DE4208043A1 - Verfahren zur messung einer beschleunigung, beschleunigungssensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Messung einer Be­ schleunigung nach der Gattung des Hauptanspruches, einem Be­ schleunigungssensor nach der Gattung des Anspruches 3 und einen Ver­ fahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 12. Es sind bereits Be­ schleunigungssensoren bekannt (Petersen, Silicon as a Mechanical Material, Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982), die eine Biegefeder und eine seismische Masse aufweisen. Die Auslenkung der seismischen Masse dieser Sensoren bei Beschleunigung wird durch die Änderung einer Kapazität oder durch die in einem aufgebrachten Piezofilm erzeugten Spannungen nachgewiesen. Weiterhin ist die Ver­ wendung von Frequenzänderungen als Signal von Sensoren bekannt, die eine seismische Masse und Biegefedern aufweisen (Harrie et al., A Differential Resonator Design using a Bossed Structure for Appli­ cations in Mechanical Sensors, Sensors and Actuators A, 25-27 (1991)). Die Frequenzänderung wird von auf den Biegefedern aufge­ brachten Resonatoren erzeugt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches bzw. der Beschleunigungssensor mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 3 hat demgegenüber den Vorteil, daß, bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Sensors, ein großes Meßsignal erreicht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12, ist eine besonders einfache Herstellung des Sensors möglich. Infolgedessen ist der Sensor besonders kostengünstig her­ stellbar und ermöglicht gleichzeitig eine besonders genaue und empfindliche Messung der Beschleunigung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßverfahrens bzw. Sensors möglich. Bewegungen der Biegefeder können besonders einfach durch aufgebrachte, struktu­ rierte piezoelektrische Schichten angeregt bzw. nachgewiesen werden. Besonders einfach geschieht dies, indem die piezoelektrische Schicht Bestandteil eines Oszillators ist. Wegen der guten mechanischen Eigenschaften und der Möglichkeit der Mikrostrukturierung eignet sich besonders einkristallines Silizium als Material für die Biege­ feder und/oder die seismische Masse. Wenn mehrere Biegefedern in zwei Gruppen gleich steifer Biegefedern angeordnet sind, die so an­ geregt werden, daß die gegenphasig zueinander schwingen, so werden keine Kräfte oder Momente auf die seismische Masse übertragen. In keine Kräfte oder Momente auf die seismische Masse übertragen. In diesem Fall wird die Güte der Schwingung der Biegebalken verbessert. Besonders einfach werden mehrere Biegefedern nur auf einer Seite der seismischen Masse angeordnet. Dieses Design des Beschleunigungs­ sensors ist besonders unempfindlich gegen mechanische Verspannungen, die durch die Verpackung oder Temperatur­ unterschiede entstehen können. Die einfachste Ausführungsform eines solchen Sensors verwendet drei Biegefedern, wobei die mittlere Biegefeder doppelt so breit ist wie die äußeren. Werden diese Biege­ federn mit Entkopplungsbereichen mit Rahmen und seismischer Masse verbunden, so wird eine besonders hohe Güte der Schwingungen er­ reicht. Durch die Anordnung einer geraden Anzahl von Biegefedern auf einander gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse entsteht ein symmetrisches Design des Beschleunigungssensors, das besonders robust und unempfindlich ist. Die einfachste Ausführungsform eines solchen Beschleunigungssensors verwendet vier Biegefedern. Die Her­ stellung solcher Beschleunigungssensoren erfolgt besonders kosten­ günstig unter Verwendung nur eines Siliziumwafers. Wesentliche Be­ arbeitungsschritte erfolgen dabei durch Ätzen, da so eine Vielzahl von Sensoren auf einem Wafer parallel bearbeitet wird. Durch eine Siliziummembran werden temperaturinduzierte Verspannungen des fertigen Sensors verringert. Die Reproduzierbarkeit der Dicke der Biegefedern wird erhöht, wenn die Membran eine andere Dotierung auf­ weist als der Siliziumwafer. Die Membran kann während der Ätzung durch Anlegen einer elektrischen Spannung vor dem Angriff der Ätz­ lösung geschützt werden. Die Kontaktierung der piezoelektrischen Schichten kann durch aufgebrachte Zuleitungen aus Metall und ent­ sprechende Dotierung der Membran erreicht werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a und b eine erste Ausführungsform des Sensors, Fig. 2a, b und c eine zweite Ausführungsform des Sensors, Fig. 3a bis d das Herstellungsverfahren der Sensoren und Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau der Auswerteschaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1a ist ein erfindungsgemäßer Beschleunigungssensor in der Aufsicht, in Fig. 1b ein Schnitt entlang der Linie I-I des er­ findungsgemäßen Sensors gezeigt. Eine seismische Masse 8 ist durch vier Biegefedern 4, 5, 6, 7 in einem Rahmen 17 aufgehängt. Auf jeder der vier Biegefedern 4, 5, 6, 7 sind zwei piezoelektrische Schichten 10 angeordnet. Durch aufgebrachte Zuleitungen 12 sind die piezo­ elektrischen Schichten von der Oberseite her kontaktiert. Aus Grün­ den der einfacheren Darstellung sind diese Zuleitungen 12 nur für die piezoelektrischen Schichten 10 auf dem Biegebalken 7 gezeigt. Die piezoelektrischen Schichten 10 sind so angeordnet, daß eine piezoelektrische Schicht 10 in der Nähe des Rahmens 17 und eine andere piezoelektrische Schicht 10 in Biegebalkenmitte oder in der Nähe der seismischen Masse 8 angeordnet ist. Auf der Oberfläche des Sensors ist weiterhin eine Isolationsschicht 24 gelegen. Der Rahmen 17, die seismische Masse 8 und die Biegefedern 4, 5, 6, 7 bestehen aus einkristallinem Silizium. Alternativ können die Biegefedern 4, 5, 6, 7 auch aus einer dielektrischen Schicht wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen. In diesem Fall erfolgt die Kontaktierung der piezoelektrischen Schichten 10 von der Unterseite durch dünne aufgebrachte Metallschichten. Diese können sowohl strukturiert sein, wie auch ganzflächig aufgetragen sein. Weiterhin ist bei der Ver­ wendung von dielektrischen Materialien auf der Oberseite des Rahmens 17 und der seismischen Masse 8 ebenfalls ein dünner Film aus diesem Material gelegen. Die Isolationsschicht 24 besteht aus einem dünnen Film aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder einer Kombination der beiden Materialien. Die Zuleitungen 12 bestehen aus Metall. Die piezoelektrischen Schichten 10 bestehen beispielsweise aus Zinkoxid, Aluminiumnitrid oder Blei(Lantan)-Zirkon-Titanat.

