DE3742385A1

DE3742385A1 - Acceleration-sensitive electronic component

Info

Publication number: DE3742385A1
Application number: DE19873742385
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Grandke; Manfred Dr Poppinger; Reinhold Dr Schoerner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1989-06-22

Abstract

An inertial body (8) is connected in a self-supporting manner via carrying beams (6) to a support frame (4) and is provided on one planar side surface (9) with an electrode (10). Opposite this electrode (10), an opposing electrode (22) is arranged on a base (20). In this way, acceleration-sensitive switching elements and also capacitive acceleration pickups may be realised. According to the invention, a plurality of mutually opposite carrying beams (6) are provided, which are arranged in such a way, that acceleration forces acting perpendicular to the opposing electrode (2) cause a linear movement of the inertial body (8). It is possible in this way to increase the surfaces of the electrode (10) and the opposing electrode (22) and therefore also the surface of the switching contact and the capacitance of the component. In a particularly preferred embodiment, the inertial body (8), the carrying beams (6) and the support frame (4) form a monolithic silicon body (2). Acceleration-sensitive switches, capacitive acceleration pickups. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen beschleunigungsempfind liches elektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to an acceleration sensitivity Liches electronic component according to the preamble of Main claim.

Für die Überwachung und Steuerung von Vorgängen, beispielsweise in der Prozeß- und Automobiltechnik, werden elektronische Schal ter oder Sensoren benötigt, mit denen die Beschleunigung ge messen bzw. das Überschreiten vorgegebener Beschleunigungsgrenz werte erkannt werden kann. In der KFZ-Technik werden beispiels weise beschleunigungsempfindliche elektronische Grenzwertschal ter zum Auslösen eines Airbags oder Gurtstrammers benötigt, an deren Funktionssicherheit besonders hohe Anforderungen gestellt sind. Als preisgünstige Alternative zu feinmechanischen Vor richtungen bieten sich dabei insbesondere in Silizium-Techno logie hergestellte beschleunigungsempfindliche Schalter oder Sensoren an.For the monitoring and control of processes, for example in process and automotive engineering, electronic scarf ter or sensors needed to accelerate the ge measure or exceed the specified acceleration limit values can be recognized. In automotive engineering, for example wise acceleration sensitive electronic limit scarf needed to deploy an airbag or belt tensioner whose functional reliability places particularly high demands are. As an inexpensive alternative to precision mechanical pre There are particular directions in silicon techno Logic manufactured acceleration sensitive switches or Sensors.

Aus "L.M.Royland, J.B. Angell, "A Batch-Fabricated Silicon Accelerometer", IEEE Trans. on Electron Devices", Vol. Ed-26, No. 12, 1979, Seiten 1911 bis 1917" ist beispielsweise ein in Silizium-Technologie hergestellter piezoresistiver Beschleuni gungssensor bekannt, bei dem ein Trägheitskörper über einen Tragbalken freitragend mit einem Stützrahmen verbunden ist. Der Trägheitskörper, die Stützwand und der Tragbalken sind aus einem monolithischen Siliziumkörper mittels einer anisotropen Ätzlösung herausgeätzt. Im Oberflächenbereich des Tragbalkens ist ein piezoresistives Widerstandselement eindiffundiert. Unter dem Einfluß einer Beschleunigung wird durch die träge Masse des Trägheitskörpers eine Durchbiegung des Tragbalkens verursacht und die auf diese Weise im Tragbalken erzeugten mechanischen Spannungen können über die Widerstandsänderung des piezoresistiven Widerstandes gemessen werden. Da der Schwer punkt des Trägheitskörpers nicht auf der Mittelachse des Trag balkens liegt, führen quer zur Schwingungsebene des Tragbalkens wirkende Beschleunigungskomponenten zu einer Torsion des Trag balkens, die ebenfalls eine Widerstandsänderung des piezoelek trischen Widerstandselementes verursacht und zu einer Ver fälschung des Meßergebnisses führt.From "L.M. Royland, J.B. Angell," A Batch-Fabricated Silicon Accelerometer ", IEEE Trans. On Electron Devices", Vol. Ed-26, No. 12, 1979, pages 1911 to 1917 "is for example an in Piezoresistive accelerator manufactured using silicon technology supply sensor known, in which an inertial body over a Support beam is cantilevered connected to a support frame. The Inertia, the support wall and the support beam are made a monolithic silicon body by means of an anisotropic Etched out etching solution. In the surface area of the support beam a piezoresistive resistance element is diffused. Under the influence of an acceleration the sluggish Mass of the inertial body a deflection of the support beam caused and generated in this way in the supporting beam mechanical stresses can change the resistance of the Piezoresistive resistance can be measured. Because the heavy point of the inertial body not on the central axis of the support beam lies, lead transversely to the vibration level of the support beam acting acceleration components to a torsion of the support bar, which is also a change in resistance of the piezoelek tric resistance element caused and a Ver falsifies the measurement result.

Zur Verringerung des Einflusses von Querbeschleunigungen auf das Meßsignal ist deshalb in "H.Sandmaier, H.Kühl, E.Obermaier "A Silicon Based Micromechanical Accelerometer with Cross Acceleration Sensitivity Compensation", Proceedings of the 4^th Int.Conf. on Solid State Transducers and Actuators, Tokyo 1987, Seiten 399 bis 402" vorgeschlagen worden, zur Aufhängung des Trägheitskörpers zwei einander gegenüberliegende Biege balken vorzusehen. Durch die Anordnung von jeweils vier piezo resistiven Widerstandselementen auf der Oberfläche der Trag balken und deren kreuzweise Verschaltung zu einer Widerstands brücke, kann der von einer Querbeschleunigung hervorgerufene Anteil der Widerstandsänderung weitgehend kompensiert werden.To reduce the influence of lateral accelerations on the measurement signal, "Silicon Based Micromechanical Accelerometer with Cross Acceleration Sensitivity Compensation", "Proceedings of the 4 ^th Int. Conf. On Solid State Transducers" is therefore in "H. Sandmaier, H. Kuehl, E. Obermaier" and Actuators, Tokyo 1987, pages 399 to 402 "have been proposed to provide two opposing bending beams for suspending the inertial body. The arrangement of four piezo-resistive resistance elements on the surface of the support beams and their cross-connection to form a resistance bridge, the portion of the change in resistance caused by transverse acceleration can be largely compensated for.

