DE60319528T2 - Monolithischer beschleunigungsaufnehmer aus silizium - Google Patents
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Description
- Bereich der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft Beschleunigungssensoren, welche aus Silizium durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellt worden sind, und insbesondere Sensoren mit einer Trägheitsmasse, die durch Torsionstragelemente positioniert sind.
- Hintergrund der Erfindung
- Im Stand der Technik ist es bekannt, dass kleine kompakte Beschleunigungssensoren durch Mikro-Materialbearbeitung von Silizium-Wafern in geeignete Konfigurationen geformt werden können, welche dazu fähig sind, eine Beschleunigung längs einer Achse zu erfassen. Der Mikro-Materialbearbeitungsprozess wird normalerweise an Stapels aus Silizium-Wafern durchgeführt. Dieser Prozess besteht aus Maskieren und Bilden von Muster aus Ätz-Stop-Material auf einer Waferoberfläche, Ätzen des freigelegten Siliziums, Entfernen des Ätz-Stop-Materials, Metallisieren und Bonden. Die Silizium-Wafer werden würfelartig in individuelle Beschleunigungssensorvorrichtungen geteilt und mit geeigneten elektronischen Schaltkreisen zur Bildung von Beschleunigungsmessern verbunden. Unter Verwendung dieser Techniken erfordert ein Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Beschleunigungssensor jeweils zwei oder drei diskrete, würfelartig geteilte Vorrichtungen, um längs zweier oder dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen exakt mechanisch ausgerichtet zu sein. Beispiele von Beschleunigungssensoren, welche durch einen Prozess einer Mikro-Materialbearbeitung gebildet sind, werden in den folgenden Patenten der Vereinigten Staaten beschrieben: 4,574,327; 4,930,043 und 5,008,774.
- Frühere Arten von Beschleunigungssensoren aus Silizium verwenden eine Trägheitsmasse, welche sich als Antwort auf Beschleunigung bewegt und durch Auslegertragbauteile positioniert ist, welche eine Asymmetrie einführen können, die eine unerwünschte Querachsenempfindlichkeit ergeben kann. Zur Vermeidung dieses uner wünschten asymmetrischen Effekts werden diese Vorrichtungen mit flexiblen Tragelementen um die Peripherie einer Trägheitsmasse herum so konstruiert, dass die Antwort auf eine Beschleunigung vorzugsweise längs einer Achse erfolgt, welche senkrecht zu der Ebene der Trägheitsmasse und der Tragelemente liegt. Um weiterhin die Beschleunigungsantwort auf eine Achse zu begrenzen, werden die Tragelemente manchmal in der Mittelebene der Trägheitsmasse oder symmetrisch an den oberen und unteren Oberflächen der Trägheitsmasse angeordnet. Die auf diese Art und Weise hergestellten Vorrichtungen zeigen weite Parametervariationen zwischen den Vorrichtungen. Außerdem müssen mehrfache diskrete Vorrichtungen für Mehrfachachsenanwendungen zu jeder Beschleunigungsachse exakt ausgerichtet werden. Schwierigkeiten, die bei der Herstellung auftreten, schließen die genaue Positionierung der Mittelebene und die präzise Ausrichtung von mehrfachen Vorrichtungen mit ein, wodurch der Herstellungsprozess komplex, langsam und kostenaufwändig gemacht wird.
- Die vorstehenden Gründe ergeben einen Bedarf für einen Beschleunigungssensor mit mehrfachen Achsen, der durch Mikro-Materialbearbeitung aus Silizium durch einen relativ einfachen Herstellungsvorgang erstellt wird, welcher Vorrichtungen mit geringer mechanischer Spannung ergibt, die temperaturstabil mit engen Parametertoleranzen unter den Vorrichtungen sind. Es ist wünschenswert, dass jede erforderliche Mehrfachachsenausrichtung eher als ein Bestandteil des bei der Vorrichtungsherstellung benutzten Lithografieprozesses durchgeführt wird, als dass eine exakte mechanische Ausrichtung von diskreten Vorrichtungen nach dem Zerwürfelungsvorgang erforderlich ist. Es ist weiterhin wünschenswert, dass der Herstellungsprozess auf einer Stapelbasis einstellbar ist, um Vorrichtungen mit vorher festgelegter Beschleunigungsempfindlichkeit zu produzieren, wobei Stapel in Vorrichtungen von niedriger Empfindlichkeit bis hoher Empfindlichkeit klassifiziert sind.
- Hinsichtlich des Stands der Technik wird auf US-Patent
US-A-5 707 077 Bezug genommen, welches eine Lösung im Stand der Technik für einen in einem Fahrzeug-Airbagsystem verwendeten dreidimensionalen Beschleunigungssensor darstellt, bei welchem der massive Teil mit dem Rahmen mit der Hilfe eines Diaphragmas bzw. einer Membran verbunden ist. In dieser Schrift des Stands der Technik wird eine Lösung offenbart, wobei die Beschleunigung in drei Dimensionen unter Verwendung von nur einer Masse gemessen werden kann, indem in geeigneter Weise Kondensatoren angeordnet werden und indem in geeigneter Weise die Masse gehalten wird. Weiterhin wird eine Lösung offenbart, bei welcher die große Masse in vier kleinere Massen aufgeteilt ist, wobei jede kleinere Masse einen Ausleger- bzw. Kragtragaufbau aufweist. - In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die europäische Patentanmeldung
EP-A-0 301 816 Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen in drei Richtung messenden Beschleunigungssensor darstellt, wobei in einen einzelnen Silizium-Wafer Krag- bzw. Auslegerträger mit Massen eingeätzt sind, die asymmetrisch zu einer neutralen Ebene und mit 120 Grad zueinander angeordnet sind. In diesem Dokument des Stands der Technik ist auch eine Lösung offenbart, bei welcher die Beschleunigung in drei Richtungen von jeder der Massen gemessen werden kann. - In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die deutsche Patentanmeldung
DE 196 49 715 A Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor zeigt, der in Fahrzeugsicherheitssystemen zur Anwendung kommt, bei welchem jedes individuelle Sensorelement eine eigene Haupt-Empfindlichkeitsachse auf gleichem Substrat aufweist, wobei jede der Achsen eine Winkelverschiebung zu Oberflächennormalen des Substrats aufweist. In diesem Dokument des Stands der Technik ist eine Lösung offenbart, bei welcher die Massen mit einem Kragtragaufbau getragen sind. - In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die japanische Patentanmeldung
JP 01 287470 - In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die deutsche Gebrauchsmusterspezifikation
DE 93 20 965 U Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen Beschleunigungssensor, der aus vier kleineren Massen geformt ist, darstellt. In dieser Schrift aus dem Stand der Technik wird eine Lösung offenbart, bei welcher die Massen mit einem Kragtragaufbau getragen sind. - Zusammenfassung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung ist auf einen temperaturstabilen, monolithischen Mehrfachachsen-Beschleunigungssensor mit geringer mechanischer Spannung ausgerichtet, welcher enge Parametertoleranzen zwischen Vorrichtungen aufweist, und welcher aus durch einen relativ einfachen Herstellungsprozess aus Silizium in Mikro-Materialbearbeitung hergestellt ist. Da der vorliegende monolithische Mehrfachachsen-Beschleunigungssensor durch den Lithografieprozess, der bei der Vorrichtungsherstellung benutzt wird, ausgerichtet wird, ist die Notwendigkeit einer präzisen mechanischen Ausrichtung von diskreten Sensorvorrichtungen längs orthogonaler Beschleunigungsachsen aufgehoben. Der Herstellungsprozess der vorliegenden Erfindung kann auf einer Stapel- bzw. Batchbasis einstellbar sein, um Vorrichtungen mit vorher festgelegter Beschleunigungsempfindlichkeit zu produzieren, wobei Stapel in Vorrichtungen von niedriger Empfindlichkeit bis Vorrichtungen mit hoher Empfindlichkeit eingeteilt sind.
- Während frühere Formen von Silizium-Beschleunigungssensoren versuchten, asymmetrische Querachsenempfindlichkeit zu verhindern, nutzt die vorliegende Erfindung diesen Querachseneffekt, um eine Herstellung eines monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensors zu ermöglichen. Die vorliegende Silizium-Beschleunigungssensor-Erfindung weist eine, zwei, drei oder vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen auf, wobei jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, die sich als Antwort auf eine Beschleunigung bewegt und durch Tragelemente koplanar mit einer ersten Oberfläche der Silizium-Trägheitsmasse positioniert und an einem Siliziumtragaufbau befestigt ist. Eine Einrichtung zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse oder einer resultierenden Durchbiegung der Tragelemente auf Grund einer Beschleunigung der Trägheitsmasse und des Siliziumtragaufbaus ist vorgesehen. Die relative Position jeder Trägheitsmasse liegt in rechten Winkeln zu einer benachbarten Trägheitsmasse, wenn die erste Oberfläche jeder Sili zium-Masse unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz bzw. als Winkelbezug betrachtet wird. Eine Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, besteht aus zumindest zwei einzelnen Sensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, und jede eine Beschleunigung in zwei orthogonalen Achsen abtasten kann, aber nicht zwischen einer Beschleunigung längs einer Achse oder der anderen unterscheiden kann. Eine Vorrichtung mit zwei Sensorzellen, bei welcher jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, die in einem 180-Grad-Winkel zu der Trägheitsmasse der anderen Sensorzelle angeordnet ist, wenn die ersten Oberflächen der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als eine Winkelreferenz betrachtet werden, kann eine Beschleunigung in zwei orthogonalen Achsen abtasten und kann zwischen einer Beschleunigung längs beider Achsen unterscheiden. Eine Vorrichtung mit drei Sensorzellen, wobei jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse positioniert in Winkeln von 0, 90 und 180 Grad relativ zu jeder anderen aufweist, wenn die ersten Oberflächen der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als eine Winkelreferenz betrachtet werden, kann eine Beschleunigung längs dreier orthogonaler Achsen abtasten und kann zwischen einer Beschleunigung längs jeder der drei Achsen unterscheiden. Eine Vorrichtung mit vier Sensorzellen, wobei jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse positioniert in Winkeln von 0, 90, 180 und 270 Grad relativ zu jeder anderen besitzt, wenn die ersten Oberflächen der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als eine Winkelreferenz betrachtet werden, kann eine Beschleunigung längs dreier orthogonaler Achsen abtasten und kann zwischen einer Beschleunigung längs jeder der drei Achsen unterscheiden. Die Vorrichtung mit vier Sensorzellen ist von einer physikalischen symmetrischen Geometrie, wenn die erste Oberfläche jeder Trägheitsmasse betrachtet wird, und stellt die Fähigkeit zur Neutralisierung von Nichtlinearitäten in gegenüber liegenden Richtungen bereit. Somit ist eine Abtastung einer Mehrfachachsenbeschleunigung mit einer einzelnen monolithischen Vorrichtung erreichbar, welche keine präzise mechanische Ausrichtung von vielen diskreten Einzelachsen-Beschleunigungsabtastvorrichtungen erfordert. Eine Einrichtung zur Erfassung einer Bewegung der Trägheitsmasse besteht darin, die Kapazität zwischen der ersten Oberfläche der beweglichen Trägheitsmasse und einem ersten elektrisch leitenden Layer, der von der ersten Oberfläche beabstandet ist und in Bezug auf den tragenden Siliziumaufbau befestigt ist, zu messen; und indem die Kapa zität zwischen einer zweiten Oberfläche der beweglichen Trägheitsmasse gegenüber liegend der ersten Oberfläche und einem zweiten elektrisch leitenden Layer, der von der zweiten Oberfläche beabstandet und in Bezug auf den tragenden Siliziumaufbau befestigt ist, gemessen wird. Eine weitere Einrichtung zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse besteht darin, den Widerstand von piezoresistiven Elementen zu messen, welche auf den positionierenden Tragelementen angeordnet sind. Die Tragelemente sind in einer Torsionskonfiguration ausgebildet. Die Gestalt der Trägheitsmasse wird im Allgemeinen als ein rechtwinklig ausgebildetes Parallelepiped in der bevorzugten Ausführung der Erfindung beschrieben.
