DE4431327A1 - Micro-mechanical acceleration sensor with anti-stiction feature - Google Patents
Micro-mechanical acceleration sensor with anti-stiction featureInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.The present invention relates to a micromechanical Accelerometer according to the preamble of the patent saying 1.
Sensoren zur Beschleunigungsmessung haben ein weites Ein satzspektrum, das von der Automobilbranche über den Bereich der Lagesensoren bis hin zu Einsatzgebieten reicht, die bei spielsweise die Überprüfung von Stößen beim Transport emp findlicher Güter betreffen. Aufgrund der hohen Stückzahlen der benötigten Beschleunigungssensoren hat es sich in den letzten Jahren zunehmend durchgesetzt, diese nicht mehr aus einer Vielzahl von Einzelelementen aufzubauen, sondern mit Technologien der Mikromechanik herzustellen.Accelerometer sensors have a broad on range of sentences that range from the automotive industry the position sensors to areas of application that for example checking impacts during transport emp sensitive goods. Because of the high numbers of the required acceleration sensors has it in the In recent years, it has become increasingly prevalent build a variety of individual elements, but with To produce technologies of micromechanics.
Eine Herstellungstechnik, die bei bislang vorgestellten mi kromechanischen Beschleunigungssensoren eingesetzt worden ist, ist das sogenannte "bulk micromachining", bei dem der Sensor durch aufwendige Mikrobearbeitungstechniken dreidi mensional strukturiert wird. Dieses Verfahren hat den Nach teil der hohen Komplexität, die wiederum mit erheblichen Kosten einhergeht, so daß sich derartige Sensoren aus Ko stengründen nicht durchsetzen konnten.A manufacturing technique that has been used in mi cromechanical acceleration sensors have been used is the so - called "bulk micromachining", in which the Dreidi sensor thanks to complex micromachining techniques is structured dimensionally. This procedure has the aftermath part of the high level of complexity, which in turn involves considerable Cost goes hand in hand, so that such sensors from Ko could not enforce reasons.
Ein erfolgreicherer Ansatz zur Herstellung derartiger mikro mechanischer Beschleunigungssensoren bedient sich einer Oberflächenbearbeitungstechnologie, die mit "surface micro machining" bezeichnet wird. Bei konventionellen Beschleuni gungssensoren, die mit dieser "surface micromachining"- Technologie" hergestellt werden, wird lediglich innerhalb einer Strukturschicht auf einem Grundkörper mit photolitho graphischen Mitteln ein federnd aufgehängter seismischer Massenkörper angeordnet. Typische Ausgestaltungen solcher Beschleunigungssensoren ähneln weitgehend kapazitiven Druck aufnehmern, wobei im Falle des Beschleunigungssensors die Membran Durchbrechungen aufweist und in ihrem Mittenbereich mit einer Verdickung versehen ist, die den seismischen Mas senkörper bildet. Ebenfalls ist es üblich, bei einem in der "surface micromachining"-Technologie hergestellten Beschleu nigungssensor an einem oder mehreren federnden Armen einen seismischen Massenkörper aufzuhängen, wobei die federnden Arme gegenüber einem Grundkörper isoliert sind. Der seismi sche Massenkörper liegt bezogen auf den Grundkörper oberhalb einer in der Hauptfläche des Grundkörpers vorgesehenen Aus nehmung, durch die ein Abstand zwischen dem seismischen Mas senkörper und dem Grundkörper von typischerweise einem Mi crometer definiert wird. Ein derart geringer Abstand ist er forderlich, damit bei dem bekannten Beschleunigungssensor eine hinreichende Empfindlichkeit, d. h. eine hinreichende Änderungsrate seiner Kapazität bezogen auf die Beschleuni gung, erreicht wird. Kurz gesagt ist es den bekannten Be schleunigungssensoren, die auf der Grundlage der sogenannten "surface micromachining"-Technologie (Oberflächenbearbei tungstechnologie) hergestellt sind, gemeinsam, daß der Ab stand zwischen dem seismischen Massenkörper und