Piezoresistive Beschleunigungssensoren haben jedoch neben der hohen und nur aufwendig zu kompensierenden Querempfindlichkeit den Nachteil, daß die piezoresistiven Widerstandselemente einen hohen Temperaturkoeffizienten haben und zusätzlich auf wendige Maßnahmen zur Temperaturkompensation erforderlich sind. Beide Nachteile können durch einen kapazitiven Beschleunigungs sensor vermieden werden, wie er beispielsweise in "K.E.Petersen, A.Shartel, N.F.Raley "Micromechanical Accelero meter integrated with MOS Detection Circuitry", IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. Ed-29, No. 1, 1982, Seiten 23 bis 27" offenbart ist. Ein freigeätzter Tragbalken aus Siliziumdioxid (SiO₂) ist an seinem freien Ende mit einer als Trägheitskörper dienenden Goldauflage versehen. Die Oberfläche des Tragbalkens ist außerdem elektrisch leitfähig beschichtet. Der Boden der durch den Ätzvorgang im Siliziumkörper entstehenden Wanne ist p⁺-dotiert und dient als Gegenelektrode zur elektrisch leit fähigen Schicht, die sich auf dem Tragbalken befindet. Eine Biegung des Tragbalkens verursacht eine Änderung des Abstandes der beiden Elektroden und somit eine Änderung der Kapazität des aus diesen beiden Elektroden gebildeten Kondensators. Der zur Messung der Kapazitätsänderung erforderliche elektronische Schaltkreis ist in MOS-Technik auf dem Silizium-Chip inte griert. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die auf den SiO₂-Tragbalken aufgebrachten Metallschichten eine Biegung des Tragbalkens verursachen, die fertigungstechnisch zu einer großen Exemplarstreuung führt. Außerdem bewirken die verschie denen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metallschicht und des SiO₂-Tragbalkens eine unbefriedigende Temperatur empfindlichkeit des Sensors.Piezoresistive acceleration sensors, however, have the disadvantage that the piezoresistive resistance elements have a high temperature coefficient and, in addition, are necessary for agile measures to compensate for the temperature. Both disadvantages can be avoided by a capacitive acceleration sensor, as described, for example, in "KEPetersen, A.Shartel, NFRaley" Micromechanical Accelero meter integrated with MOS Detection Circuitry ", IEEE Trans. On Electron Devices, Vol. Ed-29, No. 1 , 1982, pages 23 to 27 ". A free-etched supporting beam made of silicon dioxide (SiO ₂ ) is provided at its free end with a gold coating serving as an inertial body. The surface of the support beam is also coated in an electrically conductive manner. The bottom of the tub created by the etching process in the silicon body is p⁺-doped and serves as a counter electrode to the electrically conductive layer, which is located on the support beam. Bending the support beam causes a change in the distance between the two electrodes and thus a change in the capacitance of the capacitor formed from these two electrodes. The electronic circuit required to measure the change in capacitance is integrated in MOS technology on the silicon chip. However, this arrangement has the disadvantage that the metal layers applied to the SiO ₂ support beams cause the support beam to bend, which leads to a large number of specimens in terms of production technology. In addition, the various coefficients of thermal expansion of the metal layer and the SiO ₂ support beam cause an unsatisfactory temperature sensitivity of the sensor.

In "F.Rudolf, A.Jornod, P.Bencze, "Silicon Accelerometer", Proceedings of the 4^th Int. Conf. on Solid State Transducers and Actuators, Tokyo 1987, Seiten 395-399" ist ein kapazi tiver Beschleunigungssensor vorgeschlagen worden, dessen Quer empfindlichkeit durch eine auf Torsion beanspruchte Trag balkenanordnung verringert werden soll. Da zur Aufhängung des Trägheitskörpers zwei gegenüberliegende Tragbalken vorgesehen sind, ist bei dieser Vorrichtung die Temperaturempfindlichkeit verringert. Ein Nachteil dieses Sensors besteht jedoch darin, daß die Bewegungsrichtung des Trägheitskörpers ebenso wie bei der Aufhängung an einem einzigen Tragbalken nicht längs einer Geraden erfolgt.In "F. Rudolf, A. Jornod, P. Bencze," Silicon Accelerometer ", Proceedings of the 4 ^th Int. Conf. On Solid State Transducers and Actuators, Tokyo 1987, pages 395-399", a capacitive acceleration sensor has been proposed whose cross sensitivity is to be reduced by a supporting beam arrangement stressed on torsion. Since two opposing supporting beams are provided for suspending the inertial body, the temperature sensitivity is reduced in this device. A disadvantage of this sensor, however, is that the direction of movement of the inertial body, like in the case of suspension on a single support beam, does not take place along a straight line.

