DE69617890T2

DE69617890T2 - Beschleunigungsmessaufnehmer mit mitteln zur kompensation des gewichts und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69617890T2
Application number: DE69617890T
Authority: DE
Inventors: Jean Brun; Stephane Caplet; Gerard Ruzie; Patricia Touret
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: EP0776476A1; US5922955A; FR2735580B1; EP0776476B1; DE69617890D1; WO1997000451A1; JPH10504401A; FR2735580A1; JP4139436B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser von der Art des Schwerkrafteffekt- Ausgleichs. Die Kompensierung bzw. der Ausgleich der Wirkung der Schwerkraft auf die seismische Masse eines Beschleunigungsmessers gestattet eine Verbesserung von dessen Sensibilität bei einer Beschleunigungsschwankung.
Die Erfindung betrifft insbesondere Vorrichtungen geringer Abmessungen. Seiner Natur nach kann dieser Beschleunigungsmesser durch Technologien hergestellt werden, die der Mechanik, der Mikromechanik oder der Mikroelektronik (z.B. der mechanischen Feinbearbeitung) angehören.
Das Hauptanwendungsgebiet eines Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Untersuchung der Bewegung oder des Verhaltens von Milieus, die der Schwerkraft unterworfen sind (z.B. die Seismologie).
Die Erfindung ermöglicht also, Beschleunigungsmesser vom monolithischen Typ mit Kompensierung des Schwerkrafteffekts zu gestalten, während die Beschleunigungsmesser vom monolithischen Typ nach dem Stand der Technik diese Kompensierung bzw. diesen Ausgleich nicht ermöglichen. Solche vorbekannte Beschleunigungsmesser sind beispielsweise im Artikel "Development of micromachined silicon accelerometer" von M. Ueda, H. Inada, Y. Mine und K. Sunago, erschienen in der Zeitschrift Sumitomo Electric Technical Review, Nr. 38, Juni 1994, Seiten 72-77, und in dem Artikel "Small inertial measurements units-sources of error and limitations on accuracy" von Michael E. Hoenk, erschienen in der Zeitschrift SPIE, Vol. 2220, Seiten 15-26, beschrieben.
Das am häufigsten angewendete Verfahren zur Beschleunigungsmessung besteht darin, nicht die Beschleunigung selbst direkt zu messen, sondern die Kraft F, der eine Masse M unter der Einwirkung der in Betracht kommenden Beschleunigung γ unterworfen ist. Von dem Grundgesetz der Dynamik F = M·γ leitet man bei Kenntniß des Werts von M und bei einer gemessenen Kraft F den Wert bzw. die Größe der Beschleunigung ab.
Ein Beschleunigungsfühler vom geläufigsten Typ besteht somit aus einer inerten Masse oder seismischen Masse, die im allgemeinen von einer oder mehreren Federn getragen werden. Wenn diese Masse Beschleunigungsschwankungen erfährt, so verschiebt sie sich und die Federn verformen sich. Das System kehrt zu seiner Ausgangsposition zurück, sobald die Kraft infolge der Beschleunigung aufgehoben ist.
Im Ruhezustand ist ein Horizontal-Beschleunigungsfühler gegenüber keiner störenden Krafteinwirkung empfindlich.
Demgegenüber ist ein Beschleunigungsmesser mit im wesentlichen vertikaler Achse einer Minimalkraft ausgesetzt, die der Kraft infolge der Schwerkraft F = M·g äquivalent ist, wobei g die Schwerkraftkonstante ist.
Diese Minimalkraft infolge der Schwerkraft stellt einen Nachteil dar, wenn man sehr geringe vertikale Beschleunigungen zu messen versucht (unter 10&supmin;&sup6; G). Es ist daher in diesem Fall wichtig, die Krafteinwirkung infolge der Schwerkraft durch eine Kraft auszugleichen, die in entgegengesetzter Richtung zur Schwerkraft gerichtet ist. Derzeit verfügt man über zwei Familien von Verfahren zur Kompensierung der Schwerkraft:
- die Verfahren, die eine elektrische Energiequelle einsetzen. Ein elektromagnetisches oder elektrostatisches Feld hält die seismische Masse in der Schwebe. Diese Verfahren benötigen ein komplexes Servosystem,
- die Rückstellkraft einer Feder einsetzende Verfahren. Die Masse wird, von einer vorab verformten Feder herunterhängend, im Gleichgewicht gehalten.
Es bestehen auch gemischte Systeme, welche gleichzeitig eine Kraft elektrostatischen oder elektromagnetischen Ursprungs und die Rückstellkraft einer Feder einsetzen. Ein solches System ist beispielsweise im Artikel "The effects of spring and magnetic distortions on electromagnetic geophones" von Shi Jung Chen und Kuan Chen, erschienen in J. Phys. E: Sci. Instrum. 21 (1988), Seiten 943-947, beschrieben.
Diese Techniken bringen andere Nachteile mit sich.
Im Fall von elektrostatischen oder elektromagnetischen Vorrichtungen kann die Präsenz eines elektronischen Servosystems Störgeräusche bzw. Rauschen erzeugen, die bzw. das mit der gewünschten Sensibilität inkompatibel sind/ist. Übrigens führt eine lediglich elektrostatische Kompensierung zu einer Instabilität des Systems, was dessen Steuerung schwierig gestaltet.
