DE69013540T2

DE69013540T2 - Kapazitiver Beschleunigungsmesser mit Prüfmasse in der Mittelebene.

Info

Publication number: DE69013540T2
Application number: DE69013540T
Authority: DE
Inventors: Robert H Bullis; James L Swindal
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-02-03
Also published as: CA2009494A1; DE69013540D1; EP0386463B1; IL93552A0; EP0386463A3; BR9000845A; US5008774A; EP0386463A2; JPH02271262A; IL93552A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft durch Mikrobearbeitung aus Silizium gebildete kapazitive Festkörper-Beschleunigungsmesser gemaß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der FR-A-2 602 055 bekannt sind.

Technischer Hintergrund

Auf dem Gebiet der Beschleunigungsmesser ist es bekannt, einen kleinen, kompakten Beschleunigungsmesser durch Ätzen der wesentlichen Bauteile aus Silizium zu bilden. Das US-Patent 4,574,327 veranschaulicht eine Version eines solchen Wandlers, bei dem eine Prüfmasse mit einer strukturierten Oberfläche, die zahlreiche sich durch die Prüfmasse hindurcherstreckende Nuten und Öffnungen aufweist, ihre Oberfläche derart ausgestaltet hat, daß das gewünschte Frequenzansprechverhalten unter Verwendung des Quetschfilm-Dämpfungsphänomens erreicht wird.
Andere Formen von Mikro-Beschleunigungsmessern verwenden Ausleger-Prüfmassen, die eine Asymmetrie mit sich bringen, die möglicherweise zu einer unerwünschten Querachsen-Empfindlichkeit führt. Das vorerwähnte '327-Patent vermeidet den Asymmetrie-Effekt durch Bereitstellung eines flexiblen Scharniers, welches die gesamte Prüfmasse umläuft, so daß das Ansprechverhalten vorzugsweise in Richtung einer Achse senkrecht zur Ebene der Prüfmasse erfolgt.
Die oben erwähnte FR-A-2 602 055 offenbart einen Festkörper- Beschleunigungsmesser, dessen Sensorplatte mit Hilfe von vier Paaren kleiner streifenförmiger Flexelemente aufgehängt ist, wobei jedes Paar von Flexelementen eine der vier Ecken der Sensorplatte mit einer gegenüberliegenden Ecke eines Trägerrahmens verbindet. Ein Flexelement jedes Paares von Flexelementen befindet sich in der oberen Ebene der Sensorplatte, während das andere Flexelement jedes Paares von Flexelementen sich in der unteren Ebene der Sensorplatte befindet.
Vorzugsweise sind Flexelemente oder Scharniere in der Mittelebene der Prüfmasse gelagert, um Drehmomente zu vermeiden, welche Beschleunigungen auf unterschiedliche Achsen koppeln, allerdings ist die genaue Lokalisierung der Mittelebene schwierig.
Das durch die vorliegende Erfindung gelöste Problem besteht darin, das zum Stand der Technik gehörige Mittelebenen-Prüfmassen durch Dotieren der Oberseite eines Siliziumwafers mit Bor und anschließendes Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf der dotierten Oberfläche bis zu einer Höhe gebildet wurden, welche der Dicke des Siliziums unterhalb der dotierten Schicht entsprach. Dies war ein sehr langsamer und teurer Prozeß.
Noch wichtiger ist, daß dieser Prozeß unvermeidlich zu induzierten Spannungen im so erhaltenen Aufbau der Prüfmasse führt, mit der Folge starker Bauelement-Temperaturempfmdlichkeiten und einer nicht erreichbaren Bauelement-Reproduzierbarkeit der Beschleunigungsmesser-Spannweite und dem Vorspannungsversatz. Alternativ dazu wurde zur Bildung der Mittelebenen-Scharniere von beiden Seiten eines nicht-dotierten Wafers her geätzt. Dieser Prozeß wird lediglich durch die Ätzdauer gesteuert. Da aber die Dicke der Prüfmassenstruktur typischerweise 10 Mil (etwa 0,25 mm) beträgt, während die Schaniierdicke typischerweise 0,1 Mil (etwa 2,5 um) beträgt, führt diese Methode nicht zu guter Bauelement-Reproduzierbarkeit von Wafer zu Wafer.

