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Dokumentenidentifikation DE3833354A1 30.11.1989
Titel Schwingtyp-Wandler und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Yokogawa Electric Corp., Musashino, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kinji, Harada, Tokorozawa, Saitama, JP;
Ikeda, Kyoichi, Tachikawa, Tokio/Tokyo, JP;
Kuwayama, Hideki, Higashimurayama, Tokio/Tokyo, JP;
Kobayashi, Takashi;
Nishikawa, Tadashi;
Watanabe, Tetsuya, Musashino, Tokio/Tokyo, JP;
Yoshida, Takashi, Hohya, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Henkel, G., Dr.phil.; Feiler, L., Dr.rer.nat.; Hänzel, W., Dipl.-Ing.; Kottmann, D., Dipl.-Ing, Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 30.09.1988
DE-Aktenzeichen 3833354
Offenlegungstag 30.11.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.11.1989
IPC-Hauptklasse G01D 5/00
IPC-Nebenklasse G01H 1/00   H04R 31/00   G10K 11/04   H03H 9/24   H03H 3/007   
IPC additional class // G01L 1/10  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Schwingtyp-Wandler, bei dem ein H-förmiger Schwinger oder Vibrator, der materialeinheitlich mit einem Siliziumsubstrat ausgebildet und um den herum ein Hohlraum vorgesehen ist, mittels eines Verstärkers in selbsterregter Schwingung auf seiner Eigenfrequenz gehalten wird, wobei eine das Siliziumsubstrat beaufschlagende physikalische Größe, wie Kraft, Druck, Wirkdruck o. dgl., anhand einer dieser physikalischen Größe entsprechenden Änderung in der Eigenfrequenz des Schwingers erfaßt oder gemessen wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schwingtyp-Wandlers nach Halbleitertechnik, zur Herstellung eines Vakuums im genannten Hohlraum und zur Erzielung einer Anfangsspannung am Schwinger sowie die Ausbildung eines Verstärkers für stabilen Betrieb mit selbsterregter Schwingung oder Eigenschwingung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingtyp-Wandler (vibrating type transducer) und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung, insbesondere auf einen derartigen Wandler, bei dem ein auf einem Siliziumsubstrat ausgebildeter, balken- oder stabförmiger Schwinger oder Vibrator auf seiner Eigenfrequenz in Schwingung gehalten wird und eine physikalische Größe, wie eine das Siliziumsubstrat beaufschlagende Kraft, ein Druck, ein Wirkdruck o.dgl., anhand einer von der physikalischen Größe abhängenden Änderung der Eigenschwingungsfrequenz erfaßt oder gemessen wird.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Schwingtyp- Wandler, der einen großen Rauschabstand aufweist und eine stabile Eigenschwingung (oder selbsterregte Schwingung) zu erzeugen vermag, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen ein Beispiel für einen herkömmlichen Schwingtyp-Wandler. Dabei zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des als Druckmeßfühler oder -sensor eingesetzten (herkömmlichen) Schwingtyp- Wandlers; Fig. 2 ein Blockschaltbild, in welchem ein Ausschnitt A aus Fig. 1 vergrößert dargestellt und an den Wandler ein Schwingungsmeßkreis angeschlossen ist; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A&min; in Fig. 2; und Fig. 4 ein Schaltbild, in welchem die Konstruktion nach Fig. 2 als elektrischer Aquivalentschaltkreis dargestellt ist.

Gemäß Fig. 1 weist ein Siliziumeinkristall-Substrat 10 auf der Oberseite eine (100)-Ebene auf, die z.B. eine Fremdstoff- oder Fremdatomkonzentration von 1015 Atome/cm3 oder weniger aufweist und von einem p-Leitfähigkeitstyp ist. Auf der einen Seite des Substrats 10 ist eine Membran 11 durch Ätzen von der Rückseite her ausgearbeitet und dünn ausgebildet.

Ein dicker Umfangsrandteil 12 der Membran 11 ist mit einem Sockel 14 verbunden, der im Zentrum eine Druckbohrung 13 aufweist und an den eine mit der Druckbohrung 13 kommunizierende Druck(rohr)leitung 15 angeschlossen ist, in welche ein zu messender Druck P einführbar ist.

Auf einem ungeätzten Teil einer Seitenfläche der Membran 11, mit dem Buchstaben A bezeichnet, ist eine nicht dargestellte, eine Fremdatomkonzentration von 1017 (Atome/cm3) aufweisende n&spplus;-Diffusionsschicht ausgebildet, auf deren einem Teil ein Schwinger 16 in <001>-Richtung ausgebildet ist (Fig. 2). Der Schwinger 16 wird z.B. durch photolithographisches Bearbeiten der n -Schicht und einer auf der Membran 11 erzeugten p-Schicht und Unterätzung ausgebildet.

Über dem Schwinger 16 ist nahezu in der Mitte desselben und senkrecht dazu ein den Schwinger 16 nicht berührender Magnet 17 vorgesehen. Ein SiO2-Film 18 dient als Isolierfilm (Fig. 3).

Mit 19a, 19b sind Metall-Elektroden aus z.B. Al o.dgl. bezeichnet. Das eine Ende der Elektrode 19a ist mit der vom Schwinger 16 ausgehenden n&spplus;-Schicht über ein in der SiO2-Schicht vorgesehenes Kontaktloch 20a verbunden, während ihr anderes Ende über eine Zuleitung mit einem Vergleichswiderstand R0 mit nahezu demselben Widerstandswert wie dem des Schwingers 16 und außerdem mit der Eingangsseite eines Verstärkers 21 verbunden ist. An einer Ausgangsseite des Verstärkers 21, die mit der einen Seite einer Primärwicklung L1 eines Transformators 22 verbunden ist, wird ein Ausgangssignal geliefert. Die andere Seite der Primärwicklung L1 ist mit einer Sammelleitung (Masse) verbunden.

Die andere Seite des Vergleichswiderstands R0 ist mit der einen Seite einer Sekundärwicklung L2 des Transformators 22 verbunden, deren Mittelanzapfung an die Sammelleitung (d.h. Masse) angeschlossen ist. Die andere Seite der Sekundärwicklung L2 ist mit der n&spplus;-Schicht über die Metall-Elektrode 19b und ein Kontaktloch 20b verbunden, das am anderen Ende des Schwingers 16 ausgebildet ist,

Wenn bei der beschriebenen Anordnung eine Gegenvorspannung der Isolierung zwischen p-Schicht (Substrat 10) und n&spplus;-Schicht (Schwinger 16) aufgeprägt und ein Wechselstrom zum Schwinger 16 geleitet wird, steigt die Impedanz des Schwingers 16 in dessen Resonanzzustand an; wenn dabei die Impedanz gleich R ist, ergibt sich ein in Fig. 4 gezeigter Äquivalentschaltkreis.

Die Sekundärwicklung L2 mit an die Sammelleitung angeschlossener Mittelanzapfung (center point) Co, der Vergleichswiderstand Ro und die Impedanz R bilden damit eine Meßbrücke; wenn dabei ein unsymmetrisches Signal aufgrund der Meßbrücke am Verstärker 21 abgegriffen und das Ausgangssignal über eine Rückkopplungsleitung 23 (positiv) zur Primärwicklung L1 rückgekoppelt wird, erzeugt das System eine selbsterregte oder Eigen-Schwingung auf einer Eigenschwing(ungs)frequenz des Schwingers 16.

Bei der beschriebenen Anordnung steigt die lmpedanz R des Schwingers 16 mit (at) der Eigenschwingfrequenz an. Die Impedanz R läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

R ≊ (1/222) · (1/(Egγ)1/2) · (Ab ²l ²/bh ²) · Q + Rd

Darin bedeuten:

E = Elastizitätsmodul,

q = Schwerkraftbeschleunigung,

γ = Dichte des den Schwinger bildenden Werkstoffs,

A = eine durch die (den) Schwingungsart oder -modus bestimmte Konstante,

B = Magnetflußdichte,

l = Länge des Schwingbalkens,

b = Breite des Schwingbalkens,

h = Dicke des Schwingbalkens,

Q = Gütefaktor (Q-Faktor),

Rd = Gleichspannung-Widerstandswert.

Da gemäß obiger Gleichung der Q-Faktor des Schwingers 16 eine Größe von mehreren Hundert bis zu mehreren Zehntausend besitzt, kann in einem Resonanzzustand ein Signal einer großen Amplitude als Ausgangssignal des Verstärkers 21 gewonnen werden. Bei ausreichend großer Verstärkung des Verstärkers 21 für (positive) Rückkopplung wird mithin das System des Schwingtyp-Wandlers für Schwingung auf der Eigenschwingfrequenz selbsterregt.

Für den Schwinger kann der p-Typ durch Diffusion von z.B. B (Bor) in ein durch selektives Ätzen erhaltenes n-Typ- Siliziumsubstrat mit einer Konzentration von 4 x 1019 Atome/cm3 angewandt werden.

