DE3940696C2

DE3940696C2 - Sensor for measuring a force and / or a path

Info

Publication number: DE3940696C2
Application number: DE19893940696
Authority: DE
Inventors: Henderikus L Dipl In Offereins; Hermann Dr Ing Sandmaier
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-12-08
Filing date: 1989-12-08
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2009-12-09
Also published as: DE3940696A1; EP0504149A1; WO1991009288A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges mit wenigstens einem Sen sorkörper, der wenigstens ein Wandlerelement aufweist, mit dem eine Verformung eines verformbaren Wirkbereiches des Sensorkörpers erfaßbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.The present invention relates to a sensor for measuring a force and / or a path with at least one sen sor body having at least one transducer element with which a deformation of a deformable effective range of Sensor body is detectable, according to the preamble of Pa claim 1.

Ein bekannter gattungsgemäßer mikromechanischer Sensor zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges ist als Biegebalken sensor aufgebaut. Eine Prinzipdarstellung eines Biegebalken sensors mit einem einseitig eingespannten Biegebalken ist in Fig. 1 gezeigt, während Fig. 2 eine Ausführungsform eines Biegebalkensensors mit einem beidseitig eingespannten Biege balken in Form einer Prinzipdarstellung wiedergibt. Auf der der angreifenden Kraft F zugewandten Oberseite des einseitig bzw. beidseitig eingespannten Balkens oder auf der dieser Oberseite abgewandten Unterseite sind mechanisch-elektrische Wandler angeordnet, die eine Dehnung oder Stauchung der Oberfläche des Biegebalkens in ein elektrisches Signal um wandeln. Sowohl bei dem Kraftsensor nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Biegebalkens wie auch bei demjenigen nach dem Prinzip des beidseitig eingespannten Biegebalkens muß die zu messende Kraft senkrecht zur Balkenlängsachse in den Sensor eingeleitet werden, wodurch sich die erforder liche Gehäusetechnik als störanfällig, aufwendig und teuer gestaltet. Ferner leidet der Kraftsensor nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Biegebalkens an dem diesem Prin zip innewohnenden Nachteil, daß sich der Kraftangriffspunkt mit zunehmender Kraft nicht nur in der Wirkrichtung des Sensors, also in der Richtung der angreifenden Kraft ver schiebt, sondern mit zunehmender Kraft auch in Richtung zur Einspannstelle des Biegebalkens hin verschoben wird. Es ist zwar möglich, durch eine geeignete Auslegung der Gehäuse technologie einen festen Abstand des Kraftangriffspunktes zu der Einspannstelle des einseitig eingespannten Biegebalkens festzulegen, jedoch erfordert dies eine solche Auslegung der Krafteinleitmittel, daß der Kraftangriffspunkt sich bei zunehmender Kraft relativ zum Biegebalken gesehen von der Einspannstelle weg verschieben kann. Naturgemäß macht dies den Aufbau des Kraftsensors aufwendig, kompliziert und stör anfällig.A known generic micromechanical sensor for measuring a force and / or a path is constructed as a bending beam sensor. A schematic representation of a bending beam sensor with a bending beam clamped on one side is shown in FIG. 1, while FIG. 2 shows an embodiment of a bending beam sensor with a bending beam clamped on both sides in the form of a schematic diagram. On the attacking force F facing the top of the one-sided or both-sided clamped bar or on the bottom facing away from this top, mechanical-electrical transducers are arranged, which convert an expansion or compression of the surface of the bending beam into an electrical signal. Both with the force sensor according to the principle of the cantilever beam and the one with the principle of the cantilever beam, the force to be measured must be introduced perpendicular to the longitudinal axis of the beam into the sensor, making the housing technology required prone to failure, complex and expensive. Furthermore, the force sensor according to the principle of the cantilevered bending beam suffers from the inherent disadvantage that the force application point shifts ver with increasing force not only in the direction of action of the sensor, i.e. in the direction of the acting force, but also with increasing force Direction to the clamping point of the bending beam is shifted. Although it is possible to determine a fixed distance between the force application point and the clamping point of the cantilever clamped by a suitable design of the housing technology, this requires such a design of the force introduction means that the force application point relative to the cantilever away from the clamping point as the force increases can move. Naturally, this makes the structure of the force sensor complex, complicated and prone to failure.

