DE4022464A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung von Beschleuni­ gungen, insbesondere von Winkelbeschleunigungen, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In der DE-PS 40 00 903 wird ein Beschleunigungssensor beschrieben, der aus einem monokristallinen, zweischichtigen Träger gefertigt ist. Er weist eine parallel zur Trägeroberfläche schwingungsfähige Zunge auf, der gegenüber in Schwingungsrichtung eine feststehende Elektrode angeordnet ist. Die Beschleunigung wird bei diesem Sensor über die kapazitive Änderung zwischen der beweglichen Zunge und der feststehenden Elektrode erfaßt.

Aus "Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures" W. C. Tang, T. H. Nguyen, R. T. Howe; Sensors and Atuators, 20 (1989) 25-30 sind bereits seismische Massen, die an archimedischen Spiralen aufgehängt sind und mit einem elektrostatischen Kammantrieb versehen sind, bekannt. In diesem Artikel wird die Realisierung solcher Strukturen in Polysilizium-Technologie beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß sich durch das Erfassen der Aus­ lenkung der seismischen Masse an mehreren Seiten der seismischen Masse Drehbewegungen von Linearbeschleunigungen unterscheiden lassen. Je nach Art der Beschleunigung ändern sich die Meßsignale, die an unterschiedlichen Seiten der seismischen Masse erfaßt werden, entweder gleichsinnig oder gegenläufig. Durch einen Vergleich der Signale kann also auf besonders einfache Weise zwischen einer Dreh­ bewegung und einer Linearbeschleunigung unterschieden werden. Vor­ teilhaft ist auch, daß die seismische Masse des Sensors bevorzugt in der Trägerebene auslenkbar ist und dabei nicht aus der Trägerober­ fläche hinausragt. Der Träger selbst dient dabei vorteilhaft als Schutz gegen mechanische Überlast. Eine zumindest zweiseitige Auf­ hängung der seismischen Masse an dünnen Stegen erhöht die Stabilität des Sensors gegen Überlast und gewährleistet gleichzeitig eine sehr hohe Meßempfindlichkeit. Gleichzeitig wird die Empfindlichkeit gegen Querbeschleunigungen erniedrigt. In Bezug auf Querempfindlichkeit ist auch eine vierseitige symmetrische Aufhängung der seismischen Masse besonders vorteilhaft. Die Herstellung des Sensors aus einem Siliziumträger ist besonders vorteilhaft, da mit Standardverfahren besonders kleine Bauweisen erzielt werden können. Vorteilhaft ist außerdem, daß sich auf einem Siliziumträger auch Auswerteschaltungen des Sensors integrieren lassen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich.

Das Erfassen der Auslenkungen der seismischen Masse erfolgt beson­ ders vorteilhaft piezoresistiv mit Hilfe von jeweils zwei Piezowi­ derständen, die auf den Aufhängungsstegen rechts und links von der Stegachse aufgebracht sind. Bei Linearbeschleunigungen der seismi­ schen Masse ändern sich die mindestens zwei Piezowiderstände auf jedem der Aufhängungsstege gleichsinnig. Im Falle einer Drehbewegung wird eine Seite jedes Aufhängungssteges gedehnt während die andere Seite gestaucht wird. Das führt zu einer gegenläufigen Veränderung der Widerstandswerte eines jeden Aufhängungssteges. Die piezoresis­ tive Signalerfassung läßt sich auch vorteilhaft auf Sensoren anwen­ den, die aus einem einschichtigen Träger gefertigt sind. Die Ausbil­ dung von schmalen Aufhängungsstegen in der gesamten Trägerdicke ist vorteilhaft, da dadurch Auslenkungen der seismischen Masse innerhalb der Trägerebene bevorzugt werden, während Auslenkungen der seismi­ schen Masse senkrecht zur Trägerebene unterdrückt werden.