Für Anwendungen, in denen nur das Überschreiten von vorge gebenen Beschleunigungsgrenzwerten erfaßt werden soll, genügt unter Umständen der Einsatz von beschleunigungsempfindlichen Mikroschaltern. Ein derartiger auf der Basis der Silizium- Technologie hergestellter beschleunigungsempfindlicher Mikro schalter ist beispielsweise aus "C.Robinson, D.Overman, R.Warner, T.Blomquist, "Problems Encountered in the Development of a Microscale g-switch Using Three Design Approaches", Proceedings of the 4^th Int. Conf. on Solid State Transducers and Actuators, Tokyo 1987, Seiten 410 bis 413" bekannt. Bei diesem Schaltelement bewirkt die Auslenkung eines freitragend angeordneten Tragbalkens unter dem Einfluß einer Beschleuni gung das Kurzschließen zweier Kontakte. Das freie Ende des Tragbalkens ist mit einem Trägheitskörper versehen, der die Ge stalt eines Pyramidenstumpfes hat und der an seiner parallel zum Tragbalken verlaufenden Grundfläche mit einer Kontakt elektrode versehen ist. Der Tragbalken, der Trägheitskörper und die Stützwand sind aus einer Siliziumscheibe herausgeätzt und bilden einen monolithischen Siliziumkörper. Der Siliziumkörper ist zwischen zwei Glasplatten angeordnet. Die der auf dem Trägheitskörper befindlichen Kontaktelektrode zugewandte Glas platte enthält eine Aussparung, die mit einer Gegenelektrode versehen ist. Da der Massenschwerpunkt des Trägheitskörpers nicht in der Ebene des Tragbalkens liegt, verursachen quer zur Schwingungsrichtung des Tragbalkens erfolgende Beschleunigungen eine Torsionsbewegung des Tragbalkens, die bei ungenügendem Ab stand zwischen dem Trägheitskörper und der Glasplatte eine dauer hafte Verkantung des Trägheitskörpers bewirken und somit zu einer Funktionsuntüchtigkeit des Schaltelementes führen können. Um die Gefahr eines derartigen Verkantens zu vermeiden, ist deshalb vorgeschlagen worden, die Fläche der Gegenelektrode im Vergleich zur gegenüberliegenden Grundfläche des Trägheits körpers klein zu wählen und auf einen erhöhten Bereich inner halb der Aussparung der Glasplatte anzuordnen, so daß der Ab stand zwischen der Glasplatte und dem Trägheitskörper im Be reich der Gegenelektrode kleiner ist als im Randbereich des Trägheitskörpers.For applications in which only the exceeding of specified acceleration limit values is to be recorded, the use of acceleration-sensitive microswitches may be sufficient. Such an acceleration-sensitive microswitch manufactured on the basis of silicon technology is known, for example, from "C.Robinson, D.Overman, R.Warner, T.Blomquist," Problems Encountered in the Development of a Microscale g-switch Using Three Design Approaches " , Proceedings of the 4 ^th International Conf. On Solid State Transducers and Actuators, Tokyo 1987, pages 410 to 413 ". In this switching element, the deflection of a self-supporting beam arranged under the influence of an acceleration causes the short-circuiting of two contacts. The free end of the support beam is provided with an inertial body which has the shape of a truncated pyramid and which is provided with a contact electrode on its base running parallel to the support beam. The support beam, the inertial body and the supporting wall are etched out of a silicon wafer and form a monolithic silicon body. The silicon body is arranged between two glass plates. The glass plate facing the contact electrode located on the inertial body contains a recess which is provided with a counter electrode. Since the center of gravity of the inertial body is not in the plane of the supporting beam, accelerations occurring transversely to the direction of vibration of the supporting beam cause a torsional movement of the supporting beam, which, when there was insufficient distance between the inertial body and the glass plate, cause permanent canting of the inertial body and thus render the inoperative Can lead switching element. In order to avoid the risk of such tilting, it has therefore been proposed to choose the area of the counterelectrode small in comparison to the opposite base area of the inertial body and to arrange it in an elevated area within the recess of the glass plate, so that the distance between the glass plate and the inertial body in the area of the counter electrode is smaller than in the edge region of the inertial body.

Ein weiteres Problem hinsichtlich der Reproduzierbarkeit dieses bekannten beschleunigungsempfindlichen Schaltelementes besteht darin, daß die auf der Oberfläche des Tragbalkens aufgebrachten Schichten in der Oberfläche mechanische Zugspannungen indu zieren, die ebenfalls eine Biegung des Tragbalkens hervorrufen. Zur Beseitigung dieser Fehlerquellen wird vorgeschlagen, die zwischen dem Silizium-Körper und der Leiterbahn zur Kontakt elektrode befindliche SiO₂-Isolationsschicht auf den unmittel bar unter der Leiterbahn befindlichen Oberflächenbereich des Tragbalkens zu verringern. Diese Maßnahme führt jedoch nur zu einer ungenügenden Verringerung der mechanischen Spannungen. Durch die im Oberflächenbereich verbleibenden mechanischen Druck- oder Zugspannungen ist somit zur Herstellung eines funktionsfähigen Schaltelementes mit reproduzierbaren Eigen schaften ein hoher Fertigungsaufwand mit engen Toleranzen notwendig. Außerdem sind die verbleibenden mechanischen Spannungen temperaturabhängig und verursachen einen hohen Temperaturkoeffizienten des Schaltpunktes.Another problem with regard to the reproducibility of this known acceleration-sensitive switching element is that the layers applied to the surface of the support beam induce mechanical tensile stresses in the surface, which likewise cause the support beam to bend. To eliminate these sources of error, it is proposed that the SiO ₂ insulation layer located between the silicon body and the conductor track for the contact electrode be reduced to the surface area of the supporting beam located directly under the conductor track. However, this measure only leads to an insufficient reduction in the mechanical stresses. Due to the remaining mechanical compressive or tensile stresses in the surface area, a high manufacturing effort with tight tolerances is necessary to produce a functional switching element with reproducible properties. In addition, the remaining mechanical stresses are temperature-dependent and cause a high temperature coefficient of the switching point.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein beschleuni gungsempfindliches elektronisches Bauelement anzugeben, dessen Betriebssicherheit bei verringertem Fertigungsaufwand ver bessert ist.The invention is based on the object, an accelerate to specify the sensitive electronic component, the Operational reliability with reduced manufacturing costs is better.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.The above object is achieved according to the invention with the features of the main claim.

