DE4431327A1 - Mikromechanischer Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Sensoren zur Beschleunigungsmessung haben ein weites Ein­ satzspektrum, das von der Automobilbranche über den Bereich der Lagesensoren bis hin zu Einsatzgebieten reicht, die bei­ spielsweise die Überprüfung von Stößen beim Transport emp­ findlicher Güter betreffen. Aufgrund der hohen Stückzahlen der benötigten Beschleunigungssensoren hat es sich in den letzten Jahren zunehmend durchgesetzt, diese nicht mehr aus einer Vielzahl von Einzelelementen aufzubauen, sondern mit Technologien der Mikromechanik herzustellen.

Eine Herstellungstechnik, die bei bislang vorgestellten mi­ kromechanischen Beschleunigungssensoren eingesetzt worden ist, ist das sogenannte "bulk micromachining", bei dem der Sensor durch aufwendige Mikrobearbeitungstechniken dreidi­ mensional strukturiert wird. Dieses Verfahren hat den Nach­ teil der hohen Komplexität, die wiederum mit erheblichen Kosten einhergeht, so daß sich derartige Sensoren aus Ko­ stengründen nicht durchsetzen konnten.

Ein erfolgreicherer Ansatz zur Herstellung derartiger mikro­ mechanischer Beschleunigungssensoren bedient sich einer Oberflächenbearbeitungstechnologie, die mit "surface micro­ machining" bezeichnet wird. Bei konventionellen Beschleuni­ gungssensoren, die mit dieser "surface micromachining"- Technologie" hergestellt werden, wird lediglich innerhalb einer Strukturschicht auf einem Grundkörper mit photolitho­ graphischen Mitteln ein federnd aufgehängter seismischer Massenkörper angeordnet. Typische Ausgestaltungen solcher Beschleunigungssensoren ähneln weitgehend kapazitiven Druck­ aufnehmern, wobei im Falle des Beschleunigungssensors die Membran Durchbrechungen aufweist und in ihrem Mittenbereich mit einer Verdickung versehen ist, die den seismischen Mas­ senkörper bildet. Ebenfalls ist es üblich, bei einem in der "surface micromachining"-Technologie hergestellten Beschleu­ nigungssensor an einem oder mehreren federnden Armen einen seismischen Massenkörper aufzuhängen, wobei die federnden Arme gegenüber einem Grundkörper isoliert sind. Der seismi­ sche Massenkörper liegt bezogen auf den Grundkörper oberhalb einer in der Hauptfläche des Grundkörpers vorgesehenen Aus­ nehmung, durch die ein Abstand zwischen dem seismischen Mas­ senkörper und dem Grundkörper von typischerweise einem Mi­ crometer definiert wird. Ein derart geringer Abstand ist er­ forderlich, damit bei dem bekannten Beschleunigungssensor eine hinreichende Empfindlichkeit, d. h. eine hinreichende Änderungsrate seiner Kapazität bezogen auf die Beschleuni­ gung, erreicht wird. Kurz gesagt ist es den bekannten Be­ schleunigungssensoren, die auf der Grundlage der sogenannten "surface micromachining"-Technologie (Oberflächenbearbei­ tungstechnologie) hergestellt sind, gemeinsam, daß der Ab­ stand zwischen dem seismischen Massenkörper und dem Sensor­ grundkörper höchstens einige wenige Micrometer beträgt. Wenn nun die beweglichen Teile der Beschleunigungssensorstruktur, also der seismische Massenkörper aufgrund einer sehr starken Beschleunigung mit dem Untergrund, also der ihm zugewandten Oberfläche der Ausnehmung des Grundkörpers, in Berührung kommt, so besteht die Gefahr, daß der seismische Massenkör­ per an dem Untergrund klebenbleibt. Diese Problematik kann man bei bekannten Beschleunigungssensoren der beschriebenen Bauart nur dadurch vermeiden, daß entweder der Abstand zwi­ schen beweglichen strukturteilen und dem Grundkörper erhöht wird oder die federnde Aufhängung des seismischen Massenkör­ pers steifer ausgeführt wird. Beide Maßnahmen würden jedoch zu einer Verminderung der Sensorempfindlichkeit führen. Eine weitere Beschränkung des bekannten Sensors besteht darin, daß dieselbe dazu in der Lage ist, eine Beschleunigung in Richtung der Senkrechten auf der Hauptfläche des Grundkör­ pers zu detektieren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art so weiter­ zubilden, daß trotz hoher Empfindlichkeit bei der kapazi­ tiven Erfassung der Beschleunigung die Gefahr des Kleben­ bleibens beweglicher Sensorstrukturen des Beschleunigungs­ sensors ausgeräumt wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Im Gegensatz zu bekannten Beschleunigungssensoren, die unter Verwendung der "surface micromachining"-Technologie her­ stellbar sind, und bei denen die kapazitive Lageerfassung der Lage der seismischen Masse bezogen auf den leitfähigen Bereich des Grundkörpers unterhalb des seismischen Massen­ körpers durchgeführt wird, sieht die Erfindung vor, daß die kapazitive Erfassung durch wenigstens ein an dem Grundkörper angebrachtes, sich im wesentlichen entlang einer Hauptfläche desselben erstreckendes und gegenüber dem Grundkörper beab­ standetes erstes Kondensatorelement zusammen mit einem be­ weglichen zweiten Kondensatorelement durchgeführt wird, das an dem seismischen Massenkörper befestigt ist und sich gleichfalls im wesentlichen entlang der Hauptfläche des Grundkörpers erstreckt und im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der zu messenden Beschleunigung gegenüber dem er­ sten Kondensatorelement versetzt angeordnet ist. Vereinfacht ausgedrückt liegen bei dem erfindungsgemäßen Beschleuni­ gungssensor die ersten und zweiten Kondensatorelemente in einer Richtung zueinander beabstandet, die im wesentlichen senkrecht auf der Richtung der zu messenden Beschleunigung liegt, während bei dem bekannten Beschleunigungssensor die Kondensatorelemente zur kapazitiven Erfassung der Lage des seismischen Massenkörpers im wesentlichen in Richtung der zu messenden Beschleunigung voneinander beabstandet sind. Durch das erfindungsgemäße Konzept der Anordnung der Kondensator­ elemente zur Erfassung der Auslenkung des seismischen Mas­ senkörpers wird es ermöglicht, den seismischen Massenkörper mit einem großen Abstand zu seinem Untergrund anzuordnen, da dieser Abstand bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungs­ sensor nicht länger maßgeblich für die Empfindlichkeit ist, die allein durch den gegenseitigen Abstand der beiden Kon­ densatorelemente bestimmt ist. Da dieser bei dem erfindungs­ gemäßen Beschleunigungssensor für die Empfindlichkeit maß­ gebliche Abstand der Kondensatorelemente voneinander quer zur Beschleunigungsrichtung liegt, ist es möglich, praktisch beliebige Empfindlichkeiten zu erreichen. Besondere Bedeu­ tung kommt hierbei der bevorzugten Ausgestaltung der ersten und zweiten Kondensatorelemente in Form eines Interdigital­ kondensators zu, die eine Multiplikation der Empfindlichkeit entsprechend der Vervielfachung der Anzahl der Kondensator­ elemente ermöglicht.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Un­ teransprüchen definiert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleuni­ gungssensors; und

