DE69732248T2 - Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem balken - Google Patents

Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem balken Download PDF

Info

Publication number
DE69732248T2
DE69732248T2 DE69732248T DE69732248T DE69732248T2 DE 69732248 T2 DE69732248 T2 DE 69732248T2 DE 69732248 T DE69732248 T DE 69732248T DE 69732248 T DE69732248 T DE 69732248T DE 69732248 T2 DE69732248 T2 DE 69732248T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
micromechanical
membrane
layer
sensor
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE69732248T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69732248D1 (de
Inventor
R. William HERB
W. David BURNS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honeywell Inc
Original Assignee
Honeywell Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honeywell Inc filed Critical Honeywell Inc
Publication of DE69732248D1 publication Critical patent/DE69732248D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69732248T2 publication Critical patent/DE69732248T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0019—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
    • G01L9/002—Optical excitation or measuring

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft Sensoren und insbesondere Schwingungssensoren. Spezifischer ausgedrückt betrifft die Erfindung Drucksensoren mit schwingendem mikromechanischem Balken, die einen Resonator mit mikromechanischem Balken aus polykristallinem Silicium aufweisen, der aus einem Teil der Sensormembrane ausgebildet ist.
  • Zuvorige Entwicklungen resultierten in Drucksensoren mit mikromaschinell bearbeiteter Oberfläche, von denen jeder eine aus einem abgeschiedenen Dünnfilm aus polykristallinem Silicium ausgebildete Druckmembrane mit einer intregralen Vakuumhohlraumreferenz direkt unter der Membrane aufwies. Verformungen der Membrane bei angewendetem Druck verursachte Verschiebungen in einer Wheatstone-Brücke, die aus auf der Membrane abgeschiedenen Piezowiderständen aus polykristallinem Silicium gefertigt wurde, was in einer Spannungsausgabe resultierte, die das vom Sensor erfasste Ausmaß des Drucks anzeigte. Die Wheatstone-Brücke weist eine relativ niedrige Empfindlichkeit gegenüber Belastung in der Membrane auf und die Ausgangsspannung macht es erforderlich, dass in digitalen Systemen eine Analog-zu-Digital-Umwandlung (A/D-Umwandlung) verwendet wird.
  • Verschiedene Patente liefern einen Hintergrund zu der vorliegenden Beschreibung. US-Patentschrift 4,744,863 von den Erfindern Henry Guckel und David W. Burns, erteilt am 17. Mai 1988 und mit dem Titel „Sealed cavity semiconductor pressure transducers and method of producing the same"; US-Patentschrift 5,417,115 vom Erfinder David W. Burns, erteilt am 23. Mai 1995 und mit dem Titel „Dielectrically isolated resonant microsensors"; US-Patentschrift 5,458,000 von den Erfindern David W. Burns und J. David Zook, erteilt am 17. Oktober 1995 und mit dem Titel „Static Pressure compensation of resonant integrated microbeam sensors" und US-Patentschrift 5,511,427 vom Erfinder David W. Burns, erteilt am 30. April 1996 und mit dem Titel „Cantilevered microbeam temperature sensor" sind hiermit durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 94/28452 offenbart eine Vorrichtung mit schwingendem Balken, die in Verbindung mit einem Substrat oder einem grob maschinell bearbeiteten Halbleiter zum indirekten Erfassen eines Parameters, wie beispielsweise der Temperatur oder des Drucks, verwendet wird.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen wie in Anspruch 1 definierten Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem Balken bereit.
  • Der Sensor kann die Merkmale eines beliebigen oder mehrerer beliebiger der abhängigen Ansprüche 2 bis 12 beinhalten.
  • Die vorliegende Erfindung weist eine integrale Vakuumhohlraumreferenz und eine Membrane aus polykristallinem Silicium auf, hat jedoch einen Resonator aus polykristallinem Silicium, der integral aus einem Teil der Membrane ausgebildet ist, wodurch sie in der Lage ist, eine Frequenzausgabe bereitzustellen, die eine direkte Messung des auf die oberste Fläche der Membrane ange wendeten Drucks ist, wodurch die Fehler der Wheatstone- oder einer anderen Parameter umwandelnden Vorrichtung, die auf der Membrane abgeschieden ist, was Fehler in die Ergebnisse der gemessenen Parameter einbringt, eliminiert werden. Die Ausgabe des vorliegenden mikromaschinell bearbeiteten Sensors lässt sich problemlos an digitale und optische Systeme anschließen. Bei der Erfindung handelt es sich um einen Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem Balken aus Dünnfilm, der die vorteilhaften Ziele durch Aufweisen einer integralen Vakuumreferenz, einer Frequenzausgabe, hoher Empfindlichkeit und integraler Beanspruchungsisolierung erzielt. Die Fertigung dieses Sensors mit mikromechanischem Balken erfordert keine Verarbeitung des rückseitigen Wafers, umfasst einen Vorgang und eine Gestaltung, die unabhängig von der Waferstärke sind, kann Mikroplättchen voller Stärke zwecks hoher Ausbeute und Robustheit verwenden und der Vorgang ist mit einer Reihe Schwingungssensoren (einschließlich Temperatur- und Belastungssensoren) kompatibel.
  • Bei der Erfindung handelt es sich um eine Mikrostruktur mit einer Dünnfilmmembrane, mindestes einem eingebetteten Resonator und einer integralen Vakuumreferenz. Die Membrane und der Resonator sind aus polykristallinem Silicium ausgebildet. Dieser Sensor kann einen Erfassungs- und Steuermechanismus einsetzen, der entweder elektrisch oder optisch oder eine Kombination aus elektrisch und optisch ist. Der Sensor kann einen einzigen schwingenden mikromechanischen Balken oder mehrere mikromechanische Balken aufweisen, die einen Gegentaktvorgang zur Temperaturkompensation beinhalten können.
