DE4431338A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents
BeschleunigungssensorInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach
der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der WO92/03740
ist bereits ein Beschleunigungssensor bekannt, der durch
Oberflächenmikromechanik auf einem Substrat hergestellt
ist. Der Sensor weist eine bewegliche seismische Masse auf,
die derart an dünnen Biegeelementen aufgehängt ist, daß sie
durch eine Beschleunigung parallel zur Oberfläche des
Substrats verschoben werden kann. An der seismischen Masse
sind bewegliche Elektroden befestigt, die zwischen
feststehenden Elektroden angeordnet sind, wobei die
feststehenden Elektroden auf dem Substrat verankert sind.
Durch eine Beschleunigung werden somit die Abstände zwischen
den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden
verändert, was zu einer Änderung der Kapazität zwischen den
Elektroden führt. Die Auswertung der Änderung dieses
Kapazität ist dann ein Maß für die Beschleunigung. Die
feststehenden Elektroden weisen eine erste und eine zweite
Gruppe auf, wobei die Elektroden der ersten Gruppe auf der
einen Seite der beweglichen Elektroden und die zweite Gruppe
von feststehenden Elektroden auf der anderen Seite der
beweglichen Elektroden angeordnet sind. Die Elektroden der
einzelnen Gruppen sind jeweils elektrisch
parallelgeschaltet. Die feststehenden Elektroden sind
jeweils einzeln auf dem Substrat verankert. Die elektrische
Kontaktierung der einzelnen feststehenden Elektroden erfolgt
durch Leiterbahnen, die in das Siliziumsubstrat
eindiffundiert sind. Bei derartigen Sensoren müssen sehr
kleine Kapazitätsänderungen nachgewiesen werden.
Leiterbahnen, die in unmittelbarer Nähe zueinander
angeordnet sind, weisen große Streukapazitäten auf.
Weiterhin weisen Leiterbahnen, insbesondere diffundierte
Leiterbahnen, eine gewissen Widerstandswert auf, der die
Messung der kleinen Kapazitäten behindern kann. Es ist daher
wünschenswert, für alle feststehenden Elektroden einer
Gruppe in etwa denselben Widerstandswert für die Leiterbahn
zu verwenden.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
hat demgegenüber den Vorteil, daß die Meßbarkeit der
Kapazitäten des Sensors erleichtert wird. Der
erfindungsgemäße Sensor ermöglicht eine symmetrische
Heranführung der beiterbahnen zu den feststehenden
Elektroden, wodurch die Meßbarkeit der Sensorsignale
verbessert wird, da parasitäre Effekte zwischen den
einzelnen feststehenden Elektroden verringert werden.
Weiterhin können so die Leiterbahnen in großem Abstand
zueinander angeordnet werden, was die parasitären Effekte
zwischen den einzelnen Leiterbahnen verringert. Weiterhin
benötigt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensors
keinen zusätzlichen Platz für die Anordnung der
Leiterbahnen, so daß der Sensors besonders klein gebaut
werden kann.
Durch die in den Unteransprüchen angeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
Beschleunigungssensors nach dem unabhängigen Anspruch
möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor und
Fig. 2 eine Seitenansicht des Sensors und einen Querschnitt
durch das Substrat entlang der Linien II-II der Fig. 1.
In Fig. 1 wird eine Aufsicht auf ein Siliziumsubstrat 1 mit
einem Beschleunigungssensor gezeigt. Im Folgenden wird
zunächst nur die linke Seite des Sensors betrachtet. Der
Sensor besteht aus Polysilizium. Der Sensor kann aber auch
aus einkristallinem oder teilweise aus polykristallinem und
einkristallinem Silizium bestehen. Der Beschleunigungssensor
weist eine seismische Masse 2 auf, die durch Biegeelemente 3
derart aufgehängt ist, daß die seismische Masse durch eine
Beschleunigung parallel zur Oberfläche des Substrats 1
verschoben werden kann. Die Biegeelemente 3 sind durch
Verankerungen 5 auf dem Substrat verankert. An der
seismischen Masse 2 sind bewegliche Elektroden 4 aufgehängt,
die somit ebenfalls durch eine Beschleunigung ausgelenkt
werden. Die beweglichen Elektroden 4 sind zwischen
feststehenden Elektroden 21, 22 angeordnet. Die
feststehenden Elektroden sind in zwei Gruppen aufgeteilt.
