DE3625411A1

DE3625411A1 - Kapazitiver beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE3625411A1
Application number: DE19863625411
Authority: DE
Inventors: Helmut Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-07-26
Filing date: 1986-07-26
Publication date: 1988-02-04
Also published as: FR2602055A1; GB8716443D0; CH673897A5; GB2194341B; GB2194341A; DE3625411C2; FR2602055B1

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleuni gungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Beschleunigungssensor ist durch die DE-OS 32 23 987 bekannt. Dieser weist eine Klappe auf, die an einem Träger über zwei Torsionshalterungen befestigt ist, die symmetrisch und in Verlängerung einer Kante der Klappe angeordnet sind. Eine Elektrode, die auf einer unterhalb der Klappe vorhandenen Platte aufge bracht ist, ermöglicht das Messen der Beschleunigung durch Messen der entsprechenden Änderung der Kapazität zwischen der Klappe und der Elektrode. Ein derartiger Sensor erzeugt eine Kapazitätsänderung, die eine rela tiv komplizierte Funktion der Beschleunigung ist, weil sich der Luftspalt zwischen der Klappe und der Elek trode nur keilförmig ändert. Ferner sind bei dieser Torsionsaufhängung relativ große Querempfindlichkeiten zu erwarten. Durch die in vertikaler Richtung unsym metrische Anordnung der Klappe besteht auch kein aus reichender Überlastschutz des Sensors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art die Linearität des Ausgangssignals, die Querempfindlichkeit und den Überlastschutz zu verbessern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Anordnung der zentral an Biegebändern aufge hängten Beschleunigungsplatte hat der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor eine hohe Empfindlichkeit, die von bekannten, auch von piezoresistiven Sensoren, nicht erreicht wird. Es werden den aufgebrachten Beschleuni gungen entsprechende, etwa gleichmäßig ansteigende Kapazitätsänderungen erreicht, wobei ein hohes Maß an Überlastschutz erzielbar und somit die Möglichkeit eines Kurzschlusses verringert ist.

Der voll symmetrische Aufbau der Struktur garantiert eine sehr genau definierte Nullpunktlage. Außerdem ist durch die beidseitige Aufhängung mit vier, vorzugsweise acht Biegebändern die Querempfindlichkeit äußerst ge ring. Die beidseitige Anordnung der starren Deckplatten mit den Gegenelektroden gewährleistet ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich nung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Beschleunigungssensors;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Beschleunigungssensor nach Fig. 1 unter Fortlassung einer oberen Deckplatte entsprechend den Pfeilen II-II;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Beschleunigungssensors und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Beschleunigungssensors.

Ein Beschleunigungssensor 1 besteht entsprechend den Fig. 1 und 2 aus einer zentralen Beschleunigungsplatte 2, die mittels einer geraden Anzahl von Biegebändern 3, vorzugsweise jedoch acht Biegebändern 3 an einem Rahmen 4 aufgehängt ist. Die Biegebänder 3 führen von den Ecken der Ober- und Unterseite der Beschleunigungs platte 2 zu dem im Abstand um die Beschleunigungsplatte 2 herum angeordneten Rahmen 4. Oberhalb und unterhalb der in gleicher Stärke ausgeführten Beschleunigungs platte 2 und des Rahmens 4 sind Deckplatten 5 vorhan den, die jeweils auf dem Rahmen 4 aufliegen. Gegenüber der Beschleunigungsplatte 2 und den Biegebändern 3 sind in die Deckplatten 5 jeweils Vertiefungen 6 eingearbei tet, in die je ein metallischer Film 7 aufgebracht ist. Wenn die Beschleunigungsplatte 2, die Biegebänder 3 und der Rahmen 4 aus einem einkristallinen Silizium mono lithisch herausgearbeitet sind, können die Oberflächen der Beschleunigungsplatte 2 als die einen Elektroden und die metallischen Filme 7 in den Deckplatten 5 als die anderen Elektroden von zwei Plattenkondensatoren mit den Vertiefungen 6 als Spalte zwischen den Elektro den dienen. Beim Einwirken von Beschleunigungen bilden die Elektroden variable Kapazitäten, die zur Messung der Beschleunigung dienen. Die Abnahme der wechselnden Stromänderungen durch Änderungen der Spalte 6 bei ver schiedenen Beschleunigungen erfolgt in bekannter Weise z.B. durch einen mit der Beschleunigungsplatte 2 ver bundenen Leistungsstreifen 8 (sh. Fig. 2) und von den metallischen Filmen 6 zwischen den Deckplatten 5 und dem Rahmen 4 herausgeführte Leitungsstreifen 9, (sh. Fig. 1). Zur Dämpfung des Sensors 1 sind zwei Möglich keiten vorhanden. Erstens kann der aus den Spalten 6 und Freiräumen 11 rund um die Beschleunigungsplatte 2 vorhandene Innenraum bis auf einen definierten Rest druck durch einen in die obere Deckplatte 5 eingearbei teten Kanal 12 evakuiert werden. Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Kanal 12 als Luftkanal offen zu las sen.

