DE4333099A1

DE4333099A1 - Kraftsensor und Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors

Info

Publication number: DE4333099A1
Application number: DE4333099A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Dr Zabler; Gerhard Dr Benz; Juergen Dr Schirmer; Franz Dr Laermer; Werner Dipl Phys Dr Uhler; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-03-30
Also published as: US5804457A; JPH07169977A; US5553506A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kraftsensor nach der Gattung des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensor nach dem Anspruch 9.

Aus einem Artikel von Harrie et al. (A Dif ferential Resonator Design using a Bossed Structure for Applications in Mechanical Sensors, Sensors and Actuators, 25-27 (1991) Seiten 385 bis 393) ist bereits ein Kraftsensor mit einem Biegeelement und einem auf dem Biegeelement angeordneten Schwinger bekannt, wobei sich die Schwingungsfrequenz des Schwingers durch eine Verformung des Biegeelements verändert. Wie in der Fig. 5 gezeigt wird, sind derartige Kraftsensoren jedoch durch aufwendige Strukturierung aus einem Stück Messing herausgearbeitet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 9 haben den Vorteil, daß sich die Kraftsensoren besonders einfach und somit kostengünstig fertigen lassen. Die aus der Halb leitertechnik bekannten Kostenvorteile durch eine parallele Her stellung einer Vielzahl von Elementen auf einem Halbleitersubstrat können dabei voll realisiert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Kraftsensors oder Verfahrens zur Herstellung eines Kraftsensors möglich. Einkristalline Materialien weisen so gut wie keine Materialermüdungserscheinungen auf, so daß damit herge stellte Sensorelemente besonders alterungsbeständig sind. Durch die Anordnung von mehreren Schwingern auf einem Biegeelement kann die Empfindlichkeit des Kraftsensors gesteigert bzw. die notwendige Auswerteschaltung vereinfacht werden. Besonders einfach wird der Schwinger aus zwei Lagerblöcken mit einem dazwischen angeordneten Schwingelement aufgebaut. Als Mittel zur Schwingungsanregung können sowohl piezoelektrische Effekte wie auch die Kraftwirkung zwischen Gegenständen auf unterschiedlichem Potential genutzt werden. Beson ders einfach werden sowohl das Biegeelement wie auch der Schwinger aus aufeinanderliegenden Siliziumschichten herausstrukturiert. Durch die Anordnung des Schwingers in einem Hohlraum kann die Güte des Schwingers verbessert und somit die Empfindlichkeit des Sensors ge steigert werden.

Zeichnungen

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

Fig. 1 einen Querschnitt und

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 bis 6 ein erstes Her stellungsverfahren und