Das Feder-Masse-System, bestehend aus der seismischen Masse 8 und den Biegefedern 4, 5, 6, 7 ist so ausgelegt, daß die seismische Masse 8 bei Beschleunigungen in eine Richtung, die senkrecht auf der Zeichenebene von Fig. 1a steht, aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Die Biegefedern 4, 5, 6, 7 werden durch die piezoelektrischen Schichten derart zu Schwingungen angeregt, daß die Einspannung der Biegefedern 4, 5, 6, 7 sowohl auf der Seite des Rahmens 17 wie auf der Seite der seismischen Masse 8 nicht ausgelenkt werden. Die Biegefedern 4, 5, 6, 7 werden somit zu Schwingungen angeregt, die einem zweiseitig eingespannten Biegebalken entsprechen. Die Frequenz der Schwingung der Biegefedern 4, 5, 6, 7 ändert sich in Abhängig­ keit von der beschleunigungsbedingten Auslenkung der seismischen Masse 8. Durch Messung der Frequenzänderung kann somit die Be­ schleunigung berechnet werden. Zum Nachweis der Beschleunigung reicht es nur eine Biegefeder anzuregen und und die Frequenzänderung festzustellen. In diesem Fall kann der Aufwand bei der Auswertung des Sensors verringert werden. Bei der Messung mehrerer Biegefedern kann durch einen Vergleich der Signale oder Mittelwertbildung die Meßgenauigkeit verbessert werden.

Die piezoelektrischen Schichten 10 sind von der Oberseite her durch die Zuleitungen 12 und auf der Unterseite durch das Silizium der Biegefedern 4, 5, 6, 7 oder eine weitere Metallschicht kontaktiert. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die piezoelektrischen Schichten 10 kann eine Formänderung bzw. durch eine Formänderung kann ein elektrisches Feld bewirkt werden. Wenn der Verbund aus piezoelektrischer Schicht und Biegefeder frequenzbestimmender Be­ standteil eines Oszillators ist, so wird dieser Oszillator mit einer Frequenz schwingen, die einer Eigenschwingung der Biegefeder 4, 5, 6, 7 entspricht. Durch einen Hochpaßfilter kann dabei die Anregung der niederfrequenten Schwingungen des Systems aus Biege­ federn 4-7 und seismischer Masse 8 unterdrückt werden. Durch einen Tiefpaßfilter kann die Anregung von Oberschwingungen der Biege­ federn 4-7 verhindert werden. Durch einen entsprechend ausgelegten Bandpaß wird somit die gewünschte Schwingungsmode der Biegefedern 4-7 erreicht. Wenn wie hier zwei piezoelektrische Schichten 10 ver­ wendet werden, so kann eine dieser piezoelektrischen Schichten zur Anregung der Schwingung und die andere zur Erkennung der resonanten Eigenschwingung verwendet werden. Um die Eigenfrequenz der Biege­ federn 4, 5, 6, 7 mit hoher Genauigkeit nachzuweisen, sollte die Schwingung der Biegefedern 4, 5, 6, 7 mit hoher Güte erfolgen. Eine hohe Güte der Schwingung der Biegefedern 4, 5, 6, 7 wird erreicht, wenn durch die auftretenden Kräfte und Momente am Ende der Biege­ federn 4, 5, 6, 7 keine Bewegungen oder ein Kippen der seismischen Masse 8 verursacht wird. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die Schwingung der Biegebalken 5 und 7 gegenphasig zur Schwingung der Biegebalken 4 und 6 erfolgt. Die zum jeweiligen Zeitpunkt auf die seismische Masse 8 wirkenden Kräfte und Momente kompensieren sich so und es erfolgt keine Bewegung oder Kippen der seismischen Masse.

In Fig. 2 ist ein andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Be­ schleunigungssensors gezeigt. Fig. 2a zeigt eine Aufsicht, Fig. 2b einen Schnitt entlang der Linie II-II und Fig. 2c einen Schnitt entlang der Linie III-III. Der Sensor weist eine seismische Masse 8 auf, die durch drei Biegefedern 1, 2, 3 am Rahmen 17 aufgehängt ist. Die drei Biegefedern 1, 2, 3 weisen die gleiche Dicke und Länge auf, die mittlere Biegefeder 2 ist jedoch doppelt so breit wie die beiden äußeren Biegefedern 1, 3. In der Nähe des Rahmens 17 ist auf jeder Biegefeder 1, 2, 3 eine piezoelektrische Schicht 9 aufgebracht. Die Biegefedern 1, 2, 3 enden nicht jeweils in Rahmen 17 oder der seis­ mischen Masse 8 sondern im sogenannten Entkopplungsbereich 30, d. h. in einem gemeinsamen Bereich aller drei Biegefeder 1, 2, 3 der die gleiche Dicke wie die Biegefedern aufweist. Die piezo­ elektrischen Schichten 9 sind auf der Oberseite durch eine Zuleitung 13 und auf der Unterseite durch eine Zuleitung 11 kontaktiert. Die Zuleitung 13 besteht aus einem Metall. Die Zuleitung 11 wurde durch Dotierung des Siliziums des Rahmens 17 und der Biegezone 9 erzeugt.

In Fig. 2c wurde zur klareren Darstellung auf die Darstellung der piezoelektrischen Schichten 9 und der Zuleitungen 11 und 13 ver­ zichtet. In dieser Figur wird die gegenphasige Anregung der Biege­ federn 1, 2, 3 erläutert. Die Biegefedern 1 und 3 schwingen gegen­ phasig zur mittleren Biegefeder 2. Da die mittlere Biegefeder 2 doppelt so breit ist wie die äußeren Biegefedern 1, 3 weist sie die gleiche Steifigkeit wie die beiden äußeren zusammen auf. Durch diese Form der Anregung wird wieder erreicht, daß sich die auftretenden Momente gegenseitig durch die Verformung innerhalb des Ent­ kopplungsbereichs 30 kompensieren. Da auf diese Weise der Abfluß von Schwingungsenergie in den Rahmen 17 oder in die seismische Masse 8 weitgehend unterdrückt wird, wird so eine besonders hohe Güte der Schwingung der Biegefedern erreicht.