Bei diesem Schwingtyp-Wandler wird jedoch eine am Schwinger 16 erzeugte gegenelektromotorische Kraft oder Gegen- EMK anhand einer unsymmetrischen Spannung der Wechselspannungs(meß)brücke erfaßt; da die Komponente eines angeregten Stroms tatsächlich durch die Gleichspannungsbrücke nicht vollkommen unterdrückt werden kann, wird eine Spannung entsprechend der angeregten Stromkomponente an einem Ausgang der Meßbrücke vervielfacht. Der Rauschabstand verschlechtert sich mithin aufgrund einer von einer Impedanzänderung des Schwingers herrührenden und einer Spannung der angeregten Komponente überlagerten Spannung, so daß damit kein stabiles Ausgangssignal erhalten werden kann.

Im Hinblick auf die geschilderten Mängel beim Stand der Technik bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Schwingtyp-Wandlers mit einem Schwinger, der einen zufriedenstellenden Rauschabstand und ein stabiles Ausgangssignal gewährleistet und zudem eine hohe Ansprechempfindlichkeit besitzt. Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Wandlers.

Diese Aufgabe wird bei einem Schwingtyp-Wandler mit einem Schwingerkörper aus einem Siliziumeinkristallmaterial auf einem Siliziumeinkristall-Substrat, einer Anregungseinheit zum Anregen des Schwingerkörpers und einer Schwingungsdetektoreinheit zum Erfassen oder Abgreifen einer angeregten Schwingung des Schwingerkörpers erfindungsgemäß gelöst durch einen H-förmigen Schwingerkörper mit zwei ersten Schwingern oder Vibratoren, deren gegenüberliegende Enden jeweils am Substrat befestigt oder festgelegt sind und die zueinander parallel angeordnet sind, sowie einem die Mittelabschnitte der ersten Schwinger mechanisch koppelnden zweiten Schwinger, eine Magnetfeldaufprägeeinheit zum Aufprägen (oder Anlegen) eines Gleichspannung-Magnetfelds senkrecht zum Schwingerkörper, eine Anregungseinheit zum Schwingenlassen der Schwinger mittels einer Wechselwirkung (mutual action) mit dem Gleichspannung-Magnetfeld durch Anlegung eines Wechselstroms an die gegenüberliegenden Enden eines der ersten Schwinger oder an jeweils das gleiche andere Ende der beiden ersten Schwinger eine Schwingungsdetektoreinheit zum Erfassen oder Abgreifen einer elektromotorischen Kraft an den gegenüberliegenden Enden des anderen ersten Schwingers oder an den gleichen (auf der gleichen Seite liegenden) Enden der beiden ersten Schwinger und eine zwischen die Anregungseinheit und die Schwingungsdetektoreinheit geschaltete Verstärkereinheit.

Dieser Wandler umfaßt einen Schwinger, dem eine vorbestimmte Anfangsspannung (initial tension) erteilt worden ist, indem ein anderes (Fremd-)Atom mit einem Bindungsradius, der kleiner ist als der Bindungsradius eines den Schwinger bildenden Atoms, implantiert worden ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingtyp-Wandlers, bei dem ein balkenartiger Schwinger oder Vibrator materialeinheitlich mit einer auf einem Siliziumeinkristall-Substrat geformten dünnen Membran unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts zur Membran ausgebildet und die Oberseite (des Gebildes) mit einer einen vorbestimmten Spalt zum Schwinger festlegenden Kapsel (shell) abgedeckt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der dem Spalt entsprechende und aus Silizium oder Siliziumoxid bestehende Teil und der Schwinger materialeinheitlich mit dem Substrat geformt werden, sodann ein oberer Abschnitt des dem Spalt entsprechenden Teils materialeinheitlich mit dem Substrat mit einem der Kapsel entsprechenden Teil abgedeckt wird, hierauf eine den dem Spalt entsprechenden Teil erreichende Injektionsöffnung für ein Ätzreagens oder -mittel in dem der Kapsel entsprechenden Teil ausgebildet und der dem Spalt entsprechende Teil durch Ätzen entfernt wird und anschließend die Injektionsöffnung luftdicht verschlossen wird.

Wenn bei der vorstehend umrissenen Konstruktion eine externe Kraft auf die Membran am Substrat ausgeübt wird, ändert sich eine Eigenschwing(ungs)frequenz des Schwingerkörpers entsprechend der externen Kraft. Eine Schwingung des Schwingerkörpers wird durch eine Schwingungsmeßeinheit erfaßt, und eine Änderung der Eigenschwingfrequenz wird als Ausgangssignal abgegriffen (extracted). Sodann wird eine auf die Membran einwirkende physikalische Größe anhand der Größe der Eigenschwingung erfaßt oder gemessen.

Beim obigen Herstellungsverfahren wird die dünne Membran am Siliziumsubstrat durch Ätzen geformt, und der H-förmige Schwinger kann an diesem Abschnitt materialeinheitlich mit der Membran nach Ätz- und Halbleitertechnik entsprechend einer Charakteristik des Einkristalls geformt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine (teilweise weggeschnittene) perspektivische Darstellung einer bisherigen Konstruktion, bei der ein Schwingtyp-Wandler als Druckmeßfühler benutzt wird,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des vergrößerten Ausschnitts A von Fig. 1 mit einem angeschlossenen Schwingungsmeßkreis,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A&min; in Fig. 2,

Fig. 4 ein Schaltbild, welches die Konstruktion nach Fig. 2 als Äquivalentschaltkreis darstellt,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 Darstellungen des Aufbaus eines Hauptteils eines Schwingerkörpers gemäß Fig. 5, wobei Fig. 6(a) eine Aufsicht bei abgenommener Kapsel (shell) und Fig. 6(b) einen Schnitt längs der Linie B-B&min; in Fig. 6(a) zeigen,

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Kennlinien, die bei Messung des Rauschabstands beim Schwingtyp- Wandler nach Fig. 5 erhalten werden,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Hauptteils einer Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 5,

Fig. 9 Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung des Schwingtyp-Wandlers gemäß Fig. 5,

Fig. 10 Darstellungen eines Teils eines Verfahrens zur Ausbildung des H-förmigen Schwingerkörpers nach Fig. 5,

Fig. 11 Darstellungen eines Verfahrens zur Verbesserung und Stabilisierung des Ausbringens an Wandlern beim Verfahren nach Fig. 9,

Fig. 12 eine Darstellung einer Verbesserung beim Verfahren nach Fig. 9,

Fig. 13 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Wirkung oder des Einflusses einer zusätzlichen epitaxialen Schicht beim Verfahren nach Fig. 11,

Fig. 14 Darstellungen eines Hauptteils eines Herstellungsverfahrens zur Realisierung einer Ausgestaltung des Schwingerkörpers, bei welcher in der Kapsel (shell) ein Vakuum erhalten bleibt oder erzeugt wird,

Fig. 15 eine graphische Darstellung einer Kennlinie für das Absaugen eines Gases zur Erhaltung eines Vakuums in der Kapsel nach Fig. 14,

Fig. 16 Darstellungen eines gegenüber Fig. 14 teilweise abgewandelten Verfahrens,

Fig. 17 eine Schnittansicht der Ausgestaltung eines Hauptteils eines Schwingtyp-Wandlers, bei dem dem Schwinger eine Anfangsspannung (initial tension) erteilt wird,

Fig. 18 eine tabellarische Darstellung einer Beziehung zwischen einem kovalenten Bindungsradius Ri jedes Fremdatoms und dem kovalenten Bindungsradius Ri verschiedener Fremdatome sowie einem kovalenten Bindungsradius Rsi von Silizium,

Fig. 19 eine graphische Darstellung einer Änderung einer Gitterkonstante mit (to) der Fremdatomdichte,

Fig. 20 Darstellungen eines Hauptteils (hauptsächlicher Schritte) eines Verfahrens zur Herstellung des Schwingerkörpers als Hauptteil des Schwingtyp- Dehnungssensors (strain sensor) nach Fig. 17,

Fig. 21 ein detailliertes Schaltbild des Verstärkers nach Fig. 5,

Fig. 22 eine graphische Darstellung einer Wirkung, die bei Verwendung des Verstärkers nach Fig. 21 erzielt wird, und

Fig. 23 eine graphische Darstellung für den Fall, daß der Feldeffekttransistor nach Fig. 21 entfernt und ein Kurzschluß hergestellt ist, um eine Ansteuerkraft konstant einzustellen (Ansteuerung mit konstanter Speisespannung).

Die Fig. 1 bis 4 sind eingangs bereits erläutert worden.

Ein Schwingerkörper 24 aus einem H-förmigen Schwinger (oder Vibrator) und anderen Bauteilen besteht aus ersten Schwingern 26A, 26B und einem zweiten Schwinger 27 aus p-Typ-Silizium, die materialeinheitlich auf einer Membran 25 aus einem Siliziumeinkristall z.B. des n-Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind.

Wie im Fall der Membran 11 gemäß Fig. 3 wird die Membran 25 durch Ätzen und (dadurch erfolgendes) Ausdünnen des zentralen Abschnitts einer Unterseite des n-Typ-Siliziumsubstrat mit einem (unter Zurücklassung eines) nicht dargestellten dickwandigen Teil(s) um die Membran herum ausgebildet. Die Membran ist dabei insgesamt gegenüber einem Meßdruck-Beaufschlagungspunkt versetzt. Eine H-formige Ausnehmung 28, in welche die einzelnen Schwinger eingesetzt sind, ist durch Ätzen auf einem Teil der Kristallebene (100) auf einer Oberseite der Membran 25 ausgebildet.

