DE4022464C2 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung von Beschleunigungen nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

In der DE-40 00 903 C1 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 Actuators, 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.

Aus der DE 37 42 385 A1 ist bereits ein Beschleunigungssensor bekannt, der aus einer oberen Schicht und einer unteren Schicht herausgebildet ist. Die obere Schicht besteht dabei aus einkristallinem Silizium. Die seismische Masse ist senkrecht zu den Schichten beweglich.

Durch die unabhängigen Patentansprüche werden Sensoren angegeben, die sich besonders einfach und kostengünstig fertigen lassen.

Vorteilhaft ist auch, dass die seismische Masse des Sensors bevorzugt in der Trägerebene auslenkbar ist und dabei nicht aus der Trägeroberfläche hinausragt. Der Träger selbst dient dabei vorteilhaft als Schutz gegen mechanische Überlast.

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.

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 Sensorstruktur ist es von Vorteil, einen Siliziumträger mit einer darauf abgeschiedenen Polysiliziumschicht zu verwenden. Dabei kann die Isolation z. B. über eine Siliziumoxidschicht zwischen den einkristallinen und polykristallinen Siliziumschichten erfolgen.

Eine 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 Aufhängungsstegen angeordnet sind. Zusammen mit den als bewegliche Elektroden dienenden Aufhängungsstegen bilden diese feststehenden Elektroden jeweils einen Kondensator. Alternativ oder zur Verstärkung 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 Interdigitalkondensatoren bilden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist auch, diese Kondensatoren durch Anlegen einer variablen Spannung zur Lageregelung zu verwenden, mit der die seismische Masse wieder in ihre Ruhelage gebracht wird. Dies stellt eine besonders günstige Möglichkeit der Überlastsicherung dar. 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-Übergang 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.

Zeichnung

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 Signalabgriff, 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 archimedischer Spiralen und die Fig. 6a und b Schnitte durch diesen Sensor entlang der A- und B-Achse.

Beschreibung der Erfindung

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 zweischichtigem 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 Trägerdicke haben, sind Auslenkungen innerhalb der Trägerebene gegenüber 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 Piezowidestände 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 feststehende 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 Fig. 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 Isolations­ 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 (11)

1. Sensor zur Messung von Beschleunigungen mit einer seismi­ schen Masse (20) die an dünnen verbiegbaren Stegen (21, 22, 23, 24) derart aufgehängt ist, daß die seismische Masse (20) in der Ebene eines Trägers durch eine Beschleunigung aus­ lenkbar ist, wobei mit der seimischen Masse (20) bewegliche Elektroden (42) verbunden sind und mit dem Träger feststehende Elektroden (11, 12, 13, 14, 41) verbunden sind und wobei die fest­ stehenden Elektroden (11, 12, 13, 14, 41) mit den beweglichen Elektroden (42) Kondensatoren bilden, deren Kapazität sich durch die Beschleunigung ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine oberen Schicht (2) aus polykristallinem Sili­ zium und eine unteren Schicht (3) aufweist, daß die beiden Schichten (2, 3) gegeneinander isoliert sind, daß die seismi­ sche Masse (20) und die Stege (21, 22, 23, 24) aus der oberen Schicht (2) herausstrukturiert sind, und daß Mittel vorgesehen sind, durch die die feststehenden Elektroden (11, 12, 13, 14, 41) gegen die beweglichen Elektroden (42) isoliert sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht (3) ein Dotierungsübergang, vorzugsweise ein pn-Übergang, besteht.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) zwischen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht (3) eine Isolationsschicht (5), vorzugsweise eine Si­ liziumoxidschicht, aufweist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Isolation der feststehenden Elektroden (11, 12, 13, 14, 41) gegen die beweglichen Elektroden (42) Isolie­ rungsdiffusionen (30) vorgesehen sind.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Isolation der feststehenden Elektroden (11, 12, 13, 14, 41) gegen die beweglichen Elektroden (42) Ätzgrä­ ben (45) vorgesehen sind.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei feststehende Elektroden (41) und parallel dazu von der seismischen Masse (20) ausgehend mindestens zwei bewegliche Elektroden (42) herausstrukturiert sind, die zusammen jeweils einen Kondensator bilden.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren parallelgeschaltet sind.

8. Sensor zur Messung von Beschleunigungen mit einer bewegli­ chen Masse (51, 61) die an beweglichen Federn (50, 60) derart aufgehängt ist, daß die Masse (51, 61) in der Ebene eines Trä­ gers (1) durch eine Beschleunigung auslenkbar ist, wobei mit der Masse (51, 61) bewegliche Fingerstrukturen (511, 611) ver­ bunden sind und mit dem Träger (1) feststehende Elektroden (71) verbunden sind und wobei die feststehenden Elektroden (71) mit den beweglichen Fingerstrukturen (511, 611) Kondensa­ toren bilden, deren Kapazität sich durch die Beschleunigung ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) eine oberen Schicht (2) aus polykristallinem Silizium und eine unteren Schicht (3) aufweist, daß die beiden Schichten (2, 3) gegenein­ ander isoliert sind, daß die bewegliche Masse (51, 61), die be­ weglichen Federn (50, 60), die feststehenden Elektroden (71) und die beweglichen Fingerstrukturen (511, 611) aus der oberen Schicht (2) herausstrukturiert sind.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht (3) ein Dotierungsübergang, vorzugsweise ein pn-Übergang, besteht.

10. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) zwischen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht (3) eine Isolationsschicht (5), vorzugsweise eine Si­ liziumoxidschicht, aufweist.

11. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Elektroden (71) Fingerstrukturen (711) aufwei­ sen, die mit den beweglichen Fingerstrukturen (511, 611) inein­ ander greifen und so die Kondensatoren bilden.