DE4426163A1 - Beschleunigungssensor unter Ausnutzung mechanischer Instabilitäten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor mit einem Feder-Masse-System entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, bei dem auf eine seismische Masse einwir­ kende Beschleunigungskräfte einen in Resonanz schwingenden Biegebalken aus lenken. Diese Auslenkung bewirkt eine Ände­ rung der Schwingfrequenz (Resonanzfrequenz) die mit geeig­ neten Mitteln erfaßt wird. Die Nachweisempfindlichkeit der Beschleunigungskräfte wird bei einem solchen Sensor durch die Größe der seismischen Masse, der Steifigkeit der Federn und die Dimensionierung des Resonatorelementes (des Biege­ balkens) bestimmt. Zur Erhöhung der Sensorempfindlichkeit wird die Grundfrequenz des Feder-Masse-Systems verringert. Das hat jedoch eine Verschlechterung der Sensordynamik sowie ein Vergrößerung der Sensordimensionierung zur Folge.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Sensorempfindlichkeit erheblich gestei­ gert werden kann, ohne daß die Sensordimensionierung vergrö­ ßert oder die -dynamik verschlechtert werden muß. Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Verlagerung des Sensor­ arbeitspunktes in die Nähe einer mechanischen Instabilität die Sensorempfindlichkeit nahezu beliebig gesteigert werden kann. Dies ermöglicht eine besonders starke Sensorminiaturi­ sierung.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Beschleunigungssensors möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß der Biegebalken als Wölbung mit einer gewissen Vorspannung zwischen zwei festen Aufnah­ men ausgebildet ist, so daß er bei geringster Krafteinwir­ kung wellenartig einbricht (Snap-Through-Instabilität). Die Wölbung kann vorteilhaft auch mehrere Wellen, vorzugsweise eine Doppel-S-Struktur aufweisen. Dadurch kann die Empfind­ lichkeit des Sensors weiter gesteigert werden.

Wegen der hohen Empfindlichkeit des Sensors genügt z. B. in vielen Fällen die seismische Masse des Biegebalkens selbst zur Aufnahme der Beschleunigungskräfte. Eine zusätzliche An­ ordnung einer Masse ist nicht erforderlich, aber möglich. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung des Biegebalkens in vorteilhafter Weise.

Die Auslenkung des Biegebalkens kann elektrostatisch, elektrothermisch oder piezoelektrisch und die Detektion kapazitiv, piezoresistiv oder piezoelektrisch erfolgen. Bei elektrostatischer Anregung, kapazitiver Auswertung wird eine Kammstruktur vorteilhaft verwendet. Zur Ankopplung des Schwingungsantriebs bzw. der Detektion der Auslenkung können eine oder mehrere Zungen am Biegebalken angeordnet sein, die beispielsweise kammartig ausgebildet sind. Die Zungen korrespondieren mit entsprechenden feststehenden Aufnahmen.

Ein mechanisch vorteilhaftes Herstellungsverfahren ist die Herausbildung aus einer Silikon-on-Isolator-Struktur (SOI-Struktur), da dieses Material sehr gute Eigenschaften hat.

