DE69313104T2

DE69313104T2 - Mikromechanischer sensor

Info

Publication number: DE69313104T2
Application number: DE69313104T
Authority: DE
Inventors: Alan Heaver; Andrew Hoole; David Moore
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2013-03-16
Also published as: EP0632880A1; GB2280038A; GB2280038B; EP0632880B1; WO1993019343A1; ATE156907T1; DE69313104D1; JPH08504266A; GB9205711D0; ES2107010T3; GB9418784D0

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor, und insbesondere einen mikroelektromechanischen Sensor.
Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren, die speziell auf die Herstellung mikromechanischer Strukturen ausgelegt sind. Diese Verfahren fallen grob in zwei Kategorien: Körpermikrobearbeitung und Oberflächenmikrobearbeitung. Die Körpermikrobearbeitung umfaßt das Formen eines Siliziumsubstrats mittels chemischer Ätzflüssigkeiten, wohingegen die Oberflächenmikrobearbeitung die Verwendung von Dünnschichtablagerungsverfahren auf einem Siliziumsubstrat umfaßt.
Die Körpermikrobearbeitung hat sich als ein Herstellungsverfahren mit hohem Ausstoß erwiesen, das zur Herstellung von Strukturen mit genau festgesetzten, kritischen Abmessungen verwendet wird. Oberflächenmikrobearbeitete Sensoren haben jedoch den Vorteil, daß sie wesentlich kleiner als körpermikrobearbeitete Sensoren sind. Da die Schichtdicke auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe bis zu 100mal kleiner als die Dicke der Scheibe selbst sein kann, können oberf lächenmikrobearbeitete Teile in einer kleineren Größenordnung als körpermikrobearbeitete Teile gefertigt sein. Darüber hinaus sind Oberflächenmikrobearbeitungsverfahren, die Ablagerung und Ätzung von Schichten umfassen, kompatibler mit herkömmlichen IC-Herstellungs-verfahren.
Oberflächenmikrobearbeitung wurde dazu verwendet, einen Beschleunigungsmesser herzustellen, der im Technikteil von Electronic World News vom 9. September 1991 beschrieben ist. Es gab außerdem Versuche, Sensoren herzustellen, die freistehende Mikrostrukturen, wie etwa Balken, umfassen, die elektrostatisch zu anderen Teilen der Mikrostruktur hin und von ihr weg abgelenkt werden können, um so die Größe einer Lücke zu steuern.
Derzeit will man Sensoren auf IC-Siliziumchips integrieren, um die Herstellungskosten zu senken, die Verläßlichkeit zu erhöhen und die Sensoren soweit wie möglich zu miniaturisieren.
Die veröffentlichte internationale Patentanmeldung Nr. WO-A1- 9203740 beschreibt einen Sensor mit kapazitiven Polysiliziumelementen, von denen eines in bezug auf das andere relativ verschiebbar ist, so daß, bei relativer Verschiebung, die Gesamtkapazitanz steigt oder fällt.
Die aktuellen Vorschläge für oberflächenmikrobearbeitete Sensoren werden alle von einer häufig auftretenden Schwierigkeit beeinträchtigt, und zwar dem Vorhandensein von Beanspruchungskräften (Spannungen), die in den dünnen Schichten auftreten, die die Aufhängungselemente der Mikrostrukturen bilden. Diese Beanspruchungskräfte können bewirken, daß sich die Aufhängungselemente der Mikrostruktur verbiegen und aus der Ebene, in der die Lücke definiert ist, herausdrehen. Dies hat zumindest zwei Nachteile. Zunächst kann die Größe der Lücke nicht mehr gesteuert werden, da sie sich nun außerhalb der Ebene, in der sie ursprünglich definiert war, ausdehnen könnte. Des weiteren kann dort, wo sich die Abtastung auf den Kontakt des Aufhängungselements mit einem anderen Teil der Mikrostruktur stützt, dieser Kontakt tatsächlich nicht stattfinden, wenn sich das Element so verdreht, daß es sich in einer Ebene außerhalb der des anderen Teils der Mikrostruktur bewegt.
Die Erfindung versucht diese Schwierigkeiten zu überwinden.
Erfindungsgemäß ist ein mikromechanischer Sensor bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Sensorelementen umfaßt, die auf einem Substrat an entsprechenden Stützbereichen abgestützt ist, wobei ein erster Satz der Sensorelemente entsprechende Sensorabschnitte aufweist und so angeordnet ist, daß eine Sensorlücke definiert wird, und ein zweiter Satz der Sensorelemente einen ergänzenden Satz bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente einander im wesentlichen ähnlich sind, wobei jedes Sensorelement einen abgehenden länglichen Abschnitt, der sich von seinem entsprechenden Stützbereich weg erstreckt, und einen U-förmigen Abschnitt aufweist, der den abgehenden Abschnitt mit einem rückführenden Abschnitt verbindet, der im wesentlichen parallel zu dem abgehenden Abschnitt verläuft, wobei sich der rückführende Abschnitt zum Stützbereich erstreckt.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Stützbereiche nahe zueinander und in der Nähe der Sensorlücke angeordnet sind. Bevorzugt ist der Abstand zwischen der Sensorlücke und den Stützbereichen sowie zwischen den Stützbereichen kleiner als die Länge jedes Sensorelementes, vorzugsweise erheblich kleiner. Die Stützbereiche sind bevorzugt symmetrisch angeordnet.
Da die Sensorelemente der ergänzenden Sätze in ihrer Gestalt den die Sensorlücke definierenden Sensorelementen im wesentlichen ähnlich sind, wenn die ergänzenden Sätze Kräften unterworfen sind, die eine Bewegung der Sensorelemente bewirken sollen, beeinträchtigt jedwede Dreh- oder Biegewirkung aufgrund von Beanspruchungskräften sowohl den ergänzenden Satz als auch den Sensorsatz gleichermaßen, so daß die Wirkung auf die Sensortätigkeit minimiert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der erste Satz Sensorelemente Sensorelemente, die durch benachbarte Stützbereiche abgestützt sind, wobei der rückführende Abschnitt jedes Sensorelementes in seinen Sensorabschnitt endet und die Sensorabschnitte zwischen sich die Sensorlücke definieren. Der zweite Satz Sensorelemente umfaßt ebenso Sensorelemente, die durch benachbarte Stützbereiche abgestützt sind, wobei die Stützbereiche die Sensorelemente des zweiten Satzes abstützen, die gegenüber den Stützbereichen angeordnet sind, die die Sensorelemente des ersten Satzes abstützen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt ein Element des zweiten Satzes Sensorelemente als Steuerungselement, um ein Element des ersten Satzes anzuziehen und dadurch die Sensorlücke zu schließen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt der erste Satz Sensorelemente durch die Stützbereiche abgestützte Sensorelemente, die einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die freien Enden der rückführenden Abschnitte dieser Sensorelemente die Sensorabschnitte tragen. Die durch entsprechende Stützbereiche abgestützten, ergänzenden Sensorelemente sind ebenfalls einander diametral gegenüberliegend und senkrecht zu den die Sensorelemente des ersten Satzes abstützenden Stützbereichen angeordnet. Die rückführenden Abschnitte der Sensorelemente des ergänzenden Satzes sind miteinander verbunden, um einen Hängebalken zu bilden, der als Bezugselement wirkt. Jeder Sensorabschnitt definiert mit dem Balken eine Sensorlücke. Ein gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgeführter Sensor kann magnetisch erregt werden.
Jeder Abschnitt jedes Sensorelements kann einen gestuften Bereich umfassen, wobei die gestuften Bereiche so angeordnet sind, daß die Symmetrie des Sensors gewahrt bleibt. Der gestufte Bereich liegt in der Ebene des Sensorelements. Derartige Abschnitte sind vorteilhaft, wenn der Sensor durch ein Verfahren geformt wird, das die Ätzung eines Siliziumsubstrates umfaßt. Eine derartige Ätzung tritt bevorzugt dort auf, wo konvexe Kanten vorhanden sind, wobei die Bereitstellung von gestuften Bereichen ein größere Anzahl konvexer Kanten bereitstellt, an denen die Unterschneidung bevorzugt stattfindet.
Bevorzugt umfaßt jedes Sensorelement eine Isolierschicht und eine Leiterschicht über der Isolierschicht. Die Isolierschicht kann beispielsweise aus Siliziumnitrid und die Leiterschicht beispielsweise aus einem Metall, wie etwa Gold, sein.
Die Sensorabschnitte des Sensors können mit zusätzlichen Sensorschichten, bezogen auf ein abzutastendes Analyt, versehen sein.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Darstellung wie diese in die Praxis umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
Figur 1 eine schematische Draufsicht ist, die das dem Sensor unterliegende Prinzip verdeutlicht;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführten Sensors ist;
Figur 3 eine schematische Draufsicht des zur Verwendung als Beschleunigungsmesser abgewandelten Sensors ist;
Figuren 4 und 5 Schnitte durch den Sensor während verschiedener Phasen seiner Herstellung sind;
Figuren 6 bis 8 Draufsichten eines Teils des Sensors während der Stufen seiner Herstellung sind; und
Figur 9 eine schematische Draufsicht einer abgewandelten Ausführung des Sensors ist.
Figur 1 zeigt das Prinzip auf dem der Sensor basiert. Es sind vier Stützbereiche 12a, 12b, 12c, 12d vorhanden, die in bezug aufeinander symmetrisch und physisch nahe beieinander angeordnet sind. Jeder Stützbereich stützt ein entsprechendes Aufhängungselement 14a, 14b, 14c, 14d ab. Die abgestützten Bereiche und Elemente sind elektrisch voneinander isoliert. Jedes Aufhängungselement weist im wesentlichen die Gestalt eines länglichen Us auf, das heißt, es umfaßt einen Abschnitt 18, der sich von dem Stützbereich 12 wegerstreckt, eine relativ kurze Basis 20 und einen rückführenden Abschnitt 22, der sich zurück zum Zentralbereich des Sensors zwischen den Stützbereichen erstreckt. Der rückführende Abschnitt 22 ist im wesentlichen parallel zum abgehenden Abschnitt 18. Die Aufhängungselemente sind in zwei Sätzen ausgeformt. Der erste Satz 14a, 14b wird hier als Sensorsatz bezeichnet. Jedes Element 14a, 14b des Sensorsatzes weist am Ende seines rückführenden Abschnitts 22 einen Sensorbereich 24 auf. Die Sensorbereiche 24a, 24b enden in Sensorspitzen 26a, 26b, die eine Sensorlücke 28 definieren. Diese Lücke stellt die Meßeinrichtung des Sensors bereit, wie nachfolgend genauer beschrieben werden wird. Die Lücke kann in einer Größenordnung von 1 µm oder kleiner ausgeführt sein und ist nur durch die Verarbeitungstechnik begrenzt.
Der andere Satz Sensorelemente 14c, 14d bildet einen komplementären Satz, der im wesentlichen symmetrisch mit dem zuvor genannten Satz ist. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, daß zwischen den Aufhängungselementen Symmetrie herrscht. Dies erhält die Ausrichtung der Sensorelemente des Sensorsatzes und des komplementären Satzes aufrecht, wenn während des Abtastens eine Bewegung der Elemente auftritt. Darüber hinaus beeinflussen jedwede Beschleunigungskräfte, die den Chip beeinflussen, alle Elemente ungefähr gleich, so daß die Lückenbreite weitgehend unbeeinträchtigt bleibt. Auf die Bedeutung dieses Merkmals wird später im Zusammenhang mit der Betriebsweise des Sensors nochmals eingegangen. Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bleiben die Enden der rückführenden Abschnitte 22 der Elemente 14c, 14d frei.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des beschriebenen Ausführungsbeispiels besteht in der Bereitstellung der vier Stützbereiche 12a, 12b, 12c, 12d, die physisch nahe beieinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Aufhängungselementen wird somit auf einem Minimum gehalten, um es zu ermöglichen, den Spannungsunterschied, der zum Erzeugen eines erwünschten elektrischen Feldes erforderlich ist, auf einem Minimum zu halten. Dies minimiert die Wirkung der Beanspruchungskräfte in den dünnen Schichten in den Aufhängungselementen 14a, 14b, 14c, 14d. Diese Stützbereiche stellen außerdem elektrische Kontakte des Sensors bereit, an die während des Betriebes des Sensors eine Spannung angelegt werden kann. Es ist ebenfalls von Bedeutung, die Stützbereiche relativ zur Länge jedes Elementes nahe an der Sensorlücke zu halten, wie in Figur 1 gezeigt, wiederum um die Wirkung der Beanspruchungskräfte in den dünnen Schichten zu minimieren.
Ein Ausgleich für die Beanspruchungskräfte in den dünnen Schichten wird außerdem durch die längliche U-Struktur der Sensorelemente bereitgestellt, wobei die Abschnitte derselben es ermöglichen, die Beanspruchungskräfte in eine Richtung senkrecht zu der in der die Abtastung stattfindet anzupassen. Daher haben die Wirkungen der Beanspruchungskräfte in der dünnen Schicht, die diese Aufhängungselemente bildet, eine vernachlässigbare Wirkung auf die Sensorabschnitte und die zwischen ihnen definierte Lücke. Jedwede Wirkung, die aufgrund dieser Schichtbeanspruchungskräfte auftritt, wird durch die Symmetrie des Sensors aufgehoben, wobei alle Elemente auf ähnliche Weise beeinflußt werden.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Figur 2 zeigt ein Siliziumsubstrat 2, das die Stützbereiche 12a - 12d für die Aufhängungselemente 14a - 14d des Sensors bereitstellt. Jedes Element umfaßt eine Schicht 6 aus einem Nichtleiter, wie etwa Siliziumnitrid, und eine Schicht 8 aus einem Metall, wie etwa Gold. Diese Schichten bilden außerdem die elektrischen Kontakte.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Sensors unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 8 beschrieben.
Auf einem (100) ausgerichteten Siliziumsubstrat 2 wird eine Schicht 6 aus einem Nichtleitermaterial, wie etwa Siliziumnitrid, bis zu einer Dicke von ungefähr 1 Mikron aufgebracht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Opferschicht, etwa aus Siliziumoxid, vor dem Siliziumnitrid aufgebracht werden. Über die Nichtleiterschicht 6 wird dann eine dünne Schicht aus einem Leitermaterial, wie etwa Gold, aufgebracht. Alternativ kann der Leiter nach der Herstellung der Aufhängungsmikrostruktur aufgebracht werden. Herkömmliche optische Lithographie wird dann dazu verwendet, die Scheibe mit den Elementen des Sensors, die in der (110) Richtung ausgerichtet sind, zu bemustern. Eine Maske wird herabgesenkt, wie durch die schraffierten Abschnitte in den Figuren 6 bis 8 gezeigt, wodurch schematisch die Gestalt der Maske für ein komplementäres Sensorelement aus Figur 1 dargestellt ist. Bevorzugt werden alle Kanten abgerundet, um die mechanischen Eigenschaften der Aufhängungsbereiche zu verbessern. Die Maske wird dazu verwendet, die Leiterschicht in einer Ätze aus beispielsweise Jodkali in Jod und Wasser zu ätzen. Die Nichtleiterschicht wird dann beispielsweise unter Verwendung einer Plasmaätze in Kohlenstofftetrafluorid und Sauerstoff geätzt. Dann wird das Siliziumsubstrat oder die Opferschicht, sofern vorhanden, geätzt. Wenn das Siliziumsubstrat geätzt werden soll, wird das Ätzen beispielsweise unter Verwendung von Ätzkali und Wasser durchgeführt, das Silizium nicht aber Siliziumnitrid oder Gold ätzt. Die Ätzung kann beispielsweise bis zu einer Tiefe von 20 Mikron durchgeführt werden. Wenn eine Siliziumdioxid-Opferschicht verwendet wird, wird für diesen Schritt eine gepufferte Fluorwasserstoffsäureätze verwendet. Figur 4 zeigt einen Schnitt durch das Substrat nachdem die Leiter- und Nichtleiterschicht geätzt wurden und Figur 5 zeigt einen Schnitt durch das Substrat nach der Endätzung. Insbesondere zeigt Figur 5 ein Aufhängungselement 14.
Die Figuren 6 bis 8 demonstrieren wie die Endätzung im Falle von Silizium fortschreitet. Die Ätzung schreitet vorzugsweise dort fort, wo konvexe Kanten, durch die Bezugszeichen 32 bis 35 in Figur 7 gekennzeichnet, vorhanden sind. Figur 2 zeigt einen gestuften Bereich in den Abschnitten der Sensorelemente 14, der beispielhaft durch das Bezugszeichen 38 gekennzeichnet ist. Diese gestuften Bereiche stellen zusätzliche konvexe Bereiche bereit, an denen die Ätzung auftritt, bevorzugt so, daß das Fortschreiten der Ätzung beschleunigt wird. Dadurch wird außerdem die Tiefe, die zur Ätzung der Scheibe erforderlich ist, verringert. Diese gestuften Bereiche sind nicht erforderlich, wenn eine Opferschicht aus Oxid verwendet wird.
Der Sensor kann auf mehrere verschiedene Betriebsweisen verwendet werden. Ein Beispiel ist die elektrostatische Betriebsweise.
Ein geringer Spannungsunterschied (in einer Größenordnung von 1V) wird zwischen den Kontakten 12a und 12b aufrechterhalten. Wenn ein großer Spannungsunterschied (in einer Größenordnung von 20V) zwischen den Kontakten 12a und 12c angelegt wird, ist ein elektrisches Feld vorhanden, das zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen den Sensorelementen 14a und 14c führt. Infolge dessen neigt das Element 14a dazu, sich zum Element 14c zu bewegen, wobei sich das Element 14c aufgrund der Symmetrie des Sensors über eine ähnliche Strecke zum Element 14a bewegt. Die Elemente 14b und 14d bewegen sich nicht. Das Ergebnis davon ist, daß sich die Sensorspitze 26a bewegt, um die Lücke zwischen dieser Spitze und der Spitze 26b des stationären Elementes zu verringern. Bei einigen Sensorbetriebsweisen kann die Lücke ganz geschlossen werden. Für einen stabilen Betrieb wird die Breite der Lücke so festgelegt, daß sie weniger als die Hälfte des Abstands zwischen den Elementen 14a und 14c beträgt, wenn kein Spannungsunterschied zwischen den Kontaktbereichen 12a und 12c vorhanden ist. Bei einigen Anwendungen kann der Spannungsunterschied zwischen den Kontakten 12a und 12c so gesteuert werden, daß das Sensorelement 14a nicht tatsächlich mit dem Sensorelement 14c in Kontakt gebracht wird.
Die elektrostatische Betriebsweise kann bei einigen Anwendungsmöglichkeiten angewendet werden, indem ein Spannungsunterschied zwischen den Kontakten 12b und 12d angelegt wird. Die Sensorelemente 14b und 14d arbeiten dann wie in bezug auf die Sensorelemente 14a und 14c beschrieben, in diesem Fall bewegt sich die Sensorspitze 26b jedoch, um die Lücke zwischen der Spitze und der Spitze 26a des stationären Elements zu vergrößern.
Ein Ausgangssignal vom Sensor kann dann in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften bei geschlossener Lücke abgeleitet werden. Beispielsweise kann der Strom, der bei einem gegebenen angelegten Testspannungsunterschied zwischen 12a und 12b fließt, durch einen mit den Kontakten verbundenen Schaltkreis, der auf der gleichen Siliziumscheibe angebracht ist, gemessen werden. Der Testspannungsunterschied zwischen 14a und 14b ist wesentlich geringer als die Spannungsunterschiede zwischen 14a und 14c oder 14b und 14d und führt daher nicht zu bedeutenden Bewegungen der Aufhängungsmikrostrukturen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem die Sensorspitzen 26a, 26b ein dielektrisches Medium tragen, wird zwischen den Sensorspitzen ein Kondensator gebildet, wenn die Lücke geschlossen wird. Diese Kapazitanz kann gemessen werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Wechselstromerregung der Sensorelemente verwendet werden, um die Resonanzeigenschaften zu messen, beispielsweise um integrierte Resonanzkreise anstelle von Quarzkristallen, die derzeit in Armbanduhren, etc. verwendet werden, herzustellen.
Diese und andere Betriebsweisen von Siliziumsensoren sind beispielsweise in "Resonant Silicon Sensors", veröffentlicht in Micromech. Microeng. 1 (1991) 113-125, beschrieben.
Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel muß die Lücke 28 nicht ganz, sondern nur bis zu einem Abstand über den ein Tunnelstrom zwischen den Sensorspitzen 26a, 26b fließen kann, geschlossen werden. Ein Verwendungsbeispiel des Tunneleffekts bei einem Sensor ist in einem Artikel mit dem Titel "Fabrication of a Tunnel Sensor with Cantilever Structure", veröffentlicht in Technical Digest von IVMC 19, Nagahama 1991, Seiten 204 und 205, beschrieben sowie in einem Artikel mit dem Titel "An electron tunnelling sensor" von S.B. Waltmann und W.J. Kaiser, veröffentlicht in Sensors und Actuators 19(1989) 201-210.
Wenn er als Tunnelsensor verwendet wird, hat der erfindungsgemäße Sensor gegenüber bekannten Tunnelsensoren den Vorteil, daß er auf einem einzelnen Chip unter Verwendung von Techniken, die mit CMOS und anderen IC-Verfahren kompatibel sind, hergestellt werden kann. Bestehende Ausführungsformen von Tunnelverbindungseinrichtungen verwenden Hybridtechnik und umfassen zwei oder mehrere Chips, die miteinander verbunden werden müssen. Die durch Beanspruchungskräfte in den dünnen Schichten auftretenden Probleme haben bis jetzt die Entwicklung von integrierten Einzelchip-Tunnelsensoren verhindert. Wie vorstehend erläutert, wird die Wirkung von Beanspruchungskräften in den dünnen Schichten durch die Konfiguration des hier beschriebenen Sensors wesentlich gemildert.
Der Sensor kann als Gassensor oder Verunreinigungssensor verwendet werden, wenn die Sensorbereiche 24a, 24b der Aufhängungselemente 14a, 14b mit einer Schicht aus einer Substanz, die für das zu ermittelnde Analyt geeignet ist, beschichtet sind. Der Sensor der vorliegenden Erfindung eignet sich gut dazu, nach seiner Fertigung durch Aufdampfen mit geeigneten Schichten überzogen zu werden. Bei bekannten Sensoren wird die Sensorlücke häufig zwischen einer Punktstruktur in einer unteren Ebene und einer fortlaufenden Struktur in einer höheren Ebene gebildet. Dann ist es erforderlich, die Unterseite der oberen Struktur zu beschichten, was umständlich sein kann. Wenn der Sensor auf diese Weise verwendet wird, kann die Lücke während der Aussetzung an Gas offengelassen und dann elektrostatisch (durch Anlegen einer Spannung zwischen 12a und 12c) geschlossen werden, wenn eine Ablesung erforderlich ist. Die Absorption des Gases auf der auf den Sensorbereichen angebrachten Schicht verändert die resistiven, kapazitiven und anderen elektrischen Eigenschaften, die an den Kontakten unter Verwendung einer Testspannung zwischen 12a und 12b, wie vorstehend beschrieben, gemessen werden. Nachdem die Ablesung durchgeführt wurde, kann die Lücke für einen weiteren Abtastzeitraum wieder geöffnet werden.
Figur 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als Beschleunigungsmesser verwendet werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Sensor im wesentlichen auf die gleiche Weise wie in bezug auf die Figuren 1 und 2 beschrieben geformt, es wird jedoch dem Sensorbereich 24b des Sensorelements 12b eine Masse 30 hinzugefügt. Die Masse 30 ist einfach ein zusätzliches Teil des Materials aus dem das Aufhängungselement besteht, wobei in diesem Fall das Herstellungsverfahren das gleiche wie das vorstehend in bezug auf die Figuren 4 bis 8 beschriebene Herstellungsverfahren ist. Wenn das Substrat eine Beschleunigung nach unten erfährt, wie in Figur 3 gezeigt, ist die Masse 30 einer Kraft ausgesetzt, die bewirkt, daß sich die Lücke 28 größenmäßig verkleinert und der Tunnelstrom exponentiell mit der Lückenbreite steigt. Um eine Messung zu erhalten, kann eine Spannung an den Kontakt 12d angelegt werden, um eine elektrostatische Anziehung zu erzeugen, die das Element 14b zum Element 14d zieht, um so die Lücke auf einer konstanten Größe zu halten. Das Ausgangssignal des Sensors entspricht dann der an den Kontakt angelegten Spannung, wobei diese Spannung direkt proportional zur Beschleunigung ist. Die Beschleunigungskomponente in linker Richtung in Figur 3 könnte durch einen ähnlichen Sensor, der in bezug auf den Sensor aus Figur 3 in einem Winkel von 90º ausgerichtet und auf dem gleichen Substrat gefertigt ist, ermittelt werden.
Figur 9 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als abgewandelte Version von Figur 1 betrachtet werden kann, wobei das Sensorelement 14c anstelle des Sensorelements 14a einen Sensorbereich 24c trägt. Das Sensorelement 14a ist dann integral mit dem Sensorelement 14d. Dies stellt somit einen Referenzbalken 22 bereit, der durch die rückführenden Abschnitte der Sensorelemente 14a, 14d geformt ist. Somit kann zwischen den Kontakten 12a und 12d ein elektrischer Strom fließen. Jeder Sensorbereich 24b, 24c definiert mit dem Balken 22 eine entsprechende Sensorlücke 29, 31. Wenn senkrecht zur Ebene des Papiers ein magnetisches Feld angelegt wird und ein Strom, z.B. in einer Größenordnung von mA, durch den Balken 22 geleitet wird, wird der lange Balken 22 durch eine Lorentz-Kraft in die Ebene des Papiers abgelenkt. Die Ermittlung wird durch Herstellen oder Unterbrechen eines Tunnelkontakts in der Sensorlücke 29 oder 31 erreicht, wobei der Strom an den Stützbereichen 12b, 12c ermittelt wird. Dieser Strom könnte in einem Bereich von nA liegen.
In den begleitenden Zeichnungen sind die Sensorelemente aus Gründen der schematischen Einfachheit mit scharfen Kanten dargestellt. In der Praxis verbessert das Abrunden der Kanten im Aufhängungsbereich die mechanischen Eigenschaften des Sensors.
Die Erfindung kann außerdem dazu verwendet werden, eine Mehrzahl von Sensoren übereinander auf einem gemeinsamen Substrat anzubringen. Dies bedeutet, daß nachdem ein Sensor wie vorstehend beschrieben geformt wurde, ein weiterer Sensor über dem ersten Sensor hergestellt werden könnte. Beispielsweise könnte ein Sensor in einer Ebene eine Sensorlücke in der x-Richtung haben, während der Sensor in der nächsten Ebene eine Sensorlükke in y-Richtung senkrecht zur x-Richtung haben könnte.
Der guten Ordnung halber wird ebenfalls auf einen Artikel Bezug genommen, der den Stand der Technik von Tunnelsensoren wiedergibt, er ist aus dem Jahre 1988 und trägt den Titel "Scanning tunnelling engineering", veröffentlicht im Journal of Microscopy, Band 152, Pt. 2, November 1988, Seiten 585-596.

Claims

1. Mikromechanischer Sensor, der eine Mehrzahl von Sensorelementen (14a, 14b, 14c, 14d) umfaßt, die auf einem Substrat (2) an entsprechenden Stützbereichen (12a, 12b, 12c, 12d) abgestützt ist, wobei ein erster Satz der Sensorelemente entsprechende Sensorabschnitte (26a, 26b) aufweist und so angeordnet ist, daß eine Sensorlücke (28) definiert wird, und ein zweiter Satz der Sensorelemente einen ergänzenden Satz bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (14a, 14b, 14c, 14d) einander im wesentlichen ähnlich sind, wobei jedes Sensorelement einen abgehenden länglichen Abschnitt (18), der sich von seinem entsprechenden Stützbereich weg erstreckt, und einen Uförmigen Abschnitt aufweist, der den abgehenden Abschnitt mit einem rückführenden Abschnitt (22) verbindet, der im wesentlichen parallel zu dem abgehenden Abschnitt (18) verläuft, wobei sich der rückführende Abschnitt zum Stützbereich erstreckt.

2. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die Stützbereiche (12a, 12b, 12c, 12d) symmetrisch auf dem Substrat (2) angeordnet sind.

3. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stützbereiche (12) nahe zueinander und in der Nähe der Sensorlücke (28) angeordnet sind.

4. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Satz Sensorelemente (14a, 14b) Sensorelmente umfaßt, die durch benachbarte Stützbereiche (12a, 12b) abgestützt sind, wobei der rückführende Abschnitt jedes Sensorelementes in seinen Sensorabschnitt (26a, 26b) endet und die Sensorabschnitte (26a, 26b) zwischen sich die Sensorlücke (28) definieren, und wobei der zweite Satz Sensorelemente (14c, 14d) Elemente umfaßt, die durch benachbarte Stützbereiche (12c, 12d) abgestützt sind, wobei die Stützbereiche die Sensorelemente des zweiten Satzes abstützen, die gegenüber den Stützbereichen (12a, 12b) angeordnet sind, die die Sensorelemente des ersten Satzes abstützen, wobei ein Element des zweiten Satzes Sensorelemente als Steuerungselement wirkt, um ein Element des ersten Satzes Sensorelemente anzuziehen und dadurch die Sensorlücke zu schließen.

5. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der erste Satz Sensorelemente (14a, 14b) durch die Stützbereiche (12a, 12b) abgestützte Sensorelemente umfaßt, die einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die freien Enden der rückführenden Abschnitte der Sensorelemente die Sensorabschnitte tragen, und wobei die durch entsprechende Stützbereiche (12c, 12d) abgestützten, ergänzenden Sensorelemente (14c, 14d) ebenfalls einander diametral gegenüberliegend und senkrecht zu den die Sensorelemente des ersten Satzes abstützenden Stützbereichen (12a, 12b) angeordnet sind, wobei die rückführenden Abschnitte der Sensorelemente des ergänzenden Satzes miteinander verbunden sind, um einen Hängebalken zu bilden, der als Bezugselement wirkt, mit dem jeder Sensorabschnitt eine Sensorlücke (29, 31) definiert.

6. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei ein Element des ersten Satzes Sensorelemente (14b) eine Prüfmasse (30) trägt.

7. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Abschnitt jedes Sensorelementes (14a, 14b, 14c, 14d) einen gestuften Bereich umfaßt, wobei die gestuften Bereiche so angeordnet sind, daß die Ähnlichkeit der Sensorelemente gewahrt bleibt und sie in der Ebene des Sensorelementes liegen.

8. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Sensorelement (14a, 14b, 14c, 14d) eine Isolierschicht (6) und eine Leiterschicht (8) über der Isolierschicht (6) umfaßt.

9. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorabschnitte mit zumindest einer zusätzlichen Sensorschicht, bezogen auf ein abzutastendes Analyt, versehen sind.