Selbstredend tritt das Problem der Verschiebung des Kraft angriffspunktes in Abhängigkeit von der angreifenden Kraft, welches dem einseitig eingespannten Biegebalken-Kraftsensor zu eigen ist, bei einem Kraftsensor nach dem Prinzip des beidseitig eingespannten Biegebalkens nicht auf, so lange die Kraft in der Mitte des Balkens bezogen auf die Einspann stellen angreift. Jedoch erfordert hier die Auslenkung des Biegebalkens durch die Kraft nicht nur eine Biegung des Bal kens, sondern zusätzlich dessen Dehnung, woraus sich eine nichtlineare Abhängigkeit des Ausgangssignales von der Größe der angreifenden Kraft ergibt.Of course, there is the problem of shifting the force point of attack depending on the attacking force, which the cantilever force sensor clamped on one side is inherent in a force sensor based on the principle of Bending beam not clamped on both sides, so long the force in the middle of the bar in relation to the clamping places attacks. However, here the deflection of the Bending beam by force not just a bending of the bal kens, but also its stretching, resulting in a non-linear dependence of the output signal on the size the attacking force.

Als druckschriftlicher Nachweis für die Vorbekanntheit von Kraftsensoren nach dem Prinzip des einseitig bzw. zweiseitig eingespannten Biegebalkens wird auf folgende Literaturstel len verwiesen:As printed proof of the prior knowledge of Force sensors based on the principle of one-sided or two-sided clamped bending beam is on the following literature len referred:

1. K. Oppermann: A new Force Sensor with Metal Measuring Grid Transverse to the Lines of Force, Sensors and Actuators, 7 (1985), pp. 223-232.
2. D. Schubert: Piezoresistive Proprieties of Polycrystalline and Crystalline Silicon Films, Sensors and Actuators, 11 (1987), pp. 145-155.
3. B. Puers, W. Sanson: Assessment of Thick film Fabrication Methods of Force (Pressure) Sensors, Sensors and Actuators, 12 (1987), pp. 57-76.
4. S. Pasczynski, J. Potencki, W. Kalita: Free- and Beam- Type-Force-Sensor with Thick-Film Resistor as Strain- Sensitive element: Towards an Optimal Construction, Sensors and Actuators, 17 (1989), pp. 225-233.
5. F.R. Blom, S. Bouwstra, J.H. J. Fluitman, M. Elwenspoek: Resonating Silicon Beam Force Sensor, Sensors and Actuators, 17 (1989), pp. 513-519.
6. J. W. Holm-Kennedy, M.H. Kaneshiro, G.P. Lee, Silicon Monolithic multidimensional force sensors: devices for Simultaneous measurement of multiple force measurement, Transducers 89, Montreux (1989).

Aus der DE-OS 22 64 496, der DE 25 55 231 A1 und der DE-AS 12 27 261 sind verschiedene Kraftsensoren bekannt, deren Wirkbereiche im Querschnitt eine faltenförmige Struktur haben. Diese Kraftsensoren sind jedoch nicht als mikromechanische Sensoren ausgeführt und sind auch nicht für ein mikro mechanisches Herstellungsverfahren vorgesehen. Diese bekannten Sensoren bestehen weder aus Halbleitermaterial noch aus einem anderen ätzbaren Material.From DE-OS 22 64 496, DE 25 55 231 A1 and DE-AS 12 27 261 different force sensors are known, the Cross sections have a wrinkled structure. However, these force sensors are not considered to be micromechanical Sensors designed and are also not for a micro mechanical manufacturing process provided. These well-known Sensors are neither made of semiconductor material nor another etchable material.