Offenbarung der Erfindung

Die Efflndung betrifft einen verbesserten kapazitiven Beschleunigungsmesser, bei dem ein Drei-Platten-Kondensator mit der Prüfmasse als mittlerer Platte gebildet wird. Aufgehängt ist die Prüfmase an einem Silizium-Rahmen mittels einer neuen Ausgestaltung von Flexelementen, angeordnet an der oberen und unteren Oberfläche einer Mittelebenen- Grenzzone mit einer stark verbesserten Symmetrie, die zu einer verringerten Querachsenkopplung bei gleichzeitig einfacher Fertigung mit extrem hoher Präzision und Reproduzierbarkeit bei minimaler induzierter Spannung im kritischen Scharnier-Lagerbereich und angebrachter Prüfmassenstruktur führt.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Festkörper-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäß aufgebaute Prüfmasse.

Bester Weg zum Ausführen der Erfindung

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform der Erfindung zum Registrieren einer Beschleunigung koaxial bezüglich einer sich durch die Zeichnung nach oben erstreckenden Achse 230. Elektrisch gesehen, handelt es sich bei der Vorrichtung um einen Drei-Platten-Kondensator, bei dem eine obere und eine untere Platte 20 und 30 aus starren Siliziumelementen gebildet sind, die durch Bonden an einem Zwischen-Siliziumrahmen 105 angebracht sind, der eine Prüfmasse 110 enthält. Das Bonden erfolgt mit Hilfe üblicher anodischer oder thermischer Verfahren zwischem dem Rahmen 105 und Glasumrandungen 22, die auf der oberen und der unteren Platte 20 und 30 mit Hilfe üblicher Glasniederschlagungs- und Ätzverfahren ausgebildet sind. Die Prüfmasse 110 wird aus zwei Siliziumtafeln 112 und 114 gebildet, die in einer Grenzzone 115 durch irgendeinen geeigneten Bondprozeß miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Aufstäuben einer Schicht aus Aluminium auf die zusammengehörigen Oberflächen und durch Erwärmen von diesem "Sandwich" bei 700º C während einer Stunde, um die beiden Tafeln miteinander zu verbinden. Alternativ kann anstelle des Aluminiums ein dielektrisches Glas-Bindemittel verwendet werden. Die die Grenzzone 115 berührenden Flächen werden in einem Muster mit Bor dotiert, welches den in einem anschließenden Ätzschritt zu bildenden Scharhieren entspricht. Wie üblich, sind in der Zeichnung die vertikalen Abmessungen stark übertrieben, um die sehr dünnen Merkmale gemäß der Erfindung sichtbar zu machen.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das linke und das rechte Flexelement in der unteren bzw. der oberen Tafel liegen, um den Verbundaufbau der Prüfmasse zu betonen. Der Fachmann erkennt leicht, wie zahlreiche andere Ausgestaltungen von Flexelementen gemäß der Erfindung ausgestaltet werden können.
Weitere Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Effindung sind in Fig. 2 dargestellt, die einen Rahmen 105 und eine Prüfmasse 110 in vereinfachter Perspektive zeigt. In dieser Zeichnung ist die gleiche Achse 230 die Z-Achse, wobei die entsprechende X-Achse 210 und Y-Achse 220 auf der Mittelebene der Prüfmasse liegen und durch deren Schwerpunkt laufen. Die Prüfmasse 110 ist von einem Spalt 163 umgeben, welcher durch anisotropes Ätzen, beispielsweise EDP-Ätzen, in demjenigen Schritt ausgebildet wird, welcher die Flexelemente 162 und 164 ausbildet. Die Unterscheidung zwischen zum Stand der Technik gehörigen Ausgestaltungen und solchen gemäß der Erfindung besteht in dem Layout der Flexelemente oder Scharniere, welche die Prüfmasse 110 mit dem Rahmen 105 koppeln. Schaut man entlang der Y-Achse 220, so sieht man, daß es in der oberen Tafel sowohl oben als auch unten in der Zeichnung ein relativ großes Flexelement 162 gibt. Das Flexelement in jeder Tafel befindet sich in einer Fläche, die als Biegefläche bezeichnet