  • Zur genaueren Erfassung kann der Sensor mit mikromechanischem Balken integrale Beanspruchungsisolierung unter Verwendung von ausladenden Flügeln aus Einzelkristallsilicium umfassen. Der Sensor kann mittels eines Vorgangs, der zusätzliche mikromaschinelle Bearbeitung verwendet, als ein Differenzialdrucksensor eingerichtet sein, während der Resonator gleichzeitig seine eigene Vakuumreferenz beibehält.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt einen Drucksensor mit schwingendem mikromechanischem Balken.
  • 2a, 2b, 2c und 2d stellen die Beanspruchungsauswirkungen auf eine Druckerfassungsmembrane dar.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer Membrane eines Sensors mit schwingendem mikromechanischem Balken.
  • 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g und 4h zeigen einen Vorgang zur Fertigung eines Sensors mit schwingendem mikromechanischem Balken.
  • 5 zeigt einen optisch angetriebenen Sensor mit schwingendem mikromechanischem Balken auf.
  • 6 stellt einen elektrisch angetriebenen Sensor mit schwingendem mikromechanischem Balken dar, der eine elektrostatische Steuerungsleitung und eine Piezowiderstands-Erfassungsleitung aufweist.
  • 7a, 7b, 8a und 8b zeigen Konfigurationen mit einem einzigen bzw. mehreren Resonatoren.
  • 9a und 9b zeigen einen Beanspruchungsisolierungsaufbau für einen Sensor mit schwingendem mikromechanischem Balken auf.
  • 10a, 10b und 10c stellen einen Sensor mit schwingendem mikromechanischem Balken dar, der einen faseroptischen Steuerungs- und Erfassungsmechanismus aufweist.
  • 11a und 11b zeigen einen ausgesparten Beanspruchungsisolierungsaufbau für einen Sensor mit mikromechanischem Balken.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt einen Querschnitt des vorliegenden Absolutdrucksensors mit schwingendem mikromechanischem Balken aus Dünnfilm 10. Zwei Schichten 11 und 12 aus feinkörnigem polykristallinem Silicium bilden eine druckempfindliche Membrane 13, wobei ein Schwingungsglied 14 in der unteren Schicht 12 ausgebildet ist. Die Verbundwerkstoffmembrane 13 ist aus einem Siliciumsubstrat 15 gefertigt. Unter Verwendung von mikromaschinellen Oberflächenbearbeitungstechniken, Opferoxiden und reaktiver Versiegelung wird eine Vakuumhohlraumreferenz 16 im Bereich zwischen der Membrane 13 und dem Substrat 15 ausgebildet. Auf die Oberseite der Membrane 13 angewendeter Druck erzeugt Verformungen im unteren Hohlraumbereich 16, streckt den schwingenden mikromechanischen Balken 14 und verursacht Verschiebungen in dessen Resonanzfrequenz. Der mikromechanische Balken 14 kann frei in den unteren Hohlraumbereich 16 und in einen oberen Hohlraumbereich 17 (ebenfalls im Vakuum) schwingen. Optische oder elektrische Steuermechanismen regen den mikromechanischen Balken zur Schwingung an und das Erkennen der Schwingung stellt ein quasidigitales Ausgangssignal bereit, bei dem es sich um eine Messung des angewendeten Drucks handelt. Mehrere Resonatoren können auf einer einzigen Membrane 13 eingerichtet sein, um eine Kompensation der Temperatur und der Auswirkungen des üblichen Modus bereitzustellen. Die Membrane 13 kann kreisförmig oder quadratisch sein; dies trifft ebenfalls auf das Mikroplättchen zu. Eine optionale Fertigungssequenz unter Verwendung von mit B : Ge kodotiertem Material stellt durch Unterschneiden des Siliciumsubstrats 15 direkt unterhalb des Drucksensors erhebliche Beanspruchungsisolierung bereit. Andere Schritte mikromaschineller Bearbeitung können unter Verwendung mehrerer Vorrichtungen oder durch Einrichten eines zusätzlichen Druckanschlusses den Druckschwingungssensor 10 auf Erfassungsanwendungen mit Differenzialdrucksensor anpassen.
  • Diese Vorrichtung weist eine Druckmembrane, die aus einem abgeschiedenen Dünnfilm aus polykristallinem Silicium ausgebildet ist, mit einer integralen Vakuumreferenz direkt unterhalb der Membrane auf. Verformungen der Membrane bei angewendetem Druck verursachen Widerstandsverschiebungen einer Wheatstone-Brücke, die aus auf der Membrane abgeschiedenen Piezowiderständen aus polykristallinem Silicium gefertigt wurde. Die hier beschriebene Vorrichtung 10 weist eine integrale Vakuumhohlraumreferenz 16 und eine Membrane aus polykristallinem Silicium 13 auf, hat jedoch einen Resonator aus polykristallinem Silicium 14, der integral aus einem Teil der Membrane 13 ausgebildet ist, wodurch eine Frequenzausgabe bereitgestellt wird, die eine direkte Messung des auf die oberste Fläche der Membrane 13 angewendeten Drucks ist (siehe 1) und sich problemlos an digitale und optische Systeme anschließen lässt.
  • Der Betrieb der Vorrichtung 10 kann durch Betrachten der Abbildungen in den 2a, 2b, 2c und 2d zur Kenntnis genommen werden. Verformungen der druckempfindlichen Membrane 13 bei angewendetem Druck (Papp) erzeugt Beanspruchung (σmax) in der Ebene der Membrane 13, die linear mit dem Druck ansteigt, bei geringen Ablenkungen, wie durch Kurve 18 in 2b gezeigt. Die Beanspruchungsverteilung σ und die Belastungsverteilung ε in der Ebene der Membrane 13 variieren jedoch bei Punkten in der Nähe der Kante der Membrane 13 oder in der Nähe der Mitte. Die Beanspruchungsverteilung (bzw. Belastungsverteilung) an der Unterseite der Membrane 13 ist in der Nähe der Mitte eine Zugspannung und in der Nähe des Umfangs eine Druckspannung.