Fig. 7 ein weiteres Herstellungsverfahren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Kraftsensors gezeigt. In der Fig. 1 wird ein Quer schnitt durch den in der Fig. 2 in der Aufsicht dargestellten Kraftsensor gezeigt. Mit 1 ist ein Kraftsensor gezeigt, der aus einem Schwinger 3 auf einem als Membran ausgebildeten Biegeelement 2 angeordnet ist. Zwischen dem Schwinger 3 und dem Biegeelement 2 ist die strukturierte dielektrische Schicht 4 angeordnet. Sowohl der Schwinger 3 wie auch das Biegeelement 2 sind jeweils aus einer ersten Siliziumschicht 9 bzw. einer zweiten Siliziumschicht 10 herausstrukturiert. Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, ist der Kraftsensor 1 auf einem Glasblock 12 aufgebracht, der ein Druckloch 16 aufweist. Durch das Druckloch 16 kann ein Druck auf die Unter seite des Biegeelementes 2 gelangen und so das als Membran ausge bildete Biegeelement verformen. In der Fig. 2 ist der Aufbau der Schwinger 3 näher zu erkennen. Jeder der Schwinger 3 weist einen ersten Lagerblock 5 und einen zweiter Lagerblock 6 auf. Zwischen den beiden Lagerblöcken 5, 6 ist ein Schwingelement 7 angeordnet. Für die beiden in der Fig. 1 im Querschnitt gezeigten Schwinger 3 ist jeweils ein Lagerblock 5 auf dem als Membran ausgebildeten Biege element 2 angeordnet, während der zweite Lagerblock durch den das Biegeelement 2 umgebenden Rahmen gebildet wird. Wie aus dem Quer schnitt in der Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Lagerblöcke über die dielektrische Schicht 4 fest mit dem Biegeelement 2 bzw. der zweiten Siliziumschicht 10 verbunden, während die Schwingelemente 7 frei beweglich sind. Die Schwingelemente 7 können beispielsweise durch aufgebrachte piezoelektrische Schichten 8 zu Schwingungen angeregt werden. Dazu sind diese piezoelektrischen Schichten 8 mit hier nicht gezeigten Leiterbahnen mit einem elektrischen Oszillator derart verbunden, daß eine Rückkopplung zwischen der mechanischen Schwingung des Schwingelementes 7 und der elektrischen Oszillator schwingung entsteht. Durch diesen Rückkoppelmechanismus wird sich die elektrische Schwingung des Oszillators auf die mechanische Eigenfrequenz des Schwingers 7 einstellen. Durch die Verformung des als Membran ausgebildeten Biegeelements 2 werden mechanische Spannungen in den Schwingern 3 erzeugt. Diese mechanischen Spannungen können entweder in Zugspannungen bestehen, d. h. die beiden Lagerblöcke 5, 6 werden auseinandergezogen oder aber es werden Druckspannungen erzeugt, d. h. die beiden Lagerblöcke 5, 6 werden zusammengedrückt. In beiden Fällen wird durch die erzeugen Spannungen die Eigenfrequenz des Schwingelements 7 beeinflußt. Durch eine Messung der Schwingungen der Schwinger 3 kann somit auf die mechanische Verformung des Biegeelements 2 geschlossen werden. Wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, sind auf dem hier gezeigten membran förmig ausgebildeten Biegeelement 2 vier Schwinger derart ange ordnet, daß zwei Schwinger mit Zugspannungen und zwei Schwinger mit Druckspannungen beaufschlagt werden. Bei einer Auslenkung des Biege elements 2 ändern sich die Frequenzen der Schwinger mit Druck spannungen mit einem anderen Vorzeichen wie die Frequenzen der Schwinger mit Zugspannungen. Es kann so vorteilhaft die Differenz ausgewertet werden. Weiterhin ändern sich thermisch bedingte Fre quenzänderungen der Schwinger 3 in ähnlicher Weise, so daß diese bei einer Differenzauswertung das Meßergebnis nicht beeinflussen. Der hier gezeigte Aufbau mit einem membranförmigen Biegeelement 2 und dem Glasblock 12 mit einem Druckloch 16 ist als Sensor zum Nachweis von Druckunterschieden gedacht. Es sind jedoch ähnliche Elemente für den Nachweis von Beschleunigungen oder anderen Kräften denkbar, ohne daß wesentliche Änderungen am Aufbau der Kraftsensoren 1 erforder lich sind.

Mit 17 ist ein elektrischer Oszillator bezeichnet, der durch Zu leitungen 18, die hier nur schematisch gezeichnet sind, mit den piezoelektrischen Schichten 8 verbunden ist. Eine andere Methode der Anregungen von Schwingungen zeigt der Oszillator 19, der über eine Zuleitung 18 mit einem Schwinger verbunden ist. Durch Gräben 29 ist der mit dem Oszillator 19 verbundene Schwinger vom Rest der ersten Siliziumschicht isoliert. Die Gräben 29 reichen vollständig durch die erste Siliziumschicht 9 bis zur dielektrischen Schicht 4. Weiterhin ist der Oszillator 19 mit der zweiten Siliziumschicht 10 verbunden. Durch Anlegen von elektrischen Spannungen zwischen dem Schwinger 3 und der zweiten Siliziumschicht 10 können so ebenfalls Schwingungen des Schwingelements 7 angeregt werden.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Kraftsensors 1 gezeigt. Dieser Kraftsensor weist wieder ein Biegeelement 2 auf, mit dem durch eine dielektrische Schicht 4 zwei Schwinger 3 verbunden sind. Der Randbereich der ersten Silizium schicht 9 ist mit einer weiteren Platte 11 verbunden. In die weitere Platte 11 sind metallische Durchführstifte eingelassen, mit denen Dotierbereiche 15 oder metallische Leiterbahnen (Al, AlSi etc.) kontaktiert sind. Auf den Schwingern 3 sind wiederum hier nicht gezeigte piezoelektrische Schichten angeordnet. Der hier gezeigte Aufbau funktioniert in ähnlicher Weise wie der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kraftsensor. Durch eine Beaufschlagung des membranförmig ausgebildeten Biegeelements 2 wird wieder eine Verformung des Biege elements 2 erreicht, der eine Veränderung der Schwingungen der Schwinger 3 zur Folge hat. Da durch die weitere Platte 11 und den Kraftsensor 1 ein geschlossener Hohlraum 30 gebildet wird, arbeitet der hier gezeigte Kraftsensor als Absolutdrucksensor, d. h. er mißt einen äußerlich vorhandenen Druck gegen den im Hohlraum eingeschlos senen Druck 30.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die Schwinger 3 mit im Hohlraum 30 eingeschlossen sind. Dadurch werden die Schwinger 3 und eine möglicherweise mit diesen integrierte HL-Schaltung besonders gut geschützt. Sie sind so vor Verschmutzungen und mechanischen Beein trächtigungen gesichert. Weiterhin kann die Schwingungsgüte der Schwinger 3 dadurch verbessert werden, daß im Hohlraum 30 ein beson ders geringer Druck herrscht und so die Dämpfung des Schwingers 3 durch die Luft entfällt. Ein solcher Unterdruck läßt sich einfach im Hohlraum 30 einstellen, wenn die Verbindung zwischen der ersten Siliziumschicht 9 und der weiteren Platte 11, die beispielsweise aus Glas bestehen kann, durch sogenanntes anodisches Bonden erfolgt. Beim anodischen Bonden wird die weitere Platte 11 auf die erste Siliziumschicht 9 gelegt und dann durch Aufheizen bei angelegtem elektrischen Potential zwischen Wafer und Grenzplatte miteinander verbunden. Dieser Prozeß kann auch im Vakuum erfolgen und führt zu einer thermisch dichten Einsiegelung des Vakuums in der Kaverne.

In den Fig. 4 bis 6 wird ein erstes Herstellungsverfahren für die Kraftsensoren beschrieben. In der Fig. 4 wird ein Siliziumwafer 20 gezeigt, der auf seiner Oberseite und Unterseite mit einer Silizium oxidschicht 21 bedeckt ist. Die Dicke des Siliziumwafers 20 liegt dabei in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern, während die Dicke der Oxidschichten 21 in der Größenordnung von einigen zehntel bis einigen Mikrometern liegt. In der Fig. 5 ist ein weiterer Siliziumwafer 24 gezeigt, der mit dem Wafer 20 verbunden ist. Auf der dem Wafer 20 zugewandten Seite weist der Wafer 24 eine Epitaxieschicht 22 auf, die wiederum durch eine stark dotierte Schicht 23 vom Wafer 24 getrennt ist. Der Wafer 24 weist eine Dicke von einigen hundert Mikrometern auf, die Schicht 23 ist in der Regel dünner als 1 Mikrometer und die Epitaxieschicht 22 ist in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Die Verbindung der beiden Wafer 24 und 20 erfolgt durch einen sogenannten Bondprozeß. Bei diesem Bondprozeß werden die Oberflächen der Wafer gereinigt und dann aufeinandergelegt. Durch Aufheizen dieses Stapels entsteht dann eine feste formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Silizium wafern. Die Dicke der Siliziumoxidschicht 21 bleibt im wesentlichen unverändert, so daß die Oxidschicht für eine perfekte elektrische Isolation zwischen der Epitaxieschicht 22 und dem Siliziumwafer 20 sorgt. In einem weiteren Schritt wird nun der Siliziumwafer 24 und die stark dotierte Schicht 23 entfernt, so daß ein Siliziumwafer 20, auf dem eine Epitaxieschicht 22 angeordnet ist, wobei zwischen der Spitaxieschicht 22 und dem Siliziumwafer 20 eine isolierende Sili ziumoxidschicht 21 liegt. Der Siliziumwafer 24 kann beispielsweise zunächst durch mechanische Bearbeitung wie Schleifen entfernt wer den. In einem weiteren Schritt werden dann Ätzlösungen verwandt, die die stark dotierte Schicht 23 nicht angreifen. Durch diese ätz stoppende Wirkung der stark dotierten Schicht 23 kann der Silizium wafer 24 besonders einfach und mit hoher Genauigkeit entfernt wer den. Durch mechanische oder chemische Ätzung kann dann die stark dotierte Schicht 23 ebenfalls entfernt werden. Die weitere Bear beitung dieses Schichtaufbaus bestehend aus Epitaxieschicht 22, mit darunterliegender Oxidschicht 21, darunterliegendem Wafer 20 und der weiteren Siliziumschicht 21 zur Herstellung der Sensoren wird nun in der Fig. 6 erläutert. Aus der Epitaxieschicht 22 ist nun die erste Siliziumschicht 9, aus der darunterliegenden Siliziumoxidschicht 21 die dielektrische Schicht 4 und aus dem Siliziumwafer 20 die weitere Siliziumschicht 10 hervorgegangen. Durch Einätzen von Strukturgräben 32 ist die mechanische Struktur 25 der ersten Siliziumschicht 9 er zeugt. Durch Zuführung eines Ätzmediums, das Silizium nicht angreift aber die dielektrische Schicht 4 ätzt, wird die Unterätzung 26 unter der Struktur 25 erzeugt. Die Weite der Unterätzung 26 unter die Struktur 25 wird ausschließlich über die Ätzzeit kontrolliert. Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Aufbau der Schwinger 3 mit zwei Lager blöcken 5, 6 und einem Schwingelement 7 wird das Schwingelement 7 besonders schnell unterätzt, da die lateralen Abmessungen in einer Richtung besonders gering sind. Die Unterätzung unter die Lager blöcke 5, 6 ist erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt voll ständig erfolgt, so daß bei rechtzeitigem Abbruch der Ätzung eine dielektrische Schicht 4 unter den Lagerblöcken 5, 6 verbleibt und so eine feste Verbindung zur Silizumschicht 10 bzw. dem Biegeelement herstellt. Die in der Fig. 6 gezeigte Struktur 25 ist hier nur als Beispiel, an welchem die Unterätzung gezeigt wird zu verstehen und entspricht nicht den Schwingern 3. Weiterhin ist in der Fig. 6 eine Ausnehmung 31 gezeigt, durch die das membranartige Biegeelement 2 aus der Siliziumschicht 10 herausstrukturiert wird. Zu diesem Zweck wird die Siliziumoxidschicht 21 auf der Unterseite strukturiert und dann durch eine Ätzlösung die Ausnehmung 31 eingebracht. Für die Ätzung können beispielsweise alkalische Ätzlösungen, die Silizium in Abhängigkeit von der Kristallstruktur ätzen, verwendet werden.

In der Fig. 7 wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung für die Kraftsensoren erläutert. Ausgehend von einem Siliziumwafer 20 mit zwei Siliziumoxidschichten 21 auf der Oberseite und Unterseite wird durch Einätzen eines vorgeätzten Loches 35 in die Siliziumoxid schicht 21 auf der Oberseite des Siliziumwafers 20 die in der Fig. 7 gezeigte Struktur geschaffen. Die weitere Bearbeitung erfolgt in analoger Weise wie zu den Fig. 5 und 6 beschrieben. Im Unter schied jedoch kann der zur Fig. 6 beschriebene Unterätzschritt entfallen, da das Siliziumoxid unterhalb der Struktur 25 ja hier bereits durch das vorgeätzte Loch 35 geschaffen ist. Der Unterätz schritt kann somit entfallen.