In dieser Ausführung des Beschleunigungssensors ist jeweils nur eine piezoelektrische Schicht 9 auf den Biegefedern 1, 2, 3 angeordnet. Diese sind Bestandteil eines Oszillators, dessen Schwingungsfrequenz sich durch die Eigenfrequenz der Biegefedern 1, 2, 3 ergibt.

Ein Vorteil dieses Designs ist, daß sich der Sensor bei einer Er­ wärmung beliebig ausdehnen kann, was bei einem zweiseitig einge­ spannten Sensor oft, insbesondere nach der Verpackung, nicht möglich ist.

Die Vorteile des in Fig. 1 gezeigten Beispiels - symmetrischer, robuster Aufbau - lassen sich mit der besseren Schwingungsgüte der drei in Fig. 2 beschrieben Biegefedern kombinieren, wenn einzelne oder alle der Biegefedern 4, 5, 6, 7 durch jeweils drei Biegefedern 1, 2, 3 ersetzt werden.

In Fig. 3a bis d wird die Herstellung der Sensoren beschrieben. Die Fig. 3d ist dabei zugleich ein Schnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 1a.

In Fig. 3a wird ein Siliziumwafer 14 mit einer aufgebrachten Ätz­ maskierung 25 gezeigt. Die Ätzmaskierung 25 besteht beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser beiden Materialien. Die Herstellung eines Wafers 14 mit einer solchen Ätzmaskierung ist dem Fachmann bekannt.

Im nächsten Schritt (Fig. 3b) wird auf der Rückseite eine Aus­ nehmung 18 eingebracht. Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung einer basischen Ätzlösung oder durch die Verwendung eines Plasma­ ätzprozesses. Die verbleibende Membran 15 besteht aus dem gleichen Material wie der Rahmen 15. Ebensogut ist es jedoch möglich, für die Membran 15 Silizium mit einer anderen Dotierung zu verwenden, als die Dotierung des Rahmens 17. In diesem Fall kann die Dicke der Membran 15 besser kontrolliert werden, indem ein dotierungs­ abhängiger Ätzstopp verwendet wird oder die Ätzung durch eine an­ liegende Spannung an der Membran 15 gestoppt wird. Auf der Oberseite der Membran 15 wird dann eine piezoelektrische Schicht aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch ganzflächiges Aufsputtern mit an­ schließender Strukturierung geschehen. Auf dieser Oberfläche wird dann die Isolationsschicht 24 abgeschieden und über der piezo­ elektrischen Schicht 10 mit einer Öffnung versehen. Im Schritt c werden die Zuleitungen 12 beispielsweise durch Aufsputtern eines Metalls und Strukturierung erzeugt. Weiterhin wird, beispielsweise durch Abdecken mit Fotolack und einem Plasmaätzprozeß die Iso­ lationsschicht 24 strukturiert. Die Isolationsschicht 24 dient bei diesem Verfahren nicht nur zur Isolation zwischen Zuleitung 12 und Membran 15 bzw. Biegezunge 7, sondern auch als Ätzmaske für die weitere Strukturierung der Membran 15. Dazu werden wie in der Fig. 3d gezeigt, Ausnehmungen 16 in der Membran 15 erzeugt. Durch die Ausnehmungen 16 wird die Membran 15 so zerteilt, daß einzelne Stege entstehen wie in Fig. 1a gezeigt ist. Die Ätzung der Ausnehmungen 16 kann beispielsweise durch chemische Ätzung mit einer basischen Ätzlösung oder Plasmaätzen erzeugt werden.

Die Herstellung des Sensors in Fig. 2 erfolgt, bis auf das Ein­ bringen der Zuleitungen 11, mit den gleichen Prozeßschritten, wobei ein anderes Design für die einzelnen Strukturierungsschritte ver­ wendet wird. Die Zuleitungen 11 werden durch bekannte Methoden wie Diffusion oder Implantation von Dotierstoffen in den Wafer 14 er­ zeugt.

In Fig. 4 wird die Anregung der Biegebalken und die Auswertung dar­ gestellt. Die piezoelektrische Schicht 21 und der Schaltungsteil 22 bilden zusammen einen Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz einer Eigenfrequenz der Biegebalken 1 bis 7 entspricht. Durch eine ent­ sprechende Auslegung dieses Oszillators nach Art einer Band­ filterschaltung können unerwünschte Schwingungsmoden der Biegefedern 1 bis 7 unterdrückt werden. Im Schaltungsteil 23 folgt ein Vergleich zwischen der Schwingungsfrequenz der Biegefedern 1 bis 7 bei ruhender seismischer Masse mit der Schwingungsfrequenz der Biege­ federn 1 bis 7 bei ausgelenkter seismischer Masse 8. Aus der Differenz wird ein beschleunigungsproportionales Signal erzeugt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Messung einer Beschleunigung unter Verwendung eines Feder-Masse-Systems, mit mindestens einer Biegefeder (1-7) und min­ destens einer seismischen Masse (8), die bei Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Biegefeder (1-7) zu einer resonanten Schwingung an­ geregt wird, daß die Schwingungsfrequenz gemessen wird, und daß aus der Schwingungsfrequenz die Beschleunigung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Biegefeder (1-7) mindestens eine strukturierte piezoelektrische Schicht (9, 10, 21) aufgebracht ist, die Bestandteil eines Os­ zillators (22) ist.

3. Beschleunigungssensor mit einem Feder-Masse-System mit mindestens einer Biegefeder (1-7) und mindestens einer seismischen Masse (8), die bei Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Anregung der Biegefeder (1-7) zu einer resonanten Schwingung vorgesehen sind, daß Mittel zur Messung der Schwingungsfrequenz der Biegefeder (1-7) vorgesehen sind, und daß Mittel vorhanden sind, die aus der Differenz der Schwingungs­ frequenz bei ruhender seismischer Masse (8) und bei beschleunigter seismischer Masse (8) ein Signal zu erzeugen, daß der Beschleunigung proportional ist.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Biegefeder (1-7) mindestens eine strukturierte piezo­ elektrische Schicht (9, 10, 21) mit elektrischen Zuleitungen (11, 12, 13) aufgebracht ist.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Schicht (9, 10, 21) Bestandteil eines Os­ zillators (21) ist.

6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (1-7) und/oder die seis­ mische Masse (8) aus einkristallinem Silizium bestehen.

7. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (8) an mehr als einer Biegefeder (1-7) aufgehängt ist, und daß die mehreren Biegefedern (1-7) aus zwei Gruppen gleichsteifer Biegefedern (1-7) bestehen, die so angeregt werden, daß sie gegenphasig zueinander schwingen.

8. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Biegefedern (1, 2, 3) nur auf einer Seite der seismischen Masse (8) angeordnet sind.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Biegefedern (1, 2, 3) verwendet werden, daß die Biegefedern (1, 2, 3) die gleiche Länge und Dicke aufweisen, und daß die mittlere Biegefeder (2) doppelt so breit ist wie die äußeren Biegefedern (1, 3).

10. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Biegefedern (4-7) auf einander gegen­ überliegenden Seiten der seismischen Masse (8) angeordnet sind, und daß die Anzahl der Biegefedern (4-7) gerade ist.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Biegefedern (4-7) vier beträgt.

12. Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungssensoren nach einem der Anprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ausgehend von der Rückseite eine Ausnehmung (18) in einen Siliziumwafer (14) eingebracht wird, so daß eine Membran (15) in einem Rahmen (17) mit einer auf der Membran (15) gelegenen seismischen Masse (8) ensteht,
• - daß auf der Oberseite der Membran (15) strukturierte piezo­ elektrische Schichten (9, 10, 21) mit Zuleitungen (11, 12, 13) er­ zeugt werden,
• - und daß Durchbrüche (16) in die Membran (15) eingebracht werden, so daß Biegefedern (1-7) entstehen, die die seismische Masse (8) mit dem Rahmen (17) verbinden und auf denen die piezoelektrischen Schichten (9, 10) angeordnet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ nehmung (18) durch Ätzen eingebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) aus Silizium besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) eine andere Dotierung aufweist als der Siliziumwafer (14).

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) während der Ätzung durch Anlegen einer elektrischen Spannung vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten (9, 10, 21) auf der Oberseite durch Zuleitungen (10, 12) aus Metall kontaktiert sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten (9, 10, 21) auf der Unterseite durch eine entsprechende Dotierung der Membran (15) oder eine dünne Metall­ schicht kontaktiert sind.