DE3814054A1 - Auf die einwirkung einer kraft ansprechender sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen auf die Einwirkung ei­ ner Kraft ansprechenden Sensors mit einem aus monokristalli­ nem Halbleitermaterial bestehenden Grundkörper mit einer in der (100)-Kristallfläche liegenden Hauptfläche, einem aus dem gleichen monokristallinen Halbleitermaterial bestehenden Kraftaufnahmeelement mit einer ebenfalls in der (100)-Kri­ stallfläche liegenden Hauptfläche und mit zueinander senk­ recht verlaufenden Seitenkanten, sich zwischen dem Grundkör­ per und dem Kraftaufnahmeelement in der (110)-Richtung er­ streckenden, an die (100)-Kristallfläche angrenzenden Trä­ gerelementen aus dem gleichen monokristallinen Halbleiterma­ terial, die das Kraftaufnahmeelement und den Grundkörper einstückig miteinander verbinden und sich unter dem Einfluß einer auf das Kraftaufnahmeelement einwirkenden Kraft ver­ formen, und Meßgliedern, die im Verformungsbereich der Trä­ gerelemente angebracht sind und auf eine Verformung des je­ weiligen Trägerelements mit einer Änderung eines physikali­ schen Parameters reagieren.

Ein Sensor dieser Art ist aus der DE-PS 34 29 250 bekannt. Bei diesem bekannten Sensor bildet der Grundkörper einen quadratischen Rahmen, der ein ebenfalls quadratisches Kraft­ aufnahmeelement umgibt, dessen Seitenkanten parallel zu den Seitenteilen des umgebenden Rahmens verlaufen. Zwischen den Seitenteilen des vom Grundkörper gebildeten Rahmens und dem Kraftaufnahmeelement erstrecken sich parallel zu den Seiten­ kanten des Kraftaufnahmeelements und den Seitenteilen des Rahmens die Trägerelemente, die das Kraftaufnahmeelement mit dem Grundkörper einstückig verbinden. Die Trägerelemente bilden dabei ein mechanisches Gebilde, das wie Blattfedern an einem Ende vom Grundkörper ausgehen und am anderen Ende mit dem Kraftaufnahmeelement verbunden sind. Dabei sind vier Trägerelemente vorgesehen, die jeweils eine Ecke des Kraft­ aufnahmeelements mit dem Grundkörper verbinden. Wenn auf das Kraftaufnahmeelement eine Kraft einwirkt, verformen sich die Trägerelemente im Übergangsbereich zum Grundkörper, und an jedem Trägerelement ist in diesem Übergangsbereich ein Pie­ zowiderstandselement angebracht, dessen elektrischer Wider­ stand sich beim Auftreten der mechanischen Verformung ver­ ändert. Die Piezowiderstandselemente können beispielsweise in einer Brückenschaltung miteinander verbunden werden, in der durch die einzelnen Widerstandselemente ein elektrischer Strom fließt. Mit Hilfe der Brückenschaltung kann ein elek­ trisches Signal erhalten werden, das eine Aussage darüber ermöglicht, ob und wieweit sich die Trägerelemente durch eine Auslenkung des Kraftaufnahmeelements verformt haben.

