DE4022464A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung von Beschleuni
gungen, insbesondere von Winkelbeschleunigungen, nach der Gattung
des Hauptanspruchs.
In der DE-PS 40 00 903 wird ein Beschleunigungssensor beschrieben,
der aus einem monokristallinen, zweischichtigen Träger gefertigt
ist. Er weist eine parallel zur Trägeroberfläche schwingungsfähige
Zunge auf, der gegenüber in Schwingungsrichtung eine feststehende
Elektrode angeordnet ist. Die Beschleunigung wird bei diesem Sensor
über die kapazitive Änderung zwischen der beweglichen Zunge und der
feststehenden Elektrode erfaßt.
Aus "Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures" W. C.
Tang, T. H. Nguyen, R. T. Howe; Sensors and Atuators, 20 (1989)
25-30 sind bereits seismische Massen, die an archimedischen
Spiralen aufgehängt sind und mit einem elektrostatischen Kammantrieb
versehen sind, bekannt. In diesem Artikel wird die Realisierung
solcher Strukturen in Polysilizium-Technologie beschrieben.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß sich durch das Erfassen der Aus
lenkung der seismischen Masse an mehreren Seiten der seismischen
Masse Drehbewegungen von Linearbeschleunigungen unterscheiden
lassen. Je nach Art der Beschleunigung ändern sich die Meßsignale,
die an unterschiedlichen Seiten der seismischen Masse erfaßt werden,
entweder gleichsinnig oder gegenläufig. Durch einen Vergleich der
Signale kann also auf besonders einfache Weise zwischen einer Dreh
bewegung und einer Linearbeschleunigung unterschieden werden. Vor
teilhaft ist auch, daß die seismische Masse des Sensors bevorzugt in
der Trägerebene auslenkbar ist und dabei nicht aus der Trägerober
fläche hinausragt. Der Träger selbst dient dabei vorteilhaft als
Schutz gegen mechanische Überlast. Eine zumindest zweiseitige Auf
hängung der seismischen Masse an dünnen Stegen erhöht die Stabilität
des Sensors gegen Überlast und gewährleistet gleichzeitig eine sehr
hohe Meßempfindlichkeit. Gleichzeitig wird die Empfindlichkeit gegen
Querbeschleunigungen erniedrigt. In Bezug auf Querempfindlichkeit
ist auch eine vierseitige symmetrische Aufhängung der seismischen
Masse besonders vorteilhaft. Die Herstellung des Sensors aus einem
Siliziumträger ist besonders vorteilhaft, da mit Standardverfahren
besonders kleine Bauweisen erzielt werden können. Vorteilhaft ist
außerdem, daß sich auf einem Siliziumträger auch Auswerteschaltungen
des Sensors integrieren lassen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen
Sensors möglich.
Das Erfassen der Auslenkungen der seismischen Masse erfolgt beson
ders vorteilhaft piezoresistiv mit Hilfe von jeweils zwei Piezowi
derständen, die auf den Aufhängungsstegen rechts und links von der
Stegachse aufgebracht sind. Bei Linearbeschleunigungen der seismi
schen Masse ändern sich die mindestens zwei Piezowiderstände auf
jedem der Aufhängungsstege gleichsinnig. Im Falle einer Drehbewegung
wird eine Seite jedes Aufhängungssteges gedehnt während die andere
Seite gestaucht wird. Das führt zu einer gegenläufigen Veränderung
der Widerstandswerte eines jeden Aufhängungssteges. Die piezoresis
tive Signalerfassung läßt sich auch vorteilhaft auf Sensoren anwen
den, die aus einem einschichtigen Träger gefertigt sind. Die Ausbil
dung von schmalen Aufhängungsstegen in der gesamten Trägerdicke ist
vorteilhaft, da dadurch Auslenkungen der seismischen Masse innerhalb
der Trägerebene bevorzugt werden, während Auslenkungen der seismi
schen Masse senkrecht zur Trägerebene unterdrückt werden.
