DE3824695C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleuni­ gungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikromechanische Beschleunigungssensoren sind durch ihre geringen Abmessungen und ihre relativ niedrigen Kosten in vielen Bereichen, z. B. Luft- und Raumfahrt, Landverkehr oder Robotik einsetzbar. Insbesondere für die Anwendung in Per­ sonenkraftwagen wird versucht, möglichst einfache und preiswerte, aber dennoch zuverlässig und präzise arbeitende Beschleunigungssensoren bereitzustellen.

In der DE 32 23 987 A1 wird ein mikromechanischer Beschleu­ nigungsmesser vorgeschlagen, der mit kapazitiver Signal­ wandlung arbeitet. Eine Weiterentwicklung dieser Anordnung stellte derselbe Autor auf der Fachtagung "Transducers" im Juni 1987 in Tokio vor (Rudolf, F., Jornot, A., Bencze, P., "Silicon Microaccelerometer", Transducers 87 S. 395-398). Die kapazitive Signalwandlung wird hier mit Hilfe einer Differentialkondensatoranordnung verwirklicht. Auf der Ober­ und der Unterseite eines um eine seitlich angeordnete Achse bewegbaren Torsionskörpers ist jeweils eine Elektrode auf­ gebracht. Ein über dem Torsionskörper angeordnetes Element trägt eine erste Gegenelektrode, ein Element unterhalb des Torsionskörpers eine zweite Gegenelektrode. Mit einer solchen Vorrichtung wird zwar eine hohe Meßgenauigkeit er­ reicht, ihre Herstellung benötigt jedoch eine Vielzahl von Prozeßschritten, da sie aus drei Elementen aufgebaut ist.

Ein Beschleunigungssensor mit einem aus einem Torsionskör­ per, der um eine außerhalb des Massenschwerpunktes aber in­ nerhalb des Torsionskörpers verlaufenden Torsionsachse bewegbar ist und mit einer Kondensatoranordnung ist aus der DE 35 09 948 A1 und aus der Patentschrift US 47 36 629 be­ kannt geworden. Bei den dort beschriebenen Anordnungen wird durch die Bewegung des Torsionskörpers der Abstand zwischen den Platten und damit die Kapazität des durch die Platten gebildeten Kondensators geändert. Die Kapazitätsänderung läßt einen Schluß auf die beschleunigende Kraft zu. Aller­ dings erfolgt die Kapazitätsänderung nur bei kleinem Plattenabstand linear mit dem Abstand.

Bei einer Differentialkondensatoranordnung wird die Kapazi­ tät zweier Kondensatoren verglichen, die auf verschiedenen Seiten der Torsionsachse angebracht sind. Bei großen Aus­ lenkungen ist der Plattenabstand des einen Kondensators ex­ trem gering, während der andere Kondensator einen großen Plattenabstand aufweist und deshalb außerhalb der linearen Charakteristik betrieben wird. Dadurch ist die Meßgenauig­ keit der Anordnung bei großen Beschleunigungskräften einge­ schränkt. Bei noch größeren Beschleunigungen berühren sich die Platten des einen Kondensators, eine Beschleunigungs­ messung ist nicht mehr möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, daß sie in einem weiten Meßbereich einsetzbar ist, und daß die Meßge­ nauigkeit unabhängig von der Größe der beschleunigenden Kraft ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor weist zusätzlich zu den für die Messung vorgesehenen Kondensatorplatten we­ nigstens ein weiteres Elektrodenpaar auf, das zusammen mit den bereits vorhandenen Elektroden eine Kompensationsmessung erlaubt. Die momentane Auslenkung des Torsionskörpers wird durch eine Differentialkondensatoranordnung gemessen, und mit Hilfe des Meßsignals wird eine Spannung gewählt, die an das zusätzliche Kondensatorpaar angelegt wird, um den Tor­ sionskörper in die Ausgangslage zurückzudrehen. Dadurch werden die Auslenkungen auf kleine Winkel beschränkt, so daß zwischen der Kapazitätsänderung der Kondensatoren und der Beschleunigung immer eine lineare Abhängigkeit besteht.

Dadurch wird die Meßgenauigkeit nicht durch Abweichen von einem linearen Zusammenhang zwischen Beschleunigung und Ka­ pazitätsänderung beeinträchtigt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet. Nach Anspruch 2 sind der Tor­ sionskörper und die Elektroden so angeordnet, daß die Elekroden bei einer Auslenkung symmetrische Bewegungen be­ züglich der Torsionsachse ausführen. Diese Anordnung liefert ein Meßsignal, das besonders einfach auswertbar ist. Nach Anspruch 3 bestehen die auf dem Torsionskörper angebrachten Elektroden aus einer durchgehenden Metallschicht. Dadurch werden die Prozeßschritte zur Herstellung von Einzelelek­ troden eingespart. Wegen seiner hohen Beständigkeit gegen­ über chemischen Reaktionen eignet sich Gold besonders gut als Elektrodenmaterial.