Die Anordnung oder Ausbildung des Biegebalkens auf dem Trä­ ger erfolgt dabei so, daß die Schwingebene des Biegebalkens entweder parallel oder vertikal zur Oberfläche des Trägers liegt. Bei vertikaler Schwingrichtung ist beispielsweise das Breiten-Dicken-Verhältnis des Biegebalkens derart ausgebil­ det, daß vorzugsweise eine vertikale Schwingung möglich ist. Bei Schwingung parallel zur Oberfläche ist dieses Verhältnis umgekehrt ausgebildet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zei­ gen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Querschnitt, Fig. 2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel bei Krafteinwir­ kung im Querschnitt, Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungs­ beispiel in Draufsicht, und Fig. 4 zeigt das zweite Ausfüh­ rungsbeispiel in Draufsicht bei Krafteinwirkung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Beschleunigungssensors, bei dem ein Biegebalken 1 an zwei Aufnahmen 3 derart fixiert ist, daß sich bedingt durch innere und externe mechanische Spannungen eine Wölbung (Buckel) ergibt. Der Biegebalken 1 ist über die Aufnahmen 3 fest mit einem Träger 2 verbunden. Schematisch ist noch ein Generator 5 dargestellt, der einerseits die Schwingung f des Biegebalkens anregt und diesen von Schwingungsverlusten entdämpft. Eine derartige Struktur kann beispielsweise nach der Silicon-on-Isolator-Technik aus einkristallinem Silicium hergestellt werden. Dabei wird der Biegebalken 1 aus einkristallinem Silicium dadurch freigeätzt, daß die Siliciumoxidschicht darunter teilweise entfernt wird, so daß sich ein Hohlraum 4 bildet. Als Träger 2 dient der Basis­ wafer. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Verhältnis von Breite zur Dicke des Biegebalkens 1 groß, so daß der Biegebalken 1 im wesentlichen vertikal zur Ober­ fläche des Halbleiterchips 2 ausgelenkt werden kann. Die Ausbildung des Buckels kann vorteilhaft durch Ausnutzung mechanischer (Druck-)Spannungen im Resonatormaterial erzeugt werden. Dabei können bereits die vorhandenen Spannungen aus­ genutzt werden, oder sie können durch einen geeigneten Dotierungsvorgang nachträglich erzeugt werden. Wird Polysi­ licium anstelle von SOI verwendet, so kann beispielsweise die Spannung durch geeignete Bedingungen bei der Abscheidung und Nachbehandlung erzeugt werden. Auch können zusätzliche Schichten mit günstigem Spannungsverhalten auf dem Biegebal­ ken aufgebracht werden, die ebenfalls strukturierbar sind.

Der Resonatorantrieb und die Detektion der Biegebalken­ schwingung kann auf verschiedene Weise erfolgen, wobei ein elektronischer Rückkopplungskreis das schwingende Gebilde in der gewählten Mode kontinuierlich entdämpft. Bekannt sind elektrostatische Antriebe und die kapazitive Auslesung der Auslenkung bzw. der Frequenz, wobei zwischen dem Biegebalken und dem Träger entsprechende Elektroden angebracht sind, an denen elektrische Potentiale abgegriffen werden können. Des weiteren kann ein elektrodynamischer Antrieb vorgesehen wer­ den. Die Auslesung kann z. B. über Piezowiderstände piezore­ sistiv erfolgen. Auch kann direkt nach dem piezoelektrischen Effekt der Antrieb und die Auslesung erfolgen. Als piezoelektrische Materialen kommen z. B. Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN) in Frage, die in Dünnschichttechnik abgeschieden und nachfolgend strukturiert werden. Derartige Antriebe sind dem Fachmann per se bekannt.