Die Fühler mit sensibler Vertikalachse, für welche der Schwerkrafteffekt auf die seismische Masse durch eine Feder kompensiert wird, werden derzeit durch Zusammenbau verschiedener mechanischer Teile realisiert. Ein solcher Fühler ist beispielsweise im Artikel "The leaf-spring seismometer: design and performance" von E. Wielandt und G. Streckeisen, erschienen im Bulletin of Seismological Society of America, Vol. 72, Nr. 6, Seiten 2349-2367, Dezember 1982, beschrieben. Wegen ihres Aufbaus weisen diese Vorrichtungen bzw. Anordnungen keinen sehr hohen Qualitätsfaktor Q auf. Dieser strukturelle Parameter steht in Relation mit der Dichte des Brown'schen Rauschens S der Vorrichtung durch folgende Beziehung:
wobei: ω = Impuls
ωγ = Resonanzimpuls
kb = Boltzman-Konstante
T = Temperatur
M = seismische Masse.
Für nähere Einzelheiten zu dieser Beziehung ist auf den oben genannten Artikel "Small inertion measurement unitssources of error and limitations on accuracy" Bezug zu nehmen. Die Beziehung zeigt, daß s umgekehrt proportional zu Q und M ist.
Um ein Brown'sches Rauschen beizubehalten, das die Messung nicht stört, weisen heutige Vorrichtungen eine große Masse M auf. Diese Lösung begrenzt also die Miniaturisierung der Anordnung. Die ausführenden Vorrichtungen (z.B. die zur Detektion einer Abweichung von einigen Nano-G unter 1G fähigen) wiegen die kleinsten dabei mehrere Kilogramm und nehmen ein Volumen von einigen Dutzend cm³ ein.
Abschließend betrachtet sind die derzeitigen Beschleunigungsfühler mit Vertikalachse wenig sensibel, schwer und sperrig. Die Miniaturisierung einer leistungsstarken Vorrichtung erfordert eine Verringerung der seismischen Masse M und damit eine Erhöhung des Qualitätsfaktors. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Gesamtheit des Fühlers (die seismische Masse und die Feder, im Fall einer Kompensierung der Schwerkraft durch eine Feder) aus einem Material mit einem hohen Qualitätsfaktor, wie z.B. monokristallinem Silizium, gefertigt ist. Trotzdem stellt die Herstellung einer kompakten Vorrichtung mit einer mit der Masse einstückigen Feder technologische Probleme. In der Tat ist es schwierig, kleine mechanische Teile, wie z.B. die Feder und die seismische Masse, durch mechanische Mittel, wie z.B. Schrauben oder ein Klebemittel zu einer Einheit zu verbinden, ohne Zonen zu erzeugen, an denen die internen Reibungen stark sind und Dämpfungserscheinungen hervorrufen, die den Qualitätsfaktor beeinträchtigen. Außerdem muss die Feder eine hohe Geschmeidigkeit beibehalten, wobei diese Geschmeidigkeit die Empfindlichkeit des Fühlers beeinflußt.
Die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Technik der Kompensierung der Schwerkraft gehört zur Familie der Meßfühler, deren seismische Masse von einer Feder getragen wird. Diese Lösung weist den Vorteil auf, Störgeräusche zu verringern, die von dem für die anderen Vorrichtungen erforderlichen Servosteuersystem erzeugt werden. Die vorgeschlagene Kompensierungstechnik basiert auf dem Prinzip einer Feder in Form eines Blatts bzw. einer Lamelle, die durch Vorspannung auf einer Oberfläche eines Elements (z.B. einem Träger), das (der) die seismische Masse trägt, realisiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist also ein Beschleunigungsmesser mit einer seismischen Masse, die einer von einer zu messenden Beschleunigung induzierten Kraft unterworfen ist, wobei die seismische Masse mit einem Träger durch mechanische Verbindungsmittel verbunden ist, welche unter der Wirkung der Kraft nachgeben können, wobei die Erfassungsmittel vorgesehen sind, um die Beschleunigung aufgrund der in der seismischen Masse induzierten Kraft bestimmen zu können, wobei die Kompensationsmittel vorgesehen sind, um die auf die seismische Kraft durch die Schwerkraft ausgeübte Kraft zu kompensieren bzw. auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungsmittel mindestens einen Abschnitt aufweisen, der die Kompensierungs- bzw. Ausgleichsmittel bildet, indem in den mechanischen Verbindungsmitteln eine Vorspannung induziert wird, die der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft ausgeübten Kraft entgegenwirkt.
Die Kompensationsmittel der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft ausgeübten Kraft können aus einer auf die mechanischen Verbindungsmittel aufgebrachten Oberflächenschicht bestehen, wobei diese Oberflächenschicht auf einer Seite bzw. Fläche der mechanischen Verbindungsmittel so angebracht ist, daß sie der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft entgegenwirkt, und aus einem Stoff besteht, der die erforderlichen Eigenschaften aufweist, um auf die mechanischen Verbindungsmittel eine Belastung auszuüben.
In diesem Fall kann der eine Belastung ausübende Stoff aus der aus Chrom, Molybdän, Wolfram und ihren Legierungen sowie aus einem keramischen Stoff des PZT-Typs bestehenden Gruppe ausgewählt werden.
