DE3837883A1 - CAPACITIVE ACCELEROMETER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents

CAPACITIVE ACCELEROMETER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

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DE3837883A1
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center
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Kalervo Jaeppinen
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Abstract

The accelerometer comprises two side electrode structures (15) incorporating fixed side electrodes (4) and, arranged between the fixed side electrodes, a centre electrode structure (16) which incorporates at least one centre electrode (17). The centre electrode structure (16) comprises a planar body element (3) providing a wall which, with the side electrode structures, defines a cavity. In the cavity a movable electrode portion (1) of centre electrode (17) is supported in cantilever by a stem portion (2) projecting from the wall. The device is symmetrical about plane S. The centre electrode structure is processed by etching a groove penetrating the body element (3) in a U-shape and delineating the cantilever beam-like centre electrode (17). Portion (1) of the centre electrode (17) is formed thinner than the wall section of the body element (3) so that electrode gaps (7) are formed between the side electrodes (4) and the centre electrode (17). The stem section (2) of the centre electrode structure (16), integral with the body element (3), is essentially thinner than the portion (1) in order to obtain a flexible centre electrode (17). The transducer construction in accordance with the invention is easily manufactured in mass production. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleunigungsmesser gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.The present invention relates to a capacitive Accelerometer according to the preamble of the An saying 1.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Her­ stellung eines Beschleunigungsmessers.The invention also relates to a method for the manufacture position of an accelerometer.

Der Beschleunigungsmesser ist eigentlich ein Kraftsensor in Miniaturformat, dessen Hauptanwendung jedoch in der Bestimmung der Beschleunigung liegt. Die Vorrichtung kann auch für andere Zwecke verwendet werden, z.B. zur Bestimmung von Neigungswinkeln.The accelerometer is actually a force sensor in miniature format, but its main application is in the Determination of the acceleration lies. The device can also be used for other purposes, e.g. to Determination of angles of inclination.

Beschleunigungsmesser in Miniaturformat gemäß dem Stand der Technik arbeiten meist nach dem piezoelektrischen oder piezoresistiven Prinzip. Accelerometer in miniature format according to the state The technology mostly work according to the piezoelectric or piezoresistive principle.  

Ein piezoelektrischer Kristall entwickelt eine Oberflä­ chenladung, deren Größe von der Kraft abhängt, die auf die Oberfläche wirkt. Diese Ladung wird dann unter Ver­ wendung eines ladungsempfindlichen Verstärkers gemessen. Die hohe Eingangsimpedanz des Verstärkers, der zur Mes­ sung verwendet wird, macht den Verstärker gegenüber elektrostatischen Störungen empfindlich. Auf der Ober­ fläche ausgebildete Ladungen werden durch Oberflächen­ leckströme spontan entladen, so daß es unmöglich gemacht wird, diesen Typ von Beschleunigungsmesser zur Messung von statischen oder niederfrequenten Beschleunigungen zu verwenden.A piezoelectric crystal develops a surface load, the size of which depends on the force acting on it the surface works. This charge is then under Ver measured using a charge-sensitive amplifier. The high input impedance of the amplifier used for measuring solution used makes the amplifier opposite sensitive to electrostatic interference. On the upper Surface-shaped charges are created by surfaces Leakage currents discharge spontaneously, making it impossible will measure this type of accelerometer of static or low frequency accelerations use.

Ein piezoresistiver Beschleunigungsmesser wird typi­ scherweise aus einem halbleitendem Material, z.B. Sili­ zium hergestellt, in welches Widerstände in geeignete Kristallrichtungen eindiffundiert werden. Wenn der Kri­ stall verbogen wird, bewirken die hervorgerufenen Span­ nungen Änderungen in den Widerstandswerten, die es er­ lauben, die Verbiegungsgröße zu bestimmen. Die Verbie­ gungsgröße ist der einwirkenden Kraft und damit der Beschleunigung proportional.A piezoresistive accelerometer becomes typi usually made of a semiconducting material, e.g. Sili manufactured in which resistors in suitable Crystal directions are diffused. If the Kri If the stall is bent, the resulting chips changes in the resistance values that it allow to determine the amount of bending. The Verbie size is the acting force and thus the Acceleration proportional.

Piezowiderstände in Miniaturformat können unter Verwen­ dung der Fertigungsmethoden der Mikroelektronik und Kleinstmaschinentechnik beispielsweise aus Silizium hergestellt werden. Um die maximale Empfindlichkeit zu erhalten, müssen die Spannungsmaxima auf die Wider­ standsbereiche gebracht werden. Daraus folgt, daß die Dislokationsamplitude des elastischen Teiles übermäßig groß wird, wenn man das Verhältnis zur Dicke der Struk­ tur betrachtet. Da Silizium selbst eine relativ geringe Dichte aufweist, müssen empfindliche Beschleunigungs­ messer noch zusätzlich mit Hilfsgewichten, die als seismische Massen des Beschleunigungsmessers wirken, ausgestattet werden. Die Herstellung der Hilfsmassen macht das Verfahren in der Durchführung schwierig. Fer­ ner sind piezoresistive Beschleunigungsmesser weitaus empfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen als bei­ spielsweise kapazitive Beschleunigungsmesser. Weiterhin ist der sogenannte Dehnungsfaktor für den piezoresisti­ ven Beschleunigungsmesser kleiner als für den kapaziti­ ven Beschleunigungsmesser.
PA
Piezo resistors in miniature format can be made using silicon, for example, using the manufacturing methods of microelectronics and miniature machine technology. In order to obtain the maximum sensitivity, the voltage maxima must be brought to the resistance ranges. It follows that the dislocation amplitude of the elastic member becomes excessively large when considering the ratio to the thickness of the structure. Since silicon itself has a relatively low density, sensitive accelerometers must also be equipped with auxiliary weights that act as seismic masses of the accelerometer. The preparation of the auxiliary masses makes the process difficult to carry out. Piezoresistive accelerometers are also far more sensitive to temperature fluctuations than capacitive accelerometers, for example. Furthermore, the so-called strain factor for the piezoresistive accelerometer is smaller than for the capacitive accelerometer.
PA

Seit Ende der 60er Jahre wird monokristallines Silizium zur Herstellung von Beschleunigungsmessern verwendet. Einige dieser Lösungen wurden in wissenschaftlichen Ar­ tikeln veröffentlicht und andere wurden auch patentiert. Piezoresistive Beschleunigungsmesser werden beispiels­ weise in den folgenden Publikationen beschrieben:Monocrystalline silicon has been used since the late 1960s used to manufacture accelerometers. Some of these solutions have been developed in scientific ar articles have been published and others have also been patented. Piezoresistive accelerometers are used, for example described in the following publications:

  • (1) L. M. Roylance and J. B. Angell, "A batch fabricated silicon accelerometer," IEEE Trans. on Electron De­ vices, ED-26, S. 1911-1920 (1979)(1) L.M. Roylance and J.B. Angell, "A batch fabricated silicon accelerometer, "IEEE Trans. on Electron De vices, ED-26, pp. 1911-1920 (1979)
  • (2) W. Benecke et al., "A frequency selective piezore­ sistive silicon vibration sensor," Transducers ′87, S. 406-409 (1987)(2) W. Benecke et al., "A frequency selective piezore sistive silicon vibration sensor, "Transducers ′87, Pp. 406-409 (1987)
  • (3) M. Tsugai and M. Bessho, "Semiconductor accelerome­ ter for automotive controls," Transducers ′87, S. 403-405 (1987)(3) M. Tsugai and M. Bessho, "Semiconductor accelerome for automotive controls, "Transducers ′87, p. 403-405 (1987)
  • (4) E.J. Evans, US-PS 34 78 604 (1968)(4) E.J. Evans, U.S. Patent No. 34 78 604 (1968)
  • (5) A.J. Yerman, US-PS 35 72 109 (1971)(5) A.J. Yerman, U.S. Patent 35 72 109 (1971)

Die Konstruktionen gemäß den Druckschriften (4) und (5) betreffen einen Beschleunigungsmesser mit einem bieg­ samen Trägheitskörper. Constructions according to documents (4) and (5) concern an accelerometer with a bend seed inertial body.  

Entsprechende kapazitive Beschleunigungsmesser sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:Corresponding capacitive accelerometers are in described in the following publications:

  • (6) H.W. Fischer, US-PS 39 11 738 (1975)(6) H.W. Fischer, US Pat. No. 3,911,738 (1975)
  • (7) W.H. Ficken, US-PS 40 09′607 (1977)(7) W.H. Ficken, US-PS 40 09'607 (1977)
  • (8) F.V. Holdren et al., US-PS 40 94 199 (1978)(8) F.V. Holdren et al., U.S. Patent 4,094,199 (1978)
  • (9) H.E. Aine, US-PS 41 44 516 (1979)(9) H.E. Aine, U.S. Patent 41 44 516 (1979)
  • (10) K.E. Petersen et al., US-PS 43 42 227 (1982)(10) K.E. Petersen et al., U.S. Patent 4,342,227 (1982)
  • (11) R.F. Colton, US-PS 44 35 737 (1984)(11) R.F. Colton, U.S. Patent 4,435,737 (1984)
  • (12) F. Rudolf, US-PS 44 Q83 194 (1984)(12) F. Rudolf, U.S. Patent 44 Q83 194 (1984)
  • (13) L.B. Wilner, US-PS 45 74 327 (1986)(13) L.B. Wilner, US-PS 45 74 327 (1986)

Druckschrift (6) beschreibt einen Beschleunigungsmesser unter Verwendung zweier Kapazitäten, ohne eine physika­ lische Konstruktion zu offenbaren.Document (6) describes an accelerometer using two capacities without a physika construction.

Druckschrift (7) ist bis auf eine unterschiedliche elektrische Ausführung prinzipiell mit Druckschrift (6) identisch.Document (7) is different except for one electrical version with printed text (6) identical.

Druckschrift (8) behandelt ebenfalls einen Beschleuni­ gungsmesser, der nach dem Zweikapazitätenprinzip funk­ tioniert.Document (8) also deals with an acceleration diffraction meter that works according to the two-capacity principle worked.

Druckschrift (9) beschreibt einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser, bei welchem die seismische Masse an Blattfedern aufgehängt ist.Document (9) describes a micromechanical Accelerometer where the seismic mass is hung on leaf springs.

Druckschrift (10) beschreibt einen Beschleunigungsmesser mit flexiblem Trägheitskörper, bei welchem sich der Trägheitskörper in der Horizontalebene bewegt und einen elektrisch unsymmetrischen Aufbau aufweist.Document (10) describes an accelerometer  with a flexible inertial body, in which the Inertial body moved in the horizontal plane and one has an electrically asymmetrical structure.

Druckschrift (11) handelt eine ringförmige Bauweise ab.Document (11) deals with an annular design.

Druckschrift (12) beschreibt eine verdreht aufgehängte Platte, bei welcher die Kapazität nur auf einer Plat­ tenseite angeordnet ist.Document (12) describes a twisted hanging Plate in which the capacity is only on one plate is arranged side.

Druckschrift (13) beschreibt eine Konstruktion, bei der die seismische Masse an einer Membranfeder aufgehängt ist.Document (13) describes a construction in which the seismic mass is suspended from a diaphragm spring is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere Nachteile des vorerwähnten Standes der Technik zu vermeiden und einen vollständig neuen Typ eines ka­ pazitiven Beschleunigungsmessers sowie eines Verfahrens zu seiner Herstellung zu schaffen.The object of the present invention is one or several disadvantages of the aforementioned prior art to avoid and a completely new type of ka capacitive accelerometer and a method to create it.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeich­ nenden Merkmale der Ansprüche 1 und 5.This problem is solved by the character nenden features of claims 1 and 5.

Die Erfindung beruht auf dem Bau eines kapazitiven Beschleunigungsmessers aus zwei Kondensatoren mit einer gemeinsamen beweglichen Elektrode, die gleichzeitig als seismische Masse des Beschleunigungsmessers dient. Die Mittelelektrode bildet eine monolithische Konstruktion mit einem aus demselben Material hergestellten Träg­ heitskörper. Es ist möglich, eines oder mehrere dieser elastischen Bauteile zu verwenden. Die seismische Masse wird einer angelegten Beschleunigung entsprechend um einige wenige Mikrometer ausgelenkt und diese Auslenkung wird aus den Änderungen der Kapazitätswerte bestimmt. Der Beschleunigungsmesser ist zweiseitig und symmetrisch aufgebaut. The invention is based on the construction of a capacitive Accelerometer made up of two capacitors with one common movable electrode, which at the same time as Seismic mass of the accelerometer is used. The Center electrode forms a monolithic construction with a carrier made of the same material unit body. It is possible to have one or more of these to use elastic components. The seismic mass is applied according to an applied acceleration deflected a few microns and this deflection is determined from the changes in the capacitance values. The accelerometer is bilateral and symmetrical built up.  

Die erfindungsgemäße Bauweise bietet die folgenden Vor­ teile:The design according to the invention offers the following parts:

  • - Das Prinzip des kapazitiven Betriebs gewährleistet eine große Empfindlichkeit Δ C/C bei einer kleinen Auslenkung der seismischen Masse.- The principle of capacitive operation ensures a high sensitivity Δ C / C with a small deflection of the seismic mass.
  • - Der symmetrischen Bauweise zufolge hat der Beschleu­ nigungsmesser eine extrem niedrige nicht kompen­ sierte Temperaturempfindlichkeit.- According to the symmetrical design, the access system has level meter an extremely low not compen sized temperature sensitivity.
  • - Da die seismische Masse aus demselben Material be­ steht wie das biegsame Bauteil, beispielsweise aus Silizium, erübrigt sich eine seismische Hilfsmasse.- Since the seismic mass is made of the same material stands out like the flexible component, for example Silicon, a seismic auxiliary mass is not necessary.
  • - Der Dämpfungsfaktor des Beschleunigungsmessers kann variabel gestaltet werden sowohl durch Rillung der Kondensatorelektroden als auch durch Einbringen eines geeigneten Druckes in die Beschleunigungsmes­ serkonstruktion während des Herstellungsprozesses.- The accelerometer's damping factor can can be designed variably by creasing the Capacitor electrodes as well by insertion a suitable pressure in the accelerometer construction during the manufacturing process.
  • - Die Kapazitätsänderungen sind symmetrisch um den Nullwert der Beschleunigung.- The capacity changes are symmetrical around the Zero acceleration.
  • - Der Beschleunigungsmesser kann in großen Serien hergestellt werden.- The accelerometer can be used in large series getting produced.
  • - Der Beschleunigungsmesser hat eine bemerkenswert hohe Überbelastungstoleranz, weil die seismische Masse nur um wenige Mikrometer ausgelenkt wird, be­ vor sie durch die Seitenelektroden in ihre Lage zu­ rückversetzt wird.- The accelerometer has a remarkable one high overload tolerance because of the seismic Mass is deflected only a few micrometers, be in front of them through the side electrodes is reset.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungs­ beispiele der Erfindung anhand der Zeichnung. Further advantages and features of the invention result from the following description of several execution examples of the invention with reference to the drawing.  

Darin zeigt:It shows:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Längsschnittes eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesseraufbaus. Fig. 1 is a side view of a longitudinal section of an accelerometer assembly according to the invention.

Fig. 2 die Seitenansicht eines Längsschnittes einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesseraufbaus. Fig. 2 is a side view of a longitudinal section of another embodiment of an accelerometer assembly according to the invention.

Fig. 3a-3c die verschiedenen Teile des in Fig. 1 ge­ zeigten Beschleunigungsmesseraufbaus in per­ spektivischer Darstellung. FIGS. 3a-3c, the various parts of the ge in Fig. 1 showed accelerometer structure in per spectral representation TiVi shear.

Fig. 4a-4c die verschiedenen Teile des in Fig. 2 ge­ zeigten Beschleunigungsmesseraufbaus in pers­ pektivischer Darstellung. Figs. 4a-4c illustrate the various parts of the ge in Fig. 2 showed accelerometer structure in pers pektivischer representation.

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines teilwei­ sen Längsschnitts des in Fig. 2 abgebildeten Beschleunigungsmesseraufbaus. FIG. 5 is a perspective view of a partial longitudinal section of the accelerometer assembly shown in FIG. 2.

Fig. 6 die Seitenansicht eines Längsschnittes eines dritten erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser­ aufbaus. Fig. 6 is a side view of a longitudinal section of a third accelerometer structure according to the invention.

Fig. 7a eine erste Maskierungsphase eines erfindungsge­ mäßen Beschleunigungsmesseraufbaus in Draufsicht von oben. Fig. 7a, a first phase of a masking erfindungsge MAESSEN accelerometer structure in top plan view.

Fig. 7b das durch die Fig. 7a gezeigte Maskierungsphase erhaltene Endergebnis in Draufsicht von oben. Fig. 7b by Figs. Masking phase obtained result in plan view from above shown 7a.

Fig. 8a eine zweite Maskierungsphase eines erfindungs­ gemäßen Beschleunigungsmesseraufbaus in Drauf­ sicht von oben. Fig. 8a is a second masking phase of a fiction, modern accelerometer structure in top plan view.

Fig. 8b das durch die in Fig. 8a gezeigte Maskierungs­ phase erhaltene Endergebnis in Draufsicht von oben. Fig. 8b the end result obtained by the masking phase shown in Fig. 8a in plan view from above.

Fig. 9a eine dritte Maskierungsphase des erfindungsge­ mäßen Beschleunigungsmesseraufbaus in Draufsicht von oben. Fig. 9a shows a third phase of the masking erfindungsge MAESSEN accelerometer structure in top plan view.

Fig. 9b das durch die in Fig. 9a abgebildete Maskie­ rungsphase erhaltene Endergebnis in Draufsicht von oben. Fig. 9b the end result obtained by the masking phase shown in Fig. 9a in plan view from above.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser kann bei­ spielsweise aus monokristallinem Silizium, unter Ver­ wendung konventioneller Verfahren, die aus der mikrome­ chanischen Fertigung bekannt sind, hergestellt werden. Fig. 1 verdeutlicht den fundamentalen Aufbau des Be­ schleunigungsmessers. Der Beschleunigungsmesser kann hermetisch versiegelt werden, derart, daß das Gehäuse des Beschleunigungsmessers verschlossen werden kann und mit Gas eines geeignet niedrigen Unterdruckes gefüllt werden kann. Der Druck des Füllgases kann verändert werden, um den gewünschten Dämpfungsfaktor der seismi­ schen Masse des Beschleunigungsmessers zu erhalten. Das verwendete Füllgas kann beispielsweise trockene Luft sein. Ein in geeigneter Weise ausgewählter Dämpfungs­ faktor führt zu einem günstigen Frequenzverhalten des Beschleunigungsmessers.The accelerometer according to the invention can be produced, for example, from monocrystalline silicon using conventional methods known from micromechanical production. Fig. 1 illustrates the fundamental structure of the accelerometer loading. The accelerometer can be hermetically sealed such that the accelerometer housing can be closed and filled with gas of a suitably low vacuum. The pressure of the fill gas can be changed to obtain the desired damping factor of the seismic mass of the accelerometer. The filling gas used can be dry air, for example. A damping factor selected in a suitable manner leads to a favorable frequency behavior of the accelerometer.

Jedoch wird ein einfacher Aufbau des Beschleunigungs­ messers erhalten, wenn man den Beschleunigungsmesser offen konstruiert, so wie in Fig. 2 dargestellt, so daß der Gasdruck im Inneren des Beschleunigungsmessers dem Umgebungsdruck gleich ist. Die Verbindung des inneren Gasraumes mit der Umgebung findet über einen Kanal 8 statt. Der Dämpfungsfaktor der seismischen Masse ist jedoch außergewöhnlich hoch, so daß diese Art von Be­ schleunigungsmessern nur bei niedrigen Frequenzen (d.h. einige wenige Hertz) und für statische Beschleunigungs­ messungen verwendet werden kann.However, a simple structure of the accelerometer is obtained if the accelerometer is constructed open, as shown in Fig. 2, so that the gas pressure inside the accelerometer is equal to the ambient pressure. The connection of the inner gas space with the environment takes place via a channel 8 . However, the damping factor of the seismic mass is exceptionally high, so that this type of accelerometer can only be used at low frequencies (ie a few Hertz) and for static acceleration measurements.

Fig. 1 zeigt den Aufbau des hermetisch verschlossenen Beschleunigungsmessers. Der Beschleunigungsmesser hat eine geschichtete Struktur, die planare, elektrisch un­ tereinander verbundene Seitenelektrodenstrukturen 15 aufweist und zwischen denen eine parallel angeordnete Mittelelektrodenstruktur 16 angeordnet ist, deren seis­ mische Masse 1 durch den Kopf eines klöppelartigen Trägheitskörpers 17 gebildet wird. Der klöppelartige Trägheitskörper 17 wird zur Mittelelektrodenstruktur 16 geformt, in demman in die Mittelektrodenstruktur 16 eine U-förmige Ausnehmung hineinarbeitet, die sich über die gesamte Struktur der Mittelelektrode 16 ausdehnt. Zusätzlich entfernt man Material aus dem Trägheitskörper 17, um eine Lücke 7 auszubilden, die eine Kapazität bewirkt. Weiterhin wird die Breite eines Stielbereichs 2 des Trägheitskörpers 17 vermindert, damit dieser Bereich flexibel wird. Daher umfaßt die gesamte Mittelelektro­ denstruktur 16 den Trägheitskörper 17, der wiederum die seismische Masse 1, den flexiblen Stilbereich 2 sowie ein Körperelement 3 des Beschleunigungsmessers umfaßt, wobei dieses den klöppelartigen Trägheitskörper 17 um­ gibt. Die seismische Masse 1 wird vorteilhafterweise einige wenige Mikrometer dünner als das Körperelement 3 hergestellt. Die Mittelelektrodenstruktur 16 kann bei­ spielsweise aus demselben monokristallinen Silizium hergestellt werden. Die Kapazitäten des Beschleuni­ gungsmessers werden zwischen der gemeinsamen beweglichen Elektrode 1 der Mittelelektrodenstruktur 16 und den feststehenden Seitenelektroden 4 der Seitenelektroden­ strukturen 15 gebildet. Die Seitenelektroden 4 werden beispielsweise aus monokristallinem Silizium herge­ stellt, indem man die Oberflächen so anätzt, daß sie einer Isolierschicht 5 entsprechen und damit einen erhöhten Bereich im Silizium sowohl bei der seismischen Masse 1 als auch bei einem Bindungsbereich 6 hinter­ lassen. Die Isolierschicht 5 kann beispielsweise aus Glas bestehen. Die glasbeschichtete Isolierschicht 5 und das Körperelement 3 können beispielsweise unter Verwen­ dung des sogenannten anodischen Verbindens (anodic bon­ ding) fest miteinander verbunden werden. Der Aufbau der Mittelelektrodenstruktur 16 ist spiegelsymmetrisch in bezug auf eine in Fig. 1 angedeutete Ebene S (xy-Ebene). Dabei ist die seismische Masse 1 in der z-Richtung be­ weglich angeordnet. Der Aufbau des Beschleunigungsmessers gemäß Fig. 1 ist in den Fig. 3a-3c im Detail dargestellt. Die oberen Ab­ bildungen 3a und 4a der Fig. 3 und 4 sind in umgekehrter Lage dargestellt, um sowohl die metallisierten Flächen 6 und 6′ als auch die Siliziumfläche 4 besser sichtbar zu machen. Fig. 1 shows the structure of the hermetically sealed accelerometer. The accelerometer has a layered structure which has planar, electrically interconnected side electrode structures 15 and between which a parallel arranged central electrode structure 16 is arranged, the seis mixed mass 1 is formed by the head of a clapper-like inertial body 17 . The clapper-type inertial body 17 is formed to the center electrode pattern 16, a U-shaped into operates in demman in the electrode structure 16 Mitt recess which extends over the entire structure of the center electrode sixteenth In addition, material is removed from the inertial body 17 to form a gap 7 , which causes a capacitance. Furthermore, the width of a stem area 2 of the inertial body 17 is reduced so that this area becomes flexible. Therefore, the entire Mittelelektro denstruktur 16 includes the inertial body 17 , which in turn comprises the seismic mass 1 , the flexible style area 2 and a body element 3 of the accelerometer, which surrounds the clapper-like inertial body 17 . The seismic mass 1 is advantageously produced a few micrometers thinner than the body element 3 . The center electrode structure 16 can be produced, for example, from the same monocrystalline silicon. The capacitances of the accelerometer are formed between the common movable electrode 1 of the center electrode structure 16 and the fixed side electrodes 4 of the side electrode structures 15 . The side electrodes 4 are made of monocrystalline silicon, for example, by etching the surfaces so that they correspond to an insulating layer 5 and thus leave an increased area in the silicon both in the seismic mass 1 and in a binding area 6 . The insulating layer 5 can be made of glass, for example. The glass-coated insulating layer 5 and the body element 3 can for example be firmly connected to one another using the so-called anodic bonding (anodic bon ding). The structure of the center electrode structure 16 is mirror-symmetrical with respect to a plane S (xy plane) indicated in FIG. 1. The seismic mass 1 is movably arranged in the z-direction. The structure of the accelerometer according to FIG. 1 is shown in detail in FIGS . 3a-3c. From top 3a and 4a of FIGS . 3 and 4 are shown in the reverse position to make both the metallized surfaces 6 and 6 ' and the silicon surface 4 more visible.

Fig. 2 zeigt eine offene Bauweise eines Beschleuni­ gungsmessers. Dieser Aufbau unterscheidet sich von geschlossenen Bauweisen durch die folgenden Details: Fig. 2 shows an open design of an accelerometer supply. This structure differs from closed designs in the following details:

  • - Die Seitenelektrodenstruktur 15 wird vollständig aus Glas gefertigt, dessen Oberfläche von metallisierten Flächen 6 und 6′ bedeckt ist, die für die elektri­ schen Funktionen des Beschleunigungsmessers erfor­ derlich sind.- The side electrode structure 15 is made entirely of glass, the surface of which is covered by metallized surfaces 6 and 6 ', which are necessary for the electrical functions of the accelerometer.
  • - Die Metallisierung 6 ist so angeordnet, daß sie in einen Kanal 8 einmündet, zu dem Zweck, den Kurz­ schluß der Metallisierung 6 und des Körperelementes 3 zu verhindern.- The metallization 6 is arranged so that it opens into a channel 8 , for the purpose of preventing the short circuit of the metallization 6 and the body element 3 .

Der Aufbau des Beschleunigungsmessers gemäß Fig. 2 ist in den Fig. 4a-4c im Detail dargestellt. In beiden ge­ zeigten Bauweisen werden die elektrischen Kontaktflächen 6 vorzugsweise in derselben Ebene hergestellt, wodurch es notwendig wird, eine in den Fig. 3 und 4 gezeigte elektrische Durchkontaktierung 10 zu verwenden. Dieses Teil besteht aus demselben Material wie das Körperele­ ment 3, ist jedoch von diesem isoliert. Die Form des Elementes 10 ist in Fig. 5 näher beschrieben. Der Zweck eines in Fig. 4b gezeigten Anschlusses 9 ist es, einen elektrischen Kontakt von dem Körperelement 3 zu der mittleren Kontaktfläche 6 herzustellen. Das Layout des Beschleunigungsmessers ist in Fig. 5 dargestellt.The structure of the accelerometer according to FIG. 2 is shown in detail in FIGS. 4a-4c. In both ge shown designs, the electrical contact surfaces 6 are preferably produced in the same plane, which makes it necessary to use an electrical via 10 shown in FIGS. 3 and 4. This part consists of the same material as the Körperele element 3 , but is isolated from it. The shape of the element 10 is described in more detail in FIG. 5. The purpose of a connection 9 shown in FIG. 4b is to make electrical contact from the body element 3 to the central contact surface 6 . The layout of the accelerometer is shown in FIG. 5.

Die Erschütterungsbeständigkeit des Beschleunigungsmes­ sers kann verbessert werden, indem man das flexible Element 2 in einer Weise ätzt, daß sich dort solche Vorsprünge 11, wie sie in Fig. 6 gezeigt werden, aus­ bilden und die eine übermäßige Verbiegung des Elementes 2 bei einer schweren Erschütterung verhindern. Die Di­ mensionierung des Beschleunigungsmessers hängt stark von der erwünschten Empfindlichkeit und den erwünschten Ka­ pazitäten ab. Typische Maße für die seismische Masse 1 sind beispielsweise 2 × 0,5 × 4 mm³ und für den Stiel 2 2 × 0,07 × 4 mm³. Die äußeren Abmessungen des Beschleu­ nigungsmessers betragen ungefähr 4 × 3 × 12 mm³ (Breite × Höhe × Länge).The vibration resistance of the acceleration sensor can be improved by etching the flexible element 2 in such a way that such projections 11 , as shown in FIG. 6, form there and an excessive bending of the element 2 in the event of a severe vibration prevent. The dimensioning of the accelerometer depends strongly on the desired sensitivity and the desired capacitances. Typical dimensions for seismic mass 1 are, for example, 2 × 0.5 × 4 mm³ and for stem 2 2 × 0.07 × 4 mm³. The outer dimensions of the accelerometer are approximately 4 × 3 × 12 mm³ (width × height × length).

Die im folgenden beschriebenen Herstellungsphasen können zum Bearbeiten beider Seiten eines monokristallinen Halbleitergrundmaterials, beispielsweise ein auf beiden Seiten polierter Siliziumwafer, verwendet werden.The manufacturing phases described below can to process both sides of a monocrystalline Semiconductor base material, for example one on both Sides of polished silicon wafers.

  • 1. Beide Seiten des Siliziumwafers werden bis zu einer Tiefe von ungefähr 250 nm oxidiert. Die Waferdicke kann beispielsweise 500 µm betragen.1. Both sides of the silicon wafer are up to one Oxidized depth of about 250 nm. The wafer thickness  can be, for example, 500 microns.
  • 2. Der Wafer ist mit einem Fotoresist beschichtet und wird, wie in Fig. 7a dargestellt, belichtet, um Mit­ telelektrodenflächen 12 zu erhalten, von denen die Oxidschicht weggeätzt wird. Fig. 7 zeigt einen Sili­ ziumchip.2. The wafer is coated with a photoresist and, as shown in FIG. 7a, is exposed in order to obtain telelectrode surfaces 12 , from which the oxide layer is etched away. Fig. 7 shows a silicon chip.
  • 3. Anschließend wird die in Fig. 7b gezeigte Mittelelek­ trodenfläche 12 beispielsweise mit einer wäßrigen Lösung von KOH bis zu einer Tiefe von ungefähr 4 µm geätzt.3. The center electrode surface 12 shown in FIG. 7b is then etched, for example with an aqueous solution of KOH, to a depth of approximately 4 μm.
  • 4. Die Oxidschicht des Wafers wird unter Verwendung ge­ pufferter HF weggeätzt und der Wafer wird bis zu ei­ ner Tiefe von ungefähr 0,8 µm oxidiert (1-4: Verar­ beitungsphase I).4. The oxide layer of the wafer is ge using buffered HF is etched away and the wafer is up to egg at a depth of approximately 0.8 µm (1-4: process processing phase I).
  • 5. Der Wafer wird mit einem Fotoresist beschichtet und an den Ecken der Mittelelektrodenfläche 12 belichtet, um eine Eckfläche 13 und eine in Fig. 8a gezeigte Kontaktfläche 13′ zu erhalten und aus denen das Oxid entfernt wird. Dann wird der Fotoresist entfernt.5. The wafer is coated with photoresist and exposed to light at the corners of the center electrode area 12 to form a corner surface 13 and a contact area shown in Fig. 8a 'to obtain 13 and from which the oxide is removed. Then the photoresist is removed.
  • 6. Die Flächen 13 und 13′ werden bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 µm geätzt, wobei ein in Fig. 8b gezeigtes Mittelelektrodenmuster 17′ gebildet wird (5-6: Verar­ beitungsphase II).6. The surfaces 13 and 13 'are etched to a depth of approximately 50 microns, whereby a center electrode pattern 17 ' shown in Fig. 8b is formed (5-6: processing phase II).
  • 7. Der Wafer wird wiederum mit einem Fotoresist be­ schichtet und im Stielbereich des Mittelelektroden­ musters 17′ belichtet, um eine Fläche 14, gemäß Fig. 9a, zu erhalten. Aus dieser Fläche 14 wird dann das Oxid entfernt.7. The wafer is in turn coated with a photoresist and exposed in the stem area of the center electrode pattern 17 'in order to obtain a surface 14 , as shown in FIG. 9a. The oxide is then removed from this surface 14 .
  • 8. Das Ätzen des Wafers wird beispielsweise in einer wässrigen Lösung von KOH fortgeführt, bis eine ge­ wünschte Tiefe der Fläche 14 erhalten wird, typi­ scherweise bis hinunter auf 40-100 µm, wobei, wie in Fig. 9b gezeigt, eine Durchdringung der Fläche 13 auftritt (7-8: Verarbeitungsphase III).8. The etching of the wafer is continued, for example, in an aqueous solution of KOH until a desired depth of area 14 is obtained, typically down to 40-100 µm, with, as shown in Fig. 9b, area penetration 13 occurs (7-8: processing phase III).

Dieses Verfahren führt zu dem Element 16, gemäß Fig. 3b.This method leads to element 16 , as shown in FIG. 3b.

Die Seitenelektrodenstrukturen 15, gemäß den Fig. 3a und 3c werden hergestellt unter Verwendung der oben be­ schriebenen Technik durch Ätzen einer Oberfläche auf dem Siliziumwafer auf eine Tiefe von ungefähr 150 µm, so daß nur die kleine (schraffierte) Fläche 4, die in den Fig. 3a und 3c gezeigt ist, zusammen mit der Fläche 6 (schraffiert), die elektrisch mit der Fläche 4 verbunden ist, auf der ursprünglichen Höhe stehenbleibt. An­ schließend wird die geätzte Oberfläche des Wafers be­ schichtet, indem eine geeignete Glasschicht aufgeschmol­ zen wird, beispielsweise Schott Tempax, Corning 7070 oder Corning 7740 grade glass, welches auf dieselbe Höhe wie die ursprüngliche Oberfläche des Wafers abgeschlif­ fen und poliert wird. Dieses Verfahren ist im Stand der Technik aus der US-PS 45 97 027 (A. Lehto) bekannt. Der glasbeschichtete Wafer wird dann weiterverarbeitet, um die Metallisierungen 6 zu erhalten, wobei ein Lift­ off-Verfahren oder ein Ätzverfahren verwendet wird. Diese Verfahren sind konventionelle Prozesse und werden daher nicht näher beschrieben. Schließlich werden alle drei Wafer miteinander verbunden, wobei das sogenannte anodische Verbinden unter einem geeigneten Druck ver­ wendet wird. Der verwendete Druckbereich hängt von dem erwünschten Dämpfungsfaktor des Beschleunigungsmessers ab und liegt typischerweise in der Größenordnung von einigen hPa. Eine detaillierte Beschreibung der ange­ wendeten Verfahren (wie auch anderen Verfahren) kann in dem Buch von Ivor Brodie und Julius J. Muray "The Phy­ sics of Microfabrication", Plenum Press, New York, 1983 nachgeschlagen werden.The side electrode structures 15, shown in FIGS. 3a and 3c are prepared using the above-be signed art by etching a surface on the silicon wafer to a depth of about 150 microns, so that only the small (hatched) area 4, shown in Figures . 3a and 3c is shown, together with the surface 6 (hatched) which is electrically connected to the surface 4, remains at the original level. The etched surface of the wafer is then coated by melting a suitable glass layer, for example Schott Tempax, Corning 7070 or Corning 7740 grade glass, which is ground and polished to the same height as the original surface of the wafer. This method is known in the prior art from US Pat. No. 4,597,027 (A. Lehto). The glass-coated wafer is then processed further in order to obtain the metallizations 6 , using a lift-off process or an etching process. These processes are conventional processes and are therefore not described in detail. Finally, all three wafers are connected to one another, using the so-called anodic connection under a suitable pressure. The pressure range used depends on the desired damping factor of the accelerometer and is typically on the order of a few hPa. A detailed description of the methods used (as well as other methods) can be found in the book by Ivor Brodie and Julius J. Muray "The Physics of Microfabrication ", Plenum Press, New York, 1983.

Die Mittelelektrodenstrukturen 16, die den Fig. 4a-4c entsprechen, werden unter Verwendung von Verfahren, die den oben beschriebenen nahezu identisch sind, herge­ stellt. Der Unterschied liegt in einer Fläche, die im Bereich des Kanals 8 und der Kontaktfläche 9 während der 4 µm Ätzphase vergrößert wurde.The center electrode structures 16, which correspond to FIGS . 4a-4c, are manufactured using methods that are almost identical to those described above. The difference lies in an area that was enlarged in the area of the channel 8 and the contact area 9 during the 4 μm etching phase.

Die Mittelelektrodenstrukturen 15, gemäß den Fig. 4a-4c, werden aus Glas hergestellt, beispielsweise aus Schott Tempax, Corning 7070 oder Corning 7740 grade glass. Die Flächen 6 und 6′ werden unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens metallisiert. Der Aufbau des Beschleunigungsmessers erfolgt unter Verwendung des anodischen Verbindens bei normalem Umgebungsdruck.The center electrode structures 15 , according to FIGS. 4a-4c, are produced from glass, for example from Schott Tempax, Corning 7070 or Corning 7740 grade glass. The surfaces 6 and 6 'are metallized using the method described above. The accelerometer is constructed using anodic bonding at normal ambient pressure.

Bei beiden Beschleunigungsmesserbauweisen können die Wafer durch Brechen unter Zuhilfenahme von vorgeschnit­ tenen Rillen getrennt werden.With both accelerometer designs, the Pre-cut wafer by breaking grooves are separated.

Claims (5)

1. Kapazitiver Beschleunigungsmesser aus Siliziummate­ rial mit:
zwei gegenseitig räumlich angeordneten, parallel liegenden, im wesentlichen plattenähnlichen ebenen Seitenelektrodenstrukturen (15), die einander gegen­ überliegend angeordnet sind, die feststehende Sei­ tenelektroden (4, 6′) darstellen; und
einer einheitlichen, im wesentlichen plattenähnli­ chen, zwischen den Seitenelektrodenstrukturen (15) angeordneten Mittelelektrodenstruktur (16), wobei die Mittelelektrodenstruktur (16) die folgenden Teile umfaßt:
ein Körperelement (3), welches den Seitenelektro­ denstrukturen (15) benachbart ist; und
mindestens eine Mittelelektrode (17), die in der Nachbarschaft der Seitenelektroden (4, 6′) angeord­ net ist und die einen Stielbereich (2) und einen Kopf (1) aufweist, so daß der Stiel (2) der Mit­ telelektrode (17) diese mit dem Körperelement (3) verbindet, welches die Mittelelektrode (17) an den Seiten umgibt und der Stielbereich (2) wesentlich dünner als der Kopf (1) ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittelelektrodenstruktur (16) symmetrisch bezüg­ lich der Mittelebene (S) der Seitenelektroden­ strukturen (15) ist;
die Mittelelektrode (17) eine klöppelähnliche Form aufweist und umgeben ist von einer Ausnehmung, die sich U-förmig durch das Körperelement (3) er­ streckt;
der Kopf (1) der Mittelelektrode (17) eine Dicke aufweist, die ungefähr der des Körperelementes (3) entspricht, so daß kleine Elektrodenlücken (7) mit einem Zwischenraum, der durch die Dicke des Kopfes (1) bestimmt wird, zwischen den Seitenelektroden (4, 6′) und der Mittelelektrode (17) gebildet werden; und
die Seitenelektrodenstrukturen (15) über eine elek­ trisch isolierende Schicht (5) in einer fest ver­ bindenden Weise auf dem Körperelement (3) der Mit­ telelektrodenstruktur (16) angebracht werden, wobei jede Mittelelektrode (17) in einem hermetisch geschlossenen Raum verbleibt und die Elektroden­ strukturen (15, 16) in der Regel galvanisch vonein­ ander isoliert sind, falls keine äußeren elektri­ schen Verbindungen existieren.
1. Capacitive accelerometer made of silicon material with:
two mutually spatially arranged, parallel, substantially plate-like flat side electrode structures ( 15 ) which are arranged opposite one another, which are fixed side electrodes ( 4 , 6 '); and
a uniform, chen substantially plattenähnli arranged between the side electrode structures (15) center electrode structure (16), wherein the center electrode structure (16) comprises the following parts:
a body element ( 3 ) which is adjacent to the side electrode structures ( 15 ); and
at least one center electrode ( 17 ) which is in the vicinity of the side electrodes ( 4 , 6 ') angeord and which has a stem area ( 2 ) and a head ( 1 ), so that the stem ( 2 ) of the center electrode ( 17 ) this connects to the body element ( 3 ) which surrounds the center electrode ( 17 ) on the sides and the stem area ( 2 ) is substantially thinner than the head ( 1 ), characterized in that
the center electrode structure ( 16 ) is symmetrical with respect to the center plane ( S ) of the side electrode structures ( 15 );
the center electrode ( 17 ) has a clapper-like shape and is surrounded by a recess which extends in a U-shape through the body element ( 3 );
the head ( 1 ) of the center electrode ( 17 ) has a thickness which corresponds approximately to that of the body element ( 3 ), so that small electrode gaps ( 7 ) with a gap, which is determined by the thickness of the head ( 1 ), between the side electrodes ( 4 , 6 ') and the center electrode ( 17 ) are formed; and
the side electrode structures ( 15 ) via an electrically insulating layer ( 5 ) in a firmly binding manner on the body element ( 3 ) of the central electrode structure ( 16 ) are attached, each central electrode ( 17 ) remaining in a hermetically sealed space and the electrodes structures ( 15 , 16 ) are usually galvanically isolated from each other if no external electrical connections exist.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittelelektrodenstruktur (16) eine rechteckige Form aufweist.2. Accelerometer according to claim 1, characterized in that the central electrode structure ( 16 ) has a rectangular shape. 3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittelelektroden­ struktur (16) bearbeitet wird, um eine säulenartige, elektrisch leitend verbundene Struktur (1) elek­ trisch isoliert vom Rest der Mittelelektrodenstruk­ tur (16) zu bilden, wobei Verbindungsflächen (6) der Seitenelektroden (15) in derselben Ebene an­ geordnet sind.3. Accelerometer according to claim 1 or 2, characterized in that the central electrode structure ( 16 ) is processed to form a columnar, electrically conductively connected structure ( 1 ) electrically isolated from the rest of the central electrode structure ( 16 ), wherein connecting surfaces ( 6 ) the side electrodes ( 15 ) are arranged in the same plane. 4. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Be­ schleunigungsmessers, die folgenden Schritte umfas­ send:
zwei Seitenelektrodenstrukturen (15), die die fest­ stehenden Seitenelektroden (4, 6′) umfassen, werden gebildet; und
eine Mittelelektrodenstruktur (16), die eine Mittel­ elektrode (17) umfaßt und die zwischen den Seiten­ elektrodenstrukturen (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittelelektrodenstruktur (16) während einer Ver­ arbeitungsphase I hergestellt wird aus einem ho­ mogenen monokristallinen Halbleiterchip durch Ätzen einer Mittelelektrodenfläche (12) auf beiden Seiten des Mittelbereichs des Chips (Fig. 7);
Eckflächen (13) der Mittelelektrodenfläche (12) auf beiden Seiten des Halbleiterchips während einer Ver­ arbeitungsphase II weiter geätzt werden, so daß von der Mittelelektrodenfläche (12) ein klöppelartiges Mittelelektrodenmuster (17′) stehenbleibt, dessen Dicke während der Verarbeitungsphase I definiert wird und das mit dem ungeätzten Halbleiterchip in Verbindung bleibt (Fig. 8);
ein Stielbereich (14) des Mittelelektrodenmusters (17′) während der Verarbeitungsphase III (Fig. 9) an beiden Seiten so lange weitergeätzt wird, bis die Eckfläche (13) durchgeätzt ist und der Stielbereich (14) eine gewünschte Dicke erreicht hat; und
die Seitenelektroden (15) in fest verbindender Weise an der Mittelelektrodenstruktur (16) angebracht werden.
4. A method of manufacturing a capacitive accelerometer comprising the following steps:
two side electrode structures ( 15 ) comprising the fixed side electrodes ( 4 , 6 ') are formed; and
a center electrode structure (16), the electrode is a means (17) and disposed the electrode structures between the sides (15), characterized in that
the center electrode structure ( 16 ) is manufactured during a processing phase I from a homogeneous monocrystalline semiconductor chip by etching a center electrode surface ( 12 ) on both sides of the center region of the chip ( FIG. 7);
Corner surfaces ( 13 ) of the central electrode surface ( 12 ) on both sides of the semiconductor chip are further etched during a processing phase II, so that from the central electrode surface ( 12 ) a clapper-like central electrode pattern ( 17 ') remains, the thickness of which is defined during the processing phase I and that stays connected to the unetched semiconductor chip ( Fig. 8);
a stem area ( 14 ) of the center electrode pattern ( 17 ') during processing phase III ( Fig. 9) is etched on both sides until the corner surface ( 13 ) is etched through and the stem area ( 14 ) has reached a desired thickness; and
the side electrodes ( 15 ) are attached to the central electrode structure ( 16 ) in a firmly connected manner.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Anbringen der Seitenelek­ troden (15) an der Mittelelektrodenstruktur (16) ein geeigneter Gasdruck in einem Raum (7) eingestellt wird, wobei dieser hermetisch von den Seitenelek­ troden (15) umschlossen wird, um ein vorteilhaftes Frequenzverhalten des Sensors zu erreichen.5. The method according to claim 4, characterized in that in connection with the attachment of the side electrodes ( 15 ) on the central electrode structure ( 16 ) a suitable gas pressure in a space ( 7 ) is set, this hermetically from the side electrodes ( 15 ) is enclosed in order to achieve an advantageous frequency response of the sensor.
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