DE4201578A1 - Kapazitiver sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Sensor nach der Gattung
des Hauptanspruchs. Aus der EP-A 13 69 352 sind bereits kapazitive
Sensoren bekannt, die durch Bonden von Bonddrähten auf den Sili
zium-Plättchen kontaktiert werden. Die dafür vorgesehenen Flächen,
die sogenannten Bondpads, werden durch Ausnehmungen der darüberliegenden
Silizium-Plättchen gebildet. Weiterhin werden Methoden offen
bart, wie durch Aufbringen von elektrisch leitfähigen Pasten auf der
Stirnseite eines Silizium-Plattenverbundes Bondpads auf der oberen
Silizium-Platte erzeugt werden.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor mit den kennzeichnenden Merk
malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Bond
sockel exakt definiert sind. Durch die Bearbeitung der Bondsockel
durch Ätzen wird die Größe der durch Bondsockel verursachten Streu
kapazität exakt kontrolliert. Zum einen wird dadurch ein geringerer
Wert der Streukapazität erreicht, zum anderen ist der Wert dieser
Streukapazität exakt genau reproduzierbar und kann daher bei der
Auswertung des Sensors berücksichtigt werden. Die Verwendung von
Ätzprozessen erlaubt die Prozesse zur Herstellung der Sensoren eben
falls für die Herstellung der Bondsockel zu verwenden. Es ist daher
möglich, die Bondsockel zu bearbeiten, ohne weitere Bearbeitungs
schritte in den Herstellungsprozeß aufzunehmen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen kapazitiven Sensors möglich. Besonders vorteilhaft wird
dabei die Kontaktfläche zwischen dem Bondsockel und dem darunterlie
genden Silizium-Plättchen kleiner als die Fläche zum Aufbringen des
Bonddrahtes. Auf diese Weise wird die Streukapazität des Sensors
verringert, ohne daß höhere Anforderungen an die Justiergenauigkeit
des Bondprozesses gestellt werden. Besonders einfach wird der Bond
sockel mit einem trapezförmigen Querschnitt hergestellt, da ein
solcher Querschnitt besonders einfach durch Ätzung von nur einer
Seite des Silizium-Plättchens aus erreicht werden kann. Zur Verrin
gerung der Streukapazität des Sensors sollte ein solcher trapezförmiger
Bondsockel mit der kürzeren der parallelen Seiten des Trapezes
mit einem darunterliegenden Silizium-Plättchen verbunden sein. Bei
der Nutzung von zweiseitigen Ätzprozessen können besonders einfach
Bondsockel mit einem sechseckigen Querschnitt erzeugt werden. Eine
einfache Methode, die Kontaktfläche zwischen dem Bondsockel und dem
darunterliegenden Silizium-Plättchen zu verringern, besteht in der
Ätzung des unterhalb des Bondsockels liegenden Siliziumplättchens.
Bei ausreichender Stabilität des Bondsockels kann sogar die durch
den Bondsockel verursachte Streukapazität nahezu Null werden, indem
das unterhalb des Bondsockels liegende Siliziumplättchen eine Aus
nehmung aufweist. Besonders vorteilhaft werden diese Bondsockel bei
kapazitiven Sensoren eingesetzt, die aus drei Siliziumplättchen be
stehen. Um die Stabilität des Bondsockels der Oberplatte zu erhöhen,
kann dabei die Mittelplatte als Stütze ausgebildet werden. Bei
diesen Sensoren wird der Bondsockel der Mittelplatte besonders ein
fach mit einem näherungsweise trapezförmigen Querschnitt mit in etwa
der halben Dicke der Mittelplatte ausgebildet. Auf diese Weise kön
nen die in der Regel zweiseitig erfolgenden Ätzprozesse für die Her
stellung der beweglichen Elektrode besonders effektiv zur Herstel
lung des Bondsockels benutzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen Fig. 1 einen Bondsockel mit trapezförmigem Querschnitt, Fig. 2
ein unterhalb des Bondsockels bearbeitetes Siliziumplättchen,
Fig. 3 einen Bondsockel mit sechseckigem Querschnitt, Fig. 4 eine
Ausnehmung unterhalb des Bondsockels, Fig. 5 einen kapazitiven Sen
sor aus drei Siliziumplättchen mit erfindungsgemäßem Bondsockel und
Fig. 6a, b, c verschiedene Ausgestaltungen des näherungsweise
trapezförmigen Bondsockels.