- Ein Verfahren zum Herstellen einer Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtung mit einer einzelnen Beschleunigungssensorzelle mit einer elektrisch leitfähigen beweglichen Silizium-Trägheitsmasse weist das Formen eines Sandwichaufbaus mit Layern eines Ätz-Stop-Layers zwischen einem ersten Wafer-Abschnitt elektrisch leitenden Siliziums und einem, wobei der erste Wafer-Abschnitt elektrisch leitenden Siliziums eine freiliegende erste Oberfläche und der zweite Wafer-Abschnitt elektrisch leitenden Siliziums eine freiliegende zweite Oberfläche aufweisen. Ein zweiter Abschnitt der Silizium-Trägheitsmasse wird geformt, indem ein rechtwinkliger rahmenförmiger Kanal in dem zweiten Wafer-Abschnitt von der freiliegenden zweiten Oberfläche aus sich bis zu dem Ätz-Stop-Layer erstreckend geätzt wird. Ein erster Abschnitt der Silizium-Trägheitsmasse wird durch Ätzen eines U-förmigen Kanals und eines stabförmigen Kanals in dem ersten Wafer-Abschnitt von der freiliegenden ersten Oberfläche aus sich bis zu dem Ätz-Stop-Layer erstreckend geformt, wobei der stabförmige Kanal und der U-förmige Kanal in dem ersten Wafer-Abschnitt so positioniert werden, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal in dem zweiten Wafer-Abschnitt liegen und gleiche planare Abmessungen wie dieser aufweisen. Es sind Einrichtungen zur elektrischen Verbindung des zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse mit dem ersten Abschnitt der Trägheitsmasse durch den Ätz-Stop-Layer oder auf der geätzten Oberfläche der Trägheitsmasse vorgesehen. Der Siliziumdioxidlayer, welcher durch den geätzten rahmenförmigen Kanal freigelegt ist, der geätzte U-förmige Kanal und der geätzte stabförmige Kanal werden dann gestrippt, wodurch eine rechteckige, in Gestalt eines Parallelepipeds geformte, bewegliche Silizium-Trägheitsmasse geschaffen wird, welche durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Tragelemente positioniert ist. Eine alternative Einrichtung zur elektrischen Verbindung des zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse mit dem ersten Abschnitt der Trägheitsmasse besteht darin, einen Layer aus leitfähigem Polysilizium über dem resultierenden geätzten und gestrippten Aufbau abzulagern. Dieser Ablagerungs- bzw. Abscheidungsvorgang könnte auch benutzt werden, wo es gewünscht ist, nichtleitende Silizium-Wafer-Abschnitte zu verwenden. Einrichtungen zur Abtastung einer Bewegung der Silizium-Trägheitsmasse sind vorgesehen, indem ein erster elektrisch leitender Layer, der von der ersten Oberfläche der Trägheitsmasse beabstandet ist, relativ zu dem Siliziumtragaufbau für eine erste Kapazitätsmessung zwischen der ersten Oberfläche der Trägheitsmasse und dem ersten elektrisch leitenden Layer befestigt ist; und indem ein zweiter elektrisch leitender Layer, der von der zweiten Oberfläche der Trägheitsmasse beabstandet ist, relativ zu dem Siliziumtragaufbau für eine zweite Kapazitätsmessung zwischen der zweiten Oberfläche der Trägheitsmasse und dem zweiten elektrisch leitenden Layer befestigt ist. Diese elektrisch leitenden Layer sind vorzugsweise in ihrer Zusammensetzung metallisch ausgeführt. Alternativ können Einrichtungen zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse vorgesehen sein, indem piezoresistive Elemente an den positionierenden Tragelementen, die an dem Siliziumtragaufbau befestigt sind, angebracht sind, und die Widerstandsänderung gemessen wird, wenn die Tragelemente gebogen oder verdreht werden.
- In einer bevorzugten Ausführung eines Verfahrens zum Herstellen eines Silizium-Beschleunigungssensors mit zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen wird der erste Abschnitt der beweglichen Silizium-Trägheitsmasse durch Ätzen eines U-förmigen Kanals und eines stabförmigen Kanals in dem ersten Layer aus Silizium von der freiliegenden ersten Oberfläche aus sich zu dem Siliziumdioxidlayer erstreckend geformt, wobei der stabförmige Kanal und der U-förmige Kanal in dem ersten Layer aus Silizium so positioniert werden, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit und von gleichen Flächenabmessungen zu dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal in dem zweiten Layer aus Silizium ausgebildet sind. Der stabförmige Kanal wird über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals angeordnet, wobei er innerhalb der äußeren Abmessungen der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals zentriert ist, und sich in Länge ausdehnt, um der gesamten Außenbreite der Oberseite des U-förmigen Kanals zu entsprechen, derart, dass die räumliche Trennung eine Einrichtung mit einer Silizium-Trägheitsmasse ergibt, welche durch Torsionstragelemente positioniert ist.
- Obwohl die bevorzugte Ausführung der Erfindung einen Siliziumdioxidlayer als Ätz-Stop-Layer benutzt, gibt es alternative Ausführungen. Diese alternativen Ausführungen weisen einen Layer aus Siliziumnitrid, einen Layer aus dotiertem Silizium und den Verarmungslayer mit der Verbindung von zwei unterschiedlich dotierten Siliziumabschnitten auf.
- In weiteren Beispielen eines Verfahrens zum Herstellen eines Silizium-Beschleunigungssensors, welcher keine Ausführung betrifft und zumindest eine Silizium-Beschleunigungssensorzelle aufweist, wird der erste Abschnitt der beweglichen Silizium-Trägheitsmasse durch Ätzen eines U-förmigen Kanals und eines stabförmigen Kanals in dem ersten Layer aus Silizium von der freiliegenden ersten Oberfläche aus sich zu dem Siliziumdioxidlayer erstreckend geformt, wobei der stabförmige Kanal und der U-förmige Kanal in dem ersten Layer aus Silizium so positioniert werden, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit und von gleichen Flächenabmessungen zu dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal in dem zweiten Layer aus Silizium ausgebildet sind. Der stabförmige Kanal wird über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals angeordnet, wobei er innerhalb der äußeren Abmessungen der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals zentriert ist, und sich in Länge ausdehnt, um kleiner zu sein als die Innenbreite der Oberseite des U-förmigen Kanals. Die Enden des stabförmigen Kanals sind von der inneren Oberseite des U-förmigen Kanals räumlich so getrennt, dass die räumliche Trennung eine Einrichtung mit einer Silizium-Trägheitsmasse ergibt, die durch Ausleger- bzw. Kragtragelemente positioniert ist.
- Eine weitere Ausführung eines Verfahrens zum Herstellen eines Silizium-Beschleunigungssensors mit zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen besteht darin, die Beschleunigungsempfindlichkeit zu variieren, indem die Dicke der Tragelemente eingestellt wird, indem die Dicke des ersten Silizium-Wafer-Abschnitts eingestellt wird, indem die Breite der Tragelemente durch Einstellen der räumlichen Trennung zwischen dem U-förmigen Kanal und dem stabförmigen Kanal eingestellt wird, oder indem die Länge der Tragelemente durch Einstellen der Breite der geätzten Kanäle eingestellt wird.
- Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, ist identisch zu dem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle mit einer beweglichen Silizium-Trägheitsmasse, mit der Ausnahme, dass eine zweite Trägheitsmasse lithografisch und dann physikalisch in einem 90-, 180- oder 270-(welcher funktionell der gleiche wie 90 ist)Grad-Winkel zu der ersten Trägheitsmasse, wenn die freiliegende erste Oberfläche der Silizium-Massen unter Verwendung der positionierenden Träger als Winkelreferenz betrachtet wird, positioniert wird. Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit drei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, ist identisch zu dem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, mit der Ausnahme, dass die dritte Trägheitsmasse lithografisch und dann physikalisch in einem 90-Grad-Winkel zu der zweiten Trägheitsmasse und in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Trägheitsmasse positioniert wird, wenn die freiliegende erste Oberfläche der Silizium-Massen unter Verwendung der positionierenden Träger als Winkelreferenz betrachtet wird. Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, ist identisch zu dem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit drei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, mit der Ausnahme, dass eine vierte Trägheitsmasse lithografisch und dann physikalisch in einem 90-Grad-Winkel zu der dritten Trägheitsmasse, in einem 180-Grad-Winkel zu der zweiten Trägheitsmasse und in einem 270-Grad-Winkel zu der ersten Trägheitsmasse positioniert wird, wenn die freiliegende erste Oberfläche der Silizium-Massen unter Verwendung der positionierenden Träger als Winkelreferenz betrachtet wird. Auf diese Art und Weise wird ein monolithischer Mehrachsen-Beschleunigungssensor geformt, welcher keine präzise mechanische Ausrichtung von vielen diskreten Einzelachsen-Beschleunigungssensoren erfordert.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle ohne einen ersten und einen zweiten Deckplattenaufbau mit einer Trägheitsmasse darstellt, die durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist. -
1B illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle ohne einen ersten und einen zweiten Deckplattenaufbau mit einer Trägheitsmasse darstellt, die durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Ausleger- bzw. Kragtragelemente positioniert ist. -
2 illustriert eine perspektivische Ansicht, welche einen vereinfachten monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensor ohne einen ersten Deckplattenaufbau und mit vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen zeigt, wobei jede eine Trägheitsmasse aufweist, die in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist, wenn die Tragelemente in der Ebene der X- und Y-Achse betrachtet werden, und jede Trägheitsmasse durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist. -
3 zeigt eine Tabelle, welche die Bewegungsrichtungen jeder der in2 gezeigten beweglichen Trägheitsmassen hinsichtlich einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors längs der drei orthogonalen Beschleunigungsachsen angibt. -
4A und4B illustrieren zwei perspektivische Ansichten, die einen vereinfachten monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensor ohne einen ersten Deckplattenaufbau und mit drei Silizium-Beschleunigungssensorzellen darstellen, wobei jede eine Trägheitsmasse aufweist, die in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist, wenn die Tragelemente in der Ebene der X- und Y-Achse betrachtet werden, und jede Trägheitsmasse durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist. -
5 illustriert eine perspektivische Ansicht, welche einen vereinfachten monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensor mit zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen darstellt, wobei jede eine Trägheitsmasse aufweist, die in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist, wenn die Tragelemente in der Ebene der X- und Y-Achse betrachtet werden, und jede Trägheitsmasse durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist. -
6 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle. -
7 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensor mit einer nichtleitenden Einzelzelle mit piezoresistiven Elementen an Auslegertragelementen darstellt. -
8 stellt eine alternative Ausführung eines Deckplattenaufbaus dar. -
9 illustriert eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines elektrisch leitfähigen Silizium-Wafers. -
10A illustriert eine perspektivische Ansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit Siliziumnitridpunkten und einem ersten Siliziumdioxidlayer auf einer Oberfläche. -
10B illustriert eine Schnittansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit Siliziumnitridpunkten und einem ersten Siliziumdioxidlayer auf einer Oberfläche. -
11A illustriert eine perspektivische Ansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit einem zweiten Siliziumdioxidlayer, der mit Silizium-Mesas auf einer Oberfläche durchsetzt ist. -
11B illustriert eine Schnittansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit einem zweiten Siliziumdioxidlayer, der mit Silizium-Mesas auf einer Oberfläche durchsetzt ist. -
12A illustriert eine perspektivische Ansicht des in9 gezeigten Wafer-Abschnitts mit einem ersten Silizium-Wafer-Abschnitt, der an den Siliziumdioxidlayer gebondet und abgeschliffen ist. -
12B illustriert eine Schnittansicht des in9A gezeigten Wafer-Abschnitts mit einem ersten Silizium-Wafer-Abschnitt, der an den Siliziumdioxidlayer gebondet und abgeschliffen ist. -
13A illustriert eine perspektivische Ansicht eines Layers aus Siliziumdioxid, der auf einem Silizium-Wafer-Abschnitt herangezogen ist. -
13B illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht eines Layers aus Siliziumdioxid im Sandwichaufbau zwischen Silizium-Wafer-Abschnitten, die durch ein alternatives Herstellungsverfahren geformt sind. -
13C illustriert eine perspektivische Ansicht eines Layers aus Siliziumdioxid im Sandwichaufbau zwischen Silizium-Wafer-Abschnitten zum Bilden eines alternativen Herstellungsverfahrens. -
14A illustriert eine perspektivische Ansicht des in12A gezeigten Sandwichaufbaus mit Layern mit Vertiefungen, die in die ersten und zweiten Oberflächen eingeformt sind. -
14B illustriert eine Schnittansicht des in12B gezeigten Sandwichaufbaus mit Layern mit Vertiefungen, die in die ersten und zweiten Oberflächen eingeformt sind. -
15A illustriert eine perspektivische Ansicht des geformten zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse. -
15B illustriert eine Schnittansicht des geformten zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse. -
16A illustriert eine perspektivische Ansicht der geformten ersten und zweiten Abschnitte der Trägheitsmasse. -
16B illustriert eine Schnittansicht der geformten ersten und zweiten Abschnitte der Trägheitsmasse. -
17A illustriert eine perspektivische Ansicht der geformten Trägheitsmasse, die durch die Tragelemente, welche an dem Siliziumtragaufbau befestigt sind, positioniert ist. -
17B illustriert eine Schnittansicht der geformten Trägheitsmasse, die durch die Tragelemente, welche an dem Siliziumtragaufbau befestigt sind, positioniert ist. -
18 illustriert eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus, der zur Darstellung der Bildung von Auslegertragelementen benutzt wird. -
19 illustriert die Anbringung von Deckplattenaufbauten an dem Siliziumtragaufbau. -
20A illustriert eine perspektivische Ansicht eines zum Teil geformten Deckplattenaufbaus, welcher einen Wafer-Abschnitt mit einem Siliziumdioxidlayer zeigt. -
20B illustriert perspektivische Ansicht eines zum Teil geformten Deckplattenaufbaus, welcher einen Wafer-Abschnitt mit Graben mit einer Silizium-Mesa zeigt. -
21 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht der bevorzugten Ausführung eines Deckplattenaufbaus. -
22 illustriert eine Schnittansicht eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Einzelsensorzelle, die an eine Kapazitätmessschaltung angeschlossen ist. - Ausführliche Beschreibung der Erfindung
- Es wird nun Bezug auf
1A genommen, in welcher ein Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors100 mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle mit einer elektrisch leitenden beweglichen Silizium-Trägheitsmasse300 , die durch Torsionstragelemente400 , welche an einem elektrisch leitfähigen Siliziumtragaufbau200 befestigt sind, positioniert ist, eine X-Achse510 , eine Y-Achse520 und eine Z-Achse530 dargestellt sind. In ähnlicher Weise zeigt1B einen Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors100 mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle mit einer elektrisch leitenden beweglichen Silizium-Trägheitsmasse300 , die durch an dem elektrisch leitfähigen Siliziumtragaufbau200 befestigte Ausleger- bzw. Kragtragelemente410 positioniert sind, die X-Achse510 , die Y-Achse520 und die Z-Achse530 . Da die vorliegende Erfindung die in1A gezeigten Torsionstragelemente400 verwendet, um die bewegliche Silizium-Trägheitsmasse300 zu positionieren, wird1A als eine Referenz zum Zwecke der Beschreibung des Betriebs der vorliegenden Erfindung benutzt, aber es ist zu verstehen, dass die Diskussion in gleicher Weise ebenfalls auf die Auslegertragelementekonfiguration von1B , welche keine Ausführung der Erfindung ist, anwendbar ist. Es wird nun eine Beschleunigung relativ zu der Z-Achse530 betrachtet. Wenn der Silizium-Beschleunigungssensor100 in die +Z-Richtung längs der Z-Achse530 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse300 in die –Z-Richtung längs der Z-Achse530 relativ zu dem Siliziumtragaufbau200 , wobei sie um die Achse, welche von Torsionstragelementen400 gebildet ist, verschwenkt. Wenn in umgekehrter Weise der Silizium-Beschleunigungssensor100 in die –Z-Richtung längs der Z-Achse530 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse300 in die +Z-Richtung längs der Z-Achse530 relativ zu dem Siliziumtragaufbau200 , wobei sie um die von Torsionstragelementen400 gebildete Achse verschwenkt. Es wird nun eine Beschleunigung relativ zu der X-Achse510 betrachtet. Wenn der Silizium-Beschleunigungssensor100 in die +X-Richtung längs der X-Achse510 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse300 in die –X-Richtung längs der X-Achse510 relativ zu dem Siliziumtragaufbau200 , wobei sie um die Achse, welche von Torsionstragelementen400 gebildet ist, verschwenkt. Wenn in umgekehrter Weise der Silizium-Beschleunigungssensor100 in die –X-Richtung längs der X-Achse510 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse300 in die +X-Richtung längs der X-Achse510 relativ zu dem Siliziumtragaufbau200 , wobei sie um die von Torsionstragelementen400 gebildete Achse verschwenkt. Es wird eine Beschleunigung relativ zu der Y-Achse520 betrachtet. Wenn der Silizium-Beschleunigungssensor100 entweder in die +Y- oder –Y-Richtung längs der Y-Achse520 beschleunigt wird, ist die Trägheitsmasse300 an einer Verschwenkung um die Achse, welche von den Torsionstragelementen400 gebildet ist, gehindert, da die Kraft der Trägheitsmasse auf Grund der Beschleunigung nicht radial um, sondern in Ausrichtung mit der Achse verläuft, welche von den Torsionstragelementen400 gebildet ist. Somit ist die Konfiguration des Silizium-Beschleunigungssensors nach1A dazu geeignet, eine Beschleunigung längs zweier orthogonaler Beschleunigungsachsen abzutasten, längs der Z-Achse530 und längs der X-Achse510 , aber sie kann nicht zwischen diesen beiden Beschleunigungsachsen unterscheiden. - Es wird nun Bezug auf
2 genommen, in welcher ein Teil eines vereinfachten monolithischen Mehrfachachsen-Silizium-Beschleunigungssensors140 mit vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen gezeigt ist, von denen jede eine bewegliche Silizium- Trägheitsmasse310 ,320 ,330 ,340 aufweist. Ein erster Deckplattenaufbau ist in2 nicht dargestellt, um die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente sichtbar zu machen. Jede der vier Trägheitsmassen ist ähnlich der in1A gezeigten beweglichen Silizium-Trägheitsmasse300 ausgebildet, wobei sie durch Torsionstragelemente400 positioniert sind, die an einem Siliziumtragaufbau240 angebracht sind. Jedoch ist nur Trägheitsmasse300 in gleicher Weise wie Trägheitsmasse300 , die in1A gezeigt ist, in Bezug auf die Orientierung der Schwenkachse orientiert, welche von den Torsionstragelementen400 in Bezug auf die X-Achse510 und die Y-Achse520 gebildet ist. Folglich antwortet bzw. reagiert Trägheitsmasse310 nur auf eine Beschleunigung längs der X-Achse510 und der Z-Achse530 durch Verschwenkung um die von den Tragelementen400 gebildete Achse in ähnlicher Weise wie die Trägheitsmasse300 von1A . Die Bewegungsrichtung von Trägheitsmasse310 , welche aus der Beschleunigungsrichtung längs der drei orthogonalen Beschleunigungsachsen resultiert, ist in der Spalte unter der Überschrift _310_ in der Tabelle von3 dargestellt. Unter Gebrauch einer ähnlichen Analyse wie derjenigen, welche zur Festlegung einer Bewegung der Trägheitsmasse in1A als Reaktion auf eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors benutzt wird, kann die Bewegung von Trägheitsmassen320 ,330 ,340 schnell bestimmt werden. Die Bewegungsrichtung der vier Trägheitsmassen310 ,320 ,330 ,340 des in2 gezeigten Beschleunigungssensors140 als Antwort bzw. Reaktion auf eine Beschleunigung längs der X-Achse510 , der Y-Achse520 und der Z-Achse530 ist in der Tabelle von3 angegeben. - Unter Betrachtung der Tabelle von
3 resultiert eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors140 aus2 in der +X-Richtung in der eindeutigen Bewegungskombination von Trägheitsmasse310 aus2 in der –Z-Richtung, von Trägheitsmasse330 aus2 in der +Z-Richtung und keiner Bewegung von Trägheitsmassen320 ,340 aus2 . In umgekehrter Weise resultiert eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors140 aus2 in der –X-Richtung in der eindeutigen Bewegungskombination von Trägheitsmasse310 aus2 in der +Z-Richtung, von Trägheitsmasse330 aus2 in der –Z-Richtung und keiner Bewegung von Trägheitsmassen320 ,340 aus2 . Bei ähnlicher Betrachtung einer Trägheitsmassenbewegung als Reaktion auf eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors140 aus2 in der +Y-, –Y, +Z und –Z-Richtung ist aus den in3 dargestellten Resultaten zu ersehen, dass es eine eindeutige Kombination von Bewegungen der vier Trägheitsmassen für jede Kombination von simultaner Beschleunigungsgröße und -richtung längs einer, zweier oder aller drei orthogonaler Beschleunigungsachsen gibt. Somit ist der in2 gezeigte Beschleunigungssensor dazu geeignet, gleichzeitig Beschleunigungsgröße und -richtung längs dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen einer Beschleunigung einschließlich der Komponenten zu erfassen, die aus einer außerhalb der Achsen liegenden Beschleunigung resultieren. Es ist anzumerken, dass, während2 eine Konfiguration von vier symmetrisch angeordneten Trägheitsmassen zeigt, die gemäß3 reagieren, es gezeigt werden kann, dass nur drei Trägheitsmassen zur simultanen Unterscheidung von Beschleunigungsrichtung und -größe längs einer, zweier oder dreier der orthogonalen Beschleunigungsachsen oder jeder Kombination von Beschleunigungskomponenten außerhalb der Achsen benötigt werden. -
4A zeigt eine mögliche Konfiguration eines vereinfachten monolithischen Mehrfachachsen-Silizium-Beschleunigungssensors120 mit drei Trägheitsmassen310 ,320 ,340 , welche durch an einem Siliziumtragaufbau220 befestigte Torsionstragelemente400 positioniert sind.4B zeigt eine weitere mögliche Konfiguration eines vereinfachten monolithischen Mehrfachachsen-Silizium-Beschleunigungssensors130 mit drei Trägheitsmassen310 ,320 ,340 , welche durch an einem Siliziumtragaufbau230 befestigte Torsionstragelemente400 positioniert sind. Der erste Deckplattenaufbau ist in4A und4B nicht dargestellt, damit die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente sichtbar ist. - Es kann auch gezeigt werden, dass nur zwei Trägheitsmassen zur simultanen Unterscheidung von Beschleunigungsrichtung und -größe längs einer oder zweier orthogonaler Beschleunigungsachsen wie auch von Komponenten, die außerhalb der Achsen liegen, erforderlich sind.