Die stab- oder balkenartigen ersten Schwinger 26A, 26B sind mit dem p-Leitfähigkeitstyp materialeinheitlich mit der Membran 25 parallel zu einer Kristallachse <001> so ausgebildet, daß sie jeweils die Ausnehmung 28überspannen bzw. über dieser liegen, wobei ihre Mittelabschnitte durch einen rechtwinklig zu ihnen verlaufenden balkenartigen zweiten p-Typ-Schwinger 27 miteinander verbunden sind, so daß insgesamt ein H-förmiger Schwinger entsteht.

An den gegenüberliegenden Enden des ersten Schwingers 26A sind Elektroden 29 und 30 vorgesehen, während an den gegenüberliegenden Enden des ersten Schwingers 26B Elektroden 31 und 32 vorgesehen sind. Auf einem oberen Abschnitt des zweiten Schwingers 27 ist parallel dazu ein Magnet 17 angeordnet, so daß ein Magnetfeld rechtwinklig zu den ersten Schwingern 26A, 26B erzeugt wird.

Eine Ausgangsklemme eines als Anregungseinheit dienenden Eingangstransformators 33 ist mit den Elektroden 29, 30 verbunden, während ein Ende einer Eingangsklemme 34 mit einer Ausgangsklemme 35 und das andere Ende mit einer Sammelleitung (Masse) verbunden sind.

Eine Eingangsklemme eines als Schwingungsmeßeinheit dienenden Ausgangstransformators 36 ist an die Elektroden 31, 32 angeschlossen, während Ausgangsklemmen 37, 38 mit einer Eingangsseite eines Verstärkers 39 verbunden sind.

In den Fig. 5 und 6 ist eine Kapsel zum Abdecken des oberen Abschnitts der Membran 25 zur Verdeutlichung der Darstellung weggelassen. Die ersten Schwinger 26A, 26B und der zweite Schwinger 27 sind jedoch zusammen mit der Membran unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts oder Abstands praktisch allseitig nach Halbleitertechnik, wie epitaxiales Aufwachsen o.dgl., abgedeckt bzw. umschlossen. Weiterhin wird im Spalt oder Zwischenraum ein Vakuum aufrechterhalten, um einen hohen Q-Faktor der Schwingung der Schwinger zu gewährleisten.

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird der erste Schwinger 26A nach Maßgabe einer Wechselwirkung mit einem Magnetfeld des Magneten 17 durch eine Spannung, die dem Eingangstransformator 33 vom Verstärker 39 eingespeist wird, für Schwingung angeregt. Diese Schwingung setzt sodann den ersten Schwinger 26B über den zweiten Schwinger 27 in Schwingung, und die Schwingung läßt den Ausgangstransformator 36 aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Magneten 17 eine elektromotorische Kraft oder EMK e an der Eingangsseite erzeugen. Die EMK wird dem Verstärker 39 über den Ausgangstransformator 36 eingespeist, in ersterem verstärkt und dann zur Ausgangsklemme 35 ausgegeben. Die verstärkte Spannung wird zum Eingangstransformator 33 (positiv) rückgekoppelt, was wiederholt erfolgt, um eine selbsterregte Schwingung oder Eigenschwingung des Systems hervorzubringen.

Wie vorstehend beschrieben, ist der Schwingerkörper 24 in den ersten Schwinger 26A für Anregung und den zweiten Schwinger 26B für Erfassung oder Abgreifen der EMK unterteilt. Die ersten Schwinger 26A, 26B sind an Schwingungsschleifen durch den zweiten Schwinger 27 mechanisch miteinander gekoppelt, so daß die angeregte Stromkomponente der EMK e nicht überlagert wird und ein hohes Anregungskomponenten-Unterdrückungsverhältnis (Rauschabstand) erzielbar ist.

Fig. 7 veranschaulicht ein Ergebnis der Messung des Rauschabstands beim Schwingtyp-Wandler mit dem oben beschriebenen Aufbau.

In Fig. 7 sind auf der Abszisse eine Frequenz in Schritten von 1 kHz pro Teilungsstrich und auf der Ordinate eine Dämpfung von 5 dB pro Teilungsstrich aufgetragen. Die Resonanzfrequenz für den Fall, daß ein die Membran 25beaufschlagender Druck gleich Null ist, beträgt 71.551,1 Hz; der mit x bezeichnete Punkt entspricht -13,3 dBm bei einem Bezugspegel von -7,0 dBm, und die Kurve nähert sich bei Entfernung vom Resonanzpunkt fortlaufend der eine Störsignallinie von -52 dBm angebenden Linie an. Der Rauschabstand ist als die Differenz dieser Kurven oder Größen dargestellt, so daß ein Rauschabstand von 30-40 dB erzielt wird, der bei weitem besser ist als bei allen bisherigen Konstruktionen.

Fig. 8 veranschaulicht in einem Blockschaltbild einen Hauptteil einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Sekundärseite des Eingangstransformators 33 jeweils an die auf derselben Seite liegenden Enden der beiden ersten Schwinger 26A, 26B angeschlossen, während eine Primärseite eines Ausgangstransformators 36 mit den jeweils auf derselben Seite liegenden Enden der ersten Schwinger 26A, 26B verbunden ist.

Obgleich der zweite Schwinger 27 bei der vorher beschriebenen Ausführungsform aus p-Typ-Silizium besteht, ist er nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann er auch in der Weise ausgebildet sein, daß ein Leiter, wie Aluminium o.dgl., auf Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) aufgedampft wird.

Weiterhin ändert sich bei Schwingtyp-Wandlern die Schwingfrequenz in Abhängigkeit von einem Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls von Silizium; diese Wandler können daher als in einem Vakuumgefäß eingeschlossenes Thermometer oder auch als Densimeter und nicht nur als Druckmesser eingesetzt werden.

Da der Schwingerkörper 24, wie beschrieben, in die beiden ersten Schwinger 26A und 26B für Anregung bzw. Erfassung der EMK unterteilt ist und außerdem die beiden ersten Schwinger 26A und 26B an Schwingungschleifen durch den zweiten Schwinger 27 mechanisch miteinander gekoppelt sind, ist dabei keine Anregungstromkomponente (excited current component) vorhanden, so daß ein hohes Anregungskomponenten-Unterdrückungsverhältnis (d.h. Rauschabstand) erzielbar ist.

Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann demzufolge ein Schwingtyp-Wandler mit zufriedenstellendem Rauschabstand und mit einem Ausgangssignal stabiler Frequenz realisiert werden.

Fig. 9 veranschaulicht die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Schwingtyp-Wandlers gemäß Fig. 5. Zur Vereinfachung der Erläuterung bezieht sich die Beschreibung des Verfahrens nicht auf den Schwingerkörper 24, sondern auf die Herstellung bzw. Ausbildung des balkenartigen ersten Schwingers 26A, mit dem der zweite Schwinger 27 (noch) nicht gekoppelt bzw. verbunden ist.

Fig. 9(a) veranschaulicht einen Verfahrensschritt zur Ausbildung eines Schutzüberzugs und einer Öffnung in einem Teil derselben.

Auf einer Kristallebene (100) eines n-Typ-Siliziumeinkristall-Substrats 40 wird ein Schutzüberzug aus z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid o.dgl. ausgebildet. Sodann wird in einem Teil des Schutzüberzugs 41 mittels einer Maske mit einem Muster entsprechend der Form des herzustellenden ersten Schwingers 26A eine Öffnung 42 geformt.

Gemäß Fig. 9(b) wird sodann eine der Öffnung 42 entsprechende Vertiefung oder Ausnehmung 43 im Substrat 40 durch Ätzen mit Chlorwasserstoff in einer Atmosphäre aus Wasserstoff (H2) von 1050°C ausgebildet.

In diesem Fall kann anstelle der Chlorwasserstoffätzung auch ein anisotropes Ätzen mittels einer Alkalilosung von 40-130°C durchgeführt werden.

Fig. 9(c) veranschaulicht ein Aufwachsverfahren. Dabei wird Chlorwasserstoff in einem Quellen- oder Rohstoffgas in einer Wasserstoffatmosphäre von 1050°C für selektives mehrlagiges Aufwachsen gemischt. Die einzelnen Verfahrensschritte hierfür sind nachstehend beschrieben.

