Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wandler, die eine induzierte Beanspruchung als
ein Mittel benutzen, um Beschleunigung, Druck, Temperatur und andere Variablen zu
messen und insbesondere auf Wandler, die Resonanzbalken als Sensoren verwenden.
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Resonanzsensoren sind während vieler Jahre verwendet worden, um hoch genaue
Messungen zu erzielen. Vibrationswandler sind in Beschleunigungsmessern,
Druckwandlern, Massenflußsensoren, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, luftdichten
Sensoren und Waagebalken verwendet worden. Diese Sensoren arbeiten auf dem Prinzip,
daß die natürliche Vibrationsfrequenz (d. h. die Resonanzfrequenz eines oszillierenden
Balkens oder eines anderen Elementes) eine Funktion der entlang des Elementes induzierten
Beanspruchung ist. Insbesondere erhöhen Dehnungskräfte, die den Balken zu verlängern
suchen, seine Resonanzfrequenz, während Kräfte, die den Balken zu komprimieren
versuchen, die natürliche Frequenz vermindern. Der Frequenzausgang von
Resonanzmessern wird leicht in digitale Ablesungen umgewandelt, die die gemessene Größe
wiedergeben und nur einen Zähler und einen Referenztakt für diesen Zweck erfordern.
Somit sind solche Meßgeräte einfach und zuverlässig und geben ein hohes Maß an
Unterscheidung vor, während ein relativ einfacher Sensor mit einer digitalen Schnittstelle
verwendet wird.
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Eine beispielhafte Verwendung eines Vibrationsbalken-Wandlers ist in dem US-Patent Nr.
3 486 383 (Riordan) gezeigt. Ein Paar paralleler Balken wird verwendet, um die
Winkelbewegung des Kardangelenkes eines Kreisels zu begrenzen. Eine Winkelbewegung in
einer Richtung hat das Bestreben, die vibrierenden Balken zu komprimieren, während eine
Winkelbewegung in der entgegengesetzten Richtung das Bestreben besitzt, die Balken unter
Spannung zu setzen. Änderungen in der natürlichen Frequenz der Balken geben einen
direkten Hinweis der Kardangelenk-Winkelbewegung vor.
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Das US-Patent Nr. 5 090 254 (Guckel et al) offenbart einen Resonanzbalken-Wandler, der
einen auf einem Substrat angeordneten Polysiliciumbalken für die Vibration relativ zu dem
Substrat und eine Polysiliciumhülse umfaßt, die den Balken umgibt und mit dem Substrat
befestigt ist, um einen Hohlraum vorzugeben, der abgedichtet ist und unter Vakuum steht.
Der Balken wird oszilliert durch Anlegen einer Oszillationsspannung an eine Elektrode an
der Hülse.
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Das US-Patent Nr., 3 657 667 (Nishikujbo et al) offenbart einen mechanischen Vibrator mit
drei parallelen Armen und drei piezoelektrischen Elementen, von denen jedes mit jedem der
Arme verleimt ist. Das Element auf einem der äußeren Arme wird verwendet, um den
Vibrator anzusteuern, während die verbleibenden piezoelektrischen Elemente ein Paar von
Sensoren vorgeben. Die Sensoren geben einem Verstärker einen Eingang vor, wobei der
Ausgang des Verstärkers dem ansteuernden piezoelektrischen Element vorgegeben wird.
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Resonanzelemente sind ebenfalls magnetisch angetrieben worden. In dem US-Patent Nr.
4 801 897 (Flecken) ist ein Magnet jeweils an zwei parallelen Fluid führenden Röhren
angeordnet. Ein Spulenmagnet, der zwischen den zwei Röhrenmagneten angeordnet ist,
wird durch einen Anregungsschaltkreis betätigt, um die Röhren zu oszillieren. Optische
Sensoren stellen die Positionen der oszillierenden Röhren fest und liefern eine
Positionsinformation als Eingang zu dem Anregungsschaltkreis.
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Ein vibrierender Doppelbalken-Kraftumformer ist in dem US-Patent Nr. 4 901 586 (Blake
et al) gezeigt. Ein Paar paralleler Balken ist zwischen einem Paar von Elektroden
angeordnet. Ein Ansteuerschaltkreis liefert eine Oszillationsspannung an die Elektroden, um
elektrostatisch die Balken anzusteuern, wodurch die Balken zu einer Oszillation in einer
Ebene veranlaßt werden, die die beiden Balken enthält. Die mechanische Resonanz der
Balken steuert die Oszillationsfrequenz. In einem alternativen Ausführungsbeispiel (in Fig. 7
von Blake gezeigt) ist einer der zwei parallelen Balken geerdet, während ein
Ansteuerschaltkreis eine Oszillationsspannung an den anderen Balken anlegt, so daß beide Balken
elektrostatisch oszillieren.
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Einer der Hauptvorteile von Resonanzmessern liegt darin, daß die Resonanzfrequenz nur
von den geometrischen und mechanischen Eigenschaften des oszillierenden Balkens abhängt
und nahezu unabhängig von elektrischen Eigenschaften ist. Infolgedessen sind genaue Werte
(z. B. Widerstand und Kapazität) der Ansteuer- und Sensorelektroden nicht kritisch. Ein
möglicher Nachteil liegt darin, daß irgendeine parasitäre Kopplung zwischen den Ansteuer-
und Sensorelektroden die Genauigkeit des Resonanzmessers vermindern kann. Ferner ist bei
einer herkömmlichen kapazitiven Ansteueranordnung die Kraft zwischen dem oszillierenden
Balken und der Ansteuerelektrode quadratisch, was zu einem unerwünschten Frequenz-
Zieheffekt führt. Während kristalline Quarz-Piezowiderstände in Resonanzmesser-
Anwendungen befriedigend verwendet worden sind, begrenzt ihre Größe ihre praktische
Verwendbarkeit.
