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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
Beschleunigungssensor mit einer außerhalb ihres Schwerpunktes
beweglich gelagerten Masse, wobei erste Elektroden an der Masse
und zweite, beabstandet angeordnete, Elektroden einen kapazitiven
Sensor bilden, um eine zeitabhängige Lageveränderung
der Masse zu bestimmen und mindestens ein Federelement an der dem
kapazitiven Sensor zugewanden Seite der Masse vorgesehen ist, welches bei
Auslenkung der Masse aus ihrer Ruhelage eine Rückstellkraft
erzeugt. Solche Beschleunigungssensoren werden beispielsweise in
Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Sicherheitseinrichtungen auszulösen oder
in portablen Geräten, um eine Stoßbeanspruchung,
beispielsweise durch Hinunterfallen, zu detektieren.
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Aus
der
US 2006/0180896
A1 ist ein Beschleunigungssensor der eingangs beschriebenen Art
bekannt. Dieser bekannte Beschleunigungssensor weist eine im Wesentlichen
quaderförmige Masse auf, welche mit mindestens einem Federelement
auf einer Basisplatte fixiert ist. Zwischen Basisplatte und federnd
gelagerter Masse befindet sich mindestens ein Elektrodenpaar, welches
als Plattenkondensator mit variablem Plattenabstand eine kapazitive
Messung der Bewegung der Masse erlaubt. Sofern mehr als ein Elektrodenpaar
vorgesehen ist, kann nicht nur ein Abheben der Masse von der Grundplatte
detektiert werden, sondern auch eine Verkippung oder Verdrehung.
Dadurch ist eine Beschleunigungsmessung in mehr als einer Raumrichtung
möglich.
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Nachteilig
an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass eine Verkippung der
schwingend gelagerten Masse an deren Basisfläche nur eine
geringe Abstandsänderung und damit nur ein ge ringes Detektionssignal
erzeugt. Die Detektionsgenauigkeit von Beschleunigungen, welche
nicht senkrecht zur Basisfläche der Masse wirken, ist damit
nur gering. Weiterhin kann der im Stand der Technik beschriebene
Sensor nicht in einem Mold-Gehäuse verbaut werden, ohne
die Beweglichkeit der zur Detektion verwendeten Masse einzuschränken.
Sobald der zwischen Basisplatte und Masse vorhandene Spalt mit Gehäusematerial
gefüllt ist, ist eine Detektion von Beschleunigungen nicht
mehr möglich. Daher verwendet der Stand der Technik die
in
4 der
US 2006/0180896 A1 dargestellten, teuren
und großen Gehäuse. Ein Einbau in kleine, transportable
Geräte mit hoher Bauteilpackungsdichte ist damit erschwert.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Beschleunigungssensor anzugeben, welcher eine verbesserte
Detektionsgenauigkeit in allen drei Raumrichtungen aufweist. Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor anzugeben,
welcher in einem kompakten, einfach herstellbaren Gehäuse
einsetzbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
Beschleunigungssensor mit einer außerhalb ihres Schwerpunktes
beweglich gelagerten Masse, wobei erste Elektroden an der Masse
und zweite, beabstandet angeordnete, Elektroden einen kapazitiven
Sensor bilden, um eine zeitabhängige Lageveränderung
der Masse zu bestimmen und mindestens ein Federelement an der dem
kapazitiven Sensor zugewanden Seite der Masse vorgesehen ist, welches bei
Auslenkung der Masse aus ihrer Ruhelage eine Rückstellkraft
erzeugt, wobei die Masse durch Freistellen aus einer Materiallage
erhältlich ist und zumindest an ihren Seitenflächen
von diesem Material umgeben ist.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, die zur Beschleunigungsmessung verwendete, schwingend gelagerte
Masse aus einer Materiallage, beispielsweise Silizium, freigestellt
werden kann. Die zur Abstandsmessung verwendeten Elektrodenpaare
befinden sich dabei wie im Stand der Technik zwischen der Messmasse
und dem Trägersubstrat, ebenso die zur Lagerung verwendeten
Federelemente. Die Masse kann dabei eine beliebige Außenform
annehmen, beispielsweise Quaderform.
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Um
eine große Detektionsgenauigkeit in mehreren Raumrichtungen
zu ermöglichen, weist die federnd gelagerte Masse bevorzugt
eine Aufhängung an nur einer Basisfläche auf.
Somit ist eine Lageänderung, welche durch Beschleunigungen
parallel oder senkrecht zur Basisfläche hervorgerufen wird, mit
vergleichsweise großer Amplitude möglich. Eine große
Auslenkungsamplitude führt dabei zu einer großen
Kapazitätsänderung und einer hohen Messgenauigkeit.
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Um
die Genauigkeit weiter zu steigern, werden die Elektroden in einer
Ausführungsform der Erfindung strukturiert. Dies bedeutet,
dass die Elektroden eine Unterteilung aufweisen und jede Teilfläche mit
einer eigenen Messelektronik zur Kapazitätsmessung verbindbar
ist. Sofern kapazitive Sensoren zur Abstandsmessung an zwei gegenüberliegenden
Enden der Masse angeordnet sind, führt eine Verkippung
der Masse aus ihrer Ruhelage zu einer Verringerung des einen und
gleichzeitigen Vergrößerung des anderen Elektrodenabstandes.
Durch gleichzeitige Messung und Vergleich beider Werte kann die
Genauigkeit der Messung dabei nochmals erhöht werden.
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In
einer Ausführungsform kann die Masse auch innerhalb einer
Symmetrieachse aber außerhalb ihres Schwerpunktes aufgehängt
werden. Dadurch ist nur eine einzige Aufhängung mit einem
einzigen Federelement notwendig. Somit wird ein asymmetrisches Sensorverhalten
aufgrund nicht exakt gleich ausgebildeter Federelemente vermieden.
Zusätzlich ist eine weitere Miniaturisierung aufgrund des
verminderten Platzbedarfes für nur eine federnde Lagerung
möglich.
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Ein
mikromechanisches Federelement zur federnden Lagerung der Messmasse
ist erfindungsgemäß dadurch herstellbar, dass
die Masse einen Hohlraum aufweist, welcher von einer Membran aus demselben
oder einem verschiedenen Material verschlossen ist. Die Masse wird
dann durch einen dünnen Steg oder eine Säule auf
dem Substrat gehaltert, welche an der Membran angreift. Die den
Hohlraum verschließende Membran bildet somit ein Federelement.
Dieses kann den Hohlraum vollständig verschließen
oder aber an einer oder mehreren Begrenzungslinien des Hohlraums
von der Basisfläche der Masse getrennt sein. Dadurch lässt
sich die Federkonstante der Aufhängung einstellen. Für
eine besonders weiche Aufhängung, welche die Messung sehr
kleiner Beschleunigungen erlaubt, können auch mehrere Hohlräume
mit mehreren Membranen als Federelement übereinander angeordnet
werden. Diese können in einer Linie angeordnet sein oder
lateral versetzt werden. Weiterhin kann die Federkonstante über
die Dicke der Membran eingestellt werden. Dem Fachmann stehen somit
eine Vielzahl von Parametern zur Verfügung, um den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
optimal an den geplanten Anwendungszweck anzupassen.
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Die
mikromechanische Herstellung des erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors durch Ätzen eines Siliziumsubstrates
soll nachfolgend als Ausführungsbeispiel anhand von Figuren
dargestellt werden. Dies ist lediglich als beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung anzusehen, welche den Gegenstand der Offenbarung nicht
einschränkt. Die Erfindung lässt weitere, ebenso
wirksame Ausführungsformen zu.
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1 bis 6 zeigen
die Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors anhand eines Ausführungsbeispiels.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform des Beschleunigungssensors
mit einer gelochten Federstruktur.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der
Erfindung mit einer weicheren Federkonstante.
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9 zeigt eine Ausführungsform
mit einer zweistufigen Federstruktur.
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1 zeigt
die ersten Herstellungsschritte eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors. Hierzu wird ein Siliziumwafer 1 mit
einer Isolationsschicht 2 versehen. Auf diese Isolationsschicht
werden Leiterbahnen 3 abgeschieden. Die Isolationsschicht 2 kann
beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid
bestehen. Zur Abscheidung der Isolationsschicht stehen verschiedene,
aus der Halbleitertechnologie bekannte Verfahren zur Verfügung.
Beispielsweise kann das Siliziumsubstrat in einer Sauerstoffatmosphäre
auf erhöhte Temperatur gebracht werden, um die Oberfläche
zu oxidieren.
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Die
Leiterbahnen 3 bestehen aus einem leitfähigen
Material, beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung oder
leitfähig dotiertem Silizium. Diese leitfähige
Schicht kann durch LPCVD- oder PECVD-Verfahren, epitaktisches Wachstum, Aufdampfen
oder Sputtern abgeschieden werden. Die Leiterbahnen 3 weisen
eine Strukturierung auf, sodass der fertige Sensor über
die Leiterbahnen elektrisch kontaktiert werden kann.
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Zur
Strukturierung kann entweder eine Maske aus einem Photolack verwendet
werden, welche vor der Abscheidung der Metall schicht aufgebracht wird.
Somit sind diejenigen Flächenbereiche, welche nicht mit
einer Metallisierung versehen werden sollen durch den Lack vor dem
Metallauftrag geschützt. Alternativ kann auch eine vollflächige
Metallisierung aufgebracht werden, welche nachfolgend strukturiert wird.
In diesem Fall werden die Leiterbahnen mit einem Photolack geschützt
und die ungeschützten Bereiche durch einen Ätzschritt
von der Metallisierung befreit.
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Als
dritte Schicht wird eine Opferschicht 4 aufgebracht. Hierbei
handelt es sich um eine Schicht, welche mittels Gasphasenätzverfahren
geätzt werden kann, beispielsweise SiO2.
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In
diese Opferschicht werden wiederum Kontaktlöcher 5 eingebracht,
an welchen die Metallisierung 3 freiliegt. Auch diese Kontaktöffnungen 5 können
mit Hilfe einer Photolackmaske und PLasmaätzen oder nasschemischem Ätzen
der zunächst vollflächig aufgebrachten Opferschicht 4 erzeugt
werden. Die Opferschicht 4 dient auch als Stoppschicht für
die später zu erzeugenden Grabenstrukturen 10.
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2 zeigt
die nächsten beiden Verfahrensschritte. Auf das Substrat
nach 1 wird eine erste Siliziumschicht 6 abgeschieden.
Diese Siliziumschicht bildet später die Außenseite
der beweglich gelagerten Masse 15 und die Membran 17 über
dem in der Masse ausgebildeten Hohlraum 12. Somit definiert
die Dicke der Siliziumschicht 6 auch die Federkonstante
der Federelemente, auf welchen die Messmasse 15 gelagert
ist. Da die Masse gleichzeitig als Gegenelektrode der kapazitiven
Sensoren dienen kann, kann die Siliziumschicht 6 bereits
dotiert werden. Damit wird die elektrische Kontaktierung der Messmasse 15 in
besonders einfacher Weise möglich.
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Auf
der Siliziumschicht 6, welche das Substrat 1 mit
der Isolationsschicht 2, den Leiterbahnen 3 und
der Opferschicht 4 vollflächig bedeckt, wird eine weitere Ätzstoppschicht 7 abgeschieden,
beispielsweise aus SiO2. Diese Ätzstoppschicht 7 dient
im weiteren Verfahrensgang als Opferschicht zur Ausbildung der Hohlräume 12 in
der Messmasse 15 und gleichzeitig als Stoppschicht für
die später zu erzeugenden Grabenstrukturen 11.
Daher wird die Ätzstoppschicht 7 mit Hilfe einer
Photolackmaske und Plasma- oder nasschemischem Ätzen derart
strukturiert, dass nur in denjenigen Flächenbereichen SiO2 vorhanden ist, in welchen später
die Federelemente der Messmasse angeordnet sein sollen.
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Nach 3 wird
auf das Substrat nach 2 eine weitere Siliziumschicht 8 abgeschieden. Vorteilhaft
ist diese Siliziumschicht 8 leitfähig dotiert. Selbstverständlich
ist es jedoch auch möglich, die Siliziumschicht 8 als
intrinsisches Siliziummaterial undotiert abzuscheiden. In diesem
Fall müssen dann nur diejenigen Bereiche der Siliziumschicht 8 dotiert werden,
in denen eine Leitfähigkeit für den Betrieb des
Beschleunigungssensors erforderlich ist. Bevorzugt bilden die Schichten 6 und 8 eine
homogene Schicht mit eingeschlossenen Oxidschichten 7.
Die Schichten 6 und 8 sollen als homogen angesehen werden,
wenn die Grenzfläche zwischen ihnen mit vertretbarem Aufwand
nicht nachgewiesen werden kann.
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Auf
die vollflächig abgeschiedene Siliziumschicht 8 werden
elektrisch leitfähige Kontakte 9 aufgebracht.
Diese befinden sich an definierten Punkten, an welchen später
der Beschleunigungssensor mit einer externen Schaltung verbunden
wird. Die Metallisierung 9 kann beispielsweise als Bondpad aus
einem Metall oder einer Legierung gefertigt werden. Alternativ ist
eine Kontaktierung des Sensors über leitfähig
dotierte Polysiliziumschichten 9 möglich. Zur
Fertigung des Kontaktes 9 werden allgemein bekannte Schichten
oder Schichtfolgen und Herstellmethoden eingesetzt.
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4 zeigt
den Querschnitt aus 3, nachdem in die Siliziumschicht 8 mehrere
Gräben eingeätzt worden sind. Diese Gräben
umfassen beispielsweise länglich ausgeformte Gräben 10,
welche entlang der Äußeren Begrenzungsfläche
der Messmasse verlaufen oder die Bondpads 9 vom umgebenden
Siliziummaterial 8 freistellen. Daneben sind weitere Ätzkanäle
bzw. Gräben 11 innerhalb der freizustellenden
Masse vorhanden, welche entweder auch einen länglichen
oder einen abweichenden Querschnitt aufweisen können, beispielsweise
einen runden Querschnitt. Form und Lage der Gräben wird durch
eine Maske bestimmt, beispielsweise eine Photolackmaske oder eine
strukturierte Schicht aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxinitrid.
Bevorzugt kommt für die Maske SiO2 in
Betracht. Sofern alle Gräben in einem Verfahrensschritt
geätzt werden, reicht eine einzige Ätzmaske aus.
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Die
geätzten Gräben 10 und 11 werden durch
chemisch selektives Ätzen hergestellt, sodass diese in
jedem Fall auf einer darunter liegenden SiO2-Schicht
enden, entweder auf der Opferschicht 7 oder der Opferschicht 4.
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Wie
in 5a ersichtlich, werden die Opferschichten nachfolgend
durch die Grabenstrukturen 10 und 11 hindurch
entfernt. Dieses geschieht beispielsweise durch Gasphasenätzen
mit gasförmiger Flusssäure (HF). Durch Entfernen
der Opferschicht 4 unterhalb der Messmasse 15 entsteht
zwischen der Messmasse 15 und den Leiterbahnen 3 ein
Hohlraum 14. Innerhalb des Hohlraumes 14 bleiben
säulenförmige Elemente 13 aus Silizium
stehen, welche ursprünglich in den Kontaktöffnungen 5 abgeschieden
wurden. Die Masse ist von Begrenzungsflächen 16 welche
ebenfalls aus Schicht 8 gebildet wurden umgeben.
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Durch
Entfernen der Opferschicht 7 entsteht innerhalb der Masse 15 ein
Hohlraum 12. Der Hohlraum 12 ist durch eine Membran 17 verschlossen, welche
aus Teilen der Siliziumschicht 6 entstanden ist. Durch
die Gräben 10 und den Hohlraum 14 entsteht
somit eine freistehende Masse 15, welche auf Sockeln 13 über
das Federelement 17, 12 gelagert ist.
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Sofern
die Masse 15 und die erste Siliziumschicht 6 aus
leitfähig dotiertem Silizium besteht, kann die Masse 15 über
die Federelemente 17 und die Sockel 13 mit einer
Leiterbahn 3 verbunden werden. Damit ist die Masse 15 als
gemeinsame Gegenelektrode für sämtliche kapazitiven
Abstandssensoren verwendbar. Um eine Beschleunigung zu messen, welche
im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrates 1 einwirkt,
befindet sich unter der Masse 15 auf der gegenüberliegenden
Seite des Hohlraumes 14 eine Elektrode, welche aus der
Metallisierung 3 freigestellt wurde. Somit kann der Abstand
der Masse 15 vom Substrat 1 mit hoher Genauigkeit
kapazitiv gemessen werden.
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Eine
Beschleunigung, welche parallel zur Oberfläche des Substrates 1 auf
die Masse 15 einwirkt führt zur Verkippung der
Masse 15. Sofern beispielsweise eine Beschleunigungskraft
Fb nach links wirkt, wird der Graben 10 rechts
der Masse 15 breiter und der Graben links der Masse 15 schmäler.
Ebenso wird der Spalt 14 auf einer Seite der Masse kleiner und
auf der anderen Seite größer. Diese Veränderung
kann mittels entsprechend angeordneter Elektroden 3 gemessen
werden.
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5b zeigt
eine Aufsicht auf die freigestellte Masse 15. Gestrichelt
angedeutet sind zwei kreisförmige Membranen 17,
welche jeweils einen etwa kreiszylinderförmigen Hohlraum 12 begrenzen.
Auf den Membranen befindet sich jeweils ein Befestigungselement 13.
Die Lage und Form des Befestigungselementes kann beliebig sein.
Es kann sich auch mehr als ein Befestigungselement an jeder Membran
befinden. Durch die Ätzkanäle 11 erfolgt die
Entfernung der Opferschichten 7 und 4 um den Hohlraum 12 herzustellen.
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6 zeigt
eine alternative Ausführungsform des Beschleunigungssensors.
Die Ausführungsform nach 6 unterscheidet
sich von derjenigen nach 5 dadurch,
dass der Bereich um die beweglich gelagerte Masse 15 von
einer Kappe 18 umschlossen wird. Dadurch wird das Eindringen
von Vergussmasse beim Einbau des Sensors in einem Gehäuse
zuverlässig verhindert. Sofern die Kappe den Hohlraum mit
der Masse 15 hermetisch verschließt, kann der
Innendruck im Hohlraum eingestellt werden. So lässt sich
zum Beispiel durch einen abgesenkten Innendruck die Dämpfung
der Bewegung der Masse 15 durch die Reibung am Gas vermindern.
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Fallweise
kann an der Kappe 18 auch eine leitfähige Beschichtung 19,
beispielsweise eine Metallisierung, angeordnet sein. Sofern eine
leitfähige Beschichtung 19 von einer leitfähigen
Kappe 18 getrennt werden soll, kann eine isolierende Beschichtung
zwischen beiden Teilen angeordnet werden. Dadurch kann die Kappe 18 als
Abschirmung und die Beschichtung 19 als Messelektrode verwendet
werden. Diese Metallisierung 19 wirkt als Elektrode und bestimmt
zusammen mit der leitfähigen Masse 15 kapazitiv
den Abstand der Masse 15 von der Kappe 18. Bei
Einwirken einer Beschleunigungskraft senkrecht zur Oberfläche
des Substrates 1 wird somit der Abstand zwischen Masse 15 und
Kappe 18 verringert, während der Abstand zwischen
Masse 15 und Substrat 1 vergrößert
wird. Durch kapazitive Messung beider Abstände kann die
Zuverlässigkeit des Sensors vergrößert
werden. Durch unterteilen der Metallisierung und elektrisches Kontaktieren
der Teilflächen kann auch die durch eine parallel zur Oberfläche
einwirkende Beschleunigung resultierende Verkippung der Masse 15 differentialkapazitiv
ausgewertet werden.
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Die
Kappe 18 kann entweder mit isolierenden Elementen 20 oder
aber auch mit einem leitfähigen Zwischenstück 20 auf
der Siliziumschicht 8 befestigt werden. Im letzteren Fall
erfolgt die Kontaktierung der Gegenelektrode 19 über
das leitfähige Zwischenstück 20, die
Siliziumschicht 8 und die Metallisierung 3. In
einer weiteren Ausführungsform kann sich die Kontaktierung
der Gegenelektrode 19 auch innerhalb des hermetisch dichten
Gehäusebereiches befinden.
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7 zeigt
eine alternative Ausführung der Federelemente im Querschnitt.
Hierbei wird die Opferschicht 7 mit mehreren Löchern
hergestellt. Dadurch wird erreicht, dass die Bohrungen 11 in
der Masse 15 durch den Hohlraum 12 hindurch reichen bis
in die Membran 17. Die Membran 17 weist somit Durchbrüche 21 auf.
Diese Durchbrüche 21 verändern die Elastizität
der Membran 17. Zur Herstellung dieser Löcher
können in einer weiteren Ausführungsform in die
erste Siliziumschicht 6 Löcher geätzt
werden, bevor die Ätzstoppschicht 7 abgeschieden
wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, auch Vertiefungen
in die Membran 17 einzubringen, welche die Membran nicht
vollständig durchdringen. Durch die Durchbrüche
oder Vertiefungen kann die Empfindlichkeit des Sensorelements an
die Bedürfnisse des jeweiligen Anwendungszweckes angepasst
werden.
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Dem
gleichen Zweck dient auch die freigestellte Federstruktur nach 8. 8a zeigt
einen Querschnitt durch die Messmasse 15. Im Querschnitt ist
erkennbar, dass die Membran 17 eine Öffnung 22 zwischen
dem Hohlraum 12 und dem Spalt 14 aufweist. Dies
wird dadurch erreicht, dass die Siliziumschicht 6 bis auf
die Opferschicht 4 geöffnet wird und diese Vertiefung
mit dem Material der Opferschicht aufgefüllt wird. Somit
wird dieses Material beim Entfernen der Opferschicht mitgeätzt.
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Die
Aufsicht nach 8b zeigt eine weitere Ausführungsform
mit einen Hohlraum 12, der in diesem Fall einen annähernd
quadratischen Grundriss hat. Die Membran 17, welche den
Hohlraum 12 begrenzt, ist an drei Seiten des Quadrates
von der Grundfläche der Masse 15 durch einen Spalt 22 getrennt.
Die Membran 17 bildet somit eine einseitig aufgehängte
Biegefeder. Das Befestigungselement 13 ist der Geometrie
des Hohlraumes 12 und der Membran 17 angepasst
und weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf.
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9a zeigt
eine zweistufige Federstruktur, welche zwei Hohlräume 12a und 12b aufweist,
welche jeweils von einer Membran 17a und 17b verschlossen
sind. Die schematische Darstellung nach 9b zeigt,
dass jede Membran eine einseitig eingespannte Biegefeder bildet.
Durch die kaskadierte Anordnung ergibt sich ein weicheres Ansprechen
der Feder, wodurch die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors
der Masse 15 einstellbar ist.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst federnd aufgehängte
Anschlagstrukturen, welche in den Substratwafer 1 eingebracht
werden. Diese verhindern ein hartes Anschlagen der Masse 15,
falls eine zu große Beschleunigungskraft auf den Beschleunigungssensor
einwirkt.
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Selbstverständlich
sind die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die
hier dargestellten Beispiele beschränkt. Vielmehr wird
der Fachmann fallweise auch verschiedene der hier genannten Ausführungsbeispiele
miteinander kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0180896
A1 [0002, 0003]