  • 2c zeigt die Beanspruchungs- und die Belastungsverteilung eines auf der Membrane 13 basierenden Drucksensors 10. Eine voll unterstützte Membrane 13 vom Radius 19 (h) und der Stärke 20 ist in 2a bei auf die Oberseite angewendetem Druck gezeigt. Die maximale Zugspannung tritt an der Kante der Membrane 13 auf und steigt linear mit dem angewendeten Druck an (in 2b). Die Beanspruchungsverteilung an der Unterseite der Membrane 13 variiert, gemäß Kurve 22 von 2c, von einer Zugspannung an der Mitte zu einer Druckspannung am Umfang, was darauf hindeutet, dass ein Resonator 14 dienlich entweder an der Mitte der Membrane 13 oder am Umfang platziert wird. 2d zeigt das Beanspruchungs- und Belastungsprofil 23 bei der Stärke 20 der Membrane 13 mit einer Druckspannung an der oberen Fläche und einer Zugspannung an der unteren Fläche.
  • Druckschwingungssensoren sind mit schwingenden mikromechanischen Balken, die auf Membranen aus Einzelkristallsilicium gefertigt wurden, entworfen und gefertigt worden. Eine geringere Größe, ein größeres Signal und eine integrale Vakuumreferenz 16 werden durch die hier beschriebenen Verfahren und die hier beschriebene Innovation erhalten. Die Membrane aus Einzelkristallsilicium wird durch eine viel kleinere (100 bis 500 Mikrometer) Membrane aus polykristallinem Silicium 13 ersetzt, deren Stärke zwischen 1,0 und 5,0 Mikron variiert. Die Membrane 13 wird aus zwei Schichten 11 und 12 aus polykristallinem Silicium ausgebildet, wie in 3 gezeigt ist. Der Resonator 14 wird durch Ätzen von zwei Schlitzen 24 in die untere (Balken-) Schicht aus polykristallinem Silicium 12 ausgebildet. Die obere (Schalen-) Schicht aus polykristallinem Silicium 11 erhöht die Stärke der Membrane 13 und enthält direkt über dem mikromechanischen Balken 14 einen kleinen Hohlraum 17, um zu ermöglichen, dass der Balken unbeschwert schwingen kann. Der Vakuumreferenzhohlraum 16 ist unterhalb der unteren Schicht aus polykristallinem Silicium 12 angeordnet. Die in den 1, 5 und 6 gezeigten Verankerungsbereiche 25 und 26 ermöglichen, dass die Membran 13 Bedingungen eines festgeklemmten Grenzbereichs am Umfang so gut wie möglich kopieren kann. Diese bestehen aus relativ breiten Verankerungsbereichen 25 für die Außenseite der Platte und segmentierte, schmale Innenbereiche 26 zum Fixieren der Verlagerungen am Umfang.
  • Die Anzahl der für den Absolutdruckschwingungssensor 10 benötigten Maskierungsstufen ist sechs: Maskierungsstufe des unteren Hohlraums, untere Steuerung, Kanal, Balken, oberer Hohlraum und Schale. Es sind zusätzliche Stufen erforderlich, um die Beanspruchungsisolierung im Flügelstil (im Folgenden beschrieben) und die Piezowiderstands- oder Kapazität-Erfassung auszubilden.
  • Die Maske des unteren Hohlraums bildet den Bereich 16 für die Vakuumreferenz aus und ermöglicht den mechanischen Kontakt zwischen dem Umfang der Membrane 13 und dem darunter liegenden Substrat 15 durch das Opferoxid des unteren Hohlraums. Die Stufe der unteren Steuerung wird zum Ausbilden von Photodioden 31 im Substrat 15 direkt unterhalb des mikromechanischen Balkens 14 verwendet. Die Photodioden werden aufgrund des photovoltaischen Effekts bei Stimulierung durch einfallende Strahlung ein elektrisches Feld erzeugen und ermöglichen das optische Abfragen von Frequenzen des mikromechanischen Balkens. Diese Schicht kann bei elektrischen Versionen auf ähnliche Weise zum Ausbilden der Steuer- oder Erfassungselektroden im Substrat 15 verwendet werden. Die Kanalschicht wird verwendet, um einen Zugang 60 für Flüssigkeitszugang von Ätzmittel zum oberen und zum unteren Hohlraum zur Entfernung des Opfermaterials bereitzustellen. Die Kanäle müssen zu Versiegelungszwecken dünn sein. Die Balkenschicht wird zum Definieren von Resonatoren verwendet. Die Schicht des oberen Hohlraums wird zum Strukturieren des Oxids des oberen Hohlraums unmittelbar über den Resonatoren 14 verwendet. Die Schalenschicht definiert die Membrane 13 und schließt die Vakuumeinfassung für den mikromechanischen Balken 14 ab. Die Stärken des oberen Hohl raums 17, des Balkens 14 und der Schale werden derart ausgewählt, dass sie die Erfassungsstrahlung bei optischem Erkennen und Anregen intensitätsmodulieren. Eine optionale Grabenmaske wird zum Definieren eines Grabens in „U"-Form um die drei Seiten der Flügel zur Beanspruchungsisolierung verwendet.