Für die Herstellung und zur Isolation von Teilstrukturen des
Sensors ist es besonders günstig, zweischichtige Siliziumträger zu
verwenden, wobei zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht
ein Dotierungsübergang, vorzugsweise ein pn-Übergang besteht. Der
Träger kann monokristallin sein, wobei die obere Schicht durch
Diffusion von Fremdatomen erzeugt sein kann oder eine auf einem
Träger abgeschiedene Epitaxieschicht sein kann. Je nach Sensor
struktur ist es von Vorteil, einen Siliziumträger mit einer darauf
abgeschiedenen Polysiliziumschicht zu verwenden. In diesem Fall
erfolgt die Isolation z. B. über eine Siliziumoxidschicht zwischen
den einkristallinen und polykristallinen Siliziumschichten.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht in der kapazitiven
Signalerfassung. Dazu ist es vorteilhaft, feststehende Elektroden
von zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens ausgehend aus dem
Siliziumträger heraus zu strukturieren, die parallel zu den Auf
hängungsstegen angeordnet sind. Zusammen mit den als bewegliche
Elektroden dienenden Aufhängungsstegen bilden diese feststehenden
Elektroden jeweils einen Kondensator. Alternativ oder zur Ver
stärkung des Signals ist es vorteilhaft, weitere von dem Rahmen
ausgehende feststehende Elektroden zu strukturieren und parallel
dazu bewegliche Elektroden, die von der seismischen Masse ausgehen
und zusammen mit den feststehenden Elektroden Interdigitalkonden
satoren bilden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist auch,
diese Kondensatoren durch Anlegen einer variablen Spannung zur Lage
regelung zu verwenden, mit der die seismische Masse wieder in ihre
Ruhelage gebracht wird. Dies stellt eine besonders günstige Möglich
keit der Überlastsicherung dar. Vorteilhaft ist auch eine Kombi
nation von kapazitiver Lageregelung, kapazitiver Signalerfassung und
piezoresistiver Signalerfassung. Die Isolation der beweglichen
Elektroden gegenüber den feststehenden Elektroden läßt sich
besonders günstig realisieren, wenn die Aufhängungsstege der
seismischen Masse nur in der oberen Schicht ausgebildet sind. Der
pn-Ubergang zwischen oberer und unterer Schicht stellt dann eine
Isolation der Elektroden gegenüber der unteren Schicht dar; die
Isolation in der oberen Schicht kann entweder vorteilhaft durch
Isolationsdiffusionen oder durch die obere Schicht vollständig
durchdringende Ätzgräben erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Sensors besteht darin, die seismische Masse an zwei ineinander
verlaufenden, archimedischen Spiralen aufzuhängen, die an den außen
liegenden Windungen mit beweglichen Stegen versehen sind. Die beweg
lichen Stege weisen kammförmige Fingerstrukturen auf, die zusammen
mit von feststehenden Stegen ausgehenden Fingerstrukturen elektro
statische Reluktanzantriebe bilden. Diese ineinandergreifenden
Fingerstrukturen können vorteilhaft entweder zum Signalabgriff oder
aber auch zur Lageregelung verwendet werden. Eine zusätzliche
Signalabnahme kann vorteilhaft piezoresistiv mittels auf den
Spiralen angeordneten Piezowiderständen erfolgen.
Zur Empfindlichkeitssteigerung des Sensors kann die seismische Masse
entweder in voller Trägerdicke ausgebildet werden. Bei Ausbildung
der seismischen Masse in der gleichen Dicke wie die der Aufhängung
können entweder das Trägheitsmoment oder die Querempfindlichkeit
optimiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Aufsicht auf einen Sensor mit piezoresistivem Signal
abgriff,
Fig. 2 die Aufsicht auf einen Sensor mit kapazitivem
Signalabgriff,
Fig. 3 den Schnitt durch diesen Sensor,
Fig. 4 die
Aufsicht auf einen Sensor mit Interdigitalkondensatoren,
Fig. 5 die
Aufsicht auf einen Sensor mit einer Aufhängung mittels archimedi
scher Spiralen und die
Fig. 6a und b Schnitte durch diesen Sensor
entlang der A- und B-Achse.
