DE3938624A1 - Resonanzbruecken-mikrobeschleunigungs-messfuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmeßfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er beispielsweise aus US-A-46 99 006 bekannt ist. Insbesondere betrifft die Erfin­ dung einen Zweiachsen-Silizium-Mikrobeschleunigungsfühler oder -messer, der vorzugsweise aus zwei Paar Polysilizium- Resonanzbrücken besteht.

Ein Beschleunigungsmesser ist einer von den wichtigen in einem Navigationssystem, insbesondere einem Trägheitsnavigat­ ionssystem, benutzten Fühlern, und wird auch bei in einem Fahrzeug eingebauten Kraftfahrzeug-Sicherheitssteuersystemen benutzt. Ausführungsbeispiele für den Kraftfahrzeug-Einsatz von Beschleunigungsmessern umfassen verschiedene Antibloc­ kier-Bremssysteme, aktive Federungssysteme und Sitzgurt-Ver­ riegelsysteme.

Allgemein gesprochen ist ein Beschleunigungsmesser oder Akze­ lerometer ein Gerät, das Beschleunigung mißt, und insbesonde­ re wird die Kraft gemessen, die ausgeübt wird, wenn ein sich bewegender Körper seine Geschwindigkeit ändert. Der sich be­ wegende Körper besitzt Trägheit und diese widersteht der Ge­ schwindigkeitsänderung. Es ist dieser Widerstand gegen eine plötzliche Geschwindigkeitsänderung, der die Kraft hervor­ ruft, die durch den sich bewegenden Körper ausgeübt wird, und diese ist proportional zur Beschleunigungskomponente in der Bewegungsrichtung, wenn der bewegte Körper beschleunigt wird.

Bei einem typischen Beschleunigungsmesser wird eine Masse mittels zwei an gegenüberliegenden Seiten der Masse ange­ brachten Federn aufgehängt. Die Masse wird in einer Neutral­ stellung gehalten, so lange das System sich in Ruhelage be­ findet oder mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Wenn das System eine Geschwindigkeitsänderung in Richtung der Achse der Federn erfährt und deshalb in dieser Richtung beschleu­ nigt wird, widersetzt sich die federnd aufgehängte Masse wegen ihrer Trägheit der Bewegungsänderung. Dieser Wider­ stand gegen die Bewegung oder diese Verzögerung zwingt eine der Federn dazu, sich zu strecken, und die andere, sich zu komprimieren. Die auf die beiden Federn einwirkende Kraft ist von gleicher jedoch entgegengesetzt gerichteter Größe und ist gleich dem Produkt der Masse mal der Beschleunigung. Die Beschleunigung, die so bestimmt wird, ist die durch die Masse erfahrene Geschwindigkeitsänderung.

Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonanz-Mikrobrücken sind ebenfalls bekannt. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Beschleunigungsmessers wird in US-A-48 05 456 beschrieben. Bei einem solchen Mikrobeschleunigungsmesser ist eine Test­ masse durch mindestens ein Paar Resonanz-Mikrobrücken aufge­ hängt. Die beiden Resonanz-Mikrobrücken sind an den gegen­ überliegenden Enden der Testmasse längs einer gemeinsamen Achse angebracht. Diese Art von Resonanz-Mikrobeschleuni­ gungsmessern empfiehlt sich sehr für Präzisionsmessungen, da die Frequenz eines mikromechanischen Resonanzaufbaus hochemp­ findlich für physikalische oder chemische Signale gemacht werden kann. Bei einem Mikrobeschleunigungsmesser auf Grund­ lage von Resonanz-Mikrobrücken erzeugt die Beschleunigung in der Ebene des Substrates unterschiedliche Axiallasten an den einander gegenüberliegend angeordneten Resonanz-Mikrobrük­ ken, d.h. sie versetzt die eine Abstütz-Resonanzbrücke in Druck- und die andere in Zug-Spannung. Die Trägheitskraft der Testmasse erzeugt dabei die Axiallast für die Resonanz- Mikrobrücken. Wiederum ändern die Druck- und Zugbelastungen die Eigenresonanzfrequenzen jeder Resonanz-Mikrobrücke. Die Differenz der Resonanzfrequenzen der unter Druck- bzw. unter Zug-Spannung stehenden Brücken wird gemessen und zur Bestim­ mung der Größe des Beschleunigungskomponente in Richtung der den beiden Resonanz-Mikrobrücken gemeinsamen Achse benutzt.

Ein Mangel des angeführten Mikrobeschleunigungsmessers nach US-A-48 05 456 besteht darin, daß der Beschleunigungsmesser nicht so dauerhaft oder robust ist, wie es für Kraftfahrzeug­ anwendung bevorzugt wird. Insbesondere sind die Ansteuer- und Fühlerelektroden, welche die Mikrobrücke an ihrer jewei­ ligen Resonanzfrequenz halten und die Änderung ihrer Reso­ nanzfrequenz erfassen, wenn die Mikrobrücke in Axialrichtung belastet wird, freikragende Siliziumbalken, die sich über bzw. unter den Resonanz-Mikrobrücken erstrecken. So sind diese vorkragenden Elektroden außerordentlich fragil und leicht zu beschädigen. Man würde gerne die vorkragenden Elek­ troden weglassen und die Elektroden so ausbilden, daß sie mit dem abstützenden massiven Siliziumsubstrat des Mikrobe­ schleunigungsmessers integral sind. Diese Anordnung würde die Vibration der Ansteuer- und Erfassungselektroden beseiti­ gen und damit die Lebensdauer dieser Bestandteile erhöhen, sowie die Genauigkeit des Fühlers steigern. Zusätzlich würde eine solche Anordnung die Komplexheit des Herstellvorganges reduzieren.

Ein weiterer Mangel des Resonanzbrücken-Mikrobeschleunigungs­ messers nach US-A-48 05 456 besteht darin, daß die Resonanz­ brücken, die die Testmasse aufspannen, aus Bor-dotiertem Si­ liziumeinkristall gebildet sind. Dieses Material läßt die Re­ sonanzbrücken unter einer Eigenzugspannung stehen. Es wäre vorteilhaft, die Resonanzbrücken so auszubilden, daß sich op­ timal spannungsfreie Brücken oder solche mit minimaler Druck­ spannung ergäben.

Zusätzlich ist es bei dieser Art von Mikrobeschleunigungsmes­ sern erwünscht, die Versetzung der Testmasse in Richtung senkrecht zur Testmasse zu begrenzen. Allgemein besitzt diese Art von Mikrobeschleunigungsmessern zwei Paar Resonanz­ brücken, wobei jede Brücke eines Paares längs einer gemeinsa­ men Achse durch die Testmasse angeordnet ist und jedes Paar längs einer Achse sitzt, die senkrecht zur jeweiligen Achse des anderen Paares steht. Deshalb wird zur Vereinfachung der Beschreibung angenommen, daß die Resonanzbrücken typischer­ weise längs einer X- bzw. einer Y-Achse durch die Testmasse angeordnet sind und die Beschleunigung in diesen Richtungen messen. Falls in der dritten, auf der Testmasse senkrecht stehenden Richtung, d.h. der Z-Achsen-Richtung, keine Be­ schleunigung zu messen ist, ist es erwünscht, die Versetzung der Testmasse in dieser Z-Richtung zu begrenzen, um so die Lebensdauer des Geräts möglichst groß zu machen und die schädlichen Auswirkungen dieser Versetzung in Z-Richtung auf die Messungen in X- und Y-Achsen-Richtung so klein wie mög­ lich zu halten. Die zur Zeit bekannten Resonanz-Mikrobe­ schleunigungsmesser besitzen keine Einrichtung zur Begren­ zung dieser Versetzung in Z-Richtung.

