DE3325961A1

DE3325961A1 - Silicon-based capacitive transducers incorporating silicon dioxide electret

Info

Publication number: DE3325961A1
Application number: DE19833325961
Authority: DE
Inventors: Dietmar Hohm; Gerhard M. Prof. Dr.rer.nat. 6100 Darmstadt Sessler
Original assignee: Sessler gerhard M profdrrernat
Current assignee: Sessler gerhard M profdrrernat
Priority date: 1983-07-19
Filing date: 1983-07-19
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE3325961C2

Abstract

In capacitive electroacoustic or acoustoelectrical transducers, silicon and/or silicon dioxide are/is used as oscillatory plate or membrane. The electrical field between the electrodes of capacitive electromechanical, mechanoelectrical, electroacoustical or acoustoelectrical transducers is produced by means of a statically charged silicon dioxide layer. The silicon dioxide layer may be situated either on the stationary counterelectrode or on the membrane.

Description

Kapazitive Wandler auf Siliziumbasis mit Siliziumdioxid- ElektretCapacitive transducers based on silicon with silicon dioxide electret

KAPAZITIVE WANDLER AUF SILIZIUMBASIS MIT SILIZIUMDIOXID - ELEKTRET Die Erfindung betrifft elektromechanische, mechanoelektrische, elektroakustische und akustoelektrische Wandler, die nach dem kapazitiven Prinzip und gegebenenfalls mit einem permanent geladenen Dielektrikum arbeiten, wie z.B. Aktuatoren, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Kopfhörer, Mikrofone usw., die im Fernsprech- und Nachrichtenübertragungswesen, im Rundfunk- und Fernsehbetrieb, in HiFi- Anwendungen, auf dem Phonogebiet, in der Meß- und Regelungstechnik usw. Verwendung finden. CAPACITIVE CONVERTER ON THE BASIS OF SILICON WITH SILICON DIOXIDE - ELECTRETE The invention relates to electromechanical, mechanoelectric, electroacoustic and acoustoelectric transducers, based on the capacitive principle and where appropriate work with a permanently charged dielectric, such as actuators, pressure sensors, Accelerometers, headphones, microphones, etc. used in telephony and communications, in radio and television, in hi-fi applications, in the phono field, in the Find measuring and control technology, etc. use.

Es ist Zweck dieser Erfindung, zum einen eine bessere Umwandlung von mechanischen in elektrische Signale und umgekehrt zu bewerkstelligen, zum anderen die Unterbringung der Bauteile zur Umwandlung und elektrischer Signalverarbeitung auf einem einzigen Siliziumchip zu ermöglichen. It is the purpose of this invention, on the one hand, to achieve a better conversion from mechanical to electrical signals and vice versa, on the other the accommodation of the components for conversion and electrical signal processing on a single silicon chip.

Kondensatorwandler bestehen aus zwei oder mehr Elektroden, die einen Kondensator bilden, wobei eine Elektrode schwingfähig und z.B. als Membran ausgebildet ist 1. Um diese Wandler zu betreiben, müssen sie entweder durch eine äußere Gleichspannung oder durch eine entsprechende permanente Aufladung eines zwischen den Elektroden befindlichen Dielektrikums vorgespannt sein. Während früher meist externe Polarisationsspannungen verwendet wurden, sind, von wenigen Ausnahmen abgesehen, in neuerer Zeit die Wandler mit einem permanent geladenen Dielektrikum (Elektret) versehen. Außerdem können die Wandler in einer Hochfrequenzschaltung betrieben werden. Capacitor converters consist of two or more electrodes that make up one Form a capacitor, one electrode being able to oscillate and e.g. designed as a membrane is 1. In order to operate these converters, they must either be supplied by an external DC voltage or by a corresponding permanent charging between the electrodes be biased located dielectric. While in the past mostly external polarization voltages have been used, apart from a few exceptions, more recently the converters provided with a permanently charged dielectric (electret). Also can the converters are operated in a high-frequency circuit.

Einen Nachteil der kapazitiven akusto- und mechanoelektrischen Wandler stellt die äußerst hohe Innenimpedanz dar, die sich aus der relativ geringen Wirkkapazität ergibt. Dies bedingt eine hohe Anfälligkeit für Einflüsse von Tot- und Streukapazitäten und erfordert zusätzliche elektronische Bauteile, die unmittelbar an den Elektroden plaziert sein müssen. A disadvantage of the capacitive acousto and mechanoelectric transducers represents the extremely high internal impedance, which results from the relatively low effective capacitance results. This results in a high susceptibility to the effects of dead and stray capacities and requires additional electronic components that are directly attached to the electrodes must be placed.