Fig. 1 zeigt zwei Siliziumplättchen 1, 2, die aufeinanderliegen,
wobei das Siliziumplättchen 1 einen Bondsockel 10 aufweist, auf dem
ein Bonddraht 4 befestigt ist. Die beiden Siliziumplatten 1 und 2
sind fest miteinander verbunden. Diese feste Verbindung wird in der
Regel durch einen Silizium-Bondprozeß hergestellt. Dabei werden die
Siliziumplatten 1, 2 durch chemische Vorbehandlung oder thermische
Oxidation mit einem dünnen Oxidfilm versehen. Durch Aufeinanderlegen
und einer Temperaturnachbehandlung entsteht eine unlösbare Verbin
dung zwischen den beiden Siliziumplättchen 1, 2. Es sind jedoch
auch andere Verbindungstechniken wie Kleben, anodisches Bonden,
Schweißen oder durch die Verwendung von Hilfsschichten wie bei
spielsweise Glas vorstellbar. Durch den Bonddraht 4 wird das Sili
ziumplättchen 1 elektrisch kontaktiert. Über den Bonddraht 4 und an
deren hier nicht gezeigten Anschlüssen für das Siliziumplättchen 2
kann die Kapazität zwischen dem Siliziumplättchen 1 und dem Sili
ziumplättchen 2 gemessen werden. Die kapazitiven Sensoren weisen be
wegliche Elektroden auf, durch die die Kapazität zwischen den Sili
ziumplättchen ein Maß für beispielsweise eine Beschleunigung, Nei
gung oder Drehrate ist. Die konkrete Ausgestaltung eines solchen
Sensors ist hier nicht Gegenstand der Erfindung, in Fig. 5 wird ein
entsprechendes Beispiel gezeigt. Parallel zur veränderlichen Kapazi
tät des Sensors ist eine Streukapazität geschaltet, deren Wert im
wesentlichen durch die Kontaktfläche zwischen dem Siliziumplättchen
1 und dem Siliziumplättchen 2 bestimmt wird. Durch die erfindungsge
mäße Ausgestaltung der Bondsockel 10 bis 15 wird die Streukapazität,
die von den Bondsockeln verursacht wird, reduziert bzw. reproduzier
bar definiert. Fig. 1 zeigt dazu einen Bondsockel 10, der in einer
Richtung einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die Ober- und
Unterseite dieses Trapezes sind parallel zueinander, die schrägen
Seitenwände haben einen Winkel von ca. 70,5° zueinander. Bondsockel
mit diesem Querschnitt lassen sich durch anisotropes Ätzen mit einer
basischen Ätzlösung in 100 orientiertem Silizium erzeugen. Die dazu
notwendige Ätzung erfolgt nur von einer Seite des Siliziumplättchens
1, in diesem Fall der Seite, die dem Siliziumplättchen 2 zugewandt
ist. Die dazu notwendigen Ätzprozesse sind dem Fachmann geläufig.
Die Stirnseite der hier gezeigten Siliziumplättchen 1 und 2 bzw. des
Bondsockels 10 entstand durch Zersägen eines größeren Siliziumwafer
verbundes.