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Ein Resonanz-Mikrobalken ist in einem Artikel von J. D. Zook in "Sensors and actuators",
Band A35, Nummer 1 vom 1. Oktober 1992 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gibt eine Verformungs-Erfassungsvorrichtung vor, wie sie
nachstehend im Patentanspruch 1 definiert ist.
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Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls irgendeines oder mehrere der Merkmale der
nachstehenden abhängigen Ansprüche 2 bis 6 vorgeben.
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Ein klarer Vorteil ergibt sich aus der Erzeugung eines gleichmäßigen und konstanten
elektrischen Feldes unter Verwendung eines Paares von festen Elektroden, während das
Biegeelement mit einer Oszillationsspannung angesteuert wird, die an eine
Ansteuerelektrode an dem Balken geliefert wird. Insbesondere wird, wenn eine sinusförmige
Ansteuerspannung an den Balken angelegt wird, eine Ladung in die Ansteuerelektrode
injiziert. Eine positive Spannung liefert eine positive Ladung, um den Balken gegen die
negative Elektrode auszulenken. Andererseits lenkt eine negative an den Balken angelegte
Spannung den Balken in der entgegengesetzten Richtung gegen die positive
Vorspannelektrode aus. Die Kraft ist proportional zu der Ansteuerspannung, dem
Vorspannungsfeld und der Ansteuerelektroden-Kapazität. Wenn die letzten zwei Werte im
wesentlichen konstant bleiben, so ist die Kraft proportional zu der Ansteuerspannung und
verändert sich linear mit der Ansteuerspannung. Dementsprechend wird der Frequenz-
Zieheffekt einer quadratischen Ansteuerkraft eliminiert.
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Das Ansteuersignal variiert um einen mittleren Spannungspegel ungefähr in der Mitte
zwischen dem ersten Spannungspegel und dem zweiten Spannungspegel. Insbesondere
entspricht der mittlere Spannungspegel der Masse und die ersten und zweiten
Spannungspegel sind zumindest ungefähr gleich in ihrem Pegel und besitzen
entgegengesetzte Polarität. In diesem Fall ist es vorteilhaft, das Biegeelement annähernd
quer in der Mitte zwischen der ersten und zweiten Vorspannungselektrode anzuordnen.
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Die Positions-Erfassungseinrichtung kann einen Piezowiderstand umfassen, der auf dem
Balken oder einem anderen Biegeelement gebildet ist und der elektrisch von der
Ansteuerelektrode isoliert ist. Zum Beispiel kann der Piezowiderstand koplanar mit der
Ansteuerelektrode sein und von dieser beabstandet sein. Der Piezowiderstand ist
vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf Masse vorgespannt. Die Ansteuerelektrode
befindet sich "normalerweise" auf Masse in dem Sinn, daß die Ansteuerspannung um das
Massepotential oszilliert. Dies eliminiert eine Gleich-Vorspannung zwischen dem
Piezowiderstand und der Ansteuerelektrode und eliminiert somit jegliche elektrostatische
Auslenkung, die auf Grund einer solchen Vorspannung entstehen könnte.
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Die Vorspannungselektroden wirken als Abschirmungen für die Wechselspannungen und
vermindern somit jegliche parasitäre Kapazität zwischen der Ansteuerelektrode und der
Sensorelektrode (Piezowiderstand). Um ferner die Möglichkeit für eine solche parasitäre
Kupplung zu vermindern, kann eine Hilfs-Schirmelektrode auf dem Balken zwischen der
Ansteuerelektrode und dem Piezowiderstand gebildet werden. Die Abschirmelektrode wird
auf einem festen Gleichspannungspotential und wechselspannungsmäßig auf Masse gehalten
und bildet eine "Faraday"-Abschirmung.
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Der Balken oder ein anderes Resonanzelement oszilliert vorzugsweise in einem Vakuum,
um externe Umgebungseinflüsse bei Frequenzablesungen auf einem Minimum zu halten. Zu
diesem Zweck können die Abdeckung und das Substrat zusammenarbeiten, um eine
fluiddichte Umhüllung zu bilden, die den Balken enthält. Das Substrat, die Abdeckung und
der Balken können alle aus Halbleitermaterial gebildet sein. Insbesondere besteht das
bevorzugte Substrat aus Silicium. Der Balken und die Abdeckung sind aus getrennten
Polysilicium-Dünnfilmen gebildet, die auf dem Substrat abgelagert werden, wobei geeignete
Opferschichten nachfolgend durch Ätzen entfernt werden, um den Balken zu definieren. Der
Balken ist in der Abmessung mikroskopisch. In einem Beispiel besitzt der Balken eine
Länge von ungefähr 300 um, eine Breite von ungefähr 30 um und eine Dicke von ungefähr
2 um. Das Substrat und die Abdeckung können so bemessen sein, daß der gesamte
Resonanzmesser wesentlich kleiner als eine herkömmliche Meßanordnung ist, die auf einem
Einzelkristall-Piezowiderstand beruht mit z. B. ungefähr 0,5 cm in seiner Hauptabmessung.