Zur Herstellung dieser Ausführungsform, bei der die Be schleunigungsplatte 2, die Biegebalken 3 und der Rahmen 4 aus einem einkristallinem Substrat monolithisch herausgearbeitet werden, wird für das Substrat Silizium mit niedriger Dotierung und einer Kristallorientierung (100) verwendet. Die Biegebalken 3, die nicht parallel zu einer (111) Kristallebene liegen dürfen, müssen mit einer hohen Bordotierung (<7×10¹⁹cm^-3) versehen werden, damit sie für den nachfolgenden Strukturie rungsvorgang ätzresistent gemacht sind. Dieses kann mittels einer entsprechend dotierten Epitaxieschicht, bzw. mit Ionenimplantation oder Diffusion erreicht wer den. Danach werden die Umrisse der Ätzgrube lithogra fisch definiert und anisotrop geätzt. In die Deckplat ten 5, die vorzugsweise aus Glas bestehen, werden die Vertiefungen 6 ebenfalls herausgeätzt und daran an schließend die metallischen Filme 7 und Leitungsstrei fen 9 aufgedampft. Schließlich werden die Deckplatten 5 mit den Rahmen 4 mit Hilfe einer anodischen Verbin dungstechnik durch Anlegen einer elektrischen Spannung bei erhöhter Temperatur verbunden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 1 a sind anstelle der aus dem einheitlichen Substrat herausgearbeiteten Biegebänder 3 gesonderte Biegestreifen 15 vorhanden, die zwischen die Beschleunigungsplatte 5 eingelegt sind. Die Biegestrei fen 15 können, wie hier dargestellt, aus einem mit einem Metallfilm 16 beschichteten Dielektrikum be stehen, z.B. aus Si₃N₄ oder SiO₂. Weiterhin kön nen die Biegestreifen 15 direkt aus einem Metallfilm bzw. einer Metallfolie direkt aufgedampft oder aufge tragen werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die als mittlere Kondensatorelektroden dienenden Biege streifen 15 bzw. die Metallfilme 16 gegenüber dem Rahmen 4 dielektrisch isoliert werden können.

In der Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 1 b entsprechend Fig. 4 sind die Beschleunigungsplatte 2 und die Biegebänder 3 um die Breite der Spalte 6 dünner als der Rahmen 4. Diese verringerte Dicke läßt sich bei der Herstellung aus einem einheitlichen Substrat ohne Schwierigkeiten herausarbeiten. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Deckplatten 5 nicht gesondert bearbei tet werden müssen.

Alle drei Ausführungsformen des Beschleunigungssensors 1, 1 a und 1 b können direkt als kapazitive Signalgeber benutzt werden, wobei sich beim Einwirken von Beschleu nigungen zwei sich gegenläufig ändernde Kapazitäten zur Verfügung stehen, die in einer geeigneten Brückenanord nung verschaltet werden können. Ferner können die bei den Meßkapazitäten durch zwei starre Kapazitäten er gänzt werden, die zwischen dem Rahmen 4 und den Deck platten 5 eine Temperaturkompensation der Meßkapazitä ten ermöglichen.

