DE4234238A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der EP A1 369 352 ist bereits ein Beschleunigungssensor mit einer mittleren und zwei äußeren Silizium­ platten bekannt, wobei aus der mittleren Siliziumplatte ein durch eine Beschleunigung bewegliches Element herausstrukturiert ist. Das bewegliche Element ist dabei in einem von den drei Siliziumplatten gebildeten Hohlraum eingeschlossen. Die Verbindung der mittleren Siliziumplatte mit den beiden äußeren Siliziumplatten erfolgt durch eine Vorbehandlung der Siliziumplatten, Aufeinanderlegen und einer anschließenden Temperaturbehandlung bei einer Temperatur von 800-1100°C in Sauerstoff- oder Stickstoffatmosphäre.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch das Loch in der Wand und den gasdichten Verschluß durch die weitere Platte ein definierter Druck im Hohlraum eingeschlossen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Beschleunigungssensors möglich. Durch die Verwendung einer Glasplatte oder einer Siliziumplatte mit oberflächlicher Glas­ schicht wird die Reproduzierbarkeit des Drucks im Hohlraum erhöht. Die dünnen Schichten aus Glas können durch Sputtern, Aufdampfen oder Siebdruck aufgebracht sein. Die mechanischen Spannungen zwischen der äußeren und der weiteren Platte werden besonders gering, wenn die weitere Platte als Siliziumplatte mit einer metallischen Lotschicht ausgebildet ist. Durch die beschriebene Schichtfolge können beim Verlöten Niedertemperaturprozesse verwendet werden, die den Druck im Hohlraum nicht verändern. Für einen möglichst kostengünstigen Aufbau des Beschleunigungssensors wird die weitere Platte auch als Ver­ bindungsplatte zum Gehäuseboden verwendet. Durch die Verwendung eines kleinen Verbindungsbereiches, der nur das Loch umgibt, werden mechanische Verspannungen in den Sensoren verringert. Dabei kann die weitere Platte ebenso groß wie der Verbindungsbereich ausgestaltet sein oder die weitere oder die äußere Platte weisen einen aus ihrer Oberfläche hervorstehenden Verbindungsbereich auf.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Beschleunigungssensor mit einer Glasplatte als weiteren Platte, Fig. 2 einen Beschleunigungssensor mit einer Siliziumplatte als weiteren Platte, Fig. 3 einen Beschleunigungssensor mit ver­ kleinertem Verbindungsbereich, Fig. 4 einen Beschleunigungssensor mit verkleinertem Verbindungsbereich, der aus der Oberfläche der weiteren Platte hervorsteht und Fig. 5 einen Beschleunigungssensor mit verkleinertem Verbindungsbereich, der aus der Oberfläche der äußeren Platte hervorsteht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Beschleunigungssensor dargestellt, der aus einer mittleren Siliziumplatte 2, zwei äußeren Siliziumplatten 1, 3 und einer weiteren Platte 10 aufgebaut ist. Aus der mittleren Siliziumplatte 2 ist ein bewegliches Element 4 herausstrukturiert, das hier als Biegezunge 30 mit seismischer Masse 31 ausgebildet ist. Dieses bewegliche Element 4 ist in einem Hohlraum 5 angeordnet, der durch die mittlere Siliziumplatte 2 und die beiden äußeren Silizium­ platten 1, 2 gebildet ist. Eine der äußeren Siliziumplatten 3 weist ein Loch 6 auf. Dieses Loch ist jedoch durch die weitere Platte 10 verschlossen, die mit der äußeren Siliziumplatte 3 verbunden ist. Weiterhin ist der Beschleunigungssensor auf einem Gehäuseboden 7 angeordnet.

Bereits durch die mittleren Siliziumplatte 2 und die beiden äußeren Siliziumplatten 1, 3 wird ein vollwertiger Beschleunigungssensor gebildet. Solche Beschleunigungssensoren sind beispielsweise in der eingangs zitierten EP A1 369 352 beschrieben. Durch eine Be­ schleunigung wird das bewegliche Element 4 aus seiner hier gezeigten Ruhelage ausgelenkt, d. h. die seismische Masse 31 nähert sich einer der äußeren Siliziumplatten 1, 3. Die Siliziumplatten sind gegen­ einander isoliert. Infolge der Annäherung der seismischen Masse 31 an eine der äußeren Siliziumplatten 1, 3 verändert sich die zwischen der mittleren Platte 2 und den beiden äußeren Siliziumplatten 1, 3 meßbare Kapazität. Diese Kapazitätsänderung ist ein Maß für die an­ liegende Beschleunigung. Die Bewegungen des beweglichen Elementes 4 werden durch im Hohlraum 5 eingeschlossene Luft gedämpft. Da die Abstände zwischen der seismischen Masse 31 und den äußeren Siliziumplatten 1, 3 gering ist, ist diese Luftdämpfung der Bewegung des beweglichen Elementes 4 relativ groß. Es ist daher wünschenswert, im Hohlraum 5 einen definierten Unterdruck einzu­ schließen, da durch diesen Unterdruck die Dämpfungseigenschaften und somit auch das dynamische Verhalten des Beschleunigungssensors be­ stimmt wird. Dabei wird ein Unterdruck in der Größenordnung 0,01 bis 10 inbar mit einer Reproduzierbarkeit von kleiner 5% angestrebt: Bei der Herstellung der Beschleunigungssensoren wird der Hohlraum 5 über das Loch 6 entlüftet und dann mit der weiteren Platte 10 ver­ schlossen. Bei einem direkten Verschluß des Hohlraumes 5 durch Zu­ sammenfügen einer mittleren Siliziumplatte 2 mit äußeren Silizium­ platten 1, 3, die kein Loch aufweisen, läßt sich kein definierter Unterdruck im Hohlraum 5 einstellen. Dies liegt zum einen an der hohen Temperatur, die zum direkten Verbinden von Siliziumplatten notwendig ist. Bei Temperaturen in der Größenordnung von 800-1100°C können eventuell vorhandene Restgase im Hohlraum 5 mit dem Silizium der Platten 1, 2, 3 reagieren oder aber Gasmoleküle, die bereits mit dem Silizium reagiert haben wieder in den Hohlraum ausgetrieben werden. Diese Reaktionen können nur schwer vorausgesagt oder reproduziert werden. Eine Verringerung der Temperatur in einen unkritischen Temperaturbereich unterhalb von 8000 ist in der Regel mit einer Verschlechterung der Verbindungsqualität verbunden. Weiterhin ist die direkte Verbindung von Siliziumplatten im Vakuum schwierig und mit einer schlechten Ausbeute verbunden. Für die Ver­ bindung der Siliziumplatten 1, 2, 3 werden diese vor der Verbindung durch einen chemischen Vorbehandlungsprozeß so verändert, daß hydro­ phile Oberflächen entstehen. In einem Vakuum verändern sich diese Oberflächen derart, daß die Qualität der Verbindung der Silizium­ platten 1, 2, 3 verringert wird.

Durch die Verwendung des Loches 6 in der äußeren Siliziumplatte 3 und der weiteren Platte 10 läßt sich ein gut reproduzierbarer Unter­ druck im Hohlraum 5 problemlos einstellen. Zunächst werden die beiden äußeren Siliziumplatten 1, 3 mit der mittleren Silizium­ platte, aus der das bewegliche Element 4 heraus strukturiert ist, verbunden. Diese Verbindung erfolgt durch einen Hochtemperaturprozeß in der Größenordnung von 800-1100°C, so daß eine gute Qualität dieser Verbindung sichergestellt wird. In einem weiteren Schritt wird dann dieser Plattenverbund mit der weiteren Platte 10 ver­ bunden. Bei der weiteren Platte 10 handelt es sich um eine Glas­ platte, die durch sogenanntes anodisches Bonden mit dem Silizium­ plattenstapel verbunden wird. Dazu wird der Plattenstapel auf die weitere Platte 10 gesetzt, und die Umgebung des Beschleunigungs­ sensors wird evakuiert. Durch das Loch 6 kann die Luft zwischen der Siliziumplatte 3 und der weiteren Platte 10 entweichen, so daß ein definierter Druck im Hohlraum 5 erreicht wird. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung in der Größenordnung zwischen 30 bis 1000 Volt wird die Glasplatte 10 elektrostatisch gegen den Stapel der drei Siliziumplatten 1, 2, 3 gezogen. Bei der Glasplatte 10 handelt es sich um ein natriumhaltiges Glas, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen Pyrex der Firma Corning Glass erhältlich ist. Durch eine Temperaturbehandlung in der Größenordnung von 200 bis 400°C und durch die Wirkung des elektrischen Feldes wird eine feste unlösbare Verbindung zwischen der weiteren Platte 10 und der äußeren Silizium­ platte 3 bewirkt.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Beschleuni­ gungssensors, jedoch mit einer weiteren Platte 11, die eine dünne oberflächliche Schicht 15 aufweist, gezeigt. Alle übrigen Be­ zeichnungen 1 bis 7 entsprechen den Bezeichnungen aus der Fig. 1.

Die weitere Platte 1 besteht ebenfalls aus Silizium und weist auf ihrer Oberfläche eine dünne Glasschicht 15 auf. Die dünne Glas­ schicht 15 besteht ebenfalls aus einem Glasmaterial, das durch anodisches Bonden mit der äußeren Siliziumplatte 3 verbunden werden kann. Die dünne Glasschicht 15 ist durch Sputtern oder durch Sieb­ druck einer glasgefüllten Paste und anschließendes Brennen herge­ stellt. Neben den aus der Fig. 1 bereits bekannten Vorteilen wird durch die Verwendung der weiteren Platte 11 aus Silizium eine Ver­ ringerung der mechanischen Verspannungen im Beschleunigungssensor erreicht, da die weitere Platte 11 nun den gleichen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten aufweist, wie die drei Siliziumplatten 1, 2, 3.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Beschleunigungssensors gezeigt. Die Ziffern 1 bis 7 bezeichnen wieder die gleichen Sensorteile wie die Fig. 1. Die weitere Platte 12 besteht aus Silizium, weist auf ihrer Oberfläche einen dünnen Lotfilm 16 auf und ist über einen Verbindungsbereich 20 mit der äußeren Siliziumplatte 3 verbunden. Durch die geringen geo­ metrischen Abmessungen der weiteren Platte 12 wird sichergestellt, daß sich der Verbund der drei Siliziumplatten 1, 2, 3 größtenteils frei gegenüber dem Gehäuse 7 ausdehnen kann, ohne daß es dabei zu Verspannungen zwischen dem Gehäuseboden 7 und den drei Silizium­ platten 1, 2, 3. Durch diese Maßnahmen werden somit temperaturbe­ dingte Verspannungen des Beschleunigungssensors verringert. Durch die Wahl eines geeigneten Lötmittels für die Lötschicht 16 kann die weitere Platte 12 mit Temperaturen in der Größenordnung von 200 bis 400° mit der äußeren Platte 3 verbunden werden. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Gold, das bei Temperaturen um 370°C zum Löten von Silizium geeignet ist. Eine solche Goldschicht zur Verbindung mit der äußeren Siliziumplatte 3 kann durch Zwischenschichten, beispielsweise aus Nickel und Chrom auch bei einer Glasplatte als weiteren Platte 12 verwendet werden.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Be­ schleunigungssensor gezeigt, der nur geringe thermisch bedingte Ver­ spannungen mit dem Gehäuse 7 zeigt. Die Ziffern 1 bis 7 bezeichnen wieder die gleichen Sensorteile wie in der Fig. 1. Die weitere Platte 13 weist einen aus ihrer Oberfläche vorstehenden Verbindungs­ bereich 21 auf, mit dem die weitere Platte 13 mit der äußeren Platte 3 in der Umgebung des Loches 6 verbunden ist. Durch diesen Ver­ bindungsbereich 21 wird das Loch 6 verschlossen. Durch den erhobenen Verbindungsbereich 21 wird wieder erreicht, daß sich der Verbund der drei Siliziumplatten 1, 2, 3 infolge von Temperaturänderungen aus­ dehnen und zusammenziehen kann, ohne daß es dabei zu nennenswerten mechanischen Verspannungen mit der weiteren Platte 13 bzw. dem Ge­ häuseboden 7 kommt, sofern diese einen anderen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten ausweisen. Durch den Verbindungsbereich 21, der die weitere Platte 13 nur in der unmittelbaren Nähe des Loches 6 mit der äußeren Platte 3 verbindet wird somit eine temperaturbe­ dingte Änderung der Sensorempfindlichkeit verringert.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Be­ schleunigungssensor dargestellt, der ebenfalls einen Verbindungs­ bereich 22 in der unmittelbaren Umgebung des Loches 6 aufweist. Die Ziffern 1 bis 7 bezeichnen wieder die gleichen Sensorteile wie in der Fig. 1. Aus der äußeren Platte 3 ist hier ein Verbindungs­ bereich 22 herausstrukturiert, mit dem die äußere Platte 3 mit der weiteren Platte 10 verbunden ist. Durch diesen Verbindungsbereich 22 werden wiederum die gleichen Vorteile be­ züglich des thermischen Verhaltens der Sensoren erreicht wie bei den Fig. 3 und 4. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausgestaltung des Be­ schleunigungssensors sind jedoch die Anforderungen an die Justier­ genauigkeit der weiteren Platte 10 gegenüber der äußeren Silizium­ platte 3 äußerst gering. Durch diese Maßnahme wird somit der Her­ stellungsprozeß zur Herstellung der Sensoren vereinfacht.

Claims (13)

1. Beschleunigungssensor mit einer mittleren (2) und zwei äußeren (1, 3) Siliziumplatten, wobei aus der mittleren Siliziumplatte (2) ein daran befestigtes, durch eine Beschleunigung des Sensors beweg­ liches Element (4) herausstrukturiert ist, wobei das bewegliche Element (4) in einem von den drei Siliziumplatten (1, 2, 3) gebil­ deten Hohlraum (5) eingeschlossen ist, wobei die äußere Silizium­ platte (1, 3) Wände des Hohlraums (5) bilden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine der äußeren Platten (1, 3) mit einer weiteren Platte (10 bis 13) verbunden ist, und daß ein Loch (6) in der durch eine der äußeren Platten (1, 3) gebildeten Wand des Hohl­ raums (5) durch die weitere Platte (10 bis 13) gasdicht verschlossen ist.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Platte (10) aus Glas besteht.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Platte (11) als Siliziumplatte mit einer dünnen oberflächlichen Schicht (15) aus Glas ausgebildet ist.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (15) aus Glas durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht ist.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (15) aus Glas durch Siebdruck aufgebracht ist.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Platte (12) als Siliziumplatte mit einer metalli­ schen Lötschicht (16) ausgebildet ist.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötschicht (16) aus mehreren Schichten, insbesondere aus einer Folge von Schichten aus Chrom, Nickel und Gold, aufgebaut ist.

8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Siliziumplatten (1, 2, 3) durch die weitere Platte (10 bis 13) mit einem Gehäuse (7) verbunden sind.

9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Platte (10 bis 13) nur mit einem das Loch (6) umgebenden Verbindungsbereich (20, 21, 22) mit der äußeren Platte (1, 3) verbunden ist.

10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche der weiteren Platte (12) den Verbindungs­ bereich (20) bildet.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Platte (13) einen aus ihrer Oberfläche vorstehenden Verbindungsbereich (21) aufweist.

12. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Platte (1, 3), die mit der weiteren Platte (10 bis 13) verbunden ist, einen aus ihrer Oberfläche vorstehenden Ver­ bindungsbereich (22) aufweist.

13. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (5) ein Unterdruck einge­ schlossen ist.