Unter der Wirkung von Beschleunigungskräften erfolgt somit die Bewegung des Trägheitskörpers stets senkrecht zur Gegenelek trode des Grundkörpers. Dadurch wird eine der Größe der Elek trodenfläche entsprechende große wirksame Kontaktfläche mit hoher Stromtragfähigkeit geschaffen. Außerdem ist mit großen Elektrodenflächen und deren senkrecht dazu erfolgenden Parallelverschiebung eine Erhöhung der Kapazität bzw. Kapa zitätsänderung verbunden, so daß ein gemäß der Erfindung ge staltetes beschleunigungsempfindliches elektronisches Bau element eine empfindlichere kapazitive Messung der Beschleuni gung ermöglicht. Die Bewegung des Trägheitskörpers längs einer Geraden ist beispielsweise bei einer geradzahliger Anzahl von gleichdimensionierten Tragbalken dann gewährleistet, wenn sie derart angeordnet sind, daß sie zu Paaren geordnet werden können, deren Mittelpunkt ihrer jeweiligen Berührungsfläche mit dem Trägheitskörper mit einer Geraden verbunden werden können, die mit einer senkrecht zur Elektrode verlaufenden Geraden eine Ebene aufspannen, die den Schwerpunkt des Trägheitskörpers enthält.Under the action of acceleration forces, the Movement of the inertial body always perpendicular to the counterelek trode of the body. This will make one of the size of the elec corresponding large effective contact area high current carrying capacity. It is also great Electrode surfaces and their perpendicular to them Parallel shift an increase in capacity or Kapa zitätswechsel connected so that a ge according to the invention Designed acceleration-sensitive electronic construction element a more sensitive capacitive measurement of the acceleration possible. The movement of the inertial body along one For example, a straight line is an even number of equally dimensioned supporting beams are guaranteed when they are arranged so that they are arranged in pairs can, the center of their respective contact surface be connected to the inertial body with a straight line can with a perpendicular to the electrode Straight line spanning a level that is the focus of the Contains inertial body.

Da mehrere Tragbalken vorgesehen sind, können die in den einzelnen Tragbalken durch aufgebrachte Oberflächenschichten induzierten Biegespannungen weitgehend unterdrückt werden. Zur Unterdrückung der Biegespannungen sind dabei insbesondere An ordnungen von Vorteil, bei denen eine geradzahlige Anzahl von Tragbalken mit gleichen geometrischen Abmessungen vorgesehen sind. Durch diese Maßnahmen kann somit bei verringertem Fertigungsaufwand ein beschleunigungsempfindliches Bauelement mit verbesserten Toleranzeigenschaften gefertigt werden.Since several support beams are provided, the can in the individual support beams through the applied surface layers induced bending stresses are largely suppressed. To Suppression of bending stresses are particularly important orders of advantage, in which an even number of Support beams provided with the same geometric dimensions are. These measures can thus reduce Manufacturing effort an acceleration sensitive component be manufactured with improved tolerance properties.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Trägheitskörper an vier Tragbalken aufgehängt, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dadurch wird die Stabilität der Anordnung gegenüber Querbeschleunigungen erhöht, so daß sowohl der Trägheitskörper als auch der Grundkörper mit ein ander gegenüberliegenden großflächigen Kontaktelektroden versehen werden können, ohne daß die Gefahr eines Kurzschlusses bei Querbeschleunigungen besteht.
In a preferred embodiment, the inertial body is suspended from four supporting beams, two of which are arranged opposite one another. This increases the stability of the arrangement with respect to lateral accelerations, so that both the inertial body and the base body can be provided with a large-area contact electrodes lying opposite one another, without the risk of a short circuit in the case of lateral accelerations.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen.Further advantageous embodiments of the invention result by the measures proposed in the subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in derenTo further explain the invention, reference is made to the drawing referenced in their

Fig. 1 ein beschleunigungsempfindliches elektronisches Bau teil gemäß der Erfindung im Schnitt schematisch veran schaulicht ist. Fig. 1 is an acceleration-sensitive electronic construction part according to the invention schematically illustrative in section.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Bauelement mit einer vor teilhaften Anordnung von Leiterbahnen zur Selbstüber wachung. In Fig. 2 shows a plan view of the component with a geous arrangement of conductor tracks for self-monitoring. In

Fig. 3 und 4 sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen von Leiterbahnen bzw. Widerstandsbahnen auf der Oberfläche des Bauelementes veranschaulicht. In FIGS. 3 and 4 are further advantageous embodiments of conductors or resistive tracks illustrated on the surface of the component. In

Fig. 5 ist das elektronische Bauelement in einer Schnittfläche parallel zu einer Flachseite dargestellt. Fig. 5, the electronic component is shown in a sectional area parallel to a flat side.

Fig. 6 und 7 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen des beschleunigungsempfindlichen Bauelementes im Schnitt und in FIGS. 6 and 7 show further preferred embodiments of the acceleration-sensitive component in section and in

Fig. 8 ist eine besonders bevorzugte geometrische Anordnung der Tragbalken und des Trägheitskörpers in einer Drauf sicht veranschaulicht. In Fig. 8 is a particularly preferred geometric arrangement of the support beam and the inertial body in a top view is illustrated. In

Fig. 9 und 10 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Bau elementes mit einer durch Unterätzung hergestellten Tragbalkenstruktur dargestellt. FIGS. 9 and 10, an advantageous embodiment of the construction element is shown with a solution prepared by undercutting support beam structure.