Fig. 2 zeigt zwei Siliziumplättchen 1, 2, einen trapezförmigen
Bondsockel 11 und darunter gelegene Gräben 5. Auf die Darstellung
der Bonddrähte wurde verzichtet. Der trapezförmige Bondsockel 11
wurde wieder durch die Verwendung von anisotropen Ätzprozessen in
100 orientiertem Silizium erzeugt. Die Ätzung erfolgte durch Ätzung
von der Oberseite des Siliziumplättchens 1. Dieser Bondsockel 11 ist
mit der längeren der parallelen Seite mit dem Siliziumplättchen 2
verbunden. In das Siliziumplättchen 2 sind jedoch Gräben 5 einge
bracht, die die Kontaktfläche zwischen Bondsockel 11 und Silizium
plättchen 2 verringern. Durch diese Maßnahme wird die durch den
Bondsockel 11 verursachte Streukapazität zwischen Siliziumplättchen
1 und 2 gering gehalten. Für die Herstellung der Gräben 5 sind eine
Vielzahl von Ätzprozessen anwendbar. Neben anisotropen basischen
Ätzlösungen können auch Plasmaätzprozesse wie beispielsweise das
reaktive Ionenätzen verwendet werden. Die Tiefe der Gräben 5 richtet
sich dabei nach der Dicke einer eventuellen dielektrischen Zwischen
schicht zwischen den Siliziumplättchen 1 und 2. Die Tiefe der Gräben
5 sollte größer sein, als die Dicke einer dielektrischen Schicht
zwischen dem Siliziumplättchen 1 und Siliziumplättchen 2. Beim Sili
ziumdirektbonden durch eine chemisch oxidierte Oberfläche ist die
dielektrische Schicht zwischen den Siliziumplättchen 1 und 2 in der
Größenordnung von einigen 10 nm, die Gräben 5 müssen daher in diesem
Fall nur einige µm tief sein, um die Streukapazität merklich zu
verringern. Die Stirnseite wurde wieder durch Zersägen eines größe
ren Siliziumwaferverbundes erzeugt.
In Fig. 3 werden zwei Siliziumplättchen 1, 2 und ein Bondsockel 13
gezeigt. Der Bondsockel 13 weist einen sechseckigen Querschnitt auf,
wobei die jeweils einander gegenüberliegenden Seiten zueinander
parallel sind. Dieser Bondsockel 13 wurde durch zweiseitige Ätzung
eines 100 orientierten Siliziumwafers hergestellt. Im hier gezeigten
Beispiel ist die erzeugte Bondfläche genauso groß wie die Kontakt
fläche zwischen Bondsockel 13 und Siliziumplättchen 2. Durch dieses
Ausführungsbeispiel wird somit das Verhältnis von Bondfläche zu
Kontaktfläche nicht verbessert. Als Vorteile sind hier anzuführen,
daß die Streukapazität exakt definiert wird, und daß ein Ätzprozeß
von beiden Seiten des Siliziumplättchens 1 angewendet werden kann.
In Fig. 4 werden zwei Siliziumplättchen 1, 2 gezeigt, wobei das
Siliziumplättchen 1 einen Bondsockel 14 und das Siliziumplättchen 2
eine Ausnehmung 21 aufweist. Der Bondsockel 14 wurde wieder durch
zweiseitige Ätzung des Siliziumplättchens 1 hergestellt. Im Gegen
satz zum Bondsockel 13 aus Fig. 3 wurde beim hier gezeigten Bond
sockel 14 auch die Stirnseite durch einen Ätzprozeß exakt defi
niert. Durch die Ausnehmung 21 wird die durch den Bondsockel 14 ver
ursachte Streukapazität zwischen Siliziumplättchen 1 und Silizium
plättchen 2 nahezu auf Null verringert. Voraussetzung für die Ver
wendung der Ausnehmung 21 ist, daß die beim Bonden der Bonddrähte
auf den Bondsockeln auftretenden Kräfte die Bondsockel nicht zerstö
ren. Wenn das Siliziumplättchen 1 die übliche Dicke von einigen Hun
dert Mikrometer aufweist, so können die beim Bonden auftretenden
Kräfte von den Bondsockeln toleriert werden. Die Herstellung der
Ausnehmung 21 erfolgte in Fig. 4 durch die Verwendung eines zwei
seitigen Ätzprozesses in 100 orientiertem Silizium. In äquivalenter
Weise können andere, auch einseitige, Ätzprozesse angewendet werden.
In Fig. 5 wird ein kapazitiver Beschleunigungssensor gezeigt, der
aus einer Oberplatte 1, einer Mittelplatte 2 und einer Unterplatte 3
aus einkristallinem Silizium aufgebaut ist. Aus der Mittelplatte 2
ist die bewegliche Elektrode 22 bestehend aus einem Biegebalken 31
und einer seismischen Masse 32 herausstrukturiert. Zur Kontaktierung
weist die Oberplatte 1 einen Bondsockel 12 und die Mittelplatte ei
nen Bondsockel 15 auf. Der Bondsockel 12 der Oberplatte 1 ist über
eine Stütze 23 mit der Unterplatte 3 verbunden. Die Oberplatte 1 ist
im Bereich der beweglichen Elektrode 22 nur teilweise dargestellt,
um einen Einblick in den Sensor zu gewähren. Zwischen den einzelnen
Siliziumplättchen sind jeweils dünne isolierende Filme gelegen.
