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Dokumentenidentifikation DE3833354C2 22.04.1993
Titel Schwingtyp-Wandler mit einem Sensorelement und Verfahren zur Herstellung des Sensorelements
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 der Patenterteilung 22.04.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.04.1993
IPC-Hauptklasse G01D 5/00
IPC-Nebenklasse G01H 1/00   H04R 31/00   G10K 11/04   H03H 9/24   H03H 3/007   G01B 7/20   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingtyp-Wandler mit einem Sensorelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements, wie aus der DE 36 30 368 A1 bekannt.

Aus der DE-OS 17 66 913 ist ein elektromechanisches Filter bekannt, das für monolithische integrierte Schaltungen geeignet ist. In einem als Substrat dienenden Kristall ist eine Ausnehmung ausgebildet, in welcher ein Resonator mittels Querteilen, die einheitlich mit dem Kristall ausgebildet sind, aufgenommen ist. An dem Resonator sowie an den Querteilen sind metallische Streifen durch Diffusionstechniken ausgebildet, die als elektrische Leiter fungieren und sich über die gesamte Länge des Resonators erstrecken. Die beiden Streifen sind über ihre gesamte Längserstreckung durch den Resonator kapazitiv miteinander gekoppelt, wodurch sich die Erreger- und Meßkreise dieses Filters gegenseitig beeinflussen. Außerdem unterliegen die Resonanzeigenschaften des Filters Störeinflüssen durch Temperaturschwankungen. Die Temperaturempfindlichkeit des bekannten Filters folgt aus der Unterschiedlichkeit des Streifen- und Querteil-Materials. Da die Herstellung des bekannten Filters so erfolgt, daß zunächst dielektrische Filme auf den Streifen ausgebildet und die metallischen Streifen sodann auf diesen Filmen gebildet werden, unterliegt dieser Aufbau einer Resonanzfrequenzverschiebung aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien.

Aus der DE 25 05 461 C2 ist ein Meßumformer zum Bestimmen einer ein Substrat verformenden Meßgröße bekannt. Der Meßumformer weist mindestens zwei auf dem Substrat angeordnete elektroakustische Wandler auf, welche als Sende- bzw. Empfangseinrichtung für sich zwischen ihnen im Substrat ausbreitende Oberflächen-Schallwellen dienen, wobei deren Ausbreitung einer Zeitverzögerung infolge der Verformung des Substrats unterliegt. Ein Rückkopplungsverstärker bildet mit den elektroakustischen Wandlern einen Schwingkreis, dessen Schwingungsfrequenz durch die Verformung der Membran eine Veränderung erfährt, die als Maß für die die Verformung verursachende Meßgröße dient.

Aus der DE 27 49 937 A1 ist ein elektromechanisches Schaltungselement, insbesondere ein Kapazitätsglied, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei an einem insbesondere aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat mit zwei entgegengesetzten Seiten entlang eines Teilbereiches einer diesen Seiten bis zu einer einer gewünschten Membrandicke entsprechenden Tiefe eine ätzmittelbeständige Schicht mit einer gewünschten Membrangröße entsprechenden seitlichen Abmessungen ausgebildet und von der anderen Seite her zur Ausbildung eines an der ätzmittelbeständigen Schicht endenden Hohlraumes ein ausgewählter Teilbereich entfernt ist, so daß in der ätzmittelbeständigen Schicht eine in ihren seitlichen Abmessungen dem Boden des Hohlraumes entsprechende Membran entsteht, deren der Tiefendimension der ätzmittelbeständigen Schicht entsprechende Dicke unter Berücksichtigung ihrer seitlichen Abmessung so gewählt ist, daß die Membran unter der Einwirkung äußerer Kräfte eine Durchbiegung erfahren kann und mechanisches Resonanzverhalten zeigt. Die Herstellung dieser bekannten elektromechnischen Schaltungselemente erfolgt durch geeignete Ätztechniken. Die Anwendung der in der vorstehend genannten Druckschrift geoffenbarten elektromechanischen Schaltungselemente zur Messung physikalischer Größen, wie beispielsweise einer Kraft oder eines Druckes, wird beschrieben, wobei jedoch keine Hinweise darauf gegeben werden, auf welche Weise durch eine Verbesserung der Topographie der Halbleitermembran der Rauschabstand, die Stabilität des Ausgangssignals und eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielt werden können.

Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen ein Beispiel für den Schwingtyp-Wandler gemäß der genannten DE 36 30 368 A1. Dabei zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des als Druckmeßfühler oder -sensor eingesetzten 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 Äquivalentschaltkreis 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 Siliziumeinkristallsubstrats 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 Druckrohrleitung 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&spplus;-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 Metall-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 (Siliziumeinkristallsubstrat 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 C&sub0;, der Vergleichswiderstand R&sub0; 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 Eigenschwingungsfrequenz des Schwingers 16.

Bei der beschriebenen Anordnung steigt die Impedanz R des Schwingers 16 mit der Eigenschwingungsfrequenz 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,

g = Schwerkraftbeschleunigung,

γ = Dichte des den Schwinger bildenden Werkstoffs,

A = eine durch die Schwingungsmode 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 Eigenschwingungsfrequenz 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 Wechselspannungsmeßbrücke 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 ist es Aufgabe der Erfindung, einen ein Sensorelement aufweisenden Schwingtyp-Wandler, der einen zufriedenstellenden Rauschabstand und ein stabiles Ausgangssignal gewährleistet und zudem eine hohe Ansprechempfindlichkeit besitzt, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelementes eines derartigen Schwingtyp-Wandlers in Vorschlag zu bringen.

Für einen Schwingtyp-Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale sowie für das Verfahren zur Herstellung des Sensorelements eines derartigen Schwingtyp-Wandlers durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte, nicht glatt selbstverständliche Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, auf die sie rückbezogen sind, angegeben.

Wenn bei dem erfindungsgemäßen Wandler eine externe Kraft auf eine durch das Siliziumeinkristall-Substrat gebildete Membran als Sensorelement ausgeübt wird, ändert sich eine Eigenschwingungsfrequenz des Schwingerkörpers entsprechend der externen Kraft. Eine Schwingung des Schwingerkörpers wird durch eine Schwingungsmeßeinheit erfaßt, und eine Änderung der Eigenschwingungsfrequenz wird als Ausgangssignal abgegriffen. Sodann wird eine auf die Membran einwirkende physikalische Größe anhand der Größe der Eigenschwingung erfaßt oder gemessen.

Beim erfindungsgemäßen 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 Konstruktion nach dem Standard der Technik, 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 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 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 Schwingerkörper eine Anfangsspannung 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 der Fremdatomdichte,

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

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, die den Stand der Technik darstellen, sind eingangs bereits erläutert worden.

Ein Schwingerkörper 24 mit einem H-förmigen Schwinger und anderen Bauteilen besteht aus einem ersten Schwinger mit Schwingerkörper-Längselementen 26A, 26B und einem zweiten Schwinger mit einem Schwingerkörper-Querelement 27 aus p-Typ-Silizium, die hinsichtlich der Kristallstruktur materialeinheitlich auf einer Membran aus einem Siliziumeinkristall-Substrat 25 z.B. des n-Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind.

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

Die stab- oder balkenartigen Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B des ersten Schwingers sind mit dem p-Leitfähigkeitstyp hinsichtlich der Kristallstruktur materialeinheitlich mit dem als Membran dienenden Siliziumeinkristall-Substrat 25 parallel zu einer Kristallachse <001> so ausgebildet, daß sie jeweils die Ausnehmung 28überspannen bzw. über dieser liegen, wobei ihre Mittelabschnitte durch ein rechtwinklig zu ihnen verlaufendes balkenartiges Schwingerkörper-Querelement 27 als zweiter Schwinger vom p-Typ miteinander verbunden sind, so daß insgesamt ein H-förmiger Schwinger entsteht.

