DE10236773B4

DE10236773B4 - accelerometer

Info

Publication number: DE10236773B4
Application number: DE2002136773
Authority: DE
Inventors: Joachim Rudhard; Klaus Heyers; Dorothea Papathanassiou
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-10
Filing date: 2002-08-10
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2022-08-11
Also published as: DE10236773A1

Abstract

Beschleunigungssensor mit einem Feldeffekttransistor (FET), der eine zweilagige Elektrodenstruktur mit einer ersten beweglichen Detektionselektrode (41) zur Modulierung eines Stromflusses unter Einwirkung von Beschleunigungen aufweist, wobei eine zweite bewegliche Detektionselektrode (42) vorgesehen ist, deren Auslenkungsrichtung bei einwirkenden Beschleunigungen gleich gerichtet ist zur Auslenkungsrichtung der ersten Detektionselektrode (41), wobei die erste Detektionselektrode (41) und die zweite Detektionselektrode (42) jeweils federnd aufgehängt sind und als seismische Massen fungieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federsteifigkeit einer ersten Aufhängung (43) der ersten Detektionselektrode (41) einen deutlich größeren Wert als eine Federsteifigkeit einer zweiten Aufhängung (44) der zweiten Detektionselektrode (42) aufweist.Acceleration sensor with a field effect transistor (FET), which has a two-layer electrode structure with a first movable detection electrode (41) for modulating a current flow under the action of accelerations, a second movable detection electrode (42) being provided, the direction of deflection of which is directed in the same direction when accelerations are applied Direction of deflection of the first detection electrode (41), the first detection electrode (41) and the second detection electrode (42) each being resiliently suspended and functioning as seismic masses, characterized in that a spring stiffness of a first suspension (43) of the first detection electrode (41) has a significantly greater value than a spring stiffness of a second suspension (44) of the second detection electrode (42).

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor, insbesondere einen Halbleiterbeschleunigungssensor mit einem Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor, gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to an acceleration sensor, in particular a semiconductor acceleration sensor with a metal oxide semiconductor field effect transistor, according to the preamble of the independent claim.

Hochauflösende Sensoren, wie sie beispielsweise als Beschleunigungs- oder Drehratensensoren für moderne Fahrdynamikanwendungen zum Einsatz kommen, stellen hohe Anforderungen an die mechanisch-elektrische Signalwandlung. Bei einer sogenannten Moving-Gate-Signalwandlung erfolgt eine direkte Wandlung einer Auslenkung in einen Strom, wobei die Stromquelle einen hohen Ausgangswiderstand aufweist. Dieses Verfahren beruht darauf, dass die Steuerelektrode eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) beweglich ausgelegt ist und im Fall eines Inertialsensors auch gleichzeitig die Masse eines Feder-Masse-Systems darstellt. Bei einer einwirkenden Beschleunigung wird der relative Abstand zwischen Elektrode und Kanalbereich des Transistors verändert und damit der Stromfluss durch den Transistor moduliert.High-resolution sensors, such as those used, for example, as acceleration or yaw rate sensors for modern vehicle dynamics applications place high demands on the mechanical-electrical signal conversion. In a so-called moving gate signal conversion takes place a direct conversion of a deflection in a current, wherein the current source has a high output resistance. This method is based on the fact that the control electrode of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) is designed to be movable and in the case of an inertial sensor also simultaneously represents the mass of a spring-mass system. With an acting acceleration, the relative distance between the electrode and the channel region of the transistor is changed and thus the current flow through the transistor is modulated.

Die Steuerelektrode (Gate) des Feldeffekttransistors kann in zweilagiger Struktur ausgeführt sein, wodurch die effektive Gate-Fläche des Moving-Gate-Transistors vergrößert werden und gleichzeitig eine Versiegelung der Steuerelektrodenoberfläche vorgenommen werden kann. In diesem Fall ist die untere Elektrode fest mit dem Waver-Substrat verbunden und nicht beweglich. Mechanische Verbiegungen bzw. Verwölbungen der Gate-Strukturen zur Sensierungsoberfläche, hervorgerufen beispielsweise durch intrinsische mechanische Spannungsgradienten, durch Temperatureffekte oder durch sonstige Herstellungsimperfektionen, können zu unerwünschten Offset- bzw. zu Empfindlichkeitsabweichungen des Sensors führen.The control electrode (gate) of the field-effect transistor can be designed in a two-layered structure, whereby the effective gate area of the moving gate transistor can be increased and, at the same time, a sealing of the control electrode surface can be carried out. In this case, the lower electrode is firmly connected to the wafer substrate and not movable. Mechanical distortions or warping of the gate structures to the sensing surface, caused, for example, by intrinsic mechanical stress gradients, by temperature effects or by other manufacturing imperfections, can lead to undesired offset or sensitivity deviations of the sensor.

