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Die
Erfindung betrifft ein kapazitives Beschleunigungssensor-Element
unter Verwendung von Si- bzw.
Glaswafern, insbesondere zur Verwendung bei Neigungsmessungen.
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Für die breite
Einführung
mikromechanischer Sensoren sind geringe Fertigungskosten die Voraussetzung.
Diese Fertigungskosten sind indirekt proportional dem Flächenbedarf
der Sensoren auf den Si- bzw. Glaswafern, da sich der Aufwand für die erforderlichen
Fertigungsschritte auf um so mehr Sensoren aufteilt, je mehr Sensoren
auf einem Wafer plaziert werden können.
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Sensoren
in Bulk-Mikromechanik haben sensitiv wirksame Strukturen (Membranen,
Spalte, Federn...) mit Abmessungen im μm-Bereich, der funktionelle
Teil solcher Sensoren (Druck-, Beschleunigung, ...) wird im Allgemeinen
mit Flächen
von 1 mm × 1
mm bis 10 mm × 10
mm realisiert. Durch die notwendigen Anschlußstrukturen werden zusätzliche Flächen in
Größenordnung
von 50 bis 80% des funktionell notwendigen Teils in Anspruch genommen.
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Der
Beschleunigungssensor ist ein Differentialkondensator mit beschleunigungsabhängiger Kapazität. Dieser
Kondensator wird gebildet von einem Feder-Masse-System aus Silizium
mit einer über Si-Federn
elastisch aufgehängten
seismischen Masse als bewegliche Mittelelektrode des Differentialkondensators
und zwei Glasplatten mit metallisierten Belägen als die beiden Festelektroden.
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Das
Feder-Masse-System ist eine in X- und Y-Richtung rechteckige Struktur.
In Z-Richtung ist die maximale Ausdehnung durch die Dicke der unbearbeiteten
Si-Scheibe gegeben.
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In
der Dissertation zum Thema "Entwicklung und
Untersuchung eines mikromechanisch gefertigten Beschleunigungssensors
mit Kraftkompensation",
veröffentlicht
1993 in Reihe 8, Nr. 341 beim VDI Verlag, wird eine Systematik der
Gestaltsvarianten für
die Federaufhängung
von Beschleunigungssensoren gegeben. Mäander oder Winkelradkonstruktionen
bringen zwar weiche Federn, aber benötigen viel Fläche. Zu
dem sind zur Erreichung einer stabilen parallelen Auslenkung der
seismischen Masse 4 oder 2 mal 4 Federn übereinander angeordnet. Solche
Anordnungen sind auch in
DE
39 22 476 A1 und
DE
44 26 590 A1 beschrieben. Durch die jeweils paarweise an
der in Z-Richtung Ober- und Unterseite angeordneten Federn werden
diese Systeme jedoch relativ steif, also weniger empfindlich bezüglich der
Messgröße. Außerdem ist
die Herstellung kompliziert.
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Es
ist auch Stand der Technik, die in einem Verbundstapel aus mehreren
Si- und/oder Glaswafern angeordneten mikromechanischen Sensorelemente
durch Kombination von Sägeschnitten
und gezieltes Brechen prozessgerecht zu vereinzeln. Dazu werden
mit einer Diamantsäge
Schnitte in X- und Y-Richtung über
den Verbundstapel geführt.
In der einen Richtung (X) sind das normale Durchschnitte, in der
anderen (Y)-Richtung werden mit der Schnittführung die Voraussetzungen für das Freilegen
der Anschlussstrukturen geschaffen.
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Sei
Sensoren, die als Verbund aus zwei Außenplatten aus Glas und einer
Mittelplatte aus Silizium bestehen, liegen die metallisierten Anschlusskontakte
des Sensorelementes im Allgemeinen auf der Innenseite der einen
Glasplatte. Das Freilegen erfolgt durch Entfernen der diese Strukturen
abdeckenden Si-Platte und der zweiten Glasplatte. In
DE 42 01 104 C1 wird dazu
ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Einschneiden und anschließendes Brechen
die einzelnen Sensorelemente aus dem Waferverband getrennt und die
Anschlussstrukturen freigelegt werden. Mit den entfernten Si- und
Glasschichten geht wertvolle Waferfläche ungenutzt verloren.
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Letztlich
ist auch bekannt, zur Unterstützung des
Vereinzelns der Sensorelemente mittels ätzen Gräben in Richtung der Sägeschnitte
in Si-Wafer einzubringen. Ein solches Verfahren wird in
DE 41 32 232 A1 beschrieben.
Es handelt sich dort jedoch um durchgehende Gräben in Richtung der Sägeschnitte, die
dazu dienen, die notwendige Justiertoleranz für das Sägen zu verringern und Sensorelemente
mit exakt identischen Abmessungen aus Gründen der Parasitärkapazität herzustellen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Sensorelement zu entwickeln, das bei hoher
Empfindlichkeit bezüglich
der zu messenden Beschleunigung oder Neigung minimale Abmessungen
im funktionellen Teil und in den Anschlussstrukturen aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Sensorelemente auf
dem Wafer in der Weise flächensparend
angeordnet sind, daß die
Anschlussstrukturen benachbarter Sensoren ineinander verschachtelt
sind und die Anschlussflächen,
deren Ausdehnung in X-Richtung durch die Größe der Anschlußkontakte
einschließlich
notwendiger Sicherheitsabstände
vorgegeben sind, in Y- und Z-Richtung geteilt werden. Somit kann
die benötigte
Waferfläche von
zwei Sensoren genutzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung in vereinfachter
Weise dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines Feder-Masse-Systems,
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2:
die Schnittdarstellung eines vollständigen Beschleunigungssensor-Elementes
und
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3:
die schematische Darstellung eines Beschleunigungssensor-Elementes.
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1 zeigt
die Draufsicht auf ein Feder-Masse-System, das zwischen einer ersten
Glasplatte, Glas 1, und einer zweiten Glasplatte, Glas 2, (2 und 3)
angeordnet ist. Zusammen stellen Glas 1, Glas 2 und
das Feder-Masse-System
einen Differentialkondensator mit beschleunigungsabhängiger Kapazität dar. Dieser
Kondensator wird gebildet von einem Feder-Masse-System aus Silizium
mit einer über
zwei Si-Federbänder 3 und 4 elastisch
aufgehängten
seismischen Masse 5 als bewegliche Mittelelektrode des
Differentialkondensators und den zwei Glasplatten, Glas 1 und
Glas 2, mit metallisierten Belägen als die beiden Festelektroden.
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Das
Feder-Masse-System ist eine in X- und Y-Richtung rechteckige Struktur.
In Z-Richtung ist die maximale Ausdehnung durch die Dicke der unbearbeiteten
Si-Scheibe gegeben.
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Die
Gestaltung des Feder-Masse Systems mit hoher Meßempfindlichkeit erfolgt dadurch
flächensparend,
dass die Verbindung zwischen der beweglichen seismischen Masse 5 und
dem feststehenden Rahmen über
die zwei parallel zu den Seitenkanten der seismischen Masse 5 verlaufenden,
in Z-Richtung zueinander versetzten Federbänder 3 und 4 erfolgt.
Die Federbänder 3 und 4 sind
außerhalb
der Massenmittelpunkte der seismischen Masse 5 bezüglich der
drei Achsen befestigt. Sie verlaufen von der Unterseite des Rahmens
zur Unterseite der seismischen Masse 5 auf der einen Längsseite
und von der Oberseite des Rahmens zur Oberseite der seismischen
Masse 5 auf der gegenüberliegenden Längsseite.
Auf diese Weise ist die seismische Masse 5 räumlich diagonal
am Rahmen aufgehängt.
Dadurch wird bei Einwirken des Nutzsignals eine parallele Auslenkung
der seismischen Masse 5 zu Rahmen und Gegenelektroden erreicht.
Das gilt auch bei einer periodischen Einwirkung des Nutzsignals
mit einer Frequenz bis zur zweiten Eigenschwingungsform. Die Federbänder 3 und 4 werden
bei Einwirkung des Nutzsignals, also bei Beschleunigung durch die
Kraftwirkung der seismischen Masse 5, nur auf Biegung und
nicht auf Zug beansprucht, was trotz hoher Meßempfindlichkeit die Gestaltung
kurzer Federn ermöglicht.
In der erfindungsgemäßen Lösung werden
also die positiven Eigenschaften vom "Pendel" (raumsparend, wenige Federn, Unempfindlichkeit
gegenüber
Querstoß)
und der "Polygonfeder" oder zweifach übereinander
liegenden Federn (Auslenkung der seismischen Masse parallel zum
Rahmen) vereint.