Die erste Gruppe von feststehenden Elektroden 21 ist auf der
einen Seite der beweglichen Elektroden 4 angeordnet und die
zweite Gruppe von feststehenden Elektroden 22 ist der
anderen Seite der beweglichen Elektroden 4 angeordnet. Die
Elektroden der einzelnen Gruppen sind jeweils miteinander
elektrisch verbunden. Die beweglichen Elektroden 4 bilden so
mit den feststehenden Elektroden 21, 22 Plattenkondensatoren
in einer sogenannten Differentialanordnung. Dies bedeutet,
daß sich die Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 4
und der ersten Gruppe 21 erhöht, wenn sich die Kapazität
zwischen den beweglichen Elektroden 4 und der zweiten Gruppe
von feststehenden Elektroden 22 verringert. Ebenso wird die
Kapazität zwischen der zweiten Gruppe 22 und den beweglichen
Elektroden 4 erhöht, wenn sich die Kapazität zwischen den
beweglichen Elektroden 4 und der ersten Gruppe 21
verringert. Auf der rechten Seite des Sensors sind noch eine
dritte Elektrodengruppe 21′ und eine vierte Elektrodengruppe
22′ vorgesehen. Diese werden jedoch zunächst nicht
betrachtet, sondern es wird für die Beschreibung der
Erfindung zunächst davon ausgegangen, daß beide Seiten des
Sensors zueinander spiegelbildlich sind. Ein derartiger
Beschleunigungssensor ist bereits aus der WO92/03740
bekannt.
Die Verankerungen 5 sind selbstverständlich in einer
Aufsicht auf den Sensor nicht sichtbar. Sie sind hier jedoch
dargestellt, um so das Verständnis, an welchen Stellen der
Sensor auf dem Substrat 1 verankert ist, zu erleichtern.
Der Sensor nach der Fig. 1 unterscheidet sich jedoch von
der WO92/03740 darin, wie die beiden Gruppen von
feststehenden Elektroden 21, 22 auf dem Substrat verankert
sind und wie die elektrischen Signale von den Elektroden zu
Auswerteschaltungen geleitet werden. Die erste Gruppe von
Elektroden 21 ist an einem Verbindungsbalken 10 aufgehängt,
der dann über zwei oder drei Verankerungen 5 auf dem
Substrat 1 verankert ist. Selbstverständlich können auch
eine Vielzahl von Verankerungen 5 vorgesehen werden, wobei
jedoch ausgeschlossen werden soll, daß der Verbindungsbalken
10 vollständig, d. h. mit seiner gesamten Fläche auf dem
Substrat verankert ist. Bei der zweiten Gruppe von
feststehenden Elektroden 22 ist jeweils jede Elektrode 22
einzeln über eine eigene Verankerung 5 auf dem Substrat
verankert. Der Verbindungsbalken 10 besteht ebenso wie die
erste Gruppe von feststehenden Elektroden 21 aus
entsprechend dotiertem Polysilizium und schaltet somit die
einzelnen feststehenden Elektroden 21 der ersten Gruppe
miteinander parallel. Durch Zuführung einer Leiterbahn 11 an
mindestens eine der Verankerungen des Verbindungsbalkens 10
kann somit das Meßsignal von allen feststehenden Elektroden
21 der ersten Gruppe abgegriffen werden. Die Verankerungen 5
der feststehenden Elektroden 22 der zweiten Gruppe sind
durch eine Verbindungsleiterbahn 12 verbunden. Durch diese
Verbindungsleiterbahn 12 werden somit alle Elektroden 22 der
zweiten Gruppe miteinander parallelgeschaltet. Durch
Heranführung mindestens einer Leiterbahn 11 an die
Verbindungsleiterbahn 12 kann so das Signal aller
feststehenden Elektroden 22 der zweiten Gruppe abgegriffen
werden.