Bei der Herstellung des bekannten Sensors wird von einem Blättchen aus monokristallinem Halbleitermaterial ausgegan­ gen, dessen Hauptfläche in der (100)-Kristallfläche liegt. Unter Anwendung des richtungsabhängigen Ätzens werden Nuten erzeugt, die so tief reichen, daß das Kraftaufnahmeelement nur noch über Stege mit dem Grundkörper verbunden ist, die die Dicke der zu bildenden Trägerelemente haben. Durch die Stege werden dann Schlitze erzeugt, so daß die blattfeder­ artige Ausbildung der Trägerelemente geschaffen wird, die für die Erzielung der gewünschten Kraftempfindlichkeit des Kraftaufnahmeelements erforderlich ist. Bei dem bekannten Sensor verlaufen die Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements und auch die Schlitze beiderseits der Trägerelemente in der (110)-Richtung des Halbleiterkristalls. Dies ist erwünscht, weil bei monokristallinem Silizium mit einer in der (100)- Kristallfläche liegenden Hauptfläche die größte piezoresi­ stive Empfindlichkeit in der (110)-Richtung vorliegt. Da sich die Trägerelemente in der (110)-Richtung erstrecken, spricht der Sensor bei dieser Orientierung sehr gut auf ein­ wirkende Kräfte an. Allerdings ergibt sich bei der Anwendung des richtungsabhängigen Ätzens zur Herstellung des Sensors bei dieser Orientierung ein Problem bei der Erzielung der gewünschten geometrischen Formen des Kraftaufnahmeelements und der Trägerelemente. Es tritt nämlich ein starkes Unter­ ätzen auf, das zu einem unerwünschten Abtragen von Material führt und so die gewünschten Formen verändert. Um uner­ wünschte Auswirkungen dieses starken Unterätzens zu kompen­ sieren, müssen für die bei der Bildung des Kraftaufnahmeele­ ments verwendeten Ätzschutzmasken Formen mit Kompensations­ flächen gewählt werden, die keine optimale Ausgestaltung des Kraftaufnahmeelements einerseits und der Trägerelemente an­ dererseits ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der ohne Aufgabe der maximalen piezoresistiven Empfindlichkeit eine optimale Form und Lage des Kraftaufnahmeelements ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements in einer von der (110) -Richtung des monokristallinen Halbleitermaterials verschie­ denen Richtung verlaufen. Im erfindungsgemäßen Sensor sind die Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements gegenüber der (110)-Richtung verdreht. Bei dieser von der (110)-Richtung abweichenden Orientierung der Seitenkanten tritt das oben erwähnte Problem des Unterätzens bei der Herstellung der Trägerelemente und des Kraftaufnahmeelements nicht mehr auf, so daß eine optimale Geometrie für das Kraftaufnahme­ element erhalten werden kann. Der Übergangsbereich zwischen den Trägerelementen und dem Grundkörper bleibt dabei jedoch unbeeinflußt, so daß in diesem Bereich die für die piezo­ resistive Empfindlichkeit optimale Orientierung in der (110) -Richtung beibehalten werden kann. Der erfindungsgemäße Sen­ sor hat somit eine für die Erzielung einer großen Empfind­ lichkeit optimierte Geometrie.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Besonders vorteilhafte Rich­ tungen der Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements sind die (210)-Richtung oder die (310)-Richtung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Sensor und

Fig. 2 einen perspektivisch ergänzten Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 1.

Der in Fig. 1 in einer Draufsicht dargestellte Sensor 10 enthält einen Grundkörper 12 und ein Kraftaufnahmeelement 14, das über vier Trägerelemente 16, 18, 20 und 22 mit dem Grundkörper 12 verbunden ist. Das Kraftaufnahmeelement 14 hat eine quadratische Form, und die Trägerelemente 16 bis 22 verlaufen vom Grundkörper 12 aus zunächst parallel zu den Rändern des Grundkörpers 12, und sie erstrecken sich dann abgewinkelt in Richtung zu einer Seitenkante des Kraftauf­ nahmeelements 14. Wie zu erkennen ist, sind die Trägerele­ mente 16 bis 22 an einem Ende mit dem Grundkörper 12 und am anderen Ende jeweils mit dem Kraftaufnahmeelement 14 verbun­ den. Die Bereiche 24, 26, 28, 30 sind Durchbrüche, was zur Folge hat, daß die Trägerelemente 16 bis 22 das Kraftaufnah­ meelement 14 in der Art von Blattfedern festhalten.

