DE3824695A1 - Mikromechanischer beschleunigungssensor mit kapazitiver signalwandlung und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleuni­ gungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Mikromechanische Beschleunigungssensoren sind durch ihre geringen Abmessungen und ihre relativ niedrigen Kosten in vielen Bereichen, z.B. Luft- und Raumfahrt, Landverkehr oder Robotik einsetzbar. Insbesondere für die Anwendung in Per­ sonenkraftwagen wird versucht, möglichst einfache und preiswerte, aber dennoch zuverlässig und präzise arbeitende Beschleunigungssensoren bereitzustellen.

In der DE-OS 33 23 987 wird ein mikromechanischer Beschleu­ nigungsmesser vorgeschlagen, der mit kapazitiver Signal­ wandlung arbeitet. Eine Weiterentwicklung dieser Anordnung stellte derselbe Autor auf der Fachtagung "Transducers" im Juni 1987 in Tokio vor (Rudolf, F., Jornot, A., Bencze, P., "Silicon Microaccelerometer", Transducers 87, S. 395-398). Die kapazitive Signalwandlung wird hier mit Hilfe einer Differentialkondensatoranordnung verwirklicht. Auf der Ober- und der Unterseite eines um eine seitlich angeordnete Achse bewegbaren Torsionskörpers ist jeweils eine Elektrode aufgebracht. Ein über dem Torsionskörper angeordnetes Ele­ ment trägt eine erste Gegenelektrode, ein Element unterhalb des Torsionskörpers eine zweite Gegenelektrode. Mit einer solchen Vorrichtung wird zwar eine hohe Meßgenauigkeit er­ reicht, ihre Herstellung benötigt jedoch eine Vielzahl von Prozeßschritten, da sie aus drei Elementen aufgebaut ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromecha­ nischen Beschleunigungssensor mit einer Differentialkonden­ satoranordnung anzugeben, der aus nur zwei Elementen zusammengefügt und deshalb einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist der Torsionskörper als Drehpendel ausgebildet. Auf einer Ober­ fläche sind Elektroden angeordnet, die zusammen mit Gegen­ elektroden, die an einem feststehenden Schichtelement ange­ bracht sind, Kondensatoren variabler Kapazität bilden. Bei Auslenken des Torsionskörpers durch eine beschleunigende Kraft nähern sich die Elektroden eines Kondensators an, während sich die Elektroden, die den zweiten Kondensator bilden, voneinander entfernen. Durch diese gegenläufige Be­ wegung wird die Kapazität des einen Kondensators erhöht, während die des anderen abnimmt. Die Änderung der Kapazität wird mit Hilfe der Differentialkondensatoranordnung, wie sie beispielsweise in "Silicon Microaccelerometer" (Rudolf 1987) beschrieben ist, zur Messung der Beschleunigung, die die Auslenkung verursacht, herangezogen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet. Nach Anspruch 2 sind der Tor­ sionskörper und die Elektroden so angeordnet, daß die Elekroden bei einer Auslenkung symmetrische Bewegungen be­ züglich der Torsionsachse ausführen. Diese Anordnung liefert ein Meßsignal, das besonders einfach auswertbar ist. Nach Anspruch 3 bestehen die auf dem Torsionskörper angebrachten Elektroden aus einer durchgehenden Metallschicht. Dadurch werden die Prozeßschritte zur Herstellung von Einzelelek­ troden eingespart. Wegen seiner hohen Beständigkeit gegen­ über chemischen Reaktionen eignet sich Gold besonders gut als Elektrodenmaterial.

Wenn auf einem Wafer neben Beschleunigungssensoren elektro­ nische Schaltelemente integriert werden sollen, erfolgt die Herstellung der Elektroden aus einem Metall, das mit den Integrationsprozessen kompatibel ist (z.B. Aluminium).

Da die Gegenelektroden in einer Ebene angeordnet sind, kann der Beschleunigungssensor nach Anspruch 4 aus nur zwei Elementen zusammengesetzt werden. Die in den Veröffentli­ chungen von Rudolf beschriebene dritte Schicht, die die zweite Gegenelektrode trägt, entfällt. Nach Anspruch 5 wird der bewegliche Torsionskörper aus einem Siliziumwafer her­ gestellt, während zur Halterung der Gegenelektroden entweder ebenfalls ein Siliziumwafer oder ein Glaswafer herangezogen wird. Die Verwendung eines Glaswafers bietet den Vorteil, daß die beiden Elemente mit Hilfe einer in der Mikrostruk­ turtechnik üblichen anodischen Verbindungstechnik zusammen­ gefügt werden. Bei der Verwendung zweier Siliziumwafer werden die beiden Elemente mit Spezialklebern zusammen­ gefügt, oder mit Hilfe einer Löt- oder einer Legierungs­ technik verbunden.

