CH671290A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungsmesser. Insbesondere bezieht sie sich auf einen integrierten Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser vom Typ des geschlossenen Regelkreises, der in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, das zugeordnete, elektronische Regel- und Signalverarbeitungseinrichtungen aufweist, die innerhalb eines gemeinsamen Substrates vorgesehen sind.

Die Integration von Sensor- und zugeordneten Signalverarbeitungsschaltkreisen auf einem einzigen Siliziumchip begann mit der Entwicklung von Druckwandlern vor etwa 10 Jahren. Derzeit werden an verschiedenen Universitäten und industriellen Forschungslaboratorien intensive Anstrengungen unternommen, diese Technologie auf verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, einschliesslich Beschleunigungsmesser, zu übertragen. Bisher wurden Beschleunigungsmesser mit einfachen oder offenen Regelkreisen gebaut und getestet. Kennzeichnend für Konstruktionen mit solchen offenen Schleifen sind jene, die einen auskragenden Arm aufweisen, der aus einem Halbleitersubstrat gebildet ist und an seinem freien Ende eine Trägheitsmasse aufweist. Auf gegenüberliegenden Seiten dieser auskragenden Struktur sind piezoresistive Fühlelemente oder Sensoren angeordnet. Der elektrische Widerstand dieser Sensoren ändert sich mit der Bewegung der Masse als Folge von Beschleunigungskräften, die den überkragenden Arm unter Spannung setzen. Solche Beschleunigungsmesser oder Akzelerometer mit offenem Regelkreis oder offener Schleife weisen die Nachteile einer schlechten Nullstabilität, grosser Hysterese und übermässiger Temperaturempfindlichkeit auf.

Der Beschleunigungsmesser gemäss der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet im Patentanspruch 1.

Die vorliegende Erfindung erstreckt die Technologie der Beschleunigungsmesser mit offenem oder einfachem Regelkreis auf die genauer arbeitenden Beschleunigungsmesser mit geschlossenem Kreis, wie sie bei der Trägheitsführung und bei Flugsteuerungssystemen erforderlich sind. Sie beschreibt einen Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser mit geschlossenem Regelkreis, der durch chargenweise Bearbeitung von Siliziumscheiben in etwa der gleichen Weise wie ein integrierter Schaltkreis hergestellt wird.

Der Beschleunigungsmesser gemäss der Erfindung weist eine kritische, zentrale Trägheitsmasse auf, die aus einem Halbleitersubstrat, wie Silizium, hergestellt ist und dotiert sein kann, um leitfähige Teile an gewünschten Stellen zu bilden. Die Trägheitsmasse ist mittels Verbindungsteilen, etwa nach Art von Scharnieren, an dem Substrat angeordnet, wobei alle Scharniere durch anisotropes Ätzen des Siliziumeinkristalls gebildet werden. Die Verbindungsteile oder Scharniere verbinden die Trägheitsmasse mit dem Substrat in einer überkragenden Anordnung.

Die überkragende Verbindung der Masse wird vorzugsweise durch Verbindungsteile oder Scharniere bewerkstelligt, die aus überkreuz angeordneten flexiblen Plättchen oder Stegen geformt sind. Diese Stege werden durch eine V-förmige Nut erzeugt, die in gegenüberliegenden Flächen des Halbleitersubstrats geätzt ist, wobei ein dünner, unter einem Winkel angeordneter Steg oder ein solches Plättchen aus Silizium stehen bleibt, das die Trägheitsmasse mit dem Substrat verbindet. Ein zweites überkreuz angeordnetes, flexibles Plättchen oder ein solcher Steg wird durch gleiche Nuten erzeugt, die um etwa eine halbe Nutenbreite versetzt zum ersten Nutensatz angeordnet sind. Der zweite Nutensatz ist umgekehrt angeordnet. Das sich einstellende, geneigte, dünne biegsame oder flexible Plättchen ist dann mit einer entgegengesetzten Neigung zu seinem Gegenstück orientiert Wegen der versetzten und umgekehrten Anordnung kreuzen sich die biegsamen Plättchen oder Stege an ihren Mitten, um eine parallel zur Ebene des Siliziumsubstrats verlaufende Achse hohen Rotationsfederwiderstands und in anderen Richtungen hohe Steifigkeit gegen Rotation oder Translation zu erbringen.