Die Kompensationsmittel der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft ausgeübten Kraft können aus zwei Oberflächenschichten bestehen, welche die mechanischen Verbindungsmittel darstellen, wobei diese Oberflächenschichten auf zwei entgegengesetzten Seiten bzw. Flächen der mechanischen Verbindungsmittel hergestellt sind, wobei eine der zwei Schichten aus einem Stoff hergestellt ist, der eine Spannungs-Vorbelastung induziert, und die andere Schicht eine Kompressions-Vorbelastung induziert, und die Kombination der beiden Schichten ein Belastungsgefälle in der Dicke der mechanischen Verbindungsmittel induziert, das der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft ausgeübten Kraft entgegenwirkt.
In diesem Fall können die beiden Schichten aus dünnen Molybdänschichten bestehen, die durch unterschiedliche Techniken derart aufgebracht sind, daß ihnen Belastungen mit entgegengesetzten Vorzeichen vermittelt werden.
Nach einer Ausführungsvariante können die Kompensationsmittel der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft aus einer Oberflächen- Modifikation der mechanischen Verbindungsmittel gebildet sein, wobei diese Oberflächen-Modifikation die Vorbelastung in den mechanischen Verbindungsmitteln induziert.
Diese Oberflächen-Modifikation kann vorteilhafterweise aus einer Oberflächendotierung des die mechanischen Verbindungsmittel bildenden Stoffs bestehen. Wenn die mechanischen Verbindungsmittel aus monokristallinem Silizium bestehen, kann eine der Flächen der mechanischen Verbindungsmittel in diesem Fall mit einem Dotierungsmittel dotiert sein, das aus der aus Phosphor, Bor, Xenon, Titan, Arsen und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die Oberflächen-Dotierung kann auf zwei entgegengesetzten Flächen der mechanischen Verbindungsmittel ausgeführt sein, wobei jede der beiden Flächen durch unterschiedliche Dotierungsmittel dotiert wird und eines der Dotierungsmittel eine Spannungsbelastung und das andere eine Kompressionsbelastung induziert, wobei im Ergebnis ein Belastungsgefälle in der Dicke der mechanischen Verbindungsmittel induziert wird, das der durch die Schwerkraft auf die seismische Masse einwirkenden Kraft entgegenwirkt.
Wenn die mechanischen Verbindungsmittel aus Silizium bestehen, kann eine der Flächen der mechanischen Verbindungsmittel mit Bor und die andere Fläche mit Argon dotiert sein.
Die mechanischen Verbindungsmittel können aus einem oder mehreren Trägern gebildet sein.
Eine solche Konzeption ermöglicht die Realisierung der seismischen Masse, der mechanischen Verbindungsmittel und des Trägers bzw. der Halterung in Form einer monolithischen Einheit. Somit ermöglicht im Gegensatz zu den Beschleunigungsmessern monolithischen Typs nach dem Stand der Technik die Erfindung den Erhalt eines Beschleunigungsmesser mit Kompensierung der Schwerkraft vom monolithischen Typ.
Aufgabe der Erfindung ist auch ein Herstellungsverfahren eines Beschleunigungsmessers mit einer seismischen Masse, die mit einem Träger bzw. einer Halterung durch mechanische Verbindungsmittel verbunden ist, welche sich unter der Einwirkung einer in der seismischen Masse induzierten Kraft durch eine zu messende Beschleunigung verbiegen können, wobei Kompensationsmittel vorgesehen sind, um die durch die Schwerkraft auf die seismische Masse einwirkende Kraft zu kompensieren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
- Maskieren bzw. Abdecken einer der Hauptflächen eines Substrats bzw. einer ersten Fläche, um darauf die seismische Masse und den Träger bzw. die Halterung abzugrenzen bzw. festzulegen,
- Ätzen des Substrats, ausgehend von der ersten Fläche in Richtung auf die entgegengesetzte Hauptfläche bzw. zweite Fläche, bis eine Membran zwischen dem Ätzgrund und der zweiten Fläche verbleibt, wobei die Ätzung die seismische Masse und die Halterung abgrenzt bzw. festlegt,
- Abdecken der zweiten Fläche des Substrats, um die Halterung, die seismische Masse und die mechanischen Verbindungsmittel abzudecken, Ätzen des Substrats, ausgehend von der zweiten Fläche, um die Membran in ihren nicht abgedeckten Abschnitten zu öffnen,
- Behandeln der Oberfläche zumindest eines Teils der mechanischen Verbindungsmittel, um in diesen eine Vorbelastung zu induzieren, die der auf die seismische Masse ausgeübten Kraft entgegenwirkt, und Bilden der Kompensationsmittel auf diese Weise.
Die Erfindung wird in der folgenden, als nicht einschränkendes Beispiel gegebenen Beschreibung näher erläutert, und ihre Vorteile und Merkmale in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser herausgestellt, wobei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Beschleunigungsmessers mit Kompensation des Schwerkrafteffekts gemäß einer ersten Variante der Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Beschleunigungsmessers mit Kompensation des Schwerkrafteffekts gemäß einer zweiten Variante der Erfindung,
Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht eines Beschleunigungsmessers mit Kompensation des Schwerkrafteffekts gemäß einer dritten Variante der Erfindung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Stützträger einer seismischen Masse, der mit einer begrenzten und geätzten Schicht für einen Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung überzogen ist,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung während der Herstellung.