5 zeigt eine mögliche Konfiguration eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors110 mit zwei Trägheitsmassen320 ,340 , die durch Torsionstragelemente400 , welche an einem Siliziumtragaufbau210 befestigt sind, positioniert sind. Der erste Deckplattenaufbau ist in5 nicht dargestellt, um die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente erkennen zu lassen. - Es wird nun Bezug auf
6 genommen.6 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche eine Ansicht eines vollständigen Beschleunigungssensors darstellt, der in1 ohne den Deckaufbau gezeigt wurde.6 illustriert eine einzelne Sensorzelle, welche ein Element der vorliegenden Erfindung ist, indem eine perspektivische Teilschnittansicht eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors150 mit einer Silizium-Beschleunigungsensorzelle dargestellt ist. Die Sensorzelle weist eine elektrisch leitfähige, bewegliche Silizium-Trägheitsmasse300 mit einer ersten Oberfläche302 und einer gegenüber liegenden zweiten Oberfläche304 auf. Die Trägheitsmasse300 ist statisch durch elektrisch leitfähige Torsionstragelemente positioniert, die in6 nicht gezeigt sind, aber als Torsionstragelemente400 in1A dargestellt sind. Die Torsionstragelemente sind an dem elektrisch leitenden Siliziumtragaufbau200 befestigt, wobei der Siliziumtragaufbau200 eine erste Oberfläche202 und ein gegenüber liegende zweite Oberfläche204 aufweist. Ein erster Deckplattenaufbau600 weist einen ersten metallischen Layer640 auf, der von der ersten Oberfläche302 der Trägheitsmasse300 beabstandet ist, wobei der erste metallische Layer640 auf einem an der ersten Oberfläche202 des Siliziumtragaufbaus200 befestigten ersten Isolator610 , vorzugsweise Glas, aufgeformt ist. Der erste metallische Layer640 und die erste Oberfläche302 der Trägheitsmasse300 bilden einen ersten veränderlichen Kondensator eines Wertes, der von der Position der Trägheitsmasse300 abhängig ist. Ein zweiter Deckplattenaufbau700 weist einen zweiten metallischen Layer740 auf, der von der zweiten Oberfläche304 der Trägheitsmasse300 beabstandet ist, wobei der zweite metallische Layer740 auf einem an der zweiten Oberfläche204 des Siliziumtragaufbaus200 befestigten zweiten Isolator710 , vorzugsweise Glas, aufgeformt ist. Der zweite metallische Layer740 und die zweite Oberfläche304 der Trägheitsmasse300 bilden einen zweiten veränderlichen Kondensator eines Wertes, der von der Position der Trägheitsmasse300 abhängig ist. Die Größe der Beschleunigung, welche eine Bewegung in der Trägheitsmasse300 bewirkt, wird durch Messung der Größe der Differenz zwischen dem Wert des ersten veränderlichen Kondensators und dem Wert des zweiten veränderlichen Kondensators angegeben bzw. nachgewiesen. Die bevorzugte Einrichtung zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmasse300 mit einem Schaltkreis zur Kapazitätsmessung besteht in einem Anschluss eines elektrischen Leitungsdrahts880 an ein elektrisches Bonding-Pad870 , das auf einer äußeren Oberfläche des elektrisch leitenden Siliziumtragaufbaus gebildet ist, welcher durch die elektrisch lei tenden Tragelemente mit der elektrisch leitenden Trägheitsmasse300 verbunden ist. Die bevorzugte Einrichtung zur elektrischen Verbindung des ersten metallischen Layers640 des ersten Deckplattenaufbaus600 mit einer Schaltung zur Kapazitätsmessung besteht in einem dritten elektrisch leitfähigen Silizium-Wafer-Abschnitt620 mit einer zweiten Oberfläche624 , die auf dem ersten Isolator610 aufgebracht ist und eine erste leitfähige Silizium-Mesa (Tafeloberfläche)630 durch den ersten Isolator610 in elektrischem Kontakt mit dem ersten metallischen Layer640 aufweist. Der elektrische Leitungsdraht880 , welcher mit der Schaltung zur Kapazitätsmessung verbunden ist, ist auch an dem elektrischen Bonding-Pad870 an der zweiten Oberfläche624 des dritten Silizium-Wafer-Abschnitts620 angeschlossen, wobei somit die elektrische Verbindung mit dem ersten metallischen Layer640 vervollständigt ist. In ähnlicher Art und Weise besteht die bevorzugte Einrichtung zur elektrischen Verbindung des zweiten metallischen Layers740 des zweiten Deckplattenaufbaus700 mit einer Schaltung zur Kapazitätsmessung in einem vierten elektrisch leitfähigen Silizium-Wafer-Abschnitt720 mit einer zweiten Oberfläche724 , die auf dem zweiten Isolator710 aufgebracht ist und eine zweite leitfähige Silizium-Mesa730 durch den zweiten Isolator710 in elektrischem Kontakt mit dem zweiten metallischen Layer740 aufweist. Der mit der Schaltung zur Kapazitätsmessung verbundene elektrische Leitungsdraht880 ist auch an dem elektrischen Bonding-Pad870 an der zweiten Oberfläche724 des vierten Silizium-Wafer-Abschnitts720 angeschlossen, wobei somit die elektrische Verbindung mit dem zweiten metallischen Layer740 vervollständigt ist. In dieser bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Gestalt der Silizium-Trägheitsmasse300 ein rechtwinkliges Parallelepiped, wobei die erste Oberfläche302 der Trägheitsmasse300 von der ersten Oberfläche202 des Siliziumtragaufbaus200 leicht tiefer liegend ausgebildet ist, um einen dielektrischen Abstand für den ersten veränderlichen Kondensator zu schaffen, und die zweite Oberfläche304 der Trägheitsmasse300 von der zweiten Oberfläche204 des Siliziumtragaufbaus200 leicht tiefer liegend ausgebildet ist, um einen dielektrischen Abstand für den zweiten veränderlichen Kondensator zu schaffen. - Weitere Beispiel, welche keine Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind, schließen die Verwendung von Ausleger- bzw. Kragtragelementen
410 , die in1B gezeigt sind, zur Positionierung der in6 dargestellten Trägheitsmasse300 mit ein. Weitere Beispiele betreffen das Formen von piezoresistiven Elementen auf den in1A gezeigten Torsionstragelementen400 oder auf den in1B gezeigten Auslegertragelementen410 .7 stellt eine vereinfachte Einzelsensorzelle eines Silizium-Beschleunigungssensors100 dar, welche eine Silizium-Trägheitsmasse300 illustriert, die durch Silizium-Auslegertragelemente410 , die an einem Siliziumtragaufbau200 angebracht sind, positioniert ist. Piezoresistive Elemente420 sind an die Tragelemente410 gebondet und in Reihe elektrisch mit elektrischen Bonding-Pads870 über metallisierte Zwischenverbindungen890 verbunden. Bond-Drähte880 verbinden diese piezoresistiven Elemente mit einer Schaltung zur Widerstandsmessung um die Höhe eine Durchbiegung in den Tragelementen410 festzulegen, wobei ein Maß der Bewegung der Trägheitsmasse300 gegeben ist, was ebenfalls ein Maß der Größe der Beschleunigung ist, welche die Trägheitsmasse300 erfährt. - Eine alternative Ausführung einer elektrischen Verbindung des ersten metallischen Layers
640 aus6 mit einer Schaltung zur Kapazitätsmessung ist in8 illustriert, welche einen alternativen Deckplattenaufbau650 zeigt. Der alternative Deckplattenaufbau650 weist einen alternativen Isolator660 mit einer ersten Oberfläche662 und einer gegenüber liegenden zweiten Oberfläche664 auf. Ein elektrisches Bonding-Pad870 ist auf der ersten Oberfläche662 angeordnet, und ein alternativer metallischer Layer668 ist auf der zweiten Oberfläche664 des Isolators660 angeordnet. Ein metallisiertes Loch666 ist in dem Isolator660 platziert, welches den metallischen Layer668 mit dem Bonding-Pad870 verbindet, und ein an den Bonding-Pad870 gebondeter elektrischer Leitungsdraht880 ist an eine Schaltung zur Kapazitätsmessung angeschlossen. Zwei dieser alternativen Aufbauten bilden einen ersten Deckplattenaufbau600 und einen zweiten Deckplattenaufbau700 , welche in6 dargestellt sind. Obwohl die Zeichnungen die Trägheitsmasse in der Gestalt eines Würfels zeigen, kann sie als ein rechtwinkliges Parallelepiped ausgebildet sein, um die Sensorempfindlichkeit durch Erhöhung der Größe der Trägheitsmasse zu vergrößern. - Typische Abmessungen für einige Komponenten von
2 können wie folgt sein: jede würfelförmige Trägheitsmasse310 ,320 ,330 ,340 besitzt Seiten zwischen ungefähr 300 μm bis ungefähr 400 μm; die Tragelemente400 weisen eine Stärke von zwischen ungefähr 5 Mikron bis ungefähr 10 μm auf; der Abstand zwischen den Trägheitsmassen310 ,320 ,330 ,340 und dem Tragaufbau240 , bekannt als Kanalbreite, be trägt ungefähr 20 μm. Ein typischer Silizium-Beschleunigungssensor110 mit vier Trägheitsmassen310 ,320 ,330 ,340 weist Seiten von ungefähr 1200 μm auf. Die gegebenen typischen Abmessungen sind nur als veranschaulichend für eine typische Ausführung gedacht und sollen nicht als Begrenzungen für irgendwelche physikalischen Parameter der Vorrichtungen ausgelegt werden. - Typische Abmessungen für einige Komponenten von
6 können wie folgt sein: die Stärke des ersten Isolators610 beträgt ungefähr 75 μm und die Stärke des zweiten Isolators710 beträgt ungefähr 75 μm. Der Abstand zwischen der erste Oberfläche302 der Trägheitsmasse300 und dem ersten Deckplattenaufbau600 beträgt ungefähr 1 μm. Der Abstand zwischen der zweiten Oberfläche304 der Trägheitsmasse300 und dem zweiten Deckplattenaufbau beträgt ungefähr 1 μm. Die Stärke des ersten metallischen Layers640 beträgt ungefähr mehrere hundert pm, und die Stärke des zweiten metallischen Layers beträgt ungefähr mehrere hundert pm. - Wie oben diskutiert sind die in