Dadurch war bisher die Reduzierung der Bauteilezahl unter ein bestimmtes Minimum kaum möglich.This has so far reduced the number of components below a certain level Minimum hardly possible.

Fortschritte in der Silizium- Bearbeitungstechnologie haben es in jüngster Zeit möglich gemacht, auf Siliziumbasis mechanoelektrische Sensoren herzustellen, bei denen die elektronischen Bauteile direkt in den Sensor integriert sind. Als Beispiel sei hier auf die Literaturstellen 2,3 verwiesen. Diese sogenannten "integrierten Sensoren" arbeiten z.T. nach dem kapazitiven Prinzip und benötigen externe Vorspannungen, Oszillatorkreise oder andere Komponenten. Advances in silicon machining technology have made it into recently made possible to manufacture silicon-based mechanoelectric sensors, where the electronic components are integrated directly into the sensor. as For example, reference is made here to references 2, 3. These so-called "integrated Sensors "partly work according to the capacitive principle and require external bias voltages, Oscillator circuits or other components.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Silizium-Bearbeitungstechnologien elektromechanische, mechanoelektrische, elektroakustische und akustoelektrische Wandler nach dem kapazitiven Prinzip herzustellen, bei denen gegebenenfalls Siliziumdioxid als Elektret verwendet wird. The invention is based on the object using silicon processing technologies electromechanical, mechanoelectric, electroacoustic and acoustoelectric Manufacture converters according to the capacitive principle, in which, if necessary, silicon dioxide is used as an electret.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein auf eine Siliziumscheibe aufgebrachter Siliziumdioxid-Film (oder eine durch entsprechende Dotierung ätzresistente Siliziumschicht) derart unterätzt wird, daß als Resultat eine schwingfähige Platte oder Membran zurückbleibt. Bei Verwendung einer Silizium-Membran befindet sich das Siliziumdioxid auf der feststehenden Gegen- oder Rückelektrode. Auf das Siliziumdioxid können in beiden Fällen durch eine geeignete Aufladungsmethode (z.B. Elektronenstrahlaufladung) elektrische Ladungen aufgebracht werden. Die Oberseite der Membran wird metallisiert. Der zwischen Gegenelektrode und Platte oder Membran entstandene Luftspalt kann durch ein geätztes oder durch andere Maßnahmen erzeugtes Loch in der Gegenelektrode eine Verbindung zu einem im Vergleich zum Luftspalt größeren Rückvolumen erhalten um die Steifigkeit des Luftvolumens im Luftspalt zu reduzieren. The object is achieved in that a silicon wafer applied silicon dioxide film (or one that is etch-resistant through appropriate doping Silicon layer) is undercut in such a way that the result is an oscillatable plate or membrane remains. If a silicon membrane is used, that is Silicon dioxide on the fixed counter or back electrode. On the silicon dioxide can in both cases by a suitable charging method (e.g. electron beam charging) electrical charges are applied. The top of the membrane is metallized. The air gap created between the counter electrode and the plate or membrane can pass through an etched hole or a hole created by other means in the counter electrode Connection to a back volume that is larger than that of the air gap is obtained to reduce the stiffness of the air volume in the air gap.

Das auf diese Weise entstandene Gebilde ist in der Lage, als Kondensatorwandler, bzw. bei Ausnutzung der ladungsspeichernden Eigenschaft von Siliziumdioxid als Elektret-Kondensatorwandler zu arbeiten. The structure created in this way is able to act as a capacitor converter, or when the charge-storing property of silicon dioxide is used as an electret capacitor converter to work.

Ein Beispiel des dargestellten Aufbaus ist in Abb. 1 wiedergegeben. Es wird von einer p-leitenden Siliziumscheibe ausgegangen, deren eine Seite hoch dotiert wird (z.B. Ionenimplantation). Auf diese dotierte Schicht wird eine weitere Siliziumschicht aufgebracht (z.B. Epitaxieprozeß). Als nächster Schritt erfolgt eine Oxidation dieser Schicht. Durch bekannte kristallorientierungsabhängige Ätzverfahren wird die Siliziumdioxid schicht unterätzt. Durch das gleiche Ätzverfahren kann ein Verbindungsloch zu dem entstehenden Luftspalt durch die Siliziumscheibe bewerkstelligt werden. An example of the structure shown is shown in Fig. 1. A p-conducting silicon wafer is assumed, one side of which is high is doped (e.g. ion implantation). On this doped layer is one another silicon layer is applied (e.g. epitaxial process). As a next step an oxidation of this layer occurs. By known crystal orientation-dependent Etching process, the silicon dioxide layer is underetched. Through the same etching process can create a connection hole to the resulting air gap through the silicon wafer be accomplished.

