DE4138056C2 - Halbleiter-Beschleunigungssensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 3.

Fig. 5 ist eine seitliche Schnittansicht entlang der Mittel­ linie eines konventionellen Halbleiter-Beschleunigungssensors in seiner Längsrichtung, und Fig. 6 ist eine Draufsicht auf den Sensor. Dabei ist ein Sensorchip 1, der mit einem Ge­ wicht 9 zur Aufnahme einer Beschleunigung versehen ist, ein­ seitig an einem auf einer Basis 5 montierten Sockel 11 befe­ stigt. Die Basis 5 ist an einem Gehäuse 4 montiert.

Nach den Fig. 7 und 8 ist im Sensorchip 1 ein Ätzteil bzw. eine Ätzausnehmung 3 für die Aufnahme einer Beschleunigung in Form einer Verwindung gebildet, und die Rückseite der Ätzaus­ nehmung 3 ist mit einem Piezowiderstandsteil 2 versehen, der eine Beschleunigung als Verwindung ausgibt. Die Verdrahtung vom Piezowiderstandsteil 2 ist mit jeder inneren Zuleitung 6 über einen metallischen Feindraht 12 und mit einem externen Schaltkreis (nicht gezeigt) über eine äußere Zuleitung 8, die von der inneren Zuleitung 6 weiterführt, verbunden. Jede innere Zuleitung 6 ist gegenüber der Basis 5 durch ein Isola­ tionsmaterial wie Glas 7 isoliert. Die Teile wie etwa die Basis 5, der Sensorchip 1 usw. sind mit einer Kappe bzw. Abdeckung 10 versehen, um das Innere hermetisch abzuschlie­ ßen.

Der so ausgebildete konventionelle Halbleiter-Beschleuni­ gungssensor wird hergestellt, indem der Beschleunigungs­ sensorchip 1 auf dem Sockel 11 unter Anwendung eines Haft­ materials (nicht gezeigt) wie einer Gold-Silizium-Legierung oder dergleichen befestigt und dann der Sockel 11 unter Anwendung des gleichen Haftmaterials auf der Basis 5 befe­ stigt wird. Die an einem Gehäuse 4 vorgesehenen inneren Zuleitungen 6 werden dann an eine Elektrode (nicht gezeigt) angeschlossen, um die Verwindung des Sensorchips 1 unter Nutzung der metallischen Feindrähte 12 nach außen zu leiten. Dann wird das Gewicht an einem Ende des Sensorchips 1 unter Anwendung eines Haftmaterials (nicht gezeigt) befestigt, und dann wird die Abdeckung 10 mit einem Flanschteil 4a ver­ schweißt, das im Außenumfang der Basis 5 des Gehäuses 4 vor­ gesehen ist. Der auf diese Weise montierte Halbleiter-Be­ schleunigungssensor hat den Aufbau gemäß Fig. 5, wobei die metallischen Feindrähte 12 an der Oberseite des Gewichts 9 in einer Entfernung von der Abdeckung 10 so angeordnet sind, daß sie die Abdeckung nicht berühren.

Wenn bei diesem Halbleiter-Beschleunigungssensor auf den Sensorchip 1 eine Beschleunigung aufgebracht wird, die größer als die Bruchfestigkeit des restlichen Teils der Ätzausneh­ mung 3 ist, kann es geschehen, daß der Sensorchip 1 bricht. Die Dicke des restlichen Teils der Ätzausnehmung 3 des Sensorchips 1 ist nämlich durch den Beschleunigungsmeßbe­ reich, unter Abgleich mit der Lage und dem Gewicht des Gewichtes, so bestimmt, daß der Sensorchip beim Gebrauch innerhalb dieses Bereichs nicht bricht. Wenn beispielsweise eine Erdbeschleunigung von 1 g auf das Ende des Sensorchips 1 aufgebracht wird, wird ein Verbiegen von ca. 1 µm erzeugt, wobei die Toleranz ca. 400 µm ist. Bei dem konventionellen Sensor besteht jedoch das Problem, daß dann, wenn auf den Halbleiter-Beschleunigungssensor eine Beschleunigung oder ein Stoß außerhalb des Meßbereichs aufgebracht wird, wenn er bei­ spielsweise während der Beförderung fallengelassen wird oder dergleichen, der Ätzteil des Sensorchips 1 infolge der ein­ seitig befestigten Konstruktion bricht.

Ferner tritt bei dem konventionellen Sensor das Problem auf, daß dadurch, daß der Sensorchip 1, der Sockel 11 und die Basis 5 miteinander unter Verwendung des Haftmaterials ver­ bunden sind, weil eine extrem kleine Auslenkung zu messen ist, die Arbeitsgenauigkeit nachläßt, was sich auf die Meß­ genauigkeit des Beschleunigungssensors nachteilig auswirkt.

Das JP-Abstract 61-144 576 (A) und die GB 21 76 607 (A) be­ schreiben Halbleiter-Beschleunigungssensoren, bei welchen sowohl der Sockel zum Befestigen des eigentlichen Sensors als auch das Gewicht, das heißt die seismische Masse, aus dem Halbleiter-Beschleunigungschip herausgeätzt sind. Darüber hin­ aus zeigt die GB 21 76 607 (A) auch einen Halbleiter-Be­ schleunigungschip, bei welchem lediglich der Sockel herausge­ ätzt ist, während die seismische Masse nachträglich aufge­ bracht ist.