An den gegenüberliegenden Enden des Schwingerkörper-Längselementes 26A sind Elektroden 29 und 30 und an den gegenüberliegenden Enden des Schwingerkörper-Längselementes 26B sind Elektroden 31 und 32 vorgesehen. Auf einem oberen Abschnitt des Schwingerkörper-Querelementes 27 ist parallel dazu ein Magnet 17 als Aufprägeeinheit angeordnet, so daß ein Magnetfeld rechtwinklig zu den Schwingerkörper-Längselementen 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 des als Membran dienenden Siliziumeinkristall-Substrats 25 zur Verdeutlichung der Darstellung weggelassen. Die Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B und das Schwingerkörper-Querelement 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 des Schwingerkörpers zu gewährleisten.

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird das Schwingerkörper-Längselement 26A nach Maßgabe einer Wechselwirkung mit einem Magnetfeld des Magneten 17 als Aufprägeeinheit durch eine Spannung, die dem Eingangstransformator 33 als Anregungseinheit vom Verstärker 39 eingespeist wird, zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen setzen sodann das Schwingerkörper-Längselement 26B über das Schwingerkörper-Querelement 27 in Schwingungen, und die Schwingungen lassen den Ausgangstransformator 36 als Schwingungsmeßeinheit aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Magneten 17 eine elektromotorische Kraft oder EMK e an der Eingangsseite erzeugen. Die EMK e wird dem Verstärker 39 über den Ausgangstransformator 36 als Schwingungsmeßeinheit eingespeist, in ersterem verstärkt und dann zur Ausgangsklemme 35 ausgegeben. Die verstärkte Spannung wird zum Eingangstransformator 33 als Anregungseinheit positiv rückgekoppelt, was wiederholt erfolgt, um eine selbsterregte Schwingung oder Eigenschwingung des Systems hervorzubringen.

Wie vorstehend beschrieben, ist der Schwingerkörper 24 in das Schwingerkörper-Längselement 26A für Anregung und das Schwingerkörper-Längselement 26B für Erfassung oder Abgreifen der EMK unterteilt. Die Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B sind an Schwingungsschleifen durch das Schwingerkörper-Querelement 27 als zweiten Schwinger 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 das Siliziumeinkristall-Substrat 25 als Membran beaufschlagender 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 als Anregungseinheit jeweils an die auf derselben Seite liegenden Enden der beiden Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B angeschlossen, während eine Primärseite eines Ausgangstransformators 36 als Schwingungsmeßeinheit mit den jeweils auf derselben Seite liegenden Enden der Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B verbunden ist.

Obgleich das Schwingerkörper-Querelement 27 bei der vorher beschriebenen Ausführungsform aus p-Typ-Silizium besteht, ist es nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann es 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 ein 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 Schwingerkörper-Längselemente 26A und 26B für Anregung bzw. Erfassung der EMK unterteilt ist und außerdem die beiden Schwingerkörper-Längselemente 26A und 26B an Schwingungsschleifen durch das Schwingerkörper-Querelement 27 als zweiten Schwinger mechanisch miteinander gekoppelt sind, ist dabei keine Anregungsstromkomponente 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 Sensorelementes 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 Schwingerkörper-Längselements 26A des ersten Schwingers, mit dem der Schwingerkörper als Querelement 27 noch nicht verbunden ist.

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

Auf einer Kristallebene (100) eines Siliziumeinkristall-Substrats 40 vom n-Typ wird ein Schutzüberzug 41 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 Schwingerkörper-Längselements 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 Alkalilösung 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 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 1018 Atome/cm³ unterworfen.
  • 2) Im zweiten Schritt wird eine zweite, dem Schwingerkörper-Längselement 26A entsprechende epitaxiale Schicht 45 durch selektives Aufwachsen auf der Oberfläche der ersten epitaxialen Schicht 44 zum Verschließen der Öffnung 42 mittels p-Typ-Siliziums einer Borkonzentration von 1020 Atome/cm3 gezüchtet.
  • 3) Im dritten Schritt wird eine dritte epitaxiale Schicht 46, die als obere Hälfte des der Ausnehmung 43 entsprechenden Teils dient, aus p-Typ-Silizium einer Borkonzentration von 1018 Atome/cm³ 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-Siliziums einer Borkonzentration von 1020 Atome/cm³ selektiv auf einer Oberfläche der dritten epitaxialen Schicht 46 gezüchtet.