Aus der DE 37 42 673 A1 ist ein aus einem Halbleitermaterial bestehender Kraftsensor bekannt, der eine im Querschnitt U-förmige Struktur hat.DE 37 42 673 A1 discloses a semiconductor material existing force sensor known, the one in cross section U-shaped structure.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der ein gangs genannten Art so weiterzubilden, daß dieser ein weit gehend lineares Ausgangssignal in Abhängigkeit von der an greifenden Kraft bzw. dem zu erfassenden Weg hat, daß er ferner einen sich nur in Richtung der angreifenden Kraft bzw. des zu messenden Weges verschiebenden Angriffspunkt aufweist, und daß er ferner für den Einbau in ein einfach gestaltetes Gehäuse geeignet ist.Based on this state of the art, the present the invention has the object of a sensor gangs mentioned kind so that this one far linear output signal depending on the gripping force or the path to be grasped that he furthermore only in the direction of the attacking force or the point of attack shifting the path to be measured has, and that it is also easy to install in a designed housing is suitable.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Pa tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out with a sensor according to the generic term of Claim 1 by the in the characterizing part of Pa Features specified 1 solved.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die falten artige Struktur des Sensors in dessen Wirkbereich mit wenig stens zwei sich im wesentlichen senkrecht zu der Wirkrich tung des Sensors erstreckenden, auf gegenüberliegenden Längsseiten des Sensors angeordneten und zueinander in Wirk richtung des Sensors versetzten Ausnehmungen zu einer mit Verfahren der Mikromechanik herstellbaren Sensorkörperstruk tur führt, die eine stabile Wirkgeometrie aufweist, die allein in ihrer Längsrichtung bzw. Wirkrichtung beaufschlagt wird. Eine derartige Struktur ist aufgrund ihrer Eignung für mikromechanische Fertigungsverfahren in der Photoätztechnik nicht nur hochgenau fertigbar, sondern ermöglicht auch eine Massenherstellung bei niedrigen Kosten. Ferner eignet sich der erfindungsgemäße Sensor für einen Einbau in ein einfa ches Gehäuse, da Längungen des Sensorkörpers nur in der Wirkrichtung der angreifenden Kraft auftreten. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Kraftsensoren nach dem Konzept des Biegebalkens tritt also keine Änderung des Kraftangriffspunktes auf. Der erfindungsgemäße Sensor er möglicht durch Variation der Zahl und Dimensionen seiner faltenartigen Strukturen eine Einstellung der Kraft- bzw. Wegbereiche des Sensors in weiten Bereichen.The invention is based on the finding that the folds like structure of the sensor in its effective range with little at least two are essentially perpendicular to the wirkrich direction of the sensor extending, on opposite Arranged along the sides of the sensor and in effect with each other In the direction of the sensor, recesses offset to one with Process of micromechanics producible sensor body structure leads, which has a stable active geometry, the acted only in their longitudinal direction or direction of action becomes. Such a structure is due to its suitability for micromechanical manufacturing processes in photoetching not only can be manufactured with high precision, but also enables one Mass production at a low cost. It is also suitable the sensor according to the invention for installation in a simp ches housing, because elongations of the sensor body only in the Direction of action of the attacking force occur. In contrast to the force sensors known in the prior art according to Concept of the bending beam does not change the Force application point. The sensor according to the invention possible by varying the number and dimensions of it fold-like structures an adjustment of the force or Path ranges of the sensor in wide ranges.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungs gemäßen Sensors näher erläutert. Es zeigt Below, with reference to the Drawings preferred embodiments of the Invention according sensor explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines bekannten Kraftsensors in Form eines einseitig eingespannten Biegebalkens; Figure 1 is a schematic representation of a known force sensor in the form of a cantilever clamped.

Fig. 2 eine Darstellung eines bekannten Biegebalkensensors mit beidseitiger Einspannung; Fig. 2 is an illustration of a known bending beam sensor with double-sided clamping;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 3 shows a first embodiment of the sensor according to the invention;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 4 shows a second embodiment of the sensor according to the invention;

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors; und Fig. 5 shows a third embodiment of the sensor according to the invention; and

Fig. 6 ein Wirkdiagramm zum Erläutern der Wirkgeometrie der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Sensors. Fig. 6 is an effective diagram for explaining the effective geometry of the embodiment shown in FIGS . 4 and 5 forms of the sensor according to the invention.

