DE3507820C2 - - Google Patents
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- G—PHYSICS
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven
Meßwertaufnahme nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Vorrichtungen zur kapazitiven Meßwertaufnahme, so
genannte kapazitive Wandler, werden beispielsweise zum
Messen der auf einen Körper einwirkenden Kraft ver
wendet. Der kapazitive Wandler weist einen Kondensator
auf, dessen eine Kondensatorplatte bewegbar ist und mit
einer seismischen Masse versehen ist. Wenn auf den
Wandler ein Druck oder eine Kraft ausgeübt wird, bewegt
sich die seismische Masse, was eine Abstandänderung der
Kondensatorplatten und damit eine Kapazitätsänderung
des Kondensators zur Folge hat. Ebenso können mit kapa
zitiven Wandlern Beschleunigungen, die einen Körper
infolge einer auf ihn wirkenden Kraft erfährt und durch
Integration der Beschleunigung die Geschwindigkeit des
Körpers sowie durch nochmalige Integration der zurück
gelegte Weg ermittelt werden. Kapazitive Wandler werden
insbesondere bei der von Robotern gestützten Her
stellung von Produkten, wie Automobilen und in den An
triebssystemen und Lenkwaffen der unterschiedlichsten
Art eingesetzt. Die Hauptforderungen, die an kapazitive
Wandler gestellt werden, sind geringe Herstellungs
kosten, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe
Empfindlichkeit für Erregungen innerhalb eines sehr
großen Meßbereichs sowie die Möglichkeit des Einsatzes
unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen.
Ein kapazitiver Wandler gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 ist aus US-PS 44 35 737 bekannt. Der
kapazitive Wandler weist zwei feststehende parallele
Kondensatorplatten auf, zwischen denen eine bewegbare
Kondensatorplatte aus Silizium mit einer seismischen
Masse angeordnet ist, so daß sich zwei Kondensatoren
mit jeweils einer feststehenden und einer bewegbaren
Kondensatorplatte ergeben. Die bewegbare Kondensator
platte ist in ihrem mittleren Bereich zwischen den
beiden feststehenden Kondensatorplatten eingeklemmt. Um
diesen mittleren Bereich herum weist die bewegbare Kon
densatorplatte einen Ringbereich mit einer äußerst ge
ringen Dicke auf, der als Membranfeder wirkt und von
einem Rahmen mit größerer Dicke, der die seismische
Masse darstellt, umgeben ist. Die bewegbare Konden
satorplatte ist einstückig ausgebildet, wobei ihr
Rahmen federnd von der Membran gehalten ist. Die fest
stehenden Kondensatorplatten und die diesen gegenüber
liegenden Flächen des Rahmens sind mit Abstand zu
einander angeordnet. Wirkt auf den kapazitiven Wandler
eine Kraft ein, so wird der Rahmen aus seiner Ruhe
position ausgelenkt, wobei sich der Abstand zwischen
dem Rahmen und den feststehenden Kondensatorplatten
verändert, was eine Kapazitätsänderung zur Folge hat.
Der kapazitive Wandler weist kleine Abmessungen auf und
wird in Silizium-Technologie gefertigt. Die Bewegung
der seismischen Masse wird von den Luft- bzw. Gas
kissen, die sich in den Zwischenräumen zwischen der
seismischen Masse und den feststehenden Kondensator
platten befinden, stark gedämpft. Wenn die seismische
Masse zu einer Kondensatorplatte hin ausgelenkt wird,
kann das Gas nicht schnell genug aus dem kleinen
Zwischenraum abströmen. Umgekehrt kann bei der Zurück
bewegung der seismischen Masse neues Gas nicht schnell
genug nachströmen. Der kapazitive Wandler ist daher
relativ unempfindlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapa
zitiven Wandler nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1 zu schaffen, bei dem sich die seismische
Masse unter kontrollierter Dämpfung bewegen kann, um
die Genauigkeit der kapazitiven Umwandlung zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
einem kapazitiven Wandler, der die Merkmale des kenn
zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Wandler weist die
Oberfläche der seismischen Masse mindestens ein Durch
gangsloch auf, von dem aus sich mehrere Gräben in der
Oberfläche der seismischen Masse erstrecken. Die Gräben
haben dabei einen sich mit zunehmender Entfernung vom
Durchgangsloch verringernden Querschnitt. Durch das
Loch bzw. den Durchlaß strömt das die seismische Masse
umgebende Gas bzw. Fluid hindurch, wenn sich die seis
mische Masse infolge einer Krafteinwirkung hin- und
herbewegt. Die Gräben bzw. Kanäle in der Oberfläche der
seismischen Masse leiten je nach Bewegungsrichtung der
seismischen Masse den Fluidstrom zu dem Durchlaß hin
bzw. von diesem weg. Der hauptsächliche Strömungs
widerstand, der dem Fluidstrom bei Bewegung der seis
mischen Masse entgegensteht, liegt in den verteilten
Kanälen. Dieser Strömungswiderstand wird durch Dämpfen
in dem Durchgangsloch der seismischen Masse kon
trolliert vergrößert.
