DE3223987A1

DE3223987A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3223987A1
Application number: DE19823223987
Authority: DE
Inventors: Félix 2016 Cortaillod Rudolf
Original assignee: Centre Electronique Horloger SA
Current assignee: Centre Electronique Horloger SA
Priority date: 1981-07-02
Filing date: 1982-06-26
Publication date: 1983-01-20
Anticipated expiration: 2002-06-27
Also published as: DE3223987C2; JPH0339268B2; US4483194A; CH642461A5; GB2101336B; GB2101336A; JPS5810661A

Description

"Beschleunigungsmesser"

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser, der mit Hilfe einer Technologie für integrierte elektronische Schaltkreise realisierbar ist. Beschleunigungsmesser sind bekannt, die mit Hilfe von Techniken verwirklicht wurden, die analog zu denjenigen für integrierte Schaltkreise sind.Solche Beschleunigungsmesser sind beispielsweise beschrieben in den Aufsätzen "Silicon catilever beam accelerometer utilizing a PI-FET capacitive transducer" in IEEE Trans, on Electron Devices, Band ED-26, Nr. 11, November 1979";und "A batch-fabricated silicon accelerometer" in IEEE Trans, on Electron Devices, Band ED-26, Nr. 12, Dezember 1979. Ein weiterer integrierter Beschleunigungsmesser wurde unter dem Titel "Micromechanical Accelerometer integrated with MOS detection circuitry" auf der Kon ferenz "International Electron Devices Meeting" in Washington am 8. bis 10. Dezember 1980 präsentiert. Diese Beschleunigungsmesser weisen hauptsächlich eine rechteckige Membran auf, deren eine Seite an einem Träger befestigt ist, während Mittel zum Feststellen der Bewegung der Membran unter der Wirkung einer Beschleunigung vorgesehen sind. Eine derartige Befestigungsart impliziert einen relativ großen Betrag der Konstante des Beschleunigungsmessers, was einer größeren· Empfindlichkeit entgegensteht. Außerdem sprechen diese Beschleunigungsmesser auch auf Beschleunigungen in nicht gewünschten Richtungen an.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleunigungsmesser zu schaffen, der mit Hilfe einer Technologie zur Herstellung integrierter elektronischer Schaltkreise herstellbar ist und

die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.

Ferner soll der Beschleunigungsmesser eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen in einer bevorzugten Richtung aufweisen. Außerdem soll der Beschleunigungsmesser praktisch unempfindlich gegenüber Beschleunigungen in anderen als der bevorzugten Richtung sein.

Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungsmesser gelöst, der

- eine Klappe, die an einem Träger durch zwei elastische, gegenüberliegende Halterungen befestigt und um diese Halterungen unter der Einwirkung einer Beschleuni gung senkrecht zur Ebene des Trägers schwenkbar ist;

- wenigstens eine Elektrode, die gegenüber von der

Klappe und in einer Ebene parallel zur Ebene des Trägers angeordnet ist; und

- Mittel zum Liefern eines Signals, ausgehend von der Kapazitätsmessung zwischen der Klappe und der Elektrode aufweist, das repräsentativ für die Beschleunigung ist, der die Klappe unterliegt.

Es können auch zwei Elektroden auf beiden Seiten der Klappe sowie Gegenkopplungsmittel zum Anlegen einer Spannung zwischen der Klappe und einer der beiden Elektroden vorge sehen sein, wobei die Spannung geeignet ist, den Effekt der Beschleunigung, der die Klappe unterliegt zu kompensieren und diese in ihre Ruheposition zurückzubringen.

Die Verwendung von zwei symmetrischen Halterungen, die über Torsion arbeiten, ermöglicht es, einen geringen Wert für die Federkonstante zu erhalten, wodurch die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers verbessert wird. Andererseits sichert die Anordnung der Halterungen auf beiden Seiten der Klappe ein ausreichendes Halten der Klappe, indem jeder anderen Bewegung als der Drehbewegung um die Achse der Halterungen entgegengewirkt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele 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 Mess

kreises 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 elastisehe 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. Beispielsweise kann der Träger 1 aus einem Substrat aus Silicium vom η-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 eierseits eine Trägheitsmasse und

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andererseits eine Platte eines Kondensators, dessen andere Platte durch die Elektrode 5 gebildet wird. Wenn der Beschleunigungsmesser einer Beschleunigung serfcrecht 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 der Klappe 2 bringt eine entsprechende Änderung der Kapazität zwischen der Klappe 2 und der Elektrode 5 mit sich, die gemessen werden kann.