In der folgenden Beschreibung werden Beschleunigungsmesser mit einer seismischen Masse beschrieben, die sich von seinem Element der mechanischen Verbindung mit einer Halterung unterscheiden, wobei dieses Verbindungselement aus einem oder mehreren Trägern bestehen kann. Dies schränkt jedoch die Erfindung nicht ein, die sich auch auf einen Fall anwenden läßt, bei dem die seismische Masse sich nicht von dem Träger unterscheidet oder mit dem Träger zusammenfällt.
Fig. 1 veranschaulicht auf stark schematische Weise das Prinzip der Erfindung für einen Beschleunigungsmesser mit einer sensiblen Vertikalachse. Dabei ist eine seismische Masse 1 der Masse M dargestellt, die durch einen Träger 3 mit einer Halterung 2 verbunden ist. Die seismische Masse 1 ist also bezüglich der Halterung 2 auskragend angeordnet. Wenn man die Masse des Trägers 3 vernachlässigt, so ist das Schwerkraftzentrum der seismischen Masse 1 gegenüber der Kraft F sensibel, der die seismische Masse nach einer Beschleunigung g unterworfen ist.
Um den Schwerkrafteffekt auf die seismische Masse zu kompensieren bzw. auszugleichen, wird der obere Oberflächenbereich 4 des Trägers 3 behandelt, um dort eine Vorbelastung aufzubringen, aus der sich die Ausübung einer kompensierenden Kraft auf die seismische Masse ergibt, welche durch die Schwerkraft in dieser seismischen Masse induziert wurde.
Diese Oberflächenbeanspruchung des Trägers kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Sie kann durch das Aufbringen einer dünnen Schicht auf die Oberfläche des Trägers oder durch eine Modifikation der Oberfläche dieses Trägers erhalten werden, die genügend groß ist, um einen Belastungseffekt zu erzeugen. Der so behandelte Träger tendiert dazu, sich zu verbiegen, indem er eine der Schwerkraft entgegengesetzte Kraft ausübt. Die Vorbelastungsbedingungen müssen derart sein, daß das Ende des Trägers eine Kompensationskraft ausübt, die nach oben gerichtet ist, so wie es der gekrümmte Pfeil in Fig. 1 darstellt. Wenn die Stärke der Beanspruchung ausreichend ist, ermöglicht die Krafteinwirkung dabei, die Kraft infolge der Schwerkraft auszugleichen bzw. ins Gleichgewicht zu bringen.
Im Fall einer auf den Träger aufgebrachten Schicht kann der zur Aufbringung verwendbare Stoff unter den Metallen oder ihren Legierungen oder auch unter anderen bekannten Stoffen ausgewählt werden, um Belastungen wie bestimmte piezoelektrische Materialien aufzuweisen, beispielsweise ein Keramikstoff der Formel Pb(ZrxTi1-x)0&sub3;, auch PZT genannt. Vorzugsweise verwendet man Chrom, Molybdän, Wolfram oder eine ihrer Legierungen.
Unter Modifikation des Trägers versteht man die Modifikation der Materie bzw. des Stoffs, die/der den Träger selbst in der Oberflächenzone bildet, durch ein geeignetes Mittel. Dieses Mittel kann eine Dotierung der Oberfläche des Trägers in einer geringen Dicke sein. In diesem Fall ist es von Vorteil, ein Dotierungsmittel in Abhängigkeit von dem den Träger bildenden Material so zu wählen, daß ein Bimetallstreifeneffekt zwischen dem Abschnitt des restlichen Trägers und dem dotierten Teil entsteht. Wenn der Träger aus monokristallinem Silizium besteht, kann man ein Dotierungsmittel verwenden, das unter den folgenden Elementen ausgewählt wird: Phosphor, Bor, Xenon, Titan, Arsen, Argon.
Die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung ermöglicht, eine mit einer seismischen Masse verbundene Feder zu gestalten, die eine Baueinheit bildet, die sehr geringe Abmessungen aufweisen kann, ohne auf eine mechanische Verbindung zurückgreifen zu müssen, die aus unterschiedlichen Elementen gefertigt ist.
Die Fig. 1 veranschaulicht einen Beschleunigungsmesser in seiner einfachsten Version, d.h. mit einem einzigen Träger. Die Erfindung betrifft jedoch auch Beschleunigungsmesser mit mehreren Trägern.
Das Prinzip der Erfindung kann auch auf Beschleunigungsmesser angewandt werden, die zwei, vier oder acht Träger umfassen, um die Freiheitsgrade (in der Translation und der Drehung um das Schwerkraftzentrum) der seismischen Masse gegenüber einer vertikalen Verschiebung zu begrenzen. Diese Träger werden dabei je nach Fall jeweils zu zweit oder zu viert einander gegenüberliegend angeordnet.
Die Fig. 2 stellt einen solchen Beschleunigungsmesser dar. Die seismische Masse 10 ist mit der Halterung 11, die auf Höhe der seismischen Masse aus Vereinfachungsgründen in eine Ebene gebracht ist, durch vier paarweise einander gegenüberliegende Träger 12 verbunden. Eine geeignete Oberflächenschicht 13, welche die vier Träger 12 und auch die seismische Masse 10 bedeckt, ist aufgebracht worden, um die Krafteinwirkung infolge der Schwerkraft zu kompensieren, und übt ihre Wirkung auf die seismische Masse 10 aus.