Das Durchgangsloch in der seismischen Masse und die
Vielzahl der auf der Oberfläche der seismischen Masse
ausgebildeten Führungskanäle mit ihren sich zum Durch
gangsloch hin vergrößernden Querschnitten gewähr
leisten, daß das Fluid zwischen der seismischen Masse
und der feststehenden Kondensatorplatte bei Erregung
der seismischen Masse schnell abströmen und schnell
nachströmen kann. Die Ausgestaltungen von Durchgangs
loch und Gräben der seismischen Masse werden mittels
reproduzierbarer und in der Silizium-Technologie
gebräuchlicher Ätzvorgänge bestimmt. Durch die Anzahl
und die Ausgestaltung der Durchgangslöcher und die Aus
gestaltung der Gräben kann daher die Dämpfung sehr
genau eingestellt werden, so daß kapazitive Wandler mit
einem vorgegebenen Übertragungsgehalten oder einer vor
gegebenen Ansprechcharakteristik entstehen, wobei eine
hohe Empfindlichkeit und eine hohe Genauigkeit gewähr
leistet sind.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach
Anspruch 3 weist die seismische Masse mehrere Er
hebungen auf, die als Anschläge dienen und über die
Oberfläche verteilt angeordnet sind. Im Überlastfall
verhindern die Anschläge das elektrische Kurzschließen
der Platten. Außerdem verhindern sie zwei Arten von
Halteeffekten, die sich infolge eines Überlastfalles
einstellen können. Bei sehr empfindlichen kapazitiven
Sensoren kann die Kraft, mit der sich die bewegbare und
die feststehende Kondensatorplatte aufgrund der elek
trischen Vorspannung oder der Trägerspannung des Sen
sors anziehen, die Federkraft der die seismische Masse
haltenden Membran übersteigen, wenn sich die seismische
Masse sehr nahe an der feststehenden Kondensatorplatte
befindet. Die seismische Masse kann daher an der fest
stehenden Kondensatorplatte haften bleiben. Ein solcher
Halteeffekt wird durch die Erhebungen, die die Konden
satorplatten im Überlastfall auf einen Mindestabstand
halten, verhindert. Die Höhe der Erhebungen kann bei
spielsweise so gewählt sein, daß der Halteeffekt auch
bei einer Spannung von 5 Volt verhindert wird, wobei
die Biegesteifigkeit der Membran so bemessen ist, daß
sie als Antwort auf eine Beschleunigung von 1 G einen
Weg von 2,54×10-2 µm zurücklegt.
Bei einer anderen Art von Halteeffekt wird die seis
mische Masse "pneumatisch" von der festen Kondensator
platte festgehalten. Werden nämlich zwei flache Platten
sehr eng zusammengebracht, so steigt der Strömungs
widerstand, der sich zwischen diesen Platten bildet,
stark an. Bei empfindlichen Sensoren kann es einige
Zeit (mehrere Sekunden) dauern, bis das Gas in den
Zwischenraum zwischen feststehender Kondensatorplatte
und seismischer Masse nach einem Überlastfall zurück
geströmt und damit die seismische Masse wieder in ihre
Ausgangsposition zurückkehrt ist. Die über die Ober
fläche der seismischen Masse verteilten Anschlagpunkte
halten den Raum zwischen der seismischen Masse und der
feststehenden Kondensatorplatte offen und ermöglichen
den sicheren Durchfluß des Fluids und die schnelle
Rückstellung der seismischen Masse.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Ansprüchen 4 und 5 angegeben.
Gemäß Anspruch 6 ist die bewegbare Kondensatorplatte in
einer aus mehreren Schichten bestehenden Sandwich-
Struktur angeordnet. Die bewegbare Kondensatorplatte
befindet sich dabei zwischen zwei Außenschichten, wobei
sich ein Hohlraum bildet, in dem die seismische Masse
angeordnet ist. Die zu beiden Seiten der seismischen
Masse befindlichen Teilhohlräume stehen somit über die
Durchgangslöcher miteinander in Verbindung. Bei Be
wegung der seismischen Masse erfolgt stets ein Gas-
bzw. Fluidaustausch zwischen den beiden Teilhohlräumen.