  • 1) Im ersten Schritt wird eine erste epitaxiale Schicht oder Aufwachsschicht 44, die als untere Hälfte des dem Spalt entsprechenden Teils dient, einem selektiven Aufwachsen auf der Ausnehmung 43 mittels p-Typ-Siliziums einer Borkonzentration von 1018cm-3 unterworfen.
  • 2) Im zweiten Schritt wird eine zweite, dem ersten Schwinger 26A entsprechende epitaxiale Schicht 45 durch selektives Aufwachsen auf der Oberfläche der ersten Schicht 44 zum Verschließen der Öffnung 42 mittels p-Typ-Siliziums einer Borkonzentration von 1020cm-3 gezüchtet.
  • 3) Im dritten Schritt wird eine dritte epitaxiale Schicht 46, die als obere Hälfte des dem Spalt entsprechenden Teils dient, aus p-Typ-Silizium einer Borkonzentration von 1018cm-3 selektiv auf einer Oberfläche der zweiten epitaxialen Schicht 45 gezüchtet oder zum Aufwachsen gebracht.
  • 4) Im vierten Schritt wird eine vierte epitaxiale Schicht 47, welche der Abdeckung oder der Kapsel (noch zu beschreiben) entspricht, mittels p-Typ-Siiiziums einer Borkonzentration von 1020cm-3 selektiv auf einer Oberfläche der dritten Schicht 46 gezüchtet.


Im beschriebenen Fall kann jedoch für die dritte epitaxiale Schicht 46 auch ein n-Typ-Silizium einer Phosphorkonzentration von 1017cm-3 verwendet werden.

Fig. 9(d) veranschaulicht einen Verfahrensschritt zur Ausbildung einer Injektionsöffnung, durch die ein Ätzreagens injiziert wird.

Dabei wird die Schutzschicht 41 durch Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure (HF) abgetragen, wobei eine Injektionsöffnung 48, durch die ein Ätzreagens oder -mittel injizierbar ist, an der einen Seite der vierten epitaxialen Schicht 47 entsteht.

Fig. 9(e) veranschaulicht einen selektiven Ätzvorgang zur Ausbildung eines Zwischenraums zwischen dem Schwinger und dem Substrat sowie anderen Teilen.

Hierbei wird mittels einer Impulsspannungsquelle Ep eine positive Impulsspannung so aufgeprägt, daß das n-Typ- Substrat 40 in Gegen- oder Sperrichtung zur vierten epitaxialen p-Typ-Schicht 47 vorgespannt ist; durch die Injektionsöffnung 48 im Substrat 40 wird eine Alkalilösung injiziert, durch welche die erste epitaxiale Schicht 44 und die dritte epitaxiale Schicht 46 in einem selektiven Atzvorgang entfernt werden.

Im oben beschriebenen Fall können für die dritte epitaxiale Schicht 46 n-Typ-Silizium mit einer Phosphorkonzentration von 1017cm-3 und auch für die vierte epitaxiale Schicht 47 p-Typ-Silizium einer Borkonzentration von 1020cm-3 verwendet werden. Hierfür wird die Erscheinung genutzt, daß die Ätzwirkung mit einer Borkonzentration von mehr als 4 × 1019cm-3 unterdrückt wird.

Der letzte Verfahrensschritt besteht im Verschließen bzw. Versiegeln gemäß Fig. 9(f).

In diesem Verfahrensschritt wird das n-Typ-Silizium einem epitaxialen Aufwachsen in einer Wasserstoffatmosphäre von 1050°C unterworfen. Dabei wird auf den Außenflächen des Substrats 40 und der vierten epitaxialen Schicht 47 eine epitaxiale Schicht 50 erzeugt oder gezüchtet, um eine Kapsel 51 zu bilden, welche die Anordnung teilweise umschließt und die Injektionsöffnung 48 versiegelt.

Im Unterschied zum oben beschriebenen Verfahren kann der Versiegelungsvorgang auch folgendes umfassen: 1) Verschließen der Injektionsöffnung 48 durch thermische Oxidation; 2) Verschließen der Injektionsöffnung 48 durch Filmbildung auf ihr mittels Polysiliziums nach dem CVD- Prozeß oder durch Aufsprühen; 3) Ausfüllen der Injektionsöffnung 48 mit Silizium durch Aufdampfen bzw. Aufwachsen; oder 4) Einfüllen eines Isoliermaterials, wie Glas (SiO2), Siliziumnitrid, Aluminiumoxid o.dgl., in die Injektionsöffnung 48 nach dem CVD-Prozeß, durch Aufsprühen oder Aufdampfen.

Obgleich nicht dargestellt, wird die Membran 25 anschließend durch Hochziehen (turning up) des Substrats 40 von einer Bodenseite desselben her ausgebildet.

Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren werden die folgenden Wirkungen erzielt:

  • 1) Da das Substrat 40, die als erster Schwinger 26A wirkende zweite epitaxiale Schicht 45 und die Kapsel 51 einstückig oder materialeinheitlich ausgebildet werden, ist es nicht nötig, das Substrat 40 mit der Kapsel 51 zu verbinden, so daß etwaige Unsicherheiten aufgrund des Verbindungsvorgangs vermieden werden.
  • 2) Die Schwinger können mittels eines einfachen Gebildes gegenüber der Luft getrennt werden, so daß sich ohne weiteres eine Miniaturisierung erzielen läßt.
  • 3) Da eine Halbleiterverfahrenstechnik angewandt wird, lassen sich genaue Lage, Dicke und Form der Schwinger und der Kapsel (oder der Abdeckung) ohne weiteres erzielen.


Fig. 10 veranschaulicht einen Teil eines Verfahrens zur Ausbildung des H-förmigen Schwingerkörpers.

Das Verfahren gemäß Fig. 10 wird dabei anstelle der Verfahrensschritte nach Fig. 9(a) und 9(b) angewandt, während die anderen Verfahrensschritte denen von Fig. 9 entsprechen; auf diese Weise kann der H-förmige Schwingerkörper 24 erzeugt werden.

Gemäß Fig. 10(a) wird zunächst ein Schutzüberzug 52 aus z.B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid o.dgl. auf einer Oberseite einer Kristallebene (100) des Siliziumsubstrats 40 erzeugt, worauf der Schutzüberzug 52 auf der Oberfläche des Substrats 40 auf photolithographischem Wege mittels einer Maske mit einer H-förmigen Öffnung unter Ausbildung einer H-Form entfernt wird, so daß im Schutzüberzug 52 eine H-förmige Öffnung 53 entsteht.

Diese H-förmige Öffnung 53 ist so angeordnet, daß durch die jeweiligen ersten Schwinger 26A, 26B und den zweiten Schwinger 27 gebildete Balken der H-Form in der Richtung <001> des Substrats 40 und auch in der rechtwinklig dazu liegenden Richtung weisen.

Sodann wird gemäß Fig. 10(b) eine der Öffnung 53 entsprechende H-förmige Ausnehmung oder Vertiefung 54 durch Ätzen über den Schutzüberzug 52 mit dieser Öffnung 53 im Substrat 40 ausgebildet. Anschließend wird der H-förmige Schwingerkörper 24 gemäß Fig. 5 mittels der Verfahrensschritte gemäß Fig. 9 ausgebildet.

Fig. 11 veranschaulicht Verfahrensschritte zur Verbesserung und Stabilisierung des Ausbringens von Schwingern beim Herstellungsverfahren gemäß Fig. 9. Mit Ausnahme des Schritts gemäß Fig. 11(c) entsprechen diese Verfahrensschritte im wesentlichen denjenigen nach Fig. 9.

Im Verfahrensschritt gemäß Fig. 11(c) wird eine epitaxiale P++- bzw. p-Typ-Schicht 71 einer hohen Borkonzentration und einer Dicke von 1 µm oder weniger auf einer Oberfläche der im Schritt gemäß Fig. 11(b) erzeugten Vertiefung 43 ausgebildet. Dabei wird die Borkonzentration vorzugsweise zur Begrenzung des Atzens der epitaxialen p-Schicht 71 mit dem Atzmittel auf z.B. etwa 3 × 1019cm-3 eingestellt.

Das Verfahren geht sodann über den Aufwachsprozeß gemäß Fig. 11(d) und den Verfahrensschritt der Ausbildung einer Ätzmittel-Injektionsöffnung gemäß Fig. 11(e) auf den Ätzschritt gemäß Fig. 11(f) über.

In diesem Verfahrensschritt wird ein Ätzmittel über die Injektionsöffnung 48 eingespritzt, um die dem dem Spalt entsprechenden Teil äquivalente erste epitaxiale Schicht 44 und die epitaxiale Schicht 46 zu entfernen. Dabei ist die zusätzliche epitaxiale Schicht 71 vom p-Typ mit hoher Eigen-Fremdatomkonzentration, so daß sie nicht geätzt wird; da sie jedoch sehr dünn ist, verringert sich die Borkonzentration und macht die Schicht für das Ätzen mittels einer Alkalilösung nach Selbstdotierung beim selektiven Aufwachsprozeß und Diffusion beim Erwärmungsprozeß bereit, so daß die n-Typ-Fläche des Substrats 40 an der Oberfläche zutage tritt.

Das obige Verfahren ist nachstehend anhand der Fig. 12 und 13 im einzelnen erläutert.

Wenn im Verfahrensschritt gemäß Fig. 11(c) keine zusätzliche epitaxiale Schicht 71 vorhanden ist, bleibt nach dem Ätzvorgang gemäß Fig. 11(f) p-Typ-Si in Form von Inseln auf einem pn-Übergang zwischen dem n-Substrat 40 und der ersten epitaxialen p-Schicht 44 zurück.

