DE3621585A1 - Integrierter kraftausgleichs-beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erflndung bezieht sich auf einen integrierten Kraftausgleichsbeschleunigungsmesser vom Typ des geschlossenen Regelkreises. Insbesondere bezieht sie sich auf einen integrierten Beschleunigungsmesser, der in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, das zugeordne­ te, elektronische Regel- und Signalverarbeitungsein­ richtungen aufweist, die innerhalb eines gemeinsamen Substrates vorgesehen sind.

Die Integration von Sensor- und zugeordneten Si­ gnalverarbeitungsschaltkreisen auf einem einzigen Sili­ ziumchip begann mit der Entwicklung von Druckwand­ lern vor etwa 10 jahren. Derzeit wcrden an verschiede­ nen Universitäten und industriellen Forschungslabora­ torien intensive Anstrengungen unternommen, diese Technologie auf verschiedene Anwendungsmöglichkei­ ten, einschließlich Beschleunigungsmesser, zu übertra­ gen. Bisher wurden Beschleunigungsmesser mit einfa­ chen oder offenen Regelkreisen gebaut und getestet. Kennzeichnend für Konstruktionen mit solchen offenen Schleifen sind jene, die einen auskragenden Armaturen weisen, der aus einem Halbleitersubstrat gebildet ist und an seinem freien Enden eine Trägheitsmasse auf­ weist. Auf gegenüberliegenden Seiten dieser auskragen­ den Struktur sind piezoresistive Fühlelemente oder Sensoren angeordnet. Der elektrische Widerstand die­ ser Sensoren ändert sich mit der Bewegung der Masse als Folge von Beschleunigungskräften, die den überkra­ genden Arm unter Spannung setzen. Solche Beschleuni­ gungsmesser oder Akzelerometer mit offenem Regel­ kreis oder offener Schleife weisen die Nachteile einer schlechten Nullstabilität, großer Hysterese und übermä­ ßiger Temperaturempfindlichkeit auf.

Die vorliegende Erfindung erstreckt die Technologie der Beschleunigungsmesser mit offenem oder einfa­ chem Regelkreis auf die genauer arbeitenden Beschleu­ nigungsmesser mit geschlossenem Kreis, wie sie bei der Trägheitsführung und bei Flugsteuerungssystemen er­ forderlich sind. Sie beschreibt einen Kraftausgleichs-Be­ schleunigungsmesser mit geschlossenem Regelkreis, der durch chargenweise Bearbeitung von Siliziumscheiben in etwa der gleichen Weise wie ein integrierter Schalt­ kreis hergestellt wird.

Der Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung weist eine kritische, zentrale Trägheitsmasse auf, die aus einem Halbleitersubstrat, wie Silizium, hergestellt ist und dotiert sein kann, um leitfähige Teile an gewünsch­ ten Stellen zu bilden. Die Trägheitsmasse ist mittels Ver­ bindungsteilen, etwa nach Art von Scharnieren, an dem Substrat angeordnet, wobei alle Scharniere durch aniso­ tropes Ätzen des Siliziumeinkristalls gebildet werden. Die Verbindungsteile oder Scharniere verbinden die Trägheitsmasse mit dem Substrat in einer überkragen­ den Anordnung.

Die überkragende Verbindung der Masse wird vor­ zugsweise durch Verbindungsteile oder Scharniere be­ werkstelligt, die aus überkreuz angeordneten flexiblen Plättchen oder Stegen geformt sind. Diese Stege wer­ den durch eine V-förmige Nut erzeugt, die in gegen­ überliegenden Flächen dcs Halbleitersubstrats geätzt ist, wobei ein dünner, unter einem Winkel angeordneter Steg oder ein solches Plättchen aus Silizium stehen bleibt, das die Trägheitsmasse mit dem Substrat verbin­ det. Ein zweites überkreuz angeordnetrs, flexibles Plätt­ chen oder ein solcher Steg wird durch gleiche Nuten erzeugt, die um etwa eine halbe Nutenbreite versetzt zum ersten Nutensatz angeordnet sind. Der zweite Nu­ tensatz ist umgekehrt angeordnet. Das sich einstellende, geneigte, dünne, biegsame oder flexible Plättchen ist dann mit einer entgegengesetzten Neigung zu seinem Gegenstück orientiert. Wegen der versetzten und um­ gekehrten Anordnung kreuzen sich die biegsamen Plättchen oder Stege an ihren Mitten, um eine parallel zur Ebene des Siliziumsubstrats verlaufende Achse ho­ hcn Rotationsfederwiderstands und in anderen Richtun­ gen hohe Steifigkeit gegen Rotation oder Translation zu erbringen.