2 ,4A ,4B und5 gezeigten Konfigurationen monolithische Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtungen mit entweder vier, drei oder zwei Beschleunigungssensorzellen, wobei der erste Deckplattenaufbau entfernt ist, um die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente ersichtlich zu machen. Die Überlagerung des in6 gezeigten Aufbaus über den Aufbau der in2 ,4A ,4B und5 gezeigten Vorrichtungen illustriert den vollständigen Aufbau dieser monolithischen Vorrichtungen. - Es wird nun das Verfahren zum Herstellen des monolithischen Silizium-Beschleunigungssensor betrachtet, wobei eine Technologie zur Mikro-Materialbearbeitung von Silizium bei der Herstellung der in
6 dargestellten beispielhaften Sensorvorrichtung sowie der in2 ,4A ,4B und5 gezeigten Mehrfach-Sensorzellenvorrichtungen verwendet wird. Eine Vervielfachung dieser Vorrichtungen erfolgt normalerweise durch Stapel- bzw. Batch-Fabrikation unter Verwendung von Silizium-Wafern. Das Verfahren zum Herstellen des monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors kann in die folgenden Verfahrensschritte unterteilt werden: (1) Formen eines Sandwichaufbaus mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen zwei Layern aus elektrisch leitendem Silizium; (2) Herstellen von beweglichen Silizium-Trägheitsmassen, Tragelementen und Siliziumtragaufbauten; (3) Herstellen erster Deckplattenaufbauten und zweiter Deckplattenaufbauten und Bonden der ersten und zweiten Deckplattenaufbauten an die Siliziumtragaufbauten; und (4) würfelartiges Aufteilen des sich ergebenden Aufbaus in eine, zwei, drei oder vier Sensorzellenvorrichtungen, Bonden elektrischer Leitungsdrähte und Einkapseln der Vorrichtungen. Da Verfahrensschritt (4) Verfahren benutzt, die konventionell und im Stand der Technik wohlbekannt sind, wird es nicht notwendig sein, eine detaillierte Beschreibung dieser Vorgänge anzugeben. Während die folgende Beschreibung das Verfahren zum Herstellen einer monolithischen Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtung mit einer einzelnen Sensorzelle beschreibt, ist es für den Fachmann verständlich, dass nicht nur eine Vielzahl von Einzelsensorzellen gleichzeitig in Batch-Weise herstellbar ist, sondern eine Vielzahl von Mehrfach-Sensorzellenvorrichtungen zur Verwendung zur Abtastung von Beschleunigung längs verschiedener Achsen kann ebenfalls gleichzeitig als Batch-Fabrikation erfolgen. Der Hauptunterschied zwischen den Mehrfach-Sensorzellen innerhalb einer einzelnen Vorrichtung besteht in der Winkelorientierung in Bezug auf jede andere Sensorzelle und die elektrische Anschlusskonfiguration. Deshalb ist die folgende Beschreibung auf die Herstellung einer einzelnen Sensorzellenvorrichtung konzentriert, da, sobald dieses verstanden wurde, es leichter zu verstehen ist, wie eine Vielzahl von Mehrfach-Sensorzellenvorrichtungen gleichzeitig produziert werden kann. Es ist zu beachten, dass die Abmessungen in der Beschreibung typisch für die bevorzugte Ausführung der Erfindung und zum Zwecke der Veranschaulichung sind. Die aktuellen Vorrichtungsabmessungen werden in Abhängigkeit von den gewünschten Vorrichtungsparametern variieren. - Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung beginnt mit dem ersten Verfahrensschritt Formen eines Sandwichaufbaus mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen einem ersten Layer aus elektrisch leitendem Silizium mit einer freiliegenden ersten Oberfläche und einem zweiten Layer aus elektrisch leitendem Silizium mit einer freiliegenden zweiten Oberfläche, wobei der erste Layer aus Silizium und der zweite Layer aus Silizium in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Es wird
9 betrachtet, welche einen Abschnitt250 eines zweiten elektrisch leitenden Silizium-Wafers292 zeigt, der typischerweise 400 Mikron dick ist. Es ist zu beachten, dass es auch einen ähnlichen ersten Silizium-Wafer-Abschnitt, dritten – Wafer-Abschnitt und vierten – Wafer-Abschnitt gibt, die in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten betrachtet werden. Der in10A dargestellte zweite Wafer-Abschnitt250 ist ebenfalls 400 Mikron dick und weist eine erste Oberfläche256 und eine zweite Oberfläche258 auf, welche typischerweise 600 Quadratmikron betragen. Das bevorzugte Verfahren zum Herstellen des Sandwichaufbaus mit Layern besteht darin, Dots bzw. Punkte aus Siliziumnitrid252 auf der ersten Oberfläche256 des zweiten Wafer-Abschnitts250 an Stellen aufzubauen, welche keine Ätzvorgänge stören, die in späteren Herstellungsschritten ausgeführt werden. Die erste Oberfläche256 des zweiten Wafer-Abschnitts250 wird dann thermisch oxidiert, was bewirkt, dass ein selektiver erster Siliziumdioxidlayer254 an Stellen heranwächst, die nicht von Dots aus Siliziumnitrid252 bedeckt sind.10B zeigt einen Querschnitt des zweiten Wafer-Abschnitts250 von10A mit Silizium-Mesas262 (Tafeloberflächen), die sich aus dem Oxidationsprozess ergeben. Der erste Siliziumdioxidlayer254 wird dann von der ersten Oberfläche256 des zweiten Wafer-Abschnitts250 gestrippt, wobei eine in die erste Oberfläche256 des zweiten Wafer-Abschnitts250 eingeformte Vertiefung relativ zu der Übergangsstelle zwischen dem Silizium und den Dots aus Siliziumnitrid252 zurückgelassen wird.11A und11B stellen den zweiten Wafer-Abschnitt250 dar, nachdem ein zweiter Siliziumdioxidlayer260 in der eingeformten Vertiefung in dem zweiten Wafer-Abschnitt250 thermisch aufgezogen worden ist und sich zu einer Höhe erstreckt, die zu der Übergangsstelle zwischen dem Silizium und den Dots aus Siliziumnitrid252 von10B korrespondiert, und die Siliziumnitriddots252 gestrippt worden sind. So wird eine planare Oberfläche nahe der ersten Oberfläche256 des zweiten Wafer-Abschnitts250 geschaffen, welche den zweiten Siliziumdioxidlayer260 durchsetzt mit Silizium-Mesas262 wie in11A und11B gezeigt aufweist.12A und12B illustrieren einen ersten Wafer-Abschnitt270 eines zweiten elektrisch leitenden Silizium-Wafers mit einer ersten Oberfläche276 und einer zweiten Oberfläche278 , welche typischerweise 600 Quadratmikron betragen. Dieser erste Wafer-Abschnitt270 ist an die geformte planare Oberfläche des zweiten Wafer-Abschnitts250 so gebondet, dass die zweite Oberfläche278 des ersten Wafer-Abschnitts270 in Kontakt mit der geformten planaren Oberfläche steht. Der erste Wafer-Abschnitt270 wird dann auf einen Wert abgeschliffen, der typischerweise zwischen 5 und 10 Mikron beträgt. Der Wert wird die Dicke bzw. Stärke der Tragelemente festlegen, die einem späteren Herstellungsschritt gebildet werden. Dies resultiert in einem Sandwichaufbau mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen einem ersten Silizium-Wafer-Abschnitt270 und einem zweiten Silizium-Wafer-Abschnitt250 mit einer typischen Dicke von ungefähr 400 Mikron, wobei der erste Wafer-Abschnitt270 und der zweite Wafer-Abschnitt250 elektrisch untereinander durch den Siliziumdioxidlayer hindurch über die Silizium-Mesas262 verbunden sind. - Zusätzlich zu der oben beschriebenen bevorzugten Ausführung gibt es verschiedene alternative Ausführungen eines Formens eines Sandwichaufbaus mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen zwei Layern aus Silizium. Eine alternative Ausführung zur Herstellung eines Aufbaus ähnlich zu dem in
12A und12B gezeigten besteht darin, Ionen bis in eine Tiefe von typischerweise 5 bis 10 Mikron unter die Oberfläche des zweiten Siliziumdioxidlayers260 des zweiten Wafer-Abschnitts250 , der in11A und11B gezeigt ist, vor einem Bonden des ersten Silizium-Wafer-Abschnitts270 aus12A und12B an die planare Oberfläche des zweiten Siliziumdioxidlayers260 auf dem zweiten Wafer-Abschnitt250 , wie in12A und12B gezeigt ist, zu implantieren. Der erste Wafer-Abschnitt wird nicht abgeschliffen, aber der resultierende Aufbau wird thermisch geschockt. Der thermische Schock ist derart, dass der zweite Wafer-Abschnitt250 dazu veranlasst wird, sich längs der Verbindung der Ionenimplantation und dem verbleibenden Silizium des zweiten Wafer-Abschnitts250 zu spalten, woraus sich ein Aufbau ergibt, der zu dem in12A und12B gezeigten Aufbau invertiert ist, wobei der zweite Wafer-Abschnitt250 typischerweise zwischen 5 und 10 Mikron stark ist und der erste Wafer-Abschnitt270 typischerweise 400 Mikron stark ist. Eine weitere alternative Ausführung zum Herstellen eines Aufbaus ähnlich zu dem in12A und12B besteht darin, einen ersten Layer aus Siliziumdioxid254 auf dem zweiten Wafer-Abschnitt250 wie in13A gezeigt ist, heranzuzüchten und dann mehrere kleine Bereiche255 des zweiten Wafer-Abschnitts250 durch den Siliziumdioxidlayer254 hindurch freizulegen, wobei eine Pfütze (Puddle) aus geschmolzenem Silizium erzeugt wird, und wobei die Pfütze aus geschmolzenem Silizium auf die freiliegende Oberfläche des Siliziumdioxidlayers254 gezogen wird, wie in13B gezeigt ist. Ein erster Layer aus Silizium270 wird oben auf dem Siliziumdioxidlayer254 gebildet, wenn das geschmolzene Silizium wie in13B gezeigt abkühlt, wobei sich ein Aufbau ergibt, der ähnlich zu12A und12B ist. Eine weitere alternative Ausführung zum Herstellen eines Aufbaus ähnlich zu12A und12B besteht darin, einen ersten Layer aus Siliziumdioxid254 auf der ersten Oberfläche256 des zweiten Wafer-Abschnitts250 wie in13A gezeigt zu formen. Die zweite Oberfläche278 des ersten Wafer-Abschnitts270 wird an den ersten Siliziumdioxidlayer254 wie in13C gezeigt gebondet. Eine Vielzahl von kleinen Löchern wird entweder in dem ersten Wafer-Abschnitt270 oder in dem zweiten Wafer-Abschnitt250 freigelegt, welche sich zu dem Siliziumdioxidlayer254 erstrecken. Der freiliegende Siliziumdioxidlayer254 wird gestrippt und leitfähiges Polysilizium oder anderes leitfähiges Material wird in den kleinen Löchern abgeschieden. Dies resultiert in einer Bildung von elektrischen Verbindungen zwischen dem ersten Wafer-Abschnitt270 und dem zweiten Wafer-Abschnitt250 , wie in13B gezeigt ist. - Der zweite Verfahrensschritt der bevorzugten Ausführung ist ein Herstellen einer beweglichen Silizium-Trägheitsmasse
