DE69411449T2

DE69411449T2 - Fühlerelement für Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE69411449T2
Application number: DE69411449T
Authority: DE
Inventors: Leland Joseph Spangler
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2014-03-29
Also published as: EP0623825A1; US5404749A; EP0623825B1; BR9401393A; JPH06308152A; ES2118327T3; DE69411449D1

Description

Diese Erfindung betrifft Fühlerelemente zur Verwendung in Beschleunigungsmessern. Es sind seit langem Meßwandler bekannt, die nichtelektrische Größen in elektrische Signale umwandeln. Diese Vorrichtungen sind so entworfen, daß sie als Antwort auf eine bestimmte physikalischen Größe, Eigenschaft oder Zustand, die gemessen werden sollen, eine verwendbare Ausgabe liefern. Der Ausdruck "Fühlerelement" wurde verwendet, um sowohl den gesamten Meßwandler als auch den Teil des Meßwandlers zu bezeichnen, der den ersten Schritt in einem Übersetzungsprozeß mit mehreren Schritten durchführt. Für die Ziele der vorliegenden Erfindung wird die letzte Definition maßgeblich sein.
Meßwandler mit Fühlerelementen, die zur Messung der Beschleunigung verwendet werden, sind als Beschleunigungsmesser bekannt. Anwendungen von Beschleunigungsmessern in der Automobilindustrie umfassen deren Einschluß in Aufprallfühlem für Airbags und Fahrbewegungsfühlern für die Bestandteile einer aktiven Aufhängung. Beschleunigungsmesser finden auch in der militärischen und der Luft- und Raumfahrtindustrie als Variometer und als Bestandteile von intelligenten Waffen und Vorrichtungen zur Aufrüstung von Raketen Verwendung.
Fühlerelemente aus dem Stand der Technik hatten Schwierigkeiten damit, die Eigenschaften der Festigkeit und des Antwortverhaltens, die in der rauhen Arbeitsumgebung solcher Beschleunigungsmesser gefordert wird, zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Diese Fühlerelemente beruhten hauptsächlich auffreitragenden Trägern, seismischen Massen und Zylinder/Ball-Anordnungen, die durch Fluiddruck und Gleitreibung beeinflußt werden. Diese Geräte litten unter extremer Zerbrechlichkeit und Bruchproblemen. Zusätzlich ergaben sich auf Grund der strengen Bedingungen in Massenfertigungsverfahren oft Schwierigkeiten bei der Herstellung dieser Fühlerelemente aus dem Stand der Technik, wenn sie zugleich wirksam und wirtschaftlich sein sollten. Schließlich weisen diese Geräte oft eine übermäßige und unerwünschte Empfindlichkeit entlang orthogonalen Achsen auf. Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives Fühlerelement für einen Beschleunigungsmesser, das ein Substrat mit einer im wesentlichen planaren oberen Oberfläche mit mindestens zwei darauf befestigten leitenden Platten und einem im wesentlichen planaren, biegsamen darauf angebrachten und parallel zum Substrat ausgerichteten Körper umfaßt, wobei der Körper folgendes umfaßt:
a) Einen am Substrat befestigten und von einer inneren Öffnung im Körper umgebenen Sockel;
b) eine erste obere Platte und eine zweite obere Platte, die den befestigten leitenden Platten zur Bildung eines ersten und eines zweiten Kondensators entsprechen; und
c) ein Paar entgegengesetzter Torsionsarme, die den Körper mit dem Sockel verbinden und eine Biegeachse bilden, um die sich die erste und die zweite obere Platte biegen, wobei das gesamte Moment der zweiten oberen Platte um die Biegeachse größer als das gesamte Moment der ersten oberen Platte um die Biegeachse ist, so daß sich der Körper als Antwort auf eine normal zum Fühlerelement stehende Beschleunigung verbiegt, um einen Unterschied in den Kapazitätswerten zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator zu erzeugen.
Das Patent US-A- 4 736 629 von Coie (das 629er Patent) beschreibt einen Beschleunigungsmesser mit einem Fühlerelement dieser Art, in dem der obere planare Körper eine metallene Platte mit einer inneren Öffnung ist, die einen auf einem Substrat aus halbleitendem Material wie Silizium angebrachten Sockel umfaßt.
Der Sockel ist an der metallenen Platte durch ein Paar von Torsionsteilen angeschlossen, die sich in entgegengesetzten Richtungen vom Sockel zur metallenen Platte erstrecken. Befestigte Platten, die auf dem Halbleitersubstrat angebracht und mit einer isolierenden Schicht bedeckt sind, entsprechen Teilen der metallenen Platte, um den ersten und den zweiten Kondensator zu bilden. Als Antwort auf eine normal zum Substrat stehende Beschleunigung rotiert die metallene Platte um die Biegeachse, die durch die Torsionsteile festgelegt wird, wobei sie die Kapazität des ersten und des zweiten Kondensators verändert.
Das 629er Patent erfordert ausdrücklich, daß die drehbare obere Platte aus Metall und das Substrat aus einem halbleitenden Material wie Silizium bestehen. Obwohl Cole lehrt, daß das elektrisch leitende Substrat mit einer isolierenden Schicht bedeckt wird, macht die leitende Beschaffenheit des Substrats das offenbarte Fühlerelement anfällig gegenüber parasitischem Kapazitätsverlust. Folglich ist das Fühlerelement von Cole potentiell ungenauer und unempfindlicher.