Die Bildung des Schwingbalkens durch Ätzen gibt den weiteren Vorteil vor, daß der Balken
und die ihn direkt abstützende Struktur aus dem gleichen Material sind. Dies eliminiert
Fehler, die auf Grund der Schnittstellenbildung des Balkens mit unterschiedlichen
Materialien, die den Balken abstützen, entstehen. Die monolithische Struktur kann durch
Kombinationen wohlbekannter Halbleiter-Verarbeitungsschritte gebildet werden, z. B. durch
chemische Niederdruck-Dampfablagerung (LPCVD) für die Ablagerung von Polysilicium
und der Opferschichten und durch Ätzschritte zur Entfernung der Opferschichten, um den
Balken zu definieren. Silangas, LPCDV-Siliciumnitrit oder ein oxydierendes Gas können
verwendet werden, um die Umhüllung um den Balken abzudichten. Das Ergebnis ist ein
hoch genauer und stabiler Resonanzmesser, der in der Lage ist, über weite
Frequenzbereiche und Temperaturabweichungen zu funktionieren. Die Meßanordnungen haben sich
als hoch empfindlich herausgestellt und sie zeigen z. B. ein Verhältnis der Frequenzänderung
zu der Resonanzfrequenz von bis zu 1500 mal der Beanspruchung (Änderung der Länge
geteilt durch die Nominallänge). Somit sind Resonanzmesser gemäß der vorliegenden
Erfindung zuverlässig, können mit relativ geringen Kosten hergestellt werden und können in
einer großen Vielzahl von anspruchsvollen Anwendungen verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein weiteres Verständnis der obigen und anderen Merkmale und Vorteile sei Bezug
genommen auf die folgende detaillierte Beschreibung und auf die Zeichnungen, in welchen:
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Fig. 1 eine Ansicht einer bekannten Druck-Erfassungseinrichtung ist;
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Fig. 2 eine ebene Draufsicht der Druck-Erfassungseinrichtung ist;
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Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 ist;
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Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles von Fig. 3 ist, die einen
Resonanzmesser der Einrichtung zeigt;
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Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 4 ist;
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Fig. 6 eine ebene Draufsicht eines Resonanzbalkens der Meßanordnung und seiner
umgebenden Struktur ist, die entlang der Linie 6-6 in Fig. 5 genommen wird;
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Fig. 7 eine schematische Ansicht des Resonanzmessers und eines zugeordneten
Oszillatorschaltkreises ist;
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Fig. 8 und 9 den Resonanzmesser bei zwei Herstellungsstufen veranschaulichen;
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Fig. 10 eine Schnittansicht eines anderen Resonanzmessers ist, der nicht gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
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Fig. 11 eine schematische Ansicht ist, die einen Beschleunigungsmesser
veranschaulicht, der einen Resonanzmesser gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet; und
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Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Resonanzmessers gemäß einem alternativen
Ausführungsbeispiel und eines Erfassungsschaltkreises für die Balkenposition
ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu verbessern, ist in den Fig. 1 bis 9
eine bekannte Erfassungseinrichtung 16 gezeigt. Die Einrichtung umfaßt ein
Siliciumsubstrat oder eine Basis 18 umfassend einen starren Umfangsrand 20 und eine Membran 22,
die durch den Rand umgeben ist. Die Membran besitzt einen Durchmesser im Bereich von
20-100 mil und sie ist flexibel und dünn und besitzt z. B. eine Dicke im Bereich von
10-80 um. Der Boden des Randes 20 ist thermoelektrisch mit einem Rohr 24 aus Pyrex
(Markenname)-Glas oder einem anderen geeigneten Material, z. B. Keramik, Mullit,
bestimmte Plastiken und Silicium verklebt. Das Rohr 24 ist innerhalb einer Grundplatte 26
abgestützt. Eine Abdeckung 28 ist mit der Grundplatte befestigt und wirkt mit der
Grundplatte zusammen, um eine Kammer 30 zu definieren. Somit ist die
Erfassungseinrichtung 16 an der Schnittstelle der Kammer 30 mit dem Inneren des Rohres 24 positioniert.
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Ein druckempfindlicher Resonanz-Dehnungsmesser 32 ist auf der Oberseite der
Erfassungseinrichtung 16 auf der Membran 22 in der Nähe des Umfangsrandes 20 montiert.
Ein im wesentlichen gleicher Resonanzmesser 34 ist mit der Erfassungseinrichtung am Rand
20 montiert und spricht demgemäß nicht auf die Ausbiegung der Membran an. Der
Resonanzmesser 34 ist somit als eine Referenz verwendbar, um irgendwelche Bewegungen
des Dehnungsmessers 32 auf Grund von Faktoren "herauszufiltern", die nicht auf einen
Druck zurückzuführen sind, der die Membranauslenkung hervorruft, z. B.
Temperaturänderungen. Wie in Fig. 2 erkennbar, ist die Membran 22 kreisförmig, obgleich
vermerkt sei, daß die Membran mit einer alternativen Form, z. B. quadratisch oder
rechteckförmig gebildet werden kann, falls dies erwünscht ist.