300 , von Tragelementen400 und eines Siliziumtragaufbaus200 , wie in1A dargestellt ist. Der Sandwichaufbau mit Layern des Siliziumdioxidlayers260 zwischen dem ersten Wafer-Abschnitt270 und dem zweiten Wafer-Abschnitt250 , die in12A und12B gezeigt sind, bildet den Startpunkt für diesen zweiten Verfahrensschritt. Um einen Bewegungsraum für eine in aufeinanderfolgenden Schritten zu formende Trägheitsmasse bereitzustellen, wird eine erste ein Mikron tiefe Vertiefung284 auf der ersten Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 und zweite ein Mikron tiefe Vertiefung264 auf der zweiten Oberfläche258 des zweiten Wafer-Abschnitts250 eingeformt, wie in14A und14B dargestellt ist. Es ist zu beachten, dass der zweite Siliziumdioxidlayer260 und die Silizium-Mesas262 , gezeigt in14B , in einem vorhergehenden Schritt des Herstellungsprozesses geformt worden sind. Die erste Vertiefung284 und zweite Vertiefung264 werden gebildet, indem ein erster Layer aus Siliziumnitrid auf der freiliegenden ersten Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 und ein zweiter Layer aus Siliziumnitrid auf der freiliegenden zweiten Oberfläche258 des zweiten Wafer-Abschnitts250 wie in14B gezeigt herangezüchtet bzw. aufgebaut werden. Der erste Layer aus Siliziumnitrid und der zweite Layer aus Siliziumnitrid werden maskiert, um für die erste rechtwinklige Vertiefung284 und die zweite rechtwinklige Vertiefung264 einen ersten und einen zweiten freigelegten rechtwinkligen Bereich zu schaffen. Der erste und der zweite rechtwinklige Bereich werden so positioniert, dass sie in horizontaler Ausrichtung zueinander liegen. Der freigelegte erste und zweite rechtwinklige Bereich werden dann von dem Siliziumdioxidlayer so freigestrippt, dass der erste und zweite rechtwinklige Bereich aus Silizium auf dem ersten Wafer-Abschnitt270 und dem zweiten Wafer-Abschnitt250 freiliegen. Layer aus Siliziumdioxid werden auf dem freiliegenden Silizium in dem ersten und zweiten rechtwinkligen Bereich herangezüchtet. Die Maskierung der Siliziumnitridlayer wird entfernt und das Siliziumnitrid und das Siliziumdioxid werden gestrippt, wobei eine 1 Mikron tiefe Vertiefung auf der ersten Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 und eine 1 Mikron tiefe Vertiefung auf der zweiten Oberfläche258 des zweiten Wafer-Abschnitts250 zurückgelassen werden, wo die Layer aus Siliziumdioxid herangezüchtet worden waren, wie in14A und14B dargestellt ist. - Ein zweiter Abschnitt
308 einer beweglichen Silizium-Trägheitsmasse wird in dem zweiten Wafer-Abschnitt250 von14B wie in15A und15B gezeigt geformt, indem ein rechtwinkliger rahmenförmiger Bereich mit einer Breite von typischerweise 20 Mikron innerhalb der Peripherie der zweiten Vertiefung264 von14B maskiert wird, wobei der rechtwinklige rahmenförmige Bereich eine große und eine kleine Abmessung besitzt. Ein Siliziumdioxidlayer wird über dem verbleibenden freiliegenden Bereich der zweiten Oberfläche258 des in14B gezeigten zweiten Wafer-Abschnitts250 herangezüchtet, und die rahmenförmige Maskierung wird entfernt, wobei ein rahmenförmiger Bereich aus Silizium innerhalb der zweiten Vertiefung264 auf der zweiten Oberfläche258 des zweiten Wafer-Abschnitts250 von14B freiliegt. Das freigelegte Silizium wird von der freiliegenden zweiten Oberfläche258 aus14B sich zu dem Siliziumdioxidlayer260 , der einen Ätz-Stop bildet, hin erstreckend geätzt, vorzugsweise mittels resistivem Ionenätzen (RIE = Resistive Ion Etching), wobei ein rahmenförmiger Kanal266 in dem zweiten Wafer-Abschnitt250 von14B erzeugt wird, woraus sich der Siliziumtragaufbau200 und der zweite Abschnitt308 der Trägheitsmasse ergibt, wie in15A und15B dargestellt ist. Innerhalb des Kanals266 befindet sich der zweite Abschnitt308 der Trägheitsmasse mit einer zweiten Oberfläche304 , die zuvor Teil der zweiten Oberfläche258 des zweiten Wafer-Abschnitts250 aus14B war. Außerhalb des Kanals266 befindet sich der Siliziumtragaufbau200 mit einer zweiten Oberfläche204 , welche zuvor Teil der zweiten Oberfläche258 des zweiten Wafer-Abschnitts250 aus14B war. Ein erster Abschnitt306 der beweglichen Silizium-Trägheitsmasse300 von1A und Tor sionstragelemente400 werden in dem ersten Wafer-Abschnitt270 aus14B wie in16A und16B gezeigt geformt, indem ein U-förmiger Bereich und ein stabförmiger Bereich, jeder mit einer Breite von typischerweise 20 Mikron, innerhalb der Peripherie der ersten Vertiefung284 maskiert werden. Der stabförmige Bereich besitzt eine lange Abmessung, welche mit der großen Abmessung bzw. Hauptabmessung des in15A und15B gezeigten rechtwinkligen rahmenförmigen Kanals266 fluchtet. Der U-förmige Bereich und der stabförmige Bereich werden so positioniert, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal266 aus15A , der zuvor in den zweiten Wafer-Abschnitt250 von14A eingeformt worden ist, liegen und gleiche planare Abmessungen wie dieser aufweisen. Diese Ausrichtung ermöglicht eine rechtwinklige Parallelepipedgestalt der zu formenden Trägheitsmasse nach dem anschließenden Ätzprozess des ersten Abschnitts306 Trägheitsmasse. Ein Siliziumdioxidlayer wird über dem verbleibenden freiliegenden Bereich der ersten Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 aus14A herangezüchtet, und die U-förmige und stabförmige Maskierung wird entfernt, wobei ein U-förmiger und ein stabförmiger Bereich von Silizium innerhalb der ersten Vertiefung284 auf der ersten Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 nach14A freigelegt werden. Das freigelegte Silizium wird von der freiliegenden ersten Oberfläche276 sich zu dem Siliziumdioxidlayer260 aus14A , der einen Ätz-Stop bildet, hin erstreckend geätzt, vorzugsweise mittels resistivem Ionenätzen (RIE = Resistive Ion Etching), wobei ein rahmenförmiger Kanal286 und ein stabförmiger Kanal288 in dem ersten Wafer-Abschnitt250 von14A erzeugt wird, wie in16A und16B dargestellt ist. Das interstitielle Silizium zwischen dem U-förmigen Kanal286 und dem stabförmigen Kanal288 bildet die Torsionstragelemente400 . Innerhalb des U-förmigen Kanals286 und des stabförmigen Kanals288 befindet sich der erste Abschnitt306 der Trägheitsmasse mit einer ersten Oberfläche302 , welche zuvor Teil der ersten Oberfläche276 des in14A gezeigten ersten Wafer-Abschnitts270 war. Außerhalb der Kanäle286 ,288 befindet sich der Siliziumtragaufbau200 mit einer ersten Oberfläche202 , welche zuvor Teil der ersten Oberfläche276 des in14A gezeigten ersten Wafer-Abschnitts270 war. Der sich ergebende Aufbau, der in16A und16B dargestellt ist, ist die Trägheitsmasse300 aus1A , welche durch Stege aus Siliziumdioxid und den Torsionstragelementen400 , die an dem Siliziumtragaufbau200 befestigt sind, in Position gehalten wird. Die in16B gezeigte Trägheitsmasse weist den ersten Abschnitt306 , welcher Teil des ersten Wafer-Abschnitts270 und des Siliziumdioxidlayers260 aus14B war, und den zweiten Abschnitt308 auf, welcher Teil des zweiten Wafer-Abschnitts250 aus14B war. Der in16B gezeigten Siliziumtragaufbau200 weist einen Teil des ersten Wafer-Abschnitts270 , des Siliziumdioxidlayers260 und des zweiten Wafer-Abschnitts250 nach14B auf. - Der gesamte Aufbau wird in dem geätzten rahmenförmigen Kanal
266 , in dem geätzten U-förmigen Kanal286 und in dem geätzten stabförmigen Kanal288 wie in16A und16B gezeigt von freiliegendem Siliziumdioxid gestrippt, wodurch eine als ein rechtwinkliges Parallelepiped geformte Trägheitsmasse300 mit einer ersten Oberfläche302 und einer zweiten Oberfläche304 erzeugt wird, welche durch Torsionstragelemente400 positioniert ist, die an einem Siliziumtragaufbau200 , der eine erste Oberfläche202 und eine zweite Oberfläche204 aufweist, befestigt sind, wie in17A und17B dargestellt ist. Der benutzte Stripper ist typischerweise Fluorwasserstoff. - Es gibt verschiedene Alternativen für die bevorzugte Ausführung zur Herstellung der beweglichen Silizium-Trägheitsmassen