In Fig. 1 ist ein Sensor dargestellt, mit einem feststehenden
Rahmen 10 und einer darin befestigten, auslenkbaren seismischen
Masse 20. Die seismische Masse 20 ist hier symmetrisch über vier
dünne Stege 21 bis 24 aufgehängt. Diese Struktur kann aus einem
ein- oder zweischichtigen Siliziumträger strukturiert sein. Der
Träger kann monokristallin sein oder mit einer Poly-Silizium-Schicht
versehen sein. Die Stege 21 bis 24 und die seismische Masse 20
können sowohl in voller Trägerdicke ausgebildet sein als auch in
ihrer Dicke reduziert sein. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es
sinnvoll, die seismische Masse 20 möglichst groß zu machen, also in
voller Trägerdicke auszubilden. Bei seismischen Massen 20, deren
Stege 21 bis 24 dicker als breit sind, also z. B. die gesamte Trä
gerdicke haben, sind Auslenkungen innerhalb der Trägerebene gegen
über Auslenkungen senkrecht zur Trägerebene bevorzugt. Bei dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf jedem Steg 21 bis
24 jeweils zwei Piezowiderstände 81, 82, aufgebracht. Sie sind je
weils rechts und links von den Stegachsen angeordnet. Eine Linear
beschleunigung des Sensors in der Trägerebene oder senkrecht dazu
führt immer zu einer gleichsinnigen Längenänderung der beiden Hälf
ten der Aufhängungsstege rechts und links von der Stegachse und also
zu einer gleichsinnigen Widerstandsänderung der Piezowiderstände auf
einem Steg. Im Gegensatz dazu führt eine Drehbewegung um eine Dreh
achse senkrecht zur Trägeroberfläche zu einer gegensinnigen Verbie
gung der Steghälften und damit zu einer gegensinnigen Widerstandsän
derung der Piezowiderstände auf einem Steg. Durch Vergleich der Wi
derstandswerte der Widerstände auf einem Steg bzw. durch entspre
chende Verschaltung lassen sich also einfach Linearbeschleunigungen
von Drehbewegungen unterscheiden.
In Fig. 2 ist eine Sensorstruktur dargestellt, die mit der in Fig.
1 dargestellten vergleichbar ist. Der Signalabgriff erfolgt hier
aber nicht piezoresistiv sondern kapazitiv. Dazu sind parallel zu
den Aufhängungsstegen 21 bis 24, vom feststehenden Rahmen 10 ausge
hend, feststehende Elektroden 11 bis 14 aus dem Träger strukturiert.
Diese feststehenden Elektroden 11 bis 14 bilden zusammen mit den als
bewegliche Elektroden dienenden Aufhängungsstegen 21 bis 24 Kapazi
täten. Die feststehenden Elektroden 11 bis 14 sind bezüglich der be
weglichen Elektroden 21 bis 24 so angeordnet, daß eine Linearbe
schleunigung in der Trägerebene zu gegenläufigen Kapazitätsänderun
gen an den beiden gegenüberliegenden Kapazitäten führt. Nur eine
Drehbewegung um eine Drehachse senkrecht zur Trägerebene führt zu
einer gleichsinnigen Kapazitätsänderung an mindestens zwei gegen
überliegenden Kapazitäten. Diese Sensorstruktur ist aus einem zwei
schichtigen Siliziumträger 1 strukturiert, wobei zwischen der oberen
Schicht 2 und der unteren Schicht 3 des Siliziumträgers 1 ein
Dotierungsübergang besteht. Die Stege 21 bis 24 sind nur in der
oberen Schicht 2 ausgebildet. In den Rahmen 10 sind um den Mündungs
bereichen der Stege Isolationsdiffusionen 30 eingebracht. Die Iso
lationsdiffusionen 30 können aber auch in geeigneter Weise an den
Stellen des Rahmens 10 eingebracht werden, von denen die feststehen
den Elektroden 11 bis 14 ausgehen. Diese in Verbindung mit dem
pn-Übergang zwischen der oberen Schicht 2 und der unteren Schicht 3
dienen dazu, die als bewegliche Elektroden dienenden Aufhängungsste
ge 21 bis 24 von den feststehenden-Elektroden 11 bis 14 elektrisch
zu isolieren. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch diesen Sensor im
Bereich der Stege 22 und 24 dargestellt. Der fest- stehende Rahmen
10 ist in voller Trägerdicke ausgebildet, ebenso wie die seismische
Masse 20. Möglich ist aber auch, die seismische Masse 20 ganz oder
teilweise in ihrer Dicke zu reduzieren oder auch nur in der oberen
Schicht 2 auszubilden.
Eine weitere Möglichkeit der Isolation von Strukturteilen und des
Signalabgriffs ist in Fig. 4 dargestellt. Mit 45 sind Ätzgräben
bezeichnet, die die obere Schicht 2 vollständig durchdringen. Damit
sind in Fig. 4 vom Rahmen ausgehende feststehende Elektroden 41
elektrisch von den von der seismischen Masse 20 ausgehenden beweg
lichen Elektroden 42 getrennt. Die beweglichen Elektroden 42 bilden
mit den feststehenden Elektroden 41 parallelgeschaltete Interdigi
talkondensatoren, die signalverstärkend wirken. Die Funktionsweise
des in Fig. 4 dargestellten Sensors entspricht der des in den Fi
guren 2 und 3 dargestellten Sensors. Möglich sind auch alle Kombina
tionen der dargestellten Signalerfassungsmethoden, wie Interdigital
kondensatoren mit den in Fig. 2 dargestellten Diffusionsisolationen
und/oder in Verbidung mit einer piezoresisitiven Signalerfassung wie
in Fig. 1 dargestellt. Außerdem denkbar ist es, die in den Fig.