Da der so ausgebildete kapazitive Wandler ein zu allen
Seiten geschlossenes Gehäuse aufweist, ist er vor Ver
unreinigungen weitestgehend geschützt.
Nach Anspruch 8 weisen die elektrischen Kontaktierungen
der bewegbaren Kondensatorplatte vorteilhafterweise
Erhebungen in Form von kleinen Knöpfen, Leisten, Stäben
oder sonstigen Vorsprüngen aus Silizium auf, die ein
stückig mit der bewegbaren Kondensatorplatte sind und
gegen einen Aluminiumfilm an der gegenüberliegenden
Schicht der Verbundstruktur drücken. Hierdurch werden
die Erhebungen bei elastischer Verformung des darunter
liegenden Materials zusammengehalten, so daß eine
stabile Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen
erzielt wird.
Durch die Erfindung werden hochempfindliche kapazitive
Wandler mit kleinen Abmessungen geschaffen, die in
Silizium-Technologie gefertigt werden können und
gleichförmige mittels Ätzen entstandene Flexuren haben.
Bei der Herstellung des aus Silizium bestehenden kapa
zitiven Wandlers ist zu beachten, daß der Abstand zwi
schen der feststehenden und der beweglichen Konden
satorplatte des fertiggestellten Produkts innerhalb
einer Toleranz von ±10% liegt, während die Membran eine
Dicke aufweist, die innerhalb einer Toleranz von ±8%
liegt. Darüber hinaus sollte die verbleibende Membran
im wesentlichen in der Mittelebene der Siliziumscheibe
angeordnet sein. Weiterhin muß die Breite der Kanäle
auf der Oberfläche innerhalb einer Toleranz von ±15%
liegen und die Kanäle an den Durchgangslöchern eine
definierte Rundung aufweisen. Ebenso dürfen die Durch
gangslöcher und Kanäle kein überhängendes brüchiges
Material aufweisen. Die als Anschlagpunkte fungierenden
Erhebungen auf der seismischen Masse müssen aus nicht
leitendem Material bestehen, um anodenseitig angelegten
Spannungen standzuhalten und sollten eine Dicke im Be
reich von 0,6 bis 1,0 µm aufweisen. Schließlich müssen
die Anschlußränder für den anodenseitigen Anschluß
flach und glatt sein und es ist kein photolithographi
scher Prozeß erlaubt, nachdem die Membran freigelegt
oder fertiggestellt ist.
Das Ausgangsmaterial für die bewegbare Kondensator
platte ist beispielsweise eine einkristalline Silizium
scheibe vom N oder P Typ, die längs der Ebene (100)
geschnitten ist und zur Richtung (110) unter einem
Winkel von 0,7° steht. Die Anfangsdicke der Silizium
scheibe beträgt 0,1905 mm+5,08 µm. Beide Seiten
werden poliert und mit einer dünnen Oxidschicht von
ungefähr 0,3 µm Dicke überzogen. Anschließend werden
mittels Photolithograpie Indexmuster auf die vordere
und die hintere Oxidschicht gebracht, und die offen
liegenden Indexstellen werden reoxidiert. Dann werden
die photolithographisch aufgebrachten Muster der
Gräben, Kanäle und Löcher der bewegbaren Kondensator
platte im Oxid auf der Frontseite und die der Löcher im
Oxid auf der Rückseite freigelegt. Die Siliziumscheibe
wird nun in einem Kaliumhydroxidätzbad bis etwas mehr
als auf die Hälfte tief geätzt (0,09906 mm), um die
Durchgangslöcher zu öffnen. Anschließend wird die
Frontseite photolithographisch behandelt, wobei das
verbleibende Oxid aus dem mittleren Bereich herausge
nommen wird, die Randzonen jedoch unberührt bleiben.
Danach werden mit Hilfe einer sehr genauen Oberflächen
ätzung (z.B. Ionenstrahlfräsen) 3,5 µm ±10% des frei
gelegten Siliziums der Frontseite abgenommen, so daß
der Plattenabstand des Kondensators entsteht.
Danach liegt das verbleibende Oxid frei und beide
Seiten werden mit einer starken Oxidschicht von unge
fähr 0,6 µm Dicke reoxidiert. Die Rückseite wird photo
lithographisch behandelt, um das Oxid nur auf den
jenigen Bereiche, die in einem abschließenden Ätzvor
gang angegriffen werden, zu belassen, und um das rest
liche Oxid abzunehmen. Das gesamte freiliegende Sili
zium wird anschließend mit Bor dotiert, bis in einer
Tiefe von 2,2 µm die Borkonzentration mehr als 5×1019
l/cm3 beträgt.