Fig. 3 stellt mit derselben Art der Veranschaulichung wie die Fig. 2 einen Beschleunigungsmesser mit acht Trägern dar. Dieser Beschleunigungsmesser kann durch Aneinanderfügen von zwei Strukturen 21 und 22 erhalten werden, von denen jede vier Träger umfaßt (d.h. von denen jede von dem in Fig. 2 dargestellten Typ ist). Dieses Zusammenfügen kann durch Klebeverfahren oder bekannte Verbindungsverfahren realisiert werden, beispielsweise durch die in dem Artikel "Application of oxygen plasma processing to silicon direct bonding" von O. Zucker, W. Langheinrich, M. Kulozik und H. Goebel, erschienen in der Zeitschrift Sensors and Actuators a. 36, 1993, Seiten 227-231, beschriebene Methode. Wenn die Oberflächenschichten ihre Wirkung ausüben sollen, um die Schwerkraft auszugleichen bzw. zu kompensieren, werden diese Schichten 23, 24 auf diejenigen Flächen der Träger aufgebracht, die nach oben gerichtet werden müssen, wenn der Beschleunigungsmesser fertiggestellt ist.
Die durch die auf die Oberfläche eines Trägers aufgebrachte dünne Schicht ausgeübten Belastungen in der Ebene induzieren auch eine transversale Verformung des Trägers senkrecht zur Richtung der ersten Verformung. Die hervorgerufene Verbiegung verstärkt das Trägheitsmoment des Trägers und damit die Steifigkeit des Systems, welche die Empfindlichkeit des Meßfühlers beeinflußt. Wenn diese Erscheinung als zu störend angesehen wird, kann man die auf mehrere Arten und Weisen beseitigen.
Eine erste Lösung besteht darin, auf den Träger eine unterbrochene Beschichtung aufzubringen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, die eine partielle Draufsicht auf einen Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung zeigt. Darin ist die mit der Halterung 32 durch den Träger 33 verbundene seismische Masse 31 zu erkennen. Die obere Oberfläche des Trägers 33 ist dabei nicht mehr mit einer durchgehenden Beschichtung bedeckt, sondern mit parallelen Linien 34, die zwischen der seismischen Masse und der Halterung 32 ausgerichtet sind. Es hat sich gezeigt, daß in dieser Form die dünne aufgebrachte Schicht dazu tendiert, teilweise die Komponente der senkrecht zu den Linien auftretenden Belastungen abzumildern. In dieser Hinsicht sei auf den Artikel "Analyse par diffraction des rayons x, de l'évolution des contraintes résiduelles associèe à la gravure de lignes dans un dépôt mince de tungsténe CVD sur substrat de Si" von L. Maniguet, M. Ignat, M. Dupeux, J.J. Bacmann und P. Normandon, verwiesen, der in der Revue de Metallurgie- CIT/Science et Genie des Matériaux, September 1993, Seite 1109, erschienen ist.
Eine zweite Lösung besteht darin, die innewohnende Anisotropie der Belastungen bestimmter dünner Metallschichten zu nutzen, um die maximale Krafteinwirkung in der günstigsten Richtung auszurichten, d.h. zwischen der seismischen Masse und der Halterung. Diese Erscheinungen der innewohnenden Anisotropie von Belastungen sind insbesondere in dem Artikel "Internal stress tensor determination in molybdenum and molybdenum-carbon thin films deposited by D.C. magnetron sputtering" von P. Gergaud und J.J. Bacmann, beschrieben worden, der in der Zeitschrift Materials Science Forum, Vol. 133-136, 1993, Seiten 873-878, erschienen ist.
Der gleichzeitige Einsatz dieser beiden Lösungen ermöglicht es, die Erscheinungen zu kumulieren und in bestimmten Fällen die Querbelastung auszuschalten.
Eine dritte Lösung besteht darin, einen oder mehrere Longitudinalschlitze in dem Träger vorzusehen, wobei diese Schlitze eine von der seismischen Masse zur Halterung verlaufende Richtung aufweisen. Wenn die Kompensationsmittel der Schwerkraft von einer auf den Träger aufgebrachten Oberflächenschicht gebildet sind, ist diese Schicht vorzugsweise auf ihrer ganzen Dicke gemäß einem Muster, das dem der Fig. 4 gleicht, geschlitzt.
Die Oberflächenspannung bzw. -belastung kann durch eine Beschichtung oder durch eine Behandlung ausgeübt werden, welche die Erzeugung eines Belastungsgradienten in der Dicke des Trägers ermöglicht. Die Verwendung von dünnen Schichten bietet die Möglichkeit, ein System mit zwei Schichten zu gestalten, d.h. mit Bezug auf Fig. 1, eine dünne Schicht 4 und eine dünne Schicht 5, die gegenüberliegend auf beiden Seiten des Trägers aufgebracht sind. Die obere dünne Schicht muss unter Zug wirken und die untere dünne Schicht unter Druck. Bestimmte Materialien, die zu einer dünnen Schicht ausgebildet sind (z.B. Molybdän), zeigen Belastungen mit entgegengesetzten Zeichen je nach ihren Ausbildungsbedingungen. Der Artikel "Internal stresses in sputtered chromium" von D.W. Hoffman und J.A. Thornton, erschienen in der Zeitschrift Thin Solid films, 40 (1977), Seiten 355-363, beschreibt diese Erscheinung im Fall von Chrom.