Auf diese Weise wird eine Isolation zwischen den verschiedenen Sen
sorteilen sichergestellt. Auf den Bondsockel 12, den Bondsockel 15
und die Unterplatte 3 ist eine Metallisierung 30 aufgebracht, die
das Bonden der Bonddrähte 4 auf den Siliziumoberflächen gestattet.
Für eine klarere Darstellung wurde auf die Bonddrähte zum Bondsockel
12 und 15 verzichtet.
Durch Anlegen einer Beschleunigung an den Sensor wird die bewegliche
Elektrode 22 aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Wegen des geringen Ab
standes der seismischen Masse 32 zur Oberplatte 1 bzw. zur Unter
platte 3 verändert sich die zwischen den Platten gemessene Kapazi
tät. Die Kapazitätsänderung stellt ein Maß für die anliegende Be
schleunigung dar. Die Genauigkeit der Messung der Kapazitätsänderung
wird durch die parallel zur Meßkapazität geschaltete Streukapazität
begrenzt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bondsockel
wird die Streukapazität verringert und so die Empfindlichkeit des
Sensors verbessert.
Der Bondsockel 12 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die
Herstellung eines solchen Querschnittes wurde beispielsweise zur Fig. 1
oder 2 beschrieben. Die Stütze 23 dient dazu, den Bondsockel
12 beim Bondprozeß mechanisch abzustützen. Die Stütze 23 weist kei
nen elektrischen Kontakt zum Rest der Mittelplatte 2 auf. Wenn der
Abstand zwischen Stütze 23 und Rest der Mittelplatte 2 groß genug
ist, wird so ein kapazitives Überkoppeln des Bondsockels 12 zur
Mittelplatte 2 fast vollständig unterdrückt. Der Bondsockel 15 weist
einen näherungsweise trapezförmigen Querschnitt auf und wurde durch
zweiseitige Ätzung der Mittelplatte 2 hergestellt. Dabei wurden aus
schließlich die zur Herstellung der bewegten Elektrode 22 ohnehin
notwendigen Ätzprozesse genutzt. Die dabei entstehenden Querschnitte
des Bondsockels 15 werden in Fig. 6 im Detail beschrieben. Die Me
tallisierung 30 wird durch Aufdampfen von beispielsweise Aluminium
erzeugt. Um nur einen streifenförmigen Bereich des Sensors mit der
Metallisierung 30 zu versehen, wird eine Schattenmaske verwendet.
In Fig. 6 werden verschiedene mögliche Querschnitte des Bondsockels
15 gezeigt. Der Bondsockel 15 wird durch zweiseitige Ätzung der
Mittelplatte 2 hergestellt. Da dabei ausschließlich die Ätzprozesse
für die Herstellung der beweglichen Elektrode genutzt werden, können
diese Querschnitte vom Herstellungsprozeß des beweglichen Sensorteils
abhängen. In Fig. 6 werden drei mögliche Querschnitte des
Bondsockels 15 gezeigt, die den Begriff näherungsweise trapezförmig
definieren. In Fig. 6a wird mit 25 ein näherungsweise trapezförmiger
Bondsockel 15 mit zwei Spitzen 44 gezeigt. Dieser Querschnitt
ist jedoch insofern näherungsweise trapezförmig, da die
Oberseite 45 parallel zur Unterseite 42 ist und zwei schräge Wände
41 und 43 mit einem relativen Winkel zueinander von 70,5° vorhanden
sind. Dieser Querschnitt ähnelt somit näherungsweise dem in Fig. 1
gezeigten trapezförmigen Querschnitt des Bondsockels 10. Ähnliches
gilt für die Fig. 6b. Die Oberseite 45 ist parallel zur Unterseite
42, die Seitenwände 41 und 43 weisen einen Winkel von 70,5° auf.
Die, nicht zum Trapez gehörenden Seiten 45, sind relativ kurz und
haben nur einen geringen Winkel zur Oberseite 45. Auch diese
Struktur wird daher als näherungsweise trapezförmig bezeichnet. Die
Figur nach 6c ist insofern trapezförmig, als daß ein Großteil ihrer
Fläche durch ein Trapez mit den Seiten 41, 42 und 43 abgedeckt
werden kann. Als Unterschied zur geometrischen Form des Trapezes
bleibt nur der vergleichsweise geringe Buckel 46. Welche dieser drei
möglichen Querschnitte des Bondsockels 15 durch den Ätzprozeß
erzielt wird, hängt von der Prozeßführung für die Herstellung des
beweglichen Sensorteils 22 ab. Vorteilhaft für das Bonden ist der
Querschnitt wie er in Fig. 6a und Fig. 6b gezeigt wird.
Claims (11)
1. Kapazitiver Sensor, insbesondere zur Messung einer Beschleuni
gung, Neigung oder Drehrate, der mindestens zwei aufeinanderliegen
de, leitfähige, gegeneinander isolierte, einkristalline Sili
zium-Plättchen aufweist, wobei aus mindestens einem der Sili
zium-Plättchen eine bewegliche Elektrode herausstrukturiert ist, die
mit mindestens einem anderen Silizium-Plättchen einen Plattenkonden
sator bildet, wobei mindestens ein Silizium-Plättchen durch minde
stens einen Bonddraht elektrisch angeschlossen ist, und darüberlie
gende Silizium-Plättchen über dem Anschluß eine Ausnehmung aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß des Bonddrahts (4) Tei
le der Silizium-Plättchen (1, 2, 3) als Bondsockel (10 bis 15) aus
gebildet sind, daß die Bondsockel (10 bis 15) durch Ätzen bearbeitet
sind und daß die Kontaktfläche zwischen den Bondsockeln (10 bis 15)
und darunterliegenden Silizium-Plättchen (1, 2, 3), durch Ätzung des
Bondsockels (10 bis 15) oder des darunterliegenden Silizium-Plätt
chens (1, 2, 3) definiert ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche
für das Aufbringen des Bonddrahts (4) größer ist als die Kontaktflä
che zwischen dem Bondsockel (10 bis 15) und dem darunterliegenden
Siliziumplättchen (1, 2, 3).
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Bondsockel (10, 11, 12) mindestens eines Silizium
plättchens (1, 2, 3) in mindestens einer Richtung einen trapezförmi
gen Querschnitt aufweist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bond
sockel (10) mit der kürzeren der parallelen Seiten des Trapezes mit
einem weiteren Silizium-Plättchen (1, 2, 3) verbunden ist.
5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bondsockel (13, 14) mindestens eines Siliziumplättchens (1, 2, 3) in
einer Richtung einen secheckigen Querschnitt aufweist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das unterhalb des Bondsockels (10 bis 15) liegende
Silizium-Plättchen (1, 2, 3) in dem Bereich, der unterhalb des Bond
sockels (10 bis 15) liegt, durch Ätzen bearbeitet ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das unterhalb des Bondsockels (10 bis 15) liegende
Silizium-Plättchen (1, 2, 3) in dem Bereich, der unterhalb des Bond
sockels (10 bis 15) liegt, eine Ausnehmung (21) aufweist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß drei Silizium-Plättchen (1, 2, 3) als Ober- (1), Mit
tel- (2) und Unterplatte (3) verwendet werden, und daß die bewegli
che Elektrode (22) aus der Mittelplatte (2) ausgebildet ist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des
Bondsockels (12) der Oberplatte (1) die Mittelplatte (2) als Stütze
(23) mit sechseckigem Querschnitt in einer Richtung ausgebildet ist,
und daß die Stütze (23) mit dem Bondsockel (12) und der Unterplatte
(3) verbunden ist.
10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bondsockel (15) der Mittelplatte (2) in einer Richtung einen nähe
rungsweise trapezförmigen Querschnitt (25, 26, 27) aufweist, und daß
der Abstand zwischen den parallelen Seiten des näherungsweise tra
pezförmigen Querschnitts (25, 26, 27) in etwa der halben Dicke der
Mittelplatte (2) entspricht.
11. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bond
sockel (15) durch Ätzung von beiden Seiten der Mittelplatte (2) er
zeugt wurde.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |