DE4213135A1 - Beschleunigungssensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Es ist bereits ein Beschleunigungssensor bekannt (Satchell et al., Zeitschrift: Sensors and Actuators, 17 (1989) Seite 241 bis Seite 245), bei dem eine seismische Masse durch Biegefedern und Reso­ natoren an einem Rahmen aufgehängt ist und die Beschleunigung auf­ grund der Änderung der Frequenz der Resonatoren bestimmt wird. Die seismische Masse und der Rahmen sind aus einer Siliziumplatte herausstrukturiert. Der Resonator ist auf der Oberseite der Siliziumplatte und die Biegefedern auf der Unterseite der Silizium­ platte gelegen. Die Anregung der Schwingung der Resonatoren erfolgt durch thermische Ausdehnung eines Heizelementes, nachgewiesen wird die Schwingung durch aufgebrachte piezoresistive Dehnungsmeß­ streifen. Bei diesem Sensor ist ein Nachweis des Sensorsignals nur schwer möglich, wenn die Beschleunigung derart gerichtet ist, daß die Resonatoren mit einer Druckspannung belastet werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor einen symmetrischen Aufbau mit mindestens einer Biegefeder in der Mitte der Siliziumplatte und mindestens jeweils einen Resonator auf der Oberseite und der Unterseite der Siliziumplatte aufweist. Durch diesen symmetrischen Aufbau wird erreicht, daß bei einer Be­ schleunigung senkrecht zur Oberseite oder Unterseite mindestens einer der Resonatoren auf Zug belastet wird. Dies ist besonders vor­ teilhaft, da so ein Knicken des auf Druck belasteten Resonators ver­ mieden wird. Durch den symmetrischen Aufbau, bei dem die neutrale Achse mittig zwischen den Resonatoren verläuft, ist die Querempfind­ lichkeit gering. Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 7 hat den Vorteil, daß die Beschleunigungssensoren mit den üblichen Techniken der Mikrostrukturierung hergestellt werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Beschleunigungssensors und Verfahrens möglich. Reso­ natoren aus Silizium weisen nur eine geringe Alterung auf, die Materialkenndaten sind sehr gut bekannt und die Herstellung solcher Resonatoren ist mit großer Genauigkeit möglich. Resonatoren bzw. Biegefedern aus dielektrischen Materialien können besonders präzise hergestellt werden. Besonders einfach werden die Resonatoren als Biegebalken ausgeführt. Durch aufgebrachte strukturierte piezo­ elektrische Schichten auf den Resonatoren wird eine Anregung der Resonatoren erreicht, die nur wenig thermisch induzierte Ver­ spannungen hervorruft. In diesem Fall werden die Schwingungen der Resonatoren besonders einfach dadurch angeregt, daß die piezoelektrischen Schichten Bestandteile von Oszillatoren sind. Durch den Vergleich der Frequenzen der Resonatoren auf der Oberseite mit den Frequenzen der Resonatoren auf der Unterseite werden thermisch verursachte Frequenzverschiebungen, die beide Resonatoren gleichermaßen betreffen, herausgemittelt. Die Herstellung des Sen­ sors ist besonders einfach, wenn die Dicke der Biegefeder durch die Ätzdauer bestimmt wird, da so relativ wenig Prozeßschritte zur Her­ stellung benötigt werden. Erfolgt die Herstellung durch das Ver­ binden von zwei Siliziumplattenhälften, so kann eine besonders exakt kontrollierte Dicke der Biegefeder erreicht werden. Diese kann dabei aus Silizium oder aus einem dielektrischen Material bestehen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Be­ schleunigungssensor, Fig. 2 eine Aufsicht, Fig. 3 die Orientierung der Resonatoren relativ zum Wafer, Fig. 4 den Aufbau aus zwei Siliziumplattenhälften und Fig. 5 eine Methode zur Auswertung des Sensors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist mit 4 eine Siliziumplatte bezeichnet, aus der ein Rahmen 2 und eine seismische Masse 3 herausstrukturiert sind. Die seismische Masse 3 ist mit dem Rahmen 2 durch eine in der Mitte der Siliziumplatte 4 liegende Biegefeder 1 und auf der Oberseite 5 und Unterseite 6 gelegene Resonatoren 10, 11 verbunden. Auf den Reso­ natoren sind piezoelektrische Schichten 7 mit Zuleitungen 8 gelegen. Zwischen den Zuleitungen 8 und der Oberseite 5 bzw. Unter­ seite 6 der Siliziumplatte 4 ist eine Isolation 9 gelegen.

