Die
Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor zur Detektion von
Beschleunigungen senkrecht zu einer Substratebene. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors.The
The invention relates to an acceleration sensor for detecting
Accelerations perpendicular to a substrate plane. The invention
further relates to a method of manufacturing an acceleration sensor.
Stand der TechnikState of the art
Für kapazitive
Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zu einer
Substratebene (z-Richtung) werden im Stand der Technik vorzugsweise
Wippenstrukturen eingesetzt, bei denen eine, über Torsionsfedern aufgehängte, bewegliche
seismische Masse mit zwei fest mit dem Substrat verbundenen Gegenelektroden
je einen Plattenkondensator bildet. Wegen unterschiedlicher Massenanteile
der seismischen Masse zu beiden Seiten der Torsionsfedern bewirkt
eine auf den Beschleunigungssensor in z-Richtung ausgeübte Beschleunigung
ein Verkippen der Massenstruktur um eine durch die Torsionsfedern gebildete
Drehachse. Dadurch ändern
sich die Abstände
zwischen den Elektroden und der seismischen Masse. Die resultierenden
Kapazitätsänderungen
stellen ein Maß für die einwirkende
Beschleunigung dar.For capacitive
Acceleration sensors with detection direction perpendicular to a
Substrate plane (z-direction) are preferred in the prior art
Rocker structures used in which one, suspended by torsion springs, movable
seismic mass with two fixedly connected to the substrate counter electrodes
each forms a plate capacitor. Because of different mass fractions
causes the seismic mass on both sides of the torsion springs
an acceleration applied to the acceleration sensor in the z direction
a tilting of the mass structure around a torsion springs formed by the
Axis of rotation. Change it
the distances
between the electrodes and the seismic mass. The resulting
capacity changes
provide a measure of the impact
Acceleration.
Ein
Nachteil der horizontalen Anordnung der Elektroden besteht darin,
dass zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit der Abstand zwischen
der seismischen Masse und den Substratelektroden möglichst
gering sein sollte, wodurch sich die Rückstellkraft der seismischen
Masse im Anschlag reduziert, was zu einer Anhaftung der seismischen
Masse am Substrat führen
kann. Außerdem
können
Substratladungen unterhalb der seismischen Masse eine unerwünschte Nullpunktauslenkung
hervorrufen. Auch eine Verbiegung des Substrat kann zu Nullpunktfehlern
und zu einer Abnahme der Empfindlichkeit des Be schleunigungssensors
führen.
Dies gilt insbesondere für
eine asymmetrische Verbiegung des Substrats.One
Disadvantage of the horizontal arrangement of the electrodes is
in order to achieve a high sensitivity the distance between
the seismic mass and the substrate electrodes as possible
should be low, thereby increasing the restoring force of the seismic
Mass reduced in the attack, causing an attachment of the seismic
Guide mass to the substrate
can. Furthermore
can
Substrate charges below the seismic mass an undesirable zero excursion
cause. Even a bending of the substrate can lead to zero errors
and a decrease in the sensitivity of the acceleration sensor
to lead.
This is especially true for
an asymmetric bending of the substrate.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Beschleunigungssensor
mit Detektionsrichtung senkrecht zu einer Substratebene bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 11 gelöst.The
The object of the invention is an improved acceleration sensor
provide with detection direction perpendicular to a substrate plane.
This task is accomplished by an acceleration sensor with the features
of claim 1, and by a method having the features of
Claim 11 solved.
Erfindungsgemäß umfasst
ein Beschleunigungssensor zur Detektion von Beschleunigungen in eine
z-Richtung einen in z-Richtung auslenkbaren ersten Substratfinger,
der mit einem Substrat verbunden ist, und einen fest mit dem Substrat
verbundenen zweiten Substratfinger. Beide Substratfinger weisen in
z-Richtung je mindestens eine leitfähige Elektrode auf, wobei mindestens
einer der Substratfinger in z-Richtung zwei voneinander elektrisch
isolierte, leitfähige
Elektroden aufweist. Dadurch lässt
sich der Elektrodenabstand über
den Abstand der beiden Substratfinger unabhängig vom Abstand zum Substrat
einstellen, was einen Beschleunigungssensor mit hoher Empfindlichkeit
und hoher Rückstellkraft
ermöglicht.According to the invention
an acceleration sensor for detecting accelerations in one
z-direction a deflectable in the z direction first substrate finger,
which is connected to a substrate, and one fixed to the substrate
connected second substrate fingers. Both substrate fingers point in
z direction at least one conductive electrode, wherein at least
one of the substrate fingers in the z-direction two electrically
isolated, conductive
Having electrodes. By doing so leaves
the electrode distance is over
the distance between the two substrate fingers regardless of the distance to the substrate
adjust what an acceleration sensor with high sensitivity
and high restoring force
allows.
In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Substratfinger in
z-Richtung elektrisch homogen, während
der andere Substratfinger in z-Richtung zwei voneinander elektrisch
isolierte, leitfähige
Elektroden aufweist. Dies ermöglicht
eine Differenzialkondensator-Anordnung der Elektroden, die eine
eindeutige Richtungserkennung und eine Unterdrückung von Nullpunktfehlern
ermöglicht.In
An embodiment of the invention is one of the substrate fingers in
z-direction electrically homogeneous while
the other substrate finger in the z-direction two electrically
isolated, conductive
Having electrodes. this makes possible
a differential capacitor arrangement of the electrodes, the one
clear direction detection and suppression of zero errors
allows.
In
einer anderen Ausführungsform
weisen beide Substratfinger in z-Richtung je zwei voneinander elektrisch
isolierte, leitfähige
Elektroden auf, wobei in einem der Substratfinger die zwei leitfähigen Elektroden
elektrisch kurzgeschlossen sind.In
another embodiment
both substrate fingers in the z-direction each two electrically
isolated, conductive
Electrodes, wherein in one of the substrate fingers, the two conductive electrodes
are electrically shorted.
Diese
Ausführungsform
kann die Herstellung des Beschleunigungssensors vereinfachen.These
embodiment
can simplify the production of the acceleration sensor.
Zweckmäßigerweise
sind die zwei voneinander elektrisch isolierten, leitfähigen Elektroden
durch eine Isolatorschicht getrennt. Dies gestattet eine kostengünstige Herstellung
des Beschleunigungssensors mit den Methoden der Silizium-Mikrostrukturierung.Conveniently,
are the two electrically insulated, conductive electrodes
separated by an insulator layer. This allows a cost-effective production
of the acceleration sensor using the methods of silicon microstructuring.
In
einer anderen Ausgestaltung des Beschleunigungssensors sind die
zwei voneinander elektrisch isolierten, leitfähigen Elektroden durch einen
Spalt getrennt. Auch diese Ausgestaltung erlaubt eine kostengünstige Herstellung.In
another embodiment of the acceleration sensor are the
two electrically insulated, conductive electrodes by a
Split separated. This embodiment also allows a cost-effective production.