2 und 4 dargestellten Kondensatorstrukturen nicht nur zur Signaler
fassung sondern auch durch Anlegen einer variablen Spannung zur La
geregelung der seismischen Masse 20 einzusetzen. Auf diese Weise
kann Überlastsituationen besser begegnet werden, was die Lebensdauer
des Sensors erhöht. Die Linearität des Ausgangssignals wird hier
durch auch verbessert.
In Fig. 5 ist die Aufsicht auf einen Sensor dargestellt, der aus
einem Siliziumträger 1 bestehend aus einem Substrat 3, einer darauf
aufgebrachten Isolationsschicht 5 und einer auf die lsolations
schicht 5 aufgebrachten Polysiliziumschicht 2 strukturiert ist. Die
Fig. 6a und b zeigen Schnitte durch den Sensor an den in Fig. 5
mit A und B bezeichneten Achsen. Aus der Polysiliziumschicht 2 ist
ein Ankerpunkt 55 herausstrukturiert, der über die Isolationsschicht
5 fest mit dem Substrat 3 verbunden ist. Von diesem Ankerpunkt 55
als Mittelpunkt gehen zwei ineinanderverlaufende Spiralen 50, 60
aus, die nur in der Polysiliziumschicht 2 ausgebildet sind und außer
über den Ankerpunkt 55 nicht mit dem Substrat 3 verbunden sind und
also wie Spiralfedern beweglich sind. Jeweils an den außenliegenden
Windungen der Spiralen 50, 60 sind bewegliche Massen 51, 61 eben
falls nur in der Polysiliziumschicht 2 ausgebildet, die sternförmig
zum Ankerpunkt 55 angeordnet sind. Sie weisen zweiseitig kammförmige
Fingerstrukturen 511, 611 auf. Ebenfalls sternförmig um den Anker
punkt 55 sind zwischen den beweglichen Massen 51, 61 feststehende
Elektroden 71 angeordnet, die mit dem Substrat 3 und/oder einem in
den Fig. 5, 6a und b nicht dargestellten Rahmen verbunden sind.
Auch die feststehenden Elektroden 71 weisen kammförmige Fingerstruk
turen 711 auf. Die Fingerstrukturen 511, 611 der beweglichen Massen
51, 61 und die Fingerstrukturen 711 der feststehenden Elektroden 71
greifen ineinander. Diese Fingerstrukturen 511, 611, 711 bilden zu
sammen Interdigitalkondensatoren bzw. elektrostatische Reluktanzan
triebe, die zur Lageregulierung aber auch zur Signalerfassung be
nutzt werden können. Eine Signalerfassung bei dieser Struktur ist
außerdem mit auf den Spiralen 50 und 60 angeordneten Piezowiderstän
den möglich.
Mit diesem Sensor lassen sich besonders günstig Winkelbeschleunigun
gen um eine Achse senkrecht zur Trägeroberfläche erfassen. Dabei
wirken die archimedischen Spiralen 50, 60 wie Spiralfedern, die je
nach Drehrichtung gedehnt oder gestaucht werden, wodurch die Lage
der beweglichen Massen 51, 61 bezüglich der feststehenden Elektroden
71 verändert wird, was zu Änderungen der elektrischen Verhältnisse
an den Interdigitalkondensatoren führt.
Claims (14)
1. Sensor zur Messung von Beschleunigungen, insbesondere von Winkel
beschleunigungen, der aus einem Siliziumträger hergestellt ist,
wobei aus dem Siliziumträger zumindest ein feststehender Rahmen und
mindestens eine in dem Rahmen befestigte, auslenkbare seismische
Masse herausstrukturiert sind und Mittel zur Erfassung von Aus
lenkungen in der Trägerebene der mindestens einen seismischen Masse
vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse
(20) über mindestens zwei symmetrisch angeordnete, in der Träger
ebene verbiegbare Stege (21 bis 24) mit dem Rahmen (10) verbunden
ist und daß die Auslenkung der seismischen Masse (20) in der Träger
ebene an mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten der seismischen
Masse (20) erfaßt wird.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen
(10) quadratisch ist, daß die seismische Masse (20) eine quadra
tische Oberseite hat, daß die seismische Masse (20) vierseitig bzw.