Bei der Herstellung der mechanischen Funktionsschichten werden für Sensoren mit integrierten Halbleiterschaltungen typischerweise LPCVD-Poly-Schichten (LPCVD: low pressure chemical vapor deposition) verwendet, die Schichtdicken von ca. 2 bis 5 μm aufweisen. Durch Prozessinhomogenitäten können allerdings Stressgradienten erzeugt werden, aus denen ein Biegemoment resultiert und die damit eine Verwölbung der mechanischen Funktionsschichten aus deren vorgesehener Ebene hervorrufen. Mit einer solchen Verwölbung ist eine Nullpunktsverschiebung (Offset) des Sensorsignals verbunden. Gleichzeitig ist diese Verbiegung auch temperaturabhängig und resultiert daher in einem Temperaturgang des Sensor-Offsets.In the production of the mechanical functional layers, LPCVD poly-layers (LPCVD: low-pressure chemical vapor deposition) are typically used for sensors with integrated semiconductor circuits, which have layer thicknesses of approximately 2 to 5 μm. By process inhomogeneities, however, stress gradients can be generated, from which a bending moment results and which thus cause a warping of the mechanical functional layers from their intended level. With such a warping a zero offset (offset) of the sensor signal is connected. At the same time, this bending is also temperature-dependent and therefore results in a temperature variation of the sensor offset.

Ein Halbleiterbeschleunigungssensor ist aus der DE 43 39 190 A1 bekannt, der eine bewegliche Elektrode von balkenförmiger Gestalt aufweist, die in einem definierten Abstand zu einem p-Siliziumsubstrat angeordnet ist. Feststehende Elektroden, die aus einer Verunreinigungsdiffusionsschicht bestehen, sind zu beiden Seiten der beweglichen Elektrode vorgesehen. Auf den Sensor einwirkende Beschleunigungen führen zu einer Veränderung eines zwischen den fest stehenden Elektroden flieenden Stroms, wobei die Stromveränderung aus der durch die Beschleunigung bewirkte Verlagerung der beweglichen Elektrode resultiert.A semiconductor acceleration sensor is out of the DE 43 39 190 A1 known, which has a movable electrode of bar-shaped form, which is arranged at a defined distance from a p-type silicon substrate. Fixed electrodes consisting of an impurity diffusion layer are provided on both sides of the movable electrode. Accelerations acting on the sensor lead to a change in a current flowing between the fixed electrodes, the current change resulting from the displacement of the movable electrode caused by the acceleration.

Die Schrift US 4,480,488 A offenbart einen Kraftsensor mit einem piezoelektrischen Feldeffekttransistor. Der Feldeffekttransistor zeigt eine zweilagige Elektrodenstruktur mit einer ersten beweglichen Detektionselektrodenlage zur Modulierung eines Stromflusses unter Einwirkung von Kräften und mit einer zweiten Detektionselektrodenlage, deren Auslenkungsrichtung bei einwirkenden Kräften gleichgerichtet ist zur Auslenkungsrichtung der ersten Detektionselektrodenlage. Die Schrift US 4,873,871 A zeigt ebenfalls einen mechanischen Feldeffekttransistorsensor, wobei der Feldeffekttransistor eine bewegliche Gate-Elektrode aufweist.The font US 4,480,488 A discloses a force sensor with a piezoelectric field effect transistor. The field-effect transistor exhibits a two-layered electrode structure with a first movable detection electrode layer for modulating a current flow under the action of forces and with a second detection electrode layer, the direction of deflection of which is rectified with acting forces to the deflection direction of the first detection electrode layer. The font US 4,873,871 A also shows a mechanical field effect transistor sensor, wherein the field effect transistor has a movable gate electrode.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, einen hochauflösenden Beschleunigungssensor, basierend auf einem Feldeffekttreansistor mit einer beweglichen Gate-Elektrode zur Verfügung zu stellen, bei dem Messwertabweichungen durch Nullpunktsverschiebungen und Temperatureffekte weitgehend minimiert sind.An object of the invention is to provide a high-resolution acceleration sensor based on a field effect device having a movable gate electrode, in which measured value deviations due to zero shifts and temperature effects are largely minimized.

Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object of the invention is achieved with the subject matter of the independent claim. Features of advantageous developments emerge from the dependent claims.

Dem gemäß basiert ein erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor auf einem Feldeffekttransistor, der eine zweilagige Elektrodenstruktur mit einer ersten beweglichen Detektionselektrode zur Modulierung eines Stromflusses unter Einwirkung von Beschleunigungen aufweist. Erfindungsgemäß ist eine zweite bewegliche Detektionselektrode vorgesehen, deren Auslenkungsrichtung bei einwirkenden Beschleunigungen gleichgerichtet ist zur Auslenkungsrichtung der ersten Detektionselektrode. Mit einem solchen Beschleunigungssensor, der eine zweiteilige bewegliche Steuerelektrode aufweist, können Offset-Streuungen und Temperatureffekte aufgrund von intrinsischen Materialstresses weitgehend vermieden werden. Hierdurch kann die Prozesstoleranz und damit die Ausbeute beim Herstellungsprozess deutlich gesteigert werden.Accordingly, an inventive acceleration sensor is based on a field effect transistor having a two-layered electrode structure with a first movable detection electrode for modulating a current flow under the effect of accelerations. According to the invention, a second movable detection electrode is provided, the direction of deflection of which is rectified when accelerations are applied to the direction of deflection of the first detection electrode. With such an acceleration sensor having a two-piece movable control electrode, offset scattering and temperature effects due to intrinsic material stress can be largely avoided. As a result, the process tolerance and thus the yield in the manufacturing process can be significantly increased.

Die erste Detektionselektrode und die zweite Detektionselektrode sind jeweils federnd aufgehängt und fungieren als seismische Massen zur sensiblen Erfassung von auftretenden Beschleunigungen. Dadurch wird ein Feder-Massen-System zur Verfügung gestellt, das für vielfältige Anwendungen geeignet ist.The first detection electrode and the second detection electrode are each suspended resiliently and act as seismic masses for sensitive Detection of occurring accelerations. This provides a spring-mass system suitable for a variety of applications.

Erfindungsgemäß weist eine Federsteifigkeit einer ersten Aufhängung der ersten Detektionselektrode einen deutlich größeren Wert auf als eine Federsteifigkeit einer zweiten Aufhängung der zweiten Detektionselektrode. Die Schwingungsmoden der beiden Elektroden, die gleichzeitig als Massen dienen, werden derart unterschiedlich gewählt, dass die eine Elektrodenaufhängung wesentlich steifer ist als die andere. Hierdurch ergibt sich die resultierende Empfindlichkeit des Sensors als Differenz der beiden Auslenkungen. Die erste und die zweite Detektionselektrode bilden gemeinsam eine Steuerelektrode (Gate) des Feldeffekttransistors.According to the invention, a spring stiffness of a first suspension of the first detection electrode has a significantly greater value than a spring stiffness of a second suspension of the second detection electrode. The vibration modes of the two electrodes, which simultaneously serve as masses, are selected differently so that one electrode suspension is substantially stiffer than the other. This results in the resulting sensitivity of the sensor as the difference between the two deflections. The first and second detection electrodes together form a control electrode (gate) of the field effect transistor.

Erste und zweite Detektionselektrode bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material. Da die beiden Elektroden frei beweglich und aus gleichem Material hergestellt sind, weisen sie auch den gleichen intrinsischen Stressgradienten und damit gleiche Verbiegungen auf, wodurch sich der relative Abstand der Elektroden zueinander nicht ändert.First and second detection electrodes are preferably made of the same material. Since the two electrodes are freely movable and made of the same material, they also have the same intrinsic stress gradient and thus the same bending, whereby the relative distance between the electrodes does not change.

Vorzugsweise führen erste und zweite Detektionselektrode unter Temperatureinwirkung eine annähernd gleiche Verformung aus. Dadurch ist die temperaturindizierte zusätzliche Verbiegung für die Detektion unkritisch.Preferably, the first and second detection electrodes perform an approximately equal deformation under the influence of temperature. As a result, the temperature-induced additional bending for the detection is not critical.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass der Feldeffekttransistor ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit einer dünnen Isolatorschicht aus Siliziumdioxid ist.An embodiment of the invention provides that the field effect transistor is a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) with a thin insulator layer of silicon dioxide.