Bevorzugt
weist der Beschleunigungssensor eine Mehrzahl von fest mit dem Substrat
verbundenen zweiten Substratfingern auf, die mit einem gemeinsamen
Verbindungsbalken verbunden sind. Dabei können die fest mit dem Substrat
verbundenen zweiten Substratfinger über den Verbindungsbalken mit
dem Substrat verbunden sein. Dies ermöglicht eine zentrale Aufhängung der
fest mit dem Substrat verbundenen Substratfinger, durch die der
Einfluss einer Substratverbiegung erheblich reduziert werden kann.Prefers
For example, the acceleration sensor has a plurality of fixed to the substrate
connected to the second substrate fingers, with a common
Connection bars are connected. It can be fixed to the substrate
connected second substrate fingers over the connecting beams with
be connected to the substrate. This allows a central suspension of the
fixedly connected to the substrate substrate fingers through which the
Influence of substrate bending can be significantly reduced.
In
einer Ausführungsform
ist der auslenkbare erste Substratfinger mit einer gegen das Substrat
beweglichen Masse verbunden. Die zusätzliche Masse bewirkt dabei
einen Erhöhung
der Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors.In
an embodiment
is the deflectable first substrate finger with a against the substrate
connected to moving mass. The additional mass causes
an increase
the sensitivity of the acceleration sensor.
In
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
ist die bewegliche Masse planparallel in z-Richtung gegen das Substrat
auslenkbar. Dies ermöglicht eine
symmetrische Ausgestaltung des Beschleunigungssensors.In a further development of this embodiment form the movable mass is plane-parallel in the z-direction deflected against the substrate. This allows a symmetrical configuration of the acceleration sensor.
In
einer anderen Weiterbildung ist die bewegliche Masse um eine parallel
zur Substratebene orientierte Achse verkippbar. Dies ermöglicht eine Konfiguration
mit einseitiger Elektro denanordnung oder eine Konfiguration mit
beidseitiger Elektrodenanordnung, die eine weitere Reduktion der
Linearitätsfehler
erlaubt.In
Another development is the moving mass around a parallel
tilted to the substrate plane axis tilted. This allows a configuration
with one-sided electrical denanordnung or a configuration with
both-sided electrode arrangement, which further reduces the
linearity error
allowed.
Ein
Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors umfasst erfindungsgemäß ein Bereitstellen
eines Ausgangsmaterials, ein Erzeugen von vertikalen Gräben im Ausgangsmaterial
zum Festlegen einer Fingerstruktur, sowie ein teilweises Herauslösen einer
Opferschicht des Ausgangsmaterials zum teilweisen Freilegen der
Fingerstruktur.One
Method for producing an acceleration sensor according to the invention comprises providing
a starting material, creating vertical trenches in the starting material
for determining a finger structure, as well as a partial detachment of a
Sacrificial layer of the starting material to partially expose the
Finger structure.
Bevorzugt
umfasst das Bereitstellens des Ausgangsmaterials ein Bereitstellen
eines Substrats, ein Vorsehen einer ätzbaren Opferschicht auf einer Oberfläche des
Substrats, ein Vorsehen einer ersten Siliziumschicht auf der Opferschicht,
ein Vorsehen einer Isolatorschicht in einem Bereich der ersten Siliziumschicht,
sowie ein Vorsehen einer zweiten Siliziumschicht auf der Isolatorschicht
und der ersten Siliziumschicht.Prefers
Supplying the starting material comprises providing
a substrate, providing an etchable sacrificial layer on a surface of the substrate
Substrate, providing a first silicon layer on the sacrificial layer,
a provision of an insulator layer in a region of the first silicon layer,
and providing a second silicon layer on the insulator layer
and the first silicon layer.
In
einer Ausführungsform
des Verfahrens werden während
des teilweisen Herauslösens
der Opferschicht auch Teile der Isolatorschicht herausgelöst.In
an embodiment
of the procedure will be during
of partial detachment
the sacrificial layer also removed parts of the insulator layer.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Plattenkondensators; 1 shows a schematic representation of a plate capacitor;
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Plattenkondensators mit einer
zweigeteilten Kondensatorplatte; 2 shows a schematic representation of a plate capacitor with a two-part capacitor plate;
3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Elektrodenstruktur mit einer
zweigeteilten Elektrode; 3 shows a schematic representation of an electrode structure with a two-part electrode;
4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Elektrodenstruktur mit zwei
zweigeteilten Elektroden; 4 shows a schematic representation of an electrode structure with two two-part electrodes;
5 zeigt
einen Beschleunigungssensor mit planparalleler Auslenkung der seismischen
Masse; 5 shows an acceleration sensor with plane-parallel deflection of the seismic mass;
6 zeigt
einen Beschleunigungssensor mit verkippbarer seismischer Masse und
einseitiger Elektrodenanordnung; 6 shows an acceleration sensor with tiltable seismic mass and one-sided electrode assembly;
7 zeigt
einen Beschleunigungssensor mit verkippbarer seismischer Masse und
beidseitiger Elektrodenanordnung; 7 shows an acceleration sensor with tiltable seismic mass and double-sided electrode assembly;
8 zeigt
einen Beschleunigungssensor mit zentraler Aufhängung der Festelektroden; 8th shows an acceleration sensor with central suspension of the fixed electrodes;
9 zeigt
eine Schnittansicht eines Ausgangsmaterials zur Herstellung eines
Beschleunigungssensors; 9 shows a sectional view of a starting material for producing an acceleration sensor;
10 zeigt
eine Schnittansicht eines Beschleunigungssensors. 10 shows a sectional view of an acceleration sensor.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
1 zeigt
eine Seitenansicht eines Plattenkondensators 100 mit einer
ersten Kondensatorplatte 101 und einer zweiten Kondensatorplatte 102.
Zwischen der ersten Kondensatorplatte 101 und der zweiten
Kondensatorplatte 102 verlaufen elektrische Feldlinien 103.
Die Kapazität
des Plattenkondensators 100 ist proportional zur Fläche der
Kondensatorplatten 101, 102 und indirekt proportional
zu deren Abstand. Bei einer Verschiebung der Kondensatorplatten 101, 102 gegeneinander
treten an den Rändern
der Kondensatorplatten 101, 102 ein erstes Streufeld 104 und
ein zweites Streufeld 105 auf, die die Kapazität des Plattenkondensators 100 erhöhen. Gleichzeitig
verringert sich die Kapazität
des Plattenkondensators 100 durch die Reduzierung der Fläche der
ersten Kondensatorplatte 101, die der zweiten Kondensatorplatte 102 gegenübersteht.