Ein in Inselform zurückbleibender p-Typ-Rückstand 72 (Fig. 12) bildet eine zum n-Typ invertierte n-Inversionsschicht 73 an einer Grenzfläche mit der Alkalilösung als Ätzmittel für den Ätzvorgang, so daß eine durch einen Pfeil angedeutete Strecke entsteht, über welche ein Strom il von der Impulsspannungsquelle Ep (Fig. 11(f)) fließt und die Oberfläche des Rückstands 72 vor einem Anätzen schützt, wodurch das Problem hervorgerufen wird, daß ein unterer Abschnitt oder Bereich des Schwingers teilweise nicht geätzt wird.

Durch Ausbildung der zusätzlichen epitaxialen p-Schicht 71, die eine hoch mit Bor in einer Konzentration P++ (etwa 3 x 1019cm-3) dotierte Schicht mit einer Dicke von 1 µm oder weniger ist, auf der Oberseite des Substrats 40 wird daher der Streustrom il unterbrochen, so daß die Entstehung des Rückstands 72 verhindert und unter Verbesserung der Fertigungsleistung ein sicheres und zuverlässiges Ätzen gewährleistet wird.

In den folgenden Verfahrensschritten wird die Kapsel wie im Fall von Fig. 9(f) ausgebildet.

Fig. 14 veranschaulicht den Hauptteil der Verfahrensschritte für die Erzielung einer Ausgestaltung des Schwingerkörpers, bei dem in der Kapsel ein Vakuum erhalten bleibt.

Zum Messen von Druck o.dgl. mit hoher Ansprechempfindlichkeit und hohem Q-Faktor muß der Schwinger in einem Vakuum gehalten werden. Hierfür sind jedoch bestimmte Maßnahmen für das Herstellungsverfahren eines solchen Schwingtyp-Wandlers einer Ausgestaltung nötig, bei welcher die balkenartigen Schwinger 26A, 26B und 27 einstückig bzw. materialeinheitlich auf der Membran 25 ausgebildet sind.

Im folgenden ist anhand von Fig. 14 der Fall erläutert, in welchem die ersten Schwinger des Schwingerkörpers gemäß Fig. 5 in einem Vakuum gehalten werden.

Die Verfahrensschritte der Fig. 9(a) bis 9(e) werden wiederum durchgeführt, wobei das Ätzergebnis gemäß Fig. 10(a) entsprechend Fig. 9(f) erzielt wird.

Im Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(b) werden die Außenflächen des Substrats 40 und die vierte epitaxiale Schicht 47 einem n-Typ-Aufwachsprozeß bei einer Temperatur von 1050°C, allgemein in einer Wasserstoffatmosphäre oder im Vakuum, unterworfen. Die zwischen den Substrat 40 und der vierten epitaxialen Schicht 47 gebildete Injektionsöffnung 48 wird unter Erzeugung der Kapsel 51 durch Aufwachsen ausgefüllt, und der Schwingerkörper für den Wandler mit z.B. dem ersten Schwinger 26A wird im Inneren der zweiten epitaxialen Schicht erzeugt.

Dabei entsteht eine n-Typ-Schicht mit einer Dicke entsprechend einem Zwischenraum (t) der Injektionsöffnung 48 um den ersten Schwinger 26A herum und auch an der Innenseite eines Hohlraums 74.

Da im Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(b) das Aufwachsen in der Wasserstoffatmosphäre stattfindet, wird der zwischen dem Substrat 40 aus Siliziumeinkristall und der Kapsel 51 gebildete Hohlraum 74 mit Wasserstoff (H2) gefüllt.

Gemäß Fig. 14(c) wird sodann ein Schwingtyp-Wandler mit dem Schwingerkörper in eine Vakuumatmosphäre bei 900°C gebracht, und der Wasserstoff wird durch das Kristallgitter des Siliziums (hindurch) bis zum Vakuum abgesaugt. Der damit erzielte Vakuumgrad beträgt 1 × 10-3 Torr (133,3 × 10-3 Pa) oder weniger.

Ein ähnliches Ergebnis läßt sich mit Inertgas und gasförmigem Stickstoff mit geringerem Wasserstoffpartialdruck erzielen.

Im folgenden ist die Wasserstoffabsaugung anhand von Fig. 15 erläutert. In Fig. 15 sind auf der Abszisse die Temperatur und auf der Ordinate der Dissoziationsdruck aufgetragen. Die vom Nullpunkt ausgezogene schräge Gerade gibt eine Grenze für die Trennung einer Domäne, in welcher Wasserstoff im Silizium des Substrats 40 absorbiert wird, und einer Domäne an, in welcher Wasserstoff aus dem Silizium nach außen abgesaugt (extracted) wird.

Aus dieser Darstellung ist folgendes ersichtlich: Wenn Wasserstoff für eine längere Zeit im Vakuum T1 oder bei z.B. 1200°K belassen wird, wird der in der Kapsel 51 befindliche Wasserstoff im Silizium der Kapsel 51 und des Substrats 40 absorbiert und darin diffundiert, während der die Oberfläche erreichende Wasserstoff zersetzt und abgeführt wird, wenn der Umgebungsdruck bei P1 oder z.B. 10-3 Torr bzw. 1333-3 Pa oder darunter liegt. Im Hohlraum 74 kann damit ein hohes Vakuum von z.B. 10-3 Torr aufrechterhalten werden.

Obiges läßt sich anhand des Ergebnisses eines Versuchs verstehen, bei dem eine Größe von 3 × 104 oder mehr als Q-Faktor für den ersten Schwinger 26A, entsprechend etwa 10-3 Torr, für den Hohlraum 74 in der Kapsel 51 erzielt wurde.

Fig. 16 veranschaulicht ein Verfahren, bei dem ein Teil der Verfahrensschritte gegenüber Fig. 14 abgewandelt wurde. Nach dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(a) geht das Verfahren auf den Verfahrensschritt gemäß Fig. 16(a) über.

Im Verfahrensschritt gemäß Fig. 16(a) wird die im Verfahrensschritt gemäß Fig. 14(a) durch Ätzen gebildete Injektionsöffnung 48 versiegelt.

In diesem Verfahrensschritt wird Sauerstoff in einem durch die vierte epitaxiale Schicht 47, als erster Schwinger 26A, gebildeten Spalt zur zweiten epitaxialen Schicht 45 und zum Siliziumsubstrat 40 verdrängt (substituted) , worauf die Injektionsöffnung 48 unter Ausbildung einer Kapsel 75 durch Aufsprühen von amorphem Silizium versiegelt wird.

Sodann erfolgt der Absaugschritt gemäß Fig. 16(b). Dabei wird der Schwingtyp-Wandler mit dem Schwingerkörper bei 900°C oder mehr in ein Vakuum eingebracht, und eine Innenwandfläche des Hohlraums 74 wird durch den diesen ausfüllenden Sauerstoff im Verfahrensschritt gemäß Fig. 16(a) oxidiert, oder der Sauerstoff diffundiert in das Silizium ein und tritt teilweise an der Siliziumoberfläche aus, wodurch das Vakuum erhöht wird.

Beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung werden die Schwinger materialeinheitlich mit dem Siliziumsubstrat unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts oder Zwischenraums dazu ausgebildet, worauf nach einem vorbestimmten Prozeß ein Vakuum erzeugt wird, so daß sich ein Schwingtyp-Wandler mit überlegener Druckund Temperaturcharakteristik erzielen läßt.

Fig. 17 veranschaulicht in Schnittansicht einen Hauptteil des Schwingtyp-Wandlers, bei dem den Schwingern eine Anfangsspannung erteilt wird.

Der Schwingerkörper ist dabei so ausgebildet, daß seine beiden Enden z.B. am n-Typ-Siliziumsubstrat 40 befestigt sind und der p-Typ-Schwinger 13 unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts zum Substrat 40, mit Ausnahme der gegenüberliegenden Enden, befestigt ist, wobei der Schwinger oder der Schwingkörper von der materialeinheitlich mit dem Substrat ausgebildeten Silizium-Kapsel 51 abgedeckt und um ihn herum der Hohlraum 74 ausgebildet ist. Im Hohlraum 74 herrscht dabei ein Vakuum.

Anschließend wird die Membran 25 z.B. mit einem Meßdruck Pm beaufschlagt, und eine Resonanzfrequenz eines Schwingers 76, dessen gegenüberliegende Enden an der Membran 25 festgelegt sind, was einer auf den Schwinger 76 einwirkenden Spannung entspricht, wird gemessen, um damit den Meßdruck Pm zu ermitteln.