Übrigens bestehen auf dem Gebiet der mikroelektronischen Technologien Dotierungstechniken, die ermöglichen, je nach der Art des eingebrachten Elements und den Einbringungsbedingungen Druckbelastungen oder Zug- bzw. Spannungsbelastungen zu erhalten. Dies ist im Artikel "Parallel stress and perpendicular strain depth distributions in [001] silicon amorphized by ion implantation" von R. Fabbri, M. Servidori und A. Zani, beschrieben, der in der Zeitschrift J. Appl. Phys. 66 (10) vom 15.November 1989, Seiten 4715-4718, erschienen ist. Beispielsweise führt die Dotierung mit Bor zu Zugspannungen im Silizium, während die Dotierung mit Argon Druckspannungen im gleichen Material ergibt.
In dem Fall, in dem das verwendete Material, das zur Realisierung der oberen dünnen Schicht verwendet wird, (bei Ausübung einer Zugwirkung) identisch mit dem ist, das zur Realisierung der unteren dünnen Schicht (bei Ausübung einer Druckwirkung) verwendet wird, ist der Wärmedehnungskoeffizient jeder dieser dünnen Schichten sehr ähnlich, ja sogar identisch, und das System wird dabei gegenüber der Temperatur unempfindlich. Im Fall von dünnen Schichten, die auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen eines Trägers aufgebracht werden, wird vorzugsweise Molybdän eingesetzt. Im Fall von dünnen Schichten, die durch Dotierung mit den Träger bildendem Material (z.B. Silizium) gebildet werden, liegen die Wärmedehnungskoeffizienten jeder Schicht, obwohl die Dotierungsmittel jeder Fläche unterschiedlich sind, sehr nahe aneinander, da das die Dotierungsmittel aufnehmende Basismaterial identisch ist.
Im folgenden wird anhand eines Beispiels die Herstellung eines Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wurde die Herstellung eines Beschleunigungsmessers mit vier Trägern von dem in Fig. 2 dargestellten Typ durch eine mikro-elektronische Technik gewählt. Dieser Meßfühler wird in Silizium der Orientierung < 100> hergestellt. Nach der chemischen Reinigung wird das Silizium mit einer Maske bedeckt, die eine Siliziumnitridschicht Sl&sub3;N&sub4; sein kann. Unter Verwendung der herkömmlichen photolithographischen Verfahren wird in der Maske eine Öffnung entsprechend einer Zone, welche die seismische Masse umgrenzt, hergestellt. Dann wird ein anisotropes Ätzen des Siliziums ausgeführt, beispielsweise in einem Kaliumhydroxidbad KOH (sh. z.B. der oben zitierte Artikel "Development of micromachined silicon accelerometer"). Die Ätzzeit wird genügend lange vorgesehen, um eine Siliziummembran geringer Dicke um die seismische Masse herum zu erhalten.
Die Fig. 5 stellt das am Ende dieses Verfahrensschritts erhaltene Resultat dar. In dieser Figur ist das Ausgangssubstrat 40 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft durch die seismische Masse 41 und vermittelt eine Idee der Dicke der Membran 42, die um die seismische Masse 41 herum besteht.
Die auf der Seite der Membran gelegene Fläche 43 des Substrats 40 wird danach mit einer Siliziumoxidschicht (SiO&sub2;) überzogen. Ebenso wie vorher ist diese Beschichtung so geöffnet, daß sie Seiten der Träger und den Umfang der seismischen Masse festlegt. Anschließend ermöglicht eine physikalische Ätztechnik (Plasma-Ätzen) in einem Gasgemisch aus Bortrichlorid BCl&sub3; und Chlor Cl&sub2;, das Silizium aus der nicht-maskierten Membran zu eliminieren. Nach diesem Arbeitsgang wird die seismische Masse von der Struktur freigelegt und wird nur mehr von den Trägern gestützt bzw. getragen. Die weiter bestehende Siliziumoxidschicht wird durch Plasmaätzen in einem Gasgemisch aus Trifluormethan CHF&sub3; und Sauerstoff O&sub2; entfernt.
Danach wird die vorbelastete dünne Schicht auf die Lamelle bzw. das Blatt durch kathodische Magnetron- Pulverisierung aufgebracht. Die Aufbringungsparameter der Metallschicht (aus Molybdän) werden so eingestellt, daß Zugbelastungen im Material erzeugt werden.
Auf diese Weise kann dieser Strukturtyp aus Silizium oder aus Quarz dank der in den mikroelektronischen Technologien angewandten Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. Dieser Herstellungsmodus gestattet die Herstellung einer monolithischen Einheit aus Silizium (d.h., daß alle Teile des Meßfühlers in einem massiven Substrat gefertigt sind), deren Qualitätsfaktor hoch ist. Damit ist es möglich, eine geringere Masse und folglich eine kompaktere Struktur zu entwerfen.
Wenn der Träger vom Zwei-Lamellen-Typ ist, ist die Anstrengung, die auf den Ausgleich der Schwerkraft gerichtet ist, durch die Form des Trägers stark beeinträchtigt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß eine Rechteckform der zwei Lamellen (wenn man den Träger in der Richtung der Schwerkraft betrachtet) weniger zufriedenstellend ist, um die Schwerkraft auszugleichen als eine dreieckige Form, von der die Basis des Dreiecks in die Halterung eingelassen ist und dessen Spitze einstückig mit der seismischen Masse ist.
Wegen der Einfachheit der Herstellung des Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung kann man eine kollektive Herstellung der Meßfühler in Betracht ziehen und damit ihre Gestehungskosten verringern. Die Erfindung kann insbesondere dafür eingesetzt werden, Seismometer geringen Volumens herzustellen, damit sie in Bohrlöcher eingeführt werden können.

