CH673897A5 - - Google Patents

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CH673897A5
CH673897A5 CH229987A CH229987A CH673897A5 CH 673897 A5 CH673897 A5 CH 673897A5 CH 229987 A CH229987 A CH 229987A CH 229987 A CH229987 A CH 229987A CH 673897 A5 CH673897 A5 CH 673897A5
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frame
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CH229987A
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Helmut Seidel
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Messerschmitt Boelkow Blohm
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Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleunigungs- zium monolithisch herausgearbeitet sind, können die Ober-sensor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 65 flächen der Beschleunigungsplatte 2 als die einen Elektroden The invention relates to a capacitive acceleration cell, which is worked out monolithically, the upper sensors can have the surfaces of the acceleration plate 2 as the one electrodes

Ein solcher Beschleunigungssensor ist durch die DE-OS und die metallischen Filme 7 in den Deckplatten 5 als die 32 23 987 bekannt. Dieser weist eine Klappe auf, die an anderen Elektroden von zwei Plattenkondensatoren mit den einem Träger über zwei Torsionshalterungen befestigt ist, die Vertiefungen 6 als Spalte zwischen den Elektroden dienen. Such an acceleration sensor is known from DE-OS and the metallic films 7 in the cover plates 5 as the 32 23 987. This has a flap which is attached to other electrodes of two plate capacitors with the one carrier via two torsion brackets, the depressions 6 serving as gaps between the electrodes.

3 673897 3 673897

Beim Einwirken von Beschleunigungen bilden die Elek- SÌO2, Weiterhin können die Biegestreifen 15 direkt aus einem troden variable Kapazitäten, die zur Messung der Beschleu- Metallfilm bzw. einer Metallfolie direkt aufgedampft oder nigung dienen. Die Abnahme der wechselnden Stromände- aufgetragen werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass rungen durch Änderungen der Spalte 6 bei verschiedenen die als mittlere Kondensatorelektroden dienenden Biege- When accelerations act, the electrons form SÌO2. Furthermore, the bending strips 15 can directly variable capacitances from a toden, which are used for measuring the accelerating metal film or a metal foil or vapor deposition or inclination. The decrease in the changing river banks can be plotted. This arrangement has the advantage that changes in column 6 in different bends serving as central capacitor electrodes

Beschleunigungen erfolgt in bekannter Weise z. B. durch 5 streifen 15 bzw. die Metallfilme 16 gegenüber dem Rahmen 4 Accelerations take place in a known manner, for. B. by 5 strips 15 or the metal films 16 relative to the frame 4th

einen mit der Beschleunigungsplatte 2 verbundenen Lei- dielektrisch isoliert werden können. a lead connected to the acceleration plate 2 can be electrically isolated.