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Wie in Fig. 4 erkennbar, umfaßt der Resonanzmesser 32 einen länglichen Balken 36, der aus
feinkörnigem Polysilicium mit geringer Dehnungsbeanspruchung (polykristallines Silicium)
gebildet ist. Der Balken 36 besitzt eine Länge im Bereich von 100-1000 um und
vorzugsweise von ungefähr 200 um, eine Dicke (in vertikaler Richtung in den Fig. 4
und 5) von ungefähr 2 um und eine Breite von ungefähr 40 um. Gegenüberliegende Enden
des Balkens, die bei 38 und 40 angezeigt sind, sind zwischen dem Substrat 18 (insbesondere
der Membran) und einer im wesentlichen starren Umhüllung oder Abdeckung 42, die
ebenfalls aus Polysilicium gebildet ist, befestigt. Ein mittlerer Bereich 44 des Balkens kann
frei innerhalb einer Kammer 46 oszillieren, die durch die Abdeckung und das Substrat
gebildet ist.
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Eine obere Vorspannelektrode 48 ist auf einem Oberflächenteil der Abdeckung 42 gebildet
(z. B. durch Implantierung) und eine ähnliche untere Vorspannelektrode 50 ist auf einer
Oberfläche der Membran 22 entlang des Bodens der Kammer 46 gebildet. Die Elektrode 50
ist von dem Substrat 18 durch die Herstellung eines PN-Überganges isoliert. Alle
Elektroden können voneinander durch PN-Übergänge oder Isolierschichten, z. B. aus
Siliciumnitrit isoliert sein. Eine Ansteuerelektrode 52 ist entlang der Oberfläche des Balkens
gebildet. Ein Piezowiderstand 54 ist ebenfalls entlang der Oberfläche des Balkens gebildet
und ist koplanar zu der Ansreuerelektrode 52 und beabstandet von der Elektrode 52 und
daher elektrisch von der Ansteuerelektrode isoliert. Die Vorspannelektroden 48 und 50 sind
von der Ansteurelektrode 52 quer bezüglich der Länge oder der Längsabmessung des
Balkens beabstandet, wobei die Ansteuerelektrode 52 ungefähr quer zwischen den
Vorspannelektroden zentriert ist.
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Wie in Fig. 6 erkennbar, ist der Balken 36 als Teil eines größeren Polysilicium-Dünnfilmes
56 gebildet, wobei sich Längslücken 58 und 60 entlang der gegenüberliegenden Seiten des
Balkens erstrecken. Die Ansteuerelektrode 52 ist im wesentlichen rechteckförmig, obgleich
die Form nicht kritisch ist. Der Piezowiderstand 54 umfaßt Kontaktkissen 62 und 64 und ein
Paar relativ dünner Beine 66 und 68. Die Beine erstrecken von den Kissen in den mittleren
Balkenbereich zu einem vergrößerten Teil 70, der elektrisch die Beine verbindet. Die Beine
66 und 68 besitzen natürlich einen wesentlich größeren Widerstand als der vergrößerte Teil
70. Dementsprechend tritt nahezu das gesamte Spannungsdifferential zwischen den Kissen
62 und 64 entlang der Beine auf, was das Beibehalten eines gewünschten Spannungspegels,
vorzugsweise Massepegel, des vergrößerten Teils 70 erleichtert.
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Die Druck-Erfassungseinrichtung 16 mißt ein Druckdifferential (d. h. die Differenz
zwischen den Drücken p&sub1; und p&sub2; auf gegenüberliegenden Seiten der Membran 22),
basierend auf der Frequenz, mit der der Balken 36 oszilliert. Insbesondere erzeugt die
Biegung der Membran 22 eine axiale Beanspruchung des Balkens 36, wodurch eine
Beanspruchung entlang des Balkens eingeführt wird. Eine Abwärtsbiegung der Membran 22
hat das Bestreben, den Balken 36 zu verlängern und seine natürliche Resonanzfrequenz zu
erhöhen. Umgekehrt hat eine Aufwärtsablenkung der Membran das Bestreben, den Balken
zu komprimieren und die Resonanzfrequenz zu vermindern.
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Um die gewünschte Oszillation des Balkens 36 aufrechtzuerhalten, wird ein periodisch
oszillierender Spannungspegel an die Ansteuerelektrode 52 angelegt, während ein im
wesentlichen gleichförmiges und konstantes elektrisches Feld in dem Bereich um den
Balken aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck wird die Vorspannelektrode 48 auf einem
konstanten positiven Spannungspegel +V gehalten, während die Vorspannelektrode 50 auf
einem konstanten Spannungspegel -V gehalten wird. Mit anderen Worten besitzen die
Vorspannelektroden Spannungen gleicher Größe aber entgegengesetzter Polarität. Die
Ansteuerelektrode 52 wird auf Massepotential gehalten, während die Ansteuerspannung um
den Massepegel oszilliert. Wenn die periodische Ansteurspannung (vorzugsweise
sinusförmig) an die Elektrode 52 angelegt wird, so wird eine Ladung in die
Ansteuerelektrode injiziert. Eine positive Spannung injiziert eine positive Ladung, um den
Balken 36 nach unten abzulenken auf Grund der Anziehung zwischen der Ansteuerelektrode
und der negativen Vorspannelektrode 50. Eine negative Spannung lenkt den Balken 36 nach
oben aus auf Grund der Anziehung der Vorspannelektrode 48. In jedem Fall ist die
Anziehkraft proportional zu der Ansteuerspannung, dem Vorspannfeld und der Kapazität
der Ansteuerelektrode 52. Unter der Annahme, daß die Kapazität der Ansteuerelektrode
und das Vorspannfeld im wesentlichen konstant sind, verändert sich die Anziehkraft linear
mit der Ansteuerspannung. Während die Vorspannelektroden auf +15 Volt und -15 Volt
gehalten werden können, hat es sich als befriedigend herausgestellt, die Vorspannelektroden
auf Pegeln so gering wie z. B. einem Bruchteil eines Volts zu halten, wobei sich die
Amplituden der Ansteuerspannung auf weniger als einem Millivolt befinden.
