DE69328500T2 - In konstantem elektrischen feldangetriebener schwingungswandler mit mikromechanischem balken - Google Patents

In konstantem elektrischen feldangetriebener schwingungswandler mit mikromechanischem balken

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DE69328500T2
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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Die vorliegende Erfindung gibt eine Verformungs-Erfassungsvorrichtung vor, wie sie nachstehend im Patentanspruch 1 definiert ist.
  • Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls irgendeines oder mehrere der Merkmale der nachstehenden abhängigen Ansprüche 2 bis 6 vorgeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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:
  • Fig. 1 eine Ansicht einer bekannten Druck-Erfassungseinrichtung ist;
  • Fig. 2 eine ebene Draufsicht der Druck-Erfassungseinrichtung ist;
  • Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 ist;
  • Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles von Fig. 3 ist, die einen Resonanzmesser der Einrichtung zeigt;
  • Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 4 ist;
  • 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;
  • Fig. 7 eine schematische Ansicht des Resonanzmessers und eines zugeordneten Oszillatorschaltkreises ist;
  • Fig. 8 und 9 den Resonanzmesser bei zwei Herstellungsstufen veranschaulichen;
  • Fig. 10 eine Schnittansicht eines anderen Resonanzmessers ist, der nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
  • Fig. 11 eine schematische Ansicht ist, die einen Beschleunigungsmesser veranschaulicht, der einen Resonanzmesser gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet; und
  • Fig. 12 eine schematische Ansicht eines Resonanzmessers gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel und eines Erfassungsschaltkreises für die Balkenposition ist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Verformungs-Erfassungsvorrichtung, umfassend ein starres Substrat (154) mit einer auf einer Seite gebildeten Ausnehmung, ein längliches Biegeelement (156), das quer zur Ausnehmung an einen ersten Teil (38, 40) gekoppelt ist, so daß ein zweiter Teil (44) frei ist, mit einer Resonanzfrequenz zu oszillieren, wobei die Resonanzfrequenz mit Änderungen der auf das Biegeelement (156) einwirkenden Verformung variiert, ein Abdeckelement (158), das abgedichtet mit dem Substrat (154) entlang eines Umfangs des länglichen Biegeelements (156) und in Zusammenwirkung mit der Ausnehmung befestigt ist, um eine umschlossene Kammer (46) zu bilden, einen ersten Bias-Elektrodenbereich (162), der in einem Oberflächenbereich der Ausnehmung und gegenüber dem länglichem Biegeelement (156) eingebettet ist, wobei das Biegeelement (156) von dem ersten Bias-Elektrodenbereich (162) beabstandet ist, einen zweiten Bias-Elektrodenbereich (160), der in einen äußeren Oberflächenbereich des Abdeckelementes (158) eingebettet ist, eine Vorspannungseinrichtung zur Vorspannung des ersten Bias-Elektrodenbereiches und des zweiten Bias- Elektrodenbereiches auf entsprechend unterschiedliche erste und zweite Spannungspegel, wodurch ein gleichförmiges und konstantes elektrisches Feld um das Biegeelement (156) erzeugt wird, wobei das Biegeelement (156) eine auf Masse gehaltene Balkenelektrode umfaßt, einen Oszillator (168), der elektrisch an einen der ersten und zweiten Bias-Elektrodenbereiche (160, 162) angeschlossen ist, um ein Ansteuersignal zu erzeugen, das ein periodisches veränderliches Ansteuer- Spannungssignal umfaßt, um eine Oszillation des länglichen Biegeelements (156) in bezug auf das starre Substrat (154) und das Abdeckelement (158) hervorzurufen, eine Einrichtung, die elektrisch an den anderen der ersten und zweiten Bias- Elektrodenbereiche (160, 162) angeschlossen ist, um kapazitiv ein Positionssignal des längliches Biegeelementes (156) in bezug auf das starre Substrat (154) zu erzeugen, wobei der Oszillator (168) das Positionssignal empfängt und steuerbar die Frequenz des Ansteuersignales aufgrund von Veränderungen in der Frequenz des Positionssignales verändert, wodurch die Ansteuer-Signalfrequenz in Richtung auf eine Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz eingestellt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (46) aufgebaut ist, um ein Vakuum in bezug auf den Umgebungsdruck aufrechtzuerhalten.
3. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Substrat (154), das Biegeelement (156) und das Abdeckelement (158) aus einem Halbleitermaterial gebildet sind.
4. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bias-Elektrodenbereich (162) und der zweite Bias- Elektrodenbereich (160) durch Ionenimplantation auf dem starren Substrat (154) und dem Abdeckelement (158) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Positions-Erfassungseinrichtung einen stromempfindlichen Verstärker (172) und einen leitenden Pfad umfaßt, der zwischen einem der Bias-Elektrodenbereiche (160, 162) und dem stromempfindlichen Verstärker (172) angeschlossen ist, wodurch der stromempfindliche Verstärker Änderungen in dem Strom entlang des leitenden Pfades aufgrund von Änderungen in der Kapazität zwischen der Balken-Ansteuerelektrode und dem einen Bias- Elektrodenbereich feststellt, wenn das Biegeelement (156) oszilliert.
6. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22) im wesentlichen kreisförmig ist und das Biegeelement mit seiner Hauptabmessung radial zu der Membran ausgerichtet ist.
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