Wenn auf einem Wafer neben Beschleunigungssensoren elektro­ nische Schaltelemente integriert werden sollen, erfolgt die Herstellung der Elektroden aus einem Metall, das mit den Integrationsprozessen kompatibel ist (z. B. Aluminium).

Da sowohl die Gegenelektroden für die Messung als auch die Gegenelektroden zur Verringerung des Torsionswinkels in einer Ebene angeordnet sind, kann der Beschleunigungssensor nach Anspruch 4 aus nur zwei Elementen zusammengesetzt wer­ den. Die in den Veröffentlichungen von Rudolf beschriebene dritte Schicht, die die zweite Gegenelektrode trägt, ent­ fällt. Nach Anspruch 5 wird der bewegliche Torsionskörper aus einem Siliziumwafer hergestellt, während zur Halterung der Gegenelektroden entweder ebenfalls ein Siliziumwafer oder ein Glaswafer herangezogen wird. Die Verwendung eines Glaswafers bietet den Vorteil, daß die beiden Elemente mit Hilfe einer in der Mikrostrukturtechnik üblichen anodischen Verbindungstechnik zusammengefügt werden. Bei der Verwendung zweier Siliziumwafer werden die beiden Elemente mit Spezi­ alklebern zusammengefügt, oder mit Hilfe einer Löt- oder einer Legierungstechnik verbunden.

Zur Herstellung des mikromechanischen Beschleunigungssensors werden bewährte Verfahren der Mikrostrukturtechnik herange­ zogen.

Neben der Vereinfachung des Herstellungsprozesses vereint der erfindungsgemäße Beschleunigungsensor durch Gestalt und Anordnung des sensitiven Torsionskörpers weitere Vorteile. Sowohl bei negativen als auch bei positiven Beschleunigungen in Richtung der Normalen wirkt das Element, das die Gegen­ elektroden trägt, als mechanischer Anschlag für den Torsi­ onskörper, wodurch der Sensor vor Schockbelastung geschützt ist. Das sensitive Element des Beschleunigungssensors be­ sitzt nur einen Freiheitsgrad wodurch Beschleunigungen, au­ ßerhalb der gewünschten Richtung keinen Einfluß auf das Meßergebnis ausüben.

Ein Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a Aufsicht auf den Torsionskörper;

Fig. 1b Schnitt durch einen Beschleunigungssensor;

Fig. 1c Schnitt durch einen Beschleunigungssensor;

Fig. 2a-h Schematische Darstellung eines Prozesses zur Herstellung eines Beschleunigungs­ sensors.

Ein Torsionskörper 1 (Fig. 1a, 1b und 1c) bildet ein sensi­ tives Element eines Beschleunigungssensors. Er besteht aus einer rechteckigen Platte 2, die mittig über zwei Torsions­ stäbe 3 mit einem Halterahmen 4 verbunden ist und einer zu­ sätzlichen Masse 5, die exzentrisch bezüglich der Torsions­ achse an der Unterseite der Platte 2 angebracht ist. Die Oberseite der Platte in Fig. 2c ist mit Metallelektroden 27, 31, 33 und 28 versehen, wobei die Elektroden 27 und 28 zusammen mit den fest mit dem Wafer 17 verbundenen Gegenelektroden 7 und 8 die Kondensatoranordnung für die Beschleunigungsmessung darstellen und die Elektroden 31 und 33 zusammen mit den Gegenelektroden 30 und 32 die Kondensatoren bilden, die bei Anlegen einer geeigneten Spannung der Auslenkung des Torsionspendels entgegenwirken. Da durch die Masse 5 der Schwerpunkt des Torsionskörpers weit außerhalb der Torsionsachse liegt, führt eine senkrecht zur Platte 2 wirkende Beschleunigungskraft zu einer Auslenkung des Torsionskör­ pers. Durch die Auslenkung ändern sich die Kapazitäten der beiden für die Messung vorgesehenen Kondensatoren gemäß C _o +C bzw. C _o -C, wobei C _o die Kapazität eines Kondensators im Ruhezustand und C die Kapazitätsänderung bei einer Be­ schleunigung bedeuten. Aus der Änderung der Kapazitäten kann auf die Größe der Beschleunigung geschlossen werden.

Da eine lineare Beziehung zwischen der Beschleunigung und der Kapazitätsänderung nur für kleine Auslenkungen gilt, wird die Auslenkung durch die zusätzlich angebrachten Kon­ densatoren auf kleine Drehwinkel begrenzt.

Wie in Fig. 1b gezeigt, können die Elektroden 27, 31, 33 und 28 zur einer einzigen Elektrode 6 zusammengefaßt werden. Die Empfindlichkeit des Sensors hängt von der Geometrie des Torsionskörpers, der Torsionsbalken und der Elektroden sowie vom Abstand der Elektroden von der Drehachse ab. Bei Tor­ sionsbalken mit einer Länge von 150 µm, einer Breite von 100 µm und einer Dicke von 10 µm, und einem Torsionskörper mit einer Länge von 2000 µm, einer Breite von 1000 µm und einer maximalen Dicke von 20 µm, einer Elektrodenfläche von 600 µm ×900 µm und bei einem Elektrodenabstand von 2 µm ergibt sich bei einem Abstand des Elektrodenmittelpunktes von der Drehachse von 600 µm eine relative Kapazitätsänderung C/C _o von etwa 3×10^-3 pro Beschleunigungseinheit (g).