Ein Beschleunigungsmesser mit geschlossenem Kreis oder geschlossener Schleife, der mittels bekannter Halbleiterherstellungstechnologien einschliesslich z. B. fotolithografi-schen und Differentialätzens hergestellt werden kann, bietet

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viele Vorteile einschliesslich einer engen Toleranzüberwachung und der Möglichkeit, die elektronischen Bestandteile des Akzelerometers ganz oder teilweise in einem einzigen, gemeinsamen Substrat relativ geringer Abmessungen unterzubringen. Darüber hinaus kann Mikrocomputersteuerung bei derartigen Beschleunigungsmessern zur Anwendung gelangen, die den Benutzer in die Lage versetzen, die Anordnung seiner spezifischen Anwendung anzupassen und dementsprechend zu eichen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene, perspektivische Ansicht eines integrierten, kraftausgeglichenen Beschleunigungsmessers, der in einem Gehäuse zur Verwendung in einem System angeordnet ist;

Fig. 2 eine Explosivdarstellung eines einzelnen Beschleunigungsmesserchips, der aus Silizium- und hitze- und chemischbeständigen (Pyrex) Scheibchen hergestellt ist;

Fig. 3 eine Draufsicht der Trägheitsmasse und der biegesteifen Kreuzstegaufhängung gemäss der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt längs Linie 4-4 der Fig. 3 ;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der biegesteifen und überkragenden Kreuzsteganordnung der Trägheitsmasse gemäss der Erfindung in leicht unterschiedlicher Konfiguration und

Fig. 6 ein elektrisches Schaltkreisdiagramm des erfin-dungsgemässen integrierten Kraftausgleichs-Beschleuni-gungsmessers.

In Fig. 1 ist in aufgebrochener, perspektivischer Darstellung ein integrierter und kraftausgeglichener Beschleunigungsmesser 10 in einem Gehäuse 12 gezeigt. Das Gehäuse 12 umfasst vier Seitenwandungen 14 mit zwei Befestigungsflanschen 16, die sich von zwei gegenüberliegenden Seitenwandungen erstrecken. In den beiden verbleibenden gegenüberliegenden Wandungen sind zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit dem Kraftausgleichs-Beschleunigungs-messer 10 elektrische Kontakte 18 eingesetzt. Separate Hybridschaltungen bilden einen Verstärker 20 und eine Kompensationsschaltung 22, die innerhalb des Gehäuses 12 vorgesehen sind.

Wie am besten aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist der kraftausgeglichene Beschleunigungsmesser ein Halbleitersubstrat 24 auf, das aus Silizium hergestellt sein kann, wenn es zwischen einem Paar nicht leitender Isolierschichten 26 und 28 angeordnet ist, die aus einem gegen Hitze und Chemikalien beständigen Glas, wie Pyrex, oder einem anderen vergleichbaren dielektrischen Material hergestellt sein können. Der gezeigte integrierte Kraftausgleichs-Beschleunigungs-messer oder Akzelerometer kann mittels bekannter anisotroper Ätztechniken hergestellt sein. Die Anfertigung des Systems wird weiter durch seine leichte Adaptierbarkeit bekannter Techniken zur Herstellung integrierter Schaltkreise vereinfacht, die die Bildung von Sensoren, elektronischen Einrichtungen für den Antrieb und Datenverarbeitung, wie einen Beschleunigungsmesser-Rücksteil- oder Fesselverstärker (ARA) 30 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 24 erlauben.

