DE3922476A1 - Kapazitiver beschleunigungssensor in mikromechanischer ausfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Beschleunigungs­ sensor in mikromechanischer Ausführung mit einem äußeren Rahmen, in dem mittels jeweils zwei übereinanderliegender Biegebänder eine rechteckförmige Beschleunigungsplatte mindestens einer Deckplatte benachbart aufgehängt ist, wobei die Biegebänder von Ecken der Beschleunigungsplatte ausgehend zum äußeren Rahmen verlaufen.

Ein bekannter kapazitiver Beschleunigungssensor dieser Art (DE-PS 36 25 411) ist in mikromechanischer Fertigungstechnologie und Ätztechnik hergestellt und enthält jeweils zwei über­ einanderliegende Biegebänder, die im Abstand zur Mittelebene und spiegelsymmetrisch zu ihr angeordnet sind. Die Biegebänder sind entweder aus einem einkristallinen Substrat zusammen mit der Beschleunigungsplatte und dem äußeren Rahmen herausgearbeitet oder als gesonderte Biegestreifen zwischen der Beschleunigungs­ platte und der mindestens einen Deckplatte eingelegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des bekannten kapazitiven Beschleuni­ gungssensors sind acht Biegebänder vorgesehen, die an den Ecken der Beschleunigungsplatte jeweils paarweise übereinander ange­ ordnet sind und Ober- und Unterseite der Beschleunigungsplatte mit dem äußeren Rahmen verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Be­ schleunigungssensor in mikromechanischer Ausführung anzugeben, der sich durch ein besonders günstiges Fehlerverhalten auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe erstrecken sich bei einem kapazitiven Beschleunigungssensor der eingangs angegebenen Art erfindungs­ gemäß am jeweils einen Ende der Seitenkanten der Beschleunigungs­ platte zwei übereinanderliegende Biegebänder im rechten Winkel zur jeweiligen Seitenkante und in Richtung der jeweils angrenzenden Seitenkante der Beschleunigungsplatte zum äußeren Rahmen hin.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschleunigungs­ sensors besteht darin, daß er sich durch ein günstiges Fehler­ verhalten auszeichnet, weil Druck- und Zugeigenspannungen in den Biegebändern kompensiert sind. Druckeigenspannungen in den Biegebändern werden dadurch verursacht, daß es bei einem Strukturierungsvorgang des Beschleunigungssensors mit dotierter Epitaxieschicht bzw. Ionenimplantat oder Diffusion zu einer an das Substrat nicht vollständig angepaßten und dadurch druck­ eigenspannungsbehafteten Schicht kommen kann; da daraus die Biegebänder gebildet sind, weisen diese Druckeigenspannungen auf. Zugeigenspannungen in störender Höhe können bei einem Beschleunigungssensor der hier in Frage kommenden Art bei­ spielsweise dadurch entstehen, daß eine hochdotierte, nicht kompensierte Epitaxieschicht zur Bildung der Biegebänder ver­ wendet wird. In diesem Falle kann eine Gitterverzerrung in der Epitaxieschicht aufgrund kleinerer substituierter bzw. ein­ gelagerter Bor-Atome Ursache für Zugeigenspannungen sein. Außerdem können Zugeigenspannungen in den Biegebändern durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen der mindestens einen mit dem äußeren Rahmen verbundenen Deckplatte und der Beschleuni­ gungsplatte auftreten. Alle diese weitgehend unvermeidbaren Eigenspannungen in den Biegebändern bleiben gemäß der Erfindung ohne nennenswerten Einfluß auf die Ausgangsgröße des Beschleuni­ gungssensors, weil Eigenspannungen infolge der Lage der Biege­ bänder eine geringe Drehbewegung der Beschleunigungsplatte ver­ ursachen, wodurch ihr Einfluß kompensiert wird. Dabei ändert sich das grundsätzliche Meßverhalten des Beschleunigungssensors nicht, weil die Lage und der Abstand der Beschleunigungsplatte in bezug auf die mindestens eine Deckplatte bei der geringen Drehbewegung unverändert bleibt.