  • Der Vorgang zur Fertigung des mikromechanischen Balkens (siehe 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g und 4h) beinhaltet drei Schritte zur NTO-Abscheidung und zwei Schritte zur Abscheidung von polykristallinem Silicium. Es werden drei Implantate verwendet; bei zweien handelt es sich um Deckimplantate. In dieser Sequenz sind keine thermischen Oxidationen erforderlich. Für eine Antireflexbeschichtung und eine Verkratzungsschutzschicht wird Siliciumnitrid verwendet. Das Verarbeiten der optisch schwingenden mikromechanischen Balken 14 beginnt in 4a mit einer Abscheidung von NTO 27 (d. h. Niedertemperaturoxid) von nominal 7500 Angström auf einem Siliciumwafer. Wafer 28 sind vom n- oder p-Typ mit (optionalem) Einbeziehen einer Epitaxialschicht auf einer mit B : Ge kodotierten Ätzstoppschicht. Das NTO 27 wird strukturiert und unter Verwendung der Maskierungsstufe des unteren Hohlraums zur Verankerungsmembrane 13 zum Substrat 15 geätzt und definiert den Vakuumhohlraumreferenzbereich. Ein Implantat 29 wird mit einer PR-Maske 30 der Schicht der unteren Steuerung durch das Oxid 27 hergestellt, um p-n-Sperrschichten 31 im Substrat 28 von 4b auszubilden. Es wird eine dünne NTO-Schicht von nominell 800 Angström abgeschieden und mit der Kanalschicht strukturiert, um die Ätzkanäle 60 zu den und durch die Verankerungsbereiche 25 und 26 von 4c auszubilden. Als Nächstes wird eine Balkenschicht aus poly kristallinem Silicium 12 abgeschieden, gefolgt von einem Implantat, Strukturieren und Ätzen, um die Balken 14 zu definieren und die Balkenschicht aus polykristallinem Silicium 12 in dem Bereich zwischen der Balkenschicht aus polykristallinem Silicium 12 und dem Balken 14 zu entfernen, wie in 4d gezeigt ist. Es wird auf eine Stärke der Balkenschicht aus polykristallinem Silicium 12 von nominal 1,0 Mikrometer abgezielt. Eine NTO-Schicht 32 von nominal 7500 Angström wird konform über dem mikromechanischen Balken 14 in 4e abgeschieden. Das NTO wird mit der Schicht des oberen Hohlraums strukturiert und geätzt, um den Hohlraumbereich 17 um den mikromechanischen Balken 14 herum auszubilden. Es wird eine dickere Schalenschicht aus polykristallinem Silicium 11 (mit 1,0 bis 4,0 Mikrometer) abgeschieden und in 4f implantiert, gefolgt von einem Zwischentemperaturglühen, um das Belastungsfeld einzustellen und das Implantat zu steuern. Dann werden die Schalenschicht aus polykristallinem Silicium 11 und die Balkenschicht aus polykristallinem Silicium 12 strukturiert und unter Verwendung der Schalenschicht geätzt, um die Membrane 13 auszubilden. Es wird ein Opferätzen angewendet, um die NTOs 27 und 32 zu entfernen, was in den Hohlräumen 16 und 17 resultiert, wie in 4g gezeigt ist. Das Opferätzen 34 wird unter Verwendung von HF : HCl im Verhältnis 1 : 1 ausgeführt, gefolgt von Abziehen und den neuesten Sublimierungstechniken. Es wird eine dünne NTO-Schicht abgeschieden, gefolgt von einer Schicht aus polykristallinem Silicium von 1600 Angström, um ein Vakuum zu versiegeln und die reaktive Versiegelung auszubilden. Alternativ kann Siliciumnitrid zum Versiegeln oder eine Versiegelung aus polykristallinem Silicium bei weggelassenem Oxid verwendet werden. Eine nominell 1000 Angström dicke Passivierungsschicht 33 aus Siliciumnitrid wird abgeschieden, um die Versiegelung zu verstärken und eine zusätzliche Funktion als eine Antireflexbeschichtung auszuführen.
  • Es kann Beanspruchungsisolierung hinzugefügt werden, indem Flügel ausgebildet werden, auf denen der Absolutdrucksensor angeordnet ist. Es wird eine NTO-Schicht abgeschieden, strukturiert und mit der Grabenschicht geätzt, gefolgt vom Ätzen der Siliciumnitridschicht und Silicium durch die Epitaxialschicht. Eine weitere NTO-Schicht wird zur Seitenwandpassivierung während des anisotropen Ätzens abgeschieden. Das NTO wird von der Oberseite deckgeätzt, wobei das Oxid auf den freigelegten Seiten der n-Epitaxialschicht verbleibt. Nach dem anisotropen Ätzen in EDP werden die NTO-Passivierungsschichten entfernt.
  • Zum Steuern und Erfassen der Oszillationen eines schwingenden mikromechanischen Balkens 14 können unter Verwendung einer Lichtleitfaser 36 optische Verfahren verwendet werden. 5 zeigt einen optisch gesteuerten/erfassten schwingenden Absolutdrucksensor aus Dünnfilm. Licht 35 von der Lichtleitfaser 36 wird auf den Resonator 14 eingestellt. Ein Teil des Lichts 35 wird durch die Schalenschicht 11 und die Balkenschicht 14 übertragen und trifft auf eine darunter liegende Photodiode 37 auf. Das Licht 35 erzeugt ein elektrisches Feld, wodurch der mikromechanische Balken 14 nach unten gezwungen wird. Die Modulation des einfallenden Lichts 35 bei der Resonanzfrequenz regt den Balken 14 an und resultiert in einer Reflektion des Lichts 35 zurück durch die Faser 36, das ebenfalls moduliert und extern mit einer Photodiode erfasst wird. Ein zweites Verfahren zur Anregung verwendet den Eigenschwingungsansatz und arbeitet mit einfallendem Licht von kontinuierlicher Welle 35.