Der Beschleunigungsmesser 10 weist eine Träge oder Trägheitsmasse 32 auf, die senkrecht zur Ebene des Substrats 24 verlaufende Beschleunigungen erfasst. Die Masse 32 weist eine erste leitfähige Fläche 34 auf, die einen kapazitiven Abnehmer in Verbindung mit einer leitfähigen Fläche 36 an der unteren Oberfläche des oberen isolierenden Substrats 28 bildet.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Trägheitsmasse 32 über ein

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einfaches, stegartiges Verbindungsteil oder Scharnier 38 überkragend angeordnet. Dieses Verbindungsteil 38 kann durch anisotropes Ätzen beider Seiten des Halbleitersubstrats hergestellt werden. Eine ähnliche Technik kann dazu herangezogen werden, die Trägheitsmasse 32 vom Substrat 24 abzutrennen. Alternative Ausführungsformen des Verbindungsteils 38 sind im Detail in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 unten beschrieben. Die Fläche des Substrats 24 kann dotiert oder metallisiert sein, um einen leitenden Pfad zwischen demVerstärker 30 und der leitfähigen Fläche 34 zu schaffen. Auf der gegenüberliegenden Fläche der Trägheitsmasse 32 ist eine zweite leitfähige oder leitende Fläche 34, vgl. Fig. 4, im Bereich einer leitenden Fläche 40 an dem unteren, nicht leitenden Substrat 26 vorgesehen.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, bewirkt das Anlegen eines elektrischen Potentials über den Verstärker 30 an die leitfähige Fläche 34 zwischen den leitenden Flächen 36 und 40 an den Schichten 28 bzw. 26 ein Vorpannungsfeld. Dieses Feld dient dazu, die Trägheitsmasse 32, die die leitende Fläche 34 beinhaltet, in eine «Null-» oder neutrale Position zu treiben. Beschleunigungen eines an dem Beschleunigungsmesser 10 angeordneten Körpers bewirken eine körperliche Auslenkung der Trägheitsmasse 32, wodurch die Kapazitätsbrücke aus dem Gleichgewicht gebracht wird, die teilweise aus den Platten 36,40 und den leitfähigen Flächen 34 gebildet wird, so dass ein elektrisches Ausgangssignal an ARA 30 abgegeben wird. Das vorstehend beschriebene System bewirkt einen Betrieb in geschlossenem Rückkopp-lungssteuerungszustand, der den Bewegungsbereich der Trägheitsmasse auf einen extrem begrenzten räumlichen Bereich begrenzt.

In den Fig. 3 und 4 ist ein anderes Verbindungsteil oder Scharnier 39 gezeigt, das beim bevorzugten Ausführungsbeispiel aus überkreuzten biegesteifen Stegen oder Plättchen 42 besteht. Die Stege 42 werden durch anisotropes Ätzen von einkristallinem Silizium gebildet. Letzteres ist als (1,0, 0)-Siliziumwafer oder -scheibchen orientiert und im Hinblick auf das Ätzen so maskiert, dass eine V-förmige Nut 44 sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite des Substrats 24 gebildet wird. Das längs der Linie 4-4 der Fig. 3 in Fig. 4 gezeigte Verbindungsteil lässt erkennen, dass die obere Nut 44 nach links versetzt, gegenüber der unteren Nut 44 ist. Nachdem das anisotrope Ätzmittel das Silizium weggeätzt hat, ist das dünne Plättchen 42 oder dieser Steg, der zwischen den Nuten 44 verbleibt, mit einem eine positive Neigung zur Ebene des Halbleitersubstrats 24 aufweisenden Winkel orientiert. Das zweite flexible Plättchen 42' oder ein solcher Steg wird mittels eines gleichen Satzes V-förmiger Nuten 44 gebildet, die auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 24 orientiert sind, um ein Plättchen 42'zu bilden, das unter einem Winkel von etwa 700 zum ersten Plättchen 42 angeordnet ist; das Zentrum fluchtet mit dem Zentrum des ersten Plättchens oder Stegs. Auf diese Weise werden die gekreuzten oder überkreuz angeordneten biegesteifen bzw. flexiblen Plättchen gebildet. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, umfassen die Biegeplättchen 42 und 42' zwei Paare von überkreuz angeordneten flexiblen Stegen 39. Beim Ätzen der Plättchen wird das Substrat 24 mit einer Maske abgedeckt, um die Peripherie 46 der Trägheitsmasse 32 zu ätzen.