Cole lehrt ebenso, daß die Bildung von Trägheitsteilen aus Materialien geringer Dichte wie Silizium oder Siliziumdioxid Fühlerelemente ergibt, die eine geringere Empfindlichkeit gegenüber der Beschleunigung als entsprechende Fühlerelemente mit Trägheitselementen aus Metall besitzen. Die Offenlegungsschrift lehrt, das derartige halbleitende Konstruktionen nicht machbar sind. Wenngleich er zugibt, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von Metall bedeutend größer als der von Silizium ist, postuliert Cole, daß die Struktur des Fühlerelements aus dem 629er Beschleunigungsmesser jegliche Vorspannung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung oder Kontraktion beseitigt. Jedoch schreibt Cole den Effekt unerwünschter Kompressionsbelastung in den Torsionsarmen nicht dem Ergebnis der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Tragesockel und dem darunter liegenden Substrat zu.
Zusätzlich zu unerwünschten Spannungen in den Biegearmen ist die metallene obere Platte von Cole sehr anfällig für Hysterese und Rißbildung sowie plastische Deformation aufgrund mechanischer Belastungen. Man wird erkennen, daß die Hysterese eine Verzögerung zwischen dem Auftreten der Beschleunigung und ihrer Wirkungen verursacht, d.h. der Veränderungen der entsprechenden Kapazitätswerte, und sie ist in einem Fühlerelement, das für Anwendungen vorgesehen ist, die einen hohen Grad an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfordern, d.h. in Aufprallfühlern für Airbags, hoch unerwünscht.
Noch wichtiger ist, daß das Fühlerelement laut Cole aperiodisch gedämpft werden sollte. Dies jedoch ergibt ein Fühlerelement mit einer mechanischen Empfindlichkeit, die die Widerstandsfähigkeit der Vorrichtung gegenüber Stößen herabsetzt. Man wird erkennen, daß diese Eigenschaften die Verwendung eines aperiodisch gedämpften Fühlerelements in einem Stoßsensor höchst unerwünscht macht, weil solche Vorrichtungen auf unerwünschte Signale ansprechen können.
Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung besteht das Substrat in einem kapazitiven Fühlerelement für einen Beschleunigungsmesser vom oben erwähnten Typ aus einem dielektrischen Material und der Körper besteht aus bordotiertem Silizium mit einer Einkristallstruktur und er besitzt eine Vielzahl von Öffnungen, die sich durch ihn erstrecken, wobei die Öffnungen einen Dämpfungseffekt erzeugen&sub1; der die natürliche Frequenz und die Frequenzantwort des Fühlerelements so modifiziert, daß das Fühlerelement ein Dämpfungsverhältnis von 2 bis 20 und eine Messungsbandbreite von 0 bis 5000 Hz aufweist.
Es wurde zuvor in den Patenten DE-A-42 24 383 und GB-A-2 158 945 die Bildung von Öffnungen in einer biegsamen Siliziumelektrode eines kapazitiven Fühlerelements für einen Beschleunigungsmesser vorgeschlagen, um die Dämpfung zu verringern, aber in diesen früheren Offenlegungsschriften wurde eine einzelne Elektrode zwischen oberen und unteren befestigten Metallplatten mit einem sehr schmalen Spalt sowohl oberhalb als auch unterhalb der Elektrode getragen.
Ein die vorliegende Erfindung verkörperndes Fühlerelement verringert die Probleme aus dem Stand der Technik, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit, der Beständigkeit und den Antworteigenschaften, die allgemein bei Fühlerelementen für Beschleunigungsmesser benötigt werden, und insbesondere für die, die in Aufprallfühlern von Automobilen für Airbags verwendet werden.
Zusätzlich zu einer erhöhten Beständigkeit gegenüber Aufprall besitzt ein Fühlerelement der Erfindung einen Aufbau und eine Beschaffenheit, die im wesentlichen unerwünschte Spannungen beseitigen, die aus der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung oder Kontraktion resultieren, und es ist frei von Hysterese. Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abbildung 1 die Draufsicht des Bereiches des Fühlerelementes eines Beschleunigungsmesser zeigt, der zwei Fühlerelemente der vorliegenden Erfindung verwendet;
Abbildung 2 eine Perspektive des Fühlerelementes der vorliegenden Erfindung zeigt;
Abbildung 3 einen Querschnitt des Fühlerelements von Abbildung 2 entlang der Linie 3-3 zeigt;
die Abbildungen 3A-3C das Fühlerelement von Abbildung 3 während drei Stufen des Herstellungsverfahrens zeigen;
Abbildung 4 einen seitlichen Schnitt des Fühlerelements von Abbildung 2 entlang der Linie 4-4 zeigt;
Abbildung 4A das Fühlerelement von Abbildung 4 während eines Schrittes des Herstellungsprozesses zeigt;
Abbildung 5 einen seitlichen Schnitt des Fühlerelements von Abbildung 2 entlang der Linie 5-5 zeigt;
die Abbildungen 5A und 5B das Fühlerelement von Abbildung 5 während zwei Schritten des Herstellungsprozesses zeigen;
Abbildung 6 ein Fühlerelement zeigt, das strukturell jenem der Erfindung ähnlich ist, jedoch keine durchgehenden Öffnungen in der oberen Platte besitzt; und
Abbildung 7 eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereiches von Abbildung 5B zeigt.