Nach Anspruch 6 wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wenigstens ein zusätzliches Elektrodenpaar angebracht, das zusammen mit den bereits vorhandenen Elek­ troden eine Kompensationsmessung erlaubt. Die momentane Auslenkung des Torsionskörpers wird durch die Differen­ tialkondensatoranordnung gemessen, und mit Hilfe des Meß­ signals wird eine Spannung gewählt, die an das zusätzliche Kondensatorpaar angelegt wird, um den Torsionskörper in die Ausgangslage zurückzudrehen. Dadurch werden die Auslenkungen auf kleine Winkel beschränkt, so daß zwischen der Kapazi­ tätsänderung der Kondensatoren und der Beschleunigung eine lineare Abhängigkeit besteht.

Wie in Anspruch 7 gekennzeichnet und in einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert, werden zur Herstellung des mikromechanischen Beschleunigungssensors bewährte Verfahren der Mikrostrukturtechnik herangezogen.

Neben der Vereinfachung des Herstellungsprozesses vereint der erfindungsgemäße Beschleunigungsensor durch Gestalt und Anordnung des sensitiven Torsionskörpers weitere Vorteile. Sowohl bei negativen als auch bei positiven Beschleunigungen in Richtung der Normalen wirkt das Element, das die Gegen­ elektroden trägt, als mechanischer Anschlag für den Torsi­ onskörper, wodurch der Sensor vor Schockbelastung geschützt ist. Das sensitive Element des Beschleunigungssensors be­ sitzt nur einen Freiheitsgrad wodurch Beschleunigungen, au­ ßerhalb der gewünschten Richtung keinen Einfluß auf das Meßergebnis ausüben.

Ein Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a, Aufsicht auf den Torsionskörper;

b Schnitt durch einen Beschleunigungssensor;

Fig. 2a-h Schematische Darstellung eines Prozesses zur Herstellung eines Beschleunigungs­ sensors.

Ein Torsionskörper 1 (Fig. 1a und b) bildet ein sensitives Element eines Beschleunigungssensors. Er besteht aus einer rechteckigen Platte 2, die mittig über zwei Torsionsstäbe 3 mit einem Halterahmen 4 verbunden ist und einer zusätzlichen Masse 5, die exzentrisch bezüglich der Torsionsachse an der Unterseite der Platte 2 angebracht ist. Die Oberseite der Platte ist mit einer Metallschicht 6 bedeckt, die zusammen mit zwei Gegenelektroden 7 und 8 die beiden Kondensatoren einer Differentialkondensatoranordnung bildet. Da durch die Masse 5 der Schwerpunkt des Torsionskörpers weit außerhalb der Torsionsachse liegt, führt eine senkrecht zur Platte 2 wirkende Beschleunigungskraft zu einer Auslenkung des Tor­ sionskörpers. Durch die Auslenkung ändern sich die Kapazi­ täten der beiden Kondensatoren gemäß C_o+δC bzw. C_o-δC, wobei C_o die Kapazität eines Kondensators im Ruhezustand und δC die Kapazitätsänderung bei einer Beschleunigung bedeuten. Aus der Änderung der Kapazitäten kann auf die Größe der Beschleunigung geschlossen werden.

Die Empfindlichkeit des Sensors hängt von der Geometrie des Torsionskörpers, der Torsionsbalken und der Elektroden sowie vom Abstand der Elektroden von der Drehachse ab. Bei Tor­ sionsbalken mit einer Länge von 150 µm, einer Breite von 100 µm und einer Dicke von 10 µm, und einem Torsionskörper mit einer Länge von 2000 µm, einer Breite von 1000 µm und einer maximalen Dicke von 20 µm, einer Elektrodenfläche von 600 µm × 900 µm und bei einem Elektrodenabstand von 2 µm ergibt sich bei einem Abstand des Elektrodenmittelpunktes von der Drehachse von 600 µm eine relative Kapazitätsänderung δC/C_o von etwa 3 × 10^-3 pro Beschleunigungseinheit (g).

Ein Herstellungsablauf für einen Beschleunigungssensor ist in Fig. 2a-h dargestellt. (Die Schichtdicken sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.)