Für die Herstellung und zur Isolation von Teilstrukturen des Sensors ist es besonders günstig, zweischichtige Siliziumträger zu verwenden, wobei zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht ein Dotierungsübergang, vorzugsweise ein pn-Übergang besteht. Der Träger kann monokristallin sein, wobei die obere Schicht durch Diffusion von Fremdatomen erzeugt sein kann oder eine auf einem Träger abgeschiedene Epitaxieschicht sein kann. Je nach Sensor­ struktur ist es von Vorteil, einen Siliziumträger mit einer darauf abgeschiedenen Polysiliziumschicht zu verwenden. In diesem Fall erfolgt die Isolation z. B. über eine Siliziumoxidschicht zwischen den einkristallinen und polykristallinen Siliziumschichten.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht in der kapazitiven Signalerfassung. Dazu ist es vorteilhaft, feststehende Elektroden von zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens ausgehend aus dem Siliziumträger heraus zu strukturieren, die parallel zu den Auf­ hängungsstegen angeordnet sind. Zusammen mit den als bewegliche Elektroden dienenden Aufhängungsstegen bilden diese feststehenden Elektroden jeweils einen Kondensator. Alternativ oder zur Ver­ stärkung des Signals ist es vorteilhaft, weitere von dem Rahmen ausgehende feststehende Elektroden zu strukturieren und parallel dazu bewegliche Elektroden, die von der seismischen Masse ausgehen und zusammen mit den feststehenden Elektroden Interdigitalkonden­ satoren bilden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist auch, diese Kondensatoren durch Anlegen einer variablen Spannung zur Lage­ regelung zu verwenden, mit der die seismische Masse wieder in ihre Ruhelage gebracht wird. Dies stellt eine besonders günstige Möglich­ keit der Überlastsicherung dar. Vorteilhaft ist auch eine Kombi­ nation von kapazitiver Lageregelung, kapazitiver Signalerfassung und piezoresistiver Signalerfassung. Die Isolation der beweglichen Elektroden gegenüber den feststehenden Elektroden läßt sich besonders günstig realisieren, wenn die Aufhängungsstege der seismischen Masse nur in der oberen Schicht ausgebildet sind. Der pn-Ubergang zwischen oberer und unterer Schicht stellt dann eine Isolation der Elektroden gegenüber der unteren Schicht dar; die Isolation in der oberen Schicht kann entweder vorteilhaft durch Isolationsdiffusionen oder durch die obere Schicht vollständig durchdringende Ätzgräben erfolgen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, die seismische Masse an zwei ineinander verlaufenden, archimedischen Spiralen aufzuhängen, die an den außen­ liegenden Windungen mit beweglichen Stegen versehen sind. Die beweg­ lichen Stege weisen kammförmige Fingerstrukturen auf, die zusammen mit von feststehenden Stegen ausgehenden Fingerstrukturen elektro­ statische Reluktanzantriebe bilden. Diese ineinandergreifenden Fingerstrukturen können vorteilhaft entweder zum Signalabgriff oder aber auch zur Lageregelung verwendet werden. Eine zusätzliche Signalabnahme kann vorteilhaft piezoresistiv mittels auf den Spiralen angeordneten Piezowiderständen erfolgen.

Zur Empfindlichkeitssteigerung des Sensors kann die seismische Masse entweder in voller Trägerdicke ausgebildet werden. Bei Ausbildung der seismischen Masse in der gleichen Dicke wie die der Aufhängung können entweder das Trägheitsmoment oder die Querempfindlichkeit optimiert werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Aufsicht auf einen Sensor mit piezoresistivem Signal­ abgriff,

Fig. 2 die Aufsicht auf einen Sensor mit kapazitivem Signalabgriff,

Fig. 3 den Schnitt durch diesen Sensor,

Fig. 4 die Aufsicht auf einen Sensor mit Interdigitalkondensatoren,

Fig. 5 die Aufsicht auf einen Sensor mit einer Aufhängung mittels archimedi­ scher Spiralen und die

