DE3740688A1 - Mikromechanischer beschleunigungssensor mit hoher achsenselektivitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die US-PS 42 44 225 ist bereits eine derartige Resonatoranordnung bekannt, bei der eine dünne rechteckige Platte mit vier an ihren Längs­ seiten angebrachten Stegen mit der Unterseite des Rahmens verbunden ist. Die Platte schwingt entsprechend ihrer Aufgabe nur mit ihrer Resonanz­ frequenz. Eine Signalabnahme ist nicht erforderlich. Eine derartige Aus­ bildung als Beschleunigungssensor bei unsymmetrischer Belastung kann Meßverzerrungen hervorrufen und sehr empfindlich gegen Querbeschleuni­ gungen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, der allen Anforderun­ gen gerecht wird und Einrichtungen zur Signalabnahme der Beschleunigun­ gen aufweist.

Durch die Anordnung der Stege, die die Beschleunigungsplatte sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite mit dem Rahmen verbinden, hat der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor eine hohe Empfindlichkeit und es werden die bei Querbeschleunigungen auftretenden Kippmomente aufgefan­ gen. Ferner ist der Sensor sehr unempfindlich in Hinblick auf Torsions­ effekte. Durch diese günstigen Eigenschaften werden hohe Meßgenauigkei­ ten ohne Verzerrungen erzielt. Die Signalabnahme auf den Stegen mit Hil­ fe von Piezowiderständen oder metallischen Dehnungsmeßstreifen, die zu Vollbrücken verschaltet werden, ist einfach und funktionssicher vorzu­ nehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beschleunigungssensor mit insgesamt acht Stegen zwischen ei­ ner Beschleunigungsplatte und einem Rahmen;

Fig. 2 ein Piezowiderstand in Längsanordnung in vergrößerter Darstel­ lung;

Fig. 3 ein Piezowiderstand in Queranordnung in vergrößerter Darstellung;

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung für die vier in der Fig. 1 dargestell­ ten Piezowiderstände;

Fig. 5 eine Darstellung von je zwei längs und quer angeordneten Piezo­ widerständen auf einem Steg und

Fig. 6 ein Beschleunigungssensor mit insgesamt sechzehn Stegen zwischen der Beschleunigungsplatte und dem Rahmen.

In der Fig. 1 ist ein Beschleunigungssensor 1 dargestellt, der mono­ lithisch aus einem einkristallinen Material, vorzugsweise aus Silizium, mit Hilfe von Ätztechniken herausgearbeitet ist. Eine zentrale Beschleu­ nigungsplatte 2 ist mit vier Stegen 3, 4, 5 und 6 an der Oberseite ihrer Längsseiten mit einem Rahmen 7 verbunden. Die Unterseite der Beschleuni­ gungsplatte 2 ist an ihren Ecken mit der Unterseite des Rahmens 7 durch Stege 8, 9, 10 und 11 verbunden, wobei letztere in einem Winkel von 45° zu den Mittelachsen des Beschleunigungssensors 1 angeordnet sind. Zwi­ schen der Beschleunigungsplatte 2 und dem Rahmen 7 sind Ätzgruben 12, 13, 14 und 15 vorhanden. Die Beschleunigungsplatte 2 und der Rahmen 7 haben eine Oberflächenorientierung (100), die Stege 3, 4, 5 und 6 sind in der (110) Kristallrichtung orientiert und bei den Stegen 8, 9, 10 und 11 erfolgt die Anordnung symmetrisch in beliebiger Kristallrichtung.

Auf den Stegen 3, 4, 5 und 6 sind zur Signalabnahme von Beschleunigungen Piezowiderstände 16, 17, 18 und 19 aufgebracht. Diese Piezowiderstände können entweder alle in longitudinaler Ausführung oder, wie in Fig. 1 dargestellt, vorzugsweise jeweils zwei gegenüberliegende Piezowiderstän­ de 16 und 18 in longitudinaler und zwei Piezowiderstände 17 und 19 in transversaler Anordnung zur Dehnungsrichtung ausgeführt sein. In der Fig. 2 ist der Piezowiderstand 18 vergrößert dargestellt, seine Wider­ standsstränge 18 a und 18 b sind in Längsrichtung zum Steg 5 orientiert, die Signalabnahme erfolgt über Kontaktflächen 18 c und 18 d. Die Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung den Piezowiderstand 17 mit einem Wi­ derstandsstrang 17 a in Querrichtung zum Steg 4, mit Kontaktflächen 17 b und 17 c sowie mit Zuleitungen 17 d und 17 e. Die Verschaltung der Wider­ stände 16, 17, 18, 19 erfolgt entsprechend Fig. 4 in einer Vollbrücke. Die Piezowiderstände 16-19 können entweder direkt in das einkristalline Material hinein implantiert oder aus polikristallinem Material abge­ schieden werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen piezoelektri­ schen Film aus z.B. ZnO auf den Stegen abzuscheiden. Außerdem können die Piezowiderstände 16-19 durch nicht dargestellte metallische Dehnungsmeß­ streifen ersetzt werden.