Der Siliziumträger wird in einer trockenen O2-Atmos
phäre reoxidiert, um die effektive Tiefe, in der die
Borkonzentration mehr als 5×1019 l/cm3 beträgt, auf
1,6 µm zu reduzieren. Die Schicht mit einer hohen Do
tierung verläuft langsam nach innen und nach außen hin
zu Schichten mit niedrigerer Dotierung. Die Oxidschicht
sollte ungefähr 0,6 µm betragen. Anschließend wird ein
photolithographischer Prozeß angewandt, um die An
schlagpunkte aus Oxid auf der Oberfläche zu belassen,
worauf im Anschluß daran das gesamte andere Oxid abge
tragen wird. Schließlich wird der abschließende Ätzvor
gang eingeleitet (Ethylendiamin/Brenzcatechin (EDB)
Ätzung) um die übrigbleibenden Membranen aus Silizium,
welches mit einer Dichte von mehr 5×1019 l/cm3
dotiert ist, freizulegen.
Die Deck- und Grundschicht der erfindungsgemäßen Sand
wichstruktur werden vorzugsweise aus Hartglas herge
stellt. Dazu wird ein Borsiliziumglas, vorzugsweise
Pyrex verwendet. An das Glas wird die Bedingung ge
stellt, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient
nahe bei dem des Siliziums liegt, so daß während des
Abkühlens, nachdem die beiden Oberflächen miteinander
verbunden worden sind, die Kontraktion des Glases un
gefähr gleich der des Siliziums ist. Darüber hinaus
sollte das Glas im Bereich der Temperatur von 450° bis
550°C, bei der die beiden Hälften miteinander verbunden
werden, eine elektrische Leitfähigkeit von 105 bis 108
Ωcm haben. Schließlich sollte das Glas mechanische und
chemische Stabilität bei Temperaturen unterhalb von
100°C haben. Die Basisschicht trägt die feststehende
Kondensatorplatte des Kondensators. Diese kann ein
dünner Metallfilm sein, der auf der der beweglichen
Platte gegenüberliegenden Seite angebracht ist, und mit
einem Ansatzstück zur elektrischen Verbindung versehen
ist, welches durch eine Aussparung in der Berandung der
mittleren Schicht (beweglichen Kondensatorplatte) hin
durchragt. Diese Aussparung kann mit Lötglas versiegelt
werden, um eine Verunreinigung des Inneren der Vor
richtung zu verhindern. Die Deckschicht weist eine Aus
nehmung auf, die dem mittleren Bereich der bewegbaren
Kondensatorplatte gegenüberliegend angeordnet ist, um
deren Bewegung bzw. die Bewegung der seismischen Masse
zu ermöglichen. Diese beiden Pyrex-Teile können
anodisch an dem mittleren Teil der bewegbaren Platte
verbunden werden.
Alternativ können die Deck- und die Grundschicht zur
Gewährleistung der Isolierung und der geringen kapa
zitiven Kopplungen zwischen den Schichten prinzipiell
aus Silizium mit Einbettung aus Pyrex oder ähnlichem
bestehen. Ein Verfahren, um solche Zusammenstellungen
aus Pyrex und Silizium herzustellen, besteht darin, daß
man in das Silizium eine Vertiefung hineinätzt, die
etwas tiefer ist als die gewünschte Dicke der Pyrex
schicht. Dann wird die Pyrexmasse durch Sedimentation
auf dem Silizium aufgebracht und verschmilzt zu einer
festen Schicht aus Glas mit einer Dicke, die größer ist
als die Vertiefungen tief sind.
Die Oberfläche der Siliziumscheibe wird dann grundiert
und poliert, um das Pyrex von der unbehandelten Ober
fläche des Siliziums zu entfernen, und um eine plane
und glatte Oberfläche der Pyrexschicht in den Bereichen
der Vertiefungen zu erstellen. Die Basisschicht, die
die feststehende Kondensatorplatte darstellt, wird mit
einem dünnen photolithographisch aufgebrachten Alu
miniumfilm überzogen, um einfache Verbindungen sowohl
mit der Basisschicht als auch mit der die bewegbare
Kondensatorplatte darstellenden Schicht zu schaffen.
Die Deckschicht benötigt eine Vertiefung, um die Be
wegung der bewegbaren Platte zu ermöglichen. Eine
solche Vertiefung wird zweckmäßigerweise durch Ätzen in
dem EDB-Ätzbad erstellt, welches das Silizium aber
nicht die Pyrexschicht angreift.