Fig. 6a und b Schnitte durch diesen Sensor entlang der A- und B-Achse.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Sensor dargestellt, mit einem feststehenden Rahmen 10 und einer darin befestigten, auslenkbaren seismischen Masse 20. Die seismische Masse 20 ist hier symmetrisch über vier dünne Stege 21 bis 24 aufgehängt. Diese Struktur kann aus einem ein- oder zweischichtigen Siliziumträger strukturiert sein. Der Träger kann monokristallin sein oder mit einer Poly-Silizium-Schicht versehen sein. Die Stege 21 bis 24 und die seismische Masse 20 können sowohl in voller Trägerdicke ausgebildet sein als auch in ihrer Dicke reduziert sein. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es sinnvoll, die seismische Masse 20 möglichst groß zu machen, also in voller Trägerdicke auszubilden. Bei seismischen Massen 20, deren Stege 21 bis 24 dicker als breit sind, also z. B. die gesamte Trä­ gerdicke haben, sind Auslenkungen innerhalb der Trägerebene gegen­ über Auslenkungen senkrecht zur Trägerebene bevorzugt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf jedem Steg 21 bis 24 jeweils zwei Piezowiderstände 81, 82, aufgebracht. Sie sind je­ weils rechts und links von den Stegachsen angeordnet. Eine Linear­ beschleunigung des Sensors in der Trägerebene oder senkrecht dazu führt immer zu einer gleichsinnigen Längenänderung der beiden Hälf­ ten der Aufhängungsstege rechts und links von der Stegachse und also zu einer gleichsinnigen Widerstandsänderung der Piezowiderstände auf einem Steg. Im Gegensatz dazu führt eine Drehbewegung um eine Dreh­ achse senkrecht zur Trägeroberfläche zu einer gegensinnigen Verbie­ gung der Steghälften und damit zu einer gegensinnigen Widerstandsän­ derung der Piezowiderstände auf einem Steg. Durch Vergleich der Wi­ derstandswerte der Widerstände auf einem Steg bzw. durch entspre­ chende Verschaltung lassen sich also einfach Linearbeschleunigungen von Drehbewegungen unterscheiden.

In Fig. 2 ist eine Sensorstruktur dargestellt, die mit der in Fig. 1 dargestellten vergleichbar ist. Der Signalabgriff erfolgt hier aber nicht piezoresistiv sondern kapazitiv. Dazu sind parallel zu den Aufhängungsstegen 21 bis 24, vom feststehenden Rahmen 10 ausge­ hend, feststehende Elektroden 11 bis 14 aus dem Träger strukturiert. Diese feststehenden Elektroden 11 bis 14 bilden zusammen mit den als bewegliche Elektroden dienenden Aufhängungsstegen 21 bis 24 Kapazi­ täten. Die feststehenden Elektroden 11 bis 14 sind bezüglich der be­ weglichen Elektroden 21 bis 24 so angeordnet, daß eine Linearbe­ schleunigung in der Trägerebene zu gegenläufigen Kapazitätsänderun­ gen an den beiden gegenüberliegenden Kapazitäten führt. Nur eine Drehbewegung um eine Drehachse senkrecht zur Trägerebene führt zu einer gleichsinnigen Kapazitätsänderung an mindestens zwei gegen­ überliegenden Kapazitäten. Diese Sensorstruktur ist aus einem zwei­ schichtigen Siliziumträger 1 strukturiert, wobei zwischen der oberen Schicht 2 und der unteren Schicht 3 des Siliziumträgers 1 ein Dotierungsübergang besteht. Die Stege 21 bis 24 sind nur in der oberen Schicht 2 ausgebildet. In den Rahmen 10 sind um den Mündungs­ bereichen der Stege Isolationsdiffusionen 30 eingebracht. Die Iso­ lationsdiffusionen 30 können aber auch in geeigneter Weise an den Stellen des Rahmens 10 eingebracht werden, von denen die feststehen­ den Elektroden 11 bis 14 ausgehen. Diese in Verbindung mit dem pn-Übergang zwischen der oberen Schicht 2 und der unteren Schicht 3 dienen dazu, die als bewegliche Elektroden dienenden Aufhängungsste­ ge 21 bis 24 von den feststehenden-Elektroden 11 bis 14 elektrisch zu isolieren. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch diesen Sensor im Bereich der Stege 22 und 24 dargestellt. Der fest- stehende Rahmen 10 ist in voller Trägerdicke ausgebildet, ebenso wie die seismische Masse 20. Möglich ist aber auch, die seismische Masse 20 ganz oder teilweise in ihrer Dicke zu reduzieren oder auch nur in der oberen Schicht 2 auszubilden.

