NL193884C

NL193884C - Transducent van het trillingstype, alsmede werkwijze voor vervaardiging daarvan.

Info

Publication number: NL193884C
Application number: NL8802370A
Authority: NL
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1988-09-27
Publication date: 2001-01-03
Also published as: CA1318521C; US4966649A; GB2252825A; BR8902406A; FR2632407A1; US4926143A; JPH07104217B2; DE3833354A1; CN1013407B; AU603291B2; AU3264889A; GB2219088B; GB8823123D0; NL8802370A; GB9204322D0; GB2252824B; JPH01299428A; FR2632407B1; GB2252825B; CN1038162A

Description

1 193884

Transducant van het trillingstype, alsmede een werkwijze voor vervaardigen daarvan

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een transducent van het trillingstype voorzien van een vibratorlichaam bestaande uit een monokristallijn siliciummateriaal aangebracht op een monokristallijn 5 siliciumsubstraat, een excitatiemiddel voor het exciteren van het vibratorlichaam voor het toevoeren van een wisselstroom, een vibratiedetectiemiddel voor het detecteren van een geëxciteerde trilling in het vibratorlichaam, een magnetisch veldopdrukmiddel voor het opdrukken van een magnetische gelijkspannings-component orthogonaal op het vibratorlichaam en een versterker aangesloten tussen het excitatiemiddel en het vibratiedetectiemiddel, alsmede betrekking op een werkwijze voor vervaardiging daarvan, en heeft in het 10 bijzonder betrekking op een dergelijk transducent waarin een staafvormige vibrator, gevormd op een siliciumsubstraat, in trilling wordt gehouden op de natuurlijke trillingsfrequentie van de vibrator, waarbij een fysische parameter zoals een op het siliciumsubstraat uitgeoefende kracht, een druk, een verschildruk of dergelijke wordt gedetecteerd uit een verandering van de natuurlijke frequentie, welke verandering optreedt als gevolg van deze fysische parameter.

15 Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een transducent van het trillingstype die een hoge signaal/ruis-verhouding heeft en die op stabiele wijze zelf-oscillerend functioneert, en heeft verder betrekking op een werkwijze voor vervaardiging daarvan.

Een dergelijke transducer is bekend uit de Britse octrooiaanvrage GB-A-2.180.691.

De figuren 1 tot en met 4 tonen blokschema’s waarin een voorbeeld van een bekende transducent van 20 het trillingstype is geïllustreerd.

Figuur 1 toont een perspectief aanzicht van een transducent van het trillingstype, die als druksensor kan worden gebruikt.

Figuur 2 toont een blokschema waarin een doorsnede-aanzicht volgens A uit figuur 1 op een vergrote schaal is weergegeven en toont tevens de daarmee verbonden trillingsdetectieschakeling.

25 Figuur 3 toont een doorsnede volgens de lijn A-A' uit figuur 2.

Figuur 4 toont als voorbeeld een tekening waarin de constructie uit figuur 2 wordt vertegenwoordigd door een elektrisch vervangingsschema.

In figuur 1 wordt met het referentiecijfer 10 gewezen op een monokristallijn siliciumsubstraat met een {100}-vlak aan de bovenzijde, vervaardigd uit silicium met p-type geleidbaarheid en een onzuiverheids-30 concentratie van 1016 atomen/cm3 of minder. Door aan de achterzijde een uitsparing te etsen is een dun diafragma gevormd aan één zijde van het substraat.

Een dikker wandgedeelte 12 langs de rand van het diafragma 11 is gekoppeld met een voetstuk 14 in het midden waarvan een drukopening 13 aanwezig is, en verder heeft het voetstuk 14 een ermee gekoppelde drukbuis 15 die aansluit op de drukopening 13. Via deze drukbuis 15 en via de drukopening 13 kan 35 een geïntroduceerde druk P gemeten worden.

Een (niet-getoonde) n+ diffussielaag met een onzuiverheidsconcentratie van 1017 is gedeeltelijk gevormd op dat oppervlak van het diafragma 11 dat niet is uitgeêtst, aangegeven met het referentieteken A in de figuur, en op een deel van deze n+-diffusielaag is een vibrator 16 gevormd in de richting <001 > (figuur 2).

De vibrator 16 is op het diafragma 11 gevormd door toepassing van fotolithografische processtappen en met 40 etsbewerkingen van de n+-laag en de p-laag. Een referentiecijfer 17 wijst op een magneet die boven de vibrator 16 nabij het midden daarvan is geplaatst loodrecht op de vibrator 16 zonder contact te maken met de vibrator, en het referentiecijfer 18 wijst op een Si02-film die werkt als een isolerende laag (figuur 3).

De referentiekarakters 19a, 19b wijzen op metalen elektroden, zoals bijvoorbeeld elektroden van aluminium en dergelijke. Eén uiteinde van de metalen elektrode 19a is verbonden met de n+-laag, die vanaf 45 de vibrator 16 verloopt door een contactopening 20a aangebracht in de Si02-laag en het andere uiteinde is verbonden met een vergelijkingsweerstand Ro waarvan de weerstandswaarde nagenoeg gelijk is aan de weerstandswaarde van de vibrator 16 en is eveneens verbonden met de ingang van een versterker 21. Een uitgangssignaal wordt gegenereerd aan de uitgang van de versterker 21, welke uitgang verbonden is met één uiteinde van een primaire wikkeling L1 van een transformator 22. Het andere uiteinde van de wikkeling 50 L1 is verbonden met een gemeenschappelijke referentiepotentiaal.

Anderzijds is het andere uiteinde van de vergelijkingsweerstand R0 verbonden met een uiteinde van de secundaire wikkeling L2 van de transformator 22, waarvan de middenaftakking verbonden is met de gemeenschappelijke referentiepotentiaal, terwijl het andere uiteinde van de secundaire wikkeling L2 verbonden is met de n+-laag via de metalen elektrode 19b en een contactopening 20b, die op soortgelijke 55 wijze aan het andere uiteinde van de vibrator 16 is gevormd.

Als in de bovenbeschreven constructie een tegengestelde voorspanning wordt opgedrukt om de p-type laag (substraat 10) te isoleren van de n+-laag (vibrator 16), en er wordt een wisselstroom toegevoerd aan de 193884 2 vibrator 16 dan neemt de impedantie van de vibrator 16 toe in de resonante toestand van de vibrator 16.

Als de impedantie van de vibrator gelijk gesteld wordt aan R dan geldt het vervangingsschema dat getoond is in figuur 4.

De secundaire wikkeling L2 is via een middenaftakking C„ verbonden met de gemeenschappelijke 5 referentiepotentiaal, de vergelijkingsweerstand R0 en de impedantie vormen een brug. Wordt over deze brug een onbalanssignaal gedetecteerd door de versterker 21 dan wordt een uitgangssignaal teruggekoppeld naar de primaire wikkeling L1 via de terugkoppelleiding 23, waardoor het stelsel zelf-oscillerend is op de natuurlijke trillingsfrequentie van de vibrator 16.

In de bovenbeschreven constructie neemt de impedantie R van de vibrator 16 toe bij de natuurlijke 10 trillingsfrequentie. De impedantie R kan worden uitgedrukt met behulp van de volgende verglijking: R -p (1/222). (1/Egy)™2). (AB2l2/bh2). Q + R<, waarin E = elasticiteitsmodulus g = versnelling van de zwaartekracht γ = dichtheid van het materiaal waaruit de vibrator is vervaardigd 15 A = een constante die door de trillingsmodus wordt bepaald B = dichtheid van de magnetische flux I = lengte van de trillingsstaaf b = breedte van de trillingsstaaf h = dikte van de trillingsstaaf 20 Q = kwaliteitsfactor

Rd = de weerstandswaarde bij gelijkspanning

Volgens de bovenstaande vergelijking kan, indien de Q van de vibrator 16 een waarde heeft van enkele honderden tot enkele duizenden, een signaal met grote amplitude worden verkregen aan de uitgang van de versterker 21 in de resonante toestand. Wordt er derhalve van uitgegaan dat de versterkingsfactor van de 25 versterker 21 voldoende groot is om een positieve terugkoppeling te waarborgen dan is het stelsel rond deze trillingstransducent zelf-exciterend zodat een trilling op de natuurlijke trillingsfrequentie wordt gehandhaafd.

In een trillingstransducent van dit type wordt de elektromotorische tegenkracht, gegenereerd door de vibrator 16, gedetecteerd als een onbalans spanning op de wisselspanningsbrug. Omdat de excitatiestroom-30 component door de brug niet sterk kan worden onderdrukt wordt een spanning, corresponderend met de excitatiestroomcomponent, gesuponeerd op het brug-uitgangssignaal. De signaal/ruis-verhouding verslechterd derhalve, omdat de spanning die Optreedt als gevolg van een impedantieverandering van de vibrator, gesuperponeerd wordt op een excitatiespanningscomponent en derhalve kan er geen stabiel utigangssig-naal worden verkregen.