Zwar sind zur Zeit einige unterschiedliche Arten von Be­ schleunigungsmessern im Handel erhältlich, jedoch werden sie allgemein durch die gleichen Probleme betroffen, zusätzlich zu den Mängeln, die dem beschriebenen Aufbau eigen sind. Zunächst wird oft ein X-Richtungs-Beschleunigungssignal durch Beschleunigung in Y- oder Z-Richtung beeinflußt und um­ gekehrt, oder auch durch Bewegungen, die nicht signalisiert werden. Zweitens kann eine Temperaturänderung Spannungsände­ rungen herbeiführen und damit zu ungenauen Messungen führen. Schließlich sind die gegenwärtig erhältlichen Beschleuni­ gungsmesser durch extrem hohe Fertigungskosten gekennzeich­ net, ohne die erforderliche Standhaftigkeit für lange Lebens­ dauer bei rauhen Anwendungen, wie sie in Kraftfahrzeugen auf­ treten, aufzuweisen.

Gegenwärtig erhältliche Beschleunigungsmesser sind nicht ge­ eignet, die Forderungen nach Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Robustheit und niedrige Kosten zu erfüllen, die für in Kraft­ fahrzeugen eingebaute Systeme, wie auch für andere Anwendun­ gen aufgestellt werden. Es ist deshalb erwünscht, einen Reso­ nanzbrücken-Mikrobeschleunigungsmesser zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht mehr aufweist, insbesondere Ansteu­ er- und Erfassungselektroden besitzt, die mit dem Stützsub­ strat integral sind, Resonanzbrücken, die von Haus aus span­ nungsfrei oder mit minimalen Druckspannungen behaftet sind und die weiter Mittel zur Begrenzung der Z-Richtungs-Verset­ zung der Testmasse aufweisen.

Ein erfindungsgemäßer Beschleunigungsmesser wird gekennzeich­ net durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angege­ benen Merkmale.

Es ist damit ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen Reso­ nanzbrücken-Beschleunigungsmeßfühler zu schaffen, der mit in­ tegrierter Schaltung und Mikrobearbeitungsverfahren herge­ stellt ist, sich dabei durch Robustheit und lange Lebens­ dauer auszeichnet und für Kraftfahrzeug-Produktionstechniken geeignet ist.

Nach einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung werden diese und andere Ziele und Vorteile in folgender Weise er­ reicht:

Ein erfindungsgemäßer Beschleunigungsmesser umfaßt eine durch mindestens ein Paar Resonanzbrücken abgestützte Test­ masse. Das erste Ende jeder Brücke des Paares ist an einan­ der gegenüberliegenden Seiten der Testmasse angebracht. Das davon abgewendet liegende zweite Ende jeder Brücke des Paares ist an einem gemeinsamen Stützsubstrat angebracht. Die Brücken sind sowohl mit der Testmasse als auch mit dem Stützsubstrat integral verbunden. Die Brücken eines Paares sind in Längsrichtung so miteinander ausgerichtet, daß eine Achse durch die entgegengesetzt liegenden Seiten der Testmas­ se bestimmt ist.

Jede Brücke ist in solcher Weise ausgebildet, daß sie opti­ mal spannungsfrei oder mit minimaler Druckspannung belastet ist, and sie wird zur Vibration bei ihrer jeweiligen Reso­ nanzfrequenz angeregt. Eine Beschleunigung der Testmasse und der Stütze läßt in den längs einer gemeinsamen Achse liegen­ den Brücken symmetrische Druck- und Zugspannungen entstehen, wodurch sich eine Änderung der Eigenresonanzfrequenz jeder Brücke ergibt. Durch diesen Effekt wird dementsprechend eine Änderung der Differenz der Resonanzfrequenzen der Brücken jedes Paares erzeugt. Die Größe dieser Änderung der Diffe­ renz der Resonanzfrequenzen der beiden Brücken des Paares wird durch eine Signalverarbeitungsschaltung gemessen und entspricht der Beschleunigung der Testmasse längs der durch die jeweiligen Brücken des Paares gebildeten Achse.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in glei­ cher Weise ein zweites Paar Resonanzbrücken an gegenüberlie­ genden Seiten der Testmasse angebracht und bildet eine zweite Achse, die senkrecht zu der durch das erste Paar Reso­ nanzbrücken gebildeten ersten Achse liegt. Wiiderum wird jede Brücke zur Vibration mit ihrer jeweiligen Resonanzfre­ quenz erregt, und die Größe der Differenz der Resonanzfre­ quenzen der beiden Brücken jedes Paares, die durch Beschleu­ nigung hervorgerufen wird, wird dann gemessen, um eine Anzei­ ge der Beschleunigung längs der durch dieses Brückenpaar ge­ bildeten Achse zu erhalten.

Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung werden gleich­ zeitig zueinander orthogonale Komponenten der Beschleunigung gemessen, jeweils eine Komponente längs der durch das erste Paar Resonanzbrücken gebildeten Achse und die andere Kompo­ nente längs der durch das zweite Brückenpaar gebildeten Achse. Die Signalbearbeitungsschaltung enthält einen Fre­ quenzmeßkreis für jede Brücke, vorzugsweise in Form einer einzelnen Ansteuerelektrode und zweier Fühlerelektroden, die mit dem Stützsubstrat integral sind. Die Ansteuer- und Füh­ lerelektroden sind durch einen Spalt von ihrer entsprechen­ den Brücke getrennt, und die Brücke ist über den Antriebs­ und den Fühlerelektroden aufgespannt. Der Frequenzmeßkreis für jede Brücke ist an einer Rückkoppelschaltung angeschlos­ sen, die ein Ausgangssignal ergibt, das der Änderung der Dif­ ferenz der Frequenzen für jedes Brückenpaar entspricht. Aus diesem Ausgangssignal kann die Beschleunigung bestimmt wer­ den, welche die Masse längs einer durch das jeweilige Brüc­ kenpaar definierten Achse erfährt.

Eine vorteilhafte Eigenschaft des bevorzugten Beschleuni­ gungsmessers besteht darin, daß die Ansteuer- und Fühlerelek­ troden integral an dem Stützsubstrat angebracht sind, durch einen Spalt von der Resonanzbrücke getrennt, die wiederum die Elektroden quer überspannt. Durch diese bevorzugte Anord­ nung der Ansteuer- und Fühlerelektroden und der Resonanzbrüc­ ke wird die Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit des Beschleu­ nigungsmessers sehr verbessert.