wird, welche sich benachbart zu der Grenzzone 115 befindet. Die zwei Siliziumteile 112 und 114, die miteinander durch Bonden verbunden sind, werden als Tafeln bezeichnet, um sie von den Kondensatorplatten zu unterscheiden. In der unteren Tafel der Prüfmasse 110 befindet sich ein Paar kleinerer Flexelemente 164, die symmetrisch bezüglich der Y-Achse 220 angeordnet sind und jeweils die halbe Breite des Flexelements 162 aufweisen, so daß die Gesamt-Steifigkeit der Flexelemente an der oberen und der unteren Fläche die gleiche ist. Außerdem befindet sich an dem unteren Abschnitt des Spalts 163 auf der gegenüberliegenden Seite der Prüfmasse eine symmetrische Anordnung entsprechender Flexelemente 162 und 164. Damit sind der obere und der untere Bereich der Anordnung nicht nur symmetrisch bezüglich der Achse 220, sondern auch symmetrisch bezüglich der X-Achse 210, da es ein Gleichgewicht zwischen oberem und unterem Bereich der Zeichnung gibt.
Links und rechts in der Zeichnung gibt es eine entsprechende symmetrische Anordnung von Flexelementen 164 und 162, die sich von der oberen und der unteren Seite dadurch unterscheidet, daß die kleineren Flexelemente 164 sich an der oberen Tafel und das größere Flexelement 162 sich an der unteren Tafel befindet. Die Symmetrie dieser Anordnung erkennt man, wenn man auf die Achsen 240 und 250 achtet, die sich entlang der Diagonalen der quadratischen Mittelebene der Prüfmasse 110 erstrecken. Betrachtet man beispielsweise die Achse 240, so gibt es ein Flexelement 164 auf der unteren Ebene der Prüfmasse 110 auf der linken Seite und ein entsprechendes Flexelement 164 auf der oberen Fläche auf der rechten Seite. Dies würde ein geringes Drehmoment um die Achse 240 hervorrufen, jedoch wird dieses ausgeglichen durch entsprechende Flexelemente 162 unten rechts bzw. oben links. In ähnlicher Weise gibt es bezüglich der Achse 250 eine entsprechende Oben/Unten- Anpassung von Flexelementen, wobei beide Flexelemente gleichmäßig weit von der Ecke beabstandet sind. Im Rahmen dieser Anmeldung wird die in Fig. 1 dargestellte Anordnung als symmetrisch bezüglich der Diagonalen 240 und 250 bezeichnet, wobei entsprechende Flexelemente sich in einander abgewandten oberen und unteren Tafeln der Prüfmasse befinden.
Selbstverständlich ist das Flexelement-Layout nicht auf drei Flexelemente pro Seite beschrinkt, und der Fachmann erkennt zahlreiche weitere Ausgestaltungen hinsichtlich Breite, Anzahl und Anordnung der Flexelemente. Das Prinzip, dem diese Ausführungsform folgt, ist die starke Symmtrie bezüglich der Querachsen 210 und 220, einhergehend mit der aus der Ebene herausführenden Symmetrie bezüglich der Diagonalachsen 240 und 250. Da die Flexelemente 162 und 164 in der Größenordnung von Mikrometer liegen, genauso wie die Schicht 115, sind jegliche Momente oder Asymmetrie, die durch die Differenz der vertikalen Lage verursacht werden, äußerst gering.
Der Ablauf bei der Fertigung geschieht so, daß die zwei Siliziumwafer die zu den Tafeln 112 und 114 werden, mit Bor in einem den Flexelementen 162 und 164 in jeder Tafel entsprechenden Muster dotiert werden. Eine Bondmaterialschicht, beispielsweise aus aufgestäubtem Aluminium, wird auf jede dotierte Fläche aufgetragen. Im Fall von Aluminium beträgt die Schicht typischerweise 2000 Angström (200 nm). Die Wafer werden ausgerichtet und durch Erhitzen während einer Stunde auf eine Temperatur von 700º C, oder durch irgend ein anderes geeignetes Verfahren gebondet, welches eine spannungsfrei Bindung ermöglicht. Die miteinander kombinierten Tafeln werden naß geätzt, um die Spalte 163 zu schneiden und die Flexelemente 162 und 164 auszubilden. In Fig. 1 ist die Anordnung mit einer Links-Rechts-Fehlausrichtung dargestellt, um zu veranschaulichen, daß die Ausrichtung nicht kritisch ist, weil die Abmessungen der Spalte und Prüfmassen in der Größenordnung von Millimetern in horizontaler Richtung der Figur liegen. Die kritischen Abmessungen von Mikrometern liegen in der vertikalen Richtung der Figur und werden durch die Fehiausrichtung nicht beeinflußt.