Um die Beanspruchung der Biegebänder bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor möglichst gering zu halten, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Biegebänder einen geschwungenen Verlauf aufweisen.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung nur des äußeren Rahmens mit Beschleunigungsplatte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, in

Fig. 2 eine Draufsicht auf dasselbe Ausführungsbeispiel und in

Fig. 3 eine Draufsicht auf den wesentlichen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dargestellt.

Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, weist der dargestellte Teil 1 eines kapazitiven Beschleunigungssensors einen äußeren Rahmen 2 auf, der durch Herausätzen von Silizium-Material aus einem Siliziumblock unter Bildung von durchgehenden Längs­ spalten 3, 4, 5 und 6 erzeugt ist. Nicht weggeätzt sind oben und unten schmale Schichten zwischen den Längsspalten 3 bis 6, die Biegebänder 7, 8, 9 und 10 bilden. Die Biegebänder sind jeweils paarweise übereinander angeordnet; die jeweils unten liegenden Biegebänder sind demzufolge in den Fig. 1 und 2 nur teilweise erkennbar. Der in den Fig. 1 und 2 punktierte innere Bereich stellt die Beschleunigungsplatte 11 dar, die demzufolge über die Biegebänder 7 bis 10 an dem äußeren Rahmen 2 auslenkbar gehalten ist.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ferner deutlich hervorgeht, ist beispielsweise das Biegeband 7 an einem Ende 12 einer Seitenkante 13 der Beschleunigungsplatte 11 im rechten Winkel zu der Seitenkante 13 verlaufend angeordnet; außerdem verläuft dieses Biegeband 7 in Richtung bzw. Fortsetzung einer angrenzen­ den Seitenkante 14 der Beschleunigungsplatte 11. Entsprechend ist das nicht erkennbare darunter befindliche zweite Biegeband angeordnet. Die anderen Biegebänder 8, 9 und 10 sowie ihre darunter befindlichen weiteren Biegebänder sind entsprechend dem Biegeband 7 angeordnet, so daß - wie insbesondere Fig. 2 erkennen läßt - die Beschleunigungsplatte 11 über die Biege­ bänder 7 bis 10 an dem äußeren Rahmen 2 derart gehalten ist, daß die als Federn zu verstehenden Biegebänder in dem Feder-Masse-Feder-System mit der Beschleunigungsplatte 11 keine gemeinsame Kraftlinie aufweisen. Aufgrund von Eigenspannungen in den Biegebändern 7 bis 10 kann daher die Beschleunigungs­ platte 11 eine geringe Drehbewegung um ihre Mittenachse 15 ausführen, wodurch Eigenspannungen in den Biegebändern 7 bis 10 kompensiert werden.

Im übrigen kann der kapazitive Sensor nach der vorliegenden Er­ findung beispielsweise hinsichtlich der nicht figürlich dar­ gestellten Deckplatte(n) und der elektrischen Anschlüsse so aufgebaut sein, wie es in der DE-PS 36 25 411 im einzelnen dargestellt und beschrieben ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 stimmt in seinem prinzipiellen Aufbau mit dem nach den Fig. 1 und 2 überein. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß bei diesem Aus­ führungsbeispiel paarweise übereinander angeordnete Biegebänder 20, 21, 22 und 23 verwendet werden, die bei grundsätzlich gleicher Anordnung wie bei dem oben dargestellten Ausführungs­ beispiel einen geschwungenen Verlauf aufweisen. Dadurch lassen sich die mechanischen Beanspruchungen der Biegebänder in vorteilhafter Weise verringern.

Claims (2)

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor in mikromechanischer Ausführung mit einem äußeren Rahmen (2), in dem mittels jeweils zwei übereinanderliegender Biegebänder (7 bis 10) eine rechteckförmige Beschleunigungsplatte (11) mindestens einer Deckplatte benachbart aufgehängt ist, wobei die Biegebänder (7 bis 10) von Ecken der Beschleunigungsplatte (11) ausgehend zum äußeren Rahmen (2) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Biegebänder (7 bis 10) am jeweils einen Ende (12) der Seitenkanten (13) der Beschleunigungsplatte (11) im rechten Winkel zur jeweiligen Seitenkante (13) und in Richtung der jeweils angrenzenden Seitenkante (14) der Beschleunigungs­ platte (11) zum äußeren Rahmen (2) hin erstrecken.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebänder (20, 21, 22, 23) einen geschwungenen Verlauf aufweisen.