Trägheitsmasse 32 und Biegeplättchen 42 und 42' sind beispielsweise mit Bor dotiert, um leitfähige Flächen zu erhalten. Diese Dotierung kann über die Fläche des Substrats zu einem Kontaktpfad 48 fortgesetzt werden; Fig. 3. Der dotierte Bereich wird mit erheblich geringerer Geschwindigkeit weggeätzt als die undotierten Bereiche. Die Tiefe des dotierten Bereiches kann somit dazu herangezogen werden, die Dicke der überkreuz angeordneten flexiblen Stege zu steuern. Die leitfähigen Flächen können ebenfalls mittels

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metallisierender Techniken ähnlich den zur Aufbringung In Fig. 6 ist ein typischer Schaltkreis gezeigt, der in Verbinder leitfähigen Flächen 36 und 40 auf den Substraten 28 bzw. dung mit dem Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser 10 26 hergestellt werden. Auf diese Weise erhält man elektrische zur Anwendung gelangen kann. Dieser Schaltkreis ist um Verbindungen zwischen den leitfähigen Flächen 36 und 40 einen Rückstellverstärker (ARA) 30 herum aufgebaut, und Kontaktpfade 50 und 52 auf den Substraten 26 bzw. 28. s dessen Ausgang mit einer Ausgangsklemme 61 und über eine Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es erwünscht, Rückkopplungsschleife mit der Kontaktstelle 48 verbunden überschüssiges Silizium von dem Teil des Halbleitersubstrats ist, die ihrerseits eine Verbindung mit den leitfähigen zu entfernen, das die Trägheitsmasse 32 bildet, um die Masse Flächen 34 der Trägheitsmasse 32 herstellt, die zwischen der zu verkleinern. Ein Verfahren, dieses Material zu entfernen oberen leitfähigen Elektrode 36 und der unteren Elektrode besteht darin, waffelartige Vertiefungen 54 in gegenüberlie- io 40 angeordnet ist. Die Elektroden 36 und 40 sind durch gende Flächen des Substrats 24 zu ätzen. Eine mittige Aus- Sperrkondensatoren 64 und 66 mit den Eingangsklemmen nehmung 56 wird gleichermassen in die Masse 32 geätzt, um des Verstärkers 30 verbunden. Die Kontakstelle 52 ist mit die Kapazität auf den Flächen 34 abzugleichen, und um den einer Zusammenführung 68 und dann mit der Elektrode 36 Schwerpunkt der Masse in ihrem körperlichen Mittelpunkt verbunden. Gleichermassen ist die Kontaktstelle 50 am beizubehalten. Es liegt auf der Hand, dass die Masse der is unteren Substrat 26 über eine Zusammenführung 70 mit der Trägheitsmasse 32 so klein wie möglich gehalten werden soll, Elektrode 40 verbunden. Zwischen den beiden Zusammen-um ein maximales Flächenzu-Masse-Verhältnis herbeizu- führungen 86 und 70 ist ein Paar von Kondensatoren 72 und führen. 74 vorgesehen, deren gemeinsame Elektrode mit einer Wech-In Fig. 5 ist eine Darstellung der Trägheitsmasse 32 selstromquelle 76 von z. B. 50 kHz verbunden ist, welche die gegeben, die mittels des Verbindungsteils oder Scharniers 39 20 Kapazitätsabnehmerbrücke bildet. Die Klemmen 50 und 52 in Form von Biegeplättchen nach Art von Kreuzbalken am werden bei minus 15 bzw. plus 15 Volt Gleichstrom gehalten. Substrat 24 angeordnet ist. Es ist ersichtlich, dass entspre- Im Betrieb bewirkt eine nach oben gerichtete Auslenkung chendes Ätzen der V-förmigen Nuten 44 zwei Paare der Trägheitsmasse 32, dass die Wechselspannung über die gekreuzter Plättchen 42 und 42' erzeugt, deren Zentren längs Elektrode 36 abfällt und über die Elektrode 40 ansteigt. Diese einer gemeinsamen Linie zusammenfallen, die in einer 25 Wechselspannungsänderung wird auf den Eingang des Ver-Ebene liegt, welche den Schwerpunkt enthält und parallel stärkers 30 gegeben, der ein Rückkopplungssignal erzeugt, zur Ebene des Substrats 24 verläuft. das an die Klemme 48 zur Übertragung auf die Trägheits-