300 , Tragelemente400 und Siliziumtragaufbauten200 , die in17A und17B gezeigt sind. Eine dieser Alternativen weist ein Einstellen der Dicke bzw. Stärke der Tragelemente400 durch Einstellen der Dicke des ersten Wafer-Abschnitts270 aus14A mit ein, was erreicht werden kann, indem entweder auf der freiliegenden ersten Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 Silizium epitaxial herangezüchtet wird oder die freiliegende erste Oberfläche276 des ersten Wafer-Abschnitts270 aus14A durch Ionenfräsen oder Schleifen bearbeitet wird. Weitere alternative Ausführung bestehen darin, die Breite der Tragelemente durch Einstellen der räumlichen Trennung zwischen dem U-förmigen Kanal286 und dem stabförmigen Kanal288 aus16A einzustellen, oder die Länge der Tragelemente durch Einstellen der Breite der geätzten Kanäle266 ,286 ,288 wie in16A und16B gezeigt einzustellen. Die bevorzugte Ausführung zur Bildung von Torsionstragelementen400 , wie in1A gezeigt ist, besteht darin, in Bezug auf16A und16B den stabförmigen Kanal288 über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals286 zu positionieren, wobei der stabförmige Kanal288 innerhalb der äußeren Abmessung des U-förmigen Kanals286 zentriert ist, wobei sich die Länge des stabförmigen Kanals288 ausdehnt, um der gesamten äußeren Breite der Oberseite des U-förmigen Kanals286 zu gleichen, und wobei ein räumliches Trennen der Enden des stabförmigen Kanals288 von der Oberseite des U-förmigen Kanals286 erfolgt. Ein Verfahren zum Formen von Ausleger- bzw. Kragtragelementen410 , wie in1B dargestellt ist, wird mit Bezugnahme auf18 beschrieben, wobei die Auslegertragelemente geformt werden, indem der stabförmige Kanal288 über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals286 positioniert wird, wobei der stabförmige Kanal288 innerhalb der Innenabmessung des U-förmigen Kanals286 zentriert wird, wobei sich die Länge des stabförmigen Kanals288 ausdehnt, um kleiner zu sein als die innere Breite der Oberseite des U-förmigen Kanals286 , und wobei ein räumliches Trennen der Enden des stabförmigen Kanals288 von der inneren Oberseite des U-förmigen Kanals286 erfolgt. - Eine Alternative zum elektrischen Verbinden des ersten Wafer-Abschnitts
270 und zweiten Wafer-Abschnitts250 besteht darin, ein leitfähiges Material, vorzugsweise Polysilizium, an den Seitenwänden des U-förmigen Kanals286 , des rahmenförmigen Kanals266 und des stabförmigen Kanals288 nach einem Strippen des innerhalb dieser Bereiche freigelegten Siliziumdioxidlayers260 abzulagern. - Eine alternative Vorrichtung zur Abtastung bzw. Erfassung einer Bewegung der Trägheitsmasse
300 durch Befestigung von piezoresistiven Elementen420 an den Tragelementen410 erfordert einen einfachen ersten Deckplattenaufbau600 und einen einfachen zweiten Deckplattenaufbau700 , wobei beide aus einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel Glas, zum Bonden an den Siliziumtragaufbau200 , wie in7 gezeigt ist, bestehen. Die piezoresistiven Elemente sind dann an eine geeignete Schaltung zur Widerstandsmessung angeschlossen, um die Größe einer Verdrehung oder Biegung der Tragelemente auf Grund einer Bewegung der Trägheitsmasse als Reaktion auf Beschleunigung festzulegen. - Der dritte Verfahrensschritt der bevorzugten Ausführung ist ein Herstellen des ersten Deckplattenaufbaus
600 und zweiten Deckplattenaufbaus700 und ein Bonden der Deckplattenaufbauten an den Siliziumtragaufbau200 , wie in19 dargestellt ist. Die bevorzugte Ausführung zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse besteht darin, zwei veränderliche Kapazitäten zu messen. Die erste veränderliche Kapazität besteht zwischen der ersten Oberfläche302 der Trägheitsmasse300 und einem ersten metallischen Layer640 , der an einem ersten Deckplattenaufbau600 befestigt ist, welcher von dem Siliziumtragaufbau200 isoliert und an diesem angebracht ist. Die zweite veränderliche Kapazität besteht zwischen der zweiten Oberfläche304 der Trägheitsmasse300 und einem zweiten metallischen Layer740 , der an einem zweiten Deckplattenaufbau700 befestigt ist, welcher von dem Siliziumtragaufbau200 isoliert und an diesem angebracht ist. Der erste Deckplattenaufbau600 ist ein Spiegelbild des zweiten Deckplattenaufbaus700 , wie in19 gezeigt ist, so wird zur Abkürzung nur die Herstellung des ersten Deckplattenaufbaus beschrieben. - Bezug nehmend auf
20A besteht die bevorzugte Ausführung zum Herstellen des ersten Deckplattenaufbaus600 darin, dass ein erster Layer aus Siliziumdioxid626 auf einer freiliegenden ersten Oberfläche622 eines elektrisch leitfähigen dritten Wafer-Abschnitts620 aufgebaut wird, wobei der dritte Wafer-Abschnitt620 eine zweite Oberfläche624 gegenüber der ersten Oberfläche622 aufweist. Der erste Layer aus Siliziumdioxid626 auf dem dritten Wafer-Abschnitt620 wird so maskiert, dass die Siliziumdioxidoberfläche bis auf ein kleine geformte Schablone freiliegt, welche positioniert wird, um mit der Lage der Trägheitsmasse wie in20A gezeigt übereinzustimmen. Der freiliegende Siliziumdioxidlayer626 wird gestrippt, um das Silizium der ersten Oberfläche622 des dritten Wafer-Abschnitts620 mit Ausnahme der maskierten geformten Schablone freizulegen. Die freigelegte Siliziumoberfläche wird bis auf eine Tiefe von typischerweise 75 Mikron dergestalt geätzt, dass eine kleine Silizium-Mesa630 (Tafeloberfläche) auf der ersten Oberfläche622 des dritten Wafer-Abschnitts620 wie in20B dargestellt geformt wird. Dann werden Gräben in einem rechtwinkligen kreuzschraffierten Muster auf der ersten Oberfläche622 des dritten Wafer-Abschnitts620 bis auf eine Tiefe von typischerweise der halben Dicke des dritten Wafer-Abschnitts620 oder von ungefähr 200 Mikron eingeformt. Die rechtwinklige Kreuzschraffierung enthält eine Silizium-Mesa und ist so positioniert, dass sie mit der Position der Trägheitsmasse wie in20B gezeigt übereinstimmt. -
21 ist eine perspektivische Teilschnittansicht des ersten Deckplattenaufbaus600 , welche den dritten Wafer-Abschnitt620 mit Gräben darstellt, nachdem ein Layer aus Glas über der ersten Oberfläche622 des dritten Wafer-Abschnitts620 so geschmolzen ist, dass die Gräben mit Glas gefüllt sind und die Silizium-Mesa630 mit Glas bedeckt ist. Die Glasoberfläche wird flachgeschliffen, wobei eine planare Glasoberfläche612 geformt wird, wobei die Oberseite der Mesa630 freiliegt, und die zweite Oberfläche624 des dritten Wafer-Abschnitts so zurückgeschliffen, dass die mit Glas gefüllten Gräben wie in21 gezeigt freiliegen. Ein erster metallischer rechtwinkliger Musterlayer640 wird auf der planaren Glasoberfläche612 des ersten Deckplattenaufbaus so geformt, dass der metallische Layer640 mit dem gegenüber liegenden elektrisch leitenden dritten Wafer-Abschnitt620 und seiner zweiten Oberfläche624 durch die elektrisch leitende Silizium-Mesa630 elektrisch verbunden ist. Der erste metallische Layer640 wird so positioniert und mit Abmessungen versehen, dass er mit der ersten Oberfläche302 der in19 dargestellten Trägheitsmasse300 übereinstimmt. - Die Glasoberfläche
612 des ersten Deckplattenaufbaus600 , der in21 gezeigt ist, wird auf die erste Oberfläche202 des in19 gezeigten Siliziumtragaufbaus200 so gebondet, dass der erste metallische Layer640 mit der ersten Oberfläche302 der Trägheitsmasse300 übereinstimmt und von ihr beabstandet ist, dergestalt, dass zwischen der ersten Oberfläche302 und dem ersten metallischen Layer640 wie in19 gezeigt ein erster veränderlicher Kondensator gebildet wird. In ähnlicher Weise wird der zweite Deckplattenaufbau700 auf die zweite Oberfläche204 des Siliziumtragaufbaus200 so gebondet, dass zwischen der zweiten Oberfläche304 der Trägheitsmasse und dem zweiten metallischen Layer740 wie in19 gezeigt ein zweiter veränderlicher Kondensator gebildet wird. Elektrische Bonding-Pads870 werden auf der zweiten Oberfläche624 des dritten Wafer-Abschnitts620 , auf der Oberfläche des Siliziumtragaufbaus200 und auf der zweiten Oberfläche724 des vierten Wafer-Abschnitts720 wie in6 gezeigt gebildet. Elektrische Leitungsdrähte880 verbinden den ersten Deckplattenaufbau600 , den Siliziumtragaufbau200 und den zweiten Deckplattenaufbau700 , wie in6 gezeigt ist, mit einer elektronischen Schaltung zur Messung des Werts des ersten veränderlichen Kondensators und des Werts des zweiten veränderlichen Kondensators, wobei eine Messung der Bewegung der Trägheitsmasse300 geschaffen wird, welche eine Angabe der Beschleunigungsgröße und Beschleunigungs richtung ist, die auf den Sensor einwirken.22 zeigt einen Querschnitt eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer einzelnen Sensorzelle, die an eine elektronische Schaltung zur Kapazitätsmessung angeschlossen ist. - Eine weitere Ausführung zum Herstellen eines abwechselnden ersten Deckplattenaufbaus
650 besteht darin, ein kleines Loch666 in einen Abschnitt eines elektrisch isolierenden Materials bzw. Isolationsmaterials660 mit einer ersten Oberfläche662 und einer zweiten Oberfläche664 wie in8 gezeigt so einzuformen, dass das Loch mit der Lage einer Trägheitsmasse übereinstimmt. Die Oberfläche des Lochs66 wird metallisiert, wie auch ein erster rechtwinkliger metallischer Layer668 auf der zweiten Oberfläche664 des isolierenden Materials660 , dergestalt, dass der rechtwinklige metallische Layer668 auf der zweiten Oberfläche664 mit der ersten Oberfläche durch das metallisierte Loch elektrisch verbunden und positioniert und größenmäßig so abgestimmt ist, dass er mit einer ersten Oberfläche einer Trägheitsmasse übereinstimmt. Ein elektrisches Bonding-Pad870 wird auf der ersten Oberfläche662 des isolierenden Materials660 in elektrischem Kontakt mit dem metallisierten Loch666 geformt. Die zweite Oberfläche664 des isolierenden Materials660 wird auf die erste Oberfläche des Siliziumtragaufbaus so gebondet, dass der metallisierte Layer668 mit der ersten Oberfläche der Trägheitsmasse übereinstimmt und von dieser beabstandet ist, wodurch ein erster veränderlicher Kondensator gebildet wird. Ein zweiter Deckplattenaufbau wird in ähnlicher Art und Weise geformt und auf die zweite Oberfläche des Siliziumtragaufbaus gebondet. - Es wurde oben angemerkt, dass monolithische Beschleunigungssensoren mit mehr als einem Sensor durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt werden können, indem lediglich die Winkelorientierung der Tragelemente in Bezug aufeinander verändert wird.