Bei schwierigen Meßanordnungen können auf jedem der Stege 3, 4, 5 und 6 jeweils ein Block 21 von vier Piezowiderständen entsprechend Fig. 5 auf Steg 5 angeordnet werden. Der Widerstandsblock 21 besteht aus zwei transversalen Piezowiderständen 22 und 23, aus zwei longitudinalen Pie­ zowiderständen 24 und 25, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind, so­ wie aus vier Zuleitungen 26, 27, 28, 29 und vier Kontaktflächen 30, 31, 32, 33. Bei einer Beanspruchung des Beschleunigungssensors 1 ist die Än­ derung der transversalen Piezowiderstände 22, 23 sowie der longitudina­ len Piezowiderstände 24, 25 jeweils gegenläufig, so daß sich die Änderung der Brücken-Diagonalspannnung verdoppelt. Wenn auf jedem der Stege 3, 4, 5 und 6 ein Widerstandsblock 21 aufgebracht wird, kann z.B. eine Summen­ bildung der Signale erfolgen. Dadurch werden alle gegenläufigen Effekte, die auf Querbeschleunigungen zurückzuführen sind, herauskompensiert.

Die Fig. 6 zeigt einen Beschleunigungssensor 40, der ebenso wie der Be­ schleunigungssensor 1 eine Beschleunigungsplatte 41 und einen Rahmen 42 aufweist. Es sind hier acht Stege 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 und 50 vor­ handen, die die Oberseite der Beschleunigungsplatte 41 mit dem Rahmen 42 verbinden. Ebenso sind zur Verbindung der jeweiligen Unterseiten acht unter 45° zu den Mittelachsen angeordnete Stege 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 und 58 vorhanden, Die Signalabnahme erfolgt durch je vier longitudi­ nale Piezowiderstände 59, 60 ,61, 62 und transversale Piezowiderstände 63, 64, 65, 66. Bei diesem Beschleunigungssensor 40 besteht die Möglich­ keit, mehr Informationen über Querbeschleunigungen zu subtrahieren, wäh­ rend sich z.B. bei dem Beschleunigungssensor 1 mit nur jeweils vier Ste­ gen bei gleichmäßiger Auslenkung der Beschleunigungsplatte 2 die durch die nur vier Piezoelemente erhaltenen Signale gegenseitig aufheben.

Claims (12)

1. Beschleunigungssensor, der mit mikromechanischer Fertigungstech­ nologie und Ätztechnik hergestellt ist und bei dem innerhalb eines Rah­ mens eine rechteckige Beschleunigungsplatte symmetrisch im Innern des Beschleunigungssensors mit Stegen elastisch aufgehängt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aufhängung der Beschleunigungsplatte (2, 41) mit mindestens vier elastischen Stegen (3-6, 43-50), die an den Seiten der Beschleunigungsplatte (2, 41) deren Oberseiten mit der Oberseite des Rahmens (7, 42) verbinden, und mit mindestens weiteren vier elastischen Stegen (8-11, 51-58), die die Unterseite der Beschleunigungsplatte (2, 41) mit der Unterseite des Rahmens (7, 42) verbinden, erfolgt, und daß auf den elastischen Stegen an der Oberseite (3-6, 43-50) Bauelemente (16, 19, 21, 59-66) zur Signalabnahme der Beschleunigungen angeordnet sind.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3-6, 8-11, 43-50, 51-58) in Bezug auf die Mittelachsen der Beschleunigungsplatte (2, 41) und des Rahmens (7, 42) symmetrisch angeordnet sind.

3. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vier Stege (3-6) die Oberseiten der Beschleunigungs­ platte (2) und des Rahmens (7) und vier Stege (8-11) die Ecken der Un­ terseiten der Beschleunigungsplatte (2) und des Rahmens (7) verbinden.

4. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß acht Stege (43-50) die Oberseiten der Beschleuni­ gungsplatte (41) und des Rahmens (42) und acht in einem Winkel von 45° zu den Mittelachsen angeordnete Stege (51-58) die Unterseiten der Be­ schleunigungsplatte (41) und des Rahmens (42) verbinden.

5. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalabnahme auf den Stegen der Oberseite (3-6, 43-50) Piezowiderstände (16-19, 59-66) angeordnet sind, wobei diese in einer Mittelachse oder parallel dazu in longitudi­ naler Anordnung und in der anderen Mittelachse oder parallel dazu in transversaler Anordnung aufgebracht sind, und daß die Piezowiderstände zu einer oder mehreren Vollbrücken verschaltet sind.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Steg (3-6, 43-50) an Stelle eines Piezowiderstandes (16-19, 59-66) ein Block (21) von vier Piezowiderständen (22-25), die zu einer Vollbrücke verschaltet sind, angeordnet sind.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Steg (3-6, 43-50) an Stelle eines Piezowiderstandes (16-19, 59-66) ein piezoelektrischer Film abgeschieden ist.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Steg (3-6, 43-50) an Stelle eines Piezowiderstandes (16-19, 59-66) ein metallischer Dehnungsmeßstreifen angeordnet ist.

9. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsplatte (2, 41) und der Rahmen (7, 42) eine Oberflächenorientierung (100) aufweisen.

10. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Stege (3-6) auf der Obersei­ te in der (110) Kristallrichtung orientiert sind.

11. Beschleunigungssensor nach einem oder mehrenen der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die acht Stege (43-50) auf der Ober­ seite in jeder in der Substratebene liegenden Kristallrichtung orien­ tiert sind.

12. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (8-11, 51-58) auf der Un­ terseite symmetrisch in beliebiger Kristallrichtung orientiert sind.