Es gibt zwei Gründe für die Verwendung außenliegender
Siliziumschichten mit eingelagerten Pyrexschichten. Ein
Grund ist der, um mit der feststehenden Elektrode aus
der Ebene herauszukommen, und um damit die Notwendig
keit einer Aussparung in den Verbindungsrand bzw. das
Zustopfen dieser Aussparung zu vermeiden. Der andere
Grund ist der, daß die Ungleichheit der thermischen
Ausdehnung zwischen den einzelnen Teilen reduziert
wird, indem man sie quasi alle aus einem Material
macht.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezug
nahme auf die Zeichnungen näher ausgeführt.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht von unten auf die Kondensa
torplatte, die den mittleren Teil der den
kapazitiven Wandler bildenden Mehrschicht
struktur darstellt,
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt längs der Linie II-II
der Fig. 1,
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt längs der Linie III-III
der Fig. 1,
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den kapazitiven
Wandler, wobei die obenliegende Fläche der
Mehrschichtstruktur dargestellt ist,
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Kern bzw. die
Kondensatorplatte, bei der die Deckschicht
bzw. oberste Schicht der Mehrschichtstruktur
weggelassen worden ist,
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der
Deckschicht der Mehrschichtstruktur, wobei die
mittlere Kondensatorplatte weggelassen worden
ist,
Fig. 7 zeigt wie Fig. 1 eine Ansicht von unten auf
den mittleren Teil der Kern- bzw. Kondensator
platte der Mehrschichtstruktur bei entfernter
Basisschicht,
Fig. 8 zeigt eine Ansicht der Basisschicht der Mehr
schichtstruktur mit der nach innen zeigenden
Fläche der Basisschicht, die der bewegbaren
Kondensatorplatte gegenüberliegt, und
Fig. 9 ist eine Seitenansicht des kapazitiven Wand
lers in Mehrschichtstruktur.
Für die Zeichnungen gilt, daß sich bei allen Ansichten
gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile der Figuren
beziehen. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die mittlere
Kondensatorplatte bzw. auf die Kernplatte, die zwischen
der Grund- und der Deckschicht liegt und somit eine
Mehrschichtstruktur bildet, die als höchstempfindlicher
kapazitiver Wandler benutzt werden kann. Die darge
stellte Ansicht der mittleren Kondensatorplatte zeigt
deren Unterseite, die der Grundschicht gegenüberliegt.
Die Kondensatorplatte 10 weist die mittlere bewegbare
Platte 15 auf, die kolbenartig in Richtung aus und in
die Papierebene hinein bewegbar ist und umschlossen
wird von der flexiblen Membran 11. Die außenliegende
Oberfläche der Membran 11 ist mit dem Verbindungsrahmen
30 verbunden.
Eine Besonderheit hierbei sind die zahlreichen Perfo
rationen bzw. Durchlässe 16, die querliegend über die
Oberfläche der bewegbaren Platte 15 verteilt angeordnet
sind. Diese Perforationen bzw. Durchlässe ermöglichen
bei der Mehrschichtstruktur des kapazitiven Wandlers
den Luftstrom von der Unterseite der Platte 15 zu ihrer
Oberseite und zurück. Die Ausnehmung 12, die unterteilt
ist von der Nut 18, befindet sich auf der Oberseite des
Kondensatorkerns 10 in der Zone der bewegbaren Platte
15 und bildet einen Bereich einer tiefergelegenen Aus
höhlung, die zwischen der Grundschicht der Mehrschicht
struktur und der mittleren Kondensatorplatte 10 ge
bildet wird. Außerdem formen die Oberflächenvertie
fungen und/oder Nuten einen Führungskanal für den Luft
durchfluß, um die Luft entlang der Oberfläche in
Richtung der Perforationen 16 zu leiten. Dies dient der
Sicherstellung eines rasch und genau geführten Luft
stromes bzw. des raschen Rückstellens, wenn die sich
gegenüberliegenden Platten nahe zusammenkommen. Auf der
Unterseite der Platte 10 befinden sich Vorsprünge oder
Noppen 22 zur elektrischen Kontaktierung mit einem
gegenüberliegenden dünnen Metallfilm auf der gegenüber
liegenden Grundplatte wenn die verschiedene Teile, die
die Überlagerungsstruktur des kapazitiven Wandlers bil
den, zusammengefügt werden. 24 ist eine Aussparung in
der Platte 10, durch die ein Metallfilmkontakt der
festen Platte hindurchgeführt werden kann.
