbalkens 10 erhalten werden kann.
Bei dem hier beschriebenen Mikrobalken 10 mit einem TCF von Null (was gleich (1/f) * (δf/δT) ist), wird ein zweiter Dünnfilm 12 verwendet, der im Resonator 10 vergraben ist, um die Effekte der Temperatur auf die Resonanzfrequenz zu löschen. Dies wird nicht durch Aufheben des Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Films 11 erreicht, sondern indirekt durch Ändern der effektiven axialen Beanspruchung auf den Mikrobalken 10. Es ist durchaus bekannt, daß es zu großen Verschiebungen der Resonanzfrequenz des Mikrobalkens 10 kommt, wenn Enden 13 des Mikrobalkens 10 gedehnt oder zusammengedrückt sind, und diese stehen zu dem Quadrat des Verhältnisses aus Länge 17 zu Dicke 18 in Beziehung. Es ist außerdem bekannt, daß neben geometrischen und physikalischen Eigenschaften ein Hauptfaktor bei der Grundfrequenz die Restverformung oder Innenverformung im Mikrobalken 10 ist. Die Innenverformung kann eine Druckverformung oder Zugverformung sein, und beträchtliche Mengen an Druckverformung 15 können sogar den Mikrobalken 10 knicken und die Resonanzfrequenz auf Null verschieben. Durch die Integrierung eines zweiten Materialfilms 12 mit vorgeschriebener Dicke, Länge, Breite und Geometrie in Abhängigkeit von den Resonatorabmessungen können die Effekte von Verschiebungen der Dichte bzw. des Youngschen Moduls mit der Temperatur durch Verändern der effektiven Innenverformung im Mikrobalken 10 aufgehoben werden.
Das Konzept kann anhand der Gleichung unten beschrieben werden, die die Resonanzfrequenz f(T) des Balkens 10 zu der Länge 17 (L), der Dicke 18 (h), dem Youngschen Modul (E), der Dichte (ρ), der Innenverformung (&epsi;&sub0;) und Zahlenkonstanten in Beziehung setzt. Die Quadratwurzel des Youngschen Moduls dividiert durch die Dichte führt zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz mit der Temperatur von etwa -40 ppm/Grad C. für einen Polysiliziummikrobalken. Mit der Innenverformung kann der Resonator temperaturunempfindlich gemacht werden, indem bei dem Aufbau des Resonatorbalkens 10 ein zweiter Film 12 hinzugefügt wird. Dieser Ausdruck kann so gesetzt werden, daß die Verschiebung der physikalischen Konstanten aufgehoben wird, was zu einem Resonator 10 mit einem TCF von Null führt.
wobei die Verschiebung der Resonanzfrequenz um -40 ppm/Grad C. darstellt.
Eine Untersuchung der Gleichung (1) zeigt eine starke Abhängigkeit des Temperatureffekts der Resonanzfrequenz von der Länge 17 des Resonators 10. Bei Konfigurationen mit mehr als einem Mikrobalken 10, wie etwa einem Gegentakt-Resonanzmikrobalken- Drucksensor oder -Beschleunigungsmesser, wo eine Trennung der Resonanzfrequenzen erwünscht ist, um elektrische oder mechanische Kopplung auf ein Minimum zu reduzieren, kann dennoch eine mediale Schicht 12 mit einfacher Dicke verwendet werden, indem einfach die Länge reduziert oder die Breite der medialen Schicht verringert wird und nicht die volle. Entfernung 17 des Resonators 10 überspannt wird. Analog kann bei optischen Resonatordesigns, bei denen die Dicke der medialen Schicht 12 spezifiziert werden soll (d. h., um Reflexionen durch die Ausbildung einer Viertelwellenplatte zu minimieren), der TCF dadurch erhalten werden, daß die Fläche der medialen Schicht 12 reduziert wird.
In einem symmetrischen Modus arbeitende Resonatoren, wo alle Endmomente und -kräfte Null sind, werden dazu verwendet, den nachteiligen Effekt einer mechanischen Kopplung zwischen benachbarten Mikrobalken 10 auf ein Minimum zu reduzieren. Ein derartiger Resonator 20 ist in den Fig. 5a und 5b gezeigt. Der Resonator 20, der in vieler Weise einer doppelten Endezu-Ende-Stimmgabel ähnlich ist, arbeitet in einem symmetrischen Modus, wobei der oberen Balken 21 und der untere Balken 22 zueinander um 180 Grad außer Phase schwingen, d. h. der obere Balken 21 bewegt sich nach oben, während sich der untere Balken 22 nach unten bewegt, und umgekehrt, wodurch die Momente und resultierenden Kräfte an den Enden 13 der Mikrobalken aufgehoben werden. Ein Schaftgebiet 23, wo die beiden Mikrobalken 21 und 22 miteinander verbunden sind, enthält eine zugeschnittene Nitridgeometrie derart, daß ein TCF von Null erreicht werden kann. Das Schaftgebiet 23 befindet sich dort, wo der Mikrobalken 21 oder 22 wenig oder nicht schwingt. Die Erfindung mit einem TCF von Null kann auch in andere Konfigurationen eines Doppelebenen-Mikrobalkens 20 mit Varianten hinsichtlich der Stützzustände integriert werden. Verschiedene geometrische und Zusammensetzungskonfigurationen verschiedener Materialien in Einzel-oder Mehrfach- Resonanzbalkenstrukturen können hergestellt werden, um für die mikromechanische Resonanzsensorbaugruppe einen TCF von Null zu erzielen. Es kann eine Einzel-oder Mehrfach-Resonanzbalkenstruktur hergestellt werden, um für die mikromechanische Resonanzsensoranordnung einen TCF mit Null zu erzielen.

Claims

1. Dünnfilm-Mikrobalken (10), der folgendes umfaßt:

eine zusammengesetzte Mikrostruktur mit variabler Resonanzfrequenz, die an jedem Ende (13) an einem Substrat (26) fixiert ist, mit einem aus einem ersten Material bestehenden ersten Film (11) und einem auf dem ersten Film (12) ausgebildeten zweiten Film (12) aus einem zweiten Material; und

dadurch gekennzeichnet ist, daß:

das erste Material einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist;

das zweite Material einen von den ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedenen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und

die relativen Abmessungen des ersten (11) und zweiten (12) Films derart sind, daß sich eine Resonanzfrequenz des Mikrobalkens (10) effektiv mit der Temperatur nicht verändert.

2. Dünnfilm-Mikrobalken (10) nach Anspruch 1, bei dem:

das erste Material Polysilizium ist und

das zweite Material aus einer Gruppe aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid ist.

3. Dünnfilm-Mikrobalken (10) nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch einen dritten Dünnfilm aus dem ersten Material, der auf dem zweiten Dünnfilm ausgebildet ist.

4. Dünnfilm-Mikrobalken (10) nach Anspruch 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrien und Abmessungen des ersten (11), zweiten (12) und dritten (11) Films derart sind, daß die Kombination der Filme aus dem ersten und zweiten Material mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dazu führen, daß der Mikrobalken einen zusammengesetzten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß der Balken eine Resonanzfrequenz hat, die sich bei einer Temperaturveränderung des Mikrobalkens nicht verändert.

5. Dünnfilm-Mikrobalken nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Balken zum Messen von Druck, Temperatur oder Verformung bestimmt ist.