Wie aus der perspektivisch ergänzten Schnittansicht von Fi­ gur 2 hervorgeht, hat das Kraftaufnahmeelement 14 eine rela­ tiv große Dicke, und die Trägerelemente 16 bis 22 sind dün­ ne, blattfederartige Streifen, die das Kraftaufnahmeelement 14 mit dem Grundkörper 12 verbunden halten. Das Kraftaufnah­ meelement 14 kann sich unter der Einwirkung einer Kraft, die senkrecht zu seiner Flächenausdehnung wirkt, in der Ansicht von Fig. 2 nach oben oder nach unten verschieben. Die Trä­ gerelemente 16 bis 22 verformen sich dabei und begrenzen die höchstzulässige Auslenkung. In einem Bereich der Trägerele­ memente 16 bis 22, in dem sich diese verformen, wenn auf das Kraftaufnahmeelement 14 eine Kraft einwirkt, sind Meßglieder 32, 34, 36 und 38 angebracht, die auf die Verformung mit einer Änderung einer ihrer physikalischen Parameter anspre­ chen. Bei diesen Meßgliedern 32 bis 38 kann es sich um Pie­ zowiderstandselemente handeln, deren elektrischer Widerstand sich unter dem Einfluß einer mechanischen Verformung ändert. Wenn die Meßglieder 32 bis 38 beispielsweise in einer Brückenschaltung miteinander verbunden werden, in der durch die einzelnen Meßglieder ein elektrischer Strom fließt, dann kann ein elektrisches Signal erhalten werden, das eine Aus­ sage darüber ermöglicht, ob und wieweit sich die Trägerele­ mente durch eine Auslenkung des Kraftaufnahmeelements ver­ formt haben. Wegen seiner Dicke hat das Kraftaufnahmeelement 14 eine definierte Masse, die auf eine Beschleunigung an­ spricht. Der dargestellte Sensor kann daher als Beschleuni­ gungs-Sensor verwendet werden, und das mit Hilfe der Meß­ glieder 32 bis 38 erzeugbare elektrische Signal ermöglicht eine Aussage über die Beschleunigung, die das mit dem Grund­ körper 12 verbundene Kraftaufnahmeelement 14 erfahren hat.

Der Sensor 10 ist aus einem Blättchen aus monokristallinem Silizium hergestellt. Dies bedeutet, daß der Grundkörper 12, das Kraftaufnahmeelement 14 und die Trägerelemente 16 bis 22 einstückig miteinander verbunden sind. Die in der Draufsicht von Fig. 1 zu erkennende Hauptfläche des Sensors 10 liegt dabei in der (100)-Kristallfläche. Die Trägerelemente 16 bis 22 sind so angeordnet, daß sie sich zunächst, wenn sie vom Grundkörper 12 ausgehen, in der (110)-Richtung erstrecken. Dies ist von Vorteil, weil sich bei dieser Orientierung die größte piezoresistive Empfindlichkeit beim Auftreten einer mechanischen Verformung erzielen läßt. Die Meßglieder 32 bis 38 können daher an Stellen angebracht werden, an denen sie bei einer mechanischen Verformung die größstmögliche Wider­ standsänderung erfahren.

Die Draufsicht von Fig. 1 läßt deutlich erkennen, daß die Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements 14 nicht parallel zu den in der (110)-verlaufenden Trägern 16 bis 22 liegen, son­ dern mit dieser Richtung einen Winkel bilden. Im dargestell­ ten Beispiel verlaufen die Seitenkanten des Kraftaufnahme­ elements in der (310)-Richtung. Auch die Darstellung von Fig. 2 läßt die verdrehte Lage des Kraftaufnahmeelements 14 deutlich erkennen. Die in Fig. 1 rechts angegebenen, senk­ recht zueinander verlaufenden Pfeilpaare geben die (110)- Orientierung und die (310)-Orientierung an. Der gleiche Effekt kann auch bei einer (210)-Orientierung erreicht wer­ den.