Ein Beschleunigungsmesser mit geschlossenem Kreis oder geschlossener Schleife, der mittels bekannter Halbleiterherstellungstechnologien einschließlich z. B. feitolithografischen und Differentialätzens hergestellt werden kann, bietet viele Vorteile einschließlich einer engen Toleranzüberwachung und der Möglichkeit, die elektronischen Bestandteife des Akzelerometers ganz oder teilweise in einem einzigen, gemeinsamen Substrat relativ geringer Abmessungen unterzubringen. Darüber hinaus kann Mikrocomputersteuerung bei derartigen Beschleunigungsmessern zur Anwendung gelangen, die den Benutzer in die Lage versetzen, die Anordnung sei­ ner spezifischen Anwendung anzupassen und dement­ sprechend zu eichen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene, perspektivische Ansicht eines integrierten, kraftausgeglichenen Be­ schleunigungsmessers, der in einem Gehäuse zur Ver­ wendung in einem System angeordnet ist;

Fig. 2 eine Explosivdarstellung eines einzelnen Be­ schleunigungsmesserchips, der aus Silizium- und hitze­ und chemischbeständigen (Pyrex) Scheibchen herge­ stellt ist;

Fig. 3 eine Draufsicht der Trägheitsmasse und der biegesteifen Kreuzstegaufhängung gemäß der Erfin­ dung;

Fig. 4 einen Querschnitt längs Linie 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der biegesteifen und überkragenden Kreuzsteganord­ rung der Trägheitsmasse gemäß der Erfindung in leicht unterschiedlicher Konfiguration und

Fig. 6 ein elektrisches Schaltkreisdiagramm des erfin­ dungsgemäßen integrierten Kraftausgleichs-Beschleu­ nigungsmessers.

In Fig. 1 ist in aufgebrochener, perspektivischer Dar­ stellung ein integrierter und kraftausgeglichener Be­ schleunigungsmesser 10 in einem Gehäuse 12 gezeigt. Das Gehäuse 12 umfaßt vier Seitenwandungen 14 mit zwei Befestigungsflanschen 16, die sich von zwei gegen­ überliegenden Seitenwandungen erstrecken. In den bei­ den verbleibenden gegenüberliegenden Wandungen sind zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit dem Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser 10 elektri­ sche Kontakte 18 eingesetzt. Separate Hybridschaltun­ gen bilden einen Verstärker 20 und eine Kompensa­ tionsschaltung 22, die innerhalb des Gehäuses 12 vorge­ schen sind.

Wie am besten aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist kraftausgeglichene Beschleunigungsmesser ein Halbleitersubstrat 24 auf, das aus Silizium hergestellt sein kann, wenn es zwischen einem Paar nicht leitender Isolierschichten 26 und 28 angeordnet ist, die aus einem gegen Hitze und Chemikalien beständigen Glas, wie Py­ rex, oder einem anderen vergleichbaren dielektrischen Material hergestellt sein können. Der gezeigte inte­ grierte Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser oder Akzelerometer kann mittels bekannter anisotroper Atz­ techniken hergestelft sein. Die Anfertigung des Systems wird weiter durch seine leichte Adaptierbarkeit bekann­ ter Techniken zur Herstellung integrierter Schaltkreise vereinfacht, die die Bildung von Sensoren, elektroni­ schen Einrichtungen für den Antrieb und Datenverar­ beitung, wie einen Beschleunigungsmesser-Rückstell­ oder Fesselverstärker (ARA) 30 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 24 erlauben.

Der Beschleunigungsmesser 10 weist eine Träge oder Trägheitsmasse 32 auf, die senkrecht zur Ebene des Substrats 24 verlaufende Beschleunigungen erfaßt. Die Masse 32 weist eine erste leitfähige Fläche 34 auf, die einen kapazitiven Abnehmer in Verbindung mit einer leitfähigen Fläche 36 an der unteren Oberfläche des oberen isolierenden Substrats 28 bildet.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Trägheitsmasse 32 über ein einfaches, stegartiges Verbindungsteil oder Scharnier 38 überkragend angeordnet. Dieses Verbin­ dungsteil 38 kann durch anisotropes Ätzen beider Sei­ ten des Halbleitersubstrats hergestellt werden. Eine ähnliche Technik kann dazu herangezogen werden, die Trägheitsmasse 32 vom Substrat 24 abzutrennen. Alter­ native Ausführungsformen des Verbiridungsteils 38 sind im Detail in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 unten beschrieben. Die Fläche des Substrats 24 kann dotiert oder metallisiert sein, um einen leitenden Pfad zwischen dem Verstärker 30 und der leitfähigen Fläche 34 zu schaffen. Auf der gegenüberliegenden Fläche der Träg­ heitsmasse 32 ist eine zweite leitfähige oder leitende Fläche 34, vgl. Fig. 4, im Bereich einer leitenden Fläche 40 an dem unteren, nicht leitenden Substrat 26 vorgese­ hen.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, bewirkt das Anle­ gen eines elektrischen Potentials über den Verstärker 30 an die feitfähige Fläche 34 zwischen den feitenden Flächen 36 und 40 an den Schichten 28 bzw. 26 ein Vorpannungsfeld. Dieses Feld dient dazu, die Trägheits­ masse 32, die die leitende Fläche 34 beinhaltet, in eine "Null-" oder neutrale Position zu treiben. Beschleuni­ gungen eines an dem Beschleunigungsmesser 10 ange­ ordneten Körpers bewirken eine körperliche Auslen­ kung der Trägheitsmasse 32, wodurch die Kapazitäts­ brücke aus dem Gleichgewicht gebracht wird, die teil­ weise aus den Platten 36, 40 und den leitfähigen Flächen 34 gebildet wird, so daß ein elektrisches Ausgangssignal an ARA 30 abgegeben wird. Das vorstehend beschrie­ bene System bewirkt einen Betrieb in geschlossenem Rückkopplungssteuerungszustand, der den Bewegungs­ bereich der Trägheitsmasse auf einen extrem begrenz­ ten räumlichen Bereich begrenzt.

In den Fig. 3 und 4 ist ein anderes Verbindungsteil oder Scharnier 39 gezeigt, das beim bevorzugten Aus­ führungsbeispiel aus überkreuzten biegesteifen Stegen oder Pfättchen 42 besteht. Die Stege 42 werden durch anisotropes Atzen von einkristallinem Silizium gebildet. Letzteres ist als (1,0,0)-Siliziumwafer oder -scheibchen orientiert und im Hinblick auf das Atzen so maskiert, daß eine V-förmige Nut 44 sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite des Substrats 24 gebildet wird. Das längs der Linie 4-4 der Fig. 3 in Fig. 4 gezeigte Verbin­ dungsteil läßt erkennen, daß die obere Nut 44 nach links versetzt, gegenüber der unteren Nut 44 ist. Nachdem das anisotrope Atzmittel das Silizium weggeätzt hat, ist das dünne Plättchen 42 oder dieser Steg, der zwischen den Nuten 44 verbleibt, mit einem eine positive Neigung zur Ebene des Halbleitersubstrats 24 aufweisenden Winkel orientiert. Das zweite flexible Plättchen 42′ oder ein solcher Steg wird mittels eines gleichen Satzes V­ förmiger Nuten 44 gebildet, die auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 24 orientiert sind, um ein Plättchen 42′ zu bilden, das unter einem Winkel von etwa 70° zum ersten Plättchen 42 angeordnet ist; das Zentrum fluchtet mit dem Zentrum des ersten Plättchens oder Stegs. Auf diese Weise werden die gekreuzten oder überkreuz an­ geordneten biegesteifen bzw. flexiblen Plättchen gebil­ det. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, umfassen die Biegeplätt­ chen 42 und 42′ zwei Paare von überkreuz angeordne­ ten flexiblen Stegen 39. Beim Atzen der Plättchen wird das Substrat 24 mit einer Maske abgedeckt, um die Peri­ pherie 46 der Trägheitsmasse 32 zu ätzen.

Trägheitsmasse 32 und Biegepfättchen 42 und 42′ sind beispielsweise mit Bor dotiert, um leitfähige Flächen zu erhalten. Diese Dotierung kann über die Fläche des Substrats zu einem Kontaktpfad 48 fortgesetzt werden; Fig. 3. Der dotierte Bereich wird mit erheblich geringe­ rer Geschwindigkeit weggeätzt als die undotierten Be­ reiche. Die Tiefe des dotierten Bereiches kann somit dazu herangezogen werden, die Dicke der überkreuz angeordneten flexiblen Stege zu steuern. Die leitfähigen Flächen können ebenfalls mittels metallisierender Tech­ niken ähnlich den zur Aufbringung der leitfähigen Flä­ chen 36 und 40 auf den Substraten 28 bzw.26 hergestellt werden. Auf diese Weise erhält man elektrische Verbin­ dungen zwischen den leitfähigen Flächen 36 und 40 und Kontaktpfade 50 und 52 auf den Substraten 26 bzw. 28.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es er­ wünscht, überschüssiges Silizium von dem Teil des Halbleitersubstrats zu entfernen, das die Trägheitsmas­ se 32 bildet, um die Masse zu verkleinern. Ein Verfahren, dieses Material zu entfernen besteht darin, waffelartige Vertiefungen 54 in gegenüberliegende Flächen des Sub­ strats 24 zu ätzen. Eine mittige Ausnehmung 56 wird gleichermaßen in die Masse 32 geätzt, um die Kapazität auf den Flächen 34 abzugleichen, und um den Schwer­ punkt der Masse in ihrem körperlichen Mittelpunkt bei­ zubehalten. Es liegt auf der Hand, daß die Masse der Trägheitsmasse 32 so klein wie möglich gehaften wer­ den soll, um ein maximales Flächen- zu-Masse-Verhält­ nis herbeizuführen.

In Fig. 5 ist eine Darstellung der Trägheitsmasse 32 gegeben, die mittels des Verbindungsteils oder Schar­ niers 39 in Form von Biegeplättchen nach Art von Kreuzbalken am Substrat 24 angeordnet ist. Es ist er­ sichtlich, daß entsprechendes Ätzen der V-förmigen Nu­ ten 44 zwei Paare gekreuzter Plättchen 42 und 42′ er­ zeugt, deren Zentren längs einer gemeinsamen Linie zusammenfallen, die in einer Ebene liegt, welche den Schwerpunkt enthält und parallel zur Ebene des Sub­ strats 24 verläuft.

Man beachte, daß die Scharnieranordnung gemäß Fig. 5 insoweit unterschiedlich zur Orientierung gemäß Fig. 3 ist, daß der Abstand der Zentren größer als der nach Fig. 5 ist. Es liegt auf der Hand, daß andere Varia­ tionen gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich sind. Die Siliziumstrukturen können durch Firmen er­ stellt werden, die sich mit der Herstellung von kompf ex­ gestalteten Miniatursifiziumstrukturen befassen. Derar­ tige Firmen sind Transensory Devices, Inc., Freemont, California und Dielectric Semiconductor, Santa Clara, Calufornia.

In Fig. 6 ist ein typischer Schaltkreis gezeigt, der in Verbindung mit dem Kraftausgleichs-Beschleunigungs­ messer 10 zur Anwendung gelangen kann. Dieser Schaftkreis ist um einen Rückstellverstärker (ARA) 30 herum aufgebaut, dessen Ausgang mit ciner Ausgangs­ klemme 61 und über eine Rückkopplungsschleife mit der Kontaktstelle 48 verbunden ist, die ihrerseits eine Verbindung mit den leitfähigen Flächen 34 der Träg­ heitsmasse 32 herstellt, die zwischen der oberen leitfähi­ gen Elektrode 36 und der unteren Elektrode 40 ange­ ordnet ist. Die Elektroden 36 und 40 sind durch Sperr­ kondensatoren 64 und 66 mit den Eingangsklemmen des Verstärkers 30 verbunden. Die Kontakstelle 52 ist mit einer Zusammenführung 68 und dann mit der Efcktrode 36 verbunden. Gleichermaßen ist die Kontaktsteile 50 am unteren Substrat 26 über eine Zusammenführung 70 mit der Elektrode 40 verbunden. Zwischen den beiden Zusammenführungen 86 und 70 ist ein Paar von Kon­ densatoren 72 und 74 vorgeschen, deren gemeinsame Efektrode mit einer Wechselstromquelle 76 von z. B. 50 kHz verbunden ist, welche die Kapazitätsabnehmer­ brücke bildet. Die Klemmen 50 und 52 werden bei minus 15 bzw. plus 15 Volt Gleichstrom gehaften.

Im Betrieb bewirkt eine nach oben gerichtete Auslen­ kung der Trägheitsmasse 32, daß die Wechselspannung über die Elektrode 36 abfällt und über die Elektrode 40 ansteigt. Diese Wechselspannungsänderung wird auf den Eingang des Verstärkers 30 gegeben, der ein Rück­ kopplungssignal erzeugt, das an die Klemme 48 zur Übertragung auf die Trägheitsmasse 32 angelegt wird, um den Beschleunigungsmesser in einen abgeglichenen oder "Nulf"-Zustand zurückzuführen. Das Ausgangssi­ gnal des Verstärkers 30 tritt ebenfalls als Beschleini­ gungsmesser-Informationsausgangssignal für entspre­ chende Systembenutzung an der Klemme 61 auf.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wurde mit ei­ nem stegartigen Scharnier oder Verbindungsstück 38 oder einer Biegeplättchenverbindung 39 nach Art ge­ kreuzter Stege oder Balken beschrieben. Dennoch sind andere Ausführungsformen des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels möglich.

Claims (8)

1. Beschleunigungsmesser, gekennzeichnet durch ein erstes ebenes Substrat (24) aus einem Halblei­ termaterial mit einer Öffnung, die den Umfang ei­ ner beschleunigungssensitiven Masse (32) definiert, wobei die beschleunigungssensitive Masse (32) über mehrere überkreuz verlaufende Biegestege (42, 42′) mit dem Halbleitersubstrat (24) verbunden ist, zweite und dritte ebene Substrate (26, 28,) die auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ebenen Substrats (24) angeordnet sind, wobei die zweiten und dritten Substrate (26, 28) eine leitfähige Fläche (36, 40) im Bereich der beschleunigungssensitiven Masse (32) aufweisen, eine Einrichtung zum Anle­ gen eines elektrischen Potentials zwischen be­ schleunigungssensitiver Masse (32) und den leitfä­ higen Flächen (36, 40) auf den zweiten und dritten Substraten (26, 29) und durch eine Einrichtung, die im Halbleitermaterial des ersten ebenen Substrats (24) gebifdet ist, um das elektrische Potential mit der beschfeunigungssensitiven Masse (32) zu ver­ binden.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die im Halbleitermateri­ al gebildete Einrichtung weiterhin elektronische, auf das Ausgangssignal des Beschleunigungsmes­ sers (10) ansprechende Einrichtungen aufweist.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekreuzten Bie­ gestege (42, 42′) zur Herbeiführung einer auskra­ genden Biegung in einer Richtung und Festigkeit oder Steifigkeit in allen anderen Richtungen ausge­ bildet sind.

4. Beschleunigungsmesser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekreuzten Biegestege (42, 42′) paarweise vorgesehen sind, wobei jeder Steg (42, 42′) durch zwei V-förmige Nuten (44) auf gegenüberliegenden Flächen des Halbleitersubstrats (24) geformt ist, die einen Steg (42, 42′) unter einem Winkel zur Ebene des Substrats (24) bilden, wobei jeder Steg (42, 42′) des Paares unter entgegengesetztem Winkel zum anderen angeordnet ist.

5. Beschleunigungsmesser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beschleunigungssensitive Masse (32) zur Herbeiführung eines großen Flächen/Massen-Ver­ hältnisses ein waffelartiges Muster aufweist.

6. Beschleunigungsmesser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte Substrat (26, 28) aus nicht leitfähigem Material gebildet ist.

7. Beschleunigungsmesser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Halbleitersubstrat (24) gebildete be­ schleunigungssensitive Masse (32) zur Herbeifüh­ rung von Leitfähigkeit dotiert ist und daß das zwei­ te und dritte ebene Substrat (26, 28) durch ein Paar isolierender Platten gebildet sind, die an gegen­ überliegenden Seiten des Halbleitermaterials vor­ gesehen sind und efektrisch leitfähige Stellen im Bereich der beschleunigungssensitiven Masse (32) aufweisen.

8. Beschleunigungsmesser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die überkreuz angeordneten Biegestege (42, 42′) durch anisotropes Atzen eines das Halbleiter­ substrat (24) bildenden Einkristalls gebildet sind.