Alternativ kann man ein dielektrisches Material wie z. B. Glas durch Methoden wie Ionen-Fräsen auf eine Tafel aufbringen. Anschließend wird die zweite Tafel elektrostatisch auf die niedergeschlagene dielektrische Schicht gebondet. Falls erwünscht, können die obere und die untere Tafel durch dieses Verfahren elektrisch voneinander getrennt werden, was zusätzliche Flexibilität für den zugehörigen elektrischen Strom bietet, mit dem die Kapazität gemessen wird.
Erfindungsgemäß werden die Flexelemente 162 und 164 dadurch hergestellt, daß die Oberseite eines Siliziumwafers mit einer beispielhaften Dicke von 10 Mil (etwa 0,25 mm) maskiert und derart mit Bor dotiert wird, daß die Grenze von 6x10¹&sup9; Boratomen pro cm³ in einer Tiefe erreicht wird, die der gewünschten Biegedicke von beispielsweise 2 um erreicht wird. Bei dieser Ausgestaltung dienen die Borschichten in der Oberseite und der Unterseite als Ätz-Stopper für ein übliches anisotropes Ätzmittel, beispielsweise Ethylendiamin-Pyrocatohol (EDP), so daß beim Ätzen des Spalts 163 der Spalt geöffnet wird, bis die Borschicht erreicht ist, die als Ätz-Stopper in den Bereichen dient, wo sie vorhanden ist, während das Ätzmittel die Öffnungen rund um den Spalt 163 öffnet. Vorzugsweise wird der Wafer sowohl von oben als auch von unten gleichzeitig geätzt, indem er in ein Fluidbad eingetaucht wird.
Bei dieser Methode wird die Dicke der Flexelemente exakt definiert. Darüberhinaus befinden sich die Flexelemente genau in der Nachbarschaft der Mittelebene der Prüfmasse, wodurch die Hauptnachteile der herkömmlichen Methoden überwunden werden.
Erneut bezugnehmend auf Fig. 1, erkennt man, daß der Querschnitt durch die Y-/Z-Ebene erfolgt, was zwei der Flexelemente 162 oben an der Prüfmasse 110 sichtbar macht. Öffnungen 24 in der oberen Platte 20 und Öffnungen 26 in der unteren Platte 30 sind nach irgendeinem bekannten Ätzverfahren ausgebildet worden, mit dessen Hilfe der Bereich der veränderlichen Kondensatoren scharf ausgebildet wird, welche durch Platten 20 und 30 und die Prüfmasse 110 gebildet werden, wobei außerdem parasitäre Kapazität verringert wird. Wenn die Prüfmasse nach unten verlagert wird, wird Gas aus oder in die platteninternen Kammern 32 und 34 in diese Öffnungen und in weitere unten beschriebene hineingedrängt.
Es wurde herausgefunden, daß wesentliche Faktoren bei der Temperatur- und zeitlichen Stabilität von Kondensatorwandlern der Temperaturkoeffizient und die Alterungskennlinie des aus Glas gebildet Dielektrikums 22 sind, welches die Platten des Kondensators miteinander verbindet. Je kleiner die Bindungsfläche und je größer die Dicke des Glas-Dielektrikums 22 zwischen den Platten 20 und 30 und dem Rahmen 105, desto geringer ist der Effekt der Temperatur und der Alterung auf die vorzunehmende Kapazitätsmessung. Vorzugsweise ist die Dicke des Bond- Glases 22 relativ groß im Vergleich zu dem Kondensator-Spalt, während die horizontale Abmessung des Bond-Glases 22 im Vergleich zur Breite des Mesas 31 relativ gering ist. In einem anschaulichen Beispiel beträgt die Breite der Mesas 31 und 33 etwa 0,150 Zoll (etwa 3,8 mm), während die Breite des Glases 22 etwa 0,010 Zoll (etwa 0,25 mm) beträgt. Die gesamte Anordnung wird beispielsweise in einer hermetisch abgedichteten Umschließung eingeschlossen, in der ein Druck herrscht, welcher für eine angemessene Dämpfung sorgt, und ein mit den Öffnungen 24 und 26 kommunizierendes Gasvolumen enthält, welches wesentlich größer ist als das Volumen der Kondensator-Kammern 32 und 34 zuzüglich der Öffnungen 24 und 26.