dem Sensor grundkörper höchstens einige wenige Micrometer beträgt. Wenn nun die beweglichen Teile der Beschleunigungssensorstruktur, also der seismische Massenkörper aufgrund einer sehr starken Beschleunigung mit dem Untergrund, also der ihm zugewandten Oberfläche der Ausnehmung des Grundkörpers, in Berührung kommt, so besteht die Gefahr, daß der seismische Massenkör per an dem Untergrund klebenbleibt. Diese Problematik kann man bei bekannten Beschleunigungssensoren der beschriebenen Bauart nur dadurch vermeiden, daß entweder der Abstand zwi schen beweglichen strukturteilen und dem Grundkörper erhöht wird oder die federnde Aufhängung des seismischen Massenkör pers steifer ausgeführt wird. Beide Maßnahmen würden jedoch zu einer Verminderung der Sensorempfindlichkeit führen. Eine weitere Beschränkung des bekannten Sensors besteht darin, daß dieselbe dazu in der Lage ist, eine Beschleunigung in Richtung der Senkrechten auf der Hauptfläche des Grundkör pers zu detektieren.A more successful approach to making such micro one uses mechanical acceleration sensors Surface treatment technology, which with "surface micro machining ". With conventional accelerations sensors with this "surface micromachining" - Technology "will only be manufactured within a structural layer on a base with photolitho graphic means a spring-loaded seismic Mass body arranged. Typical designs of such Accelerometers are largely similar to capacitive pressure recorders, the in the case of the acceleration sensor Membrane has openings and in its central area is provided with a thickening that the seismic mas forms body. It is also common for one in the "Surface micromachining" technology manufactured accelerator inclination sensor on one or more resilient arms hang seismic mass body, the resilient Arms are isolated from a body. The seismi cal mass body is based on the base body above an provided in the main surface of the base body taking a distance between the seismic mas lower body and the base body of typically a Mi crometer is defined. It is such a small distance required so with the known acceleration sensor sufficient sensitivity, d. H. a sufficient one Rate of change of its capacity related to the acceleration supply is achieved. In short, it is the well-known Be acceleration sensors based on the so-called "Surface micromachining" technology (surface processing tion technology) are made, common that the Ab stood between the seismic mass body and the sensor basic body is at most a few micrometers. If now the moving parts of the acceleration sensor structure, the seismic mass body due to a very strong one Acceleration with the underground, i.e. the one facing it Surface of the recess of the base body, in contact comes, there is a risk that the seismic mass body sticks to the surface. This problem can one with known acceleration sensors of the described Avoid design only by either the distance between movable structural parts and the base body is or the resilient suspension of the seismic mass body pers stiffer. However, both measures would lead to a reduction in sensor sensitivity. A Another limitation of the known sensor is that it is able to accelerate in Direction of the perpendicular on the main surface of the basic body to detect pers.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art so weiter zubilden, daß trotz hoher Empfindlichkeit bei der kapazi tiven Erfassung der Beschleunigung die Gefahr des Kleben bleibens beweglicher Sensorstrukturen des Beschleunigungs sensors ausgeräumt wird.Based on this state of the art, this is the case the invention has the object of a micromechanical Accelerometer of the type mentioned in the beginning to form that despite the high sensitivity in the capacitance tive detection of acceleration the risk of sticking remain moving sensor structures of acceleration sensors is cleared.
Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished by an acceleration sensor Claim 1 solved.