Der in Fig. 3 gezeigte Sensor ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfaßt einen Sensorkörper 2, der seinerseits einen Wirkbereich 3 und zwei sich an den Wirkbereich zu dessen beiden Seiten in Wirkrichtung an schließende Endteile 4, 5 umfaßt. An den beiden Endteilen 4, 5 sind zur Lagerung des Sensors 1 und zur Krafteinleitung in den Sensor dienende Kerben 6, 7, 8, 9 vorgesehen. Der Sen sorkörper 2 hat in seinem Wirkbereich 3 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 fünf Ausnehmungen 10, 11, 12, 13, 14, die sich senkrecht zu der Wirkrichtung des Sen sors 1 erstrecken. Drei der Ausnehmungen 10, 12, 14 liegen auf einer ersten Längsseite 15 des Sensorkörpers 2 und er strecken sich in Richtung auf die andere Längsseite 16 des Sensorkörpers 2 bis kurz vor diese, während die beiden an deren Ausnehmungen 11, 13 sich von der zweiten Längsseite 16 aus in Richtung zur ersten Längsseite 15 bis kurz vor diese erstrecken. Die Ausnehmungen 10, 12, 14, die sich von der ersten Längsseite 15 aus in den Sensorkörper 2 erstrecken, sind alternierend mit den Ausnehmungen 11, 13 angeordnet, die sich von der zweiten Längsseite 16 aus in den Sensor körper 2 erstrecken und derart in Längsrichtung oder Wirk richtung des Sensorkörpers 2 zueinander versetzt, daß zwischen den einander gegenüberliegenden Ausnehmungen 10, 11, 12, 13, 14 Querwandelemente 17, 18, 19, 20 festgelegt werden, die sich in einem vorbestimmten Winkel zu der Wirk richtung des Sensors 1 von dessen einer Längsseite 15 zu dessen anderer Längsseite 16 erstrecken. Zwischen jeweils zwei Querwandelementen 17, 18; 18, 19; 19, 20 liegt jeweils ein Längswandelement 21, 22, 23, das sich in der Wirkrich tung des Sensors 1 erstreckt und einen Teil von einer der beiden Längsseiten 15, 16 des Sensorkörpers 2 bildet.The sensor shown in FIG. 3 is designated in its entirety by the reference number 1 and comprises a sensor body 2 , which in turn comprises an active region 3 and two end parts 4 , 5 which close to the active region on both sides thereof in the active direction. Notches 6, 7, 8, 9 are provided on the two end parts 4 , 5 for mounting the sensor 1 and for applying force to the sensor. The Sen sensor body 2 has in its effective area 3 in the embodiment shown in FIG. 3, five recesses 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , which extend perpendicular to the direction of action of the sensor 1 Sen. Three of the recesses 10 , 12 , 14 lie on a first longitudinal side 15 of the sensor body 2 and it extends in the direction of the other longitudinal side 16 of the sensor body 2 until shortly before this, while the two on its recesses 11 , 13 extend from the second longitudinal side 16 extend in the direction of the first long side 15 until just before this. The recesses 10 , 12 , 14 , which extend from the first longitudinal side 15 into the sensor body 2 , are arranged alternately with the recesses 11 , 13 , which extend from the second longitudinal side 16 into the sensor body 2 and thus in the longitudinal direction or direction of action of the sensor body 2 offset from each other that between the mutually opposite recesses 10 , 11 , 12 , 13 , 14 transverse wall elements 17 , 18 , 19 , 20 are fixed, which are at a predetermined angle to the direction of action of the sensor 1 of the one long side 15 to the other long side 16 extend. Between two transverse wall elements 17 , 18 ; 18 , 19 ; 19 , 20 each have a longitudinal wall element 21 , 22 , 23 which extends in the effective direction of the sensor 1 and forms part of one of the two long sides 15 , 16 of the sensor body 2 .

Die Querwandelemente 17, 18, 19 definieren gemeinsam mit den Längswandelementen 21, 22, 23 im Wirkbereich 3 des Sensor körpers 2 eine faltenartige Struktur mit sich transversal zu der Wirkrichtung des Sensors 1 erstreckenden Falten.The transverse wall elements 17 , 18 , 19 define together with the longitudinal wall elements 21 , 22 , 23 in the effective area 3 of the sensor body 2 a fold-like structure with folds extending transversely to the effective direction of the sensor 1 .