Wenn im Betrieb die Einheit entlang der Achse 230 nach oben beschieunigt wird, sinkt die Prüfmasse 110 in der Zeichnung in Richtung auf den Boden und verringert den Spalt zwischen den Flächen 56 und 58 und mithin das Gasvolumen in der unteren Kammer 34. Isolierende Anschläge 72 befinden sich an verschiedenen Stellen der Mesas 31 und 32 um zu verhindern, daß die Prüfmasse in Berührung mit einem der Mesas gelangt. Diese Anschläge sind gemäß Darstellung mit Glas überzogen, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, wenn die Prüfmasse sie berührt, und sie besitzen beispielsweise Abmessungen von 0,005 Zoll (etwa 0,13 mm) in Breitenrichtung und 0,4 Mikrometer in Höhenrichtung, wobei eine Glasschicht mit einer Dicke von 0,5 Mikrometer für die Isolierung vorgesehen ist.
Das Quetschfilm-Dämpfungsphänomen wird ausgenutzt, um das Frequenzansprechverhalten der Prüfmasse zu steuern. Es ist ein Probenkanal oder -durchgang 42 dargestellt, der als Reservoir zur Aufnahme verlagerten Gases dient, welches aus dem Volumen zwischen den Platten herausgedrückt wurde. Dieser Kanal ist Teil eines die Flächen 58 und 52 bedeckenden Netzwerks. Wenn sich die Kammer 34 zusammenzieht, wird Gas in diese Reservoirs 52 gedrückt. Das Gesamtvolumen der Gasreservoirs sollte beträchtlich größer sein als die Volumenändernng der Gaskammer 34, damit es nur eine geringe Druckzunahme in den Reservoirs gibt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis etwa 10 zu 1 oder mehr, und die Kanäle haben eine Breite von 0,005 Zoll (etwa 0,13 mm) und eine Tiefe von 10 Mikrometer. Die Kanäle 42 sind durch irgendeine herkömmliche Siliziumbearbeitungsmethode gebildet, beispielsweise durch Ionen-Fräsen oder durch reaktives Ionenätzen. Da die Kanäle relativ seicht sind, wird nur wenig zusätzlicher Obefflächenbereich zusätzlich zu der Oberfläche beseitigt, die durch ihre Breite bedingt ist, ungeachtet der nicht-vertikalen Wände, die sich aus dem Naßätzverfahren ergeben, wie es in der Figur dargestellt ist. Wenn die Kanäle hingegen in der Prüfmasse gebildet werden, so erfordert deren wesentlich größere Dicke (typischerweise 0,01 Zoll) (etwa 0,25 mm) tiefere Gräben zur Bildung der Durchgangslöcher, wodurch beträchtliche Masse und beträchtlicher Oberflächenbereich verlorengehen. Dadurch wird die für den Kondensator wirksame Oberfläche wesentlich verringert, und für eine gegebene Kapazität muß die Fläche des Kondensators größer gemacht werden. Mit dieser Ausgestaltung relativ schmaler und seichter Gräben in den Mesas 31 und 33 wird die für die Kapazitätsmessung verfügbare wirksame Fläche maximiert, und da die Prüfmasse nicht eingeschnitten oder mit Gräben versehen wird, wird maximale Trägheitsmasse beibehalten. Die Kanäle 42 kommunizieren mit dem Reservoir 26, indem sie sich senkrecht zur Zeichnungsebene und/oder in der Zeichnungsebene erstrecken.
Die gesamte Anordnung aus oberer Platte 20, unterer Platte 30 und Rahmen 105 wird von geeigneten Mitteln gelagert, beispielsweise einem dreidimensionalen unteren Rahmen mit etwa U-förmigem Querschnitt, der mit dem Rahmen 105 durch Glasverbindungen gekoppelt ist, ähniich den Verbindungen 22. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist der, daß die thermischen Effekte der Wärmeleitung oder -verluste auf die Umgebung über den Rahmen 105 symmetrisch bezüglich oberer und unterer Platte eingeführt werden. Wäre das Bauelement beispielsweise auf der unteren Platte 30 gelagert, so hätte diese normalerweise eine andere Temperatur als die obere Platte 20, mit der Folge, daß auf die Kondensatoren mit dem Glas-Dielektrikum thermische Beanspruchungen und Verzerrungen sowie unterschiedliche Temperaturen einwirkten.