Im beschriebenen Fall kann jedoch für die dritte epitaxiale Schicht 46 auch ein n-Typ-Silizium einer Phosphorkonzentration von 1017 Atome/cm³ verwendet werden.

Fig. 9(d) veranschaulicht einen Verfahrensschritt zur Ausbildung einer Injektionsöffnung 48, durch die ein Ätzreagens injiziert wird.

Dabei wird der Schutzüberzug 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 Siliziumeinkristall- Substrat 40 vom n-Typ in Gegen- oder Sperrichtung zur vierten epitaxialen Schicht 47 vom p-Typ vorgespannt ist; durch die Injektionsöffnung 48 im Siliziumeinkristall-Substrat 40 wird eine Alkalilösung injiziert, durch welche die erste epitaxiale Schicht 44 und die dritte epitaxiale Schicht 46 in einem selektiven Ätzvorgang entfernt werden.

Im oben beschriebenen Fall können für die dritte epitaxiale Schicht 46 n-Typ-Silizium mit einer Phosphorkonzentration von 1017 Atome/cm³ und auch für die vierte epitaxiale Schicht 47 p-Typ-Silizium einer Borkonzentration von 1020 Atome/cm³ verwendet werden. Hierfür wird die Erscheinung genutzt, daß die Ätzwirkung mit einer Borkonzentration von mehr als 4 × 1019 Atome/cm³ 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 Siliziumeinkristall-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 anschließend durch Hochziehen des Siliziumeinkristall-Substrats 40 von einer Bodenseite desselben her ausgebildet.

Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren werden die folgenden Wirkungen erzielt:

  • 1) Da das Siliziumeinkristall-Substrat 40, die als Schwingerkörper-Längselement 26A wirkende zweite epitaxiale Schicht 45 und die Kapsel 51 einstückig oder materialeinheitlich ausgebildet werden, ist es nicht nötig, das Siliziumeinkristall-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 Schwingers.

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 Schwingerkörper 24 als H-förmiger Schwinger 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 Siliziumeinkristall-Substrats 40 erzeugt, worauf der Schutzüberzug 52 auf der Oberfläche des Siliziumeinkristall-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 Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B und das Schwingerkörper-Querelement 27 gebildete Balken der H-Form in der Richtung <001> des Siliziumeinkristall-Substrats 40 und auch in der rechtwinklig dazu liegenden Richtung weisen.

Sodann wird gemäß Fig. 10(b) eine der H-förmigen Öffnung 53 entsprechende H-förmige Ausnehmung oder Vertiefung 54 durch Ätzen über den Schutzüberzug 52 mit dieser H-förmigen Öffnung 53 im Siliziumeinkristall-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 Ausnehmung 43 ausgebildet. Dabei wird die Borkonzentration vorzugsweise zur Begrenzung des Ätzens der epitaxialen p-Typ-Schicht 71 mit dem Ätzmittel auf z.B. etwa 3 × 1019 Atome/cm³ 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 den Teil der ersten epitaxialen Schicht 44 und der dritten epitaxialen Schicht 46 zu entfernen, der dem Spalt entspricht. Dabei ist die zusätzliche epitaxiale p-Typ-Schicht 71 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 Siliziumeinkristall-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 p-Typ-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 Siliziumeinkristall-Substrat 40 und der ersten epitaxialen 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 p-Typ-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-Typ-Schicht 71, die eine hoch mit Bor in einer Konzentration P++ (etwa 3 x 1019 Atome/cm³ dotierte Schicht mit einer Dicke von 1 µm oder weniger ist, auf der Oberseite des Siliziumeinkristall-Substrats 40 wird daher der Strom il unterbrochen, so daß die Entstehung des p-Typ-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 des Sensorelements eines solchen Schwingtyp-Wandlers einer Ausgestaltung nötig, bei welcher die Schwingerkörper-Längselemente 26A, 26B und das Schwingerkörper-Querelement 27 hinsichtlich ihrer Kristallstruktur materialeinheitlich auf der Membran ausgebildet sind.

Im folgenden ist anhand von Fig. 14 der Fall erläutert, in welchem die Schwingerkörper-Längselemente 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 Siliziumeinkristall-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 dem Siliziumeinkristall-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 Schwingerkörper-Längselement 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 das Schwingerkörper-Längselement 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 Siliziumeinkristall-Substrat 40 und der Kapsel 51 gebildete Hohlraum 74 mit Wasserstoff (H2) gefüllt.

Gemäß Fig. 14(c) wird sodann ein Schwingtyp-Wandler mit dem Schwingerkörper in ein Vakuum 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 Siliziumeinkristall-Substrats 40 absorbiert wird, und einer Domäne an, in welcher Wasserstoff aus dem Silizium nach außen abgesaugt 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 Siliziumeinkristall-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 das Schwingerkörper-Längselement 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 Schwingerkörper-Längselement 26A, gebildeten Spalt zur zweiten epitaxialen Schicht 45 und zum Siliziumeinkristall-Substrat 40 verdrängt, 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 werden die Schwinger materialeinheitlich mit dem Siliziumeinkristall-Substrat 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 Druck- und 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 Siliziumeinkristall-Substrat 40 vom n-Typ befestigt sind und der p-Typ-Schwinger 13 unter Festlegung eines vorbestimmten Spalts zum Siliziumeinkristall-Substrat 40, mit Ausnahme der gegenüberliegenden Enden, befestigt ist, wobei der Schwinger oder der Schwingkörper von der hinsichtlich der Kristallstruktur materialeinheitlich mit dem Substrat ausgebildeten Kapsel 51 aus Silizium abgedeckt und um ihn herum der Hohlraum 74 ausgebildet ist. Im Hohlraum 74 herrscht dabei ein Vakuum.

Anschließend wird das die Membran bildende Siliziumeinkristall-Substrat 25 z.B. mit einem Meßdruck Pm beaufschlagt, und eine Resonanzfrequenz eines Schwingers 76, dessen gegenüberliegende Enden an der Membran 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 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) 1,17 Å beträgt, beträgt derjenige von Phosphor (P) 1,10 Å und derjenige von Bor (B) 0,88 Å, 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. 1020 Atome/cm³ beträgt, beträgt die Änderung der Gitterkonstante 2 × 10-3 Å, und da die Gitterkonstante von Silizium gleich 5,431 Å ist, beträgt die Spannung 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 × 1020 Atome/cm³ 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 Siliziumeinkristall-Substrats 40vom n-Typ, 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 1017 Atome/cm3 nahezu nicht auftritt.

Fig. 20 veranschaulicht Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schwingerkörpers als Hauptteil des Sensorelementes.

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 1018 Atome/cm³ 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 1020 Atome/cm³ eingestellten Borkonzentration (p-Typ) in der Wasserstoffatmosphäre von 1050°C durch selektives Aufwachsen auf der ersten epitaxialen Schicht 44 eine als Schwinger 76 dienende zweite epitaxiale Schicht 77 ausgebildet.

Der kovalente Bindungsradius von Silizium beträgt 1,17 Å, während derjenige von Bor 0,88 Å 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 1018 Atome/cm³ 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 1020 Atome/cm³ 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 Schutzüberzug 41 aus SiO&sub2; (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 Schicht 77 (p-Typ) aufgeprägt wird, so daß das Siliziumeinkristall-Substrat 40 vom n-Typ an positivem Potential liegt. Da bei der Spannungsaufprägung auf dem genannten Siliziumeinkristall-Substrat 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 Atome/cm³, 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 dem Siliziumeinkristall-Substrat 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 Siliziumeinkristall-Substrat 40 vom n-Typ eingestellt. Damit wird die Anfangsspannung auf eine relative Spannung bzw. Dehnung des Siliziumeinkristall-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 thermische Oxidation eine Druckspannung in einem "heißen" 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, es können jedoch auch andere Fremdatome injiziert werden. Der Schwingbalken kann auch nicht nur aus Silizium bestehen.

Obgleich für das beschriebene Sensorelement eine Druckmessung erwähnt ist, kann es auch als Beschleunigungssensor, Wirkdrucksensor o.dgl. eingesetzt werden.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, kann 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 die Ausgangsklemme 35 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 an die Ausgangsklemme 35 gelieferten Spannung durch einen Widerstand R26 eingestellt wird.

Wenn bei der obigen Schaltung vom Verstärker 39 her eine Spannung dem Eingangstransformator 33 eingespeist wird, fließt von dessen Ausgang ein Strom i zum Schwingerkörper-Längselement 26A, so daß letzterer mit einer elektromagnetischen Kraft aufgrund des Zusammenwirkens mit einem Magnetfeld des Magneten 17 als Aufprägeeinheit schwingt. Die Schwingung wirkt über das Schwingerkörper-Querelement 27 auf das Schwingerkörper-Längselement 26B ein, doch da dem Schwingerkörper-Längselement 26B vom Magneten 17 her ein Magnetfeld aufgeprägt ist, wird am Schwingerkörper-Längselement 26B eine Spannung e erzeugt und über den Ausgangstransformator 36 als Schwingungsmeßeinheit 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 als Anregungseinheit und weiterhin als höhere Spannung dem Schwingerkörper-Längselement 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 zur Bezugsspannung VR gelangt.

Wenn nämlich die der Spannung 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 wobei ein zum Transformator T fließender Strom sowie die an die 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 Spannung 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 den Quotienten Ausgangsspannung/Verstärkung 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, erfolgt 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.


Anspruch[de]
  1. 1. Schwingtyp-Wandler mit einem Sensorelement bestehend aus

    einem dotierten Siliziumeinkristall-Substrat und einem Schwingerkörper, wobei der Schwingerkörper in einer Ausnehmung des Siliziumeinkristall-Substrats mit an diesem festgelegten Endabschnitten angeordnet ist, und wobei der Schwingerkörper hinsichtlich seiner Kristallstruktur materialeinheitlich mit dem Siliziumeinkristall-Substrat ausgebildet ist,

    einer Anregungseinheit zum Schwingungsanregen des Schwingerkörpers,

    einer Aufprägeeinheit zum Aufprägen eines Magnetgleichfelds senkrecht zum Schwingerkörper,

    einer Schwingungsmeßeinheit zum Erfassen der Schwingung des Schwingerkörpers,

    einem der Schwingungsmeßeinheit nachgeschalteten Verstärker und

    einer Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Verstärkers zum Eingang der Anregungseinheit zum Erzeugen einer Eigenschwingung des Schwingerkörpers, deren Änderung bei Anliegen einer zu messenden physikalischen Größe am Schwingerkörper zu deren Erfassung dient,

    dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) der Schwingerkörper (24) durch epitaxiales Aufwachsen auf dem Siliziumeinkristall-Substrat (25) ausgebildet ist, und
    2. b) der Schwingerkörper (24) eine H-Form mit einem Paar parallel mit Abstand zueinander verlaufender, endseitig am Siliziumeinkristall-Substrat (25) festgelegter Schwingerkörper-Längselemente (26A, 26B) sowie einem Schwingerkörper-Querelement (27), das die Mittelabschnitte der beiden Schwingerkörper-Längselemente (26A, 26B) miteinander verbindet, aufweist, wobei die Anregungseinheit (Eingangstransformator 33) an das eine und die Schwingungsmeßeinheit (Ausgangstransformator 36) an das andere der beiden Schwingerkörper-Längselemente (26A, 26B) angeschlossen ist.
  2. 2. Schwingtyp-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwingerkörper-Längselemente (26A, 26B) des H-förmigen Schwingerkörpers (24) balkenartig in der <001>-Richtung zu einer Kristallebene (100) des Siliziumeinkristall-Substrats (25), auf dem der Schwingerkörper (24) ausgebildet ist, geformt sind.
  3. 3. Verfahren zum Herstellen des Sensorelementes des Schwingungstyp-Wandlers nach Anspruch 1 oder 2,

    dadurch gekennzeichnet,
    1. a) daß auf dem Siliziumeinkristall-Substrat (40) ein Schutzüberzug (41) ausgebildet wird, der mit Hilfe einer Ätzmaske mit einer Öffnung in H-Form unter Zurücklassung einer H-förmigen Ausnehmung teilweise entfernt wird, wobei durch einen weiteren Ätzschritt in dieser Ausnehmung (43) die H-förmige Ausnehmung im Siliziumeinkristall-Substrat (40) erzeugt wird, die zwei mit Abstand zueinander liegende, zueinander parallele Längskanäle umfaßt, deren Mittelabschnitte durch einen Querkanal miteinander verbunden sind,
    2. b) daß in die Ausnehmung (43) eine erste epitaxiale Schicht (44) selektiv aufgewachsen wird, die die untere Hälfte der Ausnehmung (43) ausfüllt und einen gegenüber dem Siliziumeinkristall-Substrat (40) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, und auf der eine dem Schwingerkörper (24) entsprechende zweite epitaxiale Schicht (45) unter strenger Konzentrationskontrolle aufgewachsen wird, auf welche eine dritte epitaxiale Schicht (46) unter Einbeziehung eines Teils des angrenzenden Schutzüberzugs (41) aufgewachsen wird, die die obere Hälfte der Ausnehmung (43) ausfüllt und auf die sodann eine vierte epitaxiale Schicht (47) aufgewachsen wird, die als den Schwingerkörper (24) bedeckende Kapsel (51) dient, und
    3. c) daß der verbliebene Teil des Schutzüberzugs (41) durch Ätzen zugunsten einer Injektionsöffnung (48) entfernt wird, durch welche ein Ätzreagens in die obere Hälfte sowie die untere Hälfte der die Ausnehmung (43) ausfüllenden Schichten (erste epitaxiale Schicht 44, dritte epitaxiale Schicht 46), zu deren Entfernung unter Freilegung des Schwingerkörpers (24) eingespritzt wird, woraufhin die Kapsel (51) unter Verschließen der Injektionsöffnung (48) unter Einschluß des beim Freilegen des Schwingerkörpers (24) entstandenen Vakuums dicht verschlossen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumeinkristall-Substrat (40) einen n-Leitfähigkeitstyp und der der Ausnehmung (43) entsprechende Teil einen p-Leitfähigkeitstyp besitzen und der Schwingerkörper (24) sowie die Kapsel (51) jeweils eine hohe Fremdatomkonzentration und den p-Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner auf dem Siliziumeinkristall-Substrat (40) eine zusätzliche epitaxiale Schicht einer Dicke von 1 µm oder weniger einer hohen Fremdatomkonzentration und des p-Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ausnehmung (43) entsprechende Teil durch Ätzen entfernt wird, um einen Hohlraum zu bilden, und die Injektionsöffnung (48) sodann in einer Gasatmosphäre bei hoher Temperatur verschlossen oder versiegelt wird, um damit im Hohlraum ein Vakuum zu erzeugen.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre eine Wasserstoffatmosphäre ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre eine Sauerstoffatmosphäre ist.
  9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalt einer vorbestimmten Anfangsspannung des Schwingerkörpers (24), diesem Fremdatome mit einem Bindungsradius, der kleiner ist als derjenige der den Schwingerkörper (24) bildenden Atome, implantiert werden.
  10. 10. Schaltungsanordnung zum Betreiben des Schwingtyp- Wandlers nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine erste Verstärkereinheit (Verstärkerkreis AMC1) zum Verstärken eines vom Schwingerkörper (24) erzeugten Signals, eine Verstärkungsregeleinheit (Verstärkungsregelkreis GAC) zum Regeln einer Verstärkung durch Verstärken eines auf ein Ausgangssignal der ersten Verstärkereinheit (Verstärkerkreis AMC1) bezogenen Signals und eine Vergleichereinheit (Komparator CMP) zum Ausgeben eines Differenzsignals durch Vergleichen eines auf eine Amplitude eines Ausgangssignals der ersten Verstärkereinheit (Verstärkerkreis AMC1) bezogenen Signals mit einem vorbestimmten Bezugswert, wobei die Verstärkungsregeleinheit (Verstärkungsregelkreis GAC) durch das Differenzsignal steuerbar ist, um damit die Amplitude der Eigenschwingung oder der selbsterregten Schwingung zu erhalten.






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