Diese Erfindung stellt Fühlerelemente bereit, die für die Verwendung allgemein in Beschleunigungsmessem vorgesehen sind und insbesondere in Aufprallfühlern eingesetzt werden sollen. Vorteile wie die Abwesenheit plastischer Deformation und von Spannungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnung und Kontraktion induziert werden, eine erhöhte Festigkeit und eine verbesserte Ausbeute bei der Herstellung und Wirtschaftlichkeit werden durch die Verwendung eines Fühlerelements erreicht, das aus einem dielektrischen Substrat und einem biegsamen oberen Körper aus bordotiertem Silizium besteht. Die früheren Probleme, wie die Unbeständigkeit gegenüber Stößen und die Zerbrechlichkeit, wurden mit einer einzigartigen Struktur gelöst, die ein Fühlerelement bereitstellt, das auf Beschleunigungen im Bereich zwischen 0.5 und 1000 g anspricht, eine Messungsbandbreite von 0 bis 5000 Hz und ein Dämpfungsverhältnis von 2 bis 20 besitzt.
Die Abbildungen 2, 3, 4, 5 und 7 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des beanspruchten Fühlerelements. Die Abbildung 6 veranschaulicht ein Fühlerelement, das strukturell jenem von Abbildung 2 ähnlich ist, jedoch keine durchgehenden Öffnungen in der oberen Platte besitzt. Abbildung 1 zeigt den Bereich mit den Fühlerelementen eines Beschleunigungsmessers, der zwei der Fühlerelemente der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Kehrt man zu Abbildung 2 zurück, wird dort sichtbar, daß das Fühlerelement 8 ein kapazitives Fühlerelement ist, das aus einem im wesentlichen planaren Substrat 10 und einem biegsamen oberen Körper 12 besteht, der sich über dem Substrat 10 befindet und dazu parallel ist.
Das Substrat 10 ist ein festes dielektrisches Material wie Glas, Keramik, Nitrid oder Kunststoff. Vorzugsweise wird das Substrat 10 aus Glas bestehen und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der jenem von Silizium sehr ähnlich ist. Ein geeignetes Glas für die Verwendung als Substrat 10 ist jenes mit dem Corning Code 7740, das von Dow Corning, in Corning, New York, USA, erhältlich ist. Das Substrat 10 wird vorzugsweise eine Dicke zwischen 0.2 und 1.5 Millimeter besitzen, und am besten wird es zwischen 0.5 und 0.8 Millimeter dick sein. Die befestigten leitenden Platten 16 und 18 sind auf der im wesentlichen planaren oberen Oberfläche 14 des Substrats 10 angebracht, und sie sind gestrichelt in Abbildung 2 oder in den Seitenansichten der Abbildungen 4 und 5 sichtbar. Die befestigten leitenden Platten 16 und 18 bestehen aus Metall und sie sind vorzugsweise einander gleich bezüglich Form und Größe. Bevorzugt sind sie symmetrisch zur Biegeachse 28 angebracht und kleiner als die oberen Platten 38 und 40. Wie ausführlicher unten erörtert wird, sind die oberen Platten 38 und 40 jene Teile des biegsamen oberen Körpers 12, die den befestigten Platten 16 und 18 zur Bildung des ersten und des zweiten Kondensators entsprechen.
Obwohl eine Vielfalt von Metallen für die Bildung der befestigten Platten 16 und 18 geeignet ist, wird bevorzugt eine Kombination von Metallen verwendet. Eine geeignete Kombination ist Chrom unter Platin, worin das Chrom eine Dicke zwischen 50 und 1000 Å und das Platin eine Dicke zwischen 50 und 3000 Å besitzt. Vorzugsweise wird die Chromschicht 150-300 Å und die Platinschicht 500-1500 Å dick sein. Ganz besonders bevorzugt wird die Chromschicht 200 Å und die Platinschicht 1000 Å dick sein. Der Fachmann wird erkennen, daß die Gesamtdicke des Metallfilms im Bereich zwischen 100 Å bis etwa 4000 Å liegen wird. Auch liegen auf der Oberfläche 14 die Leiter 20 und 22, die die befestigten Platten 16 und 18 mit dem Rest des Meßwandlers oder Beschleunigungsmessers verbinden. Auch diese elektrische Verbindungen sind aus Metall gebildet, vorzugsweise aus Aluminium. Wendet man sich kurz Abbildung 1 zu, ist ersichtlich, daß die Leiter 21 und 23 den Leitern 20 und 22 entsprechen. Die Abbildung 1 zeigt ebenso, daß die Leiter 21 und 23 an Anschlußflächen 24 und 26 angeschlossen sind, von denen die Leiter 21a und 23a schließlich das Fühlerelement 8 mit dem integrierten Schaltkreis verbinden, der den Rest des Beschleunigungsmessers oder Meßwandlers bildet.
Kehrt man zu Abbildung 2 zurück, ist der biegsame Körper 12 im wesentlichen planar, und er befindet sich über der oberen Oberfläche 14 des Substrats 10, wobei er in der Abwesenheit sowohl von Schwerkraft als auch von Beschleunigungskräften, die normal zur Oberfläche 14 stehen&sub1; parallel zur oberen Oberfläche 14 ist. Der biegsame obere Körper 12 besteht aus einem Sockel 30, der von einer inneren Öffnung 32 umgeben ist und mit dem Hauptkörper 34 über Torsionsarme 36 verbunden ist. Der Hauptkörper 34 ist im wesentlichen planar, wie oben erläutert, und er besteht aus oberen Platten 38 und 40, die jeweils über den befestigten leitenden Platten 16 und 18 unter Bildung eines ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators angebracht sind. Der biegsame obere Körper 12 wird zwischen 0.1 und 10 Millimeter lang sein und eine Breite von etwa 0.05 bis 5.0 Millimeter besitzen. Vorzugsweise wird der biegsame Körper 12 etwa ein Millimeter lang sein und eine Breite von etwa 0.5 mm besitzen.