35 Met verwijzing naar het bovenstaande heeft de uitvinding allereerst tot doel het genoemde probleem op te lossen en derhalve een transducent van het trillingstype te verschaffen waarvan het trillingselement een voldoende signaal/ruis-verhouding bezit, een stabiel uitgangssignaal heeft en ook een hoge gevoeligheid en in de tweede plaats heeft de uitvinding ten doel een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een dergelijke trillingstransducent.

40 In overeenstemming met deze doelstelling verschaft de uitvinding nu een transducent van het trillingstype voorzien van een H-vormig vibratorlichaam met twee eerste vibrators, waarvan de tegenoverliggende uiteinden gefixeerd zijn aan het substraat zodanig dat de twee eerste vibrators parallel aan elkaar lopen, terwijl een tweede vibrator centrale gedeelten van de twee eerste vibrators mechanisch met elkaar koppelt, dat het excitatiemiddel is ingericht voor het in trilling brengen van de vibrators door onderlinge beïnvloeding 45 met behulp van het bovengenoemde magnetische gelijkspanningsveld door het toevoeren van genoemde wisselstroom aan de tegenoverliggende uiteinde van één der eerste vibrators of aan gelijksoortige uiteinden van de twee eerste vibrators, en dat het vibratiedetectiemiddel is ingericht voor het detecteren van een elektromotorische kracht, die gegenereerd wordt aan de tegenoverliggende uiteinden van de andere eerste vibrator of aan de gelijksoortige uiteinden van de twee eerste vibrators.

50 In een voorkeursuitvoeringsvorm is de vibrator zelf voorzien van een voorafbepaalde voorspanning opgewekt door het implanteren van vreemde atomen met een bindingsstraal kleiner dan de bindingsstraal van het materiaal waaruit het vibratorlichaam zelf bestaat.

De uitvinding verschaft verder een werkwijze voor het vervaardigen van een transducent van het trillingstype, gekenmerkt door de stappen van: 55 - het vormen van een beschermende laag op het siliciumsubstraat en het verwijderen van een H-vormig gedeelte van de beschermende laag; - het vormen van een H-vormige uitsparing in het siliciumsubstraat; 3 193884 - het vormen van een eerste, tweede, derde en vierde epitaxiale laag; - het vormen van een injectiepoort op een zodanige wijze dat de eerste en derde epitaxiale laag bereikbaar zijn voor een etsmiddel via de injectiepoort; - het selectief wegetsen van de eerste en derde epitaxiale laag, waardoor de tweede epitaxiale laag het 5 H-vormig lichaam vormt; - het luchtdicht afsluiten van de injectiepoort.

Als in de bovengenoemde constructie een uitwendige kracht wordt uitgeoefend op het diafragma gedeelte van het substraat dan zal de natuurlijke trillingsfrequentie van de vibrator wijzigen in overeenstemming met deze uitwendige kracht. De trilling van het vibratorlichaam wordt gedetecteerd door de vibrator-10 detectiemiddelen en de verandering van de natuurlijke trillingsfrequentie leidt tot een uitgangssignaal. Een fysische waarde, die invloed uitoefent op het diafragma, resulteert derhalve in een verandering van de natuurlijke frequentie.

Bij voorkeur wordt het dunne diafragmagedeelte in het siliciumsubstraat gerealiseerd door middel van een etsproces en wordt een H-vormig vibratorlichaam integraal aangebracht op het diafragma door middel 15 van etsprocessen en halfgeleiderfabricage technieken op een monokristailijn materiaal.

De uitvinding zal in het volgende nader worden besproken aan de hand van de figuren.

De figuren 1 tot en met 4 zijn in het voorgaande reeds genoemd en hebben betrekking op de stand der techniek.

20 Figuur 5 toont een blokschema met een algemene constructie van een uitvoeringsvorm van de transducent volgens de uitvinding.

Figuur 6 vertegenwoordigt een constructie van een belangrijk deel van het vibratorlichaam uit figuur 5 met in figuur 6(a) een bovenaanzicht waarbij de afdekkap van de constructie is verwijderd en in figuur 6(b) een doorsnede volgens de lijn B-B in figuur 6(a).

25 Figuur 7 toont in een diagram de resulterende gemeten S/N-verhouding (signaal/ruis-verhouding) van de trillingstransducent volgens de uitvinding.

Figuur 8 toont in de vorm van een blokschema een variant van de transducent getoond in figuur 5.

Figuur 9 illustreert stappen in de werkwijze voor vervaardiging van de transducent van het trillingstype getoond in figuur 5.

30 Figuur 10 toont delen van de werkwijze voor het vormen van een H-vormig vibratorlichaam van het type getoond in figuur 5.

Figuur 11 illustreert de stappen in een werkwijze voor het verbeteren en stabiliseren van de product-opbrengst, in het bijzonder bij toepassing van de werkwijze die geïllustreerd is in figuur 9.

Figuur 12 wordt gebruikt ter verklaring van een mogelijke verbetering in de werkwijze volgens figuur 9.

35 Figuur 13 wordt eveneens gebruikt ter verklaring van de invloed van een epitaxiale hulplaag, geïllustreerd in figuur 11.

Figuur 14 toont stappen in een werkwijze voor de realisatie van een holle ruimte waarin een vacuüm heerst.

Figuur 15 toont een karakteristiek die wordt gebruikt ter verklaring van het leegzuigen van de holle ruimte 40 in figuur 14.

Figuur 16 toont een gedeeltelijke modificatie van de werkwijzestappen uit figuur 14.

Figuur 17 toont een doorsnede door een transducent van het trillingstype waarin het vibratorlichaam een voorspanning heeft.

Figuur 18 geeft een opsomming van de covalente bindingsstraal R, van diverse onzuiverheden in relatie 45 tot de covalente bindingsstraal Rsi van silicium.

Figuur 19 toont een grafiek ter verklaring van het verband tussen de roosterconstante en de doterings-constante.

Figuur 20 toont stappen in een werkwijze voor vervaardiging van een trillingslichaam, dat onder voorspanning staat en deel uitmaakt van de transducent getoond in figuur 17.

50 Figuur 21 toont het elektrische schema van de versterker die getoond is in figuur 5.

Figuur 22 toont een grafiek die aangeeft wat de invloed is van toepassing van de versterking uit figuur 21.

Figuur 23 toont een vergelijkende grafiek die aangeeft wat er gebeurd indien de veideffecttransistor, getoond in figuur 21 wordt verwijderd en kortgesloten, zodat er een constante aandrijfkracht wordt 55 gegenereerd.

De uitvinding zal nu in detail worden beschreven met verwijzing naar de tekeningen waarin voorkeurs- 193884 4 uitvoeringsvormen zijn geïllustreerd.

Figuur 5 toont een blokschema van de algemene constructie van een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding.

Figuur 6 toont een constructie van een belangrijk deel van het trillingselement, getoond in figuur 5. Figuur 5 6(a) is een bovenaanzicht waarbij de afdekkap is verwijderd en figuur 6(b) is een doorsnede volgens de lijn B-B in figuur 6(a).

Het trillingslichaam 24 omvat een H-vormig trillingselement bestaande uit de eerste vibrators 26A, 26B en een tweede vibrator 27, bijvoorbeeld vervaardigd uit p-type silicium dat integraal gevormd is op een diafragma 25, vervaardigd uit monokristallijn materiaal, bijvoorbeeld met een n-type geleidbaarheid.

10 Evenals het type diafragma 11, dat getoond is in figuur 3 is het diafragme 25 gevormd door etsen en verdunnen van het centrale gedeelte van het ondervlak van het n-type siliciumsubstraat, zodanig dat een (niet getoond) dikker wandgedeelte rondom overblijft en het geheel is zodanig gepositioneerd dat er een meetdruk op kan worden uitgeoefend. Een H-vormige uitsparing 28, waarin elk van de vibrators gepositioneerd is, is door middel van etsen gevormd in een deel van het kristaloppervlak (100) op het bovenopper-15 vlak van het diafragma 25.

De staafvormige eerste vibrators 26A, 26B bestaande uit p-type materiaal zijn integraal met het diafragma 25 parallel aan de kristalas <001 > elk geplaatst boven de uitsparing 28, en de centrale gedeelten ervan zijn gekoppeld met de loodrecht op deze vibrators staande tweede staafvormige vibrator 27 van het p-type, zodanig dat een H-vormig trillingslichaam resulteert.

20 De elektroden 29 en 30 zijn gevormd elk aan een der tegenover elkaar liggende uiteinden van de eerste vibrator 26A en de elektroden 31 en 32 zijn gevormd elk aan een der tegenover elkaar liggende uiteinden van de eerste vibrator 26B.

Een magneet 17 is geplaatst boven de tweede vibrator 27, parallel met deze vibrator, en wekt derhalve een magnetisch veld op dat loodrecht staat op de eerste vibrators 26A, 26B.