• a) Ein Siliziumwafer 10 (z.B. (100)-Orientierung) wird auf der Vorderseite mit einer Oxidschicht 11 versehen. Mit Hilfe der Lithographie wird ein Bereich 12 markiert, der in späteren Verfahrensschritten die Zusatzmasse 5 defi­ niert. Der Bereich wird mit einer hohen Konzentration an Bor-Atomen dotiert (ca. 1,3 × 10^-20 Atomen pro cm³), die Oxidschicht wird entfernt.
• b) Mit Hilfe der Epitaxie wird eine Folge von drei Schichten abgeschieden, wobei die Schicht 12 niedrig-Bor-dotiert und etwa 10 µm dick, die Schicht 13 hoch-Bor-dotiert und etwa 1 µm dick und die Schicht 14 niedrig-Bor-dotiert und 10 µm dick ist.
• c) Die Oberfläche der Schicht 14 wird mit einer Oxidschicht 15 versehen, der lithographisch die Struktur des Torsi­ onskörpers eingeprägt wird. Im Bereich der Elektrode 6 wird die Oberfläche metallisiert (z.B. mit Gold). Die Oberfläche wird zum Schutz gegen die Ätzlösung mit einer ätzresistenten Schicht 16 (z.B. Silizium-Nitrid) versehen.
• d) Im Bereich des Torsionskörpers wird der Wafer von der Rückseite her einer anisotropen Ätzung unterzogen (Ätzlösung z.B. Ethylendiamin-Brenzkatechin-Wasser, EDP). An den hoch-Bor-dotierten Schichten stoppt der Ätzvorgang selbständig.
• e) Die Schutzschicht 16 wird ganzflächig entfernt und die niedrig-Bor-dotierte Schicht mit einer anisotrop wir­ kenden Ätzlösung geätzt. Mit Hilfe einer Ätzlösung für isotropes Ätzen werden die verbleibenden Verbindungsstege aus hoch-Bor-dotiertem Silizium weggeätzt und schließlich wird die Oxidschicht 15 entfernt.
• f) Die Oberfläche eines Pyrex-Glas-Wafers 17 wird im Bereich 20 des Torsionskörpers und im Bereich 21 elektrischer An­ schlüsse strukturiert. In die Bereiche 20 und 21 des Wafers werden Vertiefungen geätzt.
• g) Die Oberfläche wird metallisiert, die Metallschicht strukturiert, so daß die Gegenelektroden 7 und 8 und elektrische Kontakte 9 entstehen.
• h) Der Pyrex-Glas-Wafer und der Siliziumwafer werden mit ei­ ner anodischen Verbindungstechnik verbunden.

Durch dieses Herstellungsverfahren können der Sensor und die elektronische Schaltung zur Auswertung der Meßsignale auf einem Chip integriert werden. Auf demselben Wafer können mit einem Herstellungsprozeß mehrere identische Beschleunigungs­ sensoren gleichzeitig angefertigt werden. Anschließend wer­ den die Sensoren getrennt, montiert und mit elektrischen Zuführungen versehen.

Claims (7)

1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem aus einem Einkristall geätzten Torsionskörper, der um eine Achse bewegbar ist und einer Differentialkondensator­ anordnung, bestehend aus Elektroden, die auf dem Tor­ sionskörper angebracht sind, und aus feststehenden Gegenelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor­ sionsachse weit außerhalb des Massenschwerpunktes aber innerhalb des Torsionskörpers verläuft und daß die Elektroden auf einer Oberfläche des Torsionskörpers so angeordnet sind, daß sie auf verschiedenen Seiten der Torsionsachse liegen, und daß die feststehenden Gegen­ elektroden in einer Ebene den Elektroden gegenüberliegen.

2. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden symmetrisch bezüglich der Torsionsachse angeordnet sind.

3. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Torsionskörper angebrachten Elektroden aus einer durchgehenden Metallschicht, vorzugsweise Aluminium oder Gold, bestehen.

4. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ schleunigungssensor aus zwei Elementen zusammengesetzt ist, wobei ein erstes Element den Torsionskörper mit den Elektroden und die erforderliche elektrische Schaltung und ein zweites Element die Gegenelektroden trägt.

5. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element aus einem Siliziumwafer und das zweite Element aus einem Glaswafer oder einem Siliziumwafer besteht, und daß beide Wafer mit Hilfe einer anodischen Verbindungstechnik oder einer Klebe- oder Löt- oder Legierungstechnik verbunden sind.

6. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzliches Elektrodenpaar angebracht ist, welches durch Anlegen einer Spannung der Auslenkung des Torsions­ körpers entgegenwirkt.

7. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Be­ schleunigungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mikrostruktur­ technik üblichen Verfahren wie Lithographie und aniso­ trope Ätztechnik verwendet werden.