Der halbleitende biegsame obere Körper 12 wird vorzugsweise eine solche Form besitzen, daß die obere Platte 38 ein Gesamtmoment (d.h. Masse mal Momentarm) um die Biegeachse 28 besitzen wird, das kleiner als das Gesamtmoment der oberen Platte 40 ist. Also wird man sehen, das als Antwort auf die normal zur oberen Oberfläche 14 stehende Beschleunigung der biegsame Körper 12 sich um die Biegeachse 28 drehen wird, wobei das Ausmaß der Drehung oder der Biegung ungefähr proportional zur Größe der Beschleunigung sein wird, und das Ausmaß der Drehung oder der Biegung der Richtung der Beschleunigung entsprechen wird.
Die Torsionsarme 36 befinden sich in der inneren Öffnung 32, um die Verbindung des Sockels 30 mit dem Hauptkörper 34 des halbleitenden Materials 12 herzustellen. Die Torsionsarme 36 bilden die Biegeachse 28. Als Antwort auf die zur oberen Oberfläche 14 normal stehende Beschleunigung verbiegen sich die oberen Platten 38 und 40 oder sie rotieren um die Biegeachse 28, wobei sie eine Differenz zwischen den Kapazitätswerten des ersten und des zweiten Kondensators herstellen, die jeweils durch die befestigte leitende Platte 16 und die obere Platte 38 und die befestigte leitende Platte 18 und die obere Platte 40 gebildet sind.
Wendet man sich nun kurz Abbildung 3 zu, ist dort ersichtlich, daß der Sockel 30 an der oberen Oberfläche 14 des Substrats 10 angebracht ist. Wie weiter unten erläutert ist, wird der Sockel 30 bevorzugt mit dem Substrat 10 anodisch verbunden. In der Vertiefung 42 des Sockels 30 befindet sich die metallene Anschlußfläche 44. Die Anschlußfläche 44 besteht bevorzugt aus Aluminium. Unter erneuter Bezugnahme auf Abbildung list ersichtlich, daß der Verbindungsdraht 46 die Anschlußfläche 44 mit der Anschlußfläche 48 verbindet. Der Leiter 48a führt zu dem oben erörterten integrierten Schaltkreis. Man beachte, daß die verschiedenen Verbindungsdrähte, Anschlußflächen usw. in Abbildung 2 weggelassen wurden, um andere Aspekte der beanspruchten Erfindung besser zu veranschaulichen.
Wie in Abbildung 6 gezeigt ist, besteht der biegsame obere Körper 12 aus bordotiertem Silizium. Die Verwendung von bordotiertem Silizium beseitigt im wesentlichen die früheren Probleme der Hysterese und der Rißbildung, wobei die gesamte Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Fühlerelements 8' erhöht wird. Die Dichte des hierin verwendeten bordotierten Siliziums stellt ein Fühlerelement bereit, worin die oberen Platten 38 und 40 eine Masse und einen Momentarm besitzen, die ausreichen, um die Empfindlichkeit des Fühlerelements 8 zu steuern und einen gewünschten Wert zu erhalten.
Das Silizium des biegsamen Körpers 12 wird vorzugsweise eine Borkonzentration von 1×10 ¹&sup9; cm&supmin;³ oder mehr besitzen. Kehrt man nun zu Abbildung 4 zurück, sollte die Konzentration symmetrisch bezüglich einer Ebene sein, die im wesentlichen parallel zur der Oberfläche der oberen Platten 38 und 40 ist und an einem Punkt bei etwa einem Drittel der gesamten gewünschten Dicke des biegsamen Körpers 12 liegt. Obwohl die Konzentration des Bors über die Dicke des biegsamen Körpers 12 veränderlich sein kann, sollte die Konzentration nicht unter 1×10 ¹&sup9; cm&supmin;³ liegen. Je höher der Unterschied zwischen den Massen der oberen Platten 38 und 40, desto größer ist die Empfindlichkeit des Fühlerelements 8.
Die Verwendung von bordotiertem Silizium zur Bildung des biegsamen Körpers 12 stellt nicht nur die Leistungsvorteile der im 629er Patent offenbarten metallenen oberen Platte bereit, sondern sie beseitigt auch die Probleme wie die Hysterese und die Bildung von Rissen sowie unerwünschte plastische Deformation, die von Zuständen hoher Belastung und mechanischen Kräften herrührt. Die Hysterese wird beseitigt, weil eine Siliziumwafer aus einem einzigen Kristall ohne Korngrenzen für die Bildung des biegsamen Krpers 12 aus bordotiertem Silizium verwendet wird. Die einzigartige Eigenschaft von Silizium, das bis zum totalen Ausfall keine plastische Deformation aufweist, ist für die Beseitigung der Rißbildung verantwortlich.
Die Verwendung des bordotierten Siliziums und des dielektrischen Substrats verringert die durch die Verwendung von Materialien mit signifikant unterschiedlichen Koeffizienten thermischer Ausdehnung verursachten Kräfte. Die Einkristallstruktur des bordotierten Siliziums hat den weiteren Vorteil, daß sie nicht magnetisch und chemisch stabiler und inerter ist als metallene und polykristalline Materialien. Sie ist auch mechanisch stabiler als solche Materialien.
Die mechanische Bauweise des Fühlerelements, das bis zu diesem Punkt beschrieben wurde, ist in Abbildung 6 als Fühlerelement 8' gezeigt. Jedoch wird nun ein anderer Aspekt der beanspruchten Erfindung beschrieben werden, der in Abbildung 6 nicht veranschaulicht ist.