Es ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Auslenkung
der Kondensatorplatten 101, 102 und der Kapazitätsänderung
des Plattenkondensators 100. 1 shows a side view of a plate capacitor 100 with a first capacitor plate 101 and a second capacitor plate 102 , Between the first capacitor plate 101 and the second capacitor plate 102 run electrical field lines 103 , The capacity of the plate capacitor 100 is proportional to the area of the capacitor plates 101 . 102 and indirectly proportional to their distance. With a displacement of the capacitor plates 101 . 102 against each other occur at the edges of the capacitor plates 101 . 102 a first stray field 104 and a second stray field 105 on that the capacity of the plate capacitor 100 increase. At the same time, the capacity of the plate capacitor decreases 100 by reducing the area of the first capacitor plate 101 that of the second capacitor plate 102 faces. This results in a non-linear relationship between the deflection of the capacitor plates 101 . 102 and the capacitance change of the plate capacitor 100 ,
2 zeigt
eine Seitenansicht eines weiteren Plattenkondensators 200 mit
einer ersten Kondensatorplatte 201 und einer zweiten Kondensatorplatte 202,
zwischen denen Feldlinien 203 verlaufen. Die erste Kondensatorplatte 201 ist
in ein erstes Plattenstück 206 und
ein zweites Plattenstück 207 unterteilt,
die voneinander elektrisch isoliert sind. Eine parallele Verschiebung
der Kondensatorplatten 201, 202 gegeneinander
führt zum
Auftreten eines ersten Streufelds 204, das die Kapazität des durch
das erste Plattenstück 206 und
die zweite Kondensatorplatte 202 gebildeten Kondensators
erhöht,
und zum Auftreten eines zweiten Streufelds 205, das die
Kapazität
des von zweitem Plattenstück 207 und
zweiter Kondensatorplatte 202 gebildeten Kondensators erhöht. In der
in 2 dargestellten Verschieberichtung reduziert sich
jedoch gleichzeitig die von der zweiten Kondensatorplatte 202 überdeckte
Fläche des
ersten Plattenstücks 206,
während
die von der zweiten Kondensatorplatte 202 überdeckte
Fläche des
zweiten Plattenstücks 207 konstant
bleibt. Dadurch ändert
sich die Kapazitätsdifferenz
der von erstem Plattenstück 206 und
zweiter Kondensatorplatte 202 bzw. zweitem Plattenstück 207 und
zweiter Kondensatorplatte 202 gebildeten Teilkondensatoren. Die Änderung
der Kapazitätsdifferenz
folgt der Auslenkung der Kondensatorplatten 201, 202 linear.
Die Richtung der Auslenkung ist aus dem Vorzeichen der Kapazitätsdifferenz
eindeutig bestimmbar. 2 shows a side view of another plate capacitor 200 with a first capacitor plate 201 and a second capacitor plate 202 between which field lines 203 run. The first capacitor plate 201 is in a first piece of plate 206 and a second plate piece 207 divided, which are electrically isolated from each other. A parallel shift of the capacitor plates 201 . 202 against each other leads to the appearance of a first stray field 204 That is the capacity of the first plate piece 206 and the second capacitor plate 202 increased capacitor formed, and the occurrence of a second stray field 205 The capacity of the second plate piece 207 and second capacitor plate 202 formed capacitor increases. In the in 2 However, the displacement direction shown reduces at the same time that of the second capacitor plate 202 covered area of the first plate piece 206 while that of the second capacitor plate 202 covered surface of the second plate piece 207 remains constant. This changes the capacity difference of ers plate piece 206 and second capacitor plate 202 or second plate piece 207 and second capacitor plate 202 formed partial capacitors. The change of the capacitance difference follows the deflection of the capacitor plates 201 . 202 linear. The direction of the deflection can be determined unambiguously from the sign of the capacitance difference.
3 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Elektrodenstruktur 300, bei
der das anhand von 2 erläuterte Prinzip umgesetzt ist.
Ein erster Substratfinger 301 und ein zweiter Substratfinger 302 sind
in z-Richtung oberhalb eines Substrats 306 angeordnet.
Die Substratfinger 301, 302 sind im vertikalen
Querschnitt dargestellt und in Form von Platten ausgebildet. Der
erste Substratfinger 301 umfasst in z-Richtung nacheinander eine erste Teilelektrode 303,
eine Iso latorschicht 304 und eine zweite Teilelektrode 305.
Der zweite Substratfinger 302 bildet eine zweite Elektrode.
Die Substratfinger 301, 302 können beispielsweise aus Siliziumsubstrat
gebildet sein. Die erste Teilelektrode 303, die zweite
Teilelektrode 305 und der zweite Substratfinger 302 können beispielsweise
aus leitfähigem
Silizium bestehen. Die Isolatorschicht 304 kann beispielsweise
durch Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet werden. Die erste
Teilelektrode 303 und der zweite Substratfinger 302 und
die zweite Telelektrode 305 und der zweite Substratfinger 302 bilden
zwei Kondensatoren, deren Kapazitätsdifferenz einer parallelen
Auslenkung des ersten Substratfingers 301 gegen den zweiten
Substratfinger 302 linear folgt. Dabei kann entweder der erste
Substratfinger 301 oder der zweite Substratfinger 302 gegen
das Substrat 306 verschoben werden, während sich der Abstand des
jeweils anderen Substratfingers 301, 302 vom Substrat
nicht ändert. 3 shows a sectional view of an electrode structure 300 in which the basis of 2 explained principle is implemented. A first substrate finger 301 and a second substrate finger 302 are in the z-direction above a substrate 306 arranged. The substrate fingers 301 . 302 are shown in vertical cross-section and formed in the form of plates. The first substrate finger 301 comprises in the z-direction successively a first part electrode 303 , an iso latorschicht 304 and a second partial electrode 305 , The second substrate finger 302 forms a second electrode. The substrate fingers 301 . 302 For example, they may be formed of silicon substrate. The first part electrode 303 , the second partial electrode 305 and the second substrate finger 302 For example, they can be made of conductive silicon. The insulator layer 304 can be formed for example by silicon oxide or silicon nitride. The first part electrode 303 and the second substrate finger 302 and the second telelectrode 305 and the second substrate finger 302 form two capacitors whose capacitance difference of a parallel deflection of the first substrate finger 301 against the second substrate finger 302 follows linearly. In this case, either the first substrate finger 301 or the second substrate finger 302 against the substrate 306 be shifted while the distance of the other substrate finger 301 . 302 does not change from the substrate.
Da
die Kapazität
der durch die Substratfinger 301, 302 gebildeten
Kondensatoren von deren Abstand vom Substrat 306 unabhängig ist,
gestattet es die Anordnung der 3, den Abstand
der Substratfinger 301, 302 vom darunterliegenden
Substrat 306 so groß zu
wählen,
dass der Einfluss von auf der Substratoberfläche befindlichen Ladungen auf
die Elektrodenstruktur 300 reduziert wird.As the capacity of the through the substrate fingers 301 . 302 formed capacitors from their distance from the substrate 306 is independent, it allows the arrangement of 3 , the distance between the substrate fingers 301 . 302 from the underlying substrate 306 to be chosen so large that the influence of charges located on the substrate surface on the electrode structure 300 is reduced.