In der Fig. 2 wird eine Aufsicht auf den Beschleunigungssensor ge­ zeigt. Die Fig. 1 entspricht einem Querschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2. In der Aufsicht sieht man, daß die seismische Masse 3 durch eine Biegefeder 1 und einen Resonator 10 auf der Oberseite 5 mit dem Rahmen 2 verbunden ist. Unterhalb der Biegefeder 1 ist ent­ sprechend zum Resonator 10 ein weiterer Resonator für die Unterseite 6 gelegen. Zur Vereinfachung sind die Zuleitungen 8 zu den piezo­ elektrischen Schichten 7 und die Isolation gegen die Oberfläche 5 in der Aufsicht nicht gezeigt.

Der Rahmen 2 ist fest mit dem Objekt verbunden, dessen Be­ schleunigung senkrecht zur Oberseite 5 oder Unterseite 6 gemessen werden soll. Die seismische Masse ist nur an der Biegefeder 1 und den Resonatoren 10, 11 aufgehängt. Die Steifigkeit der Biegefeder 1 ist dabei so ausgelegt, daß sich die seismische Masse 3 bei Be­ schleunigungen in Richtungen die senkrecht auf der Oberseite 5 bzw. der Unterseite 6 stehen aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Durch diese Auslenkung werden mechanische Spannungen in den Resonatoren 10, 11 verursacht. Dabei wird jeweils ein Resonator auf Zug und ein Resonator auf Druck belastet. Aufgrund dieser Belastung ändert sich die Resonanzfrequenz der Resonatoren. Die Resonatoren 10, 11, 12 werden durch Anlagen von elektrischen Spannungen an die piezo­ elektrischen Schichten 7 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Die Schwingungsamplituden dieser mechanischen Schwingungen werden beson­ ders groß, wenn die Anregungsfrequenz gerade einer Eigenschwingung der als Biegebalken ausgebildeten Resonatoren entspricht. Durch eine entsprechende Rückkopplung werden die Resonatoren so betrieben, daß sie in Resonanz, d. h. in der ersten Eigenschwingung der Biegebalken schwingen. Durch eine Zug- bzw. Druckbelastung wird diese Frequenz verändert, die ein Maß für die Auslenkung der seismischen Masse und somit für die Be­ schleunigung ist. Bei einer Zugbelastung ist die Frequenzänderung bis nahe an die Festigkeitsgrenze des Resonators ein Maß für die Zugspannung. Bei einer Druckbelastung kann es bei einer vergleichs­ weise geringen Druckbelastung zum Knicken des Resonators und somit zu einer nichtlinearen Steifigkeitsänderung gegenüber Druckbe­ lastungen kommen. In diesem Fall ist die Frequenzänderung kein ge­ eignetes Maß für die anliegende Druckbelastung. Dies bedeutet, daß das Signal des Resonators der auf Zug belastet wird über einen er­ heblich größeren Beschleunigungsbereich ausgewertet werden kann, als das Signal des Resonators, der auf Druck belastet wird. Es ist daher vorteilhaft, jeweils einen Resonator auf der Oberseite 5 und der Unterseite 6 anzuordnen, um so sicherzustellen, daß immer ein Reso­ nator auf Zug belastet wird. Weiterhin wird durch den symmetrischen Aufbau das Knicken des zweiten, auf Druck belasteten Resonators, mit dem eine nichtlineare Änderung der Steifigkeit verbunden ist zuver­ lässig vermieden.

In den Fig. 1 und 2 sind die Resonatoren 10 und 11 als einfache Biegebalken ausgebildet. Ebensogut ist es jedoch möglich, anstelle der einfachen Biegebalken mehrfach Biegebalkenstrukturen, wie bei­ spielsweise den von Satchell beschriebenen Dreifachschwinger oder Zweifachschwinger, zu verwenden. Weiterhin sind andere Anordnungen bzw. Ausgestaltungen der Biegefeder 1 vorstellbar, sofern die Biege­ feder 1 nur sicherstellt, daß auf der einen Seite Druckspannungen und auf der anderen Seite Zugspannungen entstehen.

Die Herstellung des Beschleunigungssensors erfolgt durch Heraus­ strukturieren der Biegefeder 1, des Rahmens 2 und der seismischen Masse 3 aus der Siliziumplatte 4. Dabei wird genutzt, daß die Ätzung von Silizium bei der Verwendung von basischen Ätzen stark von der Kristallorientierung abhängt. Der hier gezeigte Sensor mit einer seismischen Masse 3, die einen rechteckigen Grundriß aufweist, ist beispielsweise aus einer Siliziumplatte mit einer 100-Orientierung herausgeätzt. Es ist jedoch auch die Verwendung von Silizium mit einer anderen Orientierung vorstellbar. Für die Herstellung des Sen­ sors werden auf einer Siliziumplatte 4 strukturierte Schichten für die Resonatoren aufgebracht. Diese strukturierten Schichten werden dann unterätzt, um die Biegefeder 1, den Rahmen 2 und die seismische Masse 3 aus der Siliziumplatte 4 herauszustrukturieren.