  • Zum elektrostatischen Anregen des mikromechanischen Balkens und zum Piezowiderstands-Erfassen der Ablenkungen können elektrische Steuerungs-/Erfassungsverfahren verwendet werden. 6 zeigt eine elektrostatische Steuerungsleitung 38 und Erfassungs-Piezowiderstände mit Anschlüssen 40 zur externen elektrischen Verbindung. Auch wenn zum Entnehmen von Druckmesswerten einzelne Resonatoren 14 verwendet werden können, können mit mehreren Resonatoren in einer Gegentaktkonfiguration größere Signale und eine Verminderung der Temperaturempfindlichkeit erreicht werden. Ausladende Temperatursensoren mit mikromechanischem Balken können für die Temperaturkompensation gedacht sein. Die 7a und 7b und 8a und 8b zeigen Konfigurationen mit einem einzigen bzw. mehreren Resonatoren. Ein einziger Resonator 14 ist in 7a auf einer kreisförmigen Membrane 42 und in 7b auf einer quadratischen Membrane 43 schematisch gezeigt. Mehrere Resonatoren 14, 41 und 44 sind in 8a auf einer kreisförmigen Membrane 42 und in 8b auf einer quadratischen Membrane schematisch gezeigt.
  • Das Koppeln an Resonatoren aus Dünnfilm 14 unter Verwendung optischer Verfahren kann unerwünschte Verpackungs- und Montagebeanspruchungen auf den Sensor 10 hervorrufen, was Impulsbodenverschiebungen und Hysterese verursacht. Ein Verfahren zum Erzielen von Beanspruchungsisolierung besteht darin, Erfassungsvorrichtungen 10 auf einem suspendierten Flügel 45 eines Substrats 28 zu montieren, in einer Seitenansicht von 9a, was die Auswirkungen von nachteiligen Beanspruchungen deutlich vermindert. Der Sensor 10 wird vor dem Ausbilden des Flügels 45 auf dem Substrat 28 ausgebildet.
  • 9b zeigt eine Draufsicht des beanspruchungsisolierten Absolutdrucksensors mit schwingendem mikromechanischem Balken 10 auf dem Flügel 45 des Substrats 28. Die Beanspruchungsisolierung resultiert aus dem Positionieren der Vorrichtung 10 auf einem Flügel aus Einzelkristallsilicium 45, der von den Montageoberflächen weg suspendiert ist. Es können kreisförmige oder quadratische Membranen auf dem Flügel 45 montiert werden. Ein Graben 52 trennt drei Seiten des Flügels 45 vom Mikroplättchen 28. Es ist ein quadratisches Mikroplättchen 28 dargestellt; dies kann jedoch auch kreisförmig sein.
  • Eine Verpackungskonfiguration unter Verwendung einer Lichtleitfaser 36, die auf einem Drucksensor aus Silicium 10 eines Mikroplättchens 46 montiert ist, ist in den 10a, 10b und 10c dargestellt. Eine Lichtleitfaser 36 wird durch eine Faserhülse aus Glas oder Keramik 47 gefädelt, die auf einem oder beiden Enden Schächte aufweisen kann. Die Faserhülse 47 wird an das Mikroplättchen aus Silicium 46 angebracht, das entweder kreisförmig oder quadratisch sein kann. Unter Verwendung von Techniken zum Ätzen durch den Wafer kann ein kreisförmiges Mikroplättchen ausgebildet werden. Eine Ummantelung 48 umgibt die Lichtleitfaser 36. Die Lichtleitfaser 36 wird zum Steuern und Erfassen des mikromechanischen Balkens 14 verwendet. Eine Schnittstelle 49 stellt Belastungsentspannung bereit. In die Faserhülse aus Glas 47 oder das Mikroplättchen aus Silicium 46 wird ein Druckanschluss geschnitten. Andere Sensorfunktionen (Temperatur, Belastung, Magnetfeld usw.) können unter Verwendung dieses Verpackungsansatzes mit alternativen Konfigurationen gemessen werden.
  • Ein Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem Balken 10 kann sich auf einem kreisförmigen Mikroplättchen 50 befinden. Eine Seiten- und eine Draufsicht dieser Konfiguration ist in den 11a bzw. 11b gezeigt. Der Druckschwingungssensor 10 ist in eine Aussparung 51 eingebaut, um eine Verbindung mit einer flachen Faserhülse 47 oder einer gespaltenen Faser 36 zu ermöglichen. Der Sensor 10 ist auf dem Flügel 45, der durch einen Graben 52 vom Mikroplättchen 50 weg suspendiert ist. Die Abmessungen 53 und 54 können von 0,25 bis 0,5 Millimeter bzw. von 0,5 bis 2,5 Millimeter betragen.

Claims (12)

  1. Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem Balken (10), der Folgendes umfasst: ein Substrat (15); eine erste an das Substrat (15) gekoppelte Dünnfilmschicht (12), wobei zwischen der ersten Schicht (12) und dem Substrat (15) ein erster Hohlraum (16) ausgebildet wird und die erste Dünnfilmschicht (12) einen mikromechanischen Balken (14) definiert; eine zweite an die erste Dünnfilmschicht (12) gekoppelte Dünnfilmschicht (11), wobei zwischen der zweiten Schicht (11) und der ersten Schicht (12) ein zweiter Hohlraum (17) ausgebildet wird; und wobei die erste und die zweite Dünnfilmschicht (12, 11) zusammen eine Membrane (13) bilden, die bei Anwendung eines darauf ausgeübten externen Drucks direkt verformbar ist, wobei die Verformung so gestaltet ist, dass eine Änderung der Resonanzfrequenz des mikromechanischen Balkens (14) bewirkt wird; und dadurch gekennzeichnet ist, dass: die erste Dünnfilmschicht (12) einen oder mehrere Verankerungsstützen (25, 26) enthält, die so gestaltet sind, dass sie die erste Schicht (12) am Substrat (15) angrenzend und von diesem beabstandet stützen; und wobei der mikromechanische Balken (14) so gestaltet ist, dass er eine anschlussbereite Frequenzausgabe als Reaktion auf die Membrane (13) ausgeübten Druck bereitstellt.