Fig. 2 eine Vertikalschnittdarstellung durch das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des mikromechanischen Beschleunigungssensors.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, weist ei­ nen aus einem Substrat, wie beispielsweise Silizium, bestehenden Grundkörper 2 auf, an dessen oberer Hauptfläche 3 eine Isolatorschicht 4 vorgesehen ist, die beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen kann. In dieser Hauptfläche 3 weist der Grundkörper eine Ausnehmung 5 auf, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch gebildet wird, daß nach fertiger Strukturierung der noch zu erläuternden Elemente der Strukturschicht 6 und nach an sich üblicher photolithographischer Definition der Lage der Ausnehmung diese gebildet wird, indem das Material des Grundkörpers im Bereich der Ausnehmung 5 durch einen geeigneten Ätzprozeß (beispielsweise mittels verdünnter Flußsäure) porös gemacht und anschließend selektiv weggeätzt wird. Bevorzugte Tiefen der Ausnehmung, welche in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen t bezeichnet sind, liegen bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensoren in der Größenordnung von einigen zehn Micrometern.

In der Strukturschicht 6 sind zu beiden Seiten der Ausneh­ mung 5 ein erster Kontakt 7 und ein zweiter Kontakt 8 vor­ gesehen. Ausgehend von dem ersten Kontakt 7 erstrecken sich eine Mehrzahl von fingerförmigen oder balkenförmigen ersten Kondensatorelementen 9a-9e im wesentlichen parallel zu der ersten Hauptfläche 3 über die Ausnehmung 5. Zwischen je zwei parallel verlaufenden ersten Kondensatorelementen 9a, 9b; 9b, 9c; 9c, 9d; 9d, 9e liegt je ein eng zu diesen Elementen beabstandetes zweites Kondensatorelement 10a-10d aus einer Gruppe von zweiten Kondensatorelementen, wobei die ersten und zweiten Kondensatorelemente 9a-9e, 10a-10d miteinander in Draufsicht in der Art eines Interdigitalkondensators an­ geordnet sind.