An zwei Längswandelementen 21, 23 sind mechanisch-elektri sche Wandlerelemente angeordnet, die als transversale, pie zoresistive Widerstände 24, 25 ausgebildet sind. Diese Wi derstände sprechen bei einer Zugbeanspruchung des Sensors 1 auf die Verkürzung der Oberfläche der Längswandelemente 21, 23 an, die durch eine Biegung der Längswandelemente 21, 23 um eine sich senkrecht zur Wirkungsrichtung erstreckende Achse verursacht wird. Die transversalen, piezoresistiven Widerstände 24, 25 stehen über Leiterbahnen 26, 27; 28, 29 mit Anschlüssen 30, 31; 32, 33 in Verbindung, die an einer Längsseite 15 der Endteile 4, 5 angeordnet sind. Diese An schlüsse 30, 31, 32, 33 können mit Drähten verbunden sein, die an den Anschlüssen 30 bis 33 mittels der üblichen Bond-Technik befestigt sind.On two longitudinal wall elements 21 , 23 mechanical-electrical transducer elements are arranged, which are designed as transverse, piezoresistive resistors 24 , 25 . These resistances respond to the shortening of the surface of the longitudinal wall elements 21 , 23 when the sensor 1 is under tensile stress, which is caused by a bending of the longitudinal wall elements 21 , 23 about an axis extending perpendicular to the direction of action. The transverse, piezoresistive resistors 24 , 25 are connected by conductor tracks 26 , 27 ; 28 , 29 with connections 30 , 31 ; 32 , 33 in connection, which are arranged on a longitudinal side 15 of the end parts 4 , 5 . These connections 30 , 31 , 32 , 33 can be connected to wires which are fastened to the connections 30 to 33 by means of the usual bonding technique.

Nachfolgend wird die Herstellung des in Fig. 3 gezeigten Sensors 1 erläutert. Als Ausgangsmaterial für die Her stellung dieses Sensors 1 dient ein Siliziumwafer mit der Kristallorientierung (100). Nach einer thermischen Oxidation des Wafers wird dieser mit Hilfe eines Photoresistprozesses für die nachfolgende Implantation der Piezowiderstände strukturiert. Anschließend erfolgt ein Ausheilen der Sili ziumwaferstruktur und eine Passivierung seiner Oberfläche mittels Oxidation und eine anschließende Nitridabscheidung im chemischen Dampfabscheidungsverfahren bei Niederdruck (LPCVD) auf der Vorderseite und auf der Rückseite des Wafers. Nach einem Aufdampfen einer beispielsweise aus Aluminium bestehenden Metallisierung wird diese mittels eines weiteren Photoresistprozesses für die Erzeugung der elektrischen Kontakte zu den Widerständen strukturiert.The manufacture of the sensor 1 shown in FIG. 3 is explained below. A silicon wafer with the crystal orientation (100) serves as the starting material for the manufacture of this sensor 1 . After thermal oxidation of the wafer, it is structured using a photoresist process for the subsequent implantation of the piezoresistors. This is followed by annealing of the silicon wafer structure and passivation of its surface by means of oxidation and subsequent nitride deposition in the chemical vapor deposition process at low pressure (LPCVD) on the front and on the back of the wafer. After a metallization consisting, for example, of aluminum has been evaporated, this is patterned by means of a further photoresist process for producing the electrical contacts to the resistors.

Nach einem beidseitigen Photoresistprozeß werden das Oxid und das Nitrid an den Stellen, an denen später die V-förmi gen Ausnehmungen 10 bis 14 erzeugt werden sollen, geöffnet. Die V-förmigen Ausnehmungen werden in einem anisotropen Ätzprozeß erzeugt, wodurch die Geometrie des Sensorkörpers 2 festgelegt wird.After a two-sided photoresist process, the oxide and nitride are opened at the points where the V-shaped recesses 10 to 14 are to be created later. The V-shaped recesses are produced in an anisotropic etching process, whereby the geometry of the sensor body 2 is determined.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Leiterbahnen 26 bis 29 zu den Anschlüssen 30 bis 33, die als Bond-Kontak te ausgeführt sein können, in einem laserinduzierten Ab scheidungsverfahren erzeugt. Als abschließende Passivie rungsschicht wird eine Plasmanitridschicht abgeschieden.In a further process step, the conductor tracks 26 to 29 to the connections 30 to 33 , which can be embodied as bond contacts, are produced in a laser-induced deposition process. A plasma nitride layer is deposited as the final passivation layer.

In einem letzten Verfahrensschritt werden die einzelnen Sensoren 1 aus dem Siliciumwafer durch Sägen vereinzelt.In a last process step, the individual sensors 1 are separated from the silicon wafer by sawing.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 stimmt sowohl strukturell als auch bezüglich ihres Herstellungsverfahrens mit dem Sensor gemäß Fig. 3 weitge hend überein, so daß nachfolgend nur strukturelle und her stellungstechnische Abweichungen von der ersten Ausführungs form nach Fig. 3 zu erläutern sind.The embodiment of the sensor 1 according to the invention shown in FIG. 4 agrees both structurally and in terms of its manufacturing process with the sensor according to FIG. 3 largely so that only structural and positional deviations from the first embodiment according to FIG. 3 are to be explained below are.

Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 4 besteht aus zwei Sensorkörpern 2, 2′, die jeweils an einer (16) ihrer beiden Längsseiten 15, 16 im Bereich der Endteile 4, 5 sowie im Bereich der einander zugewandten Längswandelemente 22 mit einander verbunden sind.The second embodiment according to FIG. 4 consists of two sensor bodies 2 , 2 ', each of which is connected to one another on one ( 16 ) of its two longitudinal sides 15 , 16 in the region of the end parts 4 , 5 and in the region of the facing longitudinal wall elements 22 .

Wie ferner aus einem Vergleich der Fig. 4 mit der Fig. 3 offensichtlich ist, weist bei der Ausführungsform nach Fig. 4 jeder Sensorkörper 2, 2′ nur auf der dem anderen Sensor körper 2′, 2 abgewandten Längsseite 15 eine Kerbe 6, 8; 6′, 8′ auf. As is also evident from a comparison of FIG. 4 with FIG. 3, in the embodiment according to FIG. 4 each sensor body 2 , 2 'has a notch 6 , 8 only on the longitudinal side 15 facing away from the other sensor body 2 ', 2 ; 6 ', 8 ' on.

Das Herstellungsverfahren entspricht weitgehend demjenigen des Sensors nach Fig. 3, wobei jedoch bei der Ausführungs form nach Fig. 4 nach dem Verfahrensschritt des Aufbringens der Plasmanitridschicht durch Abscheiden und vor dem Ver einzeln der Sensoren mittels Sägen auf einen der beiden Wafer eine Pyrexschicht aufgesputtert wird, bevor die beiden Wafer rückseitig mittels des Anodic-Bonding-Verfahrens mit einander verbunden werden. Nach diesem Verfahrensschritt des Verbindens folgt in Übereinstimmung mit dem unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Verfahren das Vereinzeln der Sen soren 1 mittels Sägen.The manufacturing process largely corresponds to that of the sensor according to FIG. 3, but in the embodiment according to FIG. 4 a pyrex layer is sputtered onto one of the two wafers after the step of applying the plasma nitride layer by deposition and before the sensors are individually sawn onto one of the two wafers, before the two wafers are connected to one another on the back using the anodic bonding method. After this connecting process step, in accordance with the method described with reference to FIG. 3, the sensors 1 are separated by means of saws.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5, die bezüglich der Struktur des Sensorkörpers und bezüglich seines Her stellungsverfahrens mit der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 übereinstimmt, sind die mechanisch-elektrischen Wandlerelemente als Resonatoren 34, 35, 36, 37, 38, 39 aus geführt. Die Resonatoren erstrecken sich jeweils brücken artig über die Ausnehmungen 10, 12, 14; 10′, 12′, 14′. Die Resonatoren können aus Silizium mit einer (100)-Orientierung hergestellt werden. Gleichfalls ist es möglich, die Resona toren durch Abscheiden von Polysilizium oder anderen Mate rialien zu erzeugen. Da die Herstellung und der Aufbau der artiger Resonatoren an sich bekannt ist, bedarf es keiner detaillierten, diesbezüglichen Erläuterung. Die Resonatoren 34 bis 39 wird man dann als Wandlerelemente einsetzen, wenn eine besonders genaue Messung im Vordergrund steht und ein höherer Herstellungsaufwand vertretbar ist.In the third embodiment according to FIG. 5, which corresponds to the second embodiment according to FIG. 4 with regard to the structure of the sensor body and with regard to its manufacturing method, the mechanical-electrical converter elements are made as resonators 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 guided. The resonators each extend like a bridge over the recesses 10 , 12 , 14 ; 10 ', 12 ', 14 '. The resonators can be made of silicon with a (100) orientation. It is also possible to generate the resonators by depositing polysilicon or other materials. Since the manufacture and construction of the resonators of this type are known per se, no detailed explanation in this regard is required. The resonators 34 to 39 will then be used as transducer elements if a particularly precise measurement is in the foreground and a higher manufacturing effort is justifiable.