Eine weitere Möglichkeit der Isolation von Strukturteilen und des Signalabgriffs ist in Fig. 4 dargestellt. Mit 45 sind Ätzgräben bezeichnet, die die obere Schicht 2 vollständig durchdringen. Damit sind in Fig. 4 vom Rahmen ausgehende feststehende Elektroden 41 elektrisch von den von der seismischen Masse 20 ausgehenden beweg­ lichen Elektroden 42 getrennt. Die beweglichen Elektroden 42 bilden mit den feststehenden Elektroden 41 parallelgeschaltete Interdigi­ talkondensatoren, die signalverstärkend wirken. Die Funktionsweise des in Fig. 4 dargestellten Sensors entspricht der des in den Fi­ guren 2 und 3 dargestellten Sensors. Möglich sind auch alle Kombina­ tionen der dargestellten Signalerfassungsmethoden, wie Interdigital­ kondensatoren mit den in Fig. 2 dargestellten Diffusionsisolationen und/oder in Verbidung mit einer piezoresisitiven Signalerfassung wie in Fig. 1 dargestellt. Außerdem denkbar ist es, die in den Fig. 2 und 4 dargestellten Kondensatorstrukturen nicht nur zur Signaler­ fassung sondern auch durch Anlegen einer variablen Spannung zur La­ geregelung der seismischen Masse 20 einzusetzen. Auf diese Weise kann Überlastsituationen besser begegnet werden, was die Lebensdauer des Sensors erhöht. Die Linearität des Ausgangssignals wird hier­ durch auch verbessert.

In Fig. 5 ist die Aufsicht auf einen Sensor dargestellt, der aus einem Siliziumträger 1 bestehend aus einem Substrat 3, einer darauf aufgebrachten Isolationsschicht 5 und einer auf die lsolations­ schicht 5 aufgebrachten Polysiliziumschicht 2 strukturiert ist. Die Fig. 6a und b zeigen Schnitte durch den Sensor an den in Fig. 5 mit A und B bezeichneten Achsen. Aus der Polysiliziumschicht 2 ist ein Ankerpunkt 55 herausstrukturiert, der über die Isolationsschicht 5 fest mit dem Substrat 3 verbunden ist. Von diesem Ankerpunkt 55 als Mittelpunkt gehen zwei ineinanderverlaufende Spiralen 50, 60 aus, die nur in der Polysiliziumschicht 2 ausgebildet sind und außer über den Ankerpunkt 55 nicht mit dem Substrat 3 verbunden sind und also wie Spiralfedern beweglich sind. Jeweils an den außenliegenden Windungen der Spiralen 50, 60 sind bewegliche Massen 51, 61 eben­ falls nur in der Polysiliziumschicht 2 ausgebildet, die sternförmig zum Ankerpunkt 55 angeordnet sind. Sie weisen zweiseitig kammförmige Fingerstrukturen 511, 611 auf. Ebenfalls sternförmig um den Anker­ punkt 55 sind zwischen den beweglichen Massen 51, 61 feststehende Elektroden 71 angeordnet, die mit dem Substrat 3 und/oder einem in den Fig. 5, 6a und b nicht dargestellten Rahmen verbunden sind. Auch die feststehenden Elektroden 71 weisen kammförmige Fingerstruk­ turen 711 auf. Die Fingerstrukturen 511, 611 der beweglichen Massen 51, 61 und die Fingerstrukturen 711 der feststehenden Elektroden 71 greifen ineinander. Diese Fingerstrukturen 511, 611, 711 bilden zu­ sammen Interdigitalkondensatoren bzw. elektrostatische Reluktanzan­ triebe, die zur Lageregulierung aber auch zur Signalerfassung be­ nutzt werden können. Eine Signalerfassung bei dieser Struktur ist außerdem mit auf den Spiralen 50 und 60 angeordneten Piezowiderstän­ den möglich.

Mit diesem Sensor lassen sich besonders günstig Winkelbeschleunigun­ gen um eine Achse senkrecht zur Trägeroberfläche erfassen. Dabei wirken die archimedischen Spiralen 50, 60 wie Spiralfedern, die je nach Drehrichtung gedehnt oder gestaucht werden, wodurch die Lage der beweglichen Massen 51, 61 bezüglich der feststehenden Elektroden 71 verändert wird, was zu Änderungen der elektrischen Verhältnisse an den Interdigitalkondensatoren führt.

Claims (14)