stungsstreifen 6 (sh. Fig. 2) und von den metallischen Filmen In der Ausführungssform eines Beschleunigungssensors lb 6 zwischen den Deckplatten 5 und dem Rahmen 4 herausge- entsprechend Fig. 4 sind die Beschleunigungsplatte 2 und die führte Leitungsstreifen 9, (sh. Fig. 1). Zur Dämpfung des Biegebänder 3 um die Breite der Spalte 6 dünner als der Sensors 1 sind zwei Möglichkeiten vorhanden. Erstens kann 10 Rahmen 4. Diese verringerte Dicke lässt sich bei der Hersteider aus den Spalten 6 und Freiräumen 11 rund um die lung aus einem einheitlichen Substrat ohne Schwierigkeiten Beschleunigungsplatte 2 vorhandene Innenraum bis auf herausarbeiten. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die einen definierten Restdruck durch einen in die obere Deck- Deckplatten 5 nicht gesondert bearbeitet werden müssen, platte 5 eingearbeiteten Kanal 12 evakuiert werden. Die Alle drei Ausführungsformen des Beschleunigungssensors zweite Möglichkeit besteht darin, den Kanal 12 als Luftkanal is 1,1a und lb können direkt als kapazitive Signalgeber benutzt offen zu lassen. werden, wobei sich beim Einwirken von Beschleunigungen Zur Herstellung dieser Ausführungsform, bei der die zwei sich gegenläufig ändernde Kapazitäten zur Verfügung Beschleunigungsplatte 2, die Biegebalken 3 und der Rahmen stehen, die in einer geeigneten Brückenanordnung ver-4 aus einem einkristallinen Substrat monolithisch herausge- schaltet werden können. Ferner können die beiden Messka-arbeitet werden, wird für das Substrat Silizium mit niedriger 20 pazitäten durch zwei starre Kapazitäten ergänzt werden, die Dotierung und einer Kristallorientierung (100) verwendet. zwischen dem Rahmen 4 und den Deckplatten 5 eine Tempe-Die Biegebalken 3, die nicht parallel zu einer (111) Kristalle- raturkompensation der Messkapazitäten ermöglichen. stripes 6 (see FIG. 2) and of the metallic films In the embodiment of an acceleration sensor LB 6 between the cover plates 5 and the frame 4, as shown in FIG. 4, the acceleration plate 2 and the guided conductor strips 9 (see FIG. 1). There are two possibilities for damping the bending bands 3 by the width of the column 6 thinner than the sensor 1. First, 10 frames 4. This reduced thickness can be worked out by the manufacturer from the gaps 6 and free spaces 11 around the lung from a uniform substrate without difficulty. This arrangement has the advantage that a defined residual pressure does not have to be processed separately by a plate 5 incorporated into the upper cover plate 5, channel 5 can be evacuated. The all three embodiments of the acceleration sensor second possibility is to leave the channel 12 open as an air channel is 1.1a and 1b can be used directly as a capacitive signal transmitter. In the production of this embodiment, in which the two oppositely changing capacitances are available, the acceleration plate 2, the bending beams 3 and the frame are switched monolithically out of a single-crystal substrate in a suitable bridge arrangement can be. Furthermore, the two measuring capacitors can be used. For the substrate, silicon with lower capacities is supplemented by two rigid capacitors, which uses doping and a crystal orientation (100). Between the frame 4 and the cover plates 5 there is a Tempe-Die bending beam 3, which does not allow the measuring capacities to be compensated for in parallel with (111) crystal temperature.

bene liegen dürfen, müssen mit einer hohen Bordotierung Eine andere Möglichkeit der Signalauswertung besteht in (> 7x10" cm") versehen werden, damit S1e fur den nachfol- der elektrischen Fesselung der Beschleunigungsplatte 2, level, must be provided with a high on-board doping. Another possibility for signal evaluation is to provide (> 7x10 "cm") so that S1e for the subsequent electrical bonding of the acceleration plate 2,

genden Strukturierungsvorgang atzresistent gemacht sind. 2s wobei diese durch Anl einer Gegenspannung in ihrer are made resistant to etching. 2s whereby this by applying a counter voltage in their

Dieses kann mittels einer entsprechend dotierten Epitaxie- Nullposition gehalten werden kann. Es wird dabei die bei schicht, bzw. mit Ionenimplantation oder Diffusion erreicht einer Beschleunigung auftretende Gegenspannung werden. Danach werden die Umrisse der Atzgrube lithogra- gemessen. Mit dieser Messanordnung können Resonanzef- This can be maintained by means of an appropriately doped epitaxial zero position. It will be the counter-voltage which occurs when the layer or an ion implantation or diffusion occurs. The contours of the etch pit are then measured lithographically. With this measuring arrangement, resonance

fisch definiert und anisotrop geätzt. In die Deckplatten 5, die fekte herauskompensiert werden. fish defined and anisotropically etched. In the cover plates 5, the effects are compensated out.

vorzugsweise aus Glas bestehen, werden die Vertiefungen 6 30 preferably consist of glass, the depressions 6 30

ebenfalls herausgeätzt und daran anschliessend die metalli- Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sehen Filme 7 und Leitungsstreifen 9 aufgedampft. stellen die gebräuchlichste Art des erfindungsgemässen also etched out and then the metallic. The embodiments shown in the figures see films 7 and conduction strips 9 evaporated. represent the most common type of inventive

Schliesslich werden die Deckplatten 5 mit den Rahmen 4 mit Beschleunigungssensors dar. Es liegt auch im Rahmen der Finally, the cover plates 5 are shown with the frame 4 with an acceleration sensor

Hilfe einer anodischen Verbindungstechnik durch Anlegen Erfindung, mindestens zwei Biegebänder anzuordnen, die in einer elektrischen Spannung bei erhöhter Temperatur ver- 35 der Mitte einer Längsseite die Ober- und Unterseiten der bunden. Beschleunigungsplatte und des Rahmens verbinden. Eine With the aid of an anodic connection technique by applying the invention, to arrange at least two bending bands which, in an electrical voltage at elevated temperature, bind the upper and lower sides of the bundles to the center of one long side. Connect the acceleration plate and the frame. A