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Das lineare Verhalten ist vorteilhaft insofern als die sinusförmige Oszillation des Ansteuer-
Spannungssignales der mechanischen Oszillation des Balkens 36 entspricht. Im Gegensatz
hierzu führt eine Lösung, bei der eine geerdete Ansteuerelektrode durch eine periodisch
oszillierende Spannung, die an eine der Vorspannelektroden angelegt wird, angesteuert wird
zu einer quadratischen Kraft zwischen der Vorspannelektrode und der Elektrode auf dem
Balken. Dies gibt Veranlassung zu einer unerwünschten zweiten harmonischen Störung und
zu einer Tendenz, den Balken mit dem Zweifachen der angelegten Frequenz anzusteuern
und dies kann zu einer Übersteuerung des Balkens und zu einer Verschiebung in der
Resonanzfrequenz oder einer unerwünschten Hysterese führen. Somit ist die Anlegung eines
oszillierenden Ansteuerstromes an den Balken innerhalb eines konstanten und
gleichförmigen elektrischen Feldes ein hervorragender Vorteil, wobei die Oszillation des
Ansteuersignales dichter an den mechanischen Oszillationen des Balkens liegt.
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Der Piezowiderstand 54 arbeitet als eine Einrichtung zur Feststellung der momentanen
Position des Balkens 36 in Bezug auf das Substrat und die Abdeckung durch Erzeugung
einer Detektorspannung, die mit der Balkenposition variiert. Die Art und Weise, in der der
Piezowiderstand die Detektorspannung erzeugt, ist in der Technik bekannt und wird hier
nicht weiter erläutert.
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Die Detektorspannung wird als ein Eingang einem Oszillatorschaltkreis vorgegeben, dessen
Ausgang das periodische Ansteuer-Spannungssignal vorgibt. Das Ansteuer-Spannungssignal
wird der Ansteuerelektrode 52 vorgegeben, um den Balken 36 im eingeschwungenen
Oszillationszustand auf seiner Grund-Resonanzfrequenz zu halten. Für einen Polysilicium-
Balken mit der beschriebenen mikroskopischen Größe kann die Resonanzfrequenz innerhalb
eines Bereiches von 100 kHz bis 2 MHz liegen und hat das Bestreben, innerhalb des
engeren Bereiches von 200-500 kHz zu arbeiten. Da das Silicium nicht piezoelektrisch ist,
wird der Balken durch die elektrostatische Kraft zwischen jeder der
Vorspannungselektroden und der Ansteuerelektrode angesteuert (d. h. oszilliert). In jedem Fall wirkt eine der
Vorspannungselektroden und die Ansteuerelektrode als zwei Platten eines Kondensators.
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Der schematisch in Fig. 7 gezeigte Oszillatorschaltkreis bildet eine geschlossene Schleife für
die kontinuierliche Einstellung der Frequenz des Ansteuersignales in Richtung auf eine
Koinzidenz mit der natürlichen Resonanzfrequenz, bei der der Balken 36 oszilliert. Die
Vorspannelektroden 48 und 50 sind auf Pegeln +V und -V entsprechend vorgespannt, um
das geforderte gleichförmige und konstante elektrische Feld im Bereich um den Balken 36
und insbesondere um die Ansteuerelektrode 52 zu erzeugen. Die Widerstände 72 und 74
besitzen ungefähr den gleichen Wert, um die Ansteuerelektrode gegen Masse vorzuspannen,
d. h. auf den mittleren Wert: der Vorspannung. Wenn der Balken 36 mechanisch oszilliert, so
liefert der Piezowiderstand 54 das Detektorsignal als einen Eingang zu einem Verstärker 76.
Das Detektorsignal bildet eine momentane Ablesung der Balkenposition in Form einer
Spannung, die mit der gleichen Frequenz wie die Frequenz der Balkenoszillation oszilliert.
Ein automatischer Verstärkungs-Steuerschaltkreis 78 bildet eine Rückkopplung zu einem
Verstärker 76, um eine Störung auf der Oszillationsfrequenz zu verhindern.
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Das Ansteuer-Spannungssignal, das an die Ansteuerelektrode 52 durch einen
Ansteuerkondensator 80 vorgegeben wird, basiert auf dem Ausgang des Verstärkers 76.
Insbesondere ist der Verstärkerausgang über einen Widerstand 82 und einen Kondensator
84 an einen Schaltkreis angeschlossen, der Dioden 86 und 88 umfaßt. Die Dioden arbeiten
mit dem Widerstand 82 zusammen, um die Signalamplitude festzulegen. Die Festlegung
begrenzt die Oszillation des Balkens 36 auf Amplituden innerhalb des linearen
Ansprechbereiches. Ein Potentiometer 90 gestattet die Feinabstimmung unter Einstellung
des Ansteuer-Spannungssignales bezüglich der mittleren Amplitude. Andere automatische
Verstärkungs-Steuerverfahren sind in gleicher Weise anwendbar und sind dem Fachmann
bekannt.