Die bevorzugte Ausführung dieses Beschleunigungsmessers ent­ hält auch Mittel zum Begrenzen des Versatzes der Testmasse in einer Richtung senkrecht zu den durch die Resonanzbrücken­ paare bestimmten zwei Achsen durch die Testmasse. Vorzugswei­ se umfaßt das Mittel zum Begrenzen dieser Versetzung mecha­ nisch vorkragende Anschläge, die so angeordnet sind, daß sie einen unerwünschten positiven und negativen Versatz in dieser Richtung verhindern. Zusätzlich umfaßt die bevorzugte Ausführung auch Mittel, um eine unnötige Drehbewegung der Masse zu verhindern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bespiels­ weise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen zweiachsigen Reso­ nanzbrücken-Mikrobeschleunigungsmesser nach einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach Linie 2-2 des Mikrobe­ schleunigungsmessers aus Fig. 1, bei dem an einer Masse angebrachte Resonanzbrücken über und quer zu entsprechenden Ansteuer- und Erfas­ sungselektroden überdeckend angeordnet sind, welche integral an einem Stützsubstrat ange­ bracht sind,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Z-Versetzung der Masse durch eine Beschleunigung von 1 g in Z-Richtung über der Dicke der Haltebrücken,

Fig. 4 eine Draufsicht auf mechanische Anschläge ent­ sprechend einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung,

Fig. 5 eine Schnittansicht der eine Versetzung der Masse in einer ersten Z-Richtung verhindernden mechanischen Anschläge, nach Linie 5-5 der Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht der eine Versetzung der Masse in einer zweiten Z-Richtung verhindern­ den mechanischen Anschläge nach Linie 6-6 der Fig. 4,

Fig. 7 eine Ansicht des nach einer bevorzugten Ausfüh­ rung dieser Erfindung hergestellten Mikrobe­ schleunigungsmessers aus Fig. 1 von unten,

Fig. 8 bis 11 bevorzugte Bearbeitungsschritte zur Ausbildung der Resonanzbrückenstruktur nach einer bevor­ zugten Ausführung der Erfindung, und

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen bevorzugten zweiach­ sigen Resonanzbrücken-Mikrobeschleunigungsmes­ ser mit mechanischen Anschlägen nach einer be­ vorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.

Es wird jetzt ein Resonanzbrücken-Mikrobeschleunigungsmesser beschrieben, der die Beschleunigungskomponenten in der Ebene eines Siliziumsubstrats mißt. Nach einer bevorzugten Ausfüh­ rung umfaßt diese Erfindung einen zweiachsigen Silizium-Mi­ krobeschleunigungsmesser mit zwei Paar Polysilizium-Resonanz­ brücken, die optimal spannungsfrei oder mit minimaler Druck­ spannung beaufschlagt und senkrecht zueinander an einer Sili­ ziumtestmasse angebracht sind. Um Temperatur- und Material­ auswirkungen als Effekte erster Ordnung zu reduzieren, sind die an den gegenüberliegenden Seiten der Testmasse angebrach­ ten Resonanzbrückenelemente so aufeinander abgestimmt, daß sie während der Beschleunigung differentielle Axiallast er­ fahren. Die auf die Testmasse infolge der Beschleunigung in der Substratebene einwirkende Trägheitskraft erzeugt die dif­ ferentiellen Axiallasten an den einander gegenüberliegenden Resonanz-Mikrobrücken jedes Paares und verschieben dadurch deren Resonanzfrequenzen.

Die mit einem Mikrobrückenpaar ausgerichtete Beschleunigungs­ komponente wird dadurch gemessen, daß die Differenz der Reso­ nanzfrequenzen der beiden Brücken des Paares bestimmt wird. Diese Messung wird durch Benutzung von Ansteuer- und Fühlere­ lektroden bewerkstelligt, die in dem massiven Silizium-Stütz­ substrat ausgearbeitet und durch einen Spalt von der entspre­ chenden Resonanz-Mikrobrücke getrennt sind. Um eine Verset­ zung der Masse in einer senkrecht auf dem Stützsubstrat ste­ henden Richtung zu unterdrücken, sind mechanische Anschläge vorgesehen, die diese senkrechte Bewegung begrenzen, während an der gegenüberliegenden Fläche des Substrats Haltebrücken vorgesehen sind, welche eine Drehbewegung verhindern und eine Versetzung in Z-Richtung reduzieren.

Ein bevorzugter Mikrobeschleunigungsmesser 10 ist in Drauf­ sicht in Fig. 1 gezeigt. Eine Testmasse 12 wird vorzugsweise durch zwei Paare abgestimmter Resonanzbrücken 14, 16 und 18, 20 gehalten, die mittels Rückkoppelverstärker in mechani­ scher Resonanz gehalten sind. Eine X-Achsen-Beschleunigungs­ komponente a _x ergibt eine durch die Gleichung F _i =-M a _x be­ stimmte Trägheitskraft auf die Testmasse 12, die vorherr­ schend durch die in X-Achsenrichtung ausgerichteten Resonanz­ brücken, hier die Brücken 14 und 16, aufgenommen werden. Die Beschleunigung in X-Achsenrichtung läßt eine Brücke, die Brücke 14, auf Druck und die andere Brücke, die Brücke 16, auf Zug beansprucht sein, wodurch sich eine Verschiebung der jeweiligen Resonanzfrequenzen f _x1 und f _x2 ergibt.

Eine Analyse aufgrund des Rayleigh′schen Energieverfahrens führt unter der Annahme einer Grundvibrationsschwingung zu dem nachfolgenden Ausdruck für die Resonanzfrequenz der Brücke des Paares, die mit Zugspannung beaufschlagt ist. Zur Darstellung sei angenommen, daß die Resonanzbrücke 16 diese Brücke ist, und für diese gilt:

wobei f₀ die ungestörte Resonanzfrequenz, E der Elastizitäts­ modul des Materials und 1, W und t die Länge, Breite bzw. Dicke der Resonanzbrücke sind. Zur Vereinfachung vernachläs­ sigt diese Formel jede Lastübernahme der Brücken 18 und 20, die in dazu senkrechter Richtung liegen. Durch Abziehen des entsprechenden Ausdruckes für die mit Druckspannung beauf­ schlagte Brücke, d.h. in diesem Fall die Resonanzbrücke 14, und unter Beachtung kleiner Störungen wird die Frequenz-Dif­ ferenz:

Δ f _x = f _x2 - f _x1 = (0,146 f₀ Ml²/EWt) a _x = S _x a _x ,

wobei S _x als die Empfindlichkeit für X-Achsen-Beschleuni­ gungskomponenten definiert wird. Aus diesem analytischen Er­ gebnis kann die X-Achsen-Beschleunigungskomponente bestimmt werden. Zusätzlich können die angegebenen Beziehungen be­ nutzt werden, um auch die Y-Achsen-Beschleunigungskomponente zu bestimmen.

Die Z-Achsen-Komponente der Beschleunigung, d.h. die nach der senkrecht auf der Ebene der Testmasse 12 und damit der X- und der Y-Achse stehenden Achse ausgerichtete Komponente verursacht eine Vertikalversetzung der Testmasse 12. Für kleine Vertikalversetzungen sind die sich ergebenden Störun­ gen der Werte f _{x 1} und f _{x 2} für die X-Achsen-Brücken den beiden längs der X-Achse ausgerichteten Brücken 14 und 16 ge­ meinsam und heben sich in Δ f _x auf. Eine zusätzliche mechani­ sche Festlegung der Testmasse 12 ist wünschenswert, damit nur kleine vertikale Versetzungen in Z-Achsen-Richtung in einem praktisch bedeutsamen Beschleunigungsbereich möglich sind.

Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt ein bevorzugter Beschleunigungsmes­ ser 10 erfindungsgemäßer Art eine Testmasse 12, die durch mindestens zwei Resonanzbrücken 14 und 16 oder 18 und 20 auf­ gehängt ist, vorzugsweise wie dargestellt, durch zwei Brüc­ kenpaare 14, 16 und 18, 20, die längs aufeinander senkrecht stehender Achsen durch die Testmasse ausgerichtet sind. Zwi­ schen der Testmasse 12 und dem Stützsubstrat 26 ist überall ein Spalt 52 vorgesehen. Ein erstes Ende 22 jedes Brückenele­ mentes ist an jeweils einer Seite der Testmasse 12 ange­ bracht. Das entgegengesetzte zweite Ende 24 jedes Brückenele­ mentes ist am gemeinsamen Stützsubstrat 26 angebracht. Die Brücken 14, 16, 18 und 20 sind integral sowohl an der Test­ masse 12 wie auch am Stützsubstrat 26 befestigt. Die Brücken­ elemente jedes Brückenpaares 14, 16 bzw. 18, 20 sind in Längsrichtung miteinander ausgerichtet, um eine Achse durch die einander gegenüber liegenden Seiten der Testmasse 12 zu bilden. (Eine darübergelegte Deckschicht aus Siliziumnitrid ist wegen der Klarheit der Darstellung in Fig. 1 nicht ge­ zeigt.)

Jedes Brückenelement ist so ausgebildet, daß es vorzugsweise keine Druckbelastung oder nur eine minimale Druckbelastung im unbeaufschlagten Zustand hat, und wird zur Vibration bei seiner jeweiligen Resonanzfrequenz erregt. Die Resonanzbrüc­ ken, 14, 16, 18 und 20 sind vorzugsweise aus polykristalli­ nem phosphordotiertem Silizium hergestellt, wobei übliche Halbleiter-Fertigungsverfahren Verwendung finden. Die in den Resonanzbrücken 14, 16, 18 oder 20 jeweils auftretenden Span­ nungswerte hängen von der Art und der Konzentration des Do­ tiermittels und von der Wärmebehandlung nach Abscheidung ab. Mit Phosphordotierung steht die Brücke 14, 16, 18 oder 20 allgemein unter Druckspanung. Die Resonanzbrücke 14, 16, 18 oder 20 ist wärmebehandelt, um den Wert der Druckspannung im Brückenelement zu optimieren, vorzugsweise möglichst gering zu machen.

Eine Beschleunigung der Testmasse 12 und des Stützsubstrats 26 läßt in dem längs einer gemeinsamen Achse liegenden Reso­ nanzbrückenpaar 14, 16 bzw. 18, 20 eine symmetrische Druck- bzw. Zugspannung entstehen, wodurch sich eine Änderung der Eigenresonanzfrequenz jeder Brücke 14, 16, 18 oder 20 ergibt. Dieser Effekt erzeugt entsprechend eine Änderung der Differenz der jeweiligen Resonanzfrequenzen jedes Brücken­ paars 14, 16 bzw. 18, 20. Die Größe dieser Änderung der Dif­ ferenz der Resonanzfrequenzen in jeweils zwei Brücken 14, 16 bzw. 18, 20 wird durch eine Signalbearbeitungsschaltung ge­ messen, und dieser gemessene Wert entspricht dann der Be­ schleunigung der Testmasse längs der durch das jeweilige Brückenpaar gebildeten Achse.

Bei der bevorzugten Ausführung nach Fig. 1 ist ein zweites Resonanzbrückenpaar 18, 20 in gleicher Weise an der Testmas­ se 12 so angebracht, daß eine zweite Achse gebildet wird, die zu der durch das erste Resonanzbrückenpaar 14, 16 gebil­ deten Achse senkrecht liegt. Das zweite Brückenpaar 18, 20 ist nicht notwendig, falls nur die Beschleunigungskomponente in einer Richtung bestimmt werden soll. Wiederum wird auch hier jede Brücke 14, 16, 18 oder 20 zur Vibration bei ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz erregt, und die Größe der Diffe­ renz der Resonanzfrequenzen der Elemente jedes Paares 14, 16 bzw. 18, 20 infolge der Beschleunigung wird dann gemessen, um eine Beschleunigungsanzeige längs der durch das jeweilige Brückenpaar 14, 16 bzw. 18, 20 gebildeten Achse zu schaffen.

Bei der bevorzugten Ausführung werden aufeinander senkrecht stehende Beschleunigungskomponenten gleichzeitig gemessen, wobei eine Komponente in der durch das erste Brückenpaar 14, 16 bestimmten X-Achsenrichtung liegt und die andere in der durch das zweite Brückenpaar 18, 20 bestimmten Y-Achsenrich­ tung. Die Signalbearbeitungsschaltung enthält einen Frequenz­ meßkreis für jede Brücke, vorzugsweise in Form einer einzel­ nen Ansteuerelektrode 28 und zweier Fühlerelektroden 30, die integral mit dem massiven Siliziumstützsubstrat 26 in diesem ausgebildet sind. Diese Ausbildung der Ansteuer- und Fühler­ elektroden 28 bzw. 30 ist vorteilhaft, da (1) die Ansteuer­ und Fühlerelektroden 28 und 30 nicht vibrieren und deswegen die Gesamtlebensdauer des Geräts nicht unziemlich verkürzen und gleichzeitig die Fühlergenauigkeit verbessern, und (2) die Kompliziertheit der Herstellschritte reduziert wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 und 30 durch einen Spalt 32 von der jeweils entsprechen­ den Brücke 14, 16, 18 oder 20 getrennt, während die Brücke die Antriebs- und Fühlerelektroden 28 und 30 überspannt.

Jede Resonanzbrücke 14, 16, 18 oder 20 wird durch ihre An­ steuerelektrode 28 elektrostatisch mit ihrer Resonanzfre­ quenz erregt. Die zwei Fühlerelektroden 30 bei jeder Brücke 14, 16, 18 oder 20 sind an entgegengesetzten Seiten der zuge­ ordneten Steuerelektrode 28 an dem Stützsubstrat 26 angeord­ net. Die Vibration jeder Brücke 14, 16, 18 oder 20 erzeugt mit den Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 und 30 eine sich zeitlich ändernde Kapazität über dem entsprechenden Spalt 32. Die Fühlerelektroden 30 erfassen die Kapazitätsänderung und erfassen dabei Änderungen der Vibration der Brücke 14, 16, 18 oder 20. Die Fühlerelektroden 30 sind an einer (nicht dargestellten) Rückkoppelschaltung angeschlossen, welche die Ansteuerelektrode 28 eine Kraft auf die Brücke 14, 16, 18 oder 20 in Abhängigkeit von der erfaßten Änderung der Vibra­ tion ausüben läßt, um die Vibration der Brücke 14, 16, 18 oder 20 bei ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz zu halten. Die maximale Vibrationsamplitude der Brücke 14, 16, 18 oder 20 tritt dann auf, wenn die Brücke sich bei Resonanz befindet, d.h. die Frequenz der Ansteuerspannung mit der Eigenfrequenz der Brücke 14, 16, 18 oder 20 zusammenfällt.

Die Frequenzmeßschaltung für jede Brücke ist an einer Rück­ koppelschaltung angeschlossen, welche ein Ausgangssignal ergibt, das der Änderung der Differenz oder Δ f _x in den oben angegebenen Gleichungen entspricht, zwischen den Frequenzen für das jeweilige Brückenpaar 14, 16 bzw. 18, 20. Aus diesem Ausgangssignal kann die Beschleunigung bestimmt werden, wel­ che die Testmasse 12 längs der durch das jeweilige Brücken­ paar 14, 16 bzw. 18, 20 definierten Achse erfährt.

Eine erfindungswesentliche Eigenschaft des bevorzugten Be­ schleunigungsmessers 10 besteht darin, daß die Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 bzw. 30 integral in dem Stützsubstrat 26, durch einen Spalt 32 von der Resonanzbrücke 14, 16, 18 bzw. 20 getrennt, angebracht sind, welche Brücken die Elek­ troden 28 und 30, wie in Fig. 2 zu sehen, quer überspannen. Mit dieser bevorzugten Anordnung der Ansteuer- und Fühler­ elektroden 28 bzw. 30 und der Resonanzbrücke 14, 16, 18 oder 20 wird die Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit des Beschleu­ nigungsmessers 10 sehr weitgehend verbessert.

