DE3223987C2 - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Ein solcher Beschleunigungs­ messer ist aus der DE-OS 30 14 038 bekannt. Bei ihm ist die Klappe über zwei nebeneinander angeordnete Stege an dem Träger aufgehangen, die bei auf die Klappe wirkender Beschleunigung auf Biegung beansprucht werden. Als Herstellungsverfahren wird auf Ultraschallbearbeitung hingewiesen.

Aus der US-PS 4,244,225 ist ein Resonator bekannt, der aus Silizium mittels Arbeitsverfahren herstellbar ist, wie sie bei der Halbleiterher­ stellung gebräuchlich sind, insbesondere verschiedene Ätztechniken. Die Druckschrift enthält auch den Hinweis, daß sich durch selektives Dotieren mit beispielsweise Bor die Ätzbarkeit des verwendeten Siliziums beein­ flussen läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleunigungsmesser der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 definierten Gattung zu schaffen, der eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen in Richtung senkrecht zu der Klappe aufweist, dagegen nur geringe Empfindlichkeit gegenüber solchen in dazu senkrechten Richtung besitzt. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Halterungen werden bei dieser Ausgestaltung auf Torsion beansprucht, wenn eine Beschleunigung senkrecht zur Klappe einwirkt. Die in der Klappe und in den Halterungen durch die starke Dotierung mit Bor - eine aus der Halbleitertechnik übernommene, dort die Ätzselektivität beeinflussende Maßnahme - hervorgerufene Zugspannung sorgt dafür, daß Auslenkungen der Klappe minimal bleiben, wenn Beschleunigungen senkrecht zur gewünschten Meßrichtung einwirken; gleichwohl sind die für das Tordieren der Halte­ rungen erforderlichen Kräfte relativ klein, so daß die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers hoch ist.

Die Unteransprüche definieren bevorzugte Ausgestaltungen des in Anspruch 1 definierten Konzepts.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungs­ beispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Struktur der Klappe und ihrer Halterungen eines Beschleunigungsmessers.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Beschleunigungsmessers.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Beschleunigungsmessers.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Meßkreises für einen Beschleunigungsmesser nach Fig. 2.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Meßkreises für einen Beschleunigungsmesser nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Beschleunigungsmesser mit einer Klappe 2, die an einem Träger 1 durch zwei elasti­ sche Halterungen 3 gehalten wird. Der Träger 1 ist auf einer Platte 4 angeordnet, auf der eine Elektrode 5 aufgebracht ist. Ein solcher Beschleunigungsmesser kann mit Hilfe einer Technologie realisiert werden, die analog zu derjenigen von integrierten elektronischen Schaltkreisen ist. Beispiels­ weise kann der Träger 1 aus einem Substrat aus Silicium vom n-Typ bestehen, während die Klappe 2 und ihre Halterungen aus dem Substrat ausgeschnitten und mit einem Dotiermittel vom p-Typ dotiert sind, während die Platte 4, auf der eine Aluminiumelektrode aufgebracht ist, aus Glas sein kann.

Der Beschleunigungsmesser funktioniert folgendermaßen:
Die Klappe 2 bildet einerseits eine Trägheitsmasse und andererseits eine Platte eines Kondensators, dessen andere Platte durch die Elektrode 5 gebildet wird. Wenn der Be­ schleunigungsmesser einer Beschleunigung senkrecht zur Ebene der Platte 4 unterworfen wird, dreht sich die Klappe 2 um ihre elastischen Halterungen 3 soweit, bis das von den Halterungen 3 ausgeübte Rückstellmoment mit dem Moment, das auf die Klappe 2 durch die Beschleunigung ausgeübt wird, im Gleichgewicht steht. Der Winkel, um den die Klappe 2 gedreht wird, ist daher proportional zur Beschleunigung. Die Drehung oder Klappe 2 bringt eine entsprechende Änderung der Kapazi­ tät zwischen der Klappe 2 und der Elektrode 5 mit sich, die gemessen werden kann.

Die Struktur der Klappe 2 ermöglicht ein sehr günsti­ ges Verhältnis von Trägheitskraft zu Rückstellkraft. In der Tat kann die Rückstellkraft durch eine Verminderung des Quer­ schnitts der Halterungen 3 reduziert werden, während die Klappe 2 jedoch weiterhin gut gehalten wird. Die Verminderung der Rückstellkraft der Halterungen 3 vergrößert die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers und verbessert seine Frequenzan­ sprache. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Aufbaus besteht darin, daß dann, wenn die Rotation der Klappe 2 um die Halte­ rungen 3 favorisiert ist, sie dagegen jeder anderen Bewegung, die zu einer Dehnung der Halterungen 3 führen würde, entgegen­ wirkt. Dies garantiert ein gutes Verhalten des Beschleunigungs­ messers hinsichtlich der Beschleunigungsmessung in einer bevor­ zugten Richtung, die die Richtung senkrecht zur Ebene des Trägers 1 ist. Dieser Vorteil wird noch erhöht, wenn der Träger 1 aus monokristallinem Silicium besteht und wenn die Klappe 2 und ihre Halterungen 3 stark mit Bor (mit einer typischen Konzentra­ tion gleich oder größer 10¹⁹ Atome/cm³) dotiert ist. Eine Bor-Dotierung hat zur Folge, daß auf die Halterungen 3 der Klappe 2 ausgeübte Längsbeanspruchungen erzeugt werden, die die Klappe 2 gegen­ über anderen Bewegungen als der bevorzugten Bewegung versteifen.

Fig. 2 zeigt im Schnitt beispielsweise längs der Linie A-A von Fig. 1 längs der Drehachse der Klappe 2 ein Ausführungsbei­ spiel eines Beschleunigungsmessers mit dem Träger 1, der Klappe 2 und ihren Halterungen, der Elektrode 5 und der Platte 4.

Fig. 2 zeigt weiterhin einen Block 7, der den Meßkreis symbolisiert, der mit dem Beschleunigungsmesser verbunden ist und vorzugsweise auf dem gleichen Träger 1 integriert ist, sowie Verbindungen. Die Verbindungen, die beispiels­ weise aus Aluminium hergestellt sind, dienen zum Verbinden der Klappe 2 mit dem Meßkreis 7 durch die Verbindung 71 und der Elektrode 5 mit einem Kontaktbereich 51 über einen p⁺-Diffusionsbereich 52 oder mit dem Meßkreis 7 über den Bereich 52, den Bereich 51, den Bereich 73 und den Diffusionsbereich 72. Der Träger 1 ist in einem Substrat aus n⁻-Silicium realisiert. Auf seiner Unterseite ist er durch eine isolierende Schicht 6 aus SiO₂ geschützt. Ferner ist eine isolierende Schicht aus SiO₂ an seiner Oberseite zum Isolieren der Trägerverbindungen vorgesehen. Die Platte 4 kann aus Glas bestehen und ist teilweise durch Beschichten mit Aluminium metallisiert, um die Elektrode 5 zu bilden, und an dem Träger 1 in bekannter Weise, etwa durch anodisches Verkleben (anodic bonding) befestigt. Ein Ausschnitt 8 ist in der Platte über dem Meßkreis 7 vorgesehen.

Die Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung einer Struktur vergleichbar zu derjenigen von Fig. 2 findet sich in dem Aufsatz "A monolithic capacitive pressure sensor with pulse-period output" in IEEE Transactions on Electron Devices,
Band ED-27, Nr. 5, Mai 1980. Zur Herstellung einer Membran der gewünschten Dicke wird vorzugsweise eine der bekannten, selektiven Ätzmethoden angewendet, bei der die Membrandicke durch eine unterschiedliche Dotierung des Siliciums bestimmt wird. Solche Ätzmethode wird im folgenden Aufsatz beschrieben: "An electrochemical P-N function etch-stop for the formation of Silicon Microstructures" in IEEE Electron Device Letters, Band EDL-2, Nr. 2 Februar 1981. Aus der Membran werden die Klappe 2 und ihre Halterungen durch Ätzen vorzugsweise in gasförmigem Milieu ausgeschnitten (beispielsweise durch Plasmaätzen oder Ionenbearbeitung).

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer zusätzlichen Elektrode 10, die gegenüber der Elektrode 5 in bezug auf die Klappe 2 vorgesehen ist. Die zusätzliche Elektrode 10 wird erhalten durch Aufbringen von Aluminium auf eine Silicium-Basis 20, die auf einer Glasplatte 9 befestigt ist. Das Silicium wird wiederum auf der Platte 9 durch anodisches Verkleben befestigt, wonach das Silicium geätzt wird, um die Basis 20 zu erhalten. Die Elektrode 10 wird dann aufgebracht. Die Einheit, bestehend aus der Platte 9, der Basis 20 und der Elektrode 10 wird dann an dem Träger 1 durch anodischer Verkleben befestigt. Die zusätzliche Elektrode 10 wird mit einem Kontaktbereich 12 über einen p⁺-dotierten Bereich 11 verbunden. Die Elektrode 10 dient als Gegenkopplungsorgan, wie sich in Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 5 ergibt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Meß-Schaltkreises für den Beschleunigungsmesser, wobei die Klappe 2 und die Elektrode 5 einen veränderlichen Kondensator C1 bilden, der Teil einer Meßbrücke ist, die einen Kondensator C2 und zwei Widerstände 101 und 102 aufweist, deren gemeinsamer Anschlußpunkt mit Masse verbunden ist. Der gemeinsame Anschlußpunkt zwischen dem Kondensator C1 und dem Widerstand 101 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 103 verbunden, dessen Ausgangssignal nach Gleichrichten und Glätten durch den Schaltkreis 105 an den Eingang eines Differenzverstärkers 107 angelegt wird. Der gemeinsame Punkt zwischen dem Kondensator C2 und dem Widerstand 102 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 104 verbunden, dessen Ausgangssignal nach Gleichrichtern und Glätten durch einen Schaltkreis 106 an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers 107 angelegt wird. Der gemeinsame Punkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 empfängt ein Hochfrequenzsignal um. Eine Drehung der Klappe 2 unter der Wirkung einer Beschleunigung ruft eine entsprechende Amplituden- und Phasenmodulation des Signals U1 hervor. Die Amplitudendifferenz zwischen den Signalen U1 und U′1 wird mit Hilfe der Schaltkreise 103 bis 107 gewonnen, um ein Signal Us zu liefern, das für die Beschleunigung, der die Klappe 2 unterworfen wird, repräsentativ ist. Die Schaltung von Fig. 4 ist nur beispielhaft, man kann auch die Phasendifferenz zwischen den Signalen U1 und U′1, die durch Änderung der Kapazität von C1 entsteht, messen, um ein Signal zu erhalten, das repräsentativ für diese Änderung und folglich für die Beschleunigung ist.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Meßkreises mit einer Gegenkopplungsschleife. Man findet den veränderlichen Kondensator C1, den Kondensator C2 und den Meßkreis 100, der das Signal Us liefert, das für die Kapazitätsänderung von C1 repräsentativ ist. Ein weiterer Kondensator C1 wird durch die Klappe 2 und die zusätzliche Elektrode 10 (Fig. 3) gebildet. Das Signal Us wird an zwei Verstärkerstufen angelegt, die durch einen Operationsverstärker 110 und zwei Widerstände 108 und 109 einerseits und einen Operationsverstärker 120 und zwei Widerstände 118 und 119 andererseits symbolisiert sind. Die Polarität des Signals Us wird durch einen Komparator 112 festgestellt, dessen Ausgang Schalter 111 und 121 steuert. Der Schaltkreis 113 bewirkt, daß die Unterbrecher 111 und 121 immer in entgegengesetzten Zuständen sind. Die Schalter 111 und 121 ermöglichen das Anlegen einer Spannung proportional zum Signal Us entweder an die Elektrode 10 oder an die Elektrode 5, um die Klappe 2 in einer Position nahe ihrer Gleichgewichtsposition zurück zu­ führen. Der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufen muß ein­ gestellt werden, um die Kapazitätsdifferenzen zwischen C1 und C′1 einzustellen. Zwei Widerstände 114 und 124 verbinden die Elektrode 10 bzw. die Elektrode permanent mit Masse. Die Größe der Widerstände 114 und 124 muß größer als die Impedanz der Kondensatoren C1 und C′1 sein.

Die Verwendung einer Rückkopplungsschleife liefert den Vorteil, daß der Meßbereich des Beschleunigungsmessers ver­ größert wird, und ermöglicht LAS gleichzeitig, den Abstand zwischen der Klappe 2 und der Elektrode zu verringern, da die Drehung der Klappe 2 durch die Gegenkopplung begrenzt ist.

Claims (5)

1. Beschleunigungsmesser mit einem Träger (1), an dem eine Klappe (2) mittels elastischer Halterungen (3) befestigt und unter der Wirkung einer Beschleunigung senkrecht zur Trägerebene drehbar ist, mit minde­ stens einer der Klappe gegenüberliegend und in einer Ebene parallel zu der des Trägers angeordneten Elektrode (5, 10), und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines für die Beschleunigung der Klappe repräsentativen Si­ gnals aus der Kapazität zwischen Klappe und Elektrode, wobei der Träger, die Halterungen und die Klappe aus monokristallinem Silizium gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende Halte­ rungen (3) vorgesehen sind, um deren Achsen die Klappe (2) drehbar ist, daß der Träger (1), die Halterungen (3) und die Klappe (2) unter Verwen­ dung von in der Halbleiterherstellung üblichen Techniken gefertigt sind und daß die Halterungen (3) und die Klappe (2) derart stark mit Bor do­ tiert sind, daß auf die Halterungen (3) Längsbeanspruchungen ausgeübt werden, welche die Klappe gegenüber anderen Bewegungen als die Drehbewe­ gung um die Achse der Halterungen (3) versteifen.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Elektrode (5, 10) auf jeweils einer Seite der Klappe (2) angeordnet und eine Gegenkopplungseinrichtung vorgesehen ist, um zwischen der Klappe und einer der Elektroden eine Spannung anzulegen, die hin­ reicht, die Wirkung der auf die Klappe wirkenden Beschleunigung zu kom­ pensieren und die Klappe in ihre Ruheposition zurückzuführen.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung in den Träger integriert ist.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (5, 10) auf einer an dem Trä­ ger befestigten Platte (4, 9) angebracht ist.

5. Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinrichtung eine Meß­ brücke umfaßt, die zumindest einen Festwertkondensator und den von der Klappe (2) und der Elektrode (5) gebildeten variablen Kondensator umfaßt.