CH687568A5

CH687568A5 - Beschleunigungssensor.

Info

Publication number: CH687568A5
Application number: CH02663/93A
Authority: CH
Inventors: Jiri Dr Marek; Martin Dr Willmann; Horst Dr Muenzel; Helmut Dr Baumann; Dietrich Dr Schubert; Michael Dr Offenberg
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1992-10-10
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1996-12-31
Also published as: DE4234238A1; JPH06201719A; US5461917A

Description

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CH 687 568 A5

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Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der EP A1 369 352 ist bereits ein Beschleunigungssensor mit einer mittleren und zwei äusseren Siliziumplatten bekannt, wobei aus der mittleren Siliziumplatte ein durch eine Beschleunigung bewegliches Element herausstrukturiert ist. Das bewegliche Element ist dabei in einem von den drei Siliziumplatten gebildeten Hohlraum eingeschlossen. Die Verbindung der mittleren Siliziumplatte mit den beiden äusseren Siliziumplatten erfolgt durch eine Vorbehandlung der Siliziumplatten, Aufeinanderlegen und einer anschliessenden Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von 800-1100°C in Sauerstoff- oder Stickstoffatmosphäre.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemässe Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs löst demgegenüber das Problem, dass durch das Loch in der Wand und den gasdichten Verschluss durch die weitere Platte ein definierter Druck im Hohlraum eingeschlossen ist.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Beschleunigungssensors möglich. Durch die Verwendung einer Glasplatte oder einer Siliziumplatte mit oberflächlicher Glasschicht wird die Reproduzierbarkeit des Drucks im Hohlraum erhöht. Die dünnen Schichten aus Glas können durch Sputtern, Aufdampfen oder Siebdruck aufgebracht sein. Die mechanischen Spannungen zwischen der äusseren und der weiteren Platte werden besonders gering, wenn die weitere Platte als Siliziumplatte mit einer metallischen Lotschicht ausgebildet ist. Durch die beschriebene Schichtfolge können beim Verlöten Niedertemperaturprozesse verwendet werden, die den Druck im Hohlraum nicht verändern. Für einen möglichst kostengünstigen Aufbau des Beschleunigungssensors wird die weitere Platte auch als Verbindungsplatte zum Gehäuseboden verwendet. Durch die Verwendung eines kleines Verbindungsbereiches, der nur das Loch umgibt, werden mechanische Verspan-nungen in den Sensoren verringert. Dabei kann die weitere Platte ebenso gross wie der Verbindungsbereich ausgestaltet sein oder die weitere oder die äussere Platte weisen eine aus ihrer Oberfläche hervorstehenden Verbindungsbereich auf.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Beschleunigungssensor mit einer Glasplatte als weitere Platte,

Fig. 2 einen Beschleunigungssensor mit einer Siliziumplatte als weitere Platte,

Fig. 3 einen Beschleunigungssensor mit verkleinertem Verbindungsbereich,

Fig. 4 einen Beschleunigungssensor mit verkleinertem Verbindungsbereich, der aus der Oberfläche der weiteren Platte hervorsteht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Beschleunigungssensor dargestellt, der aus einer mittleren Siliziumplatte 2, zwei äusseren Siliziumplatten 1, 3 und einer weiteren Platte 10 aufgebaut ist. Aus der mittleren Siliziumplatte 2 ist ein bewegliches Element 4 herausstrukturiert, das hier als Biegezunge 30 mit seismischer Masse 31 ausgebildet ist. Dieses bewegliche Element 4 ist in einem Hohlraum 5 angeordnet, der durch die mittlere Siliziumplatte 2 und die beiden äusseren Siliziumplatten 1, 2 gebildet ist. Eine der äusseren Siliziumplatten 3 weist ein Loch 6 auf. Dieses Loch ist jedoch durch die weitere Platte 10 verschlossen, die mit der äusseren Siliziumplatte 3 verbunden ist. Weiterhin ist der Beschleunigungssensor auf einem Gehäuseboden 7 angeordnet.