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Der Ausgang des Verstärkers 76 wird ebenfalls einem Ausgangs-Pufferverstärker 92
vorgegeben. Der Pufferverstärkerausgang wird einem digitalen Zähler 94 vorgegeben, der
ebenfalls einen Takteingang von einem Oszillator 96 empfängt. Der Ausgang des Zählers 94
wird weiteren digitalen Schaltkreisen vorgegeben für eine direkte Ablesung der
Beanspruchung, des Druckes oder anderer Parameter in Echtzeit in Abhängigkeit von der
Resonanzfrequenz des Balkens 36, wenn er oszilliert.
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Wie zuvor erwähnt, verändern Änderungen in der Beanspruchung entlang der Länge
(Längsabmessung) des Balkens 36 auf Grund von in Längsrichtung angelegten externen
Kräften die natürliche Resonanzfrequenz des Balkens. Wenn der Balken beginnt, auf einer
unterschiedlichen Frequenz auf Grund einer Beanspruchungsänderung zu oszillieren, so
wird die unterschiedliche Frequenz in dem Piezowiderstand 54 erfaßt und das
Detektorsignal wird dem Verstärker 76 als die neue Frequenz vorgegeben. Der Ausgang des
Verstärkers 76 steuert die Frequenz des Ansteuer-Spannungssignales. Auf diese Weise wird
die Frequenz des Ansteuer-Spannungssignales kontinuierlich und steuerbar in Richtung auf
eine Koinzidenz mit der natürlichen Resonanzfrequenz des Balkens 36 eingestellt. In der
Praxis hat sich herausgestellt, daß Änderungen in der Resonanzfrequenz bezüglich einer
Grundfrequenz (f/f) in dem Bereich von 600-1200 mal der Beanspruchungsänderung oder
der Balkenverlängerung (l/l) liegen. Dies gibt ein hohes Maß an Genauigkeit und
Empfindlichkeit bei geringen Änderungen in der Beanspruchung vor. Im Vergleich hierzu
besitzt ein herkömmlicher Einzelkristall-Silicium-Piezowiderstand einen Meßfaktor
typischerweise im Bereich von ungefähr 60-100 in Abhängigkeit von der Dotierung und
Ausrichtung. Dieser Meßfaktor, gemessen anhand des Widerstandes (r/r) im Vergleich zur
Beanspruchung (l/l), ist in jedem Fall geringer als ungefähr 120.
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Druck-Erfassungseinrichtungen, wie z. B. die Einrichtung 16 werden mit einer Ausrüstung
hergestellt, die bei der Herstellung von Halbleiterchips bereits verfügbar ist. Insbesondere
beginnt das Verfahren mit einem Siliciumplättchen 98, aus welchem mehrere
Erfassungseinrichtungen hergestellt werden. Das Material ist vorzugsweise Silicium vom
n-Typ.
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Der erste Schritt umfaßt die Bildung mehrerer ebener Rinnen auf einer Seite des Plättchens,
wobei eine Rinne einer jeden Einrichtung entspricht. Eine Vorspannelektrode 99 wird in
jeder Rinne 101 gebildet. Eine untere Opferschicht aus Siliciumdioxyd ((SiO&sub2;) wird durch
örtliche Oxydation gebildet, wie dies bei 100 in Fig. 8 angezeigt ist. Eine weitere Oxydation
in dieser Stufe bildet Ätzkanäle.
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Eine Dünnfilmschicht aus feinkörnigem Polysilicium 102 geringer Beanspruchung wird auf
dem Plättchensubstrat 98 und der Opferschicht abgelagert, vorzugsweise durch eine
chemische Dampfablagerung mit geringem Druck.
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Nach der Ablagerung der Polysiliciumschicht 102 werden eine Ansteuerelektrode 104, ein
Piezowiderstand 106 und die erforderlichen elektrischen Leitungen für diese Komponenten
auf der Polysiliciumschicht 102 durch Bor-Implantierung gebildet, insbesondere in dem
Bereich, der unter Umständen einen Balken 106 umfaßt. Das Polysilicium wird selektiv von
der Schicht 102 durch reaktives Ionenätzen entfernt, um den Balken 106 zu definieren und
das Polysilicium oberhalb der Ätzkanäle zu entfernen.
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Nach dem reaktiven Ionenätzen wird eine Opferschicht 108 aus Niedrigtemperatur-Oxyd
auf der Polysiliciumschicht 102 abgelagert. Sodann wird eine zweite Schicht aus
Polysilicium 110 abgelagert, um eine Abdeckung zu bilden. Die Polysiliciumschichten
werden vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 580ºC abgelagert, um einen
amorphen Film (anstelle eines polykristallinen Films) zu bilden. Nach der Ablagerung der
Schicht 110 wird eine obere Vorspannelektrode 112 durch Borionen-Implantierung
gebildet.
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Elektrische Kontaktöffnungen und Ätzkanal-Öffnungen werden durch reaktives Ionenätzen
gebildet. Sodann werden die Opferschichten 100 und 108 durch HF-Ätzen entfernt, um eine
Kammer 114 (Fig. 9) zu bilden. Der HF-Rest wird durch eine Spülung entfernt,
vorzugsweise durch eine deionisierte Wasserlösung von Zyklohexan. Um die Tendenz des
Balkens 106, an der Abdeckung 110 auf Grund des HF-Restes zu kleben, zu überwinden,
wird die Spüllösung gefroren und später in einem Sublimationsschritt entfernt, um
sicherzustellen, daß der Balken 106 freistehend bleibt.