  2. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor mit schwingendem mikromechanischem Balken (10) auf einem ausladenden Flügel (45) ausgebildet ist, der ein integraler Teil des Substrats (15) ist, wobei der ausladende Flügel (45) die Membrane (13) mit Beanspruchungsisolierung ausstattet.
  3. Sensor nach Anspruch 2, wobei: das Substrat (15) Silicium umfasst; und die Membrane (13) polykristallines Silicium umfasst.
  4. Sensor nach Anspruch 3, wobei: das Substrat (15) eine oder mehrere p-n-Sperrschichten (31, 37) zum Versetzen des mikromechanischen Balkens (14) in Schwingung und zum Erkennen der Schwingung des mikromechanischen Balkens (14) enthält; und Licht (35) durch die Membrane (13) und den mikromechanischen Balken (14) auf die eine oder die mehreren p-n-Sperrschichten (31, 37) weitergeleitet werden kann, wodurch bewirkt wird, dass der mikromechanische Balken (14) mit seiner Resonanzfrequenz schwingt und das Licht (35) aus der Membrane (13) heraus reflektiert werden kann, wodurch die Resonanzfrequenz des mikromechanischen Balkens (14) bestimmt werden kann.
  5. Sensor nach Anspruch 4, der weiterhin eine Lichtleitfaser (36) in der Nähe der Membrane (13) zum Bereitstellen von Licht (35) durch die Membrane (13) und Empfangen von aus dieser heraus reflektiertem Licht umfasst.
  6. Sensor nach Anspruch 5, wobei: die Lichtleitfaser (36) durch eine Faserhülse (47) gefädelt ist; der Sensor mit mikromechanischem Balken (10) sich in einem Mikroplättchen (46) befindet; und das Mikroplättchen (46) so an der Faserhülse (47) angebracht ist, dass die Membrane (13) in der Nähe eines Endes der Lichtleitfaser (36) ist.
  7. Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht (12) der Membrane (13) eine Vielzahl von mikromechanischen Balken (14, 44) definiert.
  8. Sensor nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von mikromechanischen Balken (14, 44) bei einem Gegentaktvorgang zur Temperaturkompensation funktionieren kann.
  9. Sensor nach Anspruch 1, wobei jeder der mikromechanischen Balken (14, 44) mit zwei in der ersten Schicht (12) ausgebildeten ungefähr parallelen Schlitzen (24) ausgebildet ist.
  10. Sensor nach Anspruch 1, wobei ein Fast-Vakuum zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum (16, 17) geschaffen wird.
  11. Sensor nach Anspruch 1, der weiterhin eine auf der Membrane (13) und einem peripheren Teil des Substrats (15) ausgebildete Passivierungsschicht (33) umfasst, um das Versiegeln des Sensors mit mikromechanischem Balken (10) zu unterstützen und die Membrane (13) mit Antireflexeigenschaften auszustatten.
  12. Sensor nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Verankerungsstützen (25, 26) eine Reihe relativ breiter Verankerungsbereiche (25) und eine Reihe segmentierter schmaler Bereiche (26) enthalten.
DE69732248T 1996-12-31 1997-11-17 Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem balken Expired - Fee Related DE69732248T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/777,651 US5808210A (en) 1996-12-31 1996-12-31 Thin film resonant microbeam absolute pressure sensor
US777651 1996-12-31
PCT/US1997/020956 WO1998029721A1 (en) 1996-12-31 1997-11-17 A thin film resonant microbeam absolute pressure sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69732248D1 DE69732248D1 (de) 2005-02-17
DE69732248T2 true DE69732248T2 (de) 2005-12-08

Family

ID=25110853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69732248T Expired - Fee Related DE69732248T2 (de) 1996-12-31 1997-11-17 Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem balken

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5808210A (de)
EP (1) EP0950171B1 (de)
CA (1) CA2273227A1 (de)
DE (1) DE69732248T2 (de)
WO (1) WO1998029721A1 (de)

Families Citing this family (61)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6554671B1 (en) * 1997-05-14 2003-04-29 Micron Technology, Inc. Method of anodically bonding elements for flat panel displays
US6143642A (en) * 1997-12-22 2000-11-07 Vlsi Technology, Inc. Programmable semiconductor structures and methods for making the same
US6093658A (en) * 1997-12-22 2000-07-25 Philips Electronics North America Corporation Method for making reliable interconnect structures
US6077762A (en) * 1997-12-22 2000-06-20 Vlsi Technology, Inc. Method and apparatus for rapidly discharging plasma etched interconnect structures
US5928968A (en) * 1997-12-22 1999-07-27 Vlsi Technology, Inc. Semiconductor pressure transducer structures and methods for making the same
US6153531A (en) * 1997-12-22 2000-11-28 Philips Electronics North America Corporation Method for preventing electrochemical erosion of interconnect structures
US6341526B1 (en) 1998-07-29 2002-01-29 Interscience, Inc. Micromachined diffractive pressure sensor system
US6312380B1 (en) 1998-12-23 2001-11-06 Radi Medical Systems Ab Method and sensor for wireless measurement of physiological variables
US6182513B1 (en) * 1998-12-23 2001-02-06 Radi Medical Systems Ab Resonant sensor and method of making a pressure sensor comprising a resonant beam structure
US6246638B1 (en) 1999-03-30 2001-06-12 Honeywell International Inc. Fiber-optic vibration sensor based on frequency modulation of light-excited oscillators
US6445106B1 (en) * 2000-02-18 2002-09-03 Intel Corporation Micro-electromechanical structure resonator, method of making, and method of using