4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung einer Elektrodenstruktur 400 mit
einem ersten Substratfinger 401 und einem zweiten Substratfinger 402,
die in einer z-Richtung oberhalb eines Substrats 409 angeordnet
sind. Die Substratfinger 401, 402 sind im vertikalen
Querschnitt dargestellt und in Form von Platten ausgebildet. Der
erste Substratfinger 401 umfasst in z-Richtung eine erste
Teilelektrode 403, eine erste Isolatorschicht 404 und
eine zweite Teilelektrode 405. Der zweite Substratfinger 402 umfasst
in z-Richtung eine dritte Teilelektrode 406, eine zweite Isolatorschicht 407 und
eine vierte Teilelektrode 408. Die dritte Teilelektrode 406 und
die vierte Teilelektrode 408 sind elektrisch miteinander
verbunden und bilden mit der ersten Teilelektrode 403 einen
ersten Kondensator und mit der zweiten Teilelektrode 405 einen
zweiten Kondensator. Die Differenz der Kapazitäten dieser Kondensatoren folgt
einer parallelen Auslenkung des ersten Substratfingers 401 gegen den
zweiten Substratfinger 402 linear. 4 shows a further embodiment of an electrode structure 400 with a first substrate finger 401 and a second substrate finger 402 moving in a z-direction above a substrate 409 are arranged. The substrate fingers 401 . 402 are shown in vertical cross-section and formed in the form of plates. The first substrate finger 401 comprises in the z-direction a first part electrode 403 , a first insulator layer 404 and a second partial electrode 405 , The second substrate finger 402 comprises in the z-direction a third part electrode 406 , a second insulator layer 407 and a fourth partial electrode 408 , The third part electrode 406 and the fourth partial electrode 408 are electrically connected to each other and form with the first part electrode 403 a first capacitor and the second part electrode 405 a second capacitor. The difference in the capacitances of these capacitors follows a parallel deflection of the first substrate finger 401 against the second substrate finger 402 linear.
Die
Elektrodenstruktur 400 bietet gegenüber der Elektrodenstruktur 300 der 3 den
Vorteil, dass der erste Substratfinger 401 und der zweite Substratfinger 402 die
gleiche Schichtenfolge aufweisen. Zweckmäßigerweise sollte die Dicke
der zweiten Isolatorschicht 407 in z-Richtung geringer
als die erwartete Auslenkung der Substratfinger 401, 402 gegeneinander
sein, da sonst die Empfindlichkeit abnimmt.The electrode structure 400 offers opposite to the electrode structure 300 of the 3 the advantage that the first substrate finger 401 and the second substrate finger 402 have the same layer sequence. Conveniently, the thickness of the second insulator layer 407 in the z-direction less than the expected deflection of the substrate fingers 401 . 402 against each other, otherwise the sensitivity decreases.
5 zeigt
eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors 500 gemäß einer
ersten Ausführungsform.
Der Beschleunigungssensor 500 umfasst eine Masse 501,
die beweglich über
einem in der Papierebene liegenden Substrat 505 angeordnet
ist. Das Substrat kann ein Siliziumsubstrat sein. Die Masse 501 ist
mittels zweier Balkenfedern 502 mit dem Substrat 505 verbunden,
die eine planparallele Auslenkung der Masse 501 in eine
senkrecht auf der Substratebene stehende z-Richtung gestatten. Die
Balkenfedern 502 können
beispielsweise als U-förmige Substratfedern
ausgebildet sein. Die Masse 501 ist mit einer Mehrzahl
beweglicher Substratfinger 503 verbunden, die parallel
zur Substratebene orientiert sind. Die beweglichen Substratfinger 503 können auch
als Elektrodenfinger bezeichnet werden. Die beweglichen Substratfinger 503 können beispielsweise
wie die Zinken eines Kammes an zwei Seiten der Masse 501 vorgesehen
sein. Den beweglichen Substratfingern 503 steht eine Mehrzahl
fester Substratfinger 504 gegenüber, die fest mit dem Substrat 505 verbunden
sind. Je ein fester Substratfinger 504 ist zwischen zwei
beweglichen Substratfingern 503 angeordnet. 5 shows a plan view of an acceleration sensor 500 according to a first embodiment. The acceleration sensor 500 includes a mass 501 movable above a substrate lying in the plane of the paper 505 is arranged. The substrate may be a silicon substrate. The crowd 501 is by means of two bar springs 502 with the substrate 505 connected, which is a plane-parallel deflection of the mass 501 allow in a direction perpendicular to the substrate plane z-direction. The bar springs 502 For example, they may be formed as U-shaped substrate springs. The crowd 501 is with a plurality of movable substrate fingers 503 connected, which are oriented parallel to the substrate plane. The moving substrate fingers 503 can also be referred to as electrode fingers. The moving substrate fingers 503 For example, like the tines of a comb on two sides of the mass 501 be provided. The movable substrate fingers 503 is a plurality of solid substrate fingers 504 opposite, stuck to the substrate 505 are connected. One solid substrate finger each 504 is between two movable substrate fingers 503 arranged.
Die
beweglichen Substratfinger 503 können wie der erste Substratfinger 301 der 3 zweischichtig
ausgebildet sein. In diesem Fall sind die festen Substratfinger 504 entweder
wie der zweite Substratfinger 302 der 3 einschichtig
oder wie der zweite Substratfinger 402 der 4 aus
einer kurzgeschlossenen Doppelschicht ausgebildet. Es ist jedoch
auch möglich,
die festen Substratfinger 504 wie den ersten Substratfinger 301 der 3 als
Doppelschicht auszubilden und die beweglichen Substratfinger 503 wie
den zweiten Substratfinger 302 der 3 als Einzelschicht
oder wie den zweiten Substratfinger 402 der 4 als
kurzgeschlossene Doppelschicht zu realisieren. In beiden Fällen bilden
die beweglichen Substratfinger 503 und die festen Substratfinger 504 zwei
Kondensatoren, deren Kapazitätsdifferenz
von der Auslenkung der beweglichen Substratfinger 503 in
z-Richtung gegen die festen Substratfinger 504 abhängt.The moving substrate fingers 503 can like the first substrate finger 301 of the 3 be formed in two layers. In this case, the solid substrate fingers 504 either like the second substrate finger 302 of the 3 single-layered or like the second substrate finger 402 of the 4 formed from a short-circuited double layer. However, it is also possible to use the solid substrate fingers 504 like the first substrate finger 301 of the 3 form as a double layer and the movable substrate fingers 503 like the second substrate finger 302 of the 3 as a single layer or as the second substrate finger 402 of the 4 to realize as a short-circuited double layer. In both cases, the movable substrate fingers form 503 and the solid substrate fingers 504 two capacitors, whose capacitance difference from the deflection of the movable substrate fingers 503 in the z direction against the solid substrate finger 504 depends.
Eine
in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 500 wirkende
Beschleunigung übt
eine Kraft in z-Richtung auf die Masse 501 aus und lenkt
die Masse 501 in z-Richtung gegen das Substrat 505 aus.
Die Auslenkung der Masse 501 ist umso größer, je
größer die
auf den Beschleunigungssensor 500 wirkende Beschleunigung
ist. Die Auslenkung der Masse 501 bewirkt eine Auslenkung
der mit der Masse 501 verbundenen beweglichen Substratfinger 503 gegen
die festen Substratfinger 504. Die resultierende Anderung
der Differenz der Kapazitäten
der durch die Substratfinger 503, 504 gebildeten
Kondensatoren ist der auf den Beschleunigungssensor 500 einwirkenden
Beschleunigung proportional und kann mittels einer Auswertelektronik
erfasst werden.One in z-direction on the accelerometer 500 acting acceleration exerts a force in the z-direction on the mass 501 out and directs the crowd 501 in the z-direction against the substrate 505 out. The deflection of the mass 501 The larger the one on the acceleration sensor, the larger it is 500 acting acceleration is. The deflection of the mass 501 causes a deflection of the mass 501 connected movable substrate fingers 503 against the solid substrate fingers 504 , The resulting change in the difference in capacitance through the substrate fingers 503 . 504 formed capacitors is the on the acceleration sensor 500 acting acceleration proportional and can be detected by means of an electronic evaluation.