In dem Ruhezustand des Beschleunigungssensors erstrecken sich die zweiten Kondensatorelemente 10a-10d ebenfalls pa­ rallel zu der Hauptfläche 3 des Grundkörpers 2 oberhalb der Ausnehmung 5 und gehen jeweils an ihren den ersten Kondensa­ torelementen 9a-9e abgewandten Enden in einen seismischen Massenkörper 11 über. Der seismische Massenkörper 11 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch fünf Tragarme 12a- 12e an seiner den zweiten Kondensatorelementen 10a-10d abge­ wandten Seite mit dem zweiten Kontakt 8 verbunden. Durch diese Tragarme 12a-12e gebildete Aufhängung des seismischen Massenkörpers 11 können Druckspannungen, die möglicherweise in der Strukturschicht 6 vorhanden sind, kompensiert werden.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann zusammen mit einer zu­ gehörigen Auswerteschaltung auf einem Chip integriert wer­ den.

Da bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor der Boden der Ausnehmung 5 innerhalb des Grundkörpers 2 nicht als Ge­ genelektrode verwendet wird, kann gemäß einem besonders wichtigen Aspekt der Erfindung der Boden der Ausnehmung 5 uneben oder aufgerauht hergestellt werden. Die Aufrauhung des Bodens der Ausnehmung 5 kann durch einen geeigneten Ätzprozeß bewerkstelligt werden. Möglich ist z. B. hierfür das kurze Anätzen mittels verdünnter Flußsäure.

Claims (9)

1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem Grund­ körper (2);
einem gegenüber dem Grundkörper (2) federnd aufgehängten seismischen Massenkörper (11); und
einer Einrichtung zur kapazitiven Erfassung der Auslen­ kung des seismischen Massenkörpers (11) relativ zu dem Grundkörper (2);
dadurch gekennzeichnet,
daß die kapazitive Erfassungseinrichtung (9a-9e; 10a- 10d) wenigstens ein an dem Grundkörper (2) angebrachtes, sich im wesentlichen entlang einer Hauptfläche (3) des­ selben erstreckendes und gegenüber dem Grundkörper (3) beabstandetes erstes Kondensatorelement (9a-9e) und we­ nigstens ein an dem seismischen Massenkörper (11) ange­ brachtes, sich im wesentlichen entlang dieser Hauptflä­ che (3) des Grundkörpers (2) erstreckendes und im we­ sentlichen senkrecht zu der Richtung der zu messenden Beschleunigung zu dem ersten Kondensatorelement (9a-9e) versetzt angeordnetes zweites Kondensatorelement (10a- 10e) aufweist.

2. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von im wesentlichen antiparallel zueinan­ der verlaufenden ersten und zweiten Kondensatorelementen (9a-9e; 10a-10d).

3. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kondensatorelemente (9a-9e) und die zwei­ ten Kondensatorelemente (10a-10d) abwechselnd in einer im wesentlichen senkrechten Richtung bezogen auf die Richtung der zu messenden Beschleunigung angeordnet sind.

4. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kondensatorelemente (9a-9e; 10a-10d) miteinander die Struktur eines Interdigitalkon­ densators festlegen.

5. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kondensatorelemente (9a-9e) an ihren den zweiten Kondensatorelementen (10a-10d) abgewandten Enden in einen ersten Kontakt (7) übergehen, der auf einer Hauptfläche (3) des Grundkörpers (2) liegt.

6. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweiten Kondensatorelemente (10a-10d) an ihren den ersten Kondensatorelementen (9a-9e) abgewandten En­ den in den seismischen Massenkörper (11) übergehen; und
daß der seismische Massenkörper (11) seinerseits an sei­ ner von den zweiten Kondensatorelementen (10a-10d) abge­ wandten Seite in Tragarme (12a-12e) übergeht, die ihrerseits in einen zweiten Kontakt (8) übergehen, der auf der Hauptfläche (3) des Grundkörpers (2) liegt.

7. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Grundkörper (2) unterhalb der ersten und zweiten Kondensatorelemente (9a-9e; 10a-10d) sowie un­ terhalb des seismischen Massenkörpers (11) eine Ausneh­ mung (5) vorgesehen ist.

8. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmung senkrecht zu der Hauptflä­ che (3) des Grundkörpers (2) größer als 10 Micrometer ist.

9. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Ausnehmung (5) uneben oder aufgerauht ausgebildet ist.