Nachdem alle für die Ätzschritte erforderlichen Öffnungen (Ätzfenster) in der Oxidplatte verschlossen wurden, wird diese metallisiert. Der Wandler wird in einem Gehäuse untergebracht, das auch ein zusätzliches Rückvolumen bilden kann. Durch ein geeignetes Aufladungsverfahren werden auf die Oxidschicht elektrische Ladungen aufgebracht, so daß der Wandler ohne externe Polarisationsspannung arbeitet.After all openings (etching windows) required for the etching steps were sealed in the oxide plate, this is metallized. The converter will housed in a housing that can also form an additional back volume. By means of a suitable charging process, electrical Charges applied so that the converter works without external polarization voltage.

Ein ähnlicher Aufbau wie der in Abb.1 dargestellte, bei dem jedoch die Membran durch eine dotierte Siliziumschicht gebildet wird und sich die aufgeladene Siliziumdioxid- Schicht auf der Gegenelektrode befindet, kann folgendermaßen bewerkstelligt werden: Die Siliziumscheibe wird im Bereich der zu formenden Membran (z.B. durch Atzen) auf die gewünschte Wandlerdicke reduziert. Die durch die Atzung entstandene Wandleroberseite wird dotiert, die RÜckseite der Scheibe oxidiert. Durch geeignete Öffnungen im Oxid kann mittels eines Atzverfahrens zwischen der dotierten Schicht und dem Oxid ein Luftspalt geschaffen werden, wobei die dotierte Schicht als Membran erhalten bleibt. Schließlich kann die Siliziumdioxid- Schicht durch eines der üblichen Verfahren aufgeladen werden. A structure similar to the one shown in Fig. 1, but with the the membrane is formed by a doped silicon layer and the charged Silicon dioxide layer is located on the counter electrode, can be accomplished as follows be: The silicon wafer is in the area of the membrane to be formed (e.g. through Etching) reduced to the desired transducer thickness. The one created by the etching The top of the transducer is doped, the back of the disk is oxidized. Through suitable Openings in the oxide can be made between the doped layer by means of an etching process and an air gap is created in the oxide, the doped layer acting as a membrane preserved. Finally, the silicon dioxide layer can be replaced by one of the usual Procedure to be charged.

Grundsätzlich besteht auch bei den hier beschriebenen Wandlern die Möglichkeit, auf die statische Aufladung des Oxids zu verzichten und die Wandler mit externer Vorspannung, Oszillatorkreis usw. zu betreiben. In principle, there is also the Ability to do without the static charge of the oxide and the transducers to operate with external bias, oscillator circuit, etc.

Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Wandler wie Resonanzfrequenz und Empfindlichkeit werden festgelegt durch die geometrischen Abmessungen, d.h. durch die Membran- oder Plattenfläche, durch die Dicke der Membran, die Höhe des Luftspaltes, durch die Abmessungen des Loches und die Gröe des Rückvolumens sowie durch die Größe der auf das Oxid aufgebrachten Ladung. Durch entsprechende Gestaltung kann die Resonanzfrequenz bis in den hohen Ultraschallbereich gelegt werden. The mechanical and electrical properties of the transducers such as resonance frequency and sensitivity are determined by the geometrical dimensions, i.e. through the membrane or plate surface, through the thickness of the membrane, the height of the Air gap, by the dimensions of the hole and the size of the back volume as well by the amount of charge placed on the oxide. Through appropriate design the resonance frequency can be set up to the high ultrasound range.

Ein Vorteil der Wandler ist die Reduzierung der benötigten zusätzlichen Teile auf geeignete Gehäuse. Diese Tatsache, zusammen mit der Möglichkeit, auf einer Siliziumscheibe eine große Anzahl Wandler gleichzeitig herzustellen, führt zu einer kostengünstigen Produktion. One advantage of the converters is the reduction in the number of additional ones required Parts on suitable housing. This fact, along with the possibility of one on one Silicon wafer producing a large number of transducers at the same time results in one inexpensive production.