25 Een uitgangsaansluiting van de ingangstransformator 33, die functioneert als excitatie-eenheid, is verbonden met de elektroden 29, 30, terwijl één ingangsaansluiting 34 van de transformator verbonden is met een uitgangsaansluiting 35 en de andere ingangsaansluiting verbonden is met een gemeenschappelijke referentiepotentiaal.

Een ingangsaansluiting van de uitgangstranformator 36, die functioneert als vibratiedetectiemiddel is 30 gekoppeld met de elektroden 31, 32 en de uitgangsaansluitingen 37,38 ervan zijn verbonden met de ingang van een versterker 39.

In de figuren 5 en 6 is de afdekkap die het bovenste gedeelte van het diafragma 25 bedekt weggelaten terwille van de beschrijving. In de praktijk zijn echter, zoals later nog zal worden beschreven de eerste vibrators 26A, 26B en de tweede vibrator 27 tezamen met het diafragma 25 afgedekt met handhaving van 35 een voorafbepaalde spleet of tussenruimte, die met behulp van een halfgeleider techniek zoals een epitaxiale groei of dergelijke is gerealiseerd, en verder wordt in deze spleet een inwendig vacuüm gehandhaafd teninde een hoge Q-factor in het trillingsgedrag van de vibrators te handhaven.

In de bovenbeschreven constructie wordt de eerste vibrator 26A geëxciteerd tot een trilling door de gecombineerde inwerking van een spanning die ingevoerd wordt via de ingangstransformator 33 vanaf de 40 versterker 39 in samenwerking met het magnetische veld van de magneet 17. Deze trilling zet dan via de tweede vibrator 27 de eerste vibrator 26B in trilling en deze laatste trilling zorgt ervoor in samenwerking met de magneet 17 dat de uitgangstransformator 36 een elektromotorische kracht e aan zijn ingangszijde ontwikkelt. De elektromotorische kracht e wordt via de uitgangstransformator 36 ingevoerd in de versterker 39, daarin versterkt en afgenomen aan de uitgangsaansluiting 35. De versterkte spanning wordt positief 45 teruggekoppeld naar de ingangstransformator 33 en zodoende wordt een zelfoscillerend systeem gehandhaafd.

Zoals in het bovenstaande is beschreven is het vibratorlichaam 24 verdeeld in de eerste vibrator 26A die dienst doet voor excitatie en de eerste vibrator 26B die dienst doet voor het detecteren van de elektromotorische kracht, en de eerste vibratoren 26A, 26B zijn mechanisch met elkaar gekoppeld via vibratiekringen 50 door de tweede vibrator 27, reden waarom de excitatiestroomcomponent niet wordt gesuperponeerd op de elektromotorische kracht e en de excitatiecomponent dus in sterke mate kan worden onderdrukt (hoge signaal/ruis-verhouding).

Figuur 7 toont een resultaat verkregen uit een meting van de signaal/ruis-verhouding van een transducer van het trillingstype, geconstrueerd op de bovenbeschreven wijze.

55 In figuur 7 is langs de horizontale as de frequentie uitgezet met 1 kHz per schaalverdeling en langs de verticale as is de verzwakking uitgezet met 5dB per schaalverdeling. De resonantiefrequentie indien er geen druk wordt uitgeoefend op het diafragma 25 bedraagt 71551,1 Hz, en het punt dat aangeduid is met een 5 193884 symbool x ligt bij -13,3 dBm uitgaande van het referentieniveau van -7,0 dBm ruisverhouding. De signaal/ruis-verhouding (S/N-verhouding) wordt aangegeven als het verschil daarvan, en in dit geval bedraagt de signaal/ruis-verhouding dus 30 tot 40 dB, hetgeen veel beter is dan ooit tevoren is bereikt.

Figuur 8 toont een blokschema met de belangrijkste delen van een andere uitvoeringsvorm van de 5 uitvinding. .

In deze uitvoeringsvorm is de constructie zodanig dat de secundaire zijde van de ingangstransfomnator 33 gekoppeld is met het gelijksoortige uiteinde van de twee eerste vibrators 26A, 26B terwijl de primaire zijde van de uitgangstransformator 36 verbonden is met de andere gelijksoortige uiteinden van de eerste vibrators 26A, 26B.

10 In de eerder beschreven uitvoeringsvorm is verondersteld dat de tweede vibrator 27 vervaardigd is uit p-type silicium, dat vormt echter geen noodzakelijke beperking en er kan bijvoorbeeld ook gebruik worden gemaakt van een geleider, zoals aluminium of dergelijke die wordt opgedampt op siliciumoxide (Si02) of siliciumnitride (Si3N4).

Bij transducenten van het trillingstype doet zich verder het verschijnsel voor dat de trillingsfrequentie zich 15 wijzigt in overeenstemming met de temperatuurcoëfficiënt van de elasticiteitsmodulus van silicium en dergelijke transducenten kunnen derhalve bij plaatsing in vacuüm worden gebruikt als thermometer en ook als dichtheidsmeter in plaats van drukmeter.

Zoals in het bovenstaande is beschreven is het trillingslichaam 24 verdeeld in een eerste vibrator 26A die voor de excitatie zorgt en een eerste vibrator 26B, waarmee de elektromotorische kracht wordt gedetecteerd 20 en verder zijn de eerste vibrators 26A en 26B mechanisch gekoppeld via de tweede vibrator 27 waarmee vibratielussen zijn gerealiseerd en waardoor er geen excitatiestroomcomponent in het uitgangssignaal aanwezig is, of anders gezegd, de excitatiestroomcomponent kan in sterke mate worden verwijderd (er is een hoge signaal/ruis-verhouding bereikbaar).

Met de uitvoeringsvorm van figuur 5 kan derhalve een transducent van het trillingstype worden gereali-25 seerd die een bevredigende signaal/ruis-verhouding heeft en die een stabiel frequentie-uitgangssignaal verschaft.

Figuur 9 toont stappen in een werkwijze voor het vervaardigen van de transducent van het trillingstype als getoond in figuur 5. Terwille van de eenvoud van de beschrijving wordt niet verwezen naar het hele vibratorelement 24, maar wordt verwezen naar de vervaardiging van een staafvormige eerste vibrator 26A 30 zonder de ermee gekoppelde tweede vibrator 27 te tonen.

Figuur 9(a) toont de werkwijzestap waarin een beschermende laag met een opening daarin wordt aangebracht. Een beschermende laag 41 van bijvoorbeeld siliciumoxide, siliciumnitride of dergelijke wordt gevormd op het kristaloppervlak (100) van een n-type monokristallijn siliciumsubstraat 40, en vervolgens wordt een opening 42 gevormd in een deel van deze beschermende laag 41 via een maskeerwerkwijze en 35 in een patroon dat aangepast is aan de vorm van de te vervaardigen eerste vibrator 26A.

Het proces gaat verder met de stap in figuur 9(b), waarin een uitsparing in het substraat wordt gevormd. De uitsparing 43 wordt in het substraat 40 gevormd, corresponderend met de opening 42, door middel van een etsbewerking met waterstofchloride in een waterstof (H^ atmosfeer bij 1050°C.

Er kan in dit geval ook een anisotrope etsbewerking worden toegepast door middel van een alkalische 40 oplossing tussen bijvoorbeeld 40°C en 135°C, in plaats van waterstofchloride.

Figuur 9(c) toont een epitaxiaal groeiproces. Waterstofchloride wordt gemengd met een brongas in een waterstof (H2 atmosfeer bij 1050°C, teneinde een selectieve epitaxiale meerlaagsgroei te realiseren. Van de groeibewerking kunnen de volgende gedetailleerde stappen worden aangegeven: 1) tijdens de eerste stap wordt een epitaxiale laag 44 die bepalend is voor het onderste halve deel van de 45 spleet, gevormd door een selectieve epitaxiale groei in de uitsparing 43 door midden van een p-type silicium met een boriumconcentratie van lO^cm-3.

2) In de tweede stap wordt een tweede epitaxiale laag 45 gevormd, corresponderend met de eerste vibrator 26A door een selectieve epitaxiale groei op het oppervlak van de eerste epitaxiale laag 44 zodanig dat de opening 42 wordt gesloten, gebruikmakend van een boriumconcentratie van lO^cm-3 in p-type silicium.

50 3) Met de derde stap wordt een derde epitaxiale laag 46, bepalend voor het bovenste gedeelte van de spleet gevormd door het uitvoeren van een selectieve epitaxiale groei op het oppervlak van de tweede epitaxiale laag 45 met een boriumconcentratie van ΙΟ^ατΓ3 in p-type silicium.

4) Met de vierde stap wordt een vierde epitaxiale laag 47 gevormd, corresponderend met de afdekkap die nog nader zal worden beschreven, door middel van een selectieve epitaxiale groei op het oppervlak van de 55 derde epitaxiale laag 46 bij een boriumconcentratie van 1O^cm-3 in p-type silicium.

Voor het vormen van de derde epitaxiale laag 46 kan ook een n-type sicilicium met een fosfor-concentratie van lO^crn-3 worden gebruikt.