Die Struktur der Klappe 2 ermöglicht es, ein sehr günstiges Verhältnis von Trägheitskraft zu Rückstellkraft. In der Tat kann die Rückstellkraft durch eine Verminderung des Querschnitts 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 Frequenzanspräche. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Aufbaus besteht darin, daß dann, wenn die Rotation der Klappe 2 um die Halterrungen 3 favorisiert ist, wie dagegen jeder anderen Bewegung, die zu einer Dehnung der Halterungen 3 führen würde, entgegenwirkt. Dies garantiert ein gutes Verhalten des Beschleunigungsmessers hinsichtlich der Beschleunigungsmessung in einer bevorzugten Richtung, die die Richtung senkrecht zur Ebene des Trägers 1 ist. Dieser Vorteil kann noch erhöht werden, wenn der Träger aus monokristallinem Silicium besteht und wenn die Klappe 2 und ihre Halterungen 3 stark mit Bor (mit einer typischen Konzentration gleich oder größer 10 Atome/cm³). Eine Bor-Dotierung hat zur Folge, daß auf die Halterungen 3 der Klappe 2 ausgeübte Längsbeanspruchungen erzeugt werden, die die Klappe 2 gegenüber 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 Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungsmessers mit dem Träger 1, der Klappe und ihren Halterungen, der Elektrode 5 und der Platte 4.

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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 beispielsweise 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 ρ -Diffusionsbereich 52 oder mit dem Messkreis 7 über den Bereich 52, den Bereich 51, den Bereich 73 und den ρ Diffusionsbereich 72. Der Träger 1 ist in einem Substrat aus η -Silicium realisiert. Auf seiner Unterseite ist er durch eine isolierende Schicht 6 aus SiO_ geschützt. Ferner ist eine isolierende Schicht aus SiO_? 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 1 980 . Zur Herstellung einer iferabran der gewünsch· ten 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, Fabruar 1981. Aus der Membran werden die Klappe 2 und ihre Halterungen durch Ätzen vorzugsweise in gasförmigem Milieu ausgeschnitten (beispielsvreise 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 den Träger 1 durch anodisches Verkleben befestigt. Die zusätzliche Elektrode 10 wird mit einem Kontaktbereich 12 über einen ρ -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 aufweisen, deren gemeinsamer Anschlußpunkt mit Masse verbunden ist. Der gemeinsame Anschlußpunkt zwischen dem Kondensator Ci 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 Gleichrichten 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 in einer Position nahe ihrer Gleichgewichtsposition zurückzuführen. Der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufen muß eingestellt werden, um die Kapazitätsdifferenzen zwischen C1 und C1 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 C1 sein.

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

Es können auch andere Halbleitermaterialien wie Germanium oder Isoliermaterialien wie Saphir verwendet werden, um den Träger 1 herzustellen. Wenn jedoch der Träger 1 aus isolierendem Material besteht, werden-die Klappe 2 und ihre HaI-terungen 3 aus einem leitenden Material hergestellt.

Claims

Ansprüche 10 15

1.) Beschleunigungsmesser zur Herstellung mit Hilfe "einer Technologie für elektronische integrierte Schaltkreise, gekennzeichnet durch

- eine Klappe (2), die auf einem Träger (1) durch zwei gegenüberliegende elastische Halterungen (3) befestigt und um die Halterungen (3) unter der Wirkung einer Beschleunigung senkrecht zur Ebene des Trägers

(1) drehbar ist,

- wenigstens eine Elektrode (5,10), die gegenüber von der Klappe (2) und in einer Ebene parallel zur Ebene des Trägers (1) angeordnet ist und

- eine Einrichtung zum Liefern eines Signals repräsentativ für die Beschleunigung, der die Klappe (2) unterliegt aus der Kapazitätsmessung zwischen der Klappe (2) und der Elektrode (5,10).

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 (2) und einer der Elektroden (5,10) eine Spannung anzulegen, die geeignet ist, die Wirkung der Beschleunigung, der die Klappe (2) unterliegt, zu kompensieren, und die Klappe (2) in ihre Ruheposition zu-

25 rückzuführen.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1), die Klappe (2) und

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ihre Halterungen (3) aus Silicium bestehen und die Klappe (2) und ihre Halterungen (3) eine Dotierung eines Typs besitzen, die verschieden von derjenigen des Trägers (1) ist.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Liefern eines Signals repräsentativ für die Beschleunigung auf dem Träger (1) integriert ist.

5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (5,10) auf einer Platte (4,9) aufgebracht ist, die auf dem Träger (1) befestigt ist.

6. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 3 bis 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (2) und ihre Halterungen (3) stark mit Bor dotiert sind.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Liefern eines Signals repräsentativ für die Beschleunigung eine Messbrücke umfaßt, die wenigstens einen Festwertkondensator und einen Kondensator mit variablem Wert aufweist, der durch die Klappe (2) und die Elektrode (5) gebildet wird. 25