Im Gegensatz zu bekannten Beschleunigungssensoren, die unter Verwendung der "surface micromachining"-Technologie her stellbar sind, und bei denen die kapazitive Lageerfassung der Lage der seismischen Masse bezogen auf den leitfähigen Bereich des Grundkörpers unterhalb des seismischen Massen körpers durchgeführt wird, sieht die Erfindung vor, daß die kapazitive Erfassung durch wenigstens ein an dem Grundkörper angebrachtes, sich im wesentlichen entlang einer Hauptfläche desselben erstreckendes und gegenüber dem Grundkörper beab standetes erstes Kondensatorelement zusammen mit einem be weglichen zweiten Kondensatorelement durchgeführt wird, das an dem seismischen Massenkörper befestigt ist und sich gleichfalls im wesentlichen entlang der Hauptfläche des Grundkörpers erstreckt und im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der zu messenden Beschleunigung gegenüber dem er sten Kondensatorelement versetzt angeordnet ist. Vereinfacht ausgedrückt liegen bei dem erfindungsgemäßen Beschleuni gungssensor die ersten und zweiten Kondensatorelemente in einer Richtung zueinander beabstandet, die im wesentlichen senkrecht auf der Richtung der zu messenden Beschleunigung liegt, während bei dem bekannten Beschleunigungssensor die Kondensatorelemente zur kapazitiven Erfassung der Lage des seismischen Massenkörpers im wesentlichen in Richtung der zu messenden Beschleunigung voneinander beabstandet sind. Durch das erfindungsgemäße Konzept der Anordnung der Kondensator elemente zur Erfassung der Auslenkung des seismischen Mas senkörpers wird es ermöglicht, den seismischen Massenkörper mit einem großen Abstand zu seinem Untergrund anzuordnen, da dieser Abstand bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungs sensor nicht länger maßgeblich für die Empfindlichkeit ist, die allein durch den gegenseitigen Abstand der beiden Kon densatorelemente bestimmt ist. Da dieser bei dem erfindungs gemäßen Beschleunigungssensor für die Empfindlichkeit maß gebliche Abstand der Kondensatorelemente voneinander quer zur Beschleunigungsrichtung liegt, ist es möglich, praktisch beliebige Empfindlichkeiten zu erreichen. Besondere Bedeu tung kommt hierbei der bevorzugten Ausgestaltung der ersten und zweiten Kondensatorelemente in Form eines Interdigital kondensators zu, die eine Multiplikation der Empfindlichkeit entsprechend der Vervielfachung der Anzahl der Kondensator elemente ermöglicht.In contrast to known acceleration sensors, which are under Using the "surface micromachining" technology are adjustable, and in which the capacitive position detection the position of the seismic mass in relation to the conductive Area of the base body below the seismic masses body is performed, the invention provides that the capacitive detection by at least one on the base body attached, substantially along a major surface the same extending and with respect to the base body stood the first capacitor element together with a be movable second capacitor element is performed that attached to the seismic mass body and itself likewise essentially along the main surface of the Basic body extends and substantially perpendicular to the Direction of the acceleration to be measured relative to the he Most capacitor element is arranged offset. Simplified expressed are at the acceleration according to the invention supply sensor the first and second capacitor elements in spaced from each other in a direction substantially perpendicular to the direction of the acceleration to be measured lies, while in the known acceleration sensor Capacitor elements for capacitive detection of the position of the seismic mass body essentially in the direction of measuring acceleration are spaced apart. By the inventive concept of arranging the capacitor elements for detecting the deflection of the seismic mas the body is made possible, the seismic mass body to be placed at a great distance from its surface, because this distance in the acceleration according to the invention sensor is no longer decisive for sensitivity, which is due to the mutual distance between the two cones is determined. Since this in the invention Accelerometer measured for the sensitivity usual distance of the capacitor elements from one another transversely to the direction of acceleration, it is possible to be practical to achieve any sensitivity. Special meaning tion comes here the preferred embodiment of the first and second capacitor elements in the form of an interdigital capacitor too, which is a multiplication of the sensitivity corresponding to multiplying the number of capacitors elements.
