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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Sensorelement zum Erfassen von Beschleunigungen
in drei Raumrichtungen mit mindestens einer in drei Raumrichtungen auslenkbaren
seismischen Masse, mit einer Membranstruktur, die als Aufhängung
für die seismische Masse fungiert und mindestens eine Elektrode
umfasst, und mit mindestens einer feststehenden Gegenelektrode zum
kapazitiven Erfassen der Auslenkungen der Membranstruktur.
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Insbesondere
im Konsumerbereich besteht zunehmend Bedarf an kostengünstigen
Beschleunigungssensoren für alle drei Raumrichtungen mit
kleiner Bauform und einem möglichst niedrigen Energieverbrauch.
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In „Design
and fabrication of a highly symmetrical capacitive triaxial accelerometer",
Gang Li et al., Journal of Micromechanics and Microengineering 11
(2001) 48–54 wird ein mikromechanisches Sensorelement
der eingangs genannten Art beschrieben, mit dem sich Beschleunigungen
in allen drei Raumrichtungen erfassen lassen. Das bekannte Sensorelement
umfasst eine pyramidenstumpfförmige seismische Masse mit
quadratischer Grundfläche, die über vier Stege
in einem Rahmen aufgehängt ist, so dass sie in allen drei
Raumrichtungen auslenkbar ist. Die seismische Masse ist aus einem
Halbleitersubstrat herausstrukturiert, während die vier
Stege lediglich in einer Oberflächenschicht dieses Substrats ausgebildet
sind. Aufgrund entsprechender Dotierung fungiert diese Oberflächenschicht
als Elektrode. Des Weiteren umfasst der Aufbau des bekannten Sensorelements
einen starren Glaswafer, der die Aufhängungsstege und die
seismische Masse überspannt aber beabstandet zur dotierten
Substratoberfläche angeordnet ist. Die der dotierten Substratoberfläche
zugewandte Oberfläche des Glaswafers ist mit mehreren Gegenelektroden
versehen. Die einzelnen Richtungskomponenten einer auf die seismische Masse
einwirkenden Beschleunigung werden hier durch Auswertung der Kapazitäten
ermittelt, die zwischen der substratseitigen Elektrode und den einzelnen
glaswaferseitigen Gegenelektroden erfasst werden.
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Das
bekannte Sensorelement umfasst also eine seismische Masse mit nur
einer beweglichen Elektrode aber mehreren feststehenden und voneinander
beabstandet auf einem Glaswafer angeordneten Gegenelektroden, so
dass mehrere Elektrodenpaare zur kapazitiven Signalerfassung zur
Verfügung stehen.
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Die
Herstellung des bekannten Sensorelements ist vergleichsweise aufwendig,
da der Glaswafer und das Halbleitersubstrat unabhängig
voneinander prozessiert werden müssen und danach justiert miteinander
verbunden werden müssen. Zudem muss das Halbleitersubstrat
zweiseitig prozessiert werden. Dabei erfordert insbesondere die
Strukturierung der Rückseite zum Freilegen der seismischen Masse
spezielle Verfahrensschritte. Hinzu kommt, dass der Platzbedarf
einer in Bulk-Mikromechanik erzeugten Bauelementstruktur relativ
groß ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik wird ein Sensorelement zum Erfassen
von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen vorgeschlagen, das zuverlässige
Messergebnisse liefert und sich zudem in kleiner Bauform und kostengünstig
realisieren lässt.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Membranstruktur des beanspruchten Sensorelements mindestens
vier elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche, die über
die seismische Masse mechanisch gekoppelt sind. Es ist nämlich
erkannt worden, dass sich mehrere gegeneinander isolierte Elektrodenbereiche
auch in einfacher Weise auf einer Membranstruktur realisieren lassen.
Je nach dem, ob das Sensorelement eine oder mehrere feststehende
Gegenelektroden umfasst, stehen dann mehrere elektrisch und mechanisch
gekoppelte oder auch nur mechanisch gekoppelte Kapazitäten
zur Signalerfassung zur Verfügung. Die Ausbildung von isolierten Elektrodenbereichen
in der Membranstruktur erweist sich prozesstechnisch als vorteilhaft
und ermöglicht einen hohen Grad an Miniaturisierung.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Sensorelements, die sich durch eine besonders geringe Bauhöhe
der Sensorstruktur auszeichnet, ist in der Gegenelektrode eine Öffnung ausgebildet,
in die die seismische Masse hineinragt. Diese Öffnung muss
so groß sein, dass die Bewegung der seismischen Masse nicht
durch die Gegenelektrode eingeschränkt wird.
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Die
Struktur des erfindungsgemäßen Sensorelement lässt
sich in vorteilhafter Weise mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik
in einem Schichtaufbau über einem Halbleitersubstrat realisieren,
insbesondere die Membranstruktur mit den elektrisch voneinander
getrennten Elektrodenbereichen und die Gegenelektrode, wobei zwischen
den Elektrodenbereichen und der Gegenelektrode ein Hohlraum ausgebildet
wird. Die resultierende Bauform ist besonders kompakt. Außerdem
kommen bei dieser Art der Herstellung ausschließlich Standardprozesse zum
Einsatz, die einfach in Herstellungsverfahren anderer Bauelemente
integriert werden können, wie beispielsweise eines oberflächenmikromechanisch erzeugten
Schallwandlers. Auf diese Weise können auch unterschiedliche
Sensorelemente mit einer gemeinsamen Auswerteschaltung auf einem
Chip integriert werden.
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Werden
die Membranstruktur und. die Gegenelektrode des erfindungsgemäßen
Sensorelements in einem Schichtaufbau über einem Substrat erzeugt,
so kann die seismische Masse einfach ebenfalls aus diesem Schichtaufbau
herausstrukturiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sie zumindest
teilweise aus denselben Schichten herausstrukturiert wird wie die
Gegenelektrode, so dass eine Öffnung in der Gegenelektrode
entsteht, in die die seismische Masse hineinragt.
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Eine
Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen
Sensorelements besteht in einer Vergrößerung der
seismischen Masse. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft,
zumindest einen Teil der seismischen Masse aus dem Substrat herauszustrukturieren,
so dass die seismische Masse zusätzlich zum Schichtmaterial
der Gegenelektrode auch Substratmaterial umfasst.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gegenelektrode
des Sensorelements perforiert, so dass der Hohlraum zwischen der
Membranstruktur und der Gegenelektrode über die Perforationsöffnungen
in der Gegenelektrode an die Umgebung angeschlossen ist. Dadurch
kann die strukturbedingte Dämpfung der Membranstruktur
mit der seismischen Masse weitgehend reduziert werden und so auch
die Empfindlichkeit des Sensorelements gesteigert werden.
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Dazu
tragen auch Federelemente bei, die als Aufhängungen für
die einzelnen Elektrodenbereiche in der Membranstruktur ausgebildet
sind. Durch die Öffnungen in der Membranstruktur zwischen
den einzelnen Federelementen wird die Dämpfung der Sensorstruktur
nämlich ebenfalls reduziert. Außerdem können
intrinsische Zug- oder Druckspannungen in der Sensorstruktur über
derartige Federelemente abgebaut werden, was sich ebenfalls positiv
auf die Empfindlichkeit des Sensorelements auswirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits
auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines ersten erfindungsgemäßen Sensorelements,
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die strukturierte Gegenelektrode eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
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3a bis 3d zeigen
vier unterschiedliche Membranstrukturen eines erfindungsgemäßen Sensorelements
jeweils in Draufsicht,
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4 zeigt
einen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorelements,
und
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5a/b
zeigen schematische Schnittdarstellungen durch ein erfindungsgemäßes
Sensorelement unter Einfluss von in drei Raumrichtungen wirkenden
Beschleunigungen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Das
in 1 dargestellte Sensorelement 10 zum Erfassen
von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen umfasst eine seismische
Masse 11, die über eine Membranstruktur 12 in
einem Rahmen 13 aufgehängt ist, so dass sie in
allen drei Raumrichtungen auslenkbar ist. Die Auslenkungen der seismischen
Masse 11 werden kapazitiv erfasst. Dazu umfasst die Membranstruktur 12 des
Sensorelements 10 erfindungsgemäß vier
elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche 14a bis 14d,
von denen in der Schnittdarstellung der 1 lediglich
die Elektrodenbereiche 14b und 14d zu erkennen
sind. Alle vier Elektrodenbereiche 14a bis 14d sind über
die seismische Masse 11 mechanisch gekoppelt, was insbesondere
durch die 3a bis 3d veranschaulicht
wird. Ferner umfasst das Sensorelement 10 eine feststehende
Gegenelektrode 15 für die Elektrodenbereiche 14a bis 14d,
die unterhalb des deformierbaren Bereichs der Membranstruktur 12 ausgebildet
ist.
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Im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gesamte
Sensorstruktur in einem Schichtaufbau über einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet.
Die Funktionen der einzelnen Schichten dieses Aufbaus werden nachfolgend
nur insoweit erläutert als sie für die Struktur
und Wirkungsweise des hier in Rede stehenden Sensorelements 10 von
Bedeutung sind. So umfasst der Schichtaufbau mindestens eine erste Isolationsschicht 2,
durch die das Halbleitersubstrat 1 gegen die weiteren Schichten
des Schichtaufbaus elektrisch, isoliert wird, mindestens eine Schicht 3,
in der die Gegenelektrode 15 realisiert ist, so dass diese
Schicht 3 im Folgenden als Gegenelektrodenschicht 3 bezeichnet
wird, mindestens eine zweite Isolationsschicht 4 über
der Gegenelektrodenschicht 3 und über der zweiten
Isolationsschicht 4 mindestens eine Membranschicht 5,
in der die Membranstruktur 12 ausgebildet ist. Die seismische
Masse 11 ist hier im Wesentlichen in der Gegenelektrodenschicht 3 ausgebildet.
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Die
hier dargestellte Membranstruktur 12 wurde mit Verfahren
der Oberflächenmikromechanik freigelegt. Dazu wurde über
der zweiten Isolationsschicht 4 eine Opferschicht erzeugt
und entsprechend der Geometrie der Membranstruktur 12 kreisringförmig
strukturiert. Erst danach wurde die Membranschicht 5 aufgebracht.
Durch Entfernen der Opferschicht wurde die kreisringförmige
Membranstruktur 12 dann freigelegt, wobei ein Hohlraum 6 zwischen der
Membranstruktur 12 und der Gegenelektrodenschicht 3 bzw.
der zweiten Isolationsschicht 4 entstand, der sich torusförmig
um den Bereich der seismischen Masse 11 erstreckt. Die
Opferschicht wurde im Anschluss an eine Strukturierung der Substratrückseite
entfernt.
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Im
Zuge dieser Rückseitenstrukturierung wurde auch die seismische
Masse 11 des Sensorelements 10 definiert und freigelegt.
Dazu wurde zunächst eine Kaverne 7 in der Rückseite
des Halbleitersubstrats 1 erzeugt. Diese Kaverne 7 wird
in der Tiefe von der ersten Isolationsschicht 2 begrenzt
und erstreckt sich hier seitlich über den gesamten Bereich der
Membranstruktur 12, kann aber auch eine geringere oder
größere laterale Ausdehnung haben. In einem anschließenden,
ebenfalls von der Substratrückseite ausgehenden Trenchprozess
wurden ein kreisringförmiger Trenchgraben 8 und Perforationsöffnungen 9 erzeugt,
die sich durch die erst Isolationsschicht 2, die Gegenelektrodenschicht 3,
und die zweite Isolationsschicht 4 bis in die Opferschicht
erstreckten. Erst danach wurde die Opferschicht von der Substratrückseite
ausgehend, über den kreisringförmigen Trenchgraben 8 und
die Perforationslöcher 9 entfernt. Dabei wurde
die Membranstruktur 12 mit der seismischen Masse 11 freigelegt,
so dass diese nur noch über die Membranstruktur 12 am
Rahmen 13 aufgehängt ist und sowohl senkrecht
zu den Schichtebenen in z-Richtung auslenkbar ist, als auch in der
Schichtebene in x/y-Richtung. Bei dieser Ausführungsform
ragt die seismische Masse 11 also in eine Öffnung
in der kreisringförmig um den Trenchgraben 8 ausgebildeten
Gegenelektrode 15 hinein. Die Perforationsöffnungen 9 dienen
zur Entdämpfung bzw. Belüftung der Sensorstruktur
und zum Druckausgleich. Das Layout der Gegenelektrodenschicht 3 mit
kreisringförmigem Trenchgraben 8 und Perforationsöffnungen 9 ist
nochmals gesondert in 2 dargestellt, wobei die Anordnung,
Anzahl und Größe der Perforationsöffnungen
je nach Bedarf gewählt werden können. Dieses Layout
entspricht einem Schnitt entlang der Achse II-II in 1.
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Wie
bereits erwähnt, sind in der Membranstruktur 12 des
Sensorelements 10 erfindungsgemäß vier
elektrisch voneinander getrennte Elektrodenbereiche 14a bis 14d realisiert,
die über die seismische Masse 11 mechanisch gekoppelt
sind. Die 3a bis 3d zeigen
vier verschiedene Layouts für die Elektrodenbereiche 14a bis 14d des
in 1 dargestellten Sensorelements 10. In
allen vier Darstellungen – 3a bis 3d – ist
die Kontur der seismischen Masse 11 als gestrichelte Kreislinie 11 dargestellt.
Außerdem werden die Elektrodenbereiche 141a bis 141d, 142a bis 142d, 143a bis 143d, 144a bis 144d bei
allen vier Ausführungsformen durch Kreisscheibensegmente
gleicher Form und Größe gebildet, die durch einen
kreuzförmigen elektrisch isolierenden Bereich 16 in
der Membranstruktur 12 und/oder durch eine entsprechende
Ausnehmung in der Membranstruktur 12 elektrisch isoliert
sind.
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Im
Fall der 3a erstreckt sich die Elektrodenfläche
der einzelnen Elektrodenbereiche 141a bis 141d jeweils über
ein vollständiges Kreisscheibenviertel, so dass die Spitzen
dieser Kreisscheibenviertel auf der Oberfläche der seismischen
Masse 11 angeordnet sind. Im Unterschied dazu sind die
Elektrodenbereiche 142a bis 142d im Fall der 3b in Form
von Viertelkreissegmenten ausgeführt, die sich lediglich
bis zum äußeren Rand der seismischen Masse 11 erstrecken.
Bei den in den 3c und 3d dargestellten
Varianten sind die Elektrodenbereiche 143a bis 143d (3c)
und 144a bis 144d (3d) wie
in 3a in Form von Kreisscheibenvierteln ausgebildet.
Allerdings sind die Elektrodenbereiche 143a bis 143d über
Stege 17 und die Elektrodenbereiche 144a bis 144d über
Federelemente 18 im Rahmen 13 aufgehängt,
was zu einer Empfindlichkeitssteigerung gegenüber der in 3a dargestellten
Variante führt. Die Stege 17 wie auch die Federelemente 18 sind
im Randbereich der jeweiligen Membranstruktur 12 ausgebildet.
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Der
Schichtaufbau und die Struktur des in 4 dargestellten
Sensorelements 20 entsprechen im Wesentlichen denen des
in 1 dargestellten Sensorelements 10. Im
Unterschied dazu erstreckt sich die seismische Masse 21 des
Sensorelements 20 über die gesamte Dicke des Schichtaufbaus
einschließlich des Substrats 1. Dazu wurde bei
der Rückseitenstrukturierung an Stelle der Kaverne 7 ein kreisringförmiger
Graben 27 erzeugt.
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Die 5a/b
veranschaulichen die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen
Sensorelements 30 mit einer in drei Raumrichtungen auslenkbaren
seismischen Masse 31, mit einer Membranstruktur 32,
die als Aufhängung für die seismische Masse 31 in
einem Rahmen 33 fungiert und vier elektrisch voneinander
getrennte Elektrodenbereiche 34a bis 34d umfasst,
von denen auch hier wieder nur die Elektrodenbereiche 34b und 34d dargestellt
sind. Diese vier Elektrodenbereiche 34a bis 34d sind über die
seismische Masse 31 mechanisch gekoppelt. Außerdem
umfasst das Sensorelement 30 mindestens eine feststehende
Gegenelektrode 35 zum kapazitiven Erfassen der Auslenkungen
der Membranstruktur mit der seismischen Masse 31. Dabei
bilden die vier Elektrodenbereiche 34a bis 34d zusammen
mit der gemeinsamen Gegenelektrode 35 vier Kapazitätspaare
C1 bis C4.
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5a zeigt
das Verhalten des Sensorelements 30 unter dem Einfluss
einer in z-Richtung wirkenden Beschleunigung, die hier in Form des
Pfeils 40 dargestellt ist. Diese Beschleunigung 40 senkrecht
zur Membranebene- führt zu einer gleichmäßigen
Verkleinerung des Spalts zwischen den Elektrodenbereichen 34a bis 34d und
der Gegenelektrode 35 und somit zu einer gleichmäßigen
Kapazitätsvergrößerung aller vier Kapazitätspaare
C1 bis C4. Eine Beschleunigung in x-/y-Richtung, also in der Membranebene,
wie sie in 5b als Pfeil 50 dargestellt ist,
führt zu einer ungleichmäßigen Spaltveränderung.
Demnach können die Richtung und der Betrag der Beschleunigung 50 in
der x-/y-Ebene ermittelt werden, indem die unterschiedlichen Änderungen der
einzelnen Kapazitäten C1 bis C4, beispielsweise durch Differenzmessungen,
erfasst und ausgewertet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Design
and fabrication of a highly symmetrical capacitive triaxial accelerometer",
Gang Li et al., Journal of Micromechanics and Microengineering 11
(2001) 48–54 [0003]