6 zeigt
eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors 600 gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Der Beschleunigungssensor 600 umfasst einen Rahmen 602,
der in einer z-Richtung oberhalb eines in der Papierebene liegenden
Substrats 601 angeordnet ist. Der Rahmen 602 hat
die Form eines Rechtecks, dessen Kanten durch vier Substratbalken gebildet
werden. In nerhalb des Rahmens 602 ist ein fest mit dem
Substrat 601 verbundener Befestigungspunkt 604 vorgesehen.
Der Rahmen 602 ist über
zwei Torsionsfedern 603, die an zwei einander gegenüber liegenden
Innenseiten des Rahmens 602 angreifen, mit dem Befestigungspunkt 604 verbunden.
Die Torsionsfedern 603 sind als tordierbare Substratbalken
ausgeführt
und bilden eine zur Substratebene parallele Drehachse, um die der
Rahmen 602 verkippt werden kann. An einer zur Drehachse
parallelen Außenkante
des Rahmens 602 ist eine Mehrzahl von beweglichen Substratfingern 605 vorgesehen,
die kammzinkenartig senkrecht auf der Außenkante des Rahmens 602 stehen.
Zwischen den kammzinkenartig angeordneten beweglichen Substratfingern 605 sind
fest mit dem Substrat 601 verbundene feste Substratfinger 606 angeordnet. 6 shows a plan view of an acceleration sensor 600 according to a second embodiment. The acceleration sensor 600 includes a frame 602 which is in a z-direction above a substrate lying in the paper plane 601 is arranged. The frame 602 has the shape of a rectangle whose edges are formed by four substrate beams. Within the frame 602 is a solid with the substrate 601 connected attachment point 604 intended. The frame 602 is about two torsion springs 603 attached to two opposite inner sides of the frame 602 attack, with the attachment point 604 connected. The torsion springs 603 are designed as twistable substrate beams and form a plane parallel to the substrate plane of rotation about which the frame 602 can be tilted. At an outer edge of the frame parallel to the axis of rotation 602 is a plurality of movable substrate fingers 605 provided, the comb teeth perpendicular to the outer edge of the frame 602 stand. Between the comb teeth arranged movable substrate fingers 605 are stuck to the substrate 601 bonded solid substrate fingers 606 arranged.
Die
beweglichen Substratfinger 605 können wie die ersten Substratfinger 301 der 3 zwei
in z-Richtung übereinander
liegende Teilelektroden aufweisen. In diesem Fall sind die festen
Substratfinger 606 entweder wie der zweite Substratfinger 302 der 3 einschichtig
oder wie der zweite Substratfinger 402 der 4 als
elektrisch kurzgeschlossene Doppelschicht ausgebildet. Es können jedoch
auch die festen Substratfinger 606 wie der erste Substratfinger 301 der 3 mit
zwei in z-Richtung übereinander
liegenden Schichten ausgebildet sein. Dann sind die beweglichen
Substratfinger 605 entweder wie der zweite Substratfinger 302 der 3 einschichtig oder
wie der zweite Substratfinger 402 der 4 als elektrisch
kurzgeschlossene Doppelschicht ausgebildet. In beiden Fällen bilden
die beweglichen Substratfinger 605 und die festen Substratfinger 606 zwei Kondensatoren,
deren Kapazitätsdifferenz
vom Abstand der beweglichen Substratfinger 605 von den festen
Substratfingern 606 in z-Richtung abhängt.The moving substrate fingers 605 can like the first substrate fingers 301 of the 3 have two sub-electrodes lying one above the other in the z-direction. In this case, the solid substrate fingers 606 either like the second substrate finger 302 of the 3 single-layered or like the second substrate finger 402 of the 4 designed as an electrically short-circuited double layer. However, it can also be the solid substrate fingers 606 like the first substrate finger 301 of the 3 be formed with two layers lying one above the other in the z-direction. Then the moving substrate fingers 605 either like the second substrate finger 302 of the 3 single-layered or like the second substrate finger 402 of the 4 designed as an electrically short-circuited double layer. In both cases, the movable substrate fingers form 605 and the solid substrate fingers 606 two capacitors whose capacitance difference from the distance of the movable substrate fingers 605 from the solid substrate fingers 606 in the z-direction depends.
Eine
in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 600 wirkende
Beschleunigung führt
zu einer an den Rahmen 602 in z-Richtung angreifenden Kraft.
Wegen der durch die beweglichen Substrat finger 605 gebildeten
Zusatzmasse wirkt auf die die beweglichen Substratfinger 605 tragende
Seite des Rahmens 602 eine größere Kraft als auf die gegenüberliegende
Seite des Rahmens 602. Dadurch ergibt sich ein Drehmoment,
das zu einer Verkippung des Rahmens 602 um die durch die
Torsionsfedern 603 gebildete Drehachse bewirkt. Bei kleinen
Verkippungswinkeln ergibt sich eine Auslenkung der beweglichen Substratfinger 605 gegen
die festen Substratfinger 606 in z-Richtung, die zu der
auf den Beschleunigungssensor 600 wirkenden Beschleunigung
proportional ist.One in z-direction on the accelerometer 600 acting acceleration leads to a to the frame 602 force acting in the z-direction. Because of the finger through the movable substrate 605 formed additional mass acts on the movable substrate fingers 605 bearing side of the frame 602 a greater force than on the opposite side of the frame 602 , This results in a torque that leads to a tilting of the frame 602 around by the torsion springs 603 formed axis of rotation causes. At small tilt angles, there is a deflection of the movable substrate fingers 605 against the solid substrate fingers 606 in z-direction, pointing to the on the accelerometer 600 acting acceleration is proportional.
7 zeigt
eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors 700 gemäß einer
dritten Ausführungsform.
Der Beschleunigungssensor 700 ist in z-Richtung oberhalb
eines in der Papierebene liegenden Substrats 701 angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 700 umfasst einen Rahmen 702,
der aus vier entlang der Kanten eines Rechtecks angeordneter Substratbalken
besteht. In der Mitte des Rahmens 702 ist ein fest mit
dem Substrat 701 verbundener Befestigungspunkt 704 vorgesehen.
Der Rahmen 702 ist mittels zweier Torsionsfedern 703,
die an zwei einander gegenüberliegenden
Seiten des Rahmens 702 angreifen, mit dem Befestigungspunkt 704 verbunden.
Die Torsionsfedern 703 sind als tordierbare Substratbalken
ausgebildet und formen eine zur Substratebene parallele Drehachse,
um die der Rahmen 702 verkippt werden kann. Von den beiden
zur Drehachse parallelen Seitenkanten des Rahmens 702 weist die
eine gegenüber
der anderen eine Zusatzmasse 708 auf, die eine Ungleichverteilung
der Masse des Rahmens 702 zu beiden Seiten der durch die
Torsionsfedern 703 gebildeten Drehachse bewirkt. Die beiden
zur Drehachse parallelen Seitenkanten des Rahmens 702 weisen
jeweils eine Mehrzahl von senkrecht auf den Rahmenkanten stehenden,
kammzinkenartig angeordneten, in Richtung der Torsionsfedern 703 weisenden
beweglichen Substratfingern 705 auf. Zwischen den kammzinkenartig
angeordneten beweglichen Substratfingern 705 sind auf einer Seite
der durch die Torsionsfedern 703 gebildeten Drehachse fest
mit dem Substrat verbundene Substratfinger 706, auf der
anderen Seite der Drehachse fest mit dem Substrat verbundene Substratfinger 707 angeordnet. 7 shows a plan view of an acceleration sensor 700 according to a third embodiment. The acceleration sensor 700 is in the z direction above a lying in the paper plane substrate 701 arranged. The acceleration sensor 700 includes a frame 702 consisting of four substrate bars arranged along the edges of a rectangle. In the middle of the frame 702 is a solid with the substrate 701 connected attachment point 704 intended. The frame 702 is by means of two torsion springs 703 on two opposite sides of the frame 702 attack, with the attachment point 704 connected. The torsion springs 703 are formed as twistable substrate beams and form an axis of rotation parallel to the substrate plane, around which the frame 702 can be tilted. From the two parallel to the axis of rotation side edges of the frame 702 the one opposite the other has an additional mass 708 on, which is an unequal distribution of the mass of the frame 702 on either side of the torsion springs 703 formed axis of rotation causes. The two side edges of the frame parallel to the axis of rotation 702 each have a plurality of standing perpendicular to the frame edges, comb teeth arranged in the direction of the torsion springs 703 pointing moving substrate fingers 705 on. Between the comb teeth arranged movable substrate fingers 705 are on one side of the torsion springs 703 formed axis of rotation fixedly connected to the substrate substrate fingers 706 , on the other side of the axis of rotation firmly connected to the substrate substrate fingers 707 arranged.
Die
festen Substratfinger 706, 707 sind wie der erste
Substratfinger 301 der 3 aus zwei
in z-Richtung übereinander
liegenden, leitfähigen
Teilschichten aufgebaut. Die beweglichen Substratfinger 705 sind
entweder wie der zweite Substratfinger 302 der 3 einschichtig
oder wie der zweite Substratfinger 402 der 4 aus
zwei elektrisch miteinander verbundenen, in z-Richtung übereinander
angeordneten leitfähigen
Teilschichten aufgebaut. Die Teilschichten der festen Substratfinger 706 und
der festen Substratfinger 707 sind dabei derart über Kreuz verschaltet,
dass die unteren Teilschichten der festen Substratfinger 706 mit
den oberen Teilschichten der festen Substratfinger 707 elektrisch
verbunden sind und die oberen Teilschichten der festen Substratfinger 706 mit
den unteren Teilschichten der festen Substratfinger 707 elektrisch
verbunden sind. Wie bereits in den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 kann
der ein- bzw. zweischichtige Aufbau der beweglichen Substratfinger 706 und
der festen Substratfinger 706, 707 vertauscht
werden. In diesem Fall sind die Teilschichten der mit einer Kante
des Rahmens 702 verbundenen beweglichen Substratfinger 705 über Kreuz
mit den Teilschichten der mit der gegenüberliegenden Kante des Rahmens 702 verbundenen beweglichen
Substratfinger 705 verschaltet. In jedem Fall bilden die
beweglichen Substratfinger 705 und die festen Substratfinger 706, 707 zwei
Kondensatoren, der Kapazitätsdifferenz
vom Abstand der beweglichen Substratfinger 705 von den
festen Substratfinger 706, 707 in z-Richtung abhängt.The solid substrate fingers 706 . 707 are like the first substrate finger 301 of the 3 composed of two superimposed in the z-direction, conductive sub-layers. The moving substrate fingers 705 are either like the second substrate finger 302 of the 3 single-layered or like the second substrate finger 402 of the 4 composed of two electrically interconnected, in the z-direction superimposed conductive partial layers. The partial layers of the solid substrate fingers 706 and the solid substrate finger 707 are interconnected in such a way across, that the lower sub-layers of the solid substrate fingers 706 with the upper sublayers of the solid substrate fingers 707 are electrically connected and the upper sub-layers of the solid substrate fingers 706 with the lower sublayers of the solid substrate fingers 707 are electrically connected. As already in the embodiments of the 5 and 6 can the one or two-layer structure of the movable substrate fingers 706 and the solid substrate finger 706 . 707 be reversed. In this case, the sublayers are with one edge of the frame 702 connected movable substrate fingers 705 cross over with the sublayers of the opposite edge of the frame 702 connected movable substrate fingers 705 connected. In any case, the movable substrate fingers form 705 and the solid substrate fingers 706 . 707 two capacitors, the capacitance difference from the distance of the movable substrate fingers 705 from the solid substrate fingers 706 . 707 in the z-direction depends.
Eine
in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 700 wirkende
Beschleunigung führt
zu einer in z-Richtung auf den Rahmen 702 ausgeübten Kraft, die
wegen der Zusatzmasse 708 auf einer Seite des Rahmens 702 ein
Drehmoment hervorruft, das zu einer Verkippung des Rahmens 702 um
die durch die Torsionsfedern 703 gebildete Drehachse führt. Dadurch ändert sich
der Ab stand in z-Richtung zwischen den beweglichen Substratfingern 705 und
den festen Substratfingern 706, 707, was zu einer Änderung
der Differenz der Kapazitäten
der durch die Substratfinger 705, 706, 707 gebildeten
Kondensatoren führt,
die mittels einer Auswertelektronik erfasst werden kann. Wegen der
kreuzweisen Verschaltung der Teilschichten der festen Substratfinger 706, 707 tragen
alle Substratfinger 706, 707 zur Kapazitätsänderung
bei und ermöglichen
eine Auswertung mit sehr geringen Linearitätsfehlern.One in z-direction on the accelerometer 700 Acting acceleration leads to a z-direction on the frame 702 exerted force, because of the additional mass 708 on one side of the frame 702 causes a torque that leads to a tilting of the frame 702 around by the torsion springs 703 formed axis of rotation leads. As a result, the distance changes in the z-direction between the movable substrate fingers 705 and the solid substrate fingers 706 . 707 , resulting in a change in the difference in the capacitance through the substrate fingers 705 . 706 . 707 formed capacitors, which can be detected by means of an electronic evaluation. Because of the crosswise interconnection of the partial layers of the solid substrate fingers 706 . 707 wear all substrate fingers 706 . 707 for capacity change and allow an evaluation with very low linearity errors.
8 zeigt
einen Beschleunigungssensor 800 gemäß einer vierten Ausführungsform.
Der Beschleunigungssensor 800 ist in z-Richtung oberhalb eines
in der Papierebene liegenden Substrats 801 angeordnet und
in einer Draufsicht dargestellt. Der Beschleunigungssensor 800 umfasst
einen Rahmen 802, der aus vier entlang der Kanten eines
Rechtecks angeordneten Substratbalken besteht. Im Zentrum des Rahmens 802 ist
ein fest mit dem Substrat 801 verbundener Befestigungspunkt 804 vorgesehen. Über zwei
Torsionsfedern 803, die an einander gegenüberliegenden
Seiten des Rahmens 802 angreifen, ist der Rahmen 802 mit
dem Befestigungspunkt 804 verbunden. Die Torsionsfedern 803 sind
als tordierbare Substratbalken ausgebildet und stellen eine zur
Substratoberfläche
parallele Drehachse dar, um die der Rahmen 802 verkippt
werden kann. Die beiden zur Drehachse parallelen Seitenkanten des
Rahmens 802 weisen jeweils eine Mehrzahl von Kammzinkenartig
angeordneten, zur Drehachse weisenden beweglichen Substratfingern 805 auf.
Eine der die beweglichen Substratfinger 805 tragenden Seitenkanten
des Rahmens 802 weist gegenüber der anderen eine Zusatzmasse 812 auf,
die für
eine Ungleichverteilung der Masse des Rahmens 802 auf beiden Seiten
der durch die Torsionsfedern 803 gebildeten Drehachse verantwortlich
ist. 8th shows an acceleration sensor 800 according to a fourth embodiment. The acceleration sensor 800 is in the z direction above a lying in the paper plane substrate 801 arranged and shown in a plan view. The acceleration sensor 800 includes a frame 802 consisting of four substrate bars arranged along the edges of a rectangle. In the center of the frame 802 is a solid with the substrate 801 connected attachment point 804 intended. About two torsion springs 803 on opposite sides of the frame 802 attack is the frame 802 with the attachment point 804 connected. The torsion springs 803 are formed as twistable substrate beams and represent a parallel to the substrate surface axis of rotation around which the frame 802 can be tilted. The two side edges of the frame parallel to the axis of rotation 802 each have a plurality of comb teeth arranged like, facing the axis of rotation movable substrate fingers 805 on. One of the moving substrate fingers 805 supporting side edges of the frame 802 has over the other an additional mass 812 on that for an unequal distribution of the mass of the frame 802 on both sides of the torsion springs 803 formed axis of rotation is responsible.
Innerhalb
des durch den Rahmen 802 eingeschlossenen Bereichs ist
auf einer Seite der durch die Torsionsfedern 803 gebildeten
Drehachse ein zur Drehachse paralleler erster Verbindungsbalken 808 angeordnet,
der über
einen ersten Verbin dungspunkt 810 fest mit dem Substrat 801 verbunden
ist. Auf der anderen Seite der Drehachse ist ein parallel zur Drehachse
orientierter zweiter Verbindungsbalken 809 vorgesehen,
der über
einen zweiten Verbindungspunkt 811 fest mit dem Substrat 801 verbunden ist.
Der erste Verbindungspunkt 810 und der zweite Verbindungspunkt 811 befinden
sich jeweils nahe am Befestigungspunkt 804. Der erste Verbindungsbalken 808 weist
eine Mehrzahl senkrecht auf dem ersten Verbindungsbalken stehender,
kammzinkenartig angeordneter, fester Substratfinger 806 auf,
die zwischen eine Reihe von beweglichen Substratfingern 805 greifen.
Der zweite Verbindungsbalken 809 weist eine Mehrzahl von
kammzinkenartig angeordneten, festen Substratfingern 807 auf,
die zwischen weitere bewegliche Substratfinger 805 greifen.Inside of the frame 802 enclosed area is on one side by the torsion springs 803 formed axis of rotation parallel to the axis of rotation first connecting beam 808 arranged, the point of application over a first connec 810 stuck to the substrate 801 connected is. On the other side of the axis of rotation is oriented parallel to the axis of rotation second connecting beam 809 provided, via a second connection point 811 stuck to the substrate 801 connected is. The first connection point 810 and the second connection point 811 are each close to the attachment point 804 , The first connection bar 808 has a plurality of vertical, standing on the first connecting bar, comb-tooth-like arranged solid substrate fingers 806 on that between a series of movable substrate fingers 805 to grab. The second connection bar 809 has a plurality of comb teeth arranged solid substrate fingers 807 on that between more movable substrate fingers 805 to grab.
Die
festen Substratfinger 806, 807 sind aus zwei in
z-Richtung übereinander
liegenden, leitfähigen
Teilschichten aufgebaut. Dabei sind die Teilschichten der festen
Substratfinger 806 über
Kreuz mit jenen der festen Substratfinger 807 verbunden. Die
beweglichen Substratfinger 805 sind in z-Richtung elektrisch
homogen, also einschichtig oder aus zwei miteinander kurzgeschlossenen
Teilschichten aufgebaut. Gemeinsam bilden die beweglichen Substratfinger 805 und
die festen Substratfinger 806, 807 zwei Kondensatoren,
deren Kapazitätsdifferenz
sich bei einer Verschiebung der beweglichen Substratfinger 805 gegen
die festen Substratfinger 806, 807 in z-Richtung ändert. Der
ein- bzw. zweischichtige Aufbau der beweglichen und festen Substratfinger 805, 806, 807 kann
auch genau umgekehrt sein.The solid substrate fingers 806 . 807 are made of two superimposed in the z-direction, conductive sub-layers. The partial layers are the solid substrate fingers 806 crossed over with those of the solid substrate fingers 807 connected. The moving substrate fingers 805 are electrically homogeneous in the z-direction, ie single-layered or composed of two short-circuited partial layers. Together, the movable substrate fingers form 805 and the solid substrate fingers 806 . 807 two capacitors, whose capacitance difference is due to a displacement of the movable substrate fingers 805 against the solid substrate fingers 806 . 807 changes in z-direction. The one or two-layer structure of the movable and fixed substrate fingers 805 . 806 . 807 can also be the other way around.
Eine
in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 800 wirkenden
Beschleunigung führt
zu einer in z-Richtung an den Rahmen 802 angreifenden Kraft,
die wegen der Zusatzmasse 812 ein Drehmoment bewirkt, das
zu einer Verkippung des Rahmens 802 um die durch die Torsionsfedern 803 gebildete Drehachse
führt.
Dadurch ändert
sich der Abstand der beweglichen Substratfinger 805 zu
den festen Substratfingern 806, 807, was zu einer Änderung
der Kapazitätsdifferenz
zwischen den durch die Substratfinger 805, 806, 807 gebildeten
Kondensatoren führt, die
mittels einer Auswertelektronik erfasst werden kann.One in z-direction on the accelerometer 800 acting acceleration leads to a z direction to the frame 802 attacking force, because of the additional mass 812 a torque causes this to tilt the frame 802 around by the torsion springs 803 formed Rotary axis leads. This changes the distance between the movable substrate fingers 805 to the solid substrate fingers 806 . 807 , resulting in a change in the capacitance difference between the through the substrate fingers 805 . 806 . 807 formed capacitors, which can be detected by means of an electronic evaluation.