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An dieser Stelle ist es erforderlich, ein Vakuum innerhalb der Kammer 114 zu bilden. Ein
Betrieb in einem Vakuum vermindert die Fehlermöglichkeit auf Grund von anderen
Faktoren als Änderungen in der Beanspruchung, die die Resonanzfrequenz beeinflussen.
Das Vakuum und die erforderliche Fluidabdichtung, um dieses aufrechtzuerhalten, kann
erzielt werden durch Beaufschlagung der Kammer und der Kanal-Oberflächenbereiche mit
Silangas (SiH&sub4;). Eine solche Beaufschlagung veranlaßt das Polysilicium, entlang der
beaufschlagten Oberflächenbereiche zu wachsen, bis es den Kanal abschließt. Das
eingefangene Silangas lagert weiter Polysilicium innerhalb der Kammer 114 entlang der
Kammerwände ab bis das Silangas erschöpft ist.
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Alternativ können die beaufschlagten Oberflächenbereiche oxydiert werden. Das sich
ergebende Anwachsen von Siliciumdioxyd dichtet die geätzten Kanäle ab. Etwas von dem
Oxydationsgas verbleibt innerhalb der Kammer 114 eingefangen und die Oxydation setzt
sich fort bis der Sauerstoff innerhalb der Kammer erschöpft ist.
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Mit dem so gebildeten Vakuum und der so gebildeten Abdichtung wird die Einrichtung
metallisiert und in einer Stickstoffatmosphäre bei ungefähr 450ºC getempert, um einen
elektrischen Kontakt mit dem Piezowiderstand, dem Balken und den Vorspannelektroden
vorzugeben.
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Schließlich wird die Rückseite des Plättchens gemustert, z. B. durch isotropisches Ätzen, um
den Membranteil einer jeden Druckerfassungseinrichtung zu bilden. Das Plättchen wird in
einzelne Chips geschnitten, woraufhin jeder Chip thermoelektrisch mit einem Pyrex-
Glasrohr verbunden wird.
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Fig. 10 zeigt einen anderen. Resonanzmesser 116, der die vorliegende Erfindung nicht
aufweist, und der ein Siliciumsubstrat 118, eine Polysilicium-Dünnfilmschicht 120
einschließlich eines Balkens 122 und eine Polysiliciumabdeckung 124 umfaßt, die mit dem
Substrat zusammenwirkt, um den Balken 122 innerhalb einer Vakuumkammer 126
einzuschließen. Obere und untere Vorspannelektroden werden auf der Abdeckung und dem
Substrat bei 128 und 130 entsprechend gebildet. Eine Ansteuerelektrode 132 und ein die
Position erfassender Piezowiderstand 134 werden entlang der Oberfläche des Balkens 122
gebildet.
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Wie zuvor vermerkt, wirken die Vorspannelektroden als Abschirmungen für
Wechselspannungen und vermindern die parasitäre Kapazität zwischen der
Ansteuerelektrode und dem Piezowiderstand. In Fig. 10 wird die Möglichkeit einer
parasitären Kapazität weiter vermindert durch Bildung einer Schirmelektrode 136 auf dem
Balken 122 zwischen der Ansteuerelektrode und dem Piezowiderstand. Die
Abschirmelektrode 136 wird vorzugsweise auf Massepotential gehalten. Die geerdete Abschirmelektrode
liefert somit eine weitere Abschirmung für Wechselspannungen.
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Fig. 11 veranschaulicht ein alternative Verwendung für einen Resonanz-Dehnungsmesser
138, nämlich in einem Beschleunigungsmesser 140. Der Beschleunigungsmesser 140 umfaßt
ein Siliciumsubstrat 142, das mit einer starren Basis 144 befestigt ist. Das Substrat umfaßt
einen im wesentlichen starren Montageteil 146, eine im wesentlichen starre Nachweismasse
148 und einen relativ schmalen Halsteil 150 mit einer Dicke von ungefähr 0,5-1 mil
(12-25 um) zwischen dem Montageteil und der Nachweismasse. Der Halsteil 150 wirkt als
eine Brücke und stützt die Nachweismasse 148 in einer Hebelart in Bezug auf den starren
Montageteil ab. Der Resonanz-Dehnungsmesser 138, der im wesentlichen ähnlich zu dem
Resonanzmesser 116 ist, ist mit dem Beschleunigungsmesser entlang seiner Oberfläche an
dem Halsteil montiert. Der Dehnungsmesser ist so ausgerichtet, daß sein länglicher
Biegebalken (nicht gezeigt) sich parallel zu der Länge des Halsteiles 150 erstreckt, d. h. von
links nach rechts in der Figur betrachtet. Typischerweise ist dies senkrecht zu der Richtung
der erwarteten Beschleunigung.