Der Sensor 10 wird dadurch hergestellt, daß bei einem Halb­ leiterblättchen eine Maske aus ätzbeständigem Material ange­ bracht wird, deren Umrißlinie die Form des Sensors festlegt, die nach Durchführung eines Ätzvorgangs entstehen soll. Der Ätzvorgang wird als richtungsabhänger Ätzvorgang durchge­ führt, bei dem bekanntlich das Ätzen in Richtung bestimmter Kristallflächen schneller als in Richtung anderer Kristall­ flächen erfolgt. In der Darstellung des Sensors von Fig. 2 wird die ätzbeständige Maske auf der Unterseite des Sili­ ziumblättchens angebracht, und auch die Ätzflüssigkeit wird von der Unterseite her zur Einwirkung gebracht. Der Ätzvor­ gang wird solange durchgeführt, bis die Bereiche 24 bis 30 unter Bildung der Durchbrüche durchgeätzt sind, wobei dann im zentralen Bereich des Sensors 10 das Kraftaufnahmeelement 14 mit den zugehörigen Trägerelementen 16 bis 22 übrigblei­ ben.

Bei der oben angegebenen Orientierung der Trägerelemente und der Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements 4 werden genau definierte Übergänge zwischen den Enden der Trägerelemente 16 bis 22 und dem Kraftaufnahmeelement 14 erreicht, da es nicht zu einem unerwünschten Unterätzen in diesen Bereichen kommt. Es müssen daher keine Kompensationsflächen zum Aus­ gleich eines möglichen Unterätzens vorgesehen werden, wie dies notwendig wäre, wenn die Seitenkanten des Kraftaufnah­ meelements 14 wie die Trägerelemente 16 bis 22 in der (110)- Richtung verlaufen würden. Aufgrund der Verdrehung des Kraftaufnahmeelements 14 bezüglich der (110)-Richtung in die (310)-Richtung läßt sich in optimaler Weise die Struktur des Kraftaufnahmeelements 14 und der zugehörigen Trägerelemente 16 bis 22 erreichen, die für eine gute Empfindlichkeit er­ forderlich ist.

Claims (3)

1. Auf die Einwirkung einer Kraft ansprechender Sensor mit einem aus monokristallinem Halbleitermaterial bestehenden Grundkörper mit einer in der (100)-Kristallfläche liegenden Hauptfläche, einem aus dem gleichen monokristallinen Halb­ leitermaterial bestehenden Kraftaufnahmeelement mit einer ebenfalls in der (100)-Kristallfläche liegenden Hauptfläche und mit zueinander senkrecht verlaufenden Seitenkanten, sich zwischen dem Grundkörper und dem Kraftaufnahmeelement in der (110)-Richtung erstreckenden, an die (100)-Kristallfläche angrenzenden Trägerelementen aus dem gleichen monokristalli­ nen Halbleitermaterial, die das Kraftaufnahmeelement und den Grundkörper einstückig miteinander verbinden und sich unter dem Einfluß einer auf das Kraftaufnahmeelement einwirkenden Kraft verformen, und Meßgliedern, die im Verformungsbereich der Trägerelemente angebracht sind und auf eine Verformung des jeweiligen Trägerelements mit einer Änderung eines physikalischen Parameters reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements (14) in einer von der (110)-Richtung des monokristallinen Halbleitermate­ rials verschiedenen Richtung verlaufen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenkanten des Kraftaufnahmeelements (14) in der (210)­ oder (310)-Richtung des monokristallinen Halbleitermaterials verlaufen.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftaufnahmeelement (14) quadratisch ist, daß der Grundkörper (12) das Kraftaufnahmeelement (14) wie ein Rah­ men umgibt und daß vier Trägerelemente (16, 18, 20, 22) vor­ gesehen sind, von denen sich jedes vom Grundkörper (12) aus zu einer der Seitenkanten des Kraftaufnahmeelementes (14) erstreckt.