Bei gegebener Oberfläche bestimmt sich die Kapazität des oberen und des unteren Kondensators durch den Spalt zwischen der Prüfmasse und der Oberfläche der oberen bzw. der unteren Platte. Dieser Spalt, der beispielsweise 2 um beträgt, bestimmt sich sowohl durch die Dicke der Glasschichten 22, die entlang der Wafer-Obefflächen aufgebracht und mit Ausnahme vorbestimmter Bereiche weggeätzt werden, als auch durch die Höhen der Mesas 31 und 32. Folglich läßt sich der Spalt in einfacher Weise dadurch Steuern, daß man die Dicke der Glasschicht 22 ändert, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Spaltgröße dadurch festgelegt wird, daß von der Oberseite der Prüfmasse Material abgenommen wird. Es ist ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, daß das Netzwerk von Dämpfungskanälen minimalen Einfluß auf die Größe der Flächen 52 und 58 und mithin auf die Kapazität hat, und daß sich das Netzwerk auf den Platten 20 und 30 anstatt auf der Prüfmasse 110 befindet, und mithin keinen Effekt auf die maximal feststellbare Beschleunigung Gmax hat. Für eine gegebene Kapazität läßt sich der volle Meßbereich unabhängig steuern, indem die Dicke der Prüfmasse ausgewählt wird und die Anzahl sowie die Dicken der Flexelemente 162 und 164 sowie deren Längen und Breiten eingestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hatten die Flexelemente 162 und 164 eine Dicke von 2,5 um und jeweils Breiten von 0,066 Zoll (etwa 1,7 mm) und 0,033 Zoll (etwa 0,8 mm) für eine Spaltgröße 163 von 0,010 Zoll (etwa 0,25 mm) bei einer Prüfmasse 110 mit einer Dicke von 0,010 Zoll (etwa 0,25 mm) und einer Masse von 7 mg. Da von der Prüfmasse zur Bildung der Dämpfüngskanäle gemäß der Erfindung kein Material entfernt wird, ist Gmax unabhängig vom Dämpfungsverhalten. Da außerdem die Empfindlichkeit proportional ist zum Verhältnis der Nenn-Kapazität zu Gmax, lassen sich zwei der drei Parameter Empfindlichkeit, Kapazität und Gmax unabhängig auswählen, wobei das Dämpfungsverhalten praktisch unabhängig von diesen Parametern ist. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Ausgestaltungen, bei denen diese Parameter eng miteinander verbunden sind und Kompromissen unterliegen aufgrund der extensiven Gestaltung der Prüfmasse.
Was nun das Fertigungsverfahren angeht, so besitzen die obere und die untere Siliziumtafel 20 und 30 mit einer Nenndicke von 0,050 Zoll (etwa 1,3 mm) in sich einen oberen und einen unteren Mesa, die mit den Bezugszeichen 33 bzw. 31 bezeichnet sind. Diese Mesas werden ausgebildet durch wiederholte Oxidation derjenigen Bereiche, die zu den Gasräumen 24 und 26 werden und die Glas-Distanzstücke 22 enthalten, woran sich ein Ätzen anschließt, um das durch die wiederholte Oxidation gebildete Siliziumdioxid zu entfernen. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist eine gewünschte, gut beherrschte Mesafläche, welche von einer extrem glatten Oberfläche umgeben ist, auf der das Glas-Dielektrikum aufgebracht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform würde der geschlossene Schleifenaufbau noch zu einer besseren Leistung führen. Der Elektronikteil der Vorrichtung ist schematisch als Kästchen 310 dargestellt. Dieses Kästchen enthält die üblichen Schaltungen, die Hubspannungen an die Elektroden für den Regelbetrieb legen können und außerdem die Kapazität messen können, indem sie den fehlenden Abgleich der Hochfrequenz-Brückenschaltung überwachen, von der der Drei-Platten-Kondensator ein Teil ist. Ein zu der externen Beschleunigung proportionales Signal wird aus den Hubspannungen abgeleitet, die notwendig sind, um die Prüfmasse in ihre Nullstellung zurückzubringen.