Entsprechend Fig. 1 enthält das beschleunigungsempfindliche Bauelement einen Trägheitskörper 8, der über Tragbalken 6 mit einem Stützrahmen 4 freitragend verbunden ist. Die Tragbalken 6 befinden sich in einer gemeinsamen Ebene. Der Trägheitskörper 8 ist an seinen Schmalseiten mit den Tragbalken 6 derart ver bunden, daß eine seiner Flachseiten mit den entsprechenden Seitenflächen der Tragbalken 6 eine ebene Fläche bildet. Der Schwerpunkt S des Trägheitskörpers 8 liegt im Beispiel der Figur somit außerhalb der durch die Tragbalken 6 aufge spannten Ebene. Der Trägheitskörper 8 hat wenigstens eine ebene Seitenfläche 9, die parallel zur Längsrichtung der Tragbalken 6 orientiert und einem Grundkörper 20 zugewandt ist, der starr mit dem Stützrahmen 4 verbunden ist. Der Grundkörper 20 besteht beispielsweise aus Glas oder aus Silizium, das an seiner Ober fläche beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden SiO₂- Schicht versehen ist. Der Trägheitskörper 8, die Tragbalken 6 und der Stützrahmen 4 sind beispielsweise aus einem mono lithischen, einkristallinen Silizium-Körper 2 durch anisotrope Ätzprozesse hergestellt. Bei einem (100)-Einkristall hat der Trägheitskörper 8 in einer bevorzugten Ausführungsform die Gestalt eines Pyramidenstumpfes. An seiner dem Grundkörper 20 zugewandten und seiner Grundfläche abgewandten ebenen Seiten fläche 9 ist der Trägheitskörper 8 mit einer Elektrode 10 versehen. Auf dem Grundkörper 20 ist in einem dem Trägheitskör per 8 zugewandten ebenen Oberflächenbereich eine Gegenelektrode 22 angeordnet. Die Masse des Trägheitskörpers 8, die Länge l, die Dicke d und die Breite b der Tragbalken 6 sowie der Abstand a zwischen der Kontaktelektrode 10 und der Gegenelektrode 22 bestimmen dabei die zum Schalten erforderliche Beschleunigung. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Masse des Trägheitskörpers 6,8×10^-6 kg bei einer Tragbalkengeometrie von 1 ≈ 10^-3 m, b ≈ 10^-4 m und d ≈ 2×10^-5 m. Zur Erhöhung der Masse des Trägheitskörpers 8 kann außerdem eine zusätzliche Auflage, beispielsweise aus Gold (Au) vorgesehen sein. Unter Umständen kann auch eine Gestaltung des Trägheitskörpers 8 vor teilhaft sein, wie sie in der eingangs zitierten Veröffent lichung von H.Sandmaier et al. vorgeschlagen wird. Der dort offenbarte Trägheitskörper mit H-förmiger Grundfläche hat den Vorteil, daß bei vorgegebener Masse des Trägheitskörpers und vorgegebener Balkenlänge die erforderliche Chip-Grundfläche verringert werden kann. According to FIG. 1, the acceleration-sensitive component contains an inertial body 8 , which is connected to a support frame 4 in a self-supporting manner via supporting beams 6 . The support beams 6 are in a common plane. The inertial body 8 is ver on its narrow sides with the support beam 6 connected such that one of its flat sides with the corresponding side surfaces of the support beam 6 forms a flat surface. The center of gravity S of the inertial body 8 is thus in the example of the figure outside the plane spanned by the supporting beam 6 . The inertial body 8 has at least one flat side surface 9 , which is oriented parallel to the longitudinal direction of the supporting beams 6 and faces a base body 20 which is rigidly connected to the support frame 4 . The base body 20 consists, for example, of glass or silicon, which is provided on its upper surface, for example, with an electrically insulating SiO ₂ layer. The inertial body 8 , the support beam 6 and the support frame 4 are made, for example, from a monolithic, single-crystalline silicon body 2 by anisotropic etching processes. In the case of a (100) single crystal, the inertial body 8 has the shape of a truncated pyramid in a preferred embodiment. On its flat side surface 9 facing the base body 20 and facing away from its base surface, the inertial body 8 is provided with an electrode 10 . A counterelectrode 22 is arranged on the base body 20 in a flat surface area facing the inertial body by 8 . The mass of the inertial body 8 , the length l , the thickness d and the width b of the support beams 6 and the distance a between the contact electrode 10 and the counter electrode 22 determine the acceleration required for switching. In one embodiment, the mass of the inertial body is 6.8 × 10 ^-6 kg with a support beam geometry of 1 ≈ 10 ^-3 m, b ≈ 10 ^-4 m and d ≈ 2 × 10 ^-5 m. To increase the mass of the inertial body 8 , an additional support, for example made of gold (Au), can also be provided. Under certain circumstances, a design of the inertial body 8 may also be advantageous, as described in the publication by H.Sandmaier et al. is proposed. The inertial body with an H-shaped base surface disclosed there has the advantage that the required chip base surface can be reduced for a given mass of the inertial body and a given bar length.

In der Draufsicht gemäß Fig. 2 ist der Trägheitskörper über vier Tragbalken 6 an einem beispielsweise geschlossenen Stütz rahmen 4 freifedernd aufgehängt. Die Tragbalken 6 sind dabei jeweils paarweise einander gegenüber angeordnet. Die Breite b der Tragbalken 6 ist kleiner als die Seitenkantenlänge der Grundfläche des Trägheitskörpers 8, so daß sich im Silizium- Körper 2 Aussparungen 12 ergeben, durch die im Beispiel der Figur jeweils eine Ecke dieser Grundfläche freigelegt ist. Durch die Mittelpunkte der Berührungsflächen, die jeweils gegen überliegende Tragbalken 6 mit dem Trägheitskörper 8 bilden, werden Geraden 7 definiert, die zusammen mit einer senkrecht zur ebenen Seitenfläche 9 verlaufenden Geraden jeweils eine Ebene aufspannen, die den Schwerpunkt S des Trägheitskörpers 8 enthält und in der Figur senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Auf der Oberfläche des Silizium-Körpers 2 ist eine elektrische Zuführung 11 angeordnet, die über den im Volumenbereich leit fähig dotierten Trägheitskörper 8 den Anschluß zur Kontakt elektrode 10 herstellt. Die elektrische Zuführung 11 kann bei spielsweise durch eine metallische, elektrisch leitfähige Schicht oder durch eine in den Silizium-Körper 2 eindiffundier te Leiterbahn gebildet werden. Auf der Oberfläche des Silizium- Körpers 2 sind in einer bevorzugten Ausführungsform außerdem noch Leiterbahnen 13 vorgesehen, die über die Tragbalken 6 führen und untereinander über Verbindungsleiter 18 in einer elektrischen Reihenschaltung verbunden sind. Die Leiterbahnen 13 sind beispielsweise auf eine isolierende Oxidschicht auf gedampft oder in IC-Technologie in den Silizium-Körper 2 ein diffundiert und mittels Sperrschichten von der elektrischen Zuführung 11 und von der Kontaktelektrode 10 getrennt. Die in Serie geschalteten Leiterbahnen 13 ermöglichen eine einfache Überwachung des Bauelementes auf Fehlfunktionen, da bereits ein einziger gebrochener Tragbalken 6 zu einer Unterbrechung der aus den Leiterbahnen 13 gebildeten zusammenhängenden Leiterbahn führt. In the plan view according to FIG. 2, the inertial body is freely suspended via four supporting beams 6 on a support frame 4, for example closed. The support beams 6 are arranged in pairs opposite each other. The width b of the support beam 6 is smaller than the side edge length of the base surface of the inertial body 8 , so that there are recesses 12 in the silicon body 2 , through which one corner of this base surface is exposed in the example of the figure. The center points of the contact surfaces, which each form opposite supporting beams 6 with the inertial body 8 , define straight lines 7 which, together with a straight line running perpendicular to the flat side surface 9 , each span a plane which contains the center of gravity S of the inertial body 8 and in which Figure runs perpendicular to the plane of the drawing. On the surface of the silicon body 2 , an electrical feed 11 is arranged, which produces the connection to the contact electrode 10 via the inertial body 8 doped with conductivity in the volume region. The electrical feed 11 can be formed, for example, by a metallic, electrically conductive layer or by a conductor track that diffuses into the silicon body 2 . In a preferred embodiment, conductor tracks 13 are also provided on the surface of the silicon body 2 , which lead over the supporting beams 6 and are connected to one another via connecting conductors 18 in an electrical series connection. The conductor tracks 13 are, for example, vaporized onto an insulating oxide layer or diffused into the silicon body 2 using IC technology and are separated from the electrical feed 11 and from the contact electrode 10 by means of barrier layers. The series-connected conductor tracks 13 enable the component to be easily monitored for malfunctions, since a single broken supporting beam 6 leads to an interruption in the coherent conductor track formed from the conductor tracks 13 .