Sofern nicht eine Anfangsspannung auch zu dem Zeitpunkt vorliegt, zu dem der Meßdruck Pm gleich Null ist, wird im Schwinger 76 eine Ausbeulung oder Wölbung aufgrund des Meßdrucks Pm hervorgerufen, was für die Messung ungünstig ist. Sofern die Streuung der Anfangsspannung nicht gesteuert wird, kann dies auch zu einer Streuung (oder Abweichung) der Ansprechempfindlichkeit führen.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf diesen Fall. Fig. 18 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem kovalenten Bindungsradius Ri verschiedener Fremdstoffe oder Fremdatome und dem kovalenten Bindungsradius Ri jedes Fremdatoms (einerseits) und einem kovalenten Bindungsradius Rsi von Silizium (andererseits). Fig. 19 veranschaulicht eine Änderung der Gitterkonstante in Abhängigkeit von einer Fremdatomkonzentration. Aus Fig. 18 geht folgendes hervor: Während der kovalente Bindungsradius Rsi von Silizium (Si) 1,17A beträgt, beträgt derjenige von Phosphor (P) 1,10A und derjenige von Bor (B) 0,88 A, was bedeutet, daß die letzteren Werte ziemlich klein sind. Wenn daher Bor oder Phosphor in Silizium injiziert wird, wird der betreffende Abschnitt einer Zugspannung unterworfen. Wenn gemäß Fig. 19 die Borkonzentration z.B. 1020cm-3 beträgt, beträgt die Änderung der Gitterkonstante 2 × 10-3 A, und da die Gitterkonstante von Silizium gleich 5,431 A ist, beträgt die Spannung (strain) etwa 4 × 10-4 (=2 × 10-3/5,431). Für eine Spannung von 4 × 10-4 oder darüber wird Bor in doppelter Menge oder mit 2 × 1020cm-3 injiziert, wobei proportional zur Injektionsrate eine Anfangsspannung von 8 × 10-4 hervorgerufen wird. Durch Injizieren bzw. Dotieren mit einer beliebigen oder willkürlichen Borkonzentration kann somit eine beliebige Anfangsspannung erzielt werden.

Dem Schwinger 76 gemäß Fig. 17 wird auf entsprechende Weise eine Anfangsspannung erteilt.

Für die Spannung von weniger als 4 × 10-4 wird die Phosphorkonzentration des n-Siliziumsubstrats 40 erhöht, oder der Schwinger 76 wird oxidiert, um Bor auf der Oberfläche des Schwingers im Oxidfilm zu verteilen, wobei durch Entfernen des Oxidfilms mittels HF die Borkonzentration im Schwinger 76 verringert wird, um die Spannung auf 4 × 10-4 oder darunter einzustellen. Wie aus Fig. 19 hervorgeht, wird vorausgesetzt, daß die Spannung bei einer Borkonzentration von etwa 1017cm-3 nahezu nicht auftritt.

Fig. 20 veranschaulicht Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schwingerkörpers als Hauptteil des erfindungsgemäßen Schwingtyp-Dehnungssensors.

Gemäß Fig. 20(a) wird in einem Verfahrensschritt entsprechend Fig. 9(a) und 9(b) die Ausnehmung 43 durch Ätzen mit HCl ausgebildet. Gemäß Fig. 20(b) wird sodann bei einer Borkonzentration (p-Typ) von 1018cm-3 durch selektives Aufwachsen in einer Wasserstoffatmosphäre von 1050°C innerhalb der Ausnehmung 43 die erste epitaxiale Schicht 44 erzeugt.

Anschließend wird gemäß Fig. 20(c) bei einer auf 1020cm-3 eingestellten Borkonzentration (p-Typ) in der Wasserstoffatmosphäre von 1050°C durch selektives Aufwachsen auf der ersten epitaxialen Schicht 44 eine als Schwinger 76 dienende epitaxiale Schicht 77 ausgebildet.

Der kovalente Bindungsradius von Silizium beträgt 1,17 A, während derjenige von Bor 0,88 A beträgt; wenn daher Bor teilweise in Silizium injiziert wird, wird der betreffende Abschnitt einer Zugspannung unterworfen, die dazu benutzt wird, dem betreffenden Abschnitt eine erforderliche Anfangsspannung zu erteilen; dies kann durch Einstellung der Borkonzentration der als Schwinger 76 wirkenden zweiten epitaxialen Schicht 77 geschehen.

Gemäß Fig. 20(d) wird sodann bei einer Borkonzentration (p-Typ) von 1018cm-3 auf der zweiten epitaxialen Schicht 77 durch selektives Aufwachsen in der Wasserstoffatmosphäre von 1050°C die dritte epitaxiale Schicht 46 erzeugt.

Weiterhin wird gemäß Fig. 20(e) bei einer Borkonzentration (p-Typ) von 1020cm-3 auf der dritten epitaxialen Schicht 46 in der Wasserstoffatmosphäre von 1050°C durch selektives Aufwachsen die vierte epitaxiale Schicht 47 ausgebildet.

Fig. 20(f) veranschaulicht einen Ätzvorgang zum Entfernen oder Abtragen der ersten epitaxialen Schicht 44 und der dritten epitaxialen Schicht 46 in dem Zustand, in welchem der SiO2-Schutzüberzug 41 (auf nicht dargestellte Weise) durch Ätzen mit Fluorwasserstoff (HF) nach dem selektiven Aufwachsvorgang gemäß Fig. 20(e) entfernt worden ist.

Das gesamte Gebilde wird bei diesem Ätzvorgang auf nicht dargestellte Weise in eine Alkalilösung eingetaucht, wobei von der Gleichstrom-Impulsspannungsquelle Ep her eine positive Impulsspannung eines Spitzenwerts von 5 V und einer Wiederholungsfrequenz von etwa 0,04 Hz der zweiten epitaxialen p-Typ-Schicht 77 aufgeprägt wird, so daß das n-Typ-Siliziumsubstrat 40 an positivem Potential liegt. Da bei der Spannungsaufprägung auf dem genannten Siliziumsubstrat 40 und der vierten epitaxialen Schicht 47 jeweils ein diese Elemente passivierender unlöslicher Oberflächenfilm erzeugt wird, wird die Ätzgeschwindigkeit beim Entfernen der ersten epitaxialen Schicht 44 und der dritten epitaxialen Schicht 46 zu diesen Schichten hin ziemlich niedrig. Wenn weiterhin die Dotierungskonzentration von Bor größer ist als 4 × 1019, ist die Ätzgeschwindigkeit gegenüber dem Normalfall mit nicht dotiertem Silizium erheblich verringert; diese Erscheinung wird für die Ausbildung eines Gebildes genutzt, bei dem in einem Teil die Injektionsöffnung 48 vorgesehen und außerdem ein Spalt zwischen den Siliziumsubstrat 40 und der zweiten epitaxialen Schicht 77 als Ganzes hervorgebracht wird, so daß die zweite epitaxiale Schicht 77 gemäß Fig. 20(g) zurückbleibt.

Die folgenden Verfahrensschritte entsprechen denen von Fig. 9(g) oder 14(b) bis 14(e). Nach dem beschriebenen Verfahren wird ein Hauptteil des Schwingerkörpers gemäß Fig. 17 erzeugt.

Für die weitere Einstellung einer Anfangsspannung des Schwingers 76 wird beispielsweise eine Phosphorkonzentration im n-Typ-Siliziumsubstrat 40 eingestellt. Damit wird die Anfangsspannung auf eine relative Spannung bzw. Dehnung (strain) des Substrats 40 und der zweiten epitaxialen Schicht 77 eingestellt.

Wahlweise kann eine scheinbare Anfangsspannung dadurch reduziert werden, daß ein n-Typ-Silizium einer niedrigen Fremdatom-Konzentration auf dem Schwinger 76 mit einer geeigneten Dichte zum Aufwachsen gebracht wird. Außerdem kann durch Wärmeoxidation bzw. thermische Oxidation eine Druckspannung in einem "heißen" bzw. thermischen Oxidfilm erzeugt werden, um damit die scheinbare Anfangsspannung einzustellen. Darüber hinaus kann die Anfangsspannung auch auf ähnliche Weise nach einem CVD-Verfahren, durch Aufsprühen, Aufdampfen o.dgl. eingestellt werden.

Im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde als zu injizierendes Fremdatom Bor oder Phosphor erwähnt; die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Schwingbalken ist außerdem auch nicht nur auf Silizium beschränkt.

Obgleich für den beschriebenen Schwingtyp-Dehnungssensor eine Druckmessung erwähnt ist, kann er auch als Beschleunigungssensor, Wirkdrucksensor o.dgl. eingesetzt werden.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, kann erfindungsgemäß dem Schwingbalken bzw. Schwinger auf eine im Vergleich zum Stand der Technik einfache Weise eine Anfangsspannung erteilt werden, die sich außerdem einfach einstellen bzw. justieren läßt.

Im folgenden ist der in Fig. 5 dargestellte Verstärker im einzelnen beschrieben.

Da beim bisherigen Schwingtyp-Wandler gemäß Fig. 4 der Schwinger so ausgelegt ist, daß er in einer nicht-linearen Domäne schwingt, ändert sich eine Schwingungsfrequenz aufgrund der Begrenzung der Amplitude durch z.B. eine Zener- Diode, und eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Ansteuerspannung vermag häufig die Amplitude des Schwingers entsprechend Grenzbedingungen des Übergangs zum anderen Resonanzsystem oder zu dem zu messenden Strömungsmittel zu ändern, wodurch die Erzeugung einer genauen Resonanzfrequenz verhindert wird. Dieses Problem kann durch Verwendung des Verstärkers gemäß Fig. 21 ausgeschaltet werden.

Fig. 21 zeigt in einem Schaltbild den detaillierten Aufbau des Verstärkers 39 gemäß Fig. 5.