zweiseitig mit dem Rahmen (10) verbunden ist, so daß die Kanten der
quadratischen Oberseite der seismischen Masse (20) parallel zu den
Innenflächen des Rahmens (10) orientiert sind und so daß die seis
mische Masse (20) in der Mitte des Rahmens (10) hängt, und daß die
Aufhängungsstege (21 bis 24) senkrecht von den Kantenmitten der
Oberseite der seismischen Masse (20) ausgehen.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf
den Stegen (21 bis 24) jeweils mindestens zwei Piezowiderstände (81,
82) rechts und links von der Stegachse aufgebracht sind oder in die
Stege (21 bis 24) integriert sind.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stege (21 bis 24) und/oder die seismische Masse
(20) ganz oder teilweise in der gesamten Dicke des Siliziumträgers
(1) ausgebildet sind.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Siliziumträger (1) eine obere Schicht (2) und eine
untere Schicht (3) aufweist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der
oberen Schicht (2) und der unteren Schicht ein Dotierungsübergang,
vorzugsweise ein pn-Übergang, besteht.
7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Siliziumträger (1) monokristallin ist.
8. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
obere Schicht (2) eine Poly-Silizium-Schicht ist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium
träger (1) zwischen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht
(3) eine Isolationsschicht (5), vorzugsweise eine Siliziumoxid
schicht, aufweist.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Siliziumträger (1) von zwei gegenüberliegenden Seiten
des Rahmens (10) ausgehend mindestens zwei feststehende Elektroden
(11 bis 14) herausstrukturiert sind, die jeweils parallel zu einem
Aufhängungssteg (21 bis 24) angeordnet sind und zusammen mit den als
bewegliche Elektroden ausgebildeten Aufhängungsstegen (21 bis 24)
jeweils einen Kondensator bilden.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeich
net, daß aus dem Siliziumträger (1) von zwei gegenüberliegenden Sei
ten des Rahmens (10) ausgehend mindestens zwei feststehende Elektro
den (41) und parallel dazu von der seismischen Masse (20) ausgehend
mindestens zwei bewegliche Elektroden (42) herausstrukturiert sind,
die zusammen jeweils einen Kondensator bilden.
12. Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufhängungsstege (21 bis 24) nur in der oberen Schicht (2) ausgebil
det sind und daß die feststehenden Elektroden (11 bis 14, 41) gegen
die beweglichen Elektroden (21 bis 24, 42) durch einen pn-Übergang
oder eine Isolationsschicht (5) zwischen der oberen Schicht (2) und
der unteren Schicht (3) und durch Isolationsdiffusionen (30) in der
oberen Schicht (2) und/oder durch die obere Schicht (2) vollständig
durchdringende Ätzgräben (45) isoliert sind.
13. Sensor zur Messung von Beschleunigungen, insbesondere von Win
kelbeschleunigungen, der aus einem Siliziumträger (1) hergestellt
ist, der ein Substrat (3) eine darauf aufgebrachte Isolationsschicht
(5) und eine auf die Isolationsschicht (5) aufgebrachte Polysilizi
umschicht (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Polysi
liziumschicht (2) ein Ankerpunkt (55) herausstrukturiert ist, der
über die Isolationsschicht (5) fest mit dem Substrat (3) verbunden
ist, daß von dem Ankerpunkt (55) als Mittelpunkt ausgehend in der
Polysiliziumschicht (2) zwei ineinanderverlaufende, nicht mit dem
Substrat (3) verbundene Spiralen (50, 60) herausstrukturiert sind,
daß die Spiralen (50, 60) jeweils an der außenliegenden Windung min
destens eine bewegliche Masse (51, 61) aufweisen, die sternförmig um
den Ankerpunkt (55) angeordnet sind, daß die beweglichen Massen (51,
61) ein- oder zweiseitig Fingerstrukturen (511, 611) aufweisen, daß
sternförmig um den Ankerpunkt (55) zwischen den beweglichen Massen
(51, 61) feststehende, mit dem Substrat (3) über die Isolations
schicht (5) verbundene Elektroden (71) angeordnet sind, die
ein- oder zweiseitig Fingerstrukturen (711) aufweisen, und daß die
Fingerstrukturen (511, 611) der beweglichen Massen (51, 61) und die
Fingerstrukturen (711) der feststehenden Elektroden (71) ineinander
greifen.
14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Piezowider
stände auf den Spiralen (50, 60) angeordnet sind.
Priority Applications (5)
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---|---|---|---|
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DE4022464C2 DE4022464C2 (de) | 2000-12-28 |
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ID=6410298
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