Es lassen sich durch den beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau sehr große Elektrodenflächen und damit sehr empfindliche Sensoren realisieren, wohingegen eine konventionelle Struktur bei gegebenem Gradienten eine bestimmte Ausdehnung der Strukturen nicht sinnvoll überschreiten lässt.It can be realized by the described inventive structure very large electrode surfaces and thus very sensitive sensors, whereas a conventional structure with a given gradient can not reasonably exceed a certain extent of the structures.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt:The invention is explained below with reference to embodiments with reference to the figures. Showing:

1 einen schematischen Aufbau einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, 1 a schematic structure of a first variant of an acceleration sensor according to the invention,

2 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors und 2 a second variant of an acceleration sensor according to the invention and

3 eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors. 3 a third variant of an acceleration sensor according to the invention.

Die erste Variante des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors (1) umfasst einen Feldeffekttransistor 2, bestehend aus einem Siliziumsubstrat 23 mit darin eingebetteter Source-Elektrode 21 und Drain-Elektrode 22. Über eine Isolationsschicht 24, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht, ist eine zweilagige Gate-Elektrode 4 mit dem Substrat 23 verbunden, die als seismische Masse bzw. als Detektionselektrode fungiert. Wenn im folgenden Zusammenhang von Steuerelektroden die Rede ist, sind damit gleichzeitig die Detektionselektroden gemeint.The first variant of the acceleration sensor according to the invention ( 1 ) comprises a field effect transistor 2 consisting of a silicon substrate 23 with embedded therein source electrode 21 and drain electrode 22 , Over an isolation layer 24 , which preferably consists of silicon dioxide (SiO ₂ ), is a two-layer gate electrode 4 with the substrate 23 connected, which acts as a seismic mass or as a detection electrode. If in the following context of control electrodes is mentioned, it means at the same time the detection electrodes.

Die Gate-Elektrode 4 besteht aus übereinander angeordneten und voneinander beabstandeten Steuerelektroden, deren erste Steuerelektrode 41 relativ hart aufgehängt ist und deren zweite Steuerelektrode 42 relativ weich aufgehängt ist. Die resultierende Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors ergibt sich dann aus der Differenz der beiden Auslenkungen der ersten bzw. zweiten Steuerelektrode 41, 42.The gate electrode 4 consists of stacked and spaced control electrodes, their first control electrode 41 is suspended relatively hard and its second control electrode 42 is hung relatively soft. The resulting sensitivity of the acceleration sensor then results from the difference between the two deflections of the first and second control electrode 41 . 42 ,

2 zeigt eine zweite Variante eines Beschleunigungssensors in schematischer Darstellung, bei dem ebenfalls eine Source-Elektrode 21 sowie eine Drain-Elektrode 22 im Siliziumsubstrat 23 eingebettet sind. Die erste Detektionselektrode 41 ist über eine erste Aufhängung 43 relativ hart aufgehängt. Die zweite darüber angebrachte Detektionselektrode 42 ist über eine zweite Aufhängung 44 relativ weich aufgehängt. Die Isolationsschichten 24, an denen jeweils die Aufhängungen 43, 44 aufgehängt sind, sind jeweils benachbart zur Source- bzw. Drain-Elektrode 21, 22 angeordnet. 2 shows a second variant of an acceleration sensor in a schematic representation, in which also a source electrode 21 and a drain electrode 22 in the silicon substrate 23 are embedded. The first detection electrode 41 is over a first suspension 43 hung relatively hard. The second detection electrode attached above 42 is over a second suspension 44 hung relatively soft. The insulation layers 24 to each of which the suspensions 43 . 44 are each adjacent to the source and drain electrode 21 . 22 arranged.

Im Gegensatz zur ersten Variante gemäß 1 sind die tragenden Isolationsschichten 24 jeweils als erhabene Ringe ausgebildet, wobei der äußere Ring mit der nach innen weisenden zweiten Aufhängung 44 den inneren Ring mit der nach innen weisenden ersten Aufhängung 43 überragt. Erste bzw. zweite Aufhängung 43, 44 sind jeweils als flache biegsame Membranen ausgebildet, an denen die erste 41 bzw. die zweite Detektionselektrode 42 aufgehängt sind.In contrast to the first variant according to 1 are the load-bearing insulation layers 24 each formed as raised rings, wherein the outer ring with the inwardly facing second suspension 44 the inner ring with the inwardly facing first suspension 43 surmounted. First or second suspension 43 . 44 are each formed as flat flexible membranes, where the first 41 or the second detection electrode 42 are hung up.