In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch das
Halbleitersubstrat 1 bzw. eine Seitenansicht des
Verbindungsbalkens 10 entlang der Linie II-II der Fig. 1
gezeigt. Wie zu erkennen ist, handelt es sich bei den
Leiterbahnen 11 um diffundierte Leiterbahnen, die in das
Siliziumsubstrat 1 eingebracht sind. Durch Heranführung
einer derartigen diffundierten Leiterbahn 11 an die
Verankerung 5 des Verbindungsbalkens 10 wird ein
elektrischer Kontakt zwischen den Leiterbahnen 11 und dem
Verbindungsbalken 10 erzeugt. Weiterhin ist in der
Seitenansicht der Fig. 2 zu erkennen, daß der
Verbindungsbalken 10 nur durch die Verankerungen 5 mit dem
Substrat 1 verbunden ist. Es ist daher möglich unter dem
Verbindungsbalken 10 eine Leiterbahn 11 hindurch zu führen,
die dann die Verbindungsleiterbahn 12 der zweiten Gruppe von
feststehenden Elektroden 22 kontaktiert. Um die Darstellung
übersichtlich zu halten sind die hinter dem
Verbindungsbalken 10 liegenden Teile des Sensors nicht
dargestellt. Die diffundierten Leiterbahnen 11 weisen einen
nicht vernachlässigbaren Restwiderstand auf. Die Signale der
feststehenden Elektroden 22, die weit vom Verbindungspunkt
15 der Leiterbahn 11 mit der Verbindungsleiterbahn 12
entfernt sind, werden somit mit einem größeren Widerstand
gemessen als die Signale der feststehenden Elektroden, die
in unmittelbarer Nähe dieses Verbindungspunktes angeordnet
sind. Da diese Widerstände der Leiterbahnen nicht
vernachlässigt werden können, sollte zumindest ein
symmetrischer Anschluß erfolgen, da dann mögliche parasitäre
Effekte aufgrund der Symmetrie minimiert werden können.
Ebenso sollte der Anschluß der Leiterbahn 11 an den
Verbindungsbalken 10 möglichst symmetrisch erfolgen. In der
Fig. 1 werden zwei unterschiedliche Anschlußkonzepte für
einen symmetrischen Anschluß gezeigt. Auf der linken Seite
des Sensors wird dargestellt, daß der Verbindungsbalken 10
durch zwei Leiterbahnen 11 angeschlossen wird und so ein
symmetrischer Aufbau erreicht wird. Auf der rechten Seite
wird für die vierte Elektrodengruppe 22′ dargestellt, daß
der Verbindungsbalken 10 in seiner Mitte, d. h. wiederum
symmetrisch zu allen feststehenden Elektroden 21 durch eine
einzige Leiterbahn 11 angeschlossen wird. Auch wenn in der
Fig. 1 der Anschluß der Verbindungsleiterbahn 12 nur durch
eine zentrale Leiterbahn 11 gezeigt wird, versteht sich
natürlich von selbst, daß auch mehrere Leiterbahnen 11 an
die Verbindungsleiterbahn 12 angeschlossen werden können,
sofern dies symmetrisch erfolgt.
Diffundierte Leiterbahnen in einem Halbleitersubstrat bilden
große parasitäre Kapazitäten die parallel zu den
Nutzkapazitäten der Sensoren geschaltet sind, sofern die
Leitungen in unmittelbarer Nähe zueinander geführt werden.
Wenn die feststehenden Elektroden 21 ebenfalls durch eine
Verbindungsleiterbahn miteinander parallelgeschaltet würden,
so würden zwei Verbindungsleiterbahnen in unmittelbarer
Näher parallel zueinander verlaufen. Eine derartige
Anordnung ist mit einem großen Übersprechen und einer großen
gegenseitigen Störung der beiden Leiterbahnen verbunden. Da
die Leiterbahnen 11 zum Anschluß des Verbindungsbalkens 10
und der Verbindungsleiterbahn 12 in großem Abstand
zueinander geführt werden können, ist so die gegenseitige
Beeinflussung dieser beiden Leiterbahnen zueinander gering.
Da der Verbindungsbalken 10 durch einen Luftspalt von der
Verbindungsleiterbahn 12 getrennt ist, beeinflussen sich
auch diese beiden Elemente kaum. Das Auftreten von
parasitären Effekten zwischen den beiden Elektrodengruppen
21, 22 wird somit gering gehalten.