Da die Empfindlichkeit des Fühlerelements 8 den jeweiligen Massen der oberen Platten 38 und 40 entspricht, ist es vorteilhaft, wenn diese oberen Platten so groß wie möglich sind. Wendet man sich den Abbildungen 4 und 5 zu, wird man jedoch sehen, daß der Spalt 48 zwischen dem biegsamen Körper 12 und der oberen Oberfläche 14 im Vergleich zu den Ausmaßen der oberen Platten 38 und 40 sehr klein ist. Tatsächlich wird der Spalt 48 etwa zwischen 1 und 10 Mikron liegen. Folglich entstehen wesentliche Dämpfungseffekte aufgrund der Neigung der Luft, der Verdrängung zu widerstehen, wenn sie zwischen der Oberfläche 14 und den oberen Platten 38 und 40 "eingequetscht" wird.
Obwohl der Stand der Technik lehrt, das "Kompromisse zwischen der Empfindlichkeit, der Resonanzfrequenz und der Dämpfung unerwünschter Resonanz" für alle Entwürfe von Beschleunigungsmessern erforderlich sind, lehrt er auch, daß die zunehmende Empfindlichkeit allgemein eine "herabgesetzte Resonanzfrequenz [...] ergibt, wobei [...] die niedrigste Resonanz die verfügbare Messungsbandbreite begrenzt." Man verweist auf ,,A Monolithic Silicon Accelerometer With Air Damping And Over Range Protection", P.W. Barth et al., Proceeding of IEEE Solid-State Sensor And Actuator Workshop, 1988, Bd. 88, 0215-4, 5. 35-38. Jedenfalls hat das Fühlerelement 8', wie in Abbildung 6 gezeigt ist, eine gewünschte Empfindlichkeit, aber auch ein Dämpfungsverhältnis, das eine zu enge Messungsbandbreite und eine natürliche Frequenz erzeugt, die zu niedrig liegt. Solche "Antwort"eigenschaften sind unerwünscht, weil die Antwort des Fühlers zu langsam ist und auf die gewünschten Frequenzbestandteile eines Beschleunigungssignals nicht anspricht. Dies gilt in besonderem Maße für Fühlerelemente für Beschleunigungsmesser, die in Aufprallfühlern von Automobilen für Airbags verwendet werden sollen.
Obwohl eine wünschenswerte Empfindlichkeit erreicht wurde, ist also die Messungsbandbreite der in Abbildung 6 gezeigten Ausführungsform für einige Anwendungen zu schmal und die natürliche Frequenz zu niedrig. Kehrt man zu Abbildung 2 zurück, um ein Fühlerelement mit wünschenswerten Eigenschaften hinsichtlich der Empfindlichkeit und eines gewissen Antwortverhaltens. zu erzielen, wird eine Vielzahl von Öffnungen 50 durch den biegsamen Körper 12 angebracht. Vorzugsweise erstreckt sich die Vielzahl der Öffnungen 50 durch die Dicke jener Teile des biegsamen Körpers 12, die als Antwort auf eine zur oberen Oberfläche 14 normalen Beschleunigung rotieren. Die Öffnungen 50 werden sich somit besonders bevorzugt durch die oberen Platten 38 und 40 erstrecken. Man beachte, daß obwohl Abbildung 2 die Vielzahl von Öffnungen 50 als einzelne kreisförmige Löcher 51 zeigt, andere Formen und Konfigurationen möglich sind.
In den Abbildungen 4 und 5 sind die einzelnen Löcher 51 sichtbar. Man beachte, daß die Löcher besonders bevorzugt untereinander versetzt sind, wie durch die gestrichelt dargestellten Löcher 51, in Abbildung 4 gezeigt ist. Die einzelnen Löcher 51 können auch in Abbildung 5 betrachtet werden. Man beachte, daß eine größere Anzahl von Löchern mit relativ kleinem Durchmesser von 0.1 bis 50 um weniger Löchern mit größerem Durchmesser stark bevorzugt wird. Je größer der Durchmesser der einzelnen Löcher 51, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß Fehler in der Gesamtkapazität auftreten. Der Fachmann wird anerkennen, daß die Fertigungssteuerung bei großen Löchern schwieriger als für kleine ist. Folglich wird der Durchmesser der einzelnen Löcher 51 besonders bevorzugt auf ein Minimum reduziert werden, wobei er bei etwa 0.1 bis 50 um liegt.
Die Verwendung einer Fühlerelementstruktur, die die Vielzahl von Löchern 50 beinhaltet, erzielt mehrere Effekte, die in früheren Fühlerelementstrukturen aus dem Stand der Technik nicht möglich waren. im Gegensatz zur inneren Öffnung 32, die den Sockel 30 umgibt und benötigt wird, damit der biegsame Körper 12 um die Biegeachse 28 rotieren kann, verändert die Vielzahl von Öffnungen 50 die Masse und das Gesamtmoment der oberen Platten 38 und 40. Als Ergebnis wird die natürliche Frequenz erhöht und die Messungsbandbreite erweitert.