In Fig. 21 ist mit AMC1 ein Verstärkerkreis bezeichnet, dessen Eingänge (+), (-) mit den Ausgängen 37, 38 des Schwingerkörpers 24 verbunden sind. Sein Ausgang liegt über einen Koppelkondensator C5 an einem weiteren Verstärkerkreis AMC2, dessen Ausgangsspannung an einer Verzweigung J erscheint. Das Ausgangssignal wird sodann über einen Phaseneinstellkreis PHC zu einem Verstärkungsregelkreis GAC geliefert. Ein verstärktes Ausgangssignal vom Verstärkungsregelkreis GAC, nach Verstärkung in dessen erster Stufe erhalten, wird an einen Widerstand R10, einen Feldeffekttransistor Q1, die in Reihe mit einem Transformator T liegen, angelegt, und eine in ihrer Größe geregelte oder eingestellte Ausgangsspannung wird an der Ausgangsklemme 40 von der Sekundärwicklung des Transformators T geliefert.

Andererseits wird eine Spannung Vj von der Verzweigung J einem Halbweg-Gleichrichterkreis HWR eingespeist, in eine Gleichspannung Ej entsprechend einer Größe der Spannung Vj umgewandelt und dann an den invertierenden Eingang (-) eines Komparators CMP angelegt. Dem nicht-invertierenden Eingang (+) des Komparators CMP wird von einem Amplitudeneinstellkreis ASC eine Bezugsspannung VR aufgeprägt, wobei der Komparator CMP eine Abweichung bzw. Differenz zwischen der Gleichspannung Ej und der Bezugsspannung VR verstärkt, die Differenzspannung oder Spannungsdifferenz von seinem Ausgang her an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors Q1 anlegt und (damit) einen Widerstand zwischen Drain- und Gate-Elektrode regelt, um auf diese Weise einen zum Transformator T fließenden Strom zu regeln.

In den obigen Kreisen erfolgt eine Phaseneinstellung durch einen Kondensator C6 und einen Widerstand R17, während die Amplitude der am Ausgang 40 gelieferten Spannung durch einen Widerstand R26 eingestellt wird.

Wenn bei der obigen Schaltung vom Verstärker 39 her eine Spannung dem Eingangstransformator 29 eingespeist wird, fließt von dessen Ausgang ein Strom i zum ersten Schwinger 26A, so daß letzterer mit einer elektromagnetischen Kraft aufgrund des Zusammenwirkens mit einem Magnetfeld des Magneten 17 schwingt. Die Schwingung wirkt über den zweiten Schwinger 27 auf den ersten Schwinger 26B ein, doch da dem ersten Schwinger 26B vom Magneten 17 her ein Magnetfeld aufgeprägt ist, wird am ersten Schwinger 26B eine Spannung e erzeugt und über den Ausgangstransformator 36 dem Verstärker 39 eingespeist. Der Verstärker 39 verstärkt diese Spannung und liefert an seiner Ausgangsklemme eine verstärkte Spannung.

Die verstärkte Spannung wird wiederum dem Eingangstransformator 33 und weiterhin als höhere Spannung dem ersten Schwinger 26A aufgeprägt.

Durch Wiederholung der obigen Vorgänge gerät eine den Verstärker 39 und den Schwingerkörper 24 koppelnde Schleife in Eigenschwingung oder selbsterregte Schwingung. Bei Einstellung der Verstärkung der Schleife auf 1 oder höher bleibt dann die Eigenschwingung erhalten.

Hierbei wird eine Spannungsamplitude der Eigenschwingung so gesteuert oder geregelt, daß sie in eine ständige Differenz (error) zur Bezugspannung VR gelangt.

Wenn nämlich die der Anschluß- oder Verzweigungsspannung Vj entsprechende Gleichspannung Ej gegenüber der Bezugsspannung VR hoch ist, vergrößert sich ein Innen- oder Eigenwiderstand des Feldeffekttransistors Q1 an oder mit einem Ausgang des Komparators CMP entsprechend diesen Abweichungen bzw. Differenzen (deviations), wobei ein zum Transformator T fließender Strom sowie die an der Ausgangsklemme 35 gelieferte Spannung minimiert werden. Infolgedessen werden die dem Schwingerkörper 24 aufgeprägte Spannung und auch die dem Verstärker 39 eingespeiste Spannung ebenfalls minimiert.

Wenn dagegen die der Verzweigungsspannung Vj entsprechende Gleichspannung Ej gegenüber der Bezugsspannung VR klein ist, ist die Wirkungsweise oder Operation umgekehrt.

Die Schwingungsamplitude gerät dabei in Koinzidenz mit der Bezugsspannung VR innerhalb des Bereichs des ständigen Fehlers bzw. der ständigen Differenz. Letzterer bzw. letztere wird durch (Ausgangsspannung/Verstärkung des Komparators CMP) des Komparators CMP bestimmt. Wenn die Verstärkung des Komparators CMP groß ist, kann die Größe des Fehlers bzw. der Differenz vernachlässigt werden, wobei die Amplitude des Schwingers jederzeit gleich der Bezugsspannung VR wird.

Im folgenden ist anhand der Fig. 22 und 23 eine bei Verwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 21 erzielte Wirkung erläutert.

Fig. 22 veranschaulicht eine bei Verwendung der Schaltung nach Fig. 21 erzielte Wirkung (Kennlinie); Fig. 23 veranschaulicht eine ähnliche Wirkung oder Kennlinie für den Fall der Verwendung einer bisherigen Schaltungsanordnung, bei welcher der Feldeffekttransistor Q1 gemäß Fig. 21 unter Herstellung eines Kurzschlusses entfernt ist und eine Ansteuerkraft konstantgehalten wird (Ansteuerung mit konstanter Speisespannung). Der Meßbereich beträgt in jedem Fall 1 kg/cm2, wobei (in Fig. 22 und 23) auf der Abszisse der Druck und auf der Ordinate Indexgrößen aufgetragen sind.

Wie aus den Fig. 22 und 23 hervorgeht, beträgt im Fall von Fig. 22 die Schwankung etwa ±0,005%, während sie im Fall von Fig. 23 etwa ±0,025% (maximal) beträgt, was einer Verbesserung um etwa den Faktor 5 entspricht.

Wie vorstehend beschrieben, umfaßt die Erfindung die Erfassung einer Amplitude der Eigenschwingungshalbwelle des Verstärkers, das Vergleichen der erfaßten oder abgegriffenen Amplitude mit einer vorgegebenen Bezugsspannung und die Einstellung der Amplitude einer in der letzten Stufe angeordneten Verstärkungsregeleinheit, um sie mit der Bezugsspannung koinzidieren zu lassen und damit die Amplitude konstant zu halten, so daß die Schwingungsamplitude jederzeit und ohne Beeinflussung durch äußere Bedingungen oder Umstände konstant bleibt, keine Schwankung in der Eigenschwingungsfrequenz auftritt und damit ein Schwingtyp-Wandler einer hohen Präzision realisiert werden kann.

Die vorstehend im einzelnen beschriebene Erfindung bietet die folgenden Wirkungen oder Vorteile:

  • (a) Bei der in Anspruch 1 definierten Konstruktion ist der Schwingerkörper in einen ersten Schwinger 26A für Anregung und einen (weiteren) ersten Schwinger 26B zum Erfassen der elektromotorischen Kraft unterteilt, wobei Schleifen (loops) der beiden ersten Schwinger 26A und 26B durch einen zweiten Schwinger 27 mechanisch gekoppelt sind, so daß ein Unterdrückungsverhältnis (Rauschabstand) für eine hohe Anregungskomponente ohne den Einschluß einer Anregungsstromkomponente erzielt wird und damit ein Schwingtyp-Wandler realisiert wird, der ein Ausgangssignal einer stabilen oder gleichbleibenden Frequenz zu liefern vermag.
  • (b) Bei der in Anspruch 2 umrissenen Anordnung ist die Richtung eines Schwingerbalkens bestimmungsgemäß (correlatively) auf eine Achse des Siliziumeinkristalls begrenzt oder festgelegt, so daß eine ähnliche Wirkung, wie oben erläutert, erwartet werden kann.
  • (c) Da beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 3 das Substrat, die als erster Schwinger dienende zweite epitaxiale Schicht und die Kapsel materialeinheitlich ausgebildet werden, braucht das Substrat nicht (getrennt) mit der Kapsel verbunden zu werden, so daß jede Unsicherheit aufgrund der Verbindung vermieden werden kann. Da außerdem der Schwinger mittels einer einfachen Ausbildung gegenüber der Luft isoliert werden kann, läßt sich eine Miniaturisierung einfacher erzielen. Da darüber hinaus eine Halbleiterverfahrenstechnik angewandt wird, lassen sich genaue Lage, Dicke und Form von Schwinger und Kapsel ohne weiteres erreichen.
  • (d) Da beim Verfahren nach Anspruch 4 alle Schritte des oben geschilderten Herstellungsverfahrens auf einen (bestimmten) Leitfähigkeitstyp beschränkt sind, wird eine ähnliche Wirkung, wie oben geschildert, erzielt.
  • (e) Gemäß Anspruch 5 wird das oben geschilderte Herstellungsverfahren auf einen H-förmigen Schwingerkörper angewandt, so daß ebenfalls eine ähnliche Wirkung, wie oben geschildert, erreicht werden kann.
  • (f) Die Verfahrensstufen nach Anspruch 6 beziehen sich auf die Ausbildung des Schwingers, des dem Spalt entsprechenden Teils und des der Kapsel entsprechenden Teils durch (epitaxiales) Aufwachsen, womit wiederum die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung erzielt wird.
  • (g) Mit den in Patentanspruch 7 definierten Verfahrensschritten wird beim Verfahren nach Anspruch 4 ein höheres Ausbringen gewährleistet.
  • (h) Gemäß Patentanspruch 8 wird der Schwinger unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts materialeinheitlich mit dem Siliziumsubstrat ausgebildet und dann in vorbestimmter einfacher Weise in einem Vakuum eingeschlossen, so daß ein Schwingtyp-Wandler mit verbessertem Druck- und Temperaturgang erzielt wird.
  • (i) Mit dem Verfahrensschritt nach Anspruch 9 erfolgt eine Einkapselung in einer Wasserstoffatmosphäre zur Herstellung des Vakuums.
  • (j) Mit dem Verfahrensschritt nach Anspruch 10 erfolgt eine Einkapselung in einer Sauerstoffatmosphäre zur Herstellung des Vakuums.
  • (k) Bei der Konstruktion nach Anspruch 11 kann dem Schwinger auf eine im Vergleich zum Stand der Technik einfache Weise eine Anfangsspannung erteilt werden, die sich außerdem einfach einstellen oder justieren läßt.
  • (l) Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 12 kann dem H-förmigen Schwinger nach Anspruch 2 auf einfache Weise eine Anfangsspannung erteilt werden, die sich wiederum einfach einstellen oder justieren läßt.
  • (m) Der Wandler gemäß Anspruch 13 umfaßt die Erfassung einer Amplitude der Eigenschwingungshalbwelle des Verstärkers, das Vergleichen der erfaßten Amplitude mit einer vorgegebenen Bezugsspannung und die Einstellung der Amplitude einer in der letzten Stufe vorgesehenen Verstärkungsregeleinheit, so daß sie der Bezugsspannung entspricht, wobei die Amplitude konstantgehalten wird und damit die Schwingungsamplitude jederzeit und ohne Beeinflussung durch äußere Umstände oder Bedingungen konstant bleibt und keine Schwankung oder Fluktuation in der Eigenschwingungsfrequenz auftritt.


Auf diese Weise kann ein Schwingtyp-Wandler einer hohen Präzision realisiert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Schwingtyp-Wandler mit einem Schwingerkörper aus einem Siliziumeinkristallmaterial auf einem Siliziumeinkristall-Substrat, einer Anregungseinheit zum Anregen des Schwingerkörpers und einer Schwingungsdetektoreinheit zum Erfassen oder Abgreifen einer angeregten Schwingung des Schwingerkörpers, gekennzeichnet durch einen H-förmigen Schwingerkörper mit zwei ersten Schwingern oder Vibratoren, deren gegenüberliegende Enden jeweils am Substrat befestigt oder festgelegt sind und die zueinander parallel angeordnet sind, sowie einem die Mittelabschnitte der ersten Schwinger mechanisch koppelnden zweiten Schwinger, eine Magnetfeldaufprägeeinheit zum Aufprägen (oder Anlegen) eines Gleichspannung-Magnetfelds senkrecht zum Schwingerkörper, eine Anregungseinheit zum Schwingenlassen der Schwinger mittels einer Wechselwirkung (mutual action) mit dem Gleichspannung-Magnetfeld durch Anlegung eines Wechselstroms an die gegenüberliegenden Enden eines der ersten Schwinger oder an jeweils das gleiche Ende der beiden ersten Schwinger, eine Schwingungsdetektoreinheit zum Erfassen oder Abgreifen einer elektromotorischen Kraft an den gegenüberliegenden Enden des anderen ersten Schwingers oder an den gleichen (auf der gleichen Seiten liegenden) anderen Enden der beiden ersten Schwinger und eine zwischen die Anregungseinheit und die Schwingungsdetektoreinheit geschaltete Verstärkereinheit.
  2. 2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen H-förmigen Schwingerkörper mit den beiden ersten Schwingern, die balkenartig (like a beam) in der <001>-Richtung zu einer Kristallebene (100) des Substrats, auf dem jeder Schwinger ausgebildet ist, geformt sind, wobei der zweite Schwinger rechtwinkelig zu diesen (ersten) Schwingern ausgebildet ist.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung eines Schwingtyp-Wandlers, bei dem ein balkenartiger Schwinger oder Vibrator materialeinheitlich mit einer auf einem Siliziumeinkristall-Substrat geformten dünnen Membran unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts zur Membran ausgebildet und die Oberseite (des Gebildes) mit einer einen vorbestimmten Spalt zum Schwinger festlegenden Kapsel (shell) abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Spalt entsprechende und aus Silizium oder Siliziumoxid bestehende Teil und der Schwinger materialeinheitlich mit dem Substrat geformt werden, sodann ein oberer Abschnitt des dem Spalt entsprechenden Teils materialeinheitlich mit dem Substrat mit einem der Kapsel entsprechenden Teil abgedeckt wird, hierauf eine den dem Spalt entsprechenden Teil erreichende Injektionsöffnung für ein Ätzreagens oder -mittel in dem der Kapsel entsprechenden Teil ausgebildet und der dem Spalt entsprechende Teil durch Ätzen entfernt wird und anschließend die Injektionsöffnung luftdicht verschlossen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen n-Leitfähigkeitstyp (conduction mode) und der dem Spalt entsprechende Teil einen p-Leitfähigkeitstyp besitzen und der Schwinger sowie die Kapsel jeweils eine hohe (Fremdatom-)Konzentration und den p-Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine H-förmige Vertiefung oder Ausnehmung, in welcher anstelle des Schwingers ein H-förmiger Schwingerkörper eingeschlossen ist oder wird, durch Ätzen des Substrats mit einer H-förmigen Ätzmaske in der <001>-Richtung zu einer Kristallebene (100) des Substrats und auch rechtwinkelig dazu ausgebildet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat ein Schutzüberzug aus Siliziumoxid oder -nitrid geformt und durch Ätzen unter Zurücklassung einer Ausnehmung teilweise entfernt oder abgetragen wird, sodann der Schwinger und der dem Spalt entsprechende Teil sowie der der Kapsel entsprechende Teil in der Ausnehmung (recession) durch (epitaxiales) Aufwachsen geformt werden und hierauf ein restlicher Teil des Schutzüberzugs zur Ausbildung der Injektionsöffnung durch Ätzen abgetragen wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner auf dem Substrat eine zusätzliche epitaxiale Schicht einer Dicke von 1 µm oder weniger, einer hohen (Fremdatom-) Konzentration und des p-Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Spalt entsprechende Teil durch Ätzen entfernt wird, um einen Hohlraum zu bilden, und die Injektionsöffnung sodann in einer Gasatmosphäre bei hoher Temperatur verschlossen oder versiegelt wird, um damit im Hohlraum ein Vakuum zu erzeugen.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasatmosphäre eine Wasserstoffatmosphäre angewandt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasatmosphäre eine Sauerstoffatmosphäre angewandt wird.
  11. 11. Schwingtyp-Wandler zum Messen einer physikalischen Größe, die auf eine Spannung oder Dehnung (strain) bezogen ist, welche auf die gegenüberliegenden Enden eines balkenartigen, auf einem Siliziumsubstrat befestigten oder festgelegten Schwingers ausgeübt wird, durch Messung einer Resonanzfrequenz des Schwingers, gekennzeichnet durch einen Schwinger oder Vibrator, dem durch Implantieren eines anderen Atoms mit einem Bindungsradius, der kleiner ist als derjenige eines den Schwinger bildenden Atoms, eine vorbestimmte Anfangsspannung (initial tension) erteilt worden ist.
  12. 12. Wandler nach Anspruch 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Anfangsspannung jedem Schwinger dadurch erteilt worden ist, daß ein anderes Atom (Fremdatom) mit einem Bindungsradius, der kleiner ist als derjenige eines jeden Schwinger bildenden Atoms, implantiert worden ist.
  13. 13. Wandler nach Anspruch 1 mit einer ersten Verstärkereinheit zum Verstärken eines vom Schwingerkörper (als Verstärker) erzeugten Signals, eine Verstärkungsregeleinheit zum Regeln einer Verstärkung (gain) durch Verstärken eines auf ein Ausgangssignal der ersten Verstärkereinheit bezogenen Signals und eine Vergleichereinheit zum Ausgeben eines Differenzsignals durch Vergleichen eines auf eine Amplitude eines Ausgangssignals der ersten Verstärkereinheit bezogenen Signals mit einem vorbestimmten Bezugswert, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsregeleinheit durch das Differenzsignal (an)steuerbar ist, um damit die Amplitude der Eigenschwingung oder selbsterregten Schwingung zu erhalten.






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