In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Gestaltung von Leiter bahnen 14 auf einem Tragbalken 6 in einem Ausschnitt darge stellt. Die Leiterbahn 14 bildet eine U-förmige Schleife. Die zur Leiterbahn 14 führenden Verbindungsleiter 18 müssen dann nicht über die Oberfläche des Trägheitskörpers 8 verlegt wer den.In Fig. 3 is a further advantageous design of conductor tracks 14 on a support beam 6 in a section Darge provides. The conductor track 14 forms a U-shaped loop. The connecting conductor 18 leading to the conductor track 14 then need not be laid over the surface of the inertial body 8 .

Gemäß Fig. 4 können zur Bruchüberwachung der Tragbalken 6 auch in den Silizium-Körper 2 eindiffundierte Widerstandsbahnen 16 vorgesehen sein, die vorzugsweise elektrisch parallelge schaltet sind. Ein gebrochener Tragbalken 6 führt zu einer Widerstandserhöhung, wobei der Betrag der Widerstandserhöhung einen Rückschluß auf die Anzahl der gebrochenen Tragbalken 6 ermöglicht.According to FIG. 4, resistance tracks 16 which are diffused into the silicon body 2 can also be provided for monitoring the breakage of the supporting beams 6 and which are preferably electrically connected in parallel. A broken support beam 6 leads to an increase in resistance, the amount of the increase in resistance making it possible to draw a conclusion about the number of broken support beams 6 .

Im Schnitt gemäß Fig. 5 ist die Oberfläche des Grundkörpers 20 mit einer Zuführung versehen, die von der Gegenelektrode 22 zum Rand des Grundkörpers 20 führt. Der Grundkörper 8 erstreckt sich beispielsweise um einen Bereich 17 über den Silizium-Kör per 2 hinaus, um das Anschließen eines Bonddrahtes zu ermög lichen.In the section according to FIG. 5, the surface of the base body 20 is provided with a feed that leads from the counter electrode 22 to the edge of the base body 20. The base body 8 extends, for example, by an area 17 beyond the silicon body 2 to enable the connection of a bonding wire.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 6 ist ein aus einem Isolator bestehender Grundkörper 20 mit einer durchgehenden, senkrecht zur Flachseite der Gegenelektrode 22 verlaufenden Bohrung 26 versehen, die an ihrer Innenwand eben falls mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 23 beschichtet ist. Auf der von der Gegenelektrode 22 abgewandten Flachseite des Grundkörpers 20 ist die leitfähige Schicht 23 um die Kante herumgeführt und kann dort beispielsweise direkt an ein metallisches Gehäuse des Bauelementes kontaktiert werden. Durch diese rückseitige Kontaktierung der Gegenelektrode 22 sind die durch die Zuleitungen zu den Elektroden entstehenden Kapazi täten vorteilhaft verringert. Die Gegenelektrode befindet sich außerdem in einer Vertiefung 24 des Grundkörpers 20, die sich über den mit der Gegenelektrode 22 versehenen Bereich hinaus erstreckt. Die mit der Kontaktelektrode 10 versehene Seiten fläche 9 des Trägheitskörpers 8 befindet sich somit in der gleichen Ebene wie die auf den Grundkörper 20 aufliegende Flachseite des Stützrahmens 4, so daß der Silizium-Körper 2 im Bereich des Trägheitskörpers 8 nicht tiefer geätzt zu werden braucht.In a particularly preferred embodiment according to FIG. 6, a base body 20 consisting of an insulator is provided with a continuous bore 26 running perpendicular to the flat side of the counterelectrode 22, which is also coated on its inner wall with an electrically conductive layer 23 . On the flat side of the base body 20 facing away from the counterelectrode 22 , the conductive layer 23 is guided around the edge and can be contacted there, for example, directly to a metallic housing of the component. Through this rear contacting of the counterelectrode 22 , the capacitances resulting from the leads to the electrodes are advantageously reduced. The counter electrode is also located in a recess 24 in the base body 20 , which extends beyond the area provided with the counter electrode 22 . Provided with the contact electrode 10 side surface 9 of the inertial body 8 thus is located in the same plane as the resting on the base body 20 flat side of the support frame 4 so that the silicon body 2 need not be etched deeper in the area of the inertia body. 8

In der Anordnung gemäß Fig. 7 ist der Silizium-Körper 2 mit seiner Vorderseite 19 auf dem mit einer Vertiefung 24 ver sehenen Grundkörper 20 angeordnet. Dabei ist unter Vorderseite die Seite des Silizium-Körpers 2 zu verstehen, welche die Lei terbahnen und eventuell eindiffundierte Halbleiter-Bauelemente enthält, während die Rückseite des Silizium-Körpers 2 die Seite ist, die zur Herstellung der gewünschten geometrischen Gestalt mit einer anisotropen Ätzlösung behandelt wird. Der Vorteil einer derartigen Anordnung ist darin zu sehen, daß bei der elek trischen Kontaktierung der Kontaktelektrode 10 der Volumenwider stand des Trägheitskörpers 8 keinen Einfluß hat.In the arrangement according to FIG. 7, the silicon body 2 is arranged with its front side 19 on the base body 20 provided with a recess 24 . The front side is to be understood as the side of the silicon body 2 which contains the conductor tracks and possibly diffused semiconductor components, while the rear side of the silicon body 2 is the side which is treated with an anisotropic etching solution to produce the desired geometric shape becomes. The advantage of such an arrangement can be seen in the fact that in the electrical contacting of the contact electrode 10 the volume resistance of the inertial body 8 has no influence.

Entsprechend Fig. 8 ist in einer weiteren bevorzugten Gestal tung des beschleunigungsempfindlichen Bauelementes der Träg heitskörper 8 über vier Tragbalken 6 mit dem Stützrahmen 4 derart verbunden, daß jeweils eine Längskante eines Tragbalkens 6 mit einer Kante der Flachseite des Trägheitskörpers 8 auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Dadurch entstehen im Sili zium-Körper 2 Aussparungen 12, deren Seitenkanten ein Rechteck bilden. Die zu jeweils gegenüberliegenden Tragbalken 6 ge hörenden Geraden 7 schneiden ebenfalls die durch den Schwer punkt des Trägheitskörpers 8 und senkrecht zu seiner ebenen Seitenfläche verlaufende Gerade unter einem rechten Winkel.According to FIG. 8, in a further preferred Gestal of the acceleration-sensitive device below the Träg integral body 8 via four support beams 6 to the support frame 4 in such a way, in that in each case one longitudinal edge of a support beam 6 to an edge of the flat side of the inertia body 8 lying on a common straight line. This creates 2 recesses 12 in the silicon body, the side edges of which form a rectangle. The straight to 7 opposite supporting beam 6 ge also intersect the line through the center of gravity of the inertial body 8 and perpendicular to its flat side surface straight line at a right angle.

In der besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist der pyramidenstumpfförmige Trägheitskörper 8 mit Tragbalken 61 verbunden, die derart angeordnet sind, daß jeweils eine ihrer sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenflächen in der durch die der Grundfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Pyrami denstumpfes festgelegten Ebene befindet. Diese Gestaltung hat den Vorteil, daß bei gleicher Länge 1 der Tragbalken 61 und gleicher Grundfläche des Silizium-Körpers 2 die Masse des Trägheitskörpers 8 und somit die Empfindlichkeit des Bauelemen tes gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 vergrößert werden kann. Die Tragbalken 61 werden bei diesem Ausführungsbei spiel durch Unterätzung aus einem (100)-Silizium-Wafer her gestellt.In the particularly preferred embodiment according to FIG. 9, the truncated pyramid-shaped inertial body 8 is connected to supporting beams 61 which are arranged in such a way that one of their longitudinally extending side surfaces is located in the plane defined by the side surface of the pyramid opposite the base surface. This design has the advantage that with the same length 1 of the support beam 61 and the same footprint of the silicon body 2, the mass of the inertial body 8 and thus the sensitivity of the Bauelemen tes can be increased compared to the embodiment of FIG. 1. The support beams 61 are made in this exemplary embodiment by under-etching from a (100) silicon wafer.

Um eine Unterätzung der Tragbalken 61 durch einen von der Vor derseite 19 des Silizium-Körpers 2 her erfolgenden Ätzprozeß zu ermöglichen, ist eine Gestaltung der Tragbalken 61 entspre chend Fig. 10 vorteilhaft. Die Tragbalken 61 sind dann in ihrer Mitte mit einer Aussparung 62 versehen. In einem ersten Ätzschritt werden zunächst in die Vorderseite des Silizium-Kör pers 2 mit einer entsprechenden Maske an die durch die herzu stellenden Aussparungen 12 und 62 festgelegten Stellen Wannen geätzt, deren Tiefe die Dicke einer auf der Vorderseite auf gebrachten p- oder n-dotierten Epitaxialschicht überschreitet. Die Dicke dieser Epitaxialschicht ist dabei entsprechend der gewünschten Dicke der Tragbalken 61 gewählt. Während bei den Ausführungsformen gemäß der Fig. 1 bis 8 der nächste Ätz schritt von der Rückseite 18 des Silizium-Körpers her erfolgt, wird in der Ausführungsform gemäß der Fig. 9 und 10 der weitere Ätzvorgang von der Vorderseite 19 ausgehend durchge führt. Der in den Ecken der die Aussparungen 62 und 12 fest legenden Wannen erfolgende Ätzvorgang führt zu einer Unter ätzung und somit zu einem sukzessiven Freilegen des Tragbalkens 61. In order to enable undercutting of the support beam 61 by an etching process that takes place from the front side 19 of the silicon body 2 , a design of the support beam 61 corresponding to FIG. 10 is advantageous. The support beams 61 are then provided with a recess 62 in their center. In a first etching step, wells are etched into the front of the silicon body 2 with a corresponding mask at the locations defined by the recesses 12 and 62 to be produced , the depth of which corresponds to the thickness of a p- or n-doped applied to the front Epitaxial layer exceeds. The thickness of this epitaxial layer is selected in accordance with the desired thickness of the supporting beams 61 . While in the embodiments according to FIGS. 1 to 8 the next etching step takes place from the rear side 18 of the silicon body, in the embodiment according to FIGS. 9 and 10 the further etching process is carried out starting from the front side 19 . The etching process taking place in the corners of the troughs defining the recesses 62 and 12 leads to undercutting and thus to successive exposure of the supporting beam 61 .

Da die Kontaktelektrode 10 und die Gegenelektrode 22 groß flächig gestaltet werden können, kann das beschleunigungs empfindliche Bauelement gemäß Fig. 1 bis 10 sowohl als Schaltelement als auch als messendes Sensorelement verwendet werden. Eine auf den Trägheitskörper 8 wirkende Beschleunigung verändert den Abstand d zwischen der Kontaktelektrode 10 und der Gegenelektrode 22, so daß sich entsprechend die Kapazität des aus diesen beiden Elektroden gebildeten Kondensators ändert. Diese Kapazitätsänderung kann mittels eines geeigneten elektronischen Schaltkreises gemessen werden. Die Messung dieser Kapazität kann sowohl zur Überwachung eines als Schal ter verwendeten beschleunigungsempfindlichen Bauelementes als auch zur Messung der Beschleunigung herangezogen werden. Für eine Messung der Kapazität ist es erforderlich, die durch Leiterbahnen verursachten Streukapazitäten möglichst gering zu halten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Zuführungen zur Kontaktelektrode 10 und zur Gegenelektrode 22 so angeordnet sind, daß sie sich nicht überlappen, wie dies bei spielsweise in Fig. 2 und 5 veranschaulicht ist. Besonders vorteilhaft für eine Messung der Kapazität ist eine Ausgestal tung des Grundkörpers 20 gemäß der Fig. 6 und 7, da dann die Zuleitungen zur Gegenelektrode 22 praktisch keinen Beitrag zur Kapazität liefern.Since the contact electrode 10 and the counter electrode 22 can be made large-area, the acceleration-sensitive component according to FIGS. 1 to 10 can be used both as a switching element and as a measuring sensor element. An acceleration acting on the inertial body 8 changes the distance d between the contact electrode 10 and the counter electrode 22 , so that the capacitance of the capacitor formed from these two electrodes changes accordingly. This change in capacitance can be measured by means of a suitable electronic circuit. The measurement of this capacitance can be used both for monitoring an acceleration-sensitive component used as a switch and for measuring the acceleration. To measure the capacitance, it is necessary to keep the stray capacitance caused by conductor tracks as low as possible. This can happen, for example, in that the feeds to the contact electrode 10 and to the counter electrode 22 are arranged in such a way that they do not overlap, as is illustrated for example in FIGS . 2 and 5. A configuration of the base body 20 according to FIGS. 6 and 7 is particularly advantageous for a measurement of the capacitance, since then the leads to the counter electrode 22 make practically no contribution to the capacitance.

Claims

1. Acceleration-sensitive electronic component with the following features:

a) The component contains an inertial body ( 8 ),
- a1) the inertial body ( 8 ) is connected to an at least partially closed support frame ( 4 ) via at least two mutually opposite supporting beams ( 6 ),
- a2) the inertial body ( 8 ) has a flat side surface ( 9 ) arranged parallel to the longitudinal direction of the supporting beams ( 6 ),
- a3) the side surface ( 9 ) is provided with an electrode ( 10 ),
b) the support frame ( 4 ) is rigidly connected to a base body ( 20 ),
- b1) the base body ( 20 ) is provided with a counter electrode ( 22 ) in its surface area facing the electrode ( 10 ),
- b2) the counter electrode and the electrode ( 10 ) run at least approximately parallel to one another in the rest position,

characterized in that

c) the inertial body ( 8 ) is connected to the support frame ( 4 ) via the supporting beams ( 6 ) in such a way that the parallelism of the electrode ( 10 ) under the influence of an acceleration force acting perpendicularly to the counterelectrode ( 22 ) on the inertial body ( 8 ) and the counter electrode ( 22 ) is at least approximately preserved.

2. Component according to claim 1, characterized in that the inertial body ( 8 ), the supporting beams ( 6 ) and the support wall ( 4 ) form a monolithic silicon body ( 2 ).

3. Component according to claim 2, characterized in that an even number of support beams ( 6 ) is provided with at least approximately the same geometric dimensions.

4. The component according to claim 3, characterized in that the inertial body ( 8 ) has the shape of a truncated pyramid.

5. The component according to claim 4, characterized in that support beams ( 61 ) are arranged such that one of their side surfaces each lie in a plane which is formed by the side surface of the inertial body ( 8 ), which is opposite its base surface.

6. The component according to claim 4 or 5, characterized in that four supporting beams ( 6 ) are provided, each leading to one of the narrow sides of the inertial body ( 8 ).

7. The component according to claim 1, characterized in that the base body ( 20 ) consists of an insulator and is provided in the region of the counter electrode ( 22 ) with a continuous perpendicular to its flat sides bore ( 26 ), the inside of which is coated in an electrically conductive manner is.

8. The component according to one of claims 2 to 7, characterized in that the supporting beams ( 6 ) are provided with conductor tracks ( 13 , 14 ), each of which extends over the entire longitudinal extent of the supporting beam ( 6 ) and which are electrically connected to one another in series are switched.

9. The component according to one of claims 2 to 7, characterized in that the supporting beams ( 6 ) are provided with resistance tracks ( 15 ) which each extend over the entire longitudinal extent of the supporting beam ( 6 ) and are connected in parallel with one another.

10. The component according to claim 8 or claim 9, characterized in that an electronic circuit for monitoring the electrical resistance of the conductor tracks ( 13 , 14 ) or resistance tracks ( 15 ) is provided, which in the silicon body ( 2 ) is integrated.

11. The component according to one of claims 2 to 10, characterized in that an electronic circuit for measuring the capacitance of the capacitor formed from the contact electrodes ( 10 , 22 ) is provided, which is integrated in the silicon body ( 2 ).