US6698295B1 (en) 2000-03-31 2004-03-02 Shipley Company, L.L.C. Microstructures comprising silicon nitride layer and thin conductive polysilicon layer
US7026697B2 (en) * 2000-03-31 2006-04-11 Shipley Company, L.L.C. Microstructures comprising a dielectric layer and a thin conductive layer
US6662647B2 (en) * 2001-01-09 2003-12-16 Honeywell International Inc. Conformal fluid data sensor
US6894787B2 (en) * 2001-12-21 2005-05-17 Honeywell International Inc. Optical pressure sensor
US6720634B2 (en) * 2002-01-07 2004-04-13 Honeywell International Inc. Contactless acceleration switch
US6714007B2 (en) 2002-01-18 2004-03-30 Honeywell International Inc. Optically powered resonant integrated microstructure magnetic field gradient sensor
US6710355B2 (en) 2002-02-07 2004-03-23 Honeywell International Inc. Optically powered resonant integrated microstructure pressure sensor
KR100465235B1 (ko) * 2002-04-16 2005-01-13 삼성전자주식회사 정전용량에 의해 ｒｆ 신호에 대한 전력을 측정하는 ｒｆ파워센서
US6575026B1 (en) 2002-06-28 2003-06-10 Eastman Kodak Company Measuring absolute static pressure at one or more positions along a microfluidic device
US6843121B1 (en) 2003-08-25 2005-01-18 Eastman Kodak Company Measuring absolute static pressure at one or more positions along a microfluidic device
US6993975B2 (en) * 2003-11-03 2006-02-07 Delphi Technologies, Inc. Pressure sensor module having stress isolation platform
CA2797598A1 (en) * 2003-11-03 2005-05-03 Intelligent Devices Inc. Method of producing medium-to thin-film pressure and humidity sensors by flexographic printing
US7443509B1 (en) 2004-12-12 2008-10-28 Burns David W Optical and electronic interface for optically coupled resonators
US7379629B1 (en) 2004-12-12 2008-05-27 Burns David W Optically coupled resonant pressure sensor
US7605391B2 (en) * 2004-12-12 2009-10-20 Burns David W Optically coupled resonator
US7176048B1 (en) 2004-12-12 2007-02-13 Burns David W Optically coupled sealed-cavity resonator and process
US7499604B1 (en) * 2004-12-12 2009-03-03 Burns David W Optically coupled resonant pressure sensor and process
US20060134510A1 (en) * 2004-12-21 2006-06-22 Cleopatra Cabuz Air cell air flow control system and method
US7371601B2 (en) * 2005-05-12 2008-05-13 Delphi Technologies, Inc. Piezoresistive sensing structure
US20070236213A1 (en) * 2006-03-30 2007-10-11 Paden Bradley E Telemetry method and apparatus using magnetically-driven mems resonant structure
US8175835B2 (en) * 2006-05-17 2012-05-08 Honeywell International Inc. Flow sensor with conditioning-coefficient memory
US7493823B2 (en) * 2006-06-16 2009-02-24 Honeywell International Inc. Pressure transducer with differential amplifier
US9002484B2 (en) * 2006-12-01 2015-04-07 The Invention Science Fund I Llc System and method for deforming surfaces
US8783337B2 (en) * 2006-12-01 2014-07-22 The Invention Science Fund I Llc System for changing the convective heat transfer coefficient for a surface
EP1970688A3 (de) * 2007-03-16 2010-06-23 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA Recherche et Développement Druckmessvorrichtung, Herstellungsverfahren dazu und Verwendung davon
US20080290430A1 (en) * 2007-05-25 2008-11-27 Freescale Semiconductor, Inc. Stress-Isolated MEMS Device and Method Therefor
FI20075879A0 (fi) * 2007-12-05 2007-12-05 Valtion Teknillinen Laite paineen, äänenpaineen vaihtelun, magneettikentän, kiihtyvyyden, tärinän ja kaasun koostumuksen mittaamiseksi
US8850893B2 (en) 2007-12-05 2014-10-07 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus Device for measuring pressure, variation in acoustic pressure, a magnetic field, acceleration, vibration, or the composition of a gas
US20090288484A1 (en) * 2008-05-21 2009-11-26 Honeywell International Inc. Integrated mechanical package design for combi sensor apparatus
WO2010039307A2 (en) * 2008-06-26 2010-04-08 Cornell University Cmos integrated micromechanical resonators and methods for fabricating the same
JP5220866B2 (ja) * 2008-11-17 2013-06-26 アルプス電気株式会社 半導体圧力センサ
US20100189444A1 (en) * 2009-01-27 2010-07-29 General Electric Company Optical mems device and remote sensing system utilizing the same
US8656772B2 (en) 2010-03-22 2014-02-25 Honeywell International Inc. Flow sensor with pressure output signal
US8616065B2 (en) 2010-11-24 2013-12-31 Honeywell International Inc. Pressure sensor
US8695417B2 (en) 2011-01-31 2014-04-15 Honeywell International Inc. Flow sensor with enhanced flow range capability
US8752435B2 (en) * 2011-03-09 2014-06-17 Claude Belleville Miniature high sensitivity pressure sensor
US8718981B2 (en) 2011-05-09 2014-05-06 Honeywell International Inc. Modular sensor assembly including removable sensing module
US9003897B2 (en) 2012-05-10 2015-04-14 Honeywell International Inc. Temperature compensated force sensor
US9181086B1 (en) 2012-10-01 2015-11-10 The Research Foundation For The State University Of New York Hinged MEMS diaphragm and method of manufacture therof
US9052217B2 (en) 2012-11-09 2015-06-09 Honeywell International Inc. Variable scale sensor
US9837935B2 (en) * 2013-10-29 2017-12-05 Honeywell International Inc. All-silicon electrode capacitive transducer on a glass substrate
FR3030036B1 (fr) * 2014-12-16 2016-12-09 Commissariat Energie Atomique Capteur d'efforts resonant multidimensionnel.