193884 6

Figuur 9(d) toont de werkwijze stap voor het vormen van een injectiepoort via welke vervolgens een etsmiddel kan worden geïnjecteerd. In deze werkwijze stap wordt de beschermende laag 41 weggeëtst en verwijderd door middel van een fluorwaterstofzuur (HF) en wordt een injectiepoort 48 gerealiseerd aan de zijkant van de vierde epitaxiale laag 47, via welke poort een etsmiddel kan worden geïnjecteerd.

5 Figuur 9(e) toont een selectief etsproces voor het vormen van een tussenruimte tussen de vibrator en het substraat en tussen de vibrator en de afdekkap. Een positieve spanning wordt opgedrukt vanaf een voedingsspanningsbron Ep zodanig dat het n-type substraat 40 een positieve voorspanning krijgt ten opzichte van de vierde epitaxiale laag 47 van het p-type, een alkalische oplossing wordt door de injectiepoort 48 geïnjecteerd en door een selectief etsproces worden de eerste epitaxiale laag 44 en de derde 10 epitaxiale laag 46 verwijderd. In dit geval kan voor de derde laag gebruik worden gemaakt van n-type silicium met een fosforconcentratie van lO^cnrf3 en voor de vierde epitaxiale laag 47 kan gebruik worden gemaakt van p-type silicium met een boriumconcentratie van 102Ocm-3. Bij het bovenbeschreven selectieve etsproces wordt dan gebruik gemaakt van het verschijnsel dat de etsende werking minder zal zijn bij een boriumconcentratie boven 4 x ΙΟ^ατΓ3.

15 Tenslotte wordt een werkwijze stap uitgevoerd voor het afsluiten van de configuratie zoals getoond is in figuur 9(0· Daartoe wordt het n-type silicium onderworpen aan een epitaxiaal groeiproces in een waterstof (H2) atmosfeer bij 1050°C waardoor een epitaxiale laag 50 wordt gevormd op de buitenoppervlakken van het substraat 40 en op de vierde epitaxiale laag 47 waarmee een afdekkap 51 wordt gevormd die de injectiepoort 48 afsluit.

20 In plaats van de bovenbeschreven werkwijzestap kan het afdichtingsproces bestaan uit (1) het sluiten van de injectiepoort 48 door verwarmingsoxidatie, (2) het sluiten van de injectiepoort 48 door het aanbrengen van een laag van polysilicium met behulp van het CVD-proces of met behulp van een sputterwerkwijze in de injectiepoort 48, (3) het opvullen van de injectiepooort 48 met silicium door middel van verdamping in vacuüm of door middel van een epitaxiaal proces, of (4) het uitbrengen van een isolerend materiaal zoals 25 bijvoorbeeld glas (Si02), het siliciumnitride, aluminiumoxide of dergelijke in de injectiepoort 48 met behulp van een CVD-proces, met behulp van sputteren of door middel van verdamping.

Alhoewel dit niet is geïllustreerd wordt daarna het diafragma 25 gevormd door het substraat om te keren en de bodemzijde van het substraat 40 te etsen.

Het bovenbeschreven bewerkingsproces leidt tot de volgende effecten.

30 Omdat in de eerste plaats het substraat 40, de tweede epitaxiale laag 45, die als eerste vibrator 26A functioneert en de afdekkap 51 integraal zijn gevormd, is het niet noodzakelijk om het substraat 40 en de afdekking 51 aan elkaar te hechten, waardoor instabiliteit als gevolg van een hechtverbinding wordt vermeden.

De vibrators zelf en de ruimte daaromheen kunnen gemakkelijk met een eenvoudige structuur worden 35 geïsoleerd waardoor gemakkelijk een miniaturisatie kan worden gerealiseerd.

Omdat in de derde plaats een halfgeleider-fabricagetechniek wordt gebruikt, kan een nauwkeurige positionering, dikte dimensionering en vormgeving van de vibratorelementen en van de afdekkap worden gerealiseerd.

Figuur 10 toont een aantal stappen van de werkwijze voor het vormen van een H-vormig vibratorlichaam. 40 De werkwijzestappen, die getoond zijn in figuur 10 komen in de plaats van de werkwijzestappen getoond in de figuren 9(a) en 9(b), terwijl de andere werkwijzestappen van figuur 9 op corresponderende wijze worden gebruikt voor het realiseren van het eigenlijke H-vormige vibratorlichaam 24. Zoals allereerst in figuur 10(a) is getoond, wordt een beschermende laag 52, bijvoorbeeld van siliciumoxide, siliciumnitride of dergelijke, gevormd op het bovenoppervlak van het kristalvlak (100) van het siliciumsubstraat 40, en daarna 45 wordt de beschermende laag 52, die op het oppervlak van het substraat is aangebracht, via een foto-lithografisch proces door middel van een maskeerstrap in een H-vorm verwijderd, teneinde op deze wijze een H-vormige opening 53 in de beschermende laag 52 te formeren.

De H-vormige opening 53 is zodanig gepositioneerd, dat H-vormige strips, die tezamen de eerste vibrators 26A, 26B en de tweede vibrator 27 in de richting <001 > van het substraat 40 respectievelijk in de 50 richting loodrecht daarop.

Zoals verder in figuur 10(b) is getoond, wordt een H-vormige uitsparing 54, corresponderend met de opening 53, gevormd in het substraat 40 door het uitvoeren van een etsbewerking in de beschermende laag 52 met de opening 53.

Vervolgens wordt het H-vormige vibratorlichaam 24, getoond in figuur 5, gerealiseerd met behulp van de 55 werkwijze die reeds geïllustreerd is in figuur 9.

Figuur 11 toont een proces waarmee de opbrengst aan vibrators in het fabricageproces volgens figuur 9 wordt verbeterd en gestabiliseerd. Het proces is nagènoeg gelijk aan het proces getoond in figuur 9, met 7 193884 uitzondering van figuur 11 (c). De werkwijzestap in figuur 11 (c) omvat het vormen van een p-type epitaxiale laag 71 met een hoge ρ*+ boriumconcentratie en een dikte van 1pm of minder op de bodem van de uitsparing 43 die gevormd is op de wijze als getoond in figuur 11(b). De doteringsconcentratie wordt in dit geval bij voorkeur zodanig gekozen dat de etsende invloed van het etsmiddel op de epitaxiale laag 71 van 5 het p-type beperkt wordt, bijvoorbeeld gekozen op ongeveer 3 x ΙΟ^ατΓ3. Via de epitaxiale processtap van figuur 11 (d) en de processtap voor het vormen van een injectiepoort voor het etsmiddel als geïllustreerd in figuur 11(e) wordt de situatie van figuur 11(f) bereikt.

In figuur 11(f) wordt een etsmiddel geïnjecteerd via de injectiepoort 48 voor het etsen en verwijderen de eerste epitaxiale laag 44, corresponderend met de te vormen spleet en van de derde epitaxiale laag 46. In 10 dit geval heeft de epitaxiale hulplaag 71 van het p-type een inherente hoge concentratie en wordt derhalve niet weggeëtst. Omdat deze laag echter zeer dun is zal de bohumconcentratie ervan afnemen, zodat de laag gereed is voor etsing door een alkalische oplossing in overeenstemming met het zelfdoteringsprincipe bij een selectief epitaxiaa proces en diffusie bij een verhittingsproces, zodat een n-type laag aan het oppervlak van het substraat 40 vrij komt.

15 Het voordeel van de toepassing van een hulplaag 71 zal verder worden besproken aan de hand van de figuren 12 en 13.

Is er tijdens de werkwijzestap van figuur 11(c) geen epitaxiale hulplaag aanwezig dan bestaat de kans dat na het etsproces van figuur 11(f) p-type silicium in de vorm van een eilandje achterblijft op het n-type substraat 40 als restant van de eerste epitaxiale laag 44 en daar een pn-overgang bepaalt. Tijdens het 20 etsen met de alkalische oplossing wordt aan de grenslaag met dit etsmiddel een n-type inversielaag 73 gevormd, die een stroomweg biedt voor een stroom I, vanaf een voedingsbron Ep, die aangesloten wordt op de wijze als geïllustreerd in figuur 11(f). Deze stroom, die in figuur 12 met een pijl is aangegeven, beschermt het oppervlak van het residu 72 tegen de etsende invloed van het etsmiddel, waardoor het probleem ontstaat dat onder de vibrator niet-voldoende vrije ruimte wordt gecreëerd.

25 In verband daarmee wordt nu de epitaxiale hulplaag 71, bestaande uit een met borium gedoteerde p-type laag met een hoge p^-concentratie van 3 x ΙΟ^ατΓ3 of meer en een dikte van 1pm of minder, gevormd op het substraat 40 waardoor de lekstroom \Λ wordt onderbroken en de formering van het residu 72 wordt tegengegaan en derhalve een stabiel etsproces wordt gegarandeerd waardoor de productiviteit van de werkwijze wordt verbeterd.

