DE4431338C2

DE4431338C2 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE4431338C2
Application number: DE4431338A
Authority: DE
Inventors: Michael Offenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2014-09-03
Also published as: JP3803406B2; JP2005351904A; US5574222A; JPH0875782A; DE4431338A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der WO 92/03740 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. Weiterhin ist aus der US 5337606 ein Beschleunigungssensor bekannt. Dieser Sensor weist eine bewegliche Traverse auf, die derart an Halteelementen aufgehängt ist, daß sie durch eine Beschleunigung parallel zur Oberfläche des Substrats verschoben werden kann.

Vorteile der Erfindung

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 Leiterbahnen 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.

Zeichnungen

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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 Silizum 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 WO 92/03740 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 WO 92/03740 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 Prozesschritte 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 zumindst 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

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.