Wie in Fig. 2 zu sehen, sind bei der bevorzugten Ausführung dieses Beschleunigungsmessers 10 auch Haltebrücken 34 an der Unterseite der Testmasse 12 vorgesehen, d.h. an der entgegen­ gesetzten Seite zu den Resonanzbrücken 14, 16, 18 oder 20. Die Haltebrücken 34 beseitigen nicht nur eine Drehbewegung der Testmasse 12, sondern unterdrücken auch eine Versetzung der Testmasse 12 in Z-Richtung bei vorliegender Beschleuni­ gung in dieser Richtung.

Fig. 3 stellt graphisch die Beziehung zwischen der Verset­ zung der Testmasse in Z-Richtung infolge einer Z-Achsen-Be­ schleunigung von 1g, d.h. der relativen Empfindlichkeit des Fühlers 10 und der Dicke der Haltebrücke 34 dar. Wird die Dicke der Haltebrücke 34 erhöht, so wird die Versetzung der Testmasse in Z-Richtung weitgehend reduziert, wobei die Emp­ findlichkeit des Fühlers 10 nur wenig reduziert wird. Un­ terdrückung der Versetzung in Z-Richtung ist sehr erwünscht, da dadurch die Zuverlässigkeit, die Lebensdauer und die Ge­ nauigkeit des Fühlers 10 erhöht wird. Die geometrischen Ab­ messungen der Haltebrücken 34 werden deswegen so festgelegt, daß die Beziehung zwischen der Unterdrückung einer Verset­ zung in Z-Richtung, einer Beseitigung der Drehbewegung und einem Verlust der Empfindlichkeit des Fühlers 10 optimiert wird.

Der bevorzugte Mikrobeschleunigungsmeßfühler 10 umfaßt wei­ ter Mittel, um die Versetzung der Testmasse 12 in einer auf den durch die beiden Resonanzbrückenpaare 14, 16 und 18, 20 bestimmten Achsen senkrechten Achsenrichtung durch die Test­ masse, d.h. die Z-Achse, zu begrenzen. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Begrenzung dieser Versetzung mechanische vor­ kragende Anschläge 36 und 38, die so angeordnet sind, daß sie unerwünschte positive und negative Versetzung der Test­ masse 12 in dieser Z-Richtung verhindern, wie in Fig. 4 unter Weglassung der Resonanzbrücken 14, 16, 18 und 20 des Beschleunigungsmessers 10 gezeigt. Die mechanischen Anschlä­ ge 36 und 38 sind aus Polysilizium gebildet und begrenzen die Versetzung der Testmasse 12 nach oben bzw. nach unten.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die mechanischen Anschläge 36 längs der Linie 5-5 in Fig. 4 und zeigt die Richtung, in der sich die vorkragenden "Balken" 36 erstrecken, um so eine unnötige positive Versetzung der Testmasse 12 zu verhindern. Wie Fig. 5 zeigt, ist jeder mechanische Anschlag 36 an dem Substrat 26 angebracht und erstreckt sich über die Testmasse 12. Fig. 6 zeigt die mechanischen Anschläge 28, die an der Testmasse 12 angebracht sind und sich über das Substrat 26 erstrecken, um dadurch jede unnötige negative Versetzung der Testmasse 12 zu verhindern. Die maximale Versetzung der Test­ masse 12 ist gleich dem Versatz, d.h. der Erhebung der mecha­ nischen Anschläge 36 und 38 aus der Substratebene. Durch Hin­ zufügen der mechanischen Anschläge 36 und 38 wird die Zuver­ lässigkeit und die Dauerhaftigkeit des Beschleunigungsmes­ sers 10 weiter verbessert.

Dieser Resonanz-Mikrobeschleunigungsmesser 10 aus Silizium wird hergestellt unter Benutzung von Masse- und Oberflächen- Mikrobearbeitungsverfahren. Bei der Herstellung des Gerätes wird das Silizium orientierungsabhängig geätzt, um die Test­ masse 12 und andere Bestandteile auszubilden. Zusätzlich wird selektives Ätzen von Oxid-Opferschichten benutzt, um die Polysilizium-Mikrobrücken 14, 16, 18 oder 20 zu bilden.

Zusammengefaßt wird die Testmasse 12 aus dem Substrat 26 unter Benutzung eines orientierungsabhängigen Ätzmittels mikrobearbeitet. Wie Fig. 7 zeigt, ergibt an der Rückseite des Siliziumwafers 26 der gleiche Ätzschritt vorzugsweise acht Haltebrücken 34 aus Bor-dotiertem Silizium, welche eine Drehbewegung der Testmasse 12 einschränken. Zusätzlich wer­ den die Resonanzbrücken 14, 16, 18 und 20 aus einer chemisch aus Dampf abgeschiedenen (CVD = chemical vapour deposited) polykristallinen Siliziumdünnschicht gebildet durch Unterät­ zen einer CVD-Oxid-Abstandschicht. Weiter werden die darun­ terliegenden Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 bzw. 30 aus Polysilizium benutzt, um die Grundresonanz der Brücken 14, 16, 18 und 20 zu erregen bzw. ihre Vibration zu erfassen. Die Querschnittsdarstellungen 5-5 und 6-6 aus Fig. 4 zeigen vorkragende mechanische Anschläge 36 bzw. 38, die als Endan­ schläge den Vertikalversatz der Testmasse 12 begrenzen.

Deshalb erfordert die bevorzugte Herstellungsfolge für den Mikrobeschleunigungsmesser 10 unter Benutzung von üblichen Halbleiter-Fabrikationsverfahren sechs Maskierungsschritte.

Die Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 bzw. 30, die Resonanz­ brücken 14, 16, 18 und 20 und die mechanischen Anschläge 36 und 38 werden auf einer Siliziumnitridschicht 42 ausgebil­ det, die eine Dicke von annähernd 100 nm (1000 A) besitzt. Fig. 8 bis 11 zeigen die zur Ausbildung der Resonanzbrücken 14, 16, 18 und 20 und des Spaltes 32 zwischen den Resonanz­ brücken und den Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 und 30 er­ forderlichen Bearbeitungsschritte. Diese Bearbeitungsschrit­ te sind identisch auch für die Ausbildung der vorkragenden mechanischen Anschläge 36 und 38, bis auf die Eigenschaft, daß die Resonanzbrücken 14, 16, 18 und 20 den gesamten Spalt überspannen, während die Anschläge 36 und 38 nur über die je­ weils andere Fläche reichen, aber den jeweiligen Spalt nicht überspannen (d.h. nicht gleichzeitig an beiden Seiten eine Verbindung haben). Die Siliziumnitridschicht 42 nach Fig. 8 wird an der Vorderseitenfläche des Siliziumsubstrates 26 aus­ gebildet.

Nach der Anfangs-Oxidation des Siliziumwafers 26 werden Ätz­ stopp-Bereiche aus Bor auf den vorderen und hinteren Seiten des Wafers 26 ausgebildet unter Benutzung eines Feststoff­ quellen-Diffusionsvorgangs. Thermisches Oxid wird auf die bordotierten Bereiche während des Eintreibens aufgewachsen. Die Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 und 30 werden so ausge­ bildet, daß phosphordotiertes chemisch dampfabgeschiedenes (CVD) Polysilizium auf eine Schicht 42 von chemisch dampfab­ geschiedenem Siliziumnitrid an bestimmten Stellen aufge­ bracht wird. Die Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 und 30 haben eine Dicke von ca. 500 nm (5000 A).

Ein Ringfenster 44 nach Fig. 7 wird dann in dem hinteren Oxidfilm geöffnet, um die Testmasse 12 auszuätzen. Insbeson­ dere wird die Testmasse 12 durch orientierungsabhängiges naß­ chemisches Ätzen des Siliziumsubstrats 26 erzeugt, vorzugs­ weise unter Benutzung von Ethylendiamin und Pyrocatechin (EDP), auf etwa 105°C erwärmt, als Ätzmittel. Das Silizium­ substrat 26 wird etwa 4 h in das Ätzmittel eingetaucht. Eine Maske mit einem Quadratecken-Kompensationsschema (square corner compensation scheme) kann benutzt werden, um das starke Ausätzen der Ecken klein zu halten, jedoch ist die so erhaltene Testmasse annehmbar, jedoch nicht ideal. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Maske vorzugsweise so abge­ ändert, daß sie ein Straßenecken-Kompensationsschema (street corner compensation scheme) enthält, und Kaliumhydroxid wird als Silizium-Ätzmittel verwendet. Auf diese Weise wird eine nahezug perfekt trapezoidförmige Testmasse 12 erhalten. Die perfekte Vierfachsymmetrie und die akkurate Dimensionssteu­ erung der Testmasse 12 ergeben und unterstützen die Genauig­ keit der Richtungserfassung durch den Mikrobeschleunigungs­ messer 10.

Während des Mikrobearbeitens von Silizium wird die Vordersei­ te der Platte 26 durch eine Schicht aus CVD-Oxid geschützt. Die EDP-Ätzung hört an der Anfangsoxidschicht im Brückenbe­ reich auf oder an den vorderen bordotierten Bereichen. Die letzteren sind enthalten, um eine verbesserte Fehlausrich­ tungstoleranz vorne/hinten und eine elektrische Massenebene zu schaffen. Während der späteren Bearbeitung werden die Oxidmaskierung und die Abstandsschichten durch ein Flußsäu­ re-Ätzmittel entfernt, das die Polysiliziumbrücken 14, 16, 18 und 20 unterschneidet.

Die Resonanzbrücken 14, 16, 18 und 20 und die vorkragenden mechanischen Anschläge 36 und 38 werden ausgebildet unter Be­ nutzung der nachfolgenden bevorzugten Bearbeitungsabfolge nach Fig. 8 bis 11. Eine Doppelschicht 46, die vorzugsweise Phosphorsilikatglas (PSG)/Silikatglas (SG) mit Stärken von annähernd 0,4 µm bzw. 1,6 µm umfaßt, wird über die Ansteuer­ und Fühlerelektroden 28 bzw. 30, das darunterliegende Sub­ strat 26 und die Testmasse 12 gemäß Fig. 8 abgeschieden. Die PSG/SG-Doppelschicht 46 wird angezeichnet mit Hilfe einer Photoresistschicht 48 nach Fig. 8 durch chemisches Ätzen in bevorzugterweise gepufferter Flußsäure während etwa 10-30 min, vorzugsweise etwa 18 min. Mit dem Verfahren unter Benut­ zung der Doppelschicht 46 wird ein graduell gestufter TSG/SG-Sockel 46 nach Fig. 9 nach der Ätzung mit gepufferter Flußsäure erhalten.

Eine andere Polysiliziumschicht 50, die nachfolgend die Reso­ nanzbrücken 14, 16, 18 und 20 und die mechanischen Anschläge 36 und 38 bilden wird, wird dann abgeschieden, wie in Fig. 10 dargestellt. Daraufhin folgt eine Phosphordotierung und eine Anzeichnung zur Bildung der Resonanzbrücken 14, 16, 18 oder 20 und der vorkragenden Strukturen 36 und 38. Nach An­ lassen bei hoher Temperatur zur Reduzierung der inneren Span­ nungen in der Polysiliziumschicht 50 mit ca. 1100°C in strö­ mendem Stickstoffgas während etwa 1 h wird die PSG/SG-Ab­ standsschicht 46 geätzt durch gepufferte Flußsäure oder Fluß­ säure und abgespült, um den erforderlichen Spalt 32 nach Fig. 11 zwischen den Resonanzbrücken 14, 16, 18 oder 20 und den Ansteuer- und Fühlerelektroden 28 bzw. 30 und den vorkra­ genden mechanischen Anschlägen 36 und 38 zu bilden.

Die in Fig. 7 gezeigten Haltebrücken 34 werden aus dem mit Bor mit einer Borkonzentration von mehr als etwa 10²⁰ Atomen/cm³ dotierten Einkristallsilizium-Wafer 26 gebildet. Die orientierungsabhängige naßchemische Ätzung wurde be­ nutzt, um die Haltebrückenstruktur 34 zu unterschneiden unter Benutzung von Ethylendiamin und Pyrocatechin oder Ka­ liumhydroxid als Ätzmittel. Der Winkel zwischen der Halte­ brücke 34 und der Ebene oder Kante der Testmasse 12 muß größer sein als:

tan^-1 (W/L _o ),

wobei W und L _o die Breite bzw. Länge der Haltebrücke 34 sind, um ein vollständiges Unterschneiden der Haltebrücke 34 sicherzustellen. Wie Fig. 7 zeigt, wird die optimale Anord­ nung für die Haltebrücken 34 so bestimmt, daß etwa 9° zwi­ schen den Haltebrückenpaaren 34 liegen.

Die Ausbildung der (nicht gezeigten) metallischen Verbin­ dungsleitungen für den Beschleunigungsmesser umfaßt die nach­ folgenden bevorzugten Schritte. Aluminium ist das am häufig­ sten benutzte Zuleitungsmaterial, jedoch wird Aluminium wäh­ rend der zur Ausbildung der Testmasse 12, der Polysilizium- Resonanzbrücken 14, 16, 18 und 20 und der vorkragenden Struk­ turen 36 und 38 erforderlichen starken Ätzung ziemlich ange­ griffen. Es wird deshalb vorzugsweise eines von folgenden drei Metallisierungsverfahren benutzt.

Zunächst können die Verbindungsleitungen aus phosphordotier­ tem Polysilizium gebildet werden. Die Polysiliziumverbindun­ gen werden zur gleichen Zeit wie die Resonanzbrücken ausge­ bildet. Da das Polysilizium während der Ausbildung der Test­ masse von dem EDP-Ätzmittel (Ethylendiamin und Pyrocatechin) angegriffen wird, wird eine Schicht aus Silikatglas auf der Vorderseite des Siliziumwafers abgeschieden, wo die Resonanz­ brückenstruktur und die Verbindungen vorgesehen sind, bevor das EDP-Ätzmittel das Silizium zur Ausbildung der Testmasse von der Rückseite angreift.

Ein zweites bevorzugtes Verfahren besteht in der Verwendung von Gold/Silizium-Eutektikum-Material für die metallische Verbindung. Das Gold/Silizium-Eutektikum-Material wird durch Abscheiden einer Goldschicht in der Stärke von etwa 200 nm (2000 A) auf dem Polysilizium, gefolgt durch eine 15 min- Wärmebehandlung bei 420°C in trockenem Stickstoff, gebildet. Das Gold/Silizium-Eutektikum ist zu bevorzugen, da es einer langen Ätzung in dem Ätzmittel aus Flußsäure und dem EDP-Ätz­ mittel aus Ethylendiamin und Pyrocatechin widerstehen kann.

Das dritte bevorzugte Verbindungsschema umfaßt eine Gold/ Chrom-Doppelschicht als Verbindungsmaterial. Überdeckende Schichten aus Chrom, Gold und Tantal mit Stärken von annä­ hernd 20 nm, 500 nm bzw. 100 nm (200 A, 5000 A bzw. 1000 A) werden auf der Vorderseite des Siliziumwafers abgeschieden. Die Chromschicht ist der Siliziumschicht benachbart. Die Funktion der Metallverbindungsleitung wird zunächst der Tan­ talschicht übertragen. Dann wird der Wafer in das (EDP)-Ätz­ bad aus Ethylendiamin und Pyrocatechin eingetaucht, um die Mikrobearbeitung der Testmasse von der Rückseite des Wafers aus durchzuführen. Die Vorderseite des Wafers ist durch die Tantal- und die Goldschicht geschützt. Nach dem Abschluß der EDP-Ätzung wird der Gold/Chrom-Schicht die Metallverbindungs­ funktion übertragen und die Tantalschicht entfernt. Der Wafer wird dann einer Ätzung mit Flußsäure unterzogen, um die Polysilikatglas/Silikatglas-Abstandschicht abzuätzen. Das Gold widersteht der Ätzung mit Flußsäure und schützt damit die Vorderseite des Siliziumwafers. Das Chrom wird hauptsächlich zur Verbesserung des Anhaftens der Goldschicht an der Oberfläche aus Silizium oder Siliziumnitrid benutzt.

Der Einbau dieses Resonanzbrücken-Beschleunigungsmessers 10 erfordert eine große Sorgfalt, da ein hoher Qualitätsfaktor für diesen Beschleunigungsmesser 10 im Betrieb gefordert wird. Aus diesem Grund wird das Gerät bevorzugt zwischen (nicht dargestellten) Silizium-Stützwafern im Vakuum einge­ baut. Vorzugsweise wird ein Silizium/Silizium-Verbindungsver­ fahren zum Einbau des Gerätes 10 erfindungsgemäßer Art be­ nutzt. Drei unterschiedliche Vermittlermaterialien können be­ nutzt werden, um die Silizium/Silizium-Verbindung zu verbes­ sern.

Es kann Platin benutzt werden, wobei Platinsilizid gebildet wird, um so das Gerät mit den Silizium-Stützwafern zu verbin­ den. Das Platinsilizid wird so gebildet, daß zunächst eine entsprechende Platinschicht auf dem Silizium abgeschieden wird, und dann die Materialien einer Temperatur von etwa 900°C in Vakuum oder trockenem Stickstoff während etwa 30 min ausgesetzt werden. Es kann auch Gold benutzt werden, um die Bindung zwischen dem Gerät und den Stützwafern zu bil­ den. Ein eutektisches Material Gold/Silizium wird dann gebil­ det, indem zuerst eine entsprechende Goldschicht auf dem Si­ lizium abgeschieden wird, und dann die Materialien einer Tem­ peratur von 420°C in Vakuum während etwa 15 min ausgesetzt werden. Aluminium ist eine weitere bevorzugte Möglichkeit, eine Bindung zwischen den Siliziumwafern zu verbessern. Eine entsprechende Aluminiumschicht wird auf dem Silizium abge­ schieden. Das Silizium fördert die gegenseitige Diffusion von Siliziumatomen in die beiden Siliziumwafer bei Aufheizen auf ca. 900°C in Vakuum während etwa 30 min.

Das bevorzugte Resonanzfrequenz-Erfassungsverfahren bei diesem Mikrobeschleunigungsmesser 10 besteht aus den folgen­ den Schritten. Es wird ein Erfassungsschema mit einem An­ schluß benutzt. Bei diesem Verfahren werden eine Polarisie­ rungs-Gleichspannung von ca. 10 V= und eine Ansteuer-Wechsel­ spannung von ca. 10 mV∼ zwischen der Resonanzbrücke 14, 16, 18 oder 20 und der darunterliegenden Ansteuerelektrode 28 an­ gelegt. Die dadurch erzeugte elektrostatische Kraft ergibt eine Variation der Kapazität zwischen der Elektrode 28 und der Brücke, wodurch ein Strom fließt. Wenn das System in er­ zwungener Resonanz ist, d.h. wenn die Frequenz der Ansteuer­ spannung mit der Eigenfrequenz der Brücke 14, 16, 18 oder 20 zusammenfällt, werden sowohl die Kapazitätsvariation als auch der Strom maximiert.

Eine besondere Ausführung dieses Resonanz-Mikrobeschleuni­ gungsmessers 110, die sich als erfolgreich erwiesen hat, ist in Fig. 12 dargestellt. Dieser Mikrobeschleunigungsmesser 110 besitzt die nachfolgenden Bauelementparameter. Das Gerät besitzt eine Testmasse 112 von 1,45 mg und vier Resonanzbrük­ ken 114, 116, 118 und 120, die längs zueinander senkrechter Achsen durch die Testmasse 112 ausgerichtet sind. Die Polysi­ lizium-Resonanzbrücken sind ca. 250 µm lang, ca. 100 µm breit und ca. 1,6 µm dick. Die mechanischen Anschläge 136 und 138 besitzen annähernd die gleichen Breiten- und Dicken­ abmessungen, sind jedoch nicht so lang wie die Resonanzbrüc­ ken, da die mechanischen Anschläge 136 und 138 vorkragend ausgebildet sind. Der Spalt zwischen den Resonanzbrücken 114, 116, 118 und 120 und den Elektroden 120 bzw. 130 beträgt ca. 2 µm, so daß die kapazitiv gekoppelte Fläche zwi­ schen einer einzelnen Brücke 114, 116, 118 und 120 und der Elektrode 128 oder 130 jeweils ca. 4000 µm² beträgt. Die Po­ larisationsspannung ist ca. 10 V= und die Ansteuerspannung etwa 10 mV∼. Der Beschleunigungsmesser 110 sitzt in einem Gehäuse mit einem Vakuum von ca. 200 mTorr (26,7 Pa). Um eine Verdrehung der Testmasse 112 zu unterdrücken, sind acht (nicht dargestellte) Silizium-Haltebrücken gebildet, die etwa 8 µm dick sind. (Eine überdeckende obere Schicht aus Si­ liziumnitrid ist in Fig. 12 nicht dargestellt, um die Dar­ stellung des Bauelements nicht zu beeinträchtigen).

Der Beschleunigungsmesser 110 besitzt eine Beschleunigungs­ empfindlichkeit von ca. 80 Hz/g längs einer bestimmten Ach­ senrichtung. Die tatsächlichen Versuchsergebnisse mit dem Re­ sonanz-Mikrobeschleunigungsmesser 110 waren mit dem erwarte­ ten Gerät-Ansprechverhalten konsistent. Die gemessenenen Reaktionen bei den Resonanz-Mikrobrücken 114, 116, 118 und 120 im spannungsfreien Zustand, mit 1 g Zugspannung und 1 g Druckspannung entsprachen ca. 174 045 Hz, 174 167 Hz bzw. 174 000 Hz.

Zusätzlich besteht ein Vorteil der Benutzung des elektri­ schen Anschlußschemas mit einem Anschluß darin, daß die An­ steuer- und Erfassungselektroden 128 und 130 zu einer Elek­ trode zusammengezogen werden können und damit kann die Brüc­ kenlänge verringert werden. Dementsprechend sind die Minimal­ anforderungen für die Stärke der Brücken 114, 116, 118 und 120 auch herabzusetzen. Dadurch wird größere Freiheit zur Auslegung der Abmessungen des Geräts 110 für die unterschied­ lichen Anwendungsfälle erreicht.

Hier wird eine bevorzugte Ausführung beschrieben, die zur Verwendung als Resonanz-Mikrobeschleunigungsmesser besonders geeignet ist. Es ist jedoch zu verstehen, daß, je nach Anwen­ dungsfällen, Änderungen und Abwandlungen möglich sind. Aus diesem Grund soll die Erfindung nur durch die vorgelegten Ansprüche begrenzt werden.

Claims (12)

1. Beschleunigungsmesser (Akzelerometer) mit: einer Masse; einer die Masse ringsum mit einem zwischenliegenden Spalt vollständig umgebende Stütze; die Masse in der Stütze tra­ genden Aufhängungsmitteln; Mitteln, um die Aufhängungsmit­ tel in Vibration zu versetzen; und Mitteln zur Erfassung von Änderungen des Vibrationsverhaltens der Aufhängungs­ mittel infolge einer Beschleunigung der Masse längs einer gemeinsamen Achse zwischen der Stütze und der Masse, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufhängungsmittel minde­ stens zwei Brücken (14, 16) umfassen, die jeweils mit einem Ende (24) an der Stütze (26) angebracht sind, an der die Masse (12) gehalten ist, wobei die Brücken (14, 16) an gegenüberliegenden Seiten der Masse (12) so ange­ bracht sind, daß eine Längsachse durch die Brücken (14, 16) die gemeinsame Achse durch die Masse (12) bildet; daß das Vibrationsmittel (28) die Brücken (14, 16) mit ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen in Vibration versetzt, wobei sich ihre jeweiligen Resonanzfrequenzen in Abhängig­ keit von einer Dehnung oder Kompression der Brücken (14, 16) infolge von Beschleunigung der Masse (12) ändern; daß die Erfassungsmittel (30) eine Änderung der Differenz der Resonanzfrequenzen der beiden Brücken (14, 16) erfassen, um so eine Anzeige für Beschleunigung in einer Richtung längs der gemeinsamen Achse zu schaffen; und daß die Er­ fassungsmittel (30) an der Stütze (26) vorgesehen sind und die Brücken (14, 16) die Erfassungsmittel (30) so überspannen, daß jeweils zwischen Erfassungsmittel (30) und Brücke (14, 16) ein Spalt (32) besteht.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brücken (14, 16) unter Benutzung jewei­ liger elektrostatischer Mittel (28) zur Vibration mit ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen erregt sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes elektrostatische Mittel eine an der Stütze (26) vorgesehene Ansteuerelektrode (28) enthält, daß die Ansteuerelektrode (28) in Längsachsenrichtung der zugehörigen Brücke (14, 16) zentral angeordnet ist und daß zwischen der Ansteuerelektrode (28) und der jeweili­ gen Brücke (14, 16) ein Spalt (32) vorgesehen ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes elektrostatische Mittel eine Ansteuer­ elektrode (28) für jede Brücke (14, 16) umfaßt, daß jede Ansteuerelektrode (28) durch einen Spalt (32) von der je­ weiligen Brücke (14, 16) getrennt ist; daß jedes Erfas­ sungsmittel mindestens eine Fühlerelektrode (30) für jede Brücke (14, 16) umfaßt, wobei jede Fühlerelektrode (30) an der Stütze (26) benachbart zur Ansteuerelektrode (28) für die jeweilige Brücke (14, 16) angeordnet ist; daß eine Vibration der Brücke (14, 16) eine sich zeitlich än­ dernde Kapazität über den jeweiligen Spalt (32) erzeugt,; und daß eine die Vibration erfassende Rückkoppelschaltung für jede Brücke (14, 16) vorgesehen ist, die mit der An­ steuerelektrode (28) und den Fühlerelektroden (30) für die jeweiligen Brücke (14, 16) verbunden ist, welche Schaltung durch die Fühlerelektroden (30) Änderungen der sich zeitlich ändernden Kapazität der jeweiligen Brücke (14, 16) und dadurch Änderungen des Vibrationszustandes der Brücke (14, 16) erfaßt, und daß die Schaltung in Abhängigkeit von den erfaßten Kapazitätsänderungen Span­ nung an die Ansteuerelektrode (28) anlegt.

5. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsmesser eine Vielzahl von Anschlägen (36, 38) enthält, um ein Aus­ biegen der Masse (12) in einer zur Oberfläche der Masse (12) senkrechten Richtung über einen vorbestimmten Ab­ stand hinaus zu verhindern.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer (38) der Anschläge an der Masse (12) und mindestens einer (36) der Anschläge an der Stütze (26) angebracht ist.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsmesser eine Vielzahl von an der Masse (12) angebrachten Haltear­ men (34) enthält, um eine Drehung der Masse (12) und eine Ausbiegung der Masse (12) in einer senkrecht zu einer Oberfläche der Masse (12) stehenden Richtung zu unterdrüc­ ken.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vier Brücken (14, 16, 18, 20) die Masse (12) tragen, wovon zwei Brücken (14, 16) die gemeinsame Achse durch die Masse (12) bilden und die anderen beiden Brücken (18, 20) eine zweite zu der gemeinsame Achse senkrechte Achse durch die Masse (12) bilden, daß die Änderung der Resonanzfrequenz-Differenz der beiden Brüc­ ken (14, 16) der gemeinsamen Achse eine Anzeige einer Be­ schleunigungskomponente längs dieser gemeinsamen Achse und gleichzeitig die Änderung der Resonanzfrequenz-Diffe­ renz der anderen beiden Brücken (18, 20) eine Anzeige einer darauf senkrecht stehenden Beschleunigungskomponen­ te längs der zweiten Achse ergibt.

9. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Beschleunigungsmesser eine Vielzahl von Anschlägen (36, 38) enthält, um ein Abbiegen der Masse (12) in einer zur Oberfläche der Masse (12) senkrechten Richtung über einen vorbestimmten Abstand hinaus zu ver­ hindern.

10. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer (38) der Anschläge an der Masse (12) und mindestens einer (36) der Anschläge an der Stütze (26) angebracht ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ansteuer­ (28) und Fühler- (30) Elektroden mit einer ersten struk­ turellen Schicht (42) an einer Seite eines Substrats (26) ausgebildet werden, daß ein Körper (12) vorbestimmter Masse ausgebildet wird, der in dem Substrat (26) symme­ trisch mit den Antriebs- und Fühlerelektroden (28, 30) ausgerichtet ist; daß eine Opfer-Schicht (26) über den An­ steuer- und Fühlerelektroden (28, 30) abgeschieden wird; daß die Brücken (14, 16) über der Opfer-Schicht (46) aus­ gebildet werden; daß die Opfer-Schicht (46) entfernt wird, um einen Spalt (32) zwischen den Brücken (14, 16) und den Ansteuer- und Fühlerelektroden (28, 30) zu bilden; und daß die Masse (12) von dem Substrat (26) im wesentlichen so isoliert wird, daß die Masse (12) von den Brücken (14, 16) getragen wird, wobei die Masse (12) mit dem Substrat (26) über eine Vielzahl von Haltebrücken (34) minimal verbunden ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Opfer- Schicht (46) auch über andere Bereiche der Stütze (26) und den Körper mit vorbestimmter Masse (12) abgeschieden wird; daß Anschläge (36, 38) über der Opfer-Schicht (46) ausgebildet werden; und daß die Opfer-Schicht (46) ent­ fernt wird, um mindestens einen Anschlag (36) auszubil­ den, der an der Stütze (26) angebracht ist und sich über den Körper (12) ein vorbestimmtes Stück weit erstreckt, und mindestens einen Anschlag (38), der an dem Körper (12) angebracht ist und sich ein gleiches vorbestimmtes Stück weit über die Stütze (26) erstreckt.