Während der Bildung des Kernplattenteils 10 werden
zahlreiche durch gegenseitige Abstände voneinander ge
trennte Anschläge 14 über die Oberfläche des mittleren
kolbenartig bewegbaren Plattenteils 15 erzeugt. Die
Anschläge 14 sind dielektrisch und dienen somit der
Verhinderung eines elektrischen Kontaktes der Platte 15
mit der gegenüberliegenden Oberfläche der feststehenden
Grundschicht der Mehrschichtstruktur. Dieses verhin
dert wiederum auch das pneumatische Aneinanderkleben,
so daß die Luft schnell zwischen den Platten hindurch
strömen kann.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den mittleren
Plattenteil 10. Die Oberfläche 26 ist bis unterhalb der
Randfläche 70 der Platte 10 geätzt. Bis zu einer etwas
geringeren Tiefe sind die Reihen von Anschlägen 14 ge
ätzt, die die Angriffsflächen der flexiblen kolbenar
tigen Platte 15 bei ihrer Bewegung in Richtung auf die
gegenüberliegende feste Kondensatorplatte darstellen,
die durch die zu unterst liegenden Schicht der Über
lagerungsstruktur gebildet wird. In gestrichelter Linie
ist in der Oberfläche 26 der Platte 10 die Konfigura
tion der Luftströmungsdämpfungskanäle 18 angedeutet.
Von den Oberflächen 24 bzw. 26 verlaufen "Schrägen" 27,
29, die in die dünnere Membran 11 übergehen, an welcher
die Platte 15 bewegbar aufgehängt ist.
Bei den so hergestellten Vorrichtungen sind die Abmes
sungen der eingeätzten Vertiefungen äußerst gering. So
kann die Ätztiefe der Oberflächen der Anschläge 14 und
der Oberfläche 26 unterhalb der Oberfläche 70 eigent
lich mit bloßem Auge aus Fig. 2 nicht erkannt werden.
Des besseren Verständnisses wegen sind die Zeichnungen
sehr übertrieben dargestellt. Die Gesamtgröße des hier
beschriebenen Kondensators wird weiter unten angegeben.
Fig. 3 zeigt die gleiche Oberfläche 26 des Kondensators
mit den Nuten 18. Dieser Schnitt ist durch ein Gebiet
gelegt, das keine Perforationen aufweist.
Die Fign. 5 bis 9 zeigen die Mehrschichtstruktur des
kapazitiven Wandlers. So zeigt zum Beispiel Fig. 9 die
zusammengefügten Teile einschließlich der Basisschicht
56, der Kernschicht 10 und der Deckschicht 50.
Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf die Sandwich-Struktur,
einschließlich der außenliegenden Oberfläche der Deck
schicht 50 zusammen mit dem Basiskontakt 38 und der
Kernschichtkontaktierung 40. Wenn die Deckschicht 50
von der Oberfläche des mittleren Kernteils 10 abgenom
men wird, ergibt sich für die innere freigelegte Ober
fläche der Deckschicht 50 die Ansicht, wie sie Fig. 6
zeigt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich eine Rand
zone in Form eines Pyrexfilms 52 um die äußere Ober
fläche des Siliziumkristalls herum, der die Deckschicht
bildet. Hierbei beträgt die Stärke des Pyrexfilms, der
aus erstarrtem Pyrexgranulat wie zuvor beschrieben ent
steht, nach dem Polieren und/oder Schleifen desselben
ca. 10,16 µm. Der mittlere Teil 54 ist aus reinem Sili
zium, das bezogen auf die sich berührende Oberfläche
der Deckschicht 8,89 µm tief geätzt ist. Somit formt
die geätzte und tiefer gelegene reine Siliziumober
fläche einen Teil des Hohlraums der Mehrschichtstruk
tur. Wird die Deckschicht 50 von der darunterliegenden
Oberfläche der Kernplatte 10 entfernt, so ergibt sich
die Ansicht der Kernplatte, wie sie Fig. 5 zeigt. Eine
Vielzahl von Löchern bzw. Perforationen 16 ist auf der
Oberfläche des Kernteils 10 auf dem beweglichen Plat
tenteil 15 angeordnet, welcher auf der Membran 11 be
wegbar gehalten wird.
Wird die Basisschicht 56 vom mittleren Kernteil ent
fernt, ergibt sich die dem Kernteil zugewandte Ansicht
der Basisschicht 56 wie sie Fig. 8 zeigt. In diesem
Fall weist die Basisschicht 56 auch einen aus einem
Pyrexfilm bestehenden Rahmen 58 auf, der in der
gleichen Art wie der Pyrexfilmrand der Deckschicht der
Mehrschichtstruktur entsteht. Kontakt 62 ist ein Me
tall-Pyrexkontakt zur Platte 10 und ist gegenüber der
Basisschicht 56 isoliert, wohingegen Kontakt 64 ein
Metall-Siliziumkontakt für die Basisschicht 56 ist. Der
aus reinem Silizium bestehende Teil 60, der eine feste
Kondensatorplatte bildet, ist durch Ätzen um 3,048 µm
tiefer gelegen, wie es für eine spezielle Dimensionie
rung charakteristisch ist. Der geätzte und tiefer ge
legene Teil bildet wiederum einen Teil des Hohlraums,
in dem sich die Platte 15 der Mehrschichtstruktur ver
formt.