Claims

1. Beschleunigungsmesser mit einer seismischen Masse (1, 10), die einer durch eine zu messende Beschleunigung induzierten Kraft ausgesetzt werden kann, wobei die seismische Masse (1, 10) mit einem Träger bzw. einer Halterung (2, 11) durch mechanische Verbindungsmittel (3, 12) verbunden ist, die sich unter der Einwirkung der Kraft verbiegen können, wobei Detektionsmittel vorgesehen sind, um die Beschleunigung anhand der in der seismischen Masse (1, 10) induzierten Kraft bestimmen zu können, und Kompensationsmittel vorgesehen sind, um die auf die seismische Masse (1, 10) durch die Schwerkraft einwirkende Kraft zu kompensieren bzw. auszugleichen,

dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) mindestens einen Teil (4, 5, 13) aufweisen, der die Kompensationsmittel bildet, indem in den mechanischen Verbindungsmitteln (3, 12) eine Vorbelastung induziert wird, die der auf die seismische Masse (1, 10) durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft entgegenwirkt.

2. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel der auf die seismische Masse (1, 10) durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft aus einer auf die mechanischen Verbindungsmittel (3) aufgebrachten Oberflächenschicht (4, 5) bestehen, die auf einer Fläche bzw. Seite der mechanischen Verbindungsmittel (3) so angebracht ist, daß sie der auf die seismische Masse (1, 10) durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft entgegenwirkt, und die aus einem Stoff besteht, der die erforderlichen Eigenschaften aufweist, um auf die mechanischen Verbindungsmittel (3) eine Belastung auszuüben.

3. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (Vor-)Belastung ausübende Stoff aus der aus Chrom, Molybdän, Wolfram und ihren Legierungen sowie aus einem keramischen Stoff des PZT-Typs bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Beschleunigungsmesser gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus parallelen Linien (34) besteht, die zwischen der seismischen Masse (31) und der Halterung (32) ausgerichtet sind.

5. Beschleunigungsmesser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht eine ihr eigene (Vor)belastungs-Anisotropie aufweist, wobei die Oberflächenschicht so aufgebracht wird, daß die Richtung begünstigt wird, in der die Vorbelastung erfolgt.

6. Beschleunigungsmesser gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (4, 5) durch mindestens einen Spalt, der zwischen der seismischen Masse und der Halterung ausgerichtet ist, gespalten ist.

7. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel der auf die seismische Masse (1, 10) durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft aus zwei auf die mechanischen Verbindungsmittel (3) aufgebrachten Oberflächenschichten (4, 5) bestehen, die auf zwei entgegengesetzten Flächen bzw. Seiten der mechanischen Verbindungsmittel (3) aufgebracht sind, wobei eine der beiden Schichten aus einem Stoff gefertigt ist, der eine Spannungs- Vorbelastung induziert und die andere Schicht eine Kompressions-Vorbelastung induziert, und die Kombination der beiden Schichten ein Belastungsgefälle in der Dicke der mechanischen Verbindungsmittel (3) induziert, das der auf die seismische Masse durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft entgegenwirkt.

8. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten (4, 5) aus dünnen Molybdänschichten bestehen, die durch unterschiedliche Techniken derart aufgebracht werden, daß ihnen Belastungen mit entgegengesetzten Vorzeichen verliehen werden.

9. Beschleunigungsmesser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) mindestens eine Strebe umfassen, wobei die Form dieser Strebe, in der Richtung betrachtet, in der die Schwerkraft wirkt, dreieckig ist und eine mit der Halterung (2, 11) einstückige Basis und einen mit der seismischen Masse (1, 10) einstückigen, gegenüberliegenden Scheitel aufweist.

10. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel der auf die seismische Masse (1, 10) durch die Schwerkraft einwirkenden Kraft aus einer Oberflächen-Modifikation der mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) gebildet sind, wobei diese Oberflächen-Modifikation die Vorbelastung in den mechanischen Verbindungsmitteln (3, 12) induziert.

11. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen-Modifikation aus einer Oberflächendotierung des die mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) bildenden Stoffs besteht.

12. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) aus monokristallinem Silizium bestehen, wobei eine der Flächen der mechanischen Verbindungsmittel mit einem Dotierungsmittel dotiert ist, das aus der aus Phosphor, Bor, Xenon, Titan, Arsen und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

13. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächflächliche Dotierung auf zwei entgegengesetzten Flächen der mechanischen Verbindungsmittel (3) ausgeführt ist, wobei jede der beiden Flächen durch unterschiedliche Dotierungsmittel dotiert wird und eines der Dotierungsmittel eine Spannungsbelastung und das andere eine Kompressionsbelastung induziert, wobei im Ergebnis ein Belastungsgefälle in der Dicke der mechanischen Verbindungsmittel (3) induziert wird, das der durch die Schwerkraft auf die seismische Masse einwirkenden Kraft entgegenwirkt.

14. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungsmittel (3) aus Silizium sind, wobei eine der Flächen der mechanischen Verbindungsmittel (3) mit Bor und die andere Fläche mit Argon dotiert ist.

15. Beschleunigungsmesser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) mindestens eine Strebe umfassen.

16. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (10) von mindestens einer Reihe von zwei Streben (12) getragen bzw. gehaltert ist, die in Bezug auf die seismische Masse (10) dieser gegenüber angeordnet sind.

17. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (21, 22) von vier jeweils paarweise gegenüberliegenden oberen Streben und von vier jeweils paarweise gegenüberliegenden unteren Streben getragen bzw. gehalter ist.

18. Beschleunigungsmesser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (1, 10), die mechanischen Verbindungsmittel (3, 12) und der Träger bzw. die Halterung (2, 11) eine monolithische Einheit bilden.

19. Herstellungsverfahren eines Beschleunigungsmessers mit einer seismischen Masse (1, 10), die mit einem Träger bzw. einer Halterung (2, 11) durch mechanische Verbindungsmittel (3, 12) verbunden ist, die sich unter der Einwirkung einer in der seismischen Masse (1, 10) induzierten Kraft durch eine zu messende Beschleunigung verbiegen können, wobei Kompensationsmittel vorgesehen sind, um die durch die Schwerkraft auf die seismische Masse (1, 10) einwirkende Kraft zu kompensieren, mit folgenden Schritten:

Maskieren bzw. Abdecken einer der Hauptflächen eines Substrats (40) bzw. einer ersten Fläche, um darauf die seismische Masse (41) und den Träger bzw. die Halterung abzugrenzen,

Ätzen des Substrats (40) ausgehend von der ersten Fläche in Richtung auf die entgegengesetzte Hauptfläche bzw zweite Fläche (43), bis eine Membran (42) zwischen dem Ätzgrund und der zweiten Fläche verbleibt, wobei die Ätzung die seismische Masse (41) und die Halterung abgrenzt,

Abdecken der zweiten Fläche (43) des Substrats (40), um die Halterung, die seismische Masse (41) und die mechanischen Verbindungsmittel abzudecken,

Ätzen des Substrats (40) ausgehend von der zweitn Fläche, um die Membran (42) in ihren nicht-abgedeckten Abschnitten zu öffnen,

Oberflächenbehandeln zumindest eines Teils der mechanischen Verbindungsmittel, um in diesen eine Vorbelastung zu induzieren, die der auf die seismische Masse (41) einwirkenden Kraft entgegenwirkt, und so die Kompensationsmittel zu bilden.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die Oberflächenbehandlung im Aufbringen eines ein Belastung bildenden Stoffs besteht.

21. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die Oberflächenbehandlung in einer Dotierung besteht.