Eine andere Möglichkeit der Signalauswertung besteht in der elektrischen Fesselung der Beschleunigungsplatte 2, wobei diese durch Anlegen einer Gegenspannung in ihrer Nullposition gehalten werden kann. Es wird dabei die bei einer Beschleunigung auftretende Gegenspannung ge messen. Mit dieser Meßanordnung können Resonanzeffekte herauskompensiert werden.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen stellen die gebräuchlichste Art des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dar. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, mindestens zwei Biegebänder anzuordnen, die in der Mitte einer Längsseite die Ober- und Unter seiten der Beschleunigungsplatte und des Rahmens ver binden. Eine weitere, in der Praxis verwendbare Aus führungsform besteht darin, daß vier Biegebänder spie gelbildlich an nur einer Längsseite der Beschleuni gungsplatte angeordnet sind, und diese Längsseite mit Ausführungsform ist für besonders empfindliche Mes sungen geeignet, z.B. zur Messung der Neigung eines Gegenstandes gegenüber dem Schwerefeld der Erde.

Claims

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor, der mit mikromechanischer Fertigungstechnologie und Ätztechnik hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise rechteckige Beschleunigungsplatte (2) mit einer geraden Anzahl von symmetrisch bezüglich der Mittelebene zwischen der Ober- und Unterseite der Beschleunigungs platte angeordneten Biegebändern (3, 15) zentral im Innern des Beschleunigungssensors (1, 1 a, 1 b) aufgehängt ist, wobei entweder die Beschleunigungsplatte (2) selbst oder auf ihren Oberflächen aufgebrachte Leiter (15, 16), die einen Kondensatorelektroden von zwei Plat tenkondensatoren bilden, deren Gegenelektroden (7) auf gegenüberliegenden Flächen, die durch Spalte (6) von der Beschleunigungsplatte getrennt sind, aufgebracht sind.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be schleunigungsplatte (2), ein sie umgebender Rahmen (4) und die Biegebänder (3, 15) beidseitig unter Freilassung der Spalte (6) durch Deckplatten (5) abgedeckt sind, auf deren der Beschleunigungsplatte zugewandten Flächen die Gegenelektroden (7) aufgebracht sind.

3. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsplatte (2), die Biegebänder (3) und der Rahmen (4) aus einem einkristallinen Substrat monoli thisch herausgearbeitet sind.

4. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Beschleunigungsplatte (2) und der Rahmen (4) aus einem einkristallinen Substrat bestehen, und daß geson derte Biegestreifen (15) zwischen die Beschleunigungs platte und die Deckplatten eingelegt sind.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biege streifen (15) aus einem mit einer Metallschicht (16) versehenen Dielektrikum bestehen.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegestreifen (15) aus einer Metallfolie bestehen.

7. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (6) zwi schen der Beschleunigungsplatte (2) mit den Biegebän dern (3) und den Deckplatten (5) durch Einätzen der Deckplatten hergestellt sind.

8. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (6) zwischen der Beschleunigungsplatte (2) mit den Biege bändern (3) und den Deckplatten (5) durch um die Spalt breite verringerte Dicke der Beschleunigungsplatte gegenüber dem Rahmen (4) hergestellt sind.

9. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (6) und Freiräume (11) zwischen der Beschleunigungsplatte (2), den Deckplatten (5) und dem Rahmen (4) bis auf einen definierten Restdruck evakuiert sind.

10. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß von Spalten (6) und den Freiräumen (11) zwischen der Beschleunigungsplatte (2), den Deckplatten (5) und dem Rahmen (4) ein Luft kanal (12) durch eine der Deckplatten führt.

11. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 gekennzeichnet durch vier Biegebänder (3), welche spiegelbildlich an nur einer Längsseite der Beschleunigungsplatte (2) an geordnet sind, und diese Längsseite mit der Ober- und Unterseite des Rahmens (4) verbinden.

12. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch acht Biegebänder (3), welche spiegelsymmetrisch an den Ecken der Beschleunigungsplatte (2) angeordnet sind und ihre Ober- und Unterseite mit dem Rahmen (4) verbinden.