Fig. 7 entspricht der Darstellung der Fig. 1 und zeigt
die Unterseite des mittleren Kernteils 10 mit ent
sprechenden Vertiefungen 32, 34 und 35. Diese Unterseite
weist mehrere voneinander getrennte Erhebungen oder
Leisten aus Silizium auf, die den Kontakt zum Bereich
62 auf der Basisschicht 56 herstellen. Zwischen die
isolierten Vertiefungen 32 und 35 ragen schmale Leisten
33, um die Verbindung zu Kontakt 62 (Fig. 8) herzustel
len. Die Vertiefung 35 erstreckt sich gänzlich durch
die Kernplatte 10 hindurch bis in die Anschlußmulde 46
(Fig. 5) und ermöglicht zwecks optischer Ausrichtung
die Draufsicht auf den Metallkontakt 62. Die unter
schiedlichen Kontakte dienen zum Anschließen der Vor
richtung, um die durch Veränderung der zu messenden
Beschleunigung oder des zu messenden Drucks hervorge
rufenen Kapazitätsänderung zu ermitteln.
Der kapazitive Wandler ist extrem klein. Beispielsweise
gilt für die Größenordnungen, die bei der Produktion
des kapazitiven Wandlers in Sandwich-Struktur benutzt
werden, für die Dicke der Sandwich-Struktur 1,4605 mm.
Nimmt man diese Abmessung für die Dicke an, so kann die
Breite 2,6924 mm und die Länge 3,4798 mm betragen.
Wie sich aus dem Vorhergehenden ergibt, wird ein kapa
zitiver Wandler oder ein Beschleunigungsmesser aus Si
lizium geschaffen , der in Siliziumtechnologie herge
stellt werden kann, bei dem die seismische Masse, ihre
elastische Aufhängung, der Rahmen, an dem die Aufhän
gung befestigt ist und die Einrichtung zum Gasdämpfen
durch Ätzen auf einem Siliziumeinkristall hergestellt
werden. Der Zwischenraum des Kondensators kann ebenso
in den gleichen Siliziumteil hineingeätzt werden und
entsprechende Gegenstücke bilden die zweite Konden
satorplatte, die ebenfalls aus einem Siliziumkristall
bestehen kann. Die Anordnung der einzelnen Teile hier
bei schafft einen Beschleunigungsmesser, der sehr sta
bil ist, weil seine grundlegenden Bestandteile alle aus
einem Einkristall entstanden sind. Der Beschleunigungs
messer kann trotz der Anforderung an die hohe Genauig
keit und die Komplexität der Gasdämpfung wirtschaftlich
produziert werden, weil eine große Anzahl identischer
Komponenten auf einer Siliziumscheibe gleichzeitig her
gestellt werden können.
Wichtig ist, daß ein zentraler Biegebereich an einer
Platte geschaffen wird, die sich kolbenartig so bewegt,
und daß Verkantungen der bewegten Masse als Folge einer
Beschleunigung verhindert werden, wodurch verfälschte
Signale auftreten würden. Der Sensor ist gasgedämpft
und der hauptsächliche Strömungswiderstand für die Gas
strömung befindet sich in den Ausbreitungskanälen, die
auf der Oberfläche der Platte ausgebildet sind. Das
Dämpfen in den Perforationen verhindert die Probleme
früherer Vorrichtungen, selbst wenn es große zu be
wegende Gasmengen zur Folge hat. Dabei verhindert die
Anordnung wegen der Verwendung der über die Oberfläche
der Vorrichtung verteilten Anschläge zusammen mit dem
kontollierten Luftdurchfluß zwei Formen von Halteffek
ten. Durch die gewählte Dicke der Anschlagpunkte wird
das leichte durch elektrische Spannungsüberlastungen
hervorgerufene Vorspringen der Membran verhindert, die
die bewegbare Kondensatorplatte trägt. Daneben werden
pneumatisch bedingte Halteeffekte dadurch verhindert,
daß die Anschläge den Raum zwischen den sich gegenüber
liegenden Kondensatorplatten offenhalten und damit den
Gasfluß in den Zwischenraum und die schnelle Rückstel
lung ermöglichen.
Die Erfindung ist nicht auf das aufgeführte Beispiel
beschränkt, beispielsweise kann die Anzahl der Öff
nungen 16 variiert werden, was von der speziellen An
wendung der Vorrichtung abhängt und womit auch eine
Variation der Größe und Anzahl der Kanäle 18 verbunden
ist. Darüberhinaus können anstelle des Gebrauchs einer
einzelnen unter Spannung stehenden Membran 11 zwei
Teilmembranen ausgebildet werden, wobei jeweils eine
auf jeder Oberfläche in der Mitte der Kernplatte 10
angeordnet ist.