3 zeigt eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, der weitgehend der zweiten Variante (2) entspricht. Allerdings sind hier Source- und Drain-Elektrode 21, 22 innerhalb der Isolationsschichten 24 für die erste Aufhängung 43 der ersten Detektionselektrode angeordnet. 3 shows a third variant of the acceleration sensor according to the invention, which largely the second variant ( 2 ) corresponds. However, here are source and drain electrode 21 . 22 within the insulation layers 24 for the first suspension 43 the first detection electrode arranged.

Bei auf den FET bzw. den MOSFET einwirkenden Beschleunigungen erfahren sowohl die erste 41 wie auch die zweite Detektionselektrode 42 eine weitgehend lineare Auslenkung senkrecht zu ihrer flachen Oberfläche. Aufgrund der unterschiedlichen Federsteifigkeiten der Aufhängungen 43, 44 sind die Auslenkungen jedoch unterschiedlich, womit sich der Abstand der Steuerelektroden 41, 42 ändert. Aus diesem variablen Abstand resultiert eine variable Steuerspannung des Transistors und damit ein variabler Stromfluss durch den Transistor. Dieser variable Stromfluss kann als sehr exakter Wert für die auf den Transistor einwirkende Beschleunigung gemessen werden.When acting on the FET or the MOSFET accelerations experience both the first 41 as well as the second detection electrode 42 a largely linear deflection perpendicular to its flat surface. Due to the different spring stiffnesses of the suspensions 43 . 44 However, the deflections are different, bringing the distance between the control electrodes 41 . 42 changes. From this variable distance results in a variable control voltage of the transistor and thus a variable current flow through the transistor. This variable current flow can be measured as a very accurate value for the acceleration acting on the transistor.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit der zweilagig federnd aufgehängten Steuerelektrode ermöglicht eine sehr exakte Messung von auftretenden Beschleunigungen und vermeidet weitgehend temperatur- oder fertigungsbedingte Offsetabweichungen.The inventive design with the two-layer spring-mounted control electrode allows a very accurate measurement of occurring accelerations and largely avoids temperature or production-related offset deviations.

Claims

Beschleunigungssensor mit einem Feldeffekttransistor (FET), der eine zweilagige Elektrodenstruktur mit einer ersten beweglichen Detektionselektrode (41) zur Modulierung eines Stromflusses unter Einwirkung von Beschleunigungen aufweist, wobei eine zweite bewegliche Detektionselektrode (42) vorgesehen ist, deren Auslenkungsrichtung bei einwirkenden Beschleunigungen gleich gerichtet ist zur Auslenkungsrichtung der ersten Detektionselektrode (41), wobei die erste Detektionselektrode (41) und die zweite Detektionselektrode (42) jeweils federnd aufgehängt sind und als seismische Massen fungieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federsteifigkeit einer ersten Aufhängung (43) der ersten Detektionselektrode (41) einen deutlich größeren Wert als eine Federsteifigkeit einer zweiten Aufhängung (44) der zweiten Detektionselektrode (42) aufweist.Acceleration sensor with a field effect transistor (FET), which has a two-layered electrode structure with a first movable detection electrode (FIG. 41 ) for modulating a current flow under the effect of accelerations, wherein a second movable detection electrode ( 42 ) is provided whose deflection direction is directed at acting accelerations equal to the deflection direction of the first detection electrode ( 41 ), wherein the first detection electrode ( 41 ) and the second detection electrode ( 42 ) are each suspended resiliently and act as seismic masses, characterized in that a spring stiffness of a first suspension ( 43 ) of the first detection electrode ( 41 ) a significantly greater value than a spring stiffness of a second suspension ( 44 ) of the second detection electrode ( 42 ) having.

Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Detektionselektrode (41, 42) gemeinsam eine Steuerelektrode (Gate 4) des Feldeffekttransisors (2) bilden.Acceleration sensor according to claim 1, characterized in that the first and second detection electrodes ( 41 . 42 ) together a control electrode (gate 4 ) of the field effect transistor ( 2 ) form.

Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Detektionselektrode (41, 42) aus dem gleichen Material bestehen.Acceleration sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the first and second detection electrodes ( 41 . 42 ) consist of the same material.

Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Detektionselektrode (41, 42) unter Temperatureinwirkung eine annähernd gleiche Verformung ausführen.Acceleration sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first and the second detection electrode ( 41 . 42 ) perform an approximately equal deformation under the influence of temperature.

Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (2) ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist.Acceleration sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the field effect transistor ( 2 ) is a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).