In Fig. 3 wird die Oberfläche einer Siliziumplatte 4 gezeigt, auf die eine Struktur 21 für einen Resonator 10 aufgebracht ist. Der Resonator 10 muß dabei eine bestimmte Ausrichtung zur Kristall­ struktur der Siliziumplatte 4 aufweisen. Bei der Ätzung von Silizium mit basischen Ätzlösungen bilden die 111-Ebenen die ätzbegrenzenden Kristallebenen des Siliziums. Diese 111-Ebenen schneiden die Ober­ fläche der Siliziumplatte 4 mit bestimmten Winkeln. Wenn gerade Kanten von nicht ätzbarem Material auf der Oberfläche der Silizium­ platte 4 aufgebracht sind, die parallel zu einer solchen 111-Ebene liegen, so kommt es zu keiner Unterätzung dieser nicht ätzbaren Schicht, d. h. diese Schicht wirkt dann als Ätzmaske. Der Resonator 10 muß daher einen bestimmten Winkel 18 gegenüber der 111-Richtung der Siliziumplatte 4 aufweisen, um bei einer anisotropen Ätzung unterätzt zu werden. Die Größe des Winkels 18 hängt dabei von der Länge und der Breite des Resonators 10 ab. Das Material für die Struktur 21 für den Resonator 10 darf von der basischen Ätzlösung für die Siliziumplatte 4 nicht bzw. nur geringfügig geätzt werden. Ein geeignetes Material ist bei­ spielsweise eine dielektrische Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Weiterhin ist Silizium mit einer sehr hohen Dotierung geeignet bzw. Silizium, das einen pn-Übergang zum Rest der Siliziumplatte 4 bildet. Silizium mit einer hohen Dotierung wird nur geringfügig von basischen Ätzen angegriffen. Bei einem pn-Übergang wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Ätzung unter­ drückt.

Die Dicke der Biegezunge kann durch zeitlich kontrollierte Ätzung eingestellt werden. Dabei wird die Ätzung rechtzeitig beendet, so daß noch eine vorgegebene Restdicke der Biegefeder 1 vorhanden ist. Eine weitere Möglichkeit die Dicke der Biegefeder 1 zu kontrollieren wird in der Fig. 4 dargestellt.

In der Fig. 4 sind mit 22 und 23 zwei Siliziumplattenhälften be­ zeichnet, die, wie durch die Pfeile angedeutet, miteinander ver­ bunden werden. Auf den einander zugewandten Seiten weisen die beiden Siliziumplattenhälften 22, 23 jeweils eine Struktur 24 für die Biegefeder 1 auf. Auf den voneinander abgewandten Seiten sind Ätz­ masken 25 gelegen. Die beiden Siliziumplattenhälften 22, 23 werden so miteinander verbunden, daß die Strukturen 24 für die Biegefeder 1 justiert aufeinander zu liegen kommen. Ebensogut ist es jedoch mög­ lich, daß nur eine der beiden Siliziumplattenhälften 22, 23 eine Struktur 24 für die Biegefeder 1 aufweist. Die Verbindung der beiden Siliziumplattenhälften 22, 23 erfolgt durch einen sogenannten Bond­ prozeß, bei dem die Siliziumplattenhälften 22, 23 chemisch vorbe­ handelt werden, aufeinandergelegt werden und einer Temperaturbehandlung mit Temperaturen von < 400° unterzogen werden. Die Strukturen 24 für die Biegefeder 1 können durch entsprechende Dotierung der Siliziumplattenhälften 22, 23 erzeugt werden. Bei einer starken Dotierung sind die Strukturen 24 für die Biegefeder ohne weitere Maßnahmen beständig gegen basische Ätzlösungen, bei einer schwachen Dotierung muß wieder ein pn-Übergang zwischen den Strukturen 24 und dem Rest der Siliziumplattenhälften 22, 23 be­ stehen und eine entsprechende Spannung angelegt werden. Es ist eben­ falls denkbar, daß die Strukturen 24 aus dielektrischen Materialien wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen, die ohne weitere Maß­ nahmen gegen basische Ätzlösungen beständig sind. Die durch das Zu­ sammenfügen der beiden Siliziumplattenhälften 22, 23 gebildete Siliziumplatte 4 wird durch Eintauchen in eine basische Ätzlösung geätzt. Die Ätzmaske 25 ist dabei so zur Kristallstruktur ausge­ richtet, daß die Ätzmaske 25 nicht oder nur geringfügig unterätzt wird. Besteht die Siliziumplatte 4 aus 100-orientiertem Silizium, so wird wie hier anhand der gestrichelten Linien gezeigt, die seis­ mische Masse mit Seitenwänden geätzt, die einen Winkel von ca. 55° zur Oberfläche aufweisen.

In der Fig. 5 wird die Auswertung des Sensorsignals erläutert. Ge­ zeigt wird wiederum eine Biegefeder 1, an der eine seismische Masse 3 an einem Rahmen 2 befestigt ist. Auf der Oberseite 5 ist ein Reso­ nator 10 und auf der Unterseite 6 ein Resonator 11 angeordnet, die jeweils eine piezoelektrische Schicht 7 aufweisen, und die frequenz­ bestimmender Bestandteil eines Oszillators 15 sind. Durch eine ent­ sprechende Rückkopplung des Oszillators 15 mit den Resonatoren 10, 11 schwingen die Oszillatoren 15 in einer Eigenfrequenz der Biege­ balken der Resonatoren 10, 11. Durch eine entsprechende Bandpaßfilterung der Oszillatoren 15 wird dabei die gewünschte Schwingungsmode ausgewählt. Die Frequenz, mit der die beiden Os­ zillatoren 15 schwingen, werden im Vergleicher 16 miteinander ver­ glichen. Die Differenz der beiden Frequenzen der Oszillatoren 15 bildet dann das Ausgangssignal. Diese Form der Ermittlung des Aus­ gangssignals hat den Vorteil, daß so temperaturabhängige Frequenz­ verschiebungen der Resonatoren 10, 11 unterdrückt werden, da sie sich auf beide Resonatoren im gleichen Maße auswirken.

Claims (12)

1. Beschleunigungssensor aus Silizium mit mindestens einer an min­ destens einer Biegefeder (1) und mindestens einem Resonator (10 bis 12) an einem Rahmen (2) aufgehängten seismischen Masse (3), bei dem die Beschleunigung aufgrund der Änderung der Frequenz der Reso­ natoren (10 bis 12) bestimmt wird, und die Biegefeder (1), der Rahmen (2) und die seismische Masse (3) aus einer Siliziumplatte (4) herausstrukturiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (1) in der Mitte der Siliziumplatte (4) und mindestens jeweils ein Resonator (10 bis 12) auf der Oberseite (5) und auf der Unterseite (6) der Siliziumplatte (4) angeordnet ist.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (1) und/oder die Resonatoren (10 bis 12) aus Silizium bestehen und eine andere Dotierung aufweisen als die seis­ mische Masse (3).

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (10 bis 12) und/oder die Biege­ feder (1) aus einem dielektrischen Material bestehen.

4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (10 bis 12) als Biege­ balken ausgeführt sind.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Resonatoren (10 bis 12) strukturierte piezoelektrische Schichten (7) aufgebracht sind.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (10 bis 12) für die piezoelektrischen Schichten (7) Bestandteile von Oszillatoren (15) sind und die Frequenzen der Resonatoren (10 bis 12) auf der Oberseite (5) mit den Frequenzen der Resonatoren (10 bis 12) auf der Unterseite (6) verglichen werden.

7. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite (5) und der Unterseite (6) der Siliziumplatte (4) Struk­ turen (21) für die Resonatoren (10 bis 12) erzeugt werden, daß die Bereiche für den Rahmen (2) und die seismische Masse (3) durch eine Maskierung (25) abgedeckt werden, daß die Biegefeder (1) aus der Siliziumplatte (4) herausgeätzt wird, wobei die Struktur (21) für die Resonatoren (10 bis 12) unterätzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk­ turen (21) für die Resonatoren (10 bis 12) mit einem Winkel (18) gegen die 111-Ebene der Siliziumplatte (4) ausgerichtet sind, so daß eine anisotrope Ätze die Strukturen (21) für die Resonatoren (10 bis 12) unterätzen kann.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Biegefeder (1) aus Silizium der gleichen Dotierung wie die seismische Masse (3) besteht und die Dicke der Biegefeder (1) durch die Ätzdauer bestimmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Siliziumplatte (4) durch Verbinden von zwei Siliziumplattenhälften (22, 23) hergestellt wird, wobei mindestens eine der Siliziumplattenhälften (22, 23) auf der einander zuge­ wandten Seite Strukturen (24) für die Biegefeder (1) aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen (24) für Biegefeder (1) aus Silizium mit einer anderen Dotierung als die Siliziumplattenhälften (22, 23) besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder (1) aus einem dielektrischen Material besteht.