Weiterhin kann ein symmetrisches System in Anlehnung an
diese Erfindung aufgebaut werden, bei dem die zweite
außenliegende Platte zu einem dritten kapazitiven Ele
ment wird. Bei dieser Anordnung werden Gräben und An
schläge auf beiden Oberflächen der seismischen Masse
oder Platte ausgebildet. Die sich ergebenden Lücken auf
beiden Seiten der Platte sind im wesentlich gleich.
Bezogen auf diese Anordnung kann ein Druckwandler der
art ausgebildet werden, daß die zweite außenliegende
Schicht als Kraftsummier-Zone dient, die mechanisch in
Kontakt mit der seismischen Masse steht. Unter diesen
Umständen werden von der Kraftsummier-Zone Verformungs
kräfte an die Masse weitergegeben, die proportional zum
einwirkenden Druck sind.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur kapazitiven Meßwertaufnahme, mit
mindestens einem Kondensator, der eine fest
stehende Kondensatorplatte (50; 56) und eine aus
Silizium bestehende bewegbare Kondensatorplatte
(10) aufweist, und einer auf der bewegbaren
Kondensatorplatte (10) angeordneten seismischen
Masse (15), die von einer Membran (11) derart
gehalten ist, daß sie im wesentlichen senkrecht
zur feststehenden Kondensatorplatte (50; 56)
bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die seismische Masse (15) mindestens ein
Durchgangsloch (16) aufweist und daß die der
feststehenden Kondensatorplatte (50; 56) zugewandte
Oberfläche der seismischen Masse (15) mit mehreren
Gräben (18) versehen ist, die sich von dem Durch
gangsloch (16) aus erstrecken und deren Quer
schnitte sich mit zunehmender Entfernung vom
Durchgangsloch (16) verringern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die seismische Masse (15) mehrere im
Abstand zueinander angeordnete Durchgangslöcher
(16), von denen aus sich jeweils mehrere Gräben
(18) erstrecken, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die seismische Masse (15) mit
mehreren voneinander getrennten Erhebungen (14)
versehen ist, die aus dielektrischem Material be
stehen und bei starker Auslenkung der seismischen
Masse in Richtung auf die feststehende Konden
satorplatte (50; 56) an dieser anliegen.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seis
mische Masse (15) in der Mitte der Membran (11)
angeordnet ist und daß die Membran (11) mit einem
Trägerrahmen (30), der den Rand der bewegbaren
Kondensatorplatte (10) bildet, verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Trägerrahmen (30), die Membran
(11) und die seismische Masse (15) einstückig sind
und aus einkristallinem Silizium bestehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die bewegbare Kondensator
platte (10) zwischen einer ersten und einer
zweiten Schicht (50, 56) angeordnet ist, die
gegenüber der bewegbaren Kondensatorplatte (10)
elektrisch isoliert sind und jeweils in
Berührungskontakt mit dem Trägerrahmen (30) der
bewegbaren Kondensatorplatte (10) stehen, wobei
die beiden Schichten (50, 56) und der Trägerrahmen
(30) einen Hohlraum bilden, in dem die seismische
Masse (15) angeordnet ist und sich ein Gas be
findet, daß die erste Schicht (50) die fest
stehende Kondensatorplatte aufweist und die zweite
Schicht (56) die seismische Masse (50) umschließt
und deren Bewegung von der ersten Schicht (50) weg
begrenzt, und daß auf der bewegbaren Kondensator
platte (10) und auf mindestens einer der beiden
Schichten (50, 56) elektrische Kontaktierungen vor
gesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die erste Schicht (50) mit einem
metallischen Film, der die feststehende Konden
satorplatte bildet, versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen aus
elektrischen Erhebungen auf der bewegbaren Kon
densatorplatte (10) und einer verformbaren
Metallschicht auf der mindestens einen Schicht
(50; 56) bestehen.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche
4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und
die zweite Schicht (50, 56) jeweils aus Bor
siliziumglas bestehen und der Trägerrahmen (30) an
seinem mit den beiden Schichten (50, 56) in Be
rührung stehenden Flächen Borsiliziumglas auf
weist.
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8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: SCHOENWALD, K., DR.-ING. VON KREISLER, A., DIPL.-CHEM. FUES, J., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. SELTING, G., DIPL.-ING. WERNER, H., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANWAELTE, 5000 KOELN |
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8364 | No opposition during term of opposition |