30 Da daarop volgende werkwijzestap is bedoeld voor het vormen van de afdichting, zoals in het geval van figuur 9(f).

Figuur 14 toont een aantal werkwijzestappen in een belangrijk deel van het vervaardigingsproces voor het realiseren van een structuur waarin het vibratorlichaam zich in een vacuümruimte bevindt.

Voor het met een hoge gevoeligheid detecteren van druk en andere parameters, waarbij met een hoge 35 Q-factor moet worden gewerkt is het noodzakelijk dat de vibrator zich in vacuüm bevindt. Om dat te bereiken bij een transducent van het trillingstype, voorzien van een structuur met stripvormige vibrators 26A, 26B, 27 die integraal aangebracht zijn op een diafragma 25 zijn maatregelen in het fabricageproces nodig.

Een uitvoeringsvorm waarin de eerste vibrators van het vibratorlichaam, dat getoond is in figuur 5, zich in vacuüm bevinden, zal worden beschreven met verwijzing naar figuur 14.

40 De werkwijze stappen die eerder zijn beschreven in de figuren 9(a) tot en met 9(e) blijven gelijk en aan het eind daarvan wordt dus het etsresultaat van figuur 14(a) equivalent aan het resultaat van figuur 9(f), verkregen.

In de werkwijze stap van figuur 14(b) worden de buitenoppervlakken van het substraat 40 en van de vierde epitaxiale laag 47 onderworpen aan een epitaxiale groei waardoor een laag van het n-type wordt 45 gevormd bij een temperatuur van 1050°C, in een atmosfeer van waterstof (H2) of in vacuüm. De injectiepoort 48, aanwezig tussen het substraat 40 en de vierde epitaxiale laag 47 wordt door deze epitaxiale groei gevuld en bovendien wordt de afdekkap 51 gevormd.

De gevormde n-type laag heeft een dikte die gelijk is aan de doorgangsmaat (t) van de injectiepoort 48. De laag wordt eveneens gevormd ronde de eerste vibrator 26A en op de binnenzijde van de holle kamer 50 74.

Omdat in de werkwijze stap van figuur 14(b) de epitaxiale groei wordt uitgevoerd In een atmosfeer van waterstof (HJ is de holle kamer 47, die ontstaat tussen het monokristallijne substraat 40 en de afdekkap 51 gevuld met waterstof (H^.

Zoals vervolgens is aangegeven in figuur 14(c) wordt de resulterende structuur vervolgens in een 55 vacuüm-atmosfeer bij 900°C gebracht, waardoor de waterstof (Hg) vanuit de holle ruimte door het silicium* kristalrooster diffundeert naar het vacuüm, Het op deze wijze verkregen vacuüm in de holle ruimte bedraagt 1,33 X 10'1 pa of minder.

193884 8

Een soortgelijk resultaat kan worden verkregen in een inert gas en stikstof met een kleinere partiële waterstofdruk.

De bovengenoemde waterstofextractie zal in het volgende worden toegelicht met verwijzing naar figuur 15. In figuur 15 is langs de horizontale as de temperatuur uitgezet en langs de verticale as is de dissociatie 5 druk uitgezet. De schuin vanaf de oorsprong verlopende rechte lijn geeft de grens aan tussen een gebied waarin waterstof wordt geabsorbeerd in het silicium van het substraat 40 en een gebied waarin waterstof uit het silicium wordt onttrokken.

Als de resulterende structuur in een vacuüm wordt gebracht bij een temperatuur T1 van bijvoorbeeld 1200° K gedurende langere tijd dan zal volgens deze figuur de binnen de afdekkap 51 aanwezige waterstof 10 worden opgenomen door de afdekkap 51 en het substraat 40 en daardoorheen diffunderen, en de waterstof die het oppervlak bereikt dissocieert en wordt afgevoerd en indien de omgevingsdruk P1 bijvoorbeeld 1,33 x 10‘1Pa of minder bedraagt.

De holle kamer 74 kan op deze wijze op een inwendig vacuüm van bijvoorbeeld 10-3 Torr worden gebracht.

15 Uit een test, uitgevoerd na afloop van de bovenbeschreven werkwijze is gebleken dat een Q-factor met een waarde van 3 X 10-4 of beter kan worden verkregen voor de eerste vibrator 26A bij een druk van 1,33 x 10_1Pa in de holle kamer 74 binnen de omhulling 51.

Figuur 16 illustreert een werkwijze stap die een modificatie vormt van de stappen, die geïllustreerd zijn in figuur 14. De werkwijze blijft tot aan figuur 14(a) hetzelfde en daarna gaat de werkwijze verder met de stap 20 die geïllustreerd is in figuur 16(a).

Terwijl enerzijds de injectiepoort 48 nog is gevormd met behulp van het etsproces uit figuur 14(a), is de werkwijzestap uit figuur 16(a) bedoeld voor het afdichten van deze injectiepoort 48.

Gedurende deze werkwijzestap wordt zuurstof ingevoerd via de opening tussen de vierde epitaxiale laag 47 en de tweede epitaxiale laag 45 en het siliciumsubstraat 40, en daarna wordt de injectiepoort 48 25 afgedicht door het opsputteren van amorf silicium waardoor de afdekkap 75 wordt gevormd.

Vervolgens gaat het proces verder naar figuur 16(b) voor het uitvoeren van de extractie. In deze werkwijzestap wordt de transducent met het vibratorlichaam geplaatst in een vacuüm bij een temperatuur van 900°C of meer, en de binnenwand van de holle kamer 74 wordt geoxideerd door de zuurstof die in de werkwijze stap van figuur 16(a) in de holle kamer 74 is ingebracht, en bovendien zal de zuurstof gedeeltelijk 30 door het silicium diffunderen, waardoor het vacuüm nog wordt versterkt.

In overeenstemming met de bovenbeschreven werkwijze volgens de uitvinding worden de vibrator-elementen integraal gevormd tezamen met het siliciumsubstraat, waarbij een vooraf bepaalde tussenruimte wordt aangehouden en vervolgens wordt een vacuüm gerealiseerd met behulp van een voorafbepaalde werkwijze, zodat een transducent van het trillingstype kan worden gerealiseerd met zeer goede eigenschap-35 pen zowel wat betreft de drukkarakteristiek als wat betreft de temperatuurkarakteristiek.

Figuur 17 toont een doorsnede door een deel van de trillingstransducent, waarin de vibrators onder een voorspanning staan.

Het vibratorlichaam is zodanig geconstrueerd dat de tegenover elkaar liggende uiteinden ervan gefixeerd zijn, bijvoorbeeld zodanig dat de p-type vibrator op het n-type siliciumsubstraat 40 de p-type vibrator is 40 vastgezet met een voorafbepaalde tussenruimte naar het substraat 40 dat de tegenoverliggende uiteinden draagt, terwijl het geheel wordt bedekt door de silicium afdekkap 51 die één integraal geheel vormt met het substraat 40, zodanig dat een holle kamer 74 is gerealiseerd rond de vibrator. In de holle kamer 74 heerst een inwendig vacuüm.

Wordt het diafragma 25 nu onderworpen aan een meetdruk Pm, dat wordt een resonantiefrequentie 45 gemeten, die afhankellijk is van de mechanische spanning, waaraan de vibrator 76 wordt onderworpen, doordat zijn beide uiteinden zijn gefixeerd aan het diafragma 25.

Behalve wanneer er een voorspanning heerst op het tijdstip waarop de meetdruk Pm gelijk aan 0 is, zal een opkrul- of rimpeleffect ontstaan in de vibrator 76, veroorzaakt door de meetdruk Pm, waardoor deze niet juist kan meten. Behalve wanneer de dispersie van de voorspanning wordt geregeld, kan daaruit ook een 50 dispersie van de gevoeligheid resulteren.

De navolgende beschrijving heeft betrekking op dit aspect. Figuur 18 geeft een opsomming van de covalente bindingsstraal R1 van diverse onzuiverheden en tevens de verhouding tussen de covalente bindingsstraal R, van de diverse onzuiverheden en de covalente bindingsstraal Ra1 van silicium. Figuur 19 toont de verandering van de roosterconstante afhankelijk van de onzuiverheidsconcentratie. Zoals duidelijk 55 zal zijn uit figuur 18 is enerzijds de covalente bindingsstraal Ra1 van silicium (S,) gelijk aan 0,117 nm terwijl anderzijds daarmee die van fosfor (P) met 0,11 nm en borium (B) met 0,088 nm tamelijk klein zijn. Als derhalve borium of fosfor in silicium wordt geïnjecteerd, dan wordt het betreffende geïnjecteerde gedeelte 9 193884 onderworpen aan een mechanische spanning. Als derhalve de concentratie van borium gelijk is aan 10^cm-3 dan blijkt uit figuur 19 dat de verandering van de roosterconstante 2 x 10-4 bedraagt, en omdat de roosterconstante van silicium gelijk is aan 0,5431 nm bedraagt de spanning ongeveer 4 x 10^( = 2 x 10^/5,431). Moet een hogere spanning dan 4 x 10~* worden gecreëerd dan kan borium met dubbele 5 concentratie worden geïnjecteerd, bijvoorbeeld met 2 x 102Ocm-3, waardoor de voorspanning gelijk zal zijn aan 8 x 10-3 (evenredig met de injectiehoeveelheid). Het is derhalve mogelijk een willekeurige voorspanning te realiseren door het injecteren van een daarmee corresponderende boriumconcentratie. Op deze wijze wordt de vibrator 76, getoond in figuur 17, voorzien van een voorspanning.