Claims

1. Kraftsensor (1), insbesondere Drucksensor oder Beschleunigungs sensor, mit einem durch eine Kraftwirkung verformbaren Biegeelement (2) und einem auf dem Biegeelement (2) angeordneten Schwinger (3), dessen Schwingungsfrequenz durch eine Verformung des Biegeelements (2) beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (2) und der Schwinger (3) mindestens teilweise aus Silizium bestehen und daß zwischen dem Biegeelement (2) und dem Schwinger (3) eine dielektrische Schicht (4) angeordnet ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium des Schwingers (3) und des Biegeelements (2) einkristallin ist.

3. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schwinger (3) auf dem Biege element (2) angeordnet sind, von denen einer mit Zug- und einer mit Druckspannungen beaufschlagt wird.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) einen ersten Lagerblock (5) und einen zweiten Lagerblock (6) aufweist, daß zwischen den Lager blöcken (5, 6) ein Schwingelement (7) aufgehängt ist, und daß Mittel (8, 17, 19) zur Schwingungsanregung des Schwingelements (7) vorge sehen sind.

5. Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Schwingungsanregung als piezoelektrische Schichten (8) auf dem Schwingelement (7) und einem damit verbundenen rückgekop pelten Oszillator (17) ausgebildet sind.

6. Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Schwingungsanregung als ein rückgekoppelter Oszillator (19) ausgebildet sind, durch den elektrische Spannungen zwischen dem Schwingelement (7) und dem Biegeelement (2) anlegbar sind.

7. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) aus einer ersten Silizium schicht (9) und das Biegeelement (2) aus einer zweiten Silizium schicht (10) herausgebildet ist, die durch die dielektrische Schicht (4) verbunden sind.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Platte (11) vorgesehen ist, daß die weitere Platte (11) eine Ausnehmung aufweist, daß die weitere Platte (11) mit einer der Siliziumschichten (9, 10) verbunden ist und einen Hohlraum (30) bildet, und daß der Schwinger (3) im Hohlraum (30) angeordnet ist.

9. Verfahren zur Herstellung von Kraftsensoren, insbesondere von Druck- oder Beschleunigungssensoren, bei dem eine Platte mit einer ersten (9) und einer zweiten (10) einkristallinen Siliziumschicht, zwischen denen eine dielektrische Schicht (4) angeordnet ist, ge bildet wird, daß in der ersten Schicht (9) ein Schwinger (3) mit zwei Lagerblöcken (5, 6) und einem Schwingelement (7) ausgebildet wird, und daß in der darunterliegenden zweiten Siliziumschicht (10) ein Biegeelement (2) ausgebildet wird, und daß die dielektrische Schicht (4) unterhalb des Schwingelements (7) unterätzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (4) aus einem homogenen Material, insbesondere Siliziumoxid, besteht, und daß die Tiefe der Unterätzung durch Kontrolle der Ätzzeit kontrolliert wird.

11. Verfahren zur Herstellung von Kraftsensoren, insbesondere von Druck- oder Beschleunigungssensoren bei dem eine Platte mit einer ersten (9) und einer zweiten (10) einkristallinen Siliziumschicht, zwischen denen eine dielektrische Schicht (4) mit einem vorgeätzten Loch (35) angeordnet ist, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Schicht (9) ein Schwinger (3) mit zwei Lagerblöcken (5, 6) und einem Schwingelement (7) ausgebildet wird, daß in der darunter liegenden zweiten Siliziumschicht (10) ein Biegeelement (2) ausgebildet wird und daß das Biegeelement (2) im Bereich des vor geätzten Loches (35) angeordnet ist.