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines weitere, in der Praxis verwendbare Ausführungsform besteht In the embodiment shown in FIG. 3 there is a further embodiment which can be used in practice

Beschleunigungssensors la sind anstelle der aus dem einheit- darin, dass vier Biegebänder spiegelbildlich an nur einer liehen Substrat herausgearbeiteten Biegebänder 3 gesonderte Längsseite der Beschleunigungsplatte angeordnet sind, und Acceleration sensors 1 a are instead of the separate longitudinal side of the acceleration plate that is arranged in that four bending bands are mirror images of only one lying substrate, and

Biegestreifen 15 vorhanden, die zwischen die Beschleuni- 40 diese Längsseite mit der Ober- und Unterseite des Rahmens gungsplatte 5 eingelegt sind. Die Biegestreifen 15 können, verbinden. Diese Ausführungsform ist für besonders emp- Bending strips 15 are present, which are inserted between the acceleration plate 40, this long side with the top and bottom of the frame 5. The bending strips 15 can connect. This embodiment is particularly suitable for

wie hier dargestellt, aus einem mit einem Metallfilm 16 findliche Messungen geeignet, z.B. zur Messung der Neigung beschichteten Dielektrikum bestehen, z. B. aus SÌ3N4 oder eines Gegenstandes gegenüber dem Schwerefeld der Erde. as shown here, suitable from a measurement sensitive to a metal film 16, e.g. to measure the inclination coated dielectric, z. B. from SÌ3N4 or an object against the gravitational field of the earth.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (9)