Voor een spanning minder dan 4 x KT* wordt de fosforconcentratie van het n-type siliciumsubstraat 40 10 verhoogd of wordt de vibrator 76 geoxideerd teneinde borium aan het oppervlak van de vibrator af te scheiden in de oxidefilm, zodat na het verwijderen van de oxidefilm met behulp van HF de boriumconcentratie in de vibrator 76 verminderd is en aangepast is aan een voorspanning minder dan 4 x 10-4. Zoals uit figuur 19 duidelijk zal zijn wordt verondersteld dat de voorspanning in principe wordt begrensd door een boriumconcentratie van lO^cm-3.

15 Figuur 20 toont een werkwijze voor het vervaardigen van het vibratorlichaam op een zodanige wijze dat de vibrator een voorspanning heeft.

Figuur 20(a) toont de omstandigheden waaronder de uitsparing 43 wordt gevormd met behulp van HCI etsproces uitgaande van de werkwijze stappen die beschreven zijn in de figuren 9(a) en 9(b).

Zoals vervolgens in figuur 20(b) is aangegeven, wordt een selectieve epitaxiale groei van p-type 20 materiaal met een boriumconcentratie van lO^cm-3 gerealiseerd in de uitsparing 43 in een atmosfeer van waterstof H2 bij 1050°C, waardoor de eerste epitaxiale laag 44 wordt gevormd.

Zoals getoond is in figuur 20(c) wordt op de epitaxiale laag 44 een selectieve epitaxiale groei van p-type materiaal met een boriumconcentratie van 1020cm-3 gerealiseerd in een atmosfeer H2 bij 1000°C, waardoor een tweede epitaxiale laag 77 ontstaat, die dienst moet doen als vibrator 76. De covalente bindingsstraal 25 van silicium is 0,117 nm en die van borium is 0,088 nm en als derhalve borium wordt geïnjecteerd in het silicium dan wordt het betreffende gedeelte onderworpen aan een spanning, die wordt gebruikt om de benodigde voorspanning te realiseren welke afhankelijk is van de boriumdichtheid van de tweede epitaxiale laag 77, die dienst doet als vibrator 76.

Zoals vervolgens in figuur 20(d) is getoond, wordt op de tweede epitaxiale laag 77 een selectieve 30 epitaxiale groei met p-type materiaal en een boriumconcentratie van lO^cnrr3 gerealiseerd in een atmosfeer van waterstof H2 bij 1050°C, waardoor de derde epitaxiale laag 46 ontstaat.

Zoals verder in figuur 20(e) is getoond, wordt op de derde epitaxiale laag 46 een selectieve epitaxiale groei met p-type materiaal en een boriumconcentratie van lO^cnrr3 uitgevoerd in een waterstofatmosfeer H2 bij 1050°C, waardoor de vierde epitaxiale laag 47 wordt gevormd.

35 Figuur 20(f) toont een etsproces voor het verwijderen van de eerste epitaxiale laag 44 en de derde epitaxiale laag 46 waartoe de beschermende Si02-laag 41 wordt verwijderd (in een niet in detail aangegeven deel van het proces) door etsen van waterstoffluoride HF na het selectieve epitaxiale groeiproces, dat getoond is in figuur 20(e).

Alhoewel dit niet is geïllustreerd, wordt de gehele component ondergedompeld in een alkalische 40 oplossing tijdens dit etsproces, en wordt een positieve pulsvormige spanning met een piekwaarde van 5V en een herhalingsfrequentie van ongeveer 0,04 Hz opgedrukt door middel van een gelijksspannings-voedingsbron Ep, zodanig dat het n-type siliciumsubstraat 40 ten opzichte van de tweede epitaxiale laag 77 van het p-type op een hogere potentiaal komt te staan. Omdat het siliciumsubstraat 40 van het n-type en de vierde epitaxiale laag 47 op het oppervlak voorzien worden van een onoplosbare passiverende film 45 vanwege het opdrukken van de spanning wordt de etssnelheid zeer laag wordt voor deze lagen en dit effect wordt benut voor het verwijderen van de eerste epitaxiale laag 44 en de derde epitaxiale laag 46. Als verder de boriumdoteringsconcentratie groter is dan 4 x lO^cnr3, dan wordt de etssnelheid aanzienlijk gereduceerd ten opzichte van de snelheid in het normale geval, waarbij het silicium niet gedoteerd is en dit verschijnsel wordt gebruikt voor het realiseren van de constructie waarin de injectiepoort 48 gedeeltelijke 50 wordt verschaft en verder een spleet wordt gerealiseerd tussen het siliciumsubstraat 40 en de tweede epitaxiale laag 77 als geheel, waardoor de tweede epitaxiale laag 77 geheel vrijkomt zoals getoond is in figuur 20(g).

Het daarop aansluitende proces is gelijk aan dat van figuur 9(g) of figuur 14(b) tot en met 14(e). Het vibratorlichaam, getoond in figuur 17, is met deze werkwijze gevormd.

55 Voor een verdere regeling van de voorspanning in de vibrator 76 kan bijvoorbeeld de fosfordichtheid in het n-type siliciumsubstraat 40 worden bestuurd, waardoor de relatieve voorspanning tussen het substraat 40 en de tweede epitaxiale laag 77 wordt bestuurd.

193884 10

Anderzijds kan de optredende voorspanning worden gereduceerd door een n-type silicium met lage concentratie te onderwerpen aan een epitaxiale groei op de vibrator 76 tot een geschikte dikte. Verder kan met warmte-oxidatie een compressiespanning worden gegenereerd in een hete oxidefilm, waardoor de optredende voorspanning wordt gecontroleerd. Ook kan de voorspanning op soortgelijke wijze worden 5 geregeld met behulp van een CVD-proces, een sputterwerkwijze, verdamping of dergelijke.

Alhoewel in de bovenstaande delen van de beschrijving in uitvoeringsvoorbeelden gewezen is naar het gebruik van borium of fosfor voor injectiedoeleinden zal het duidelijk zijn dat de uitvinding daartoe niet is beperkt. Ook is silicium niet het enige materiaal waaruit de vibratorelementen kunnen worden vervaardigd.

Zoals in het bovenstaande is beschreven, is de spanningssensor van het trillingstype bedoeld voor 10 spanningsmetingen, en daaronder worden begrepen versnellingsmetingen en metingen van verschildrukken.

Zoals in het bovenstaande concreet is beschreven, kan volgens de uitvinding een voorspanning in de vibratorstrip worden aangebracht met behulp van een eenvoudige constructie in vergelijking met de stand der techniek en verder kan deze spanning eenvoudig worden geregeld.

In het volgende zal de versterker, die getoond is in figuur 5 in meer detail worden besproken.

15 Omdat de vibrator in een transducent van het bekende type als getoond in figuur 4 is geconstrueerd om te oscilleren in een niet-lineair traject, wordt een veranderde oscillatiefrequentie verschaft die in amplitude wordt begrensd, bijvoorbeeld door een zenerdiode, en wordt een constructie gebruikt voor het regelen van een stuurspanning, die zo vaak veranderingen uitvoert als de amplitude van de vibrator de grenswaarden van de overgang met andere resonantiestelsels of met het meetfluïdum overschrijdt, waardoor het 20 genereren van een nauwkeurige resonantie-frequentie wordt verhinderd. Dit probleem kan met de versterker die getoond is in figuur 21 worden opgelost.

Figuur 21 toont schematisch een gedetailleerde constructie van de versterker 39 uit figuur 6.

Met de referentieaanduiding AMC1 wordt een versterkercircuit aangegeven, waarvan de ingangen (+), (-) verbonden moeten worden met de uitgangsaansluitingen 37, 38 van het vibratorlichaam 24. De uitgang is 25 verbonden met de ingang van een versterkercircuit AMC2 via een koppelcondensator C5 en deze genereert een uitgangsspanning op het knooppunt J. Deze uitgangsspanning wordt toegevoerd aan een versterkingsfactor-regelschakeling GAC via een faseregelcircuit PHC. Het versterkte uitgangssignaal van het faseregelcircuit GAC wordt na versterking in zijn eerste trap opgedrukt op de weerischakeling van een weerstand R10, een veldeffecttransistor Q, en een transformator T waardoor een uitgangsspanning, waarvan 30 de grootte wordt bestuurd, wordt gegenereerd aan de uitgangsaansluiting 35 van de secundaire wikkeling van de transformator T.