Hingegen beeinflußt die Vielzahl der Öffnungen 50 zusätzlich zur Massenänderung ebenso den Durchfluß der Luft, die das Fühlerelement 8 umgibt. Die zuvor zwischen den oberen Platten 38 und 40 und der Oberfläche 14 gefangene "viskose" Luft kann nun durch die einzelnen Öffnungen 50 nach oben strömen. Folglich verringert sich das Gesamtdämpfungsverhältnis des Fühlerelements 8 und die Antwortgeschwindigkeit des Fühlers nimmt zu. Ein letzter Vorteil der Verwendung der Vielzahl von Öffnungen 50 besteht darin, daß die Anzahl und die Größe der Öffnungen 50 während der Fertigung leicht gesteuert werden können, um so einen bestimmten Satz von gewünschten Antworteigenschaften zu erhalten.
Als Ergebnis dieser einzigartigen Ausgewogenheit zwischen der Empfindlichkeit und den Antworteigenschaften wird das Fühlerelement 8 auf seine Resonanzfrequenz von etwa 1-5 KHz in der unten erörterten Arbeitsatmosphäre nicht ansprechen. Ein weiterer bedeutender Vorteil des Fühlerelements 8 besteht darin, daß das hohe Dämpfungsverhältnis ein Fühlerelement mit einer verbesserten Beständigkeit gegen Erschütterungen erzeugt. Wenn das Fühlerelement 8 fallengelassen wird, sollte der biegsame obere Körper 12 weder deformiert noch beschädigt werden. Dieser Effekt wird vom wesentlichen Widerstand des bordotierten Siliziums gegenüber plastischer Deformation durch mechanische Beanspruchung unterstützt. Es wird vorweggenommen, daß das hierin offenbarte Fühlerelement nicht nur die strengen Einsatzbedingungen übersteht, sondern auch die herkömmlichen Gefahren, die mit der Fertigung des Fühlerelements und der nachfolgenden Verarbeitung einhergehen, die für seinen endgültigen Einbau in einen Beschleunigungsmesser benötigt werden, der in einem Stoßfühler, in Automobilen, Flugzeugen usw. verwendet wird. Es wird beabsichtigt, daß die offenbarte Struktur und Zusammenstellung ein Fühlerelement 8 ergibt, das keinen Empfindlichkeitsverlust durch mechanische Erschütterungen erfährt und seinen ursprünglichen Zustand ohne Deformierung oder Schaden beibehält die nämlich die Empfindlichkeit und/oder die Genauigkeit der Vorrichtung beeinträchtigen würden. Im Idealfall wird das Fühlerelement 8 im Falle einer Erschütterung ausreichender Größe zerstört, so daß es eher ausfallen wird als weiterhin einsatzbereit zu sein und dann ungenaue Signale zu liefern, weil es deformiert oder verbogen ist.
Wie vorstehend erwähnt wurde, ist ein bedeutender Vorteil des beanspruchten Fühlerelements gegenüber früheren Fühlerelementen das effiziente und kostengünstige Fertigungsverfahren zu dessen Herstellung. Dieses Verfahren zu seiner Herstellung trägt zu einem Fühlerelement 8 mit größerer Robustheit und höherer Zuverlässigkeit als die Fühlerelemente aus dem Stand der Technik bei. Das Verfahren zur Fertigung des beanspruchten Fühlerelements wird nun unter Bezugnahme auf die Abbildungen 3, 3A-C, 4, 4A, 5, 5A und 5B offenbart werden.
Man beachte, daß obwohl diese Abbildungen das Fertigungsverfahren von drei verschiedenen Blickwinkeln des Fühlerelements 8 zeigen, sie keinen Versuch darstellen, jeden Schritt des Fertigungsverfahrens wiederzugeben. Auch wurden die Ausmaße gewisser Einzelheiten der Zeichnungen zum Zwecke der Klarheit übertrieben. Folglich sollen darin nicht die Größenverhältnisse der Vorrichtung veranschaulicht werden.
Kehrt man zu den Abbildungen 3A und 5A zurück, beginnt das Verfahren zur Fertigung des Fühlerelements 8 mit der Auswahl einer Einkristall-Siliziumwafer 52, die vorzugsweise eine 100 Kristallorientierung besitzt und auf einer einzigen Seite poliert ist. Obwohl die Abbildungen 3A und 5A die Wafer 52 erst nach dem ersten Ätzungsschritt zeigen, wird der Fachmann erkennen, daß der ursprüngliche Zustand dieser Wafern bekannt ist. Die Wafer 52 ist anfänglich zwischen 0.3 und 0.7 Millimeter dick, mit einem Durchmesser zwischen 75 bis 200 Millimeter oder mehr. Vorzugsweise wird die Dicke der Wafer 52 etwa 0.4 bis 0.5 mm betragen. Die Dicke sollte mit größerem Durchmesser zunehmen.
Nach einer herkömmlichen Reinigung wird die Wafer 52 thermisch unter Bildung einer Schicht aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) (nur im Bereich 54) mit einer Dicke von etwa 1000 bis 7000 Å und bevorzugt zwischen 3000 und 4000 Å oxidiert. Die Schicht aus Siliziumdioxid wird als Maske für eine nachfolgende anisotrope Ätzung des Siliziums dienen. Die Wafer 52 wird dann durch herkömmliche Techniken der Photolithographie mit einem Muster versehen, um den Siliziumdioxidbereich 54 dort zu hinterlassen, wo er gewünscht wird. Nach einem herkömmlichen Reinigungsvorgang wird das Eintauchen in Fluorwasserstoffsäure verwendet, um jegliches "natives" Siliziumdioxid zu entfernen, das auf dem Siliziumdioxidbereich 54 entstanden sein könnte.
Die Siliziumwafer 52 wird dann in einem anisotropen Ätzungsmittel wie KOH/NaOH- Lösung angeätzt, um einen dünnen Abschnitt der Siliziummasse, die nicht vom Siliziumdioxidbereich 54 bedeckt ist, abzutragen. Es werden etwa 0.5 bis 10 um Silizium, vorzugsweise 5.0 um entfernt. Ein bevorzugtes anisotropes Ätzungsmittel ist eine KOH/NaOH-Lösung, die drei Kilogramm KOH und 0.316 Kilogramm NaOH in sechs Litern entionisiertem Wasser enthält. Die Wafer 52 verbleibt mit der Lösung des anisotropen Ätzungsmittel über einen Zeitraum in Berührung, der ausreicht, um die gewünschte Vertiefung zu vergeben. Vorzugsweise bleibt die Wafer 52 mit der Lösung zwischen 5 und 30 Minuten bei 70 bis 90ºC im Kontakt, und vorzugsweise von zehn bis zwanzig Minuten bei 60ºC. Besonders bevorzugt wird eine Kontaktzeit von etwa 15 bis 17 Minuten bei 60ºC. Die entstehende Struktur 62 ist in Abbildung 3A dargestellt. Man beachte, daß die gestrichelte Linie in Abbildung 5A die ursprüngliche Dicke der Siliziumwafer 52 vor dem anisotropen Ätzungsschritt zeigt.
Der Siliziumdioxidbereich 54 wird dann unter Verwendung von konzentrierter Fluorwasserstoffsäure abgetragen. Die verbleibende Siliziumwafer 52 und die Struktur 62, siehe die Abbildungen 3A und B, werden dann gereinigt, und es wird eine Diffusionsmaske aus Siliziumnitrid aufgetragen. Diese Diffusionsmaske wird unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zum chemischen Aufdampfen bei Niederdruck (LPCVD) aufgetragen, und sie sollte eine Dicke von 300 Å bis 3000 Å und vorzugsweise eine Dicke zwischen 500 und 1500 Å besitzen. Unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Verfahren wird eine Maske auf die Siliziumnitridschicht aufgetragen und anschließend folgt ein Ätzungsvorgang durch ein Plasma, um das Siliziumnitrid in den Bereichen zu entfernen, wo die Bordiffusion gewünscht ist. Die Siliziumnitridmaske 56 ist in den Abbildungen 3B, 4A und 5B sichtbar.
Man beachte, daß die sorgfältige Steuerung der Maskenöffnung 68 in Abbildung 5B notwendig ist, um eine zufriedenstellende Balance zwischen der Maximierung der Masse der oberen Platten 38 und 40 und der Torsionssteifigkeit bzw. -festigkeit der Torsionsarme 36 zu erhalten. Die Torsionssteifigkeit der Torsionsarme 36 ist ungefähr umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Dicke der Torsionsarme 36. Jedoch beeinflußt auch die Form der Torsionsarme 36 diese Eigenschaft. Die Querschnittsgestalt der Torsionsarme 36 hängt von den Öffnungen der Diffusionsmaske und dem Diffusionsvorgang selbst ab. Allgemein sollte die Weite der Maskenöffnung 68 stets geringer als die Tiefe der Bordiffusion 70 auf den Hauptflächen 72 sein, die dann zum Hauptkörper 34 und den oberen Platten 38 und werden. In den Hauptflächen 72 ist die Tiefe der Bordiffusion unabhängig von der Maskenöffnung 74. Jedoch ist in bezug auf die Maskenöffnung 68 die Tiefe der Bordiffusion von der Größe der Maskenöffnung 68 abhängig. Somit erlaubt die Steuerung der Maskenöffnungen 68 und 74 eine verbesserte Steuerung bei der Bildung der Torsionsarme 36 und somit eine größere Kontrolle der Empfindlichkeit des Fühlerelements 8 gegenüber Beschleunigungen.
Die Steuerung der Maskenöffnung 74 aus Siliziumnitrid beeinflußt die Tiefe der seitlichen und vertikalen Bordiffusion in den massiven Bereichen 72. Die seitliche Diffusion erzeugt abgerundete Kanten 76, wie in den Abbildungen 5B, 5 und 7 gezeigt ist. Obwohl die Größenverhältnisse in den Zeichnungen zum Zwecke der Verständlichkeit übertrieben wurden, sollte die Tiefe der seitlichen Bordiffusion 80 ungefähr gleich der vertikalen Bordiffusiontiefe 82 sein. Die seitliche Diffusionstiefe 80 sollte ihrerseits etwa gleich wie die Entfernung 84 sein, um die der Maskenbereich 56 aus Siliziumnitrid den massiven Bereich 72 überlappt Diese Beziehung ist in Abbildung 7 veranschaulicht.