1. Sensor zur Messung von Beschleunigungen, insbesondere von Winkel­ beschleunigungen, der aus einem Siliziumträger hergestellt ist, wobei aus dem Siliziumträger zumindest ein feststehender Rahmen und mindestens eine in dem Rahmen befestigte, auslenkbare seismische Masse herausstrukturiert sind und Mittel zur Erfassung von Aus­ lenkungen in der Trägerebene der mindestens einen seismischen Masse vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (20) über mindestens zwei symmetrisch angeordnete, in der Träger­ ebene verbiegbare Stege (21 bis 24) mit dem Rahmen (10) verbunden ist und daß die Auslenkung der seismischen Masse (20) in der Träger­ ebene an mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse (20) erfaßt wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (10) quadratisch ist, daß die seismische Masse (20) eine quadra­ tische Oberseite hat, daß die seismische Masse (20) vierseitig bzw. zweiseitig mit dem Rahmen (10) verbunden ist, so daß die Kanten der quadratischen Oberseite der seismischen Masse (20) parallel zu den Innenflächen des Rahmens (10) orientiert sind und so daß die seis­ mische Masse (20) in der Mitte des Rahmens (10) hängt, und daß die Aufhängungsstege (21 bis 24) senkrecht von den Kantenmitten der Oberseite der seismischen Masse (20) ausgehen.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stegen (21 bis 24) jeweils mindestens zwei Piezowiderstände (81, 82) rechts und links von der Stegachse aufgebracht sind oder in die Stege (21 bis 24) integriert sind.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege (21 bis 24) und/oder die seismische Masse (20) ganz oder teilweise in der gesamten Dicke des Siliziumträgers (1) ausgebildet sind.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Siliziumträger (1) eine obere Schicht (2) und eine untere Schicht (3) aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht ein Dotierungsübergang, vorzugsweise ein pn-Übergang, besteht.

7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumträger (1) monokristallin ist.

8. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schicht (2) eine Poly-Silizium-Schicht ist.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium­ träger (1) zwischen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht (3) eine Isolationsschicht (5), vorzugsweise eine Siliziumoxid­ schicht, aufweist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Siliziumträger (1) von zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens (10) ausgehend mindestens zwei feststehende Elektroden (11 bis 14) herausstrukturiert sind, die jeweils parallel zu einem Aufhängungssteg (21 bis 24) angeordnet sind und zusammen mit den als bewegliche Elektroden ausgebildeten Aufhängungsstegen (21 bis 24) jeweils einen Kondensator bilden.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß aus dem Siliziumträger (1) von zwei gegenüberliegenden Sei­ ten des Rahmens (10) ausgehend mindestens zwei feststehende Elektro­ den (41) und parallel dazu von der seismischen Masse (20) ausgehend mindestens zwei bewegliche Elektroden (42) herausstrukturiert sind, die zusammen jeweils einen Kondensator bilden.

12. Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungsstege (21 bis 24) nur in der oberen Schicht (2) ausgebil­ det sind und daß die feststehenden Elektroden (11 bis 14, 41) gegen die beweglichen Elektroden (21 bis 24, 42) durch einen pn-Übergang oder eine Isolationsschicht (5) zwischen der oberen Schicht (2) und der unteren Schicht (3) und durch Isolationsdiffusionen (30) in der oberen Schicht (2) und/oder durch die obere Schicht (2) vollständig durchdringende Ätzgräben (45) isoliert sind.

13. Sensor zur Messung von Beschleunigungen, insbesondere von Win­ kelbeschleunigungen, der aus einem Siliziumträger (1) hergestellt ist, der ein Substrat (3) eine darauf aufgebrachte Isolationsschicht (5) und eine auf die Isolationsschicht (5) aufgebrachte Polysilizi­ umschicht (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Polysi­ liziumschicht (2) ein Ankerpunkt (55) herausstrukturiert ist, der über die Isolationsschicht (5) fest mit dem Substrat (3) verbunden ist, daß von dem Ankerpunkt (55) als Mittelpunkt ausgehend in der Polysiliziumschicht (2) zwei ineinanderverlaufende, nicht mit dem Substrat (3) verbundene Spiralen (50, 60) herausstrukturiert sind, daß die Spiralen (50, 60) jeweils an der außenliegenden Windung min­ destens eine bewegliche Masse (51, 61) aufweisen, die sternförmig um den Ankerpunkt (55) angeordnet sind, daß die beweglichen Massen (51, 61) ein- oder zweiseitig Fingerstrukturen (511, 611) aufweisen, daß sternförmig um den Ankerpunkt (55) zwischen den beweglichen Massen (51, 61) feststehende, mit dem Substrat (3) über die Isolations­ schicht (5) verbundene Elektroden (71) angeordnet sind, die ein- oder zweiseitig Fingerstrukturen (711) aufweisen, und daß die Fingerstrukturen (511, 611) der beweglichen Massen (51, 61) und die Fingerstrukturen (711) der feststehenden Elektroden (71) ineinander­ greifen.

14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Piezowider­ stände auf den Spiralen (50, 60) angeordnet sind.