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Un teransprüchen definiert.Further developments of the subject matter of the invention are in the Un defined claims.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:A preferred embodiment of the invention Accelerometer is described below with reference to FIG the accompanying drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleuni gungssensors; und Figure 1 is a plan view of an embodiment of the micromechanical acceleration sensor according to the invention. and
Fig. 2 eine Vertikalschnittdarstellung durch das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des mikromechanischen Beschleunigungssensors. Fig. 2 is a vertical sectional view through the embodiment of the micromechanical acceleration sensor shown in Fig. 1.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, weist ei nen aus einem Substrat, wie beispielsweise Silizium, bestehenden Grundkörper 2 auf, an dessen oberer Hauptfläche 3 eine Isolatorschicht 4 vorgesehen ist, die beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen kann. In dieser Hauptfläche 3 weist der Grundkörper eine Ausnehmung 5 auf, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch gebildet wird, daß nach fertiger Strukturierung der noch zu erläuternden Elemente der Strukturschicht 6 und nach an sich üblicher photolithographischer Definition der Lage der Ausnehmung diese gebildet wird, indem das Material des Grundkörpers im Bereich der Ausnehmung 5 durch einen geeigneten Ätzprozeß (beispielsweise mittels verdünnter Flußsäure) porös gemacht und anschließend selektiv weggeätzt wird. Bevorzugte Tiefen der Ausnehmung, welche in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen t bezeichnet sind, liegen bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensoren in der Größenordnung von einigen zehn Micrometern.The acceleration sensor according to the invention, which is designated in its entirety by reference numeral 1 , has a base body 2 consisting of a substrate, such as silicon, on the upper main surface 3 of which an insulator layer 4 is provided, which can consist, for example, of silicon dioxide. In this main surface 3 , the base body has a recess 5 , which is formed in the preferred embodiment in that after the finished structuring of the elements of the structural layer 6 to be explained and after the photolithographic definition of the position of the recess, which is usual per se, the position of the recess is formed by the Material of the base body in the region of the recess 5 is made porous by a suitable etching process (for example using dilute hydrofluoric acid) and is then selectively etched away. Preferred depths of the recess, which are designated by the reference symbol t in FIG. 2, are in the order of magnitude of a few tens of micrometers in the acceleration sensors according to the invention.
In der Strukturschicht 6 sind zu beiden Seiten der Ausneh mung 5 ein erster Kontakt 7 und ein zweiter Kontakt 8 vor gesehen. Ausgehend von dem ersten Kontakt 7 erstrecken sich eine Mehrzahl von fingerförmigen oder balkenförmigen ersten Kondensatorelementen 9a-9e im wesentlichen parallel zu der ersten Hauptfläche 3 über die Ausnehmung 5. Zwischen je zwei parallel verlaufenden ersten Kondensatorelementen 9a, 9b; 9b, 9c; 9c, 9d; 9d, 9e liegt je ein eng zu diesen Elementen beabstandetes zweites Kondensatorelement 10a-10d aus einer Gruppe von zweiten Kondensatorelementen, wobei die ersten und zweiten Kondensatorelemente 9a-9e, 10a-10d miteinander in Draufsicht in der Art eines Interdigitalkondensators an geordnet sind.In the structure of the layer 6 Ausneh are on both sides of mung 5, a first contact 7 and a second contact 8 before seen. Starting from the first contact 7 , a plurality of finger-shaped or bar-shaped first capacitor elements 9 a- 9 e extend essentially parallel to the first main surface 3 over the recess 5 . Between two parallel first capacitor elements 9 a, 9 b; 9 b, 9 c; 9 c, 9 d; 9 d, 9 e each have a second capacitor element 10 a - 10 d closely spaced from these elements from a group of second capacitor elements, the first and second capacitor elements 9 a - 9 e, 10 a - 10 d being in a plan view in the manner of an interdigital capacitor are arranged on.
In dem Ruhezustand des Beschleunigungssensors erstrecken sich die zweiten Kondensatorelemente 10a-10d ebenfalls pa rallel zu der Hauptfläche 3 des Grundkörpers 2 oberhalb der Ausnehmung 5 und gehen jeweils an ihren den ersten Kondensa torelementen 9a-9e abgewandten Enden in einen seismischen Massenkörper 11 über. Der seismische Massenkörper 11 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch fünf Tragarme 12a- 12e an seiner den zweiten Kondensatorelementen 10a-10d abge wandten Seite mit dem zweiten Kontakt 8 verbunden. Durch diese Tragarme 12a-12e gebildete Aufhängung des seismischen Massenkörpers 11 können Druckspannungen, die möglicherweise in der Strukturschicht 6 vorhanden sind, kompensiert werden.In the idle state of the acceleration sensor, the second capacitor elements 10 a- 10 d also extend parallel to the main surface 3 of the base body 2 above the recess 5 and go at their ends facing away from the first capacitor elements 9 a- 9 e into a seismic mass body 11 above. The seismic mass body 11 is connected in the exemplary embodiment shown by five support arms 12 a - 12 e on its side facing away from the second capacitor elements 10 a - 10 d to the second contact 8 . By means of these suspension arms 12 a- 12 e, the suspension of the seismic mass body 11 can be compensated for compressive stresses that may be present in the structural layer 6 .