673897 2 PATENTANSPRÜCHE symmetrisch und in Verlängerung einer Kante der Klappe673897 2 PATENT CLAIMS symmetrical and extending one edge of the flap 1. Kapazitiver Beschleunigungssensor, der mit mikrome- angeordnet sind. Eine Elektrode, die auf einer unterhalb der chanischer Fertigungstechnologie und Ätztechnik hergestellt Klappe vorhandenen Platte aufgebracht ist, ermöglicht das ist, wobei innerhalb eines Rahmens eine Beschleunigungs- Messen der Beschleunigung durch Messen der entspre-platte mit symmetrisch zwischen Ober- und Unterseite der s chenden Änderung der Kapazität zwischen der Klappe und Beschleunigungsplatte angeordneten Biegebändern im der Elektrode. Ein derartiger Sensor erzeugt eine Kapazitäts-Innern des Beschleunigungssensors aufgehängt ist und wobei änderung, die eine relativ komplizierte Funktion der mindestens eine Kondensatorelektrode vorhanden ist, deren Beschleunigung ist, weil sich der Luftspalt zwischen der Gegenelektrode auf einer der Beschleunigungsplatte gegen- Klappe und der Elektrode nur keilförmig ändert. Ferner sind überliegenden Deckplatte, die durch einen Spalt von der xo bei dieser Torsionsaufhängung relativ grosse Querempfind-Beschleunigungsplatte getrennt ist, aufgebracht ist, dadurch lichkeiten zu erwarten. Durch die in vertikaler Richtung gekennzeichnet, dass die Aufhängung der Beschleunigungs- unsymmetrische Anordnung der Klappe besteht auch kein platte (2) mit mehreren zweifach übereinander liegenden ausreichender Überlastschutz des Sensors. 1. Capacitive acceleration sensor, which are arranged with microme-. This is made possible by an electrode which is applied to a plate which is present below the flap manufactured by means of mechanical manufacturing and etching technology, an acceleration measuring the acceleration within a frame by measuring the corresponding plate with symmetrical between the top and bottom of the change in question the capacity between the flap and the acceleration plate arranged bending bands in the electrode. Such a sensor produces a capacitance inside the acceleration sensor which is suspended and change, which is a relatively complicated function of the at least one capacitor electrode, the acceleration of which is because the air gap between the counter electrode on one of the acceleration plate against the flap and the electrode only changes wedge-shaped. Furthermore, overlying cover plate, which is separated by a gap from the xo in this torsion suspension, relatively large cross-sensitivity acceleration plate, is applied, thereby expected. Characterized in the vertical direction that the suspension of the acceleration-asymmetrical arrangement of the flap is also no plate (2) with several double overload protection of the sensor lying one above the other. Biegebändern (3,15) erfolgt, die im Abstand zur Mittelebene Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem und spiegelsymmetrisch zu ihr angeordnet sind, wobei die is Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art die Biegebänder (3) entweder aus einem einkristallinen Substrat Linearität des Ausgangssignals, die Querempfindlichkeit und zusammen mit der Beschleunigungsplatte (2) und dem den Überlastschutz zu verbessern. Diese Aufgabe wird Bending tapes (3.15), which are at a distance from the central plane. The object of the invention is to be arranged at and mirror-symmetrically to it, the is the acceleration sensor of the type mentioned, the bending tapes (3) either from a single-crystal substrate linearity of the output signal to improve the cross sensitivity and together with the acceleration plate (2) and the overload protection. This task will Rahmen (4) herausgearbeitet sind oder als gesonderte Biege- gemäss der Erfindung durch die in den Ansprüchen gekenn-streifen (15) zwischen die Beschleunigungsplatte (2) und die zeichneten Merkmale gelöst. Frame (4) are worked out or solved as a separate bending according to the invention by the stripes (15) characterized in the claims between the acceleration plate (2) and the drawn features. Deckplatten (5) eingelegt sind, und dass die Kondensatore- 20 Durch die Anordnung der zentral an Biegebändern aufge-lektrode aus zwei Plattenkondensatoren besteht, die ent- hängten Beschleunigungsplatte hat der erfindungsgemässe weder von der Beschleunigungsplatte (2) selbst oder von auf Beschleunigungssensor eine hohe Empfindlichkeit, die von ihren Oberflächen angebrachten Leitern (16) gebildet sind. bekannten, auch von piezoresistiven Sensoren, nicht erreicht Cover plates (5) are inserted, and that the capacitor consists of two plate capacitors due to the arrangement of the electrode placed centrally on bending bands. The suspended acceleration plate has a high acceleration plate (2) itself or from the acceleration sensor Sensitivity formed by conductors (16) attached to their surfaces. known, not even from piezoresistive sensors 2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch wird. Es werden den aufgebrachten Beschleunigungen entgekennzeichnet, dass die Biegestreifen (15) aus einem mit 25 sprechende, etwa gleichmässig ansteigende Kapazitätsände-einer Metallschicht (16) versehenen Dielektrikum bestehen. rungen erreicht, wobei ein hohes Mass an Überlastschutz 2. Acceleration sensor according to claim 1, thereby. The accelerations applied are identified that the bending strips (15) consist of a dielectric provided with 25 speaking, approximately evenly increasing capacitance changes - a metal layer (16). achieved with a high degree of overload protection 3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch erzielbar und somit die Möglichkeit eines Kurzschlusses ver-gekennzeichnet, dass die Biegestreifen (15) aus einer Metall- ringert ist. 3. Acceleration sensor according to claim 1, thereby achievable and thus the possibility of a short circuit marked that the bending strip (15) is made of a metal ring. folie bestehen. Der voll symmetrische Aufbau der Struktur garantiert eine foil exist. The fully symmetrical structure of the structure guarantees one 4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch 30 sehr genau definierte Nullpunktlage. Ausserdem ist durch gekennzeichnet, dass die Spalte (6) zwischen der Beschleuni- die beidseitige Aufhängung mit vier, vorzugsweise acht Biegungsplatte (2) mit den Biegebändern (3,15) und den Deck- gebändern die Querempfindlichkeit äusserst gering. Die platten (5) durch Einätzen der Deckplatten hergestellt sind. beidseitige Anordnung der starren Deckplatten mit den 4. Acceleration sensor according to claim 1, thereby 30 very precisely defined zero point position. It is also characterized by the fact that the gap (6) between the accelerator and the two-sided suspension with four, preferably eight, bending plates (2) with the bending bands (3.15) and the covering bands have extremely low cross-sensitivity. The plates (5) are made by etching the cover plates. arrangement of the rigid cover plates on both sides with the 5, dadurch gekennzeichnet, dass von den Spalten (6) und den Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform Freiräumen (11) zwischen der Beschleunigungsplatte (2), den eines Beschleunigungssensors. 5, characterized in that of the columns (6) and Fig. 4 shows a section through a third embodiment clearances (11) between the acceleration plate (2), that of an acceleration sensor. Deckplatten (5) und dem Rahmen (4) ein Luftkanal (12) Cover plates (5) and the frame (4) an air duct (12) durch eine der Deckplatten führt. Ein Beschleunigungssensor 1 besteht entsprechend den through one of the cover plates. An acceleration sensor 1 is in accordance with the 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (6) und Freiräume Fig. 2 eine Draufsicht auf den Beschleunigungssensor nach (11) zwischen der Beschleunigungsplatte (2), den Deck- Fig. 1 unter Fortlassung einer oberen Deckplatte entspre- 5, characterized in that the gaps (6) and free spaces Fig. 2 is a plan view of the acceleration sensor according to (11) between the acceleration plate (2), the cover Fig. 1 with omission of an upper cover plate platten (5) und dem Rahmen (4) bis auf einen definierten chend den Pfeilen II-II ; plates (5) and the frame (4) except for a defined arrow II-II; Restdruck evakuiert sind. Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform Residual pressure is evacuated. Fig. 3 shows a section through a second embodiment 5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch Gegenelektroden gewährleistet ein hohes Mass an elektri-gekennzeichnet, dass die Spalte (6) zwischen der Beschleuni- 35 scher Sicherheit. 5. Acceleration sensor according to claim 1, thereby counter-electrodes ensures a high degree of electri-marked that the column (6) between the accelerator 35 safety. gungsplatte (2) mit den Biegebändern (3,15) und den Deck- Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich platten (5) durch um die Spaltbreite verringerte Dicke der nung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen : Beschleunigungsplatte gegenüber dem Rahmen (4) hergestellt sind. Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform supply plate (2) with the bending bands (3,15) and the cover- The invention is explained below with reference to the in the drawing plates (5) by the gap width reduced thickness of the embodiments shown. It shows: Accelerator plate are made with respect to the frame (4). Fig. 1 shows a section through a first embodiment 6. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 40 eines Beschleunigungssensors; 6. Acceleration sensor according to one of claims 1 to 40 of an acceleration sensor; 7. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 45 eines Beschleunigungssensors und 7. Acceleration sensor according to one of claims 1 to 45 of an acceleration sensor and 8. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis so Fig. 1 und 2 aus einer zentralen Beschleunigungsplatte 2, die 1 gekennzeichnet durch vier Biegebänder (3), welche an nur mittels einer geraden Anzahl von Biegebändern 3, vorzugs-einer Längsseite der Beschleunigungsplatte (2) angeordnet weise jedoch acht Biegebändern 3 an einem Rahmen 4 aufge-sind, und diese Längsseite mit der Ober- und Unterseite des hängt ist. Die Biegebänder 3 führen von den Ecken der Ober-Rahmens (4) verbinden. und Unterseite der Beschleunigungsplatte 2 zu dem im 8. Acceleration sensor according to one of claims 1 to so Figs. 1 and 2 from a central acceleration plate 2, the 1 characterized by four bending bands (3), which on only by means of an even number of bending bands 3, preferably one long side of the acceleration plate (2 ) However, eight bending bands 3 are arranged on a frame 4, and this long side with the top and bottom of the hangs. The bending bands 3 lead from the corners of the upper frame (4). and bottom of the acceleration plate 2 to the im 9. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis ss Abstand um die Beschleunigungsplatte 2 herum angeord-8, gekennzeichnet durch acht Biegebänder (3), welche an den neten Rahmen 4. Oberhalb und unterhalb der in gleicher Ecken der Beschleunigungsplatte (2) angeordnet sind und Stärke ausgeführten Beschleunigungsplatte 2 und des Rah-ihre Ober- und Unterseite mit dem Rahmen (4) verbinden. mens 4 sind Deckplatten 5 vorhanden, die jeweils auf dem 9. Acceleration sensor according to one of claims 1 to ss distance around the acceleration plate 2 angeord-8, characterized by eight bending bands (3) which are arranged on the neten frame 4. Above and below in the same corners of the acceleration plate (2) and Connect the strength of the acceleration plate 2 and the top and bottom of the frame to the frame (4). mens 4 cover plates 5 are available, each on the Rahmen 4 aufliegen. Gegenüber der Beschleunigungsplatte 2 «0 und den Biegebändern 3 sind in die Deckplatten 5 jeweils Vertiefungen 6 eingearbeitet, in die je ein metallischer Film 7 aufgebracht ist. Wenn die Beschleunigungsplatte 2, die Biege-BESCHREIBUNG bänder 3 und der Rahmen 4 aus einem einkristallinen Sili- Support frame 4. Compared to the acceleration plate 2 «0 and the bending bands 3, depressions 6 are incorporated into the cover plates 5, into each of which a metallic film 7 is applied. If the accelerating plate 2, the bending DESCRIPTION bands 3 and the frame 4 are made of a single-crystalline silicon
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