Bei den Wandlern mit aufgeladener Oxidschicht ergibt sich ein weiterer Vorteil durch den Wegfall der bei anderen kapazitiven Wandlern notwendigen Signalerzeugungskomponenten (z.B. Vorspannung oder Oszillatorkreis). In the case of converters with a charged oxide layer, there is another one Advantage due to the elimination of the signal generation components required for other capacitive converters (e.g. bias or oscillator circuit).

Desweiteren besteht die Möglichkeit, auf die Siliziumscheibe elektronische Schaltungen wie Impedanzwandler, Verstärker etc. zu integrieren, wodurch das Ausgangssignal des Wandlers den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden kann. Durch den kompakten Aufbau, der die signalverarbeitende Elektronik bereits enthält, werden die Einflüsse von Totkapazitäten und die Einstreuung elektrischer Störungen auf ein Minimum gebracht. Furthermore there is the possibility of electronic on the silicon wafer Integrate circuits such as impedance converters, amplifiers etc., thereby creating the output signal of the converter can be adapted to the respective requirements. Thanks to the compact Structure that already contains the signal processing electronics are the influences of dead capacities and the interference of electrical disturbances brought to a minimum.

Einen großen Vorteil im Vergleich zu konventionellen Wandlern stellt die Miniaturisierbarkeit des Wandlers dar, welche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet, die den bisherigen Wandlern verschlossen blieben.A major advantage compared to conventional converters the miniaturization of the converter, which opens up possible applications, which remained closed to the previous converters.

Literatur [1] Meyer,E./Neumann, E.G.: Physikalische und technische Akustik. 3.Aufl.Literature [1] Meyer, E. / Neumann, E.G .: Physical and technical Acoustics. 3rd ed.

Braunschweig: Vieweg 1979, S.240 [2] Petersen, K.E./Shartel, A./Raley, N.F.: Micromechanical Accelerometer with MOS Detection Circuitry. IEEE Trans. on Electron Devices ED-29 (1982), S. 23-27 [3] Petersen, K.E.: Silicon as a Mechanical Material. Proceedings of the IEEE 70 (1982), S.420-457 - Leerseite -Braunschweig: Vieweg 1979, p.240 [2] Petersen, K.E./Shartel, A./Raley, N.F .: Micromechanical Accelerometer with MOS Detection Circuitry. IEEE Trans. On Electron Devices ED-29 (1982), pp. 23-27 [3] Petersen, K.E .: Silicon as a Mechanical Material. Proceedings of the IEEE 70 (1982), pp 420-457 - Blank page -

Claims

Capacitive transducers in the form of sensors or Actuators, characterized in that the membrane is a charged silicon dioxide Layer contains.

2. Capacitive converter according to claim 1, characterized in that the membrane consists of a metallized and charged silicon dioxide layer, which is separated from a rear electrode by an air gap.

3. Capacitive converter according to claim 2, characterized in that the back electrode one or more holes to reduce the stiffness of the volume of air contains in the air gap.

4. Capacitive converter according to claim 1, characterized in that electronic components on the same substrate on which the membrane is built are implemented.

5. Capacitive converter according to claim 2, characterized in that the membrane is produced by a micromechanical process.

6. Capacitive transducers in the form of sensors or actuators, thereby characterized in that between the membrane and the back electrode there is a charged silicon dioxide Layer is located.

7. Capacitive converter according to claim 6, characterized in that the membrane is formed by a silicon layer.

8. Capacitive converter according to claim 6, characterized in that the back electrode one or more holes to reduce the stiffness of the volume of air contains in the air gap.

9. Capacitive converter according to claim 6, characterized in that a charged silicon dioxide layer is firmly connected to the back electrode.

10. Capacitive converter according to claim 6, characterized in that electronic components on the same substrate on which the membrane is built are implemented.

11. Capacitive converter according to claim 6, characterized in that the membrane is produced by a micromechanical process.

12. Capacitive transducers in the form of an electroacoustic or acoustoelectric Converter, characterized in that silicon is used as an oscillatable plate or membrane or silicon dioxide is used.

13. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that silicon dioxide provided with an electrical charge between the membrane and the back electrode is located.

14. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that Electrically charged silicon dioxide with the transducer back electrode mechanically is firmly connected.

15. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that the membrane contains a charged layer of silicon dioxide.

16. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that Electrically charged silicon dioxide as a vibrating plate or membrane is used.

17. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that the back electrode one or more holes to reduce the stiffness of the volume of air contains in the air gap. 4th

18. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that on the same substrate on which the membrane is built is, electronic components are implemented.

19. Capacitive converter according to claim 12, characterized in that the membrane is produced by a micromechanical process.