Claims

1. Festkörper-Beschleunigungsmesser, umfassend:

einen Drei-Platten-Kondensator mit einer festen oberen (20) und mit einer festen unteren (30) Platte und einer beweglichen Sensorplatte (110), die eine von der oberen Platte (20) über einen oberen Spalt (32) getrennte Oberseite (54) und eine von der unteren Platte (30) durch einen unteren Spalt (34) getrennte Unterseite (56) aufweist, die eine Bezugsmittelebene bildet, und die mit Lagerelementen (105) über flexible Verbindungen (162, 164) verbunden ist, die sich über einen Lagerspalt (163) zwischen der Sensorplatte (110) und den Lagerelementen (105) erstrecken, um sich ansprechend auf eine entlang einer Beschleunigungsachse (230) senkrecht zu der Bezugsmittelebene erfolgende Beschleunigung zwischen der oberen (20) und der unteren (30) Platte zu bewegen, so daß eine Beschleunigung entlang der Beschleunigungsachse (230) die Sensorplatte (110) gegenüber der Bezugsmittelebene versetzt und die Kapzität zwischen der Sensorplatte (110) und der oberen (20) sowie der unteren Platte (30) verändert, wobei

die obere (20) und die untere (30) Platte und die Lägerelemente (105) zur Bildung einer starren Struktur zusammengebondet sind;

die Sensorplatte (110) mit den Lagerelementen (105) über mindestens ein Paar Flexelemente (162, 164) verbunden ist, welche sich eine vorbestimmte Scharnierbreite entlang einander abgewandten Seiten der Sensorplatte (110) erstrecken und eine vorbestimmte Scharnierbreite aufweisen, die geringer ist als die Länge der Sensorplatte (110), so daß zwischen einer oberen Kammer, welche zwischen der oberen (20) und der Sensorplatte (110) gebildet ist, und einer unteren Kammer, die zwischen der unteren (30) und der Sensorplatte (110) gebildet ist, ein Kommunikationsweg eingerichtet ist;

elektronische Mittel (310) zum Messen der Kapazität mindestens einer der Kammern, dadurch gekennzeichnet, daß

die Sensorplatte (110) aus einer oberen (112) und einer unteren (114) Tafel gebildet ist, welche an einer Grenzzone (115) zusammengebondet sind, wobei jede der Tafeln (112, 114) an einer an die Grenzzone (115) anstoßenden Biegefläche mit Bor dotiert ist und mit den Lagerelementen (105) durch Flexelemente (162, 164) verbunden ist, die im wesentlichen in den Biegeflächen liegen und um den Lagerspalt (163) herum in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind, wodurch die obere (112) und die untere (114) Tafel gemeinsam eine Verbund-Sensorplatte (110) bilden, die mit den Lagerelementen (105) über das mindestens eine Paar von Flexelementen (162, 164) verbunden ist, welche symmetrisch in der oberen (112) und der unteren (114) Tafel und etwa in der Mittelebene der Sensorplatte angeordnet sind.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzzone (115) aus einer Metallschicht gebildet ist, die auf die obere (112) und die untere (114) Tafel aufgebondet ist.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzzone (115) durch eine Schicht aus dielektrischem Material gebildet ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzzone (115) aus einer Schicht dielektrischen Materials gebildet ist, wobei die obere (112) und die untere (114) Tafel elektrisch voneinander getrennt sind.