DE102017203384B3 (de) * 2017-03-02 2018-01-18 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Drucksensor
US10605682B1 (en) 2017-12-29 2020-03-31 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy MEMS unpowered pressure sensor
WO2020023395A1 (en) 2018-07-24 2020-01-30 Deep Science, Llc Systems and methods for active control of surface drag
EP3877658A1 (de) 2018-11-06 2021-09-15 Deep Science, LLC Systeme und verfahren zur aktiven steuerung des oberflächenwiderstands mittels wandkopplung
WO2020112876A1 (en) 2018-11-30 2020-06-04 Deep Science, Llc Systems and methods of active control of surface drag using selective wave generation
WO2021150755A1 (en) * 2020-01-23 2021-07-29 Deep Science, Llc Systems and methods for active control of surface drag using intermittent or variable actuation
US11905983B2 (en) 2020-01-23 2024-02-20 Deep Science, Llc Systems and methods for active control of surface drag using electrodes
EP4294720A1 (de) 2021-02-17 2023-12-27 Enterprise Science Fund, Llc Querimpulsinjektion auf gleicher ebene zur unterbrechung von grossflächigen wirbeln in einer turbulenten grenzschicht

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4455874A (en) * 1981-12-28 1984-06-26 Paroscientific, Inc. Digital pressure transducer
US4744863A (en) * 1985-04-26 1988-05-17 Wisconsin Alumni Research Foundation Sealed cavity semiconductor pressure transducers and method of producing the same
JPS6263828A (ja) * 1985-09-06 1987-03-20 Yokogawa Electric Corp 振動式トランスジューサ
US4673777A (en) * 1986-06-09 1987-06-16 Motorola, Inc. Microbeam sensor contact damper
GB2197069B (en) * 1986-11-03 1990-10-24 Stc Plc Sensor device
US4873871A (en) * 1988-06-17 1989-10-17 Motorola, Inc. Mechanical field effect transistor sensor
US5009108A (en) * 1988-09-16 1991-04-23 Yokogawa Electric Corporation Vibrating type transducer
US5060526A (en) * 1989-05-30 1991-10-29 Schlumberger Industries, Inc. Laminated semiconductor sensor with vibrating element
EP0419021A3 (en) * 1989-08-30 1991-10-09 Schlumberger Industries Limited Sensors with vibrating elements
US5142912A (en) * 1990-06-15 1992-09-01 Honeywell Inc. Semiconductor pressure sensor
FR2664979B1 (fr) * 1990-07-20 1992-11-06 Sextant Avionique Micro-capteur de pression.
FR2687783B1 (fr) * 1992-02-20 1994-05-20 Sextant Avionique Micro-capteur de pression.
US5559358A (en) * 1993-05-25 1996-09-24 Honeywell Inc. Opto-electro-mechanical device or filter, process for making, and sensors made therefrom
US5458000A (en) * 1993-07-20 1995-10-17 Honeywell Inc. Static pressure compensation of resonant integrated microbeam sensors
US5511427A (en) * 1993-07-21 1996-04-30 Honeywell Inc. Cantilevered microbeam temperature sensor
US5417115A (en) * 1993-07-23 1995-05-23 Honeywell Inc. Dielectrically isolated resonant microsensors
US5473944A (en) * 1994-08-18 1995-12-12 Kulite Semi Conductor Products, Inc. Seam pressure sensor employing dielectically isolated resonant beams and related method of manufacture
US5550516A (en) * 1994-12-16 1996-08-27 Honeywell Inc. Integrated resonant microbeam sensor and transistor oscillator

Also Published As

Publication number Publication date
DE69732248D1 (de) 2005-02-17
EP0950171B1 (de) 2005-01-12
EP0950171A1 (de) 1999-10-20
US5808210A (en) 1998-09-15
WO1998029721A1 (en) 1998-07-09
CA2273227A1 (en) 1998-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69732248T2 (de) Absolutdrucksensor mit schwingendem mikromechanischem balken
DE69726009T2 (de) Herstellung eines absoluten dünnschichtsensors mit mikrobalken
DE69933703T2 (de) Resonierender sensor
DE69627645T2 (de) Integrierter piezoresistiver Druckwandler und Herstellungsverfahren dazu
US7499604B1 (en) Optically coupled resonant pressure sensor and process
EP0721587A1 (de) Mikromechanische vorrichtung und verfahren zu deren herstellung
EP0460357A2 (de) Vorrichtung zum optischen Messen einer Druckdifferenz
DE102014217799B4 (de) Piezoelektrischer Positionssensor für piezoelektrisch angetriebene resonante Mikrospiegel
EP1144973B1 (de) Verfahren zur erzeugung von justagestrukturen in halbleitersubstraten
KR100462569B1 (ko) 반도체 압력 센서 및 그 제조방법
DE4244450A1 (en) Capacitive pressure sensor - contains electrodes mounted on electrically insulating substrates one of which has recess for housing the electrodes
DE19526903A1 (de) Drehratensensor
DE3938624A1 (de) Resonanzbruecken-mikrobeschleunigungs-messfuehler
DE4016471A1 (de) Mikromechanischer neigungssensor
EP0672898B1 (de) Halbleiter-Druckwandler mit Polysilizium-Membran und Einkristall-Dehnungsmesstreifen und Herstellungsverfahren dazu
DE4309206C1 (de) Halbleitervorrichtung mit einem Kraft- und/oder Beschleunigungssensor
DE102014008872B4 (de) Drucksensor mit gebondeter Kappe
DE69925837T2 (de) Mikromechanischer Sensor
DE19800574A1 (de) Mikromechanisches Bauelement
WO1995008775A1 (de) Integrierte mikromechanische sensorvorrichtung und verfahren zu deren herstellung
US20070086502A1 (en) Optically Coupled Sealed-Cavity Resonator and Process
EP1876434A2 (de) Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor, und zugehöriges Herstellverfahren
DE4333099A1 (de) Kraftsensor und Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors
DE102011006332A1 (de) Verfahren zum Erzeugen von monokristallinen Piezowiderständen
DE19503623B4 (de) Drehratensensor

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee