DE69105447T2

DE69105447T2 - Mikrobeschleunigungsmotor mit Resonatoren und Verfahren zu dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE69105447T2
Application number: DE69105447T
Authority: DE
Inventors: Pierre Olivier Lefort; Isabelle Thomas
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1990-09-25
Filing date: 1991-09-16
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2011-09-17
Also published as: US5261277A; DE69105447D1; FR2667157B1; EP0479686A1; EP0479686B1; FR2667157A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrobeschleunigungsmesserstruktur und ein Herstellungsverfahren für eine solche Struktur.
In den letzten Jahren wurden sowohl verschiedene Arten von Mikrobeschleunigungsmessern als auch andere Mikrokomponenten entwickelt, bei denen Herstellungstechniken benutzt werden, die analog zu denen bei integrierten Schaltkreisen sind.
Bekannte monolithische Strukturen enthalten eine seismische Masse, die von Stützelementen gehalten sind, welche mit einem Rahmen verbunden sind. Stützelemente sind im allgemeinen so gestaltet, daß die seismische Masse senkrecht zu ihrer Ebene ausgelenkt werden kann. Die Auslenkung der seismischen Masse wird im allgemeinen durch Erfassen einer Veränderung der Kapazität zwischen der Ebene der Masse und einer metallisierten Platte, die in einem Stützgehäuse eingeformt ist, festgestellt oder durch die Erfassung der Verformung eines Stützelements. Diese Art eines Mikrobeschleunigungsmessers wird in US-A- 4,732, 647 offenbart.
Andererseits sind nicht-monolithische Beschleunigungsmesser bekannt, bei denen die Erfassung durch Resonatoren geschieht. Diese Art von Detektoren ist präziser und liefert Informationen, die einfacher zu verarbeiten sind.
Aus z. B. der US-A-4 851 080 ist ein gerichteter ebener monolithischer Mikrobeschleunigungsmesser bekannt, bei dem die Erfassung durch Resonatoren geschieht, die monolithisch in den Sensorkörper eingebaut sind.
Die Erfindung stellt eine neue Art von monolithischen Mikrobeschleunigungsmessern dar, bei denen die Stützelemente so gestaltet sind, daß sie die Verlagerung der seismischen Mass in einer Richtung in der Ebene der Masse zulassen und nicht senkrecht dazu, und bei denen die Verlagerung der seismischen Masse in der erwähnten Richtung erfaßt wird, indem die Abweichung der Resonanzfrequenz von Resonatoren gemessen wird, die mit der Masse verbunden sind.
Genauer gesagt wird mit der Erfindung ein Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatorenvorgesehen, der empfindlich gegenüber Beschleunigungen in einer ersten Richtung ist, und folgende Merkmale aufweist: eine Zwischenplatte zwischen zwei Trägerplatten, die geätzt ist, um einen rechteckigen Rahmen zu erhalten, dessen Seiten sich in der ersten Richtung und in einer zweiten, zu der ersten senkrechten Richtung erstrecken, wobei diese Richtungen orthogonal zu einer dritten Richtung sind; des weiteren eine seismische Masse innerhalb des Rahmens; zwei Aufhängebalken, die sich jeweils zwischen dem Rahmen und einer bzw. einer zweiten Seite der Masse längs der dritten Richtung erstrecken und den Rahmen mit der Masse verbinden, wobei diese Balken im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Masse und der Rahmen längs der dritten Richtung und eine geringe Breite längs der ersten Richtung aufweisen; zwei Resonatoren bildende Elemente, die sich zwischen dem Rahmen und der Masse erstrecken und eine geringere Dicke als die Masse und der Rahmen längs der dritten Richtung aufweisen; Mittel zum Anregen der Resonatoren; und Mittel zum Erfassen der Schwingungsfrequenz der Resonatoren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jedes der beiden Resonatoren bildenden Elemente durch eine Zunge gebildet, die sich zwischen dem Rahmen und der Masse längs der ersten Richtung von einer zur anderen Seite der Masse erstrecken und den Rahmen mit der Masse verbinden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jeder Resonator mit einer der gegenüberliegenden Stützplatten ausgerichtet angeordnet, wobei jede Trägerplatte Mittel zum Anregen des jeweiligen ihr zugeordneten Resonators aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zwischenplatte aus Quarz und jeder Resonator mit Metallisierungen versehen, die geeignet sind, ihn mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes anzuregen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Zwischenplatte aus Silizium.
Andererseits, im Falle, daß der aktive Teil des Sensors aus Silizium hergestellt ist, stellt die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatoren dar, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Bilden einer Siliziumplatte, deren Hauptflächen in den (100)- Ebenen liegen, wobei die erste (x) und die zweite (y) Richtung parallel zu der Kristallrichtung [110] sind;
Vorätzen (21) jeder Fläche der Siliziumplatte gegenüber der Lage der Resonatoren;
Maskieren der Lagen (22 bis 25), an denen sich der Rahmen, die Resonatoren (bis auf die vorgeätzte Seite), die seismische Masse und die Aufhängebalken befinden sollen; und
Ausführen einer chemischen Ätzung durch ein Mittel, das eine Ätzung auslöst, die sich bevorzugt längs der (111)-Ebenen und anschließend längs der (110)-Ebenen erstreckt und Fortfahren dieser Ätzung, bis die Resonatoren die gewünschte Dicke haben;
wodurch dann, wenn die Ätzmasken der Aufhängebalken geeignete Dimensionen haben, diese Balken eine Dicke gleich derjenigen der Zwischenplatte und eine im Hinblick auf die Dicke geringe Breite längs der ersten Richtung aufweisen.
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden duch die folgende detaillierte Beschreibung von besonderen Ausführungsformen offensichtlich, wie in den beigefügten Abbildungen dargestellt , wobei
Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf den Mikrobeschleunigungsmesser gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie y-y der Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie x-x der Fig. 1 ist;
Fig. 4 und 5 fortlaufende Herstellungsschritte eines Mikrobeschleunigungsmessers gemäß der Erfindung zeigen, dessen aktiver Teil aus Silizium hergestellt ist; und
Fig. 6 A und 6 B Sachnittansichten eines Aufhängebalkens gemäß der Erfindung während fortlaufenden Ätzschritten zeigen.
Die allgemeine Form eines Mikrobeschleunigungsmessers gemäß der Erfindung wird als Aufsicht in Fig. 1 gezeigt und als Schnittansicht in zwei orthogonalen Ebenen in den Fig. 2 und 3. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, enthält der Mikrobeschleunigungsmesser in herkömmlicher Weise eine Zwischenplatte 1, die den Hauptteil des Sensors darstellt und zwischen zwei Platten, die als Stütz- und Schutzmittel 2 und 3 dienen, eingefügt ist.
Fig. 1 ist eine schematische Aufsicht auf die Zwischenplatte 1. Die Platte ist geätzt, um einen rechteckigen Rahmen 10, der im vorliegenden Beispiel als Quadrat dargestellt ist, und eine zentrale seismische Masse 11 zu erhalten, die innerhalb des Rahmens angeordnet ist. Die Aufhängebalken S1 und S2 verbinden die Masse 11 mit dem Rahmen 10, und Resonatoren R1 und R2 sind zwischen der Masse 11 und dem Rahmen 10 angeordnet.
Die Aufhängebalken S1 und S2 sind so gestaltet, daß sie flexibel in der empfindlichen Richtung x-x des Beschleunigungsmessers sind und starr in den zwei anderen Richtungen, d. h. entlang der Achse y-y und entlang der orthogonalen Achse z-z. Die Aufhängebalken erstrecken sich über ihre größte Länge parallel zu der Achse y-y und haben eine Dicke in der z-Achse gleich der Dicke der seismischen Masse und dem Rahmen, d. h. die initiale Dicke der Zwischenplatte 1. Andererseits sind die Aufhängebalken in der x-Richtung schmaler als ihre Dicke. Folglich kann sich die seismische Masse im wesentlichen nur in Richtung der x-Achse bewegen, und Beschleunigungskomponenten in den anderen Richtungen haben keinen Effekt.
Um die mögliche Verlagerung der seismischen Masse 11 in Richtung der x-Achse zu erfassen, sind zwei Resonatoren vorgesehen, in beispeilhafter Ausführungsform durch zwei Zungen R1 und R2 gebildet sind, die sich zwischen der seismischen Masse und dem Rahmen in Richtung der x-Achse erstrecken. Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, weisen die Resonatoren eine geringe Dicke in Richtung der z-Achse auf und im Hinblick auf eine Elektrodenanordnung zur Anregung und Erfassung auf der Stützplatte angebracht sind, vor der siesich befinden.
Die Resonatoren werden, wie in Fig. 2 gezeigt, vorzugsweise symmetrisch im Hinblick auf das Zentrum der seismischen Masse angeordnet, was mögliche Herstellungsfehler zu kompensieren und die Empfindlichkeit entlang der z-Achse zu reduzieren erlaubt. In diesem Fall wird jeder der Resonatoren R1 und R2 mit Elektroden E1 und E2 verbunden, die auf den jeweiligen Stützplatten 2 und 3 angeordnet sind.
Die Art der Anregung der Resonatoren und die Art der Erfassung werden hier nicht beschrieben, da Fachleute verschiedene Arten kennen, um diese Funktionen zu erreichen.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, grenzen die Stütz- oder Schutzplatten 2 und 3 an den Rahmen 10 und umschließen die Einheit aus der seismischen Masse, den Aufhängebalken und den Resonatoren vollständig. Die Kammer, in der sich diese Einheit befindet, kann unser einem Vakuum oder einer kontrollierten Atmosphäre gehalten werden.
Das Material, das die Zwischenplatte 1 bildet und in dem die obigen Bestandteile geätzt sind, kann unter den verschiedenen Materialien ausgesucht werden, die für die Herstellung von Mikrokomponenten gebräuchlich sind.
Beispielsweise kann ein monokristalliner Quarz verwendet werden, der, wenn er richtig ausgerichtet ist, in HF- und NH&sub4;F- Lösungen orthogonal zu seinen Hauptebenen geätzt wird. In diesem Fall werden die Resonatoren mit Metallisierungen versehen, die geeignet sind, sie mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts anzuregen.
Eine besondere Methode, die Struktur gemäß der Erfindung herzustellen, wird nun durch ein Beispiel für den Fall beschrieben, daß die Zwischenplatte aus Silizium ist.
Dieses Herstellungsverfahren wird in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 beschrieben, die nicht im gleichen Maßstab wie die vorherigen Figuren dargestellt werden, sondern lediglich dazu dienen, die Erfindung besser zu erläutern. Auch ist die Maßstabstreue weder in vertikaler noch in horizontaler Richtung eingehalten. Andererseits ist hier die Herstellung nur eines einzelnen Bauteiles beschrieben. Für Fachleute ist klar, daß zahlreiche identische Bauteile gleichzeitig auf einer Siliziumscheibe gebildet werden können, die im allgemeinen eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm hat.
Wie in Fig. 4 gezeigt, beginnt man mit einer Siliziumscheibe, in der Vorätzungen 21gegenüber den Orten vorgesehen sind, an denen Resonatoren gebildet werden sollen. Dann wird eine Ätzmaske gebildet und bildet Bereiche 22, um den Rahmenbereichzu begrenzen, Bereiche 23, um die Resonatorenzungenzu begrenzen, Bereiche 24, um Aufhängebalkenzu begrenzen, und Bereiche 25, um die seismische Massezu begrenzen. Die Bereiche 22, 24, und 25 sind auf beiden Oberflächen symmetrisch. Die Bereiche 23 sind nur auf einer Oberfläche gegenüber den Vorätzungen 21 vorgesehen.
Gemäß der Erfindung ist die Siliziumscheibe anfänglich so ausgerichtet, daß sich ihre Hauptebenen in der kristallographischen Ebene (100) befinden, und die Richtungen x und y sind so ausgewählt, daß sie parallel zu der Richtung [110] verlaufen. Unter diesen Bedingungen wird das Ätzen durch eine Ätzsäure, die anisotropes Atzen erzeugt, wie beispielsweise Ethylen-Diamin-Benzcatechin oder Kaliumcarbonat, ausgeführt. Falls das Ätzen fortgesetzt wird, bis die erwünschte Dicke für die Resonatoren R1 und R2 erreicht ist, wird die Struktur erreicht, die in Fig. 5 gezeigt wird, in der die gleichen Bezzugsziffern für die Kennzeichnung gleicher Elemente benutzt werden wie in den Fig. 1 und 3.
Genauer gesagt, wird der Effekt der obigen Ätzmittel in den Fig. 6A und 6B in Verbindung mit dem Ätzen eines Aufhängebalkens.dargestellt. Während eines ersten Schrittes erstreckt sich das Atzen entlang der Ebenen (111), und dann, wenn die beiden Ebenen (111) von der unteren Oberfläche und der oberen Oberfläche aufeinander treffen, wie in Fig. 6A gezeigt, wird das Ätzen entlang der Ebenen (110) fortgesetzt, wie in Fig. 6B gezeigt. Dabei erzielt eine einzelne Ätzung direkt die gewünschte Form der Aufhängebalken, die eine geringere Breite als Dicke besitzen, wobei die Breite von der ursprünglichen Auswahl der Größe der Maskierungsbereiche 24 bestimmt wird (Fig. 4).
Die Erfindung weist also ein besonders einfaches und schnelles Herstellungsverfahren auf, da es von einem Naßätzprozeß Gebrauch macht, der viel schneller und einfacher anzuwenden ist, als ein Trockenätzprozeß (reaktive Ionenätzung oder lonenbenutzung); diese zuletzt genannten Methoden haben den Nachteil, daß sie komplex, langsam und risikoreich sind, wenn sehr dickes Material geätzt werden muß, was bei der Erfindung der Fall ist, und wenn angestrebt wird, daß das Silizium vollständig über die gesamte Dicke der Scheibe eliminiert werden soll.
Zusätzlich hat die Erfindung den Vorteil, daß nur zwei Ätzschritte nötig sind: eine Vorätzung wie in Fig. 4 dargestellt, und eine Schlußätzung wie in Fig. 5 gezeigt.
Die Erfindung kann in zahlreichen Varianten abgewandelt werden, die einem Fachmann geläufig sind, besonders was die exakte Form des Rahmens und der seismischen Masse und die Form der Verbindungsbereiche zwischen dem Rahmen einerseits anbelangt und andererseits die seismische Masse, die Resonatoren und die Aufhängebalken. Die position der Verbindungspunkte der Aufhängebalken an der seismischen Masse wird so gewählt, daß die Richtungsempfindlichkeit des Beschleunigungsmessers optimiert wird, und die Position der Verbindungspunkte der Resonatorenzungen an dem Rahmen und der seismischen Masse stellen, in Verbindung mit ihrer Dicke, ein Mittel dar, um die Grundschwingungsfrequenz auszuwählen.
Es können verschiedene Techniken zur Anregung und Erfassung der Resonatorenschwingung angewandt werden. Ebenso gibt es verschiedene Techniken, um die Schutzplatten zu formen und zusammenzubauen. Beispielsweise ist es möglich Zwischenschichten zu verwenden, oder Verbindungsarten und verschiedene Montagearten zwischen den verschiedenen Platten, wobei heutzutage das übliche Mittel anodisches Schweißen ist. Die Materialien der Schutzplatten sind an das Material der Zwischenplatteangepaßt; wenn beispielsweise die Zwischenplatte aus Quarz ist, wird vorzugsweise ein keramischer Körper verwendet.

Claims

1. Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatoren, welcher auf Beschleunigungen in einer ersten Richtung empfindlich ist und zwischen zwei Trägerplatten eine Zwischenplatte aufweist, die geätzt ist, um folgende Merkmale zu erhalten:

einen rechteckigen Rahmen (10), dessen Seiten sich in der ersten Richtung (x) und in einer zweiten, zu der ersten senkrechten Richtung (y) erstrecken, wobei diese Richtungen orthogonal zu einer dritten Richtung (z) sind;

eine seismische Masse (11) innerhalb des Rahmens;

zwei Aufhängebalken (S1, S2), die sich jeweils zwischen dem Rahmen und einer bzw. einer zweiten Seite der Masse längs der dritten Richtung erstrecken und den Rahmen mit der Masse verbinden, wobei diese Balken im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Masse und der Rahmen längs der dritten Richtung und eine geringe Breite längs der ersten Richtung aufweisen;

zwei Resonatoren (R1, R2) bildende Elemente, die sich zwischen dem Rahmen und der Masse erstrecken und eine geringere Dicke als die Masse und der Rahmen längs der dritten Richtung aufweisen;

Mittel zum Anregen der Resonatoren; ud

Mittel zum Erfassen der Schwingungsfrequenz der Resonatoren.

2. Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Resonatoren (R1, R2) bildenden Elemente durch eine Zunge gebildet wird, die sich zwischen dem Rahmen und der Masse längs der ersten Richtung von einer zur anderen Seite der Masse erstrecken und den Rahmen mit der Masse verbinden.

3. Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonator (R1, R2) mit einer der gegenüberliegenden Stützplatten (2, 3) ausgerichtet angeordnet ist, wobei jede Trägerplatte Mittel zum Anregen des jeweiligen ihr zugeordneten Resonators aufweist.

4. Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Zwischenplatte aus Quarz ist, und daß jeder Resonator mit Metallisierungen versehen ist, die geeignet sind, ihn mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes anzuregen.

5. Mikrobeschleunigungsmesser mit Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Zwischenplatte aus Silizium ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Mikrobeschleunigungsmessers mit Resonatoren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Bilden einer Siliziumplatte, deren Hauptflächen in den (100)-Ebenen liegen, wobei die erste (x) und die zweite (y) Richtung parallel zu der Kristallrichtung [110] sind;

Vorätzen (21) jeder Fläche der Siliziumplatte gegenüber der Lage der Resonatoren;

Maskieren der Lagen (22 bis 25), an denen sich der Rahmen, die Resonatoren (bis auf die vorgeätzte Seite), die seismische Masse und die Aufhängebalken befinden sollen; und

Ausführen einer chemischen Ätzung durch ein Mittel, das eine Ätzung auslöst, die sich bevorzugt längs der (111)- Ebenen und anschließend längs der (110)-Ebenen erstreckt und Fortfahren dieser Ätzung, bis die Resonatoren die gewünschte Dicke haben;

wodurch dann, wenn die Ätzmasken der Aufhängebalken geeignete Dimensionen haben, diese Balken eine Dicke gleich derjenigen der Zwischenplatte und eine im Hinblick auf die Dicke geringe Breite längs der ersten Richtung aufweisen.

7. Verfahren zum Herstellen eines Mikrobeschleunigungsmessers mit Resonatoren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel Ethylen-Diamin- Brenzcatechin oder Kaliumcarbonat ist.