Ein Herstellungsablauf für einen Beschleunigungssensor ist in Fig. 2a-h dargestellt. (Die Schichtdicken sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.)

• a) Ein Siliziumwafer 10 (z. B. (100)-Orientierung) wird auf der Vorderseite mit einer Oxidschicht 11 versehen. Mit Hilfe der Lithographie wird ein Bereich 12 markiert, der in späteren Verfahrensschritten die Zusatzmasse 5 defi­ niert. Der Bereich wird mit einer hohen Konzentration an Bor-Atomen dotiert (ca. 1,3×10²⁰ Atomen pro cm³), die Oxidschicht wird entfernt.
• b) Mit Hilfe der Epitaxie wird eine Folge von drei Schichten abgeschieden, wobei die Schicht 12 niedrig-Bor-dotiert und etwa 10 µm dick, die Schicht 13 hoch-Bor-dotiert und etwa 1 µm dick und die Schicht 14 niedrig-Bor-dotiert und 10 µm dick ist.
• c) Die Oberfläche der Schicht 14 wird mit einer Oxidschicht 15 versehen, der lithographisch die Struktur des Torsi­ onskörpers eingeprägt wird. Im Bereich der Elektrode 6 wird die Oberfläche metallisiert (z. B. mit Gold). Die Oberfläche wird zum Schutz gegen die Ätzlösung mit einer ätzresistenten Schicht 16 (z. B. Silizium-Nitrid) verse­ hen.
• d) Im Bereich des Torsionskörpers wird der Wafer von der Rückseite her einer anisotropen Ätzung unterzogen (Ätz­ lösung z. B. Ethylendiamin-Brenzkatechin-Wasser, EDP). An den hoch-Bor-dotierten Schichten stoppt der Ätzvorgang selbständig.
• e) Die Schutzschicht 16 wird ganzflächig entfernt und die niedrig-Bor-dotierte Schicht mit einer anisotrop wirken­ den Ätzlösung geätzt. Mit Hilfe einer Ätzlösung für iso­ tropes Ätzen werden die verbleibenden Verbindungsstege aus hoch-Bor-dotiertem Silizium weggeätzt und schließlich wird die Oxidschicht 15 entfernt.
• f) Die Oberfläche eines Pyrex-Glas-Wafers 17 wird im Bereich 20 des Torsionskörpers und im Bereich 21 elektrischer Anschlüsse strukturiert. In die Bereiche 20 und 21 des Wafers werden Vertiefungen geätzt.
• g) Die Oberfläche wird metallisiert, die Metallschicht strukturiert, so daß die Gegenelektroden 7, 8, 30 und 32 und elektrische Kontakte 9 entstehen.
• h) Der Pyrex-Glas-Wafer und der Siliziumwafer werden mit einer anodischen Verbindungstechnik verbunden.

Durch dieses Herstellungsverfahren können der Sensor und die elektronische Schaltung zur Auswertung der Meßsignale auf einem Chip integriert werden. Auf demselben Wafer können mit einem Herstellungsprozeß mehrere identische Beschleuni­ gungssensoren gleichzeitig angefertigt werden. Anschließend werden die Sensoren getrennt, montiert und mit elektrischen Zuführungen versehen.

Claims (5)

1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem aus einem Einkristall geätzten Torsionskörper, der um eine außerhalb des Massenschwerpunktes aber innerhalb des Torsionskörpers verlaufende Torsionsachse bewegbar ist und mit einer Kondensatoranordnung, bestehend aus Elek­ troden, die auf einer Fläche des Torsionskörpers aber auf verschiedenen Seiten der Torsionsachse angebracht sind, und aus feststehenden den Elektroden gegenüberliegend angeordneten Gegenelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzliches Elektrodenpaar angebracht ist, welches durch Anlegen einer Spannung der Auslenkung des Torsionskörpers entgegenwirkt.

2. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Ge­ genelektroden symmetrisch bezüglich der Torsionsachse angeordnet sind.

3. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Torsionskörper angebrachten Elektroden und zusätz­ lichen Elektroden aus einer einzigen durchgehenden Me­ tallschicht, vorzugsweise Aluminium oder Gold, bestehen.

4. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ schleunigungssensor aus zwei Elementen zusammengesetzt ist, wobei ein erstes Element den Torsionskörper mit den Elektroden und die erforderliche elektrische Schaltung und ein zweites Element die Gegenelektroden trägt.

5. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element aus einem Siliziumwafer und das zweite Element aus einem Glaswafer oder einem Siliziumwafer besteht, und daß beide Wafer mit Hilfe einer anodischen Verbindungstechnik oder einer Klebe- oder Löt- oder Legierungstechnik verbunden sind.