Bereits durch die mittlere Siliziumplatte 2 und die beiden äusseren Siliziumplatten 1, 3 wird ein vollwertiger Beschleunigungssensor gebildet. Solche Beschleunigungssensoren sind beispielsweise in der eingangs zitierten EP A1 369 352 beschrieben. Durch eine Beschleunigung wird das bewegliche Element 4 aus seiner hier gezeigten Ruhelage ausgelenkt, d.h. die seismische Masse 31 nähert sich einer der äusseren Siliziumplatten 1, 3. Die Siliziumplatten sind gegeneinander isoliert. Infolge der Annäherung der seismischen Masse 31 an eine der äusseren Siliziumplatten 1, 3 verändert sich die zwischen der mittleren Platte 2 und den beiden äusseren Siliziumplatten 1, 3 messbare Kapazität. Diese Kapazitätsänderung ist ein Mass für die anliegende Beschleunigung. Die Bewegungen des beweglichen Elementes 4 werden durch im Hohlraum 5 eingeschlossene Luft gedämpft. Da die Abstände zwischen der seismischen Masse 31 und den äusseren Siliziumplatten 1, 3 gering ist, ist diese Luftdämpfung der Bewegung des beweglichen Elementes 4 relativ gross. Es ist daher wünschenswert, im Hohlraum 5 einen definierten Unterdruck einzu-schliessen, da durch diesen Unterdruck die Dämpfungseigenschaften und somit auch das dynamische Verhalten des Beschleunigungssensors bestimmt wird. Dabei wird ein Unterdruck in der Grössenordnung 0,01 bis 10 mbar mit einer Reproduzierbarkeit von kleiner 5% angestrebt. Bei der Herstellung der Beschleunigungssensoren wird der Hohlraum 5 über das Loch 6 entlüftet und dann mit der weiteren Platte 10 verschlossen. Bei einem direkten Verschluss des Hohlraumes 5 durch Zusammenfügen einer mittleren Siliziumplatte 2 mit äusseren Siliziumplatten 1, 3, die kein Loch aufweisen, lässt sich kein definierter Unterdruck im Hohlraum 5 einstellen. Dies liegt zum einen an der hohen Temperatur, die zum direkten Verbinden von Siliziumplatten notwendig ist. Bei Temperaturen in der Grössenordnung von 800-1100°C können eventuell

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vorhandene Restgase im Hohlraum 5 mit dem Silizium der Platten 1, 2, 3 reagieren oder aber Gasmoleküle, die bereits mit dem Silizium reagiert haben, wieder in den Hohlraum ausgetrieben werden. Diese Reaktionen können nur schwer vorausgesagt oder reproduziert werden. Eine Verringerung der Temperatur in einen unkritischen Temperaturbereich unterhalb von 800° ist in der Regel mit einer Verschlechterung der Verbindungsqualität verbunden. Weiterhin ist die direkte Verbindung von Siliziumplatten im Vakuum schwierig und mit einer schlechten Ausbeute verbunden. Für die Verbindung der Siliziumplatten 1, 2, 3 werden diese vor der Verbindung durch einen chemischen Vorbe-handlungsprozess so verändert, dass hydrophile Oberflächen entstehen. In einem Vakuum verändern sich diese Oberflächen derart, dass die Qualität der Verbindung der Siliziumplatten 1, 2, 3 verringert wird.

Durch die Verwendung des Loches 6 in der äusseren Siliziumplatte 3 und der weiteren Platte 10 lässt sich ein gut reproduzierbarer Unterdruck im Hohlraum 5 problemlos einstellen. Zunächst werden die beiden äusseren Siliziumplatten 1, 3 mit der mittleren Siliziumplatte, aus der das bewegliche Element 4 herausstrukturiert ist, verbunden. Diese Verbindung erfolgt durch einen Hochtemperaturpro-zess in der Grössenordnung von 800-1100°C, so dass eine gute Qualität dieser Verbindung sichergestellt wird. In einem weiteren Schritt wird dann dieser Plattenverbund mit der weiteren Platte 10 verbunden. Bei der weiteren Platte 10 handelt es sich um eine Glasplatte, die durch sogenanntes anodisches Bonden mit dem Siliziumplattenstapel verbunden wird. Dazu wird der Plattenstapel auf die weitere Platte 10 gesetzt, und die Umgebung des Beschleunigungssensors wird evakuiert. Durch das Loch 6 kann die Luft zwischen der Siliziumplatte 3 und der weiteren Platte 10 entweichen, so dass ein definierter Druck im Hohlraum 5 erreicht wird. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung in der Grössenordnung zwischen 30 bis 1000 Volt wird die Glasplatte 10 elektrostatisch gegen den Stapel der drei Siliziumplatten 1, 2, 3 gezogen. Bei der Glasplatte 10 handelt es sich um ein natriumhalti-ges Glas, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen Pyrex der Firma Corning Glass erhältlich ist. Durch eine Temperaturbehandlung in der Grössenordnung von 200 bis 400°C und durch die Wirkung des elektrischen Feldes wird eine feste unlösbare Verbindung zwischen der weiteren Platte 10 und der äusseren Siliziumplatte 3 bewirkt.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors, jedoch mit einer weiteren Platte 11, die eine dünne oberflächliche Schicht 15 aufweist, gezeigt. Alle übrigen Bezeichnungen 1 bis 7 entsprechen den Bezeichnungen aus der Fig. 1.

Die weitere Platte 1 besteht ebenfalls aus Silizium und weist auf ihrer Oberfläche eine dünne Glasschicht 15 auf. Die dünne Glasschicht 15 besteht ebenfalls aus einem Glasmaterial, das durch anodisches Bonden mit der äusseren Siliziumplatte 3 verbunden werden kann. Die dünne Glasschicht 15 ist durch Sputtern oder durch Siebdruck einer glasgefüllten Paste und anschliessendes Brennen hergestellt. Neben den aus der Fig. 1 bereits bekannten Vorteilen wird durch die Verwendung der weiteren Platte 11 aus Silizium eine Verringerung der mechanischen Verspannungen im Beschleunigungssensor erreicht, da die weitere Platte 11 nun den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wie die drei Siliziumplatten 1, 2, 3.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Beschleunigungssensors gezeigt. Die Ziffern 1 bis 7 bezeichnen wieder die gleichen Sensorteile wie die Fig. 1. Die weitere Platte 12 besteht aus Silizium, weist auf ihrer Oberfläche einen dünnen Lotfilm 16 auf und ist über einen Verbindungsbereich 20 mit der äusseren Siliziumplatte 3 verbunden. Durch die geringen geometrischen Abmessungen der weiteren Platte 12 wird sichergestellt, dass sich der Verbund der drei Siliziumplatten 1, 2, 3 grösstenteils frei gegenüber dem Gehäuse 7 ausdehen kann, ohne dass es dabei zu Verspannungen zwischen dem Gehäuseboden 7 und den drei Siliziumplatten 1, 2, 3 kommt. Durch diese Massnahmen werden somit temperaturbedingte Verspannungen des Beschleunigungssensors verringert. Durch die Wahl eines geeigneten Lötmittels für die Lötschicht 16 kann die weitere Platte 12 mit Temperaturen in der Grössenordnung von 200 bis 400° mit der äusseren Platte 3 verbunden werden. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Gold, das bei Temperaturen um 370°C zum Löten von Silizium geeignet ist. Eine solche Goldschicht zur Verbindung mit der äusseren Siliziumplatte 3 kann durch Zwischenschichten, beispielsweise aus Nickel und Chrom, auch bei einer Glasplatte als weitere Platte 12 verwendet werden.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Beschleunigungssensor gezeigt, der nur geringe thermisch bedingte Verspannungen mit dem Gehäuse 7 zeigt. Die Ziffern 1 bis 7 bezeichnen wieder die gleichen Sensorteile wie in der Fig. 1. Die weitere Platte 13 weist einen aus ihrer Oberfläche vorstehenden Verbindungsbereich 21 auf, mit dem die weitere Platte 13 mit der äusseren Platte 3 in der Umgebung des Loches 6 verbunden ist. Durch diesen Verbindungsbereich 21 wird das Loch 6 verschlossen. Durch den erhobenen Verbindungsbereich 21 wird wieder erreicht, dass sich der Verbund der drei Siliziumplatten 1, 2, 3 infolge von Temperaturänderungen ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne dass es dabei zu nennenswerten mechanischen Verspannungen mit der weiteren Platte 13 bzw. dem Gehäuseboden 7 kommt, sofern diese einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausweisen. Durch den Verbindungsbereich 21, der die weitere Platte 13 nur in der unmittelbaren Nähe des Loches 6 mit der äusseren Platte 3 verbindet, wird somit eine temperaturbedingte Änderung der Sensorempfindlichkeit verringert.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Beschleunigungssensor dargestellt, der ebenfalls einen Verbindungsbereich 22 in der unmittelbaren Umgebung des Loches 6 aufweist. Die Ziffern 1 bis 7 bezeichnen wieder die gleichen Sensorteile wie in der Fig. 1. Aus der äusseren Platte 3

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ist hier ein Verbindungsbereich 22 herausstrukturiert, mit dem die äussere Platte 3 mit der weiteren Platte 10 verbunden ist. Durch diesen Verbindungsbereich 22 werden wiederum die gleichen Vorteile bezüglich des thermischen Verhaltens der Sensoren erreicht wie bei den Fig. 3 und 4. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausgestaltung des Beschleunigungssensors sind jedoch die Anforderungen an die Justiergenauigkeit der weiteren Platte 10 gegenüber der äusseren Siliziumplatte 3 äusserst gering. Durch diese Massnahme wird somit der Herstellungspro-zess zur Herstellung der Sensoren vereinfacht.

Claims

Patentansprüche

1. Beschleunigungssensor mit einer mittleren (2) und zwei äusseren (1, 3) Siliziumplatten, wobei aus der mittleren Siliziumplatte (2) ein daran befestigtes, durch eine Beschleunigung des Sensors bewegliches Element (4) herausstrukturiert ist, wobei das bewegliche Element (4) in einem von den drei Siliziumplatten (1, 2, 3) gebildeten Hohlraum (5) eingeschlossen ist, wobei die äusseren Siliziumplatten (1, 3) Wände des Hohlraums (5) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der äusseren Platten (1, 3) mit einer weiteren Platte (10-13) verbunden ist, und dass ein Loch (6) in der durch eine der äusseren Platten (1, 3) gebildeten Wand des Hohlraums (5) durch die weitere Platte (10-13) gasdicht verschlossen ist.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (10) aus Glas besteht.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (11) als Siliziumplatte mit einer dünnen oberflächlichen Schicht (15) aus Glas ausgebildet ist.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (15) aus Glas durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht ist.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht (15) aus Glas durch Siebdruck aufgebracht ist.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (12) als Siliziumplatte mit einer metallischen Lötschicht (16) ausgebildet ist.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötschicht (16) aus mehreren Schichten, insbesondere aus einer Folge von Schichten aus Chrom, Nickel und Gold, aufgebaut ist.

8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Siliziumplatten (1, 2, 3) durch die weitere Platte (10 bis 13) mit einem Gehäuse (7) verbunden sind.

9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (10 bis 13) nur mit einem das Loch (6) umgebenden Verbindungsbereich (20, 21, 22) mit der äusseren Platte (1, 3) verbunden ist.

10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche der weiteren Platte (12) den Verbindungsbereich (20) bildet.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (13) einen aus ihrer Oberfläche vorstehenden Verbindungsbereich (21) aufweist.

12. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Platte (1, 3), die mit der weiteren Platte (10 bis 13) verbunden ist, einen aus ihrer Oberfläche vorstehenden Verbindungsbereich (22) aufweist.

13. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (5) ein Unterdruck eingeschlossen ist.

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