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Im
Ausführungsbeispiel
verbinden das erste Federband 3 die Unterseite des Rahmens
mit der Unterseite der seismischen Masse 5 auf der einen Längsseite
und das zweite Federband 4 die Oberseite des Rahmens mit
der Oberseite der seismischen Masse 5 auf der gegenüberliegenden
Längsseite.
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Die
Federbänder 3 und 4 sind,
bereits dargestellt, außerhalb
der Massenmittelpunkte der seismischen Masse 5 bezüglich der
drei Achsen befestigt.
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Die
Sensoren sind in einer Weise auf dem Wafer angeordnet, daß die Anschlussstrukturen
benachbarter Sensoren ineinander verschachtelt sind. Beim Vereinzeln
der Sensoren werden durch einen speziellen räumlichen Bruchverlauf die Anschlussstrukturen
in X- und Z-Richtung geteilt und benachbarten Sensorelementen zugeordnet.
Dazu ist es erforderlich, dargestellt in 2, daß in jeder
Anschlussstruktur zusätzlich
zu den durch Sägeschnitte 6 und 7 initiierten
Brüchen
ein zusätzlicher
winkelförmiger
Bruch initiiert wird. Dafür
werden bei jedem Sensorelement im Bereich der Anschlussstrukturen zwei
nutartige Durchbrüche 8 und 9 (Perforationen) in
X-Richtung sowie
Gräben
in Y-Richtung in das Si geätzt.
Es wird also durch Silizium-Strukturen eine spezielle Bruchgeometrie
im Anschlussbereich vorgegeben, die in Verbindung mit dem Einschneiden der
Glaswafer zur Trennung der ineinander verschachtelten Sensorelemente
führt.
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Im
Ausführungsbeispiel
sind bei jedem Sensorelement metallisierte Anschlusskontakte 10 und 11 (2 und 3)
der beiden äußeren Elektroden 12 und 13 (2)
des Differentialkondensators links und rechts vom Feder-Masse-System
nach außen auf
die Anschlussflächen
gezogen. Das Feder-Masse-System als bewegliche mittlere Kondensatorplatte wird
direkt am Silizium kontaktiert.
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Zum
Vereinzeln der Sensorelemente werden parallele Sägeschnitte in X- und Y-Richtung
mit einer Diamantsäge über den
Waferverbund geführt.
Das sind in R-Richtung durch alle drei Schichten durchgehende Schnitte,
in Y-Richtung werden von Glas 1 und Glas 2 aus
Schnitte in das Glas ausgeführt.
Beim anschließenden
Brechen werden auf jeder der beiden Anschlussflächen des Sensorelementes durch
Abbrechen einer Glasschicht und der Si-Schicht die auf der anderen
Glasschicht liegenden metallisierten Anschlusskontakte freigelegt.
Durch den räumlich
winkelförmigen
Bruchverlauf wird dabei jede Anschlussfläche in X- und Z-Richtung geteilt.
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Bei
der in 2 linken Anschlussfläche werden in der in Y-Richtung
oberen Hälfte
(Draufsicht Schnittdarstellung A-A') Glas 2 und Si abgebrochen. Es
verbleibt Glas 1. Damit wird der auf Glas 1 liegende
metallisierte Anschlusskontakt 10 des dargestellten Sensorelementes
freigelegt. Auf der in Y-Richtung unteren Hälfte der Anschlussfläche hingegen werden
Glas 1 und Si abgebrochen, Glas 2 verbleibt, das
den Anschlußkontakt
des links benachbarten Sensorelementes trägt. Auf der in 2 rechten
Anschlussfläche
liegen die Verhältnisse
umgekehrt, so dass der auf Glas 2 liegende Anschlusskontakt 11 des
dargestellten Sensorelementes zugänglich wird.
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Die
elektrisch leitfähige
Montage des Sensorelementes auf einem Trägersubstrat erfolgt auf einer Schmalseite
(YZ-Ebene) stehend, wobei die Anschlusskontakte dem Träger zugewandt
sind, veranschaulicht in 3.
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- 1
- Glas
- 2
- Glas
- 3
- Si-Federbänder
- 4
- Si-Federbänder
- 5
- seismische
Masse
- 6
- Sägeschnitte
- 7
- Sägeschnitte
- 8
- nutartiger
Durchbruch
- 9
- nutartiger
Durchbruch
- 10
- Anschlusskontakt
- 11
- Anschlusskontakt
- 12
- äußere Elektrode
- 13
- äußere Elektrode