Man beachte, dass die Scharnieranordnung gemäss Fig. 5 masse 32 angelegt wird, um den Beschleunigungsmesser in insoweit unterschiedlich zur Orientierung gemäss Fig. 3 ist, einen abgeglichenen oder «Null»-Zustand zurückzuführen, dass der Abstand der Zentren grösser als der nach Fig. 5 ist. 30 Das Ausgangssignal des Verstärkers 30 tritt ebenfalls als Es liegt auf der Hand, dass andere Variationen gemäss der Beschleunigungsmesser-Informationsausgangssignal für entvorliegenden Offenbarung möglich sind. Die Siliziumstruk- sprechende Systembenutzung an der Klemme 61 auf.

turen können durch Firmen erstellt werden, die sich mit der Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wurde mit einem

Herstellung von komplexgestalteten Miniatursiliziumstruk- stegartigen Scharnier oder Verbindungsstück 38 oder einer turen befassen. Derartige Firmen sind Transensory Devices, 35 Biegeplättchenverbindung 39 nach Art gekreuzter Stege oder

Inc., Freemont, California, und Dielectric Semiconductor, Balken beschrieben. Dennoch sind andere Ausführungs-

Santa Clara, California. formen des bevorzugten Ausführungsbeispiels möglich.

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2 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Beschleunigungsmesser, gekennzeichnet durch ein erstes ebenes Substrat (24) aus einem Halbleitermaterial mit einer Öffnung, die den Umfang einer beschleunigungssensitiven Masse (32) definiert, wobei die beschleunigungssensitive Masse (32) über mehrere überkreuz verlaufende Biegestege (42,42') mit dem Halbleitersubstrat (24) verbunden ist, zweite und dritte ebene Substrate (26,28,) die auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ebenen Substrats (24) angeordnet sind, wobei die zweiten und dritten Substrate (26,28) eine leitfähige Fläche (36,40) im Bereich der beschleunigungssensitiven Masse (32) aufweisen, eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen beschleunigungssensitiver Masse (32) und den leitfähigen Flächen (36,40) auf den zweiten und dritten Substraten (26,28) und durch eine Einrichtung, die im Halbleitermaterial des ersten ebenen Substrats (24) gebildet ist, um das elektrische Potential mit der beschleunigungssensitiven Masse (32) zu verbinden.
2. 2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Halbleitermaterial gebildete Einrichtung weiterhin elektronische, auf das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers (10) ansprechende Einrichtungen aufweist.
3. 3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gekreuzten Biegestege (42, 42') zur Herbeiführung einer auskragenden Biegung in einer Richtung und Festigkeit oder Steifigkeit in allen anderen Richtungen ausgebildet sind.
4. 4. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gekreuzten Biegestege (42,42') paarweise vorgesehen sind, wobei jeder Steg (42,42') durch zwei V-förmige Nuten (44) auf gegenüberliegenden Flächen des Halbleitersubstrats (24) geformt ist, die einen Steg (42,42') unter einem Winkel zur Ebene des Substrats (24) bilden, wobei jeder Steg (42,42') des Paares unter entgegengesetztem Winkel zum anderen angeordnet ist.
5. 5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beschleunigungssensitive Masse (32) zur Herbeiführung eines grossen Flächen/ Massen-Verhältnisses ein waffelartiges Muster aufweist.
6. 6. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und dritte Substrat (26,28) aus nicht leitfähigem Material gebildet ist.
7. 7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Halbleitersubstrat (24) gebildete beschleunigungssensitive Masse (32) zur Herbeiführung von Leitfähigkeit dotiert ist und dass das zweite und dritte ebene Substrat (26,28) durch ein Paar isolierender Platten gebildet sind, die an gegenüberliegenden Seiten des Halbleitermaterials vorgesehen sind und elektrisch leitfähige Stellen im Bereich der beschleunigungssensitiven Masse (32) aufweisen.
8. 8. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die überkreuz angeordneten Biegestege (42,42') durch anisotropes Ätzen eines das Halbleitersubstrat (24) bildenden Einkristalls gebildet sind.