Anderzijds wordt een spanning Vj vanaf het knooppunt J toegevoerd aan een enkelzijdige gelijkricht-schakeling HWR, omgevormd in een gelijkspanning Ej, waarvan de grootte correspondeert met de amplitude van de spanning V,. en toegevoerd aan de inverterende ingang (-) vein de comparator CMP. Een referentie-35 spanning V., wordt opgedrukt op de niet-inverterende ingang (+) van de comparator CMP vanaf een amplitude instelcircuit ASC en de comparator CMP versterkt nu het verschil tussen de gelijkspanning Ef en de referentiespanning V1 en drukt de verschilspanning vanaf zijn uitgang op de gate van de veldeffecttransistor Q, waardoor de weerstand tussen de drain en de gate wordt beïnvloed en daarmee de stroom die loopt door de transformator T wordt gestuurd.

40 In deze schakeling wordt de fase geregeld door een condensator C6 en een weerstand R17 en de amplitude van de spanning, die geleverd wordt aan de uitgangszijde 35, wordt ingesteld door een weerstand R2e..

Als in de bovenbeschreven schakeling een spanning wordt opgedrukt op de ingangstransformator 33 door de versterker 39 dan loopt een stroom T vanaf de uitgang van deze transformator naar de eerste 45 vibrator 26A en derhalve trilt de eerste vibrator 26 vanwege de elektromotorische kracht, die in samenwerking met het magnetische veld van de magneet 17 wordt opgewekt. Via de tweede vibrator 27, wordt de trilling van de eerste vibrator 26A overgebracht op de eerste vibrator 26B waardoor als gevolg van de aanwezigheid van de magneet 17 een spanning e wordt gegenereerd op de eerste vibrator 26B, welke spanning via de uitgangstransformator 36 wordt toegevoerd aan de versterker 39. De versterker 39 versterkt 50 de spanning en genereert de versterkte spanning op zijn uitgangsaansluiting 35.

De versterkte spanning wordt dan opgedrukt op de ingangstransformator 33 en vandaar opgedrukt op de eerste vibrator 26A als een grotere spanning.

Door de bovenbeschreven terugkoppeling vanaf de versterker 39 naar het vibratorlichaam 24 ontstaat een zelfoscillatie. Door het instellen van de versterkingsfactor in de kring op een waarde 1 of hoger wordt 55 de zelf-oscillatie blijvend.

In dit geval wordt de spanningsamplitude van de zelf-oscillatie zodanig geregeld dat er een constante fout op de referentiespanning Vr wordt verkregen.

11 193884

Dat wil zeggen wanneer de gelijkspanning Ej corresponderend met de junctiespanning Vj groot is ten opzichte van de referentiespanning Vp dan wordt de inwendige weerstand van de veldeffect transistor Q1 vergroot vanwege een uitgangssignaal van de comparator CMP in overeenstemming met deze afwijkingen en wordt de stroom die door de transformator T loopt kleiner waardoor ook de uitgangsspanning op de 5 uitgangsaansluiting 35 kleiner wordt. Als resultaat daarvan wordt de spanning die wordt opgedrukt op het vibratorlichaam 24 kleiner en wordt ook de spanning die wordt ingevoerd in de versterker 39 kleiner.

Als anderzijds de gelijkspanning E, die correspondeert met de junctiespanning V, klein is ten opzichte van de referentiespanning Vr dan wordt deze hele functioneringswijze omgekeerd.

De oscillatie-amplitude werkt dus samen met de referentiespanning Vr binnen een traject met een 10 constante fout. Deze fout wordt bepaald door de verhouding (uitgangsspanning/versterkingsfactor van de comparator CMP) van de comparator CMP. Als derhalve de versterkingsfactor van de comparator CMP groot is dan kan de waarde van de fout worden verwaarloosd en wordt de amplitude van de vibrator in principe gelijk aan die van de referentiespanning Vr onder alle omstandigheden.

De invloed van het toepassen van de schakelingsconfiguratie, die getoond is in figuur 21 zal worden 15 beschreven met verwijzing naar de figuren 22 en 23.

Figuur 22 toont de invloed bij toepassing van de schakelingsconfiguratie in figuur 21 en figuur 23 heeft de invloed aan bij toepassing van een op zichzef bekende schakelingsconfiguratie, waaruit de veldeffect consistor Q1 getoond in figuur 21 is verwijderd en vervangen door een kortsluiting en waarbij een constante stuurkracht (een kracht die werkt op een constante voedingsspanning) wordt toegepast. In beide gevallen is 20 een schaaldeel langs de horizontale as, waarlangs de druk is uitgezet, gelijk aan 1 kg/cm2, langs de verticale as is de fluctuatie als percentage aangegeven.

Het zal uit deze resultaten duidelijk zijn, dat een fluctuatie van ± 0,005% optreedt in het geval van figuur 22, terwijl een fluctuatie van ± 0,25% optreedt in figuur 23, hetgeen dus een verbetering met factor 5 of meer betekent ten opzichte vein de stand der techniek.

25 Zoals in het bovenstaande concreet is beschreven omvat de uitvinding het detecteren van een zelf-oscillatie amplitude halverwege de versterker, het vergelijken van de gedetecteerde amplitude met een voorafingestelde referentiespanning, en het sturen van een versterkingsfactor-regelschakeling aangebracht in de laatste trappen, waarmee wordt gezorgd dat de amplitude overeenstemt met die van de referentiespanning waardoor een constante amplitude wordt verkregen, met andere woorden de oscillatie-amplitude 30 wordt constant gehouden onder alle omstandigheden zonder dat er invloed op uitgeoefend wordt door de externe omstandigheden, en fluctuaties zullen geen invloed hebben op de zelf-oscillatie-frequentie, zodat een zeer nauwkeurige transducent van het trillingstype kan worden gerealiseerd.

Zoals concreet in het bovenstaande aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden is aangegeven, verschaft de uitvinding de volgende voordelen: 35 (a) In overeenstemming met de constructie die gedefinieerd is in de navolgende conclusie 1 is het vibratorlichaam verdeeld in een eerste vibrator 26A voor excitatiedoeleinden en een eerste vibrator 26B voor het detecteren van een elektromotorische kracht en verder zijn de kringen van de eerste vibrators 26A en 26B mechanisch gekoppeld via de tweede vibrator 27, waardoor een hoge signaal-ruisverhouding (S/N-verhouding) van de excitatiecomponent kan worden verkregen, zonder dat dit invloed heeft op de excitatie-40 stroomcomponent, en derhalve kan een transducent van het trillingstype worden gerealiseerd met een stabiel uitgangsfrequentiesignaal.

(b) De constructie als gedefinieerd in de navolgende conclusie 2 geeft aan dat de richting van de vibrators-trip correlatief begrensd is tot een as van het monokristailijne silicium waardoor een soortgelijk effect als in claim 1 kan worden verwacht.

45 (c) Volgens de constructie die gedefinieerd is in de navolgende conclusie 3 worden de tweede epitaxiale laag, die dienst doet als eerste vibrator, en de omhulling integraal met het substraat gevormd, zodat het substraat niet aan de omhulling of afdichting behoeft te worden gehecht, waardoor instabiliteit als gevolg van een overgang kan worden vermeden. Omdat in de tweede plaats de vibrator van de omgeving kan worden geïsoleerd met behulp van een eenvoudige structuur kan gemakkeilijk een miniaturisatie worden 50 gerealiseerd. Omdat in de derde plaats een halfgeleidertechniek wordt gebruikt, kan een nauwkeurige positionering en vorming van de vibrator en de omhulling of afdichting eenvoudig worden gerealiseerd.

(d) De constructie die gedefinieerd is in de navolgende conclusie 4 beschrijft een begrenzing van de omvang van elk deel van het fabricageproces dat gedefinieerd is in figuur 3 door een geleidingsmodus, waarmee een soortgelijk effect als in conclusie 3 kan worden verzekerd.