Die US 31 13 223 beschreibt einen Sensor mit einem Piezo-Bie­ gebalken, bei welchem keine seismische Masse vorgesehen ist. Der Sockel, auf welchem der Piezo-Streifen befestigt ist, wird von einem offenen Gehäuse gebildet. Das Gehäuse ragt über den Piezo-Streifen hinaus und schützt ihn damit gegen ein Abbre­ chen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Beschleuni­ gungssensor aufzuzeigen, der bei einfacher Herstellung zuver­ lässig gute Wandlereigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und verfahrensmäßig durch die Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt durch einen Halbleiter-Beschleunigungssensor gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Halbleiter-Beschleuni­ gungssensor von Fig. 1;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines Hemmelements;

Fig. 4 einen seitlichen Schnitt durch einen Halbleiter-Beschleunigungssensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 einen seitlichen Schnitt durch einen konventionellen Halbleiter-Beschleunigungssensor;

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Halbleiter-Beschleuni­ gungssensor von Fig. 5; und

Fig. 7 und 8 eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Halbleiter-Beschleunigungssensorchips.

Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht entlang der Mit­ tellinie in Längsrichtung eines Halbleiter-Beschleunigungs­ sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, und Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Sensor. Dabei bezeichnen die Bezugszeichen 1-4, 6-10 und 12 die gleichen Teile wie bei dem oben be­ schriebenen konventionellen Halbleiter-Beschleunigungssensor. Allerdings ist hier die Abdeckung 10 nicht gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel wird ein Anschlag oder Hemmkörper 13 ver­ wendet, der integral mit dem Sockel geformt ist und ein dem Sockel entsprechendes Teil 14 sowie ein Hemmelement 15 um­ faßt. Fig. 3 ist eine Perspektivansicht des Hemmkörpers 13.

Bei dem so ausgelegten Halbleiter-Beschleunigungssensor ist die Entfernung (der Bewegungsbereich des Gewichts 9) zwischen dem Hemmelement 15 des Hemmkörpers 13 und dem Gewicht 9 klei­ ner ausgelegt als die Bruchdimensionen, die durch die Bruch­ festigkeit des restlichen Teils der Ätzausnehmung 3 des Sensorchips 1 bestimmt sind. Auch wenn daher auf den Halblei­ ter-Beschleunigungssensor eine Beschleunigung außerhalb des Meßbereichs in Aufbringrichtung der Beschleunigung oder in Gegenrichtung aufgebracht wird, wird die Bewegung des Ge­ wichts 9 durch das Hemmelement 13 gehemmt, so daß der Sensor­ chip 1 nicht bricht. Da ferner der Sockel und das Hemmelement eine Einheit bilden, kann der Vorgang der Verbindung oder Vereinigung der beiden Teile entfallen. Dadurch wird die Anzahl der Arbeitsschritte verringert, und dimensionsmäßige Abweichungen, die bei der Herstellung der Verbindung zwischen dem Sockel und dem Hemmelement auftreten könnten, werden ver­ mieden. Ferner kann dabei durch eine Verringerung der Zahl der Montageschritte eventuell eine Kostensenkung erreicht werden. Der Hemmkörper 13 wird bevorzugt durch Metallspritz­ gießen hergestellt, weil dabei eine komplizierte Form mit hoher Genauigkeit erhalten werden kann.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist das Hemmelement inte­ gral mit dem Sockel ausgebildet, es kann aber auch ein Hemm­ körper 16 integral mit der Gehäusebasis vorgesehen sein, so daß die Zahl der Herstellungsschritte noch weiter reduziert werden kann (Fig. 4). Auch wenn in diesem Fall der Hemmkörper 16 eine komplizierte Form hat, so kann er vorzugsweise durch Metallspritzgießen mit hoher Präzision und niedrigen Kosten hergestellt werden.

Claims (6)

1. Halbleiter-Beschleunigungssensor mit:

• - einem Halbleiter-Beschleunigungssensorchip (1), an dessen einem Ende ein Gewicht (9) vorgesehen ist;
• - einer Basis (5), auf welcher der Halbleiter-Beschleuni­ gungssensorchip (1) mit seinem anderen Ende befestigt ist;
• - ein Hemmelement, das eine Bewegung des Gewichts (9) außerhalb des Meßbereichs mit einem 1. Anschlag in Auf­ bringrichtung einer Beschleunigung sowie mit einem 2. An­ schlag in Gegenrichtung hemmt;

wobei der Halbleiter-Beschleunigungssensorchip (1) auf der Basis (5) mittels eines pfostenartigen Sockels (14) befestigt ist, der Sockel (14) über einen Körper (3, 16) einstückig mit dem Hemmelement (15) geformt ist, welches die beiden Anschläge mit U-förmigen Schenkeln bildet, und wobei eine Abdeckung (10) vorgesehen und derart auf der Basis angeordnet ist, daß sie den Halbleiter-Beschleuni­ gungssensorchip (1) auf der Basis (14), das Gewicht (9) und das Hemmelement (15) abdeckt.

2. Halbleiter-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Körper (13), der Sockel (14), das Hemmelement (15) und die Basis (5) einstückig geformt (16) sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Beschleuni­ gungssensors, umfassend folgende Schritte:

• - an einem Ende eines Halbleiter-Beschleunigungs­ sensorchips wird ein Gewicht angebracht;
• - ein Hemmelement, das die Bewegung des Gewichts in Aufbringrichtung einer den Meßbereich überschreiten­ den Beschleunigung sowie in Gegenrichtung hemmt, wird über einen Körper einstückig mit einem pfostenartigen Sockel verbunden geformt;
• - der Halbleiter-Beschleunigungssensorchip wird auf dem Sockel befestigt;
• - der Körper wird auf einer Basis befestigt;
• - auf der Basis wird unter Abdeckung des Halbleiter-Beschleunigungssensorchips, des Gewichts und des Körpers eine Abdeckung unter Bildung eines Gehäuses befestigt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper, der Sockel, das Hemmelement und die Basis einstückig geformt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Formen durch Metallspritzgießen er­ folgt.