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann zusammen mit einer zu gehörigen Auswerteschaltung auf einem Chip integriert wer den.The pressure sensor according to the invention can be used together with a associated evaluation circuit integrated on a chip the.
Da bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor der Boden der Ausnehmung 5 innerhalb des Grundkörpers 2 nicht als Ge genelektrode verwendet wird, kann gemäß einem besonders wichtigen Aspekt der Erfindung der Boden der Ausnehmung 5 uneben oder aufgerauht hergestellt werden. Die Aufrauhung des Bodens der Ausnehmung 5 kann durch einen geeigneten Ätzprozeß bewerkstelligt werden. Möglich ist z. B. hierfür das kurze Anätzen mittels verdünnter Flußsäure.Since it is not used in the acceleration sensor according to the invention the bottom of the recess 5 within the main body 2 as Ge counterelectrode, a particularly important aspect of 5 can be made uneven or roughened the invention, the bottom of the recess according. The roughening of the bottom of the recess 5 can be accomplished by a suitable etching process. It is possible, for. B. for this, the brief etching using dilute hydrofluoric acid.
Claims (9)
einem gegenüber dem Grundkörper (2) federnd aufgehängten seismischen Massenkörper (11); und
einer Einrichtung zur kapazitiven Erfassung der Auslen kung des seismischen Massenkörpers (11) relativ zu dem Grundkörper (2);
dadurch gekennzeichnet,
daß die kapazitive Erfassungseinrichtung (9a-9e; 10a- 10d) wenigstens ein an dem Grundkörper (2) angebrachtes, sich im wesentlichen entlang einer Hauptfläche (3) des selben erstreckendes und gegenüber dem Grundkörper (3) beabstandetes erstes Kondensatorelement (9a-9e) und we nigstens ein an dem seismischen Massenkörper (11) ange brachtes, sich im wesentlichen entlang dieser Hauptflä che (3) des Grundkörpers (2) erstreckendes und im we sentlichen senkrecht zu der Richtung der zu messenden Beschleunigung zu dem ersten Kondensatorelement (9a-9e) versetzt angeordnetes zweites Kondensatorelement (10a- 10e) aufweist.1. Micromechanical acceleration sensor with a basic body ( 2 );
a seismic mass body ( 11 ) which is resiliently suspended in relation to the base body ( 2 ); and
a device for capacitive detection of the deflection of the seismic mass body ( 11 ) relative to the base body ( 2 );
characterized,
that the capacitive detection means (9 a-9 e; 10 a-10 d) at least one attached to the base body (2), along a main surface (3) is substantially the same extending and spaced relation to the base body (3) first capacitor element ( 9 a- 9 e) and at least one attached to the seismic mass body ( 11 ), which extends essentially along this main surface ( 3 ) of the base body ( 2 ) and is essentially perpendicular to the direction of the acceleration to be measured first capacitor element ( 9 a- 9 e) has a second capacitor element ( 10 a- 10 e) arranged offset.
daß die zweiten Kondensatorelemente (10a-10d) an ihren den ersten Kondensatorelementen (9a-9e) abgewandten En den in den seismischen Massenkörper (11) übergehen; und
daß der seismische Massenkörper (11) seinerseits an sei ner von den zweiten Kondensatorelementen (10a-10d) abge wandten Seite in Tragarme (12a-12e) übergeht, die ihrerseits in einen zweiten Kontakt (8) übergehen, der auf der Hauptfläche (3) des Grundkörpers (2) liegt.6. Micromechanical acceleration sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that
that the second capacitor elements ( 10 a- 10 d) at their ends facing away from the first capacitor elements ( 9 a- 9 e) pass into the seismic mass body ( 11 ); and
that the seismic mass body ( 11 ) in turn on his ner from the second capacitor elements ( 10 a- 10 d) facing away in support arms ( 12 a- 12 e), which in turn pass into a second contact ( 8 ) on the Main surface ( 3 ) of the base body ( 2 ) lies.
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