5 zeigt einen monolithischen Beschleunigungssensor110 mit einer ersten und einer zweiten Beschleunigungssensorzelle, wobei die zweite Sensorzelle eine Trägheitsmasse320 aufweist, die in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse340 orientiert ist, wenn die erste Oberfläche der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz betrachtet wird.4A und4B zeigen Alternativen eines monolithischen Beschleunigungssensors120 ,130 mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Beschleunigungssensorzelle, wobei die zweite Sensorzelle eine Trägheitsmasse310 aufweist, die in einem 90-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse340 orientiert ist, und die dritte Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse320 ist in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse340 orientiert, wenn die erste Oberfläche der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz betrachtet wird.2 zeigt einen monolithischen Beschleunigungssensor140 mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Beschleunigungssensorzelle, wobei die zweite Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse310 in einem 90-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse340 orientiert ist, die dritte Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse320 in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse340 orientiert ist, und die vierte Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse330 in einem 270-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse340 orientiert ist, wenn die erste Oberfläche der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz betrachtet wird. - Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlicher Detaillierung mit Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Versionen davon beschrieben worden ist, sind weitere Versionen möglich. Es sollte selbstverständlich sein, dass die hierin beschriebenen Ausführungen lediglich beispielhaft sind, und dass viele wechselnde Ausführungen und zusätzliche Ausführungen dem Fachmann offensichtlich werden, wobei die vorliegende Erfindung nur durch den Inhalt und Rahmen der hier angefügten Ansprüche begrenzt ist.
Claims (6)
- Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor (
100 ), (110 ), (120 ), (130 ), (140 ), (150 ), welcher zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen aufweist, wobei jede dieser Sensorzellen eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) mit einer ersten Oberfläche (302 ) und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (304 ) umfasst, wobei die Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ), welche durch an einer Tragstruktur (200 ) aus Silizium befestigten Traggliedern positioniert ist, eine erste und gegenüberliegende zweite Oberfläche (202 ), (204 ) aufweist, wobei die Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) von jedem der zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen in der Lage ist, sich in Reaktion auf eine Beschleunigung längs zweier orthogonaler Beschleunigungsachsen zu bewegen, wobei eine erste Achse parallel zu den ersten und zweiten Oberflächen (302 ), (304 ) der Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) verläuft, und wobei eine zweite Achse senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächen (302 ), (304 ) der Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) steht, wobei jede der Silizium-Sensorzellen Mittel zur Erfassung einer Bewegung der Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) in Reaktion auf Beschleunigung längs der ersten Achse und der zweiten Achse aufweist, und wobei der Sensor (110 ), (120 ), (130 ), (140 ) eine erste und zweite Beschleunigungssensorzelle der zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen umfasst, wobei die zweite Sensorzelle entweder in einem Winkel von 90 Grad oder 180 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, wenn die erste Oberfläche (302 ) der Trägheitsmassen (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) betrachtet wird, wobei die Tragglieder als eine Winkelreferenz verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragglieder als Torsionstragglieder (400 ) ausgebildet sind, welche in zwei Ecken der Trägheitsmasse (300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) positioniert sind. - Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mittel zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmassen (
300 ), (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) mit elektronischen Schaltungen aus metallischen Bonds an der Tragstruktur (200 ) aus Silizium gebildet sind; (b) die Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten metallischen Layer (640 ) der ersten Abdeckplattenstrukturen (600 ) aus dritten leitenden Silizium-Waferabschnitten (620 ), die an ersten Glasisolatoren (610 ) angebracht sind, gebildet sind, wobei die dritten leitenden Silizium-Waferabschnitte (620 ) erste leitende Silizium-Mesas (630 ) durch die ersten Glasisolatoren (610 ) hindurch in elektrischem Kontakt mit den ersten metallischen Layern (640 ) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870 ) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880 ) angebondet sind; und (c) die Mittel zur elektrischen Verbindung der zweiten metallischen Layer (740 ) der zweiten Abdeckplattenstrukturen (700 ) aus vierten leitenden Silizium-Waferabschnitten (720 ), die an zweiten Glasisolatoren (710 ) angebracht sind, gebildet sind, wobei die vierten leitenden Silizium-Waferabschnitte (720 ) zweite leitende Silizium-Mesas (730 ) durch die zweiten Glasisolatoren (710 ) hindurch in elektrischem Kontakt mit den zweiten metallischen Layern (740 ) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870 ) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880 ) angebondet sind. - Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
120 ), (130 ) weiterhin eine dritte Beschleunigungssensorzelle zur Abtastung von Beschleunigung längs dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen aufweist, wobei die zweite Sensorzelle in einem Winkel von 90 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist und die dritte Sensorzelle in einem Winkel von 180 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, wenn die erste Oberfläche (302 ) der Trägheitsmassen (310 ), (320 ), (340 ) betrachtet wird, wobei die Torsionstragglieder (400 ) als eine Winkelreferenz verwendet werden. - Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mittel zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmassen (
310 ), (320 ), (340 ) mit elektronischen Schaltungen aus metallischen Bonds an der Tragstruktur (200 ) aus Silizium gebildet sind; (b) die Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten metallischen Layer (640 ) der ersten Abdeckplattenstrukturen (600 ) aus dritten leitenden Silizium-Waferabschnitten (620 ), die an ersten Glasisolatoren (610 ) angebracht sind, gebildet sind, wobei die dritten leitenden Silizium-Waferabschnitte (620 ) erste leitende Silizium-Mesas (630 ) durch die ersten Glasisolatoren (610 ) hindurch in elektrischem Kontakt mit den ersten metallischen Layern (640 ) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870 ) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880 ) angebondet sind; und (c) die Mittel zur elektrischen Verbindung der zweiten metallischen Layer (740 ) der zweiten Abdeckplattenstrukturen (700 ) aus vierten leitenden Silizium-Waferabschnitten (720 ), die an zweiten Glasisolatoren (710 ) angebracht sind, gebildet sind, wobei die vierten leitenden Silizium-Waferabschnitte (720 ) zweite leitende Silizium-Mesas (730 ) durch die zweiten Glasisolatoren (710 ) hindurch in elektrischem Kontakt mit den zweiten metallischen Layern (740 ) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870 ) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880 ) angebondet sind. - Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
140 ) weiterhin eine dritte und vierte Beschleunigungssensorzelle zur Abtastung von Beschleunigung längs dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen aufweist, wobei die zweite Sensorzelle in einem Winkel von 90 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, die dritte Sensorzelle in einem Winkel von 180 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, und die vierte Sensorzelle in einem Winkel von 270 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, wenn die erste Oberfläche (302 ) der Trägheitsmassen (310 ), (320 ), (330 ), (340 ) betrachtet wird, wobei die Torsionstragglieder (400 ) als eine Winkelreferenz verwendet werden. - Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mittel zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmassen (
310 ), (320 ), (330 ), (340 ) mit elektronischen Schaltungen aus metallischen Bonds an der Tragstruktur (200 ) aus Silizium gebildet sind; (b) die Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten metallischen Layer (640 ) der ersten Abdeckplattenstrukturen (600 ) aus dritten leitenden Silizium-Waferabschnitten (620 ), die an ersten Glasisolatoren (610 ) angebracht sind, gebildet sind, wobei die dritten leitenden Silizium-Waferabschnitte (620 ) erste leitende Silizium-Mesas (630 ) durch die ersten Glasisolatoren (610 ) hindurch in elektrischem Kontakt mit den ersten metallischen Layern (640 ) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870 ) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880 ) angebondet sind; und (c) die Mittel zur elektrischen Verbindung der zweiten metallischen Layer (740 ) der zweiten Abdeckplattenstrukturen (700 ) aus vierten leitenden Silizium-Waferabschnitten (720 ), die an zweiten Glasisolatoren (710 ) angebracht sind, gebildet sind, wobei die vierten leitenden Silizium-Waferabschnitte (720 ) zweite leitende Silizium-Mesas (730 ) durch die zweiten Glasisolatoren (710 ) hindurch in elektrischem Kontakt mit den zweiten metallischen Layern (740 ) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870 ) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880 ) angebondet sind.
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