Anhand der Fig. 2 wird die Wirkungsweise dieser Sensoran­ ordnung näher erläutert. Bei Einwirkung einer vertikalen Kraft a auf den Biegebalken 1 wird dieser beispielsweise, wie in der Fig. 2 dargestellt, wellenförmig durchgebogen. Dadurch ändert sich die Schwingfrequenz f auf eine neue Frequenz f′. Diese Frequenzänderung kann von der Auswerte­ elektronik 5 detektiert werden. Sowohl der Generator 5 als auch die Detektion der Schwingung ist per se bekannt und muß daher nicht näher erläutert werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die "Snap-Through"-Instabilität ausgenutzt, die zwischen den symmetriegebrochenen Zuständen gebuckelter Resonatorstruktu­ ren besteht. Dabei wird der schwingende, in der Schwingungs­ ebene gebuckelte Biegebalkenresonator durch die Einwirkung der äußeren Beschleunigungskraft a in oder gegen die ge­ buckelte Richtung ausgelenkt, d. h., er wird auf den zweiten symmetriegebrochenen Zustand zu oder von ihm wegbewegt. Die Größe der dabei auftretenden Resonatorfreqenzänderung des schwingenden gebuckelten Biegebalkenresonators hängt im we­ sentlichen von der mechanischen Vorspannung ab, mit der das "buckling" bewirkt wird. Über diese Vorspannung kann die gewünschte Frequenz-/Kraftempfindlichkeit eingestellt wer­ den.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel in Draufsicht. Einfachheitshalber wurden die gleichen Be­ zeichnungen verwendet. Der Biegebalken 1 ist derart ausge­ bildet, daß er parallel zur Oberfläche des nicht dargestell­ ten Trägers schwingt. Die Resonanzfrequenz ist wieder mit f bezeichnet. Zusätzlich sind an dem Biegebalken 1 im mittle­ ren Bereich eine oder mehrere Zungen 7 angeordnet. Die Zun­ gen greifen kammartig in einen kammartig ausgebildeten An­ trieb 6, der mit dem Träger fest verbunden ist. Der Antrieb 6 ist über einen Regelkreis wiederum mit dem Generator 5 verbunden und erfaßt gleichzeitig die Änderung der Frequenz bei Einwirkung der Kraft a.

Die Wirkung dieser Anordnung bei Einwirkung der Kraft a ist in Fig. 4 dargestellt. Es handelt sich dabei um einen in der Waferebene schwingenden, zu einer Doppel-S-Struktur ge­ formten Biegebalkenresonator, der z. B. gleichzeitig die seismische Masse des Sensors bildet. Die Doppel-S-Struktur kann erhalten werden durch "buckling" eines zunächst ge­ streckt hergestellten Biegebalkens durch mechanische Span­ nungen, oder durch Herstellung einer bereits im spannungs­ freien Zustand doppel-S-förmigen Struktur über eine entspre­ chende Maskendefinition. Der Antrieb der Struktur zu resonanten Biegeschwingungen in der Ebene der Trägerober­ fläche erfolgt vorteilhaft durch elektrostatische Kräfte. Die Detektion der Schwingungsbewegung erfolgt vorzugsweise kapazitiv. Antriebs- und Aufnahmeelektroden können ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel als geätzte Kammstruktu­ ren (Zunge 7) ausgebildet sein. Alternativ können auch ande­ re Elektrodenkonfigurationen wie Parallelplattenanordnungen usw. verwendet werden.

Claims (10)

1. Beschleunigungssensor mit einem Feder-Masse-System, bei dem auf eine seismische Masse einwirkende Beschleunigungs­ kräfte einen in Resonanz schwingenden Biegebalken aus lenken, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) zwischen zwei festen Aufnahmen (3) derart eingespannt ist, daß eine mechanische Instabilität vorliegt.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Biegebalken (1) eine Wölbung aufweist.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) eine mehrfache Wölbung, vorzugsweise eine Doppel-S-Struktur aufweist.

4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) gleichzeitig die seismische Masse bildet.

5. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (6) aus­ gebildet ist, die Schwingungsbewegung des Biegebalkens (1) durch einen elektrischen Generator (5) kontinuierlich von Dämpfungsverlusten zu befreien.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antrieb (6) elektrostatisch, elektrother­ misch oder piezoelektrisch und die Detektion kapazitiv, piezoelektrisch oder piezoresistiv erfolgt.

7. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) an einer geeigneten Stelle wenigstens eine Zunge (7) für einen elektrostatischen Antrieb und einen kapazitiven Abgriff aufweist.

8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) als mikromechanisches Element einer Silikon-on-Isolator-Struktur ausgebildet ist.

9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) derart parallel zur Oberfläche eines Trägers (2), vorzugs­ weise eines Halbleiterchips angeordnet ist, daß seine Schwingungsebene senkrecht zur Oberfläche des Trägers (2) liegt.

10. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) derart parallel zur Oberfläche des Trägers (2) angeordnet ist, daß seine Schwingungsebene parallel zur Oberfläche des Trägers (2) liegt.