Da
die festen Substratfinger 806, 807 nur über die
Verbindungspunkte 810, 811 mit dem Substrat 801 verbunden
sind, und die Verbindungspunkte 810, 811 in unmittelbarer
Nähe des
Befestigungspunkts 804 angeordnet sind, ist der Beschleunigungssensor 800 unempfindlich
gegenüber
Substratverbiegungen. Auch bei Vorliegen einer Substratverbiegung ändern sich
die Abstände
zwischen den beweglichen Substratfingern 805 und den festen
Substratfingern 806, 807 kaum.Because the solid substrate fingers 806 . 807 only via the connection points 810 . 811 with the substrate 801 connected, and the connection points 810 . 811 in the immediate vicinity of the attachment point 804 are arranged, is the acceleration sensor 800 insensitive to substrate bending. Even in the presence of a substrate bending, the distances between the movable substrate fingers change 805 and the solid substrate fingers 806 . 807 barely.
9 zeigt
in einer Schnittdarstellung ein Ausgangsmaterial 900 zur
Herstellung der Beschleunigungssensoren 500, 600, 700, 800 der 5 bis 8.
In z-Richtung folgen aufeinander ein Siliziumsubstrat 901,
eine Opferschicht 902, eine erste Siliziumschicht 903,
eine Isolatorschicht 904 und eine zweite Siliziumschicht 905.
Die Opferschicht 902 kann beispielsweise eine Oxidschicht
sein und lässt sich
mittels eines Ätzprozesses
herauslösen.
Die erste Siliziumschicht 903 kann beispielsweise epitaktisch
auf der Opferschicht 902 abgeschieden werden. Die Isolatorschicht 904 kann
ebenfalls aus Oxid oder einem anderen Isolatormaterial bestehen
und beispielsweise epitaktisch auf der ersten Siliziumschicht 903 abgeschieden
werden. Sollen die beweglichen Substratfinger wie der zweite Substratfinger 302 der Finger 3 einschichtig
ausgebildet werden, so kann die Isolatorschicht 904 strukturiert
und die Isolatorschicht 904 an den Orten der späteren beweglichen Substratfinger
entfernt werden. Die zweite Siliziumschicht 905 kann beispielsweise
epitaktisch auf der Isolatorschicht 904 und der ersten
Siliziumschicht 903 abgeschieden werden. 9 shows a starting material in a sectional view 900 for producing the acceleration sensors 500 . 600 . 700 . 800 of the 5 to 8th , In the z-direction, a silicon substrate follow one another 901 , a sacrificial layer 902 , a first silicon layer 903 , an insulator layer 904 and a second silicon layer 905 , The sacrificial layer 902 For example, it can be an oxide layer and can be dissolved out by means of an etching process. The first silicon layer 903 can, for example, epitaxially on the sacrificial layer 902 be deposited. The insulator layer 904 may also be made of oxide or other insulator material and, for example, epitaxially on the first silicon layer 903 be deposited. Shall the movable substrate fingers as the second substrate finger 302 the finger 3 be formed single-layered, so the insulator layer 904 structured and the insulator layer 904 be removed at the locations of the later movable substrate fingers. The second silicon layer 905 For example, it may be epitaxial on the insulator layer 904 and the first silicon layer 903 be deposited.
Das
Ausgangsmaterial 900 kann mittels bekannter Methoden mit
in z-Richtung verlaufenden Gräben
versehen werden, die die Umrisse des Beschleunigungssensors definieren.
Anschließend kann
die Opferschicht 902 mittels eines Ätzprozesses herausgelöst werden.
Falls die Isolatorschicht 904 aus dem gleichen Material
wie die Opferschicht 902 besteht, so wird auch die Isolatorschicht 904 herausgelöst.The starting material 900 can be provided by means of known methods with extending in the z-direction trenches, which define the contours of the acceleration sensor. Subsequently, the sacrificial layer 902 be dissolved out by means of an etching process. If the insulator layer 904 from the same material as the sacrificial layer 902 the insulator layer also becomes 904 removed.
Die
sich nach der Bearbeitung ergebende Fingerstruktur 1000 ist
in 10 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Zwischen
Siliziumsubstrat 901 und erster Siliziumschicht 903 ist
ein Abstand 1002 entstanden, dessen Dicke in z-Richtung
der Dicke der vormaligen Opferschicht 902 entspricht. An
Positionen, an denen das Ausgangsmaterial 900 die Isolatorschicht 904 aufgewiesen
hat, sind feste Substratfinger 1005 entstanden, bei denen
die erste Siliziumschicht 903 und die zweite Siliziumschicht 905 durch einen
Abstand 1004 voneinander getrennt sind. Anstelle des Abstandes 1004 hätte auch
das Material der Isolatorschicht 904 verbleiben können. An
Positionen, an denen das Ausgangsmaterial 900 keine Isolatorschicht 904 aufwies,
sind bewegliche Substratfinger 1006 entstanden, bei denen
die erste Siliziumschicht 903 und die zweite Siliziumschicht 905 miteinander
verbunden sind. Alternativ hätten
die beweglichen Substratfinger 1006 ebenfalls zweischichtig
ausgebildet werden können.
Die erste Siliziumschicht 903 und die zweite Siliziumschicht 905 der festen
Substratfinger 1005 können
beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 10 mit
einem Verbindungsbalken wie in 8 verbunden
sein, der die festen Substratfinger 1005 miteinander und
mit dem Siliziumsubstrat 901 verbindet.The resulting after processing finger structure 1000 is in 10 shown in a sectional view. Between silicon substrate 901 and first silicon layer 903 is a distance 1002 whose thickness in the z-direction of the thickness of the former sacrificial layer 902 equivalent. At positions where the starting material 900 the insulator layer 904 has been solid substrate fingers 1005 emerged, where the first silicon layer 903 and the second silicon layer 905 through a distance 1004 are separated from each other. Instead of the distance 1004 would also have the material of the insulator layer 904 can remain. At positions where the starting material 900 no insulator layer 904 are movable substrate fingers 1006 emerged, where the first silicon layer 903 and the second silicon layer 905 connected to each other. Alternatively, the movable substrate fingers would have 1006 can also be formed in two layers. The first silicon layer 903 and the second silicon layer 905 the solid substrate finger 1005 For example, in a direction perpendicular to the plane of the 10 with a connection bar as in 8th be connected to the solid substrate fingers 1005 with each other and with the silicon substrate 901 combines.
Vorteilhafterweise
wird der Abstand der festen Substratfinger 1005 und der
beweglichen Substratfinger 1006 vom Siliziumsubstrat 901 durch
die Dicke der Opferschicht 902 des Ausgangsmaterials 900 bestimmt
und kann sehr groß gewählt werden, ohne
die Empfindlichkeit des hergestellten Beschleunigungssensors zu
beeinflussen. Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors lässt sich
durch einen geringen Abstand der fes ten Substratfinger 1005 von den
beweglichen Substratfingern 1006 erzielen.Advantageously, the distance of the solid substrate fingers 1005 and the movable substrate finger 1006 from the silicon substrate 901 through the thickness of the sacrificial layer 902 of the starting material 900 determined and can be chosen very large, without affecting the sensitivity of the produced acceleration sensor. The sensitivity of the acceleration sensor can be achieved by a small distance of the fes th substrate fingers 1005 from the movable substrate fingers 1006 achieve.