55 (e) In overeenstemming met de constructie die gedefinieerd is in de navolgende conclusie 5 wordt het fabricageproces, gedefinieerd in conclusie 3, toegepast op een fabricageproces voor een H-vormige vibratorlichaam, eveneens hetzelfde zodat ook voor de H-vormige uitvoeringsproces hetzelfde effect als

Claims

193884 12 resulterend uit de werkwijze van conclusie 3 kan worden verzekerd. (f) De constructie volgens de navolgende conclusie 6 heeft een beperking aan van het fabricageproces volgens conclusie 3 en wel tot een fabricageproces voor de vibrator, het met de spleet corresponderende deel en het met de omhulling corresponderende deel en wel via de epitaxiale groei, waardoor een 5 soortgelijk effect als in conclusie 3 omschreven, wordt verzekerd. (g) Volgens de constructie die gedefinieerd is in de navolgende conclusie 7 wordt een betere opbrengst verzekerd in vergelijking met het fabricageproces dat gedefinieerd is in conclusie 4. (h) Volgens constructie als gedefinieerd in de navolgende conclusie 8 wordt de vibrator integraal gevormd met het siliciumsubstraat via een voorafbepaalde tussenspleet, en met behulp van een voorafbepaalde 10 werkwijze wordt op eenvoudige wijze een vacuum gehandhaafd, waardoor de transducent van het trillingsproces, zowel wat betreft zijn drukkarakteristiek als ook zijn temperatuurkarakteristiek aanzienlijk wordt verbeterd ten opzichte van de stand der techniek. (i) In overeenstemming met de constructie als gedefinieerd in de navolgende conclusie 9 omvat de werkwijze het in een atmosfeer van waterstof afdichten naar een vacuüm als uitbreiding op de werkwijze uit 15 conclusie 8, waardoor een soortgelijk effect als in conclusie 8 wordt verkregen, eveneens wordt verzekerd. 0 In overeenstemming met de constructie die gedefinieerd is in conclusie 10 omvat de werkwijze het in een atmosfeer van zuurstof afdichten naar vacuüm als uitbreiding op het fabricageproces van conclusie 8, waardoor een soortgelijk effect als in conclusie 8 omschreven, wordt verzekerd en verder diverse fabricage-technische voordelen kunnen worden bereikt. 20 (k) Volgens de constructie als beschreven in de navolgende conclusie 11 wordt een voorspanning meegegeven aan de vibrator met behulp van een eenvoudige constructie in vergelijking met de stand der techniek en verder kan deze voorspanning op eenvoudige wijze worden geregeld. (I) Volgens de constructie als gedefinieerd in de navolgende conclusie 12 wordt een voorspanning meegegeven aan de H-vormige vibrator, die gedefinieerd is in conclusie 2 via een eenvoudige constructie, 25 en verder kan deze voorspanning op eenvoudige wijze worden geregeld. (n) Volgens de constructie die gedefinieerd is in conclusie 13 omvat de uitvinding het detecteren van de amplitude van de zelf-oscillatie halverwege de versterker, het vergelijken van de gedetecteerde amplitude met een voorafingestelde referentiespanning, het besturen van een versterkingsregeltrap, die aangebracht is in het laatste deel van de versterker, zodanig dat de amplitude comcideert met die van de referentie-30 spanning, waardoor een constante amplitude wordt gehandhaafd en derhalve de oscillatie-amplitude constant wordt gemaakt onder alle omstandigheden zonder invloed van de omgeving, en een fluctuatie niet tot uitdrukking komt in de zelf-oscillatiefrequentie, zodat een transducent van het trillingstype werkend met een hoge nauwkeurigheid kan worden gerealiseerd. 35

1. Transducent van het trillingstype voorzien van een vibratorlichaam bestaande uit een monokristallijn siliciummateriaal aangebracht op een monokristallijn siliciumsubstraat, een excitatiemiddel voor het exciteren 40 van het vibratorlichaam door het toevoeren van een wisselstroom, een vibratiedetectiemiddel voor het detecteren van een geëxciteerde trilling in het vibratorlichaam, een magnetisch veldopdrukmiddel voor het opdrukken van een magnetische gelijkspanningscomponent orthogonaal op het vibratorlichaam en een versterker aangesloten tussen het excitatiemiddel en het vibratiedetectiemiddel, met het kenmerk, dat een H-vormig vibratorlichaam (26A, 26B, 27) wordt gebruikt voorzien van twee eerste vibrators (26A, 26B), 45 waarvan de tegenoverliggende uiteinden gefixeerd zijn aan het substraat (40) zodanig dat de twee eerste vibrators (26A, 26B) parallel aan elkaar lopen, terwijl een tweede vibrator (27) centrale gedeelten van de twee eerste vibrators (26A, 26B) mechanisch met elkaar koppelt, dat het excitatiemiddel (33) is ingericht voor het in trilling brengen van de vibrators (26A, 26B, 27) door onderlinge beïnvloeding met behulp van het genoemde magnetische gelijkspanningsveld door het toevoeren van genoemde wisselstroom aan de 50 tegenoverliggende uiteinde van één der eerste vibrators (26A; 26B) of aan gelijksoortige uiteinden van de twee eerste vibrators (26A, 26B), en dat het vibratiedetectiemiddel (36) is ingericht voor het detecteren van een elektromotorische kracht, die gegenereerd wordt aan de tegenoverliggende uiteinden van de andere eerste vibrator (26A; 26B) of aan de gelijksoortige uiteinden van de twee eerste vibrators (26A, 26B).

2. Transducent van het trillingstype volgens conclusie 1, gekenmerkt door een H-vormig vibratorlichaam 55 waarvan elke eerste vibrator (26A, 26B) gevormd is als een strip, diè verloopt in een [001] richting van een kristalvlak {100} van het substraat (40) waarop elke eerste vibrator (26A, 26B) is gevormd en de genoemde 13 193884 tweede vibrator (27) loodrecht staat op deze eerste vibrators (26A, 26B).

3. Werkwijze voor het vervaardigen van een transducent van het trillingstype volgens conclusie 1, gekenmerkt door de stappen van: - het vormen van een beschermende laag (52) op het siliciumsubstraat (40) en het verwijderen van een 5 H-vormig gedeelte (53) van de beschermende laag; - het vormen van een H-vormige uitsparing (54) in het siliciumsubstraat (40); - het vormen van een eerste (44), tweede (45), derde (46) en vierde (47) epitaxiale laag; - het vormen van een injectiepoort (48) op een zodanige wijze dat de eerste (44) en derde (46) epitaxiale laag bereikbaar zijn voor een etsmiddel via de injectiepoort (48); 10. het selectief wegetsen van de eerste (44) en derde (46) epitaxiale laag, waardoor de tweede epitaxiale laag (45) het H-vormig lichaam (26A, 26B, 27) vormt; - het luchtdicht afsluiten van de injectiepoort (48).

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het siliciumsubstraat (40) gedoteerd wordt met n-type doteringselementen, de eerste (44) en derde (46) epitaxiale lagen gedoteerd worden met p-type 15 doteringselementen en de tweede (45) en vierde (47) epitaxiale lagen gedoteerd worden met p-type doteringselementen met een concentratie van ten minste 4X1O19cm-3.

5. Werkwijze volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het H-vormig gedeelte (53) uitgelijnd is met de <001 > richting van het kristalvlak (100) van het siliciumsubstraat (40) en de richting loodrecht daarop.

6. Werkwijze volgens conclusie 3, 4 of 5, met het kenmerk dat de injectiepoort (48) gevormd wordt doordat 20 de beschermende laag (52) verwijderd wordt met behulp van een etsproces.

7. Werkwijze volgens een van de conclusies 3 tot en met 6, met het kenmerk, dat de werkwijze een verdere stap omvat van het vormen van een epitaxiale hulplaag (71) op het siliciumsubstraat (40) met een dikte van 1pm of minder en een p-type geleidbaarheid met een doteringsdikte van ten minste 3Χ1019οπΓ®.

8. Werkwijze voor het vervaardigen van een transducent van het trillingstype volgens een van de conclusies 25 3 tot en met 7, met het kenmerk, dat de eerste (44) en derde (46) epitaxiale lagen door etsen worden verwijderd teneinde een holle kamer (74) te vormen, vervolgens de genoemde injectiepoort (48) in een gasatmosfeer en onder een hoge temperatuur wordt afgedicht, waardoor de holle kamer (74) met inwendig vacuüm wordt gevormd.

9. Werkwijze voor het vervaardigen van een transducent van het trillingstype volgens conclusie 8, met het 30 kenmerk, dat in de genoemde gasatmosfeer waterstof wordt gebruikt.

10. Werkwijze voor het vervaardigen van een transducent van het trillingstype volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat in de genoemde gasatmosfeer zuurstof wordt gebruikt.

11. Transducent van het trillingstype volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een voorafbepaalde voorspanning wordt meegegeven aan elke vibrator (26A, 26B, 27) door het implanteren van vreemde 35 atomen met een bindingsstraal kleiner dan die van de atomen waaruit elke vibrator (26A, 26B, 27) is geconstrueerd.

12. Transducent van het trillingstype volgens conclusie 1, 2 of 11, met het kenmerk, dat voorzien is in een eerste versterkerschakeling (AMC1) voor het versterken van een signaal gegenereerd door het genoemde vibratorlichaam (26A, 26B, 27), een versterkingsfactorregelschakeling (GAC) voor het regelen van de 40 versterkingsfactor door het versterken van een signaal dat gerelateerd is aan het uitgangssignaal van de eerste versterkerschakeling (AMC1), een vergelijkingsschakeling (CMP) die een verschilsignaal afgeeft, gerelateerd aan het verschil tussen een signaal dat betrekking heeft op de amplitude van het uitgangssignaal van de eerste versterkerschakeling (AMC1) en een voorafbepaalde referentiewaarde, waarbij de genoemde versterkingsfactorregelschakeling (GAC) wordt bestuurd door het genoemde verschilsignaal 45 zodanig dat de amplitude van de zelfoscillatie constant wordt gehouden. Hierbij 15 bladen tekening