Die Leiterbahnen werden durch Diffusionsprozesse in das
Siliziumsubstrat eingebracht. In Abhängigkeit von den dafür
verwendeten Prozessen können die Leiterbahnen nicht beliebig
schmal ausgestaltet werden. Oft ist es auch wünschenswert,
für das Einbringen der Leiterbahnen Prozesse zu verwenden,
die bereits für andere Schritte des Herstellungsverfahrens
genutzt werden, da so die Gesamtzahl der Prozeßschritte
verringert wird. Die Leiterbahnen 11 müssen daher einen
gewissen Abstand untereinander und zu den Verankerungen 5
aufweisen. Durch die Verwendung des Verbindungsbalkens 10
können die Leiterbahnen 11 unproblematisch in ausreichend
großem Abstand angeordnet werden, so daß der Platzbedarf des
Sensors verringert wird. Wenn beide Gruppe 21, 22 von
feststehenden Elektroden durch Verbindungsleiterbahnen 12
miteinander verbunden werden sollen, so muß zumindest an
einer Stelle eine Leiterbahnüberkreuzung zwischen einer
Leiterbahn 11 und einer Verbindungsleiterbahn 12 vorgesehen
werden, um einen symmetrischen Anschluß der Elektroden 21,
22 zu erreichen. Auch durch eine solche Maßnahme wird der
Flächenbedarf des Sensors erhöht. Eine weitere Möglichkeit
könnte darin bestehen, die weiter außen liegenden
Elektrodengruppe (in der Fig. 1 die Elektrodengruppe 21)
nicht vollständig mit einer Verbindungsleiterbahn 12 zu
verbinden, sondern an mindestens einer Stelle die
Verbindungsleiterbahn 12 zu unterbrechen, so daß an dieser
Stelle die Leiterbahn 11 für den Anschluß der weiter innen
liegenden Elektrodengruppe (in Fig. 1 Elektrodengruppe 22)
zu ermöglichen. Da die Leiterbahnen 11 jedoch einen gewissen
Abstand zu den Verankerungen 5 einhalten müssen, müßte an
dieser Stelle ein besonders weiter Abstand zwischen den
Aufhängungen 5 vorgesehen werden. Auch dies ist mit einem
größeren Platzbedarf für den Sensor verbunden.
Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Ausgestaltung
unterscheiden sich die Kapazitäten der feststehenden
Elektroden je nach dem ob sie mit einem Verbindungsbalken 10
oder mit einer Verbindungsleiterbahn 12 kontaktiert sind.
Auf der linken Seite der Fig. 1 sind die feststehenden
Elektroden 21 der ersten Gruppe mit einem Verbindungsbalken
10 verbunden. Auf der rechten Seite der Fig. 1 sind die
feststehenden Elektroden der dritten Gruppe 21′ durch eine
Verbindungsleiterbahn 12 verbunden. Entsprechendes sind die
Elektroden der zweiten Gruppe 22 durch
Verbindungsleiterbahnen 12 und die Elektroden der vierten
Gruppe 22′ durch einen Balken 10 miteinander verbunden.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß bei einer
Zusammenschaltung der Elektroden der ersten Gruppe 21 mit
den Elektroden der dritten Gruppe 21′ und der zweiten Gruppe
22 mit der vierten Gruppe 22′ die resultierende
Gesamtkapazität jeweils gleich ist. Durch diese Maßnahme
wird somit die Symmetrie der
Differentialkondensatoranordnung verbessert und die
Meßbarkeit des Sensorsignals erleichtert.
Claims (4)
1. Beschleunigungssensor mit einer Vielzahl von beweglichen
Elektroden (4), die durch eine Beschleunigung relativ zu
einem Substrat (1) bewegbar sind, und einer ersten (21) und
einer zweiten (22) Gruppe von feststehenden Elektroden,
wobei die feststehenden Elektroden (21, 22) mit den
beweglichen Elektroden (3) Plattenkondensatoren bilden, und
wobei auf der einen Seite der beweglichen Elektroden (4) die
feststehenden Elektroden (21) der ersten Gruppe und auf der
anderen Seite der beweglichen Elektroden (4) die
feststehenden Elektroden (22) der zweiten Gruppe angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden
Elektroden (21) der ersten Gruppe an einem Verbindungsbalken
(10) aufgehängt sind, der auf dem Substrat (1) verankert
ist, und daß die feststehenden Elektroden (22) der zweiten
Gruppe einzeln auf dem Substrat (1) verankert sind.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die feststehenden Elektroden (21) der
ersten Gruppe durch den Verbindungsbalken (10) zueinander
parallelgeschaltet sind und daß eine Verbindungsleiterbahn
(12) vorgesehen ist, durch die die feststehenden Elektroden
(22) der zweiten Gruppe miteinander parallelgeschaltet
werden.
3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß Leiterbahnen (11) vorgesehen sind, durch
die der Verbindungsbalken (10) und die Verbindungsleiterbahn
(12) kontaktiert werden.
4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anschluß des Verbindungsbalkens (10)
und der Verbindungsleiterbahn (12) durch die Leiterbahnen
(11) symmetrisch zu den feststehenden Elektroden (21, 22)
ist.
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