Nach einer zusätzlichen Reinigung der Maske 56 aus Siliziumnitrid läßt man das Bor in die Siliziumwafer 52 bis zum Grenzwert der festen Löslichkeit an der Oberfläche 64 der exponierten Siliziumwafer 52 diffundieren. Man bevorzugt es, die Oberfläche 64 des Siliziums mit der maximal möglichen Anzahl von Boratomen zu sättigen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Bordiffusion in zwei Schritten, worin der erste Schritt das Silizium mit der gewünschten Menge von Boratomen sättigt und ein zweiter, nachfolgender Diffusionsschritt dieses Bor so verteilt, daß eine gewünschte Verteilung von Boratomen in der Siliziumwafer 52 erreicht wird. Die gewünschte Menge an Boratomen wird mindestens etwa gleich der Dicke des biegsamen Körpers 12 sein, also 1×10 19 cm&supmin;³. Die finale Konzentration des Bors muß mindestens 1×10 19 cm&supmin;³ betragen, andernfalls wird die gewünschte Struktur des biegsamen Körpers 12 nicht erreicht werden. Vorzugsweise findet der erste Diffusionsschritt bei zirka 1000 bis 1200ºC über etwa 0.5 bis 10 Stunden in der Anwesenheit von Stickstoff und einer kleinen Menge Sauerstoff (1 bis 10 Prozent) und einer handelsüblichen Quelle von Bor statt. Besonders bevorzugt ist ein erster Schritt, der sechs Stunden lang bei 1150ºC stattfindet. Eine bevorzugte Borquelle ist "Boron-Plus", das von Owens-Illinois of Toledo, Ohio, USA, erhältlich ist. Der zweite Schritt der Borverteilung wird auch als Diffusionsschritt bezeichnet, und er ist vorzugsweise ein Heizverfahren, das über 0.5 bis 10 Stunden bei 900-1200ºC durchgeführt wird. Besonders bevorzugt ist für den zweiten Diffusionsschritt oder Verteilungsschritt eine Zeitdauer von 3.5 Stunden bei 1000ºC. Nach dem Entfernen der Maske 56 aus Siliziumnitrid wird die Oberfläche 58 anodisch an das Glassubstrat gebunden. Obwohl der Fachmann mit den Verfahren der anodischen Bindung vertraut sein wird, gibt der Artikel "Mechanisms of Anodic Bonding of Silicon to Pyrex Glass" von K. Albaugh et al., 1988 IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop Proceeding, 88TH0215-4, S. 109-110 weitere Einzelheiten wieder.
Dem Verbinden der Oberfläche 58 mit dem Substrat 60 folgt eine Ätzung der Siliziummasse, worin ein Großteil der verbleibenden Siliziumwafer 52 entfernt wird. Dies wird durch die Verwendung einer isotropen oder anisotropen Ätzmittellösung erreicht. Ein geeignetes Ätzmittel wird den Großteil der Siliziumwafermasse 52 entfernen. Eine geeignete Ätzmittellösung wird eine KOH-Lösung sein, die drei Kilogramm KOH in 7 Litern entionisiertem Wasser enthält. Die Wafer bleibt mit der Ätzungslösung über einen Zeitraum von 1.0 bis 5.0 Stunden bei einer Temperatur von 70 bis 100ºC in Berührung, und besonders bevorzugt werden 2.5 Stunden bei 90ºC für eine Wafer mit einer anfänglichen Dicke von 0.4 bis 0.5 Millimeter. Der Ätzung der Masse folgt eine selektive Ätzung in einer Lösung, die drei Kilogramm KOH in sieben Litern entionisiertem Wasser umfaßt, das mit Isopropylalkohol gesättigt ist. Diese Lösung berührt die verbleibende Wafer solange, bis die Wafer 52 klar ist, d.h. bis das Glassubstrat sichtbar ist, gefolgt von einem zusätzlichen Kontakt über 0.5 bis 2. Stunden mit der Lösung, und vorzugsweise von 0.75 Stunden.
Nach der endgültigen Ätzung des Siliziums vom bordotierten biegsamen oberen Körper 12 werden herkömmliche photolithographische Techniken verwendet, um die vorstehend erörterten gewünschten Muster von metallenen Anschlußplatten und -leitern aufzutragen. Man beachte, daß vor der anodischen Bindung herkömmliche Photolithographie- und Abscheidungstechniken verwendet werden, um Chrom und Platin auf dem Glassubstrat abzuscheiden, um feste leitende Platten 16 und 18 zu bilden.
Obwohl nun die Fertigung des beanspruchten Fühlerelements 8 offenbart wurde, wird der Fachmann erkennen, daß das beanspruchte Fühlerelement nachfolgend in einen Beschleunigungsmesser eingebaut werden wird. Man zieht es besonders vor, daß die endgültige Atmosphäre, in der sich das Fühlerelement befinden wird, aus mindestens 95% Stickstoffgas besteht und im wesentlichen frei von Wasserdampf ist. Obwohl das Fühlerelement 8 auch in anderen Atmosphären wirksam ist, stellt die Stickstoffatmosphäre sicher, daß die Viskosität der Atmosphäre konstant bleibt und die gewünschten Antworteigenschaften, insbesondere das Dämpfungsverhältnis nicht beeinträchtigt.
Kehrt man zu Abbildung 1 zurück, wird der Fachmann erkennen, daß mehr als eines der Fühlerelemente 8 der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um das am meisten bevorzugte, vollständig differentielle Fühlerelement 8 für den Beschleunigungsmesser bereitzustellen. Ein solcher Aufbau erlaubt die verschiedenen gegenseitigen Vergleiche der vier Kondensatoren, so daß die Verwendung einer Bezugsspannung überflüssig wird.

Claims

1. Ein kapazitives Fühlerelement (8) für einen Beschleunigungsmesser, das folgendes umfaßt:

Ein Substrat (10) mit einer im wesentlichen planaren oberen Oberfläche (14) mit mindestens zwei darauf befestigten leitenden Platten (16, 18) und einem im wesentlichen planaren, biegsamen darauf angebrachten und parallel zum Substrat ausgerichteten Körper (12), wobei der Körper folgendes umfaßt:

a) Einen am Substrat befestigten und von einer inneren Öffnung (32) im Körper umgebenen Sockel (30);

b) eine erste obere Platte (38) und eine zweite obere Platte (40), die den befestigten leitenden Platten (16, 18) zur Bildung eines ersten und eines zweiten Kondensators entsprechen