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Eine Beschleunigung der Einrichtung (insbesondere des Montageteils 146) nach oben in
Fig. 11 betrachtet, führt zu einer Ablenkung nach unten oder im Uhrzeigersinn der
Nachweismasse 148. Die sich ergebende Kraft auf den Dehnungsmesser 138 erlegt dem
Balken eine Dehnung auf mit dem Bestreben, den Balken zu verlängern und seine natürliche
Resonanzfrequenz anzuheben. Der Betrag des Frequenzzuwachses ist proportional zu der
Beschleunigung. Unter den anderen Beispielen für solche Dehnungsmesser befinden sich
Waagen (z. B. mit einem Gewicht, das an einem Balken anstelle der Nachweismasse 148
aufgehängt ist) Massen-Durchflußsensoren, Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren
und Einrichtungen zur Messung der Dichte von Luft oder anderen Gasen.
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Fig. 12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Resonanz-Dehnungsmessers 152
gemäß der Erfindung, der ein Substrat 154, einen länglichen Balken 156 und eine im
wesentlichen starre Hülse oder Abdeckung 158 umfaßt. Gegenüberliegende Enden des
Balkens sind mit dem Substrat befestigt und das Substrat und die Abdeckung arbeiten
zusammen, um eine Kammer um den Balken, wie zuvor beschrieben, vorzugeben, so daß
ein mittlerer Bereich des Balkens innerhalb der Kammer oszilliert. Eine obere
Vorspannelektrode 160 ist auf einem Oberflächenteil der Abdeckung gebildet und eine
ähnliche untere Vorspannelektrode 162 ist auf einer Oberfläche des Substrates entlang des
Bodens der Kammer gebildet. Bei dem Dehnungsmesser 152 ist der Balken 156 elektrisch
leitfähig und arbeitet somit sowohl als oszillierender Balken als auch als Balkenelektrode.
Vorspannelektroden 160 und 162 sind von dem Balken 156 quer beabstandet, wobei sich
der Balken ungefähr in der Mitte zwischen den Vorspannelektroden befindet.
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Ein im wesentlichen gleichförmiges und konstantes elektrisches Feld wird in dem Bereich
um den Balken 156 aufrechterhalten. Insbesondere wird die Vorspannelektrode 160 auf
einem konstanten positiven Spannungspegel +V über einen Widerstand 164 gehalten,
während die untere Vorspannelektrode 162 auf einem konstanten Spannungspegel -V über
einen Widerstand 166 gehalten wird. Die Balkenelektrode, d. h. der Balken 156 wird auf
Massepotential gehalten.
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Eine oszillierende (Wechsel) Ansteuerspannung, die bei 168 angezeigt ist, wird an die
untere Vorspannelektrode 162 über einen Kondensator 170 angelegt, wodurch die
mechanische Oszillation des Balkens 156 gefördert wird.
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Die periodische Oszillation des Balkens variiert die Kapazität zwischen dem Balken und der
oberen Vorspannelektrode 160. Die Vorspannelektrode 160 ist an einen Eingang eines
stromempfindlichen Verstärkers 172 über einen Leitungspfad angeschlossen, der einen
Kondensator 174 umfaßt. Bei dem vorgegebenen konstanten Pegel +V verändert sich der
durch den Verstärker 172 erfaßte Strom mit der Kapazität zwischen der Vorspannelektrode
160 und dem Balken 156.
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Um ein im wesentlichen lineares Verhalten sicherzustellen, ist die absolute Größe des
Spannungspegels V wenigstens doppelt so hoch wie die Spannungsspitzen des
oszillierenden Ansteuersignales 168. Die Gleich-Vorspannung der Elektrode 162 stellt ein
lineares Verhalten sowie die begleitenden Vorteile sicher, wie sie zuvor erläutert wurden.
Die Gleich-Vorspannung an der oberen Elektrode 160 gestattet die Erfassung der Position
des Balkens 156 in Bezug auf die Abdeckung 158 (und das Substrat 154) basierend auf der
sich verändernden Kapazität zwischen der Elektrode 160 und dem Balken. Der Strom in
dem Verstärker 172 variiert mit der Kapazität und liefert somit einen direkten Hinweis auf
die Balkenposition.
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Es versteht sich, daß der Resonanzmesser 152 in einem Schaltkreis enthalten sein kann, der
ähnlich zu jenem ist, wie er schematisch in Fig. 7 gezeigt ist, um eine geschlossene Schleife
für die kontinuierliche Einstellung der Ansteuer-Signalfrequenz in Richtung auf eine
Koinzidenz mit der natürlichen Resonanzfrequenz des Balkens 156 vorzugeben. Ferner kann
ein im wesentlichen isolierender Balken und eine Balkenelektrode, die auf dem Balken
montiert ist, anstelle des leitenden Balkens 156 verwendet werden, wenn dies erwünscht ist.
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Somit sind gemäß der vorliegenden Erfindung die Ansteuerelektrode und die
Sensorelektroden elektrisch voneinander in einer Weise isoliert, die eine parasitäre
Kapazität zwischen diesen Elektroden auf ein Minimum bringt. Die Einrichtung ist hoch
empfindlich insofern, als eine relativ geringe Veränderung in der Balkenbeanspruchung eine
wesentliche Veränderung in der natürlichen Resonanzfrequenz erzeugt. Die Meßgeräte
können als monolithische Halbleiterkörper erzeugt werden, was die Bildung von
mikroskopischen oszillierenden Balken innerhalb abgedichteter Vakuumkammern
erleichtert, was zu Druckwandlern, Beschleunigungsmessern und anderen Instrumenten
führt, die zuverlässig sind und mit geringen Kosten behaftet sind.