Fig. 6 verdeutlicht den Einfluß einer kompressiven Kraft auf die Wirkgeometrie eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform nach den Fig. 4 oder 5. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, wird bei Angreifen einer Kraft die Sensorstruktur symmetrisch zu ihrer Längs achse zieharmonikaartig verformt. Der Kraftangriffspunkt verschiebt sich relativ zum Einspannpunkt der Struktur nur entlang der Wirkrichtung oder Längsachse der Struktur, so daß die eingangs erläuterten Probleme des Standes der Tech nik bei der erfindungsgemäßen Sensorstruktur nicht auftre ten. Fig. 6 illustrates the influence of a compressive force on the active geometry of a sensor according to the invention according to the second or third embodiment according to Fig. 4 or 5. As can be seen from this figure, when a force is applied, the sensor structure becomes symmetrical to its longitudinal axis like an accordion deformed. The force application point shifts relative to the clamping point of the structure only along the effective direction or longitudinal axis of the structure, so that the problems of the prior art explained in the introduction do not occur in the sensor structure according to the invention.

In Abweichung von den Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 5 ist es möglich, auf die dort vorgesehene Anordnung von Leiterbahnen 26 bis 29 auf den Querwandelementen 17 bis 20 zu verzichten und eine Drahtkontaktierung am Ort der Wider stände 24, 25 vorzunehmen. Ebenfalls kann auch eine Detek tierung der Verformung unmittelbar an diesen Widerständen 24, 25 erfolgen.In deviation from the embodiments according to FIGS. 3 to 5, it is possible to dispense with the arrangement of conductor tracks 26 to 29 provided on the transverse wall elements 17 to 20 and to make wire contacting at the location of the resistors 24 , 25 . The deformation can also be detected directly at these resistors 24 , 25 .

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Ausneh mungen als im wesentlichen V-förmig beschrieben. Je nach Ätzcharakteristik des verwendeten Ausgangsmateriales können sich auch andere Ausnehmungslängsschnitte ergeben, die bei spielsweise im wesentlichen U-förmig sein können.In the described embodiment, the exceptions are mentions described as essentially V-shaped. Depending on Etching characteristics of the starting material used can there are also other longitudinal cuts, which at for example, can be substantially U-shaped.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bestehen die Sen sorkörper 2 aus Silizium. Anstelle des Silizium können je doch auch andere ätzbare Materialien, insbesondere Halb leitermaterialien, verwendet werden.In the described embodiment, the sensor body 2 are made of silicon. Instead of silicon, other etchable materials, in particular semiconductor materials, can also be used.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird die Falten struktur durch fünf alternierend angeordnete Ausnehmungen definiert. Je nach gewünschter Länge der Faltenstruktur und nach gewünschter Elastizität und gewünschtem Meßweg kann jedoch die Anzahl der durch die Ausnehmungen definierten Falten auch höher oder niedriger gewählt werden.In the described embodiments, the folds structure through five alternating recesses Are defined. Depending on the desired length of the fold structure and according to the desired elasticity and the desired measuring path however, the number of those defined by the recesses Wrinkles can also be chosen higher or lower.

Bei dem unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläuterten Verfahren werden die beiden Wafer mit einem Anodic-Bonding-Verfahren miteinander verbunden. Anstelle dieses Verfahrens kann für das Verbinden der beiden Wafer auch das sogenannte Silicon- Fusion-Bonding-Verfahren eingesetzt werden. Die beiden Wafer können auch durch Löten, Kleben oder Legieren miteinander verbunden werden.In the method explained with reference to FIG. 4, the two wafers are connected to one another using an anodic bonding method. Instead of this method, the so-called silicone fusion bonding method can also be used for connecting the two wafers. The two wafers can also be connected to one another by soldering, gluing or alloying.

In Abweichung zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann als Wandlerelement auch eine opto-elektronische Wandleran ordnung eingesetzt werden, die eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahles aufweist, die ferner eine an dem ver formbaren Wirkbereich angeordnete Spiegelfläche zum Reflek tieren des Lichtstrahles sowie einen opto-elektronischen Sensor zum Erfassen der Auslenklage des Lichtstrahles um faßt. Vorzugsweise ist hier die Lichtquelle eine Laserlicht quelle. Eine besonders einfache Ablenkung des Lichtstrahles durch die Spiegelfläche wird dadurch erzielt, daß eines der Querwandelemente mit der Spiegelfläche versehen ist. Die Spiegelfläche kann durch Aufbringen einer spiegelnden Be schichtung auf das Querwandelement erzeugt werden. Bei dem opto-elektronischen Sensor kann es sich sowohl um einen Sen sor handeln, der die Ablenkung des Lichtstrahles in analoger oder quasi-analoger Weise erfaßt, wie auch um einen Sensor handeln, der in digitaler Weise lediglich das Auftreffen des Lichtstrahles auf einen vorbestimmten Erfassungsbereich oder dessen Ablenken aus diesem Erfassungsbereich feststellt.In deviation from the exemplary embodiment described an opto-electronic converter is also used as a converter element order are used, which is a light source for generating of a light beam, which also has a ver formable effective area arranged mirror surface for reflecting animals of the light beam as well as an opto-electronic Sensor for detecting the deflection position of the light beam sums up. The light source here is preferably a laser light source. A particularly simple deflection of the light beam through the mirror surface is achieved in that one of the Transverse wall elements is provided with the mirror surface. The Mirror surface can be applied by applying a reflective Layering are generated on the transverse wall element. In which opto-electronic sensor can be a Sen act sor the deflection of the light beam in analog or detected in a quasi-analog manner, as well as around a sensor act in a digital manner only the impact of the Light beam to a predetermined detection area or whose deflection from this detection area.

Claims

1. Sensor for measuring a force and / or a path, with at least one sensor body ( 2, 2 ') having at least one transducer element ( 24, 25; 34, 35, 36, 37, 38, 39 ) with which one Deformation of a deformable effective area ( 3 ) of the sensor body ( 2, 2 ') can be detected, the sensor body ( 2, 2 ') in its effective area ( 3 ) extending at least two substantially perpendicular to the effective direction of the sensor ( 1 ) against opposite longitudinal sides ( 15, 16 ) of the sensor body ( 2, 2 ') and recesses ( 10, 11, 12, 13, 14 ) which are offset from one another in the effective direction of the sensor ( 1 ) and which have a wrinkled structure of the sensor body ( 2 ) in its effective range ( 3 ), characterized,
that the sensor body ( 2, 2 ' ) consists of a semiconductor material at least within its effective range ( 3 ),
that the recesses ( 10, 11, 12, 13, 14 ) are essentially V-shaped by anisotropic etching,
that the sensor body ( 2 ) introduces two end parts ( 4, 5 ) adjoining its active regions ( 3 ) for the force and, within its active region, at least one unit from a transverse wall element ( 17, 18, 19) extending at an angle to the active direction , 20 ) and an adjoining this, extending in the effective direction and forming a longitudinal side of the sensor body longitudinal wall element, and
that the sensor ( 1 ) comprises two sensor bodies ( 2, 2 ' ), each on one ( 16 ) of its longitudinal sides ( 15, 16 ) in the region of the end parts ( 4, 5 ) and in the region of the mutually facing longitudinal wall elements ( 22 ) are connected.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the mechanical-electrical transducer element ( 24, 25 ) on the longitudinal wall element ( 21, 22, 23 ) is arranged such that a shortening or elongation of the surface of the longitudinal wall element ( 21, 22, 23rd ) in the effective direction due to a bending of the longitudinal wall element ( 21, 22, 23 ) resulting from an application of force in the effective direction of the sensor ( 1 ) about an axis extending perpendicular to the effective direction.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the mechanical-electrical transducer element is formed by a transverse, piezoresistive resistor ( 24, 25 ).

4. Sensor according to one of claims 2 or 3, characterized in that on the longitudinal wall element ( 21, 22, 23 ) angeord Nete mechanical-electrical transducer element ( 24, 25 ) via conductor tracks ( 26, 27, 28, 29 ), which run over the transverse wall element ( 17, 18, 19, 20 ), with one of the two end parts ( 4, 5 ) arranged connecting contacts ( 30, 31, 32, 33 ) is connected.

5. Sensor according to claim 1, characterized in that the mechanical-electrical transducer element is formed by a bridge-like extending over one of the recesses resonator structure ( 34, 35, 36, 37, 38, 39 ).

6. Sensor according to claim 1, characterized in that the transducer element generate a light source of a light beam, one on the deformable effective area arranged mirror surface for reflecting the Light beam and an opto-electronic sensor for Detecting a deflection of the light beam has.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the light source is a laser light source.

8. Sensor according to claim 6 or 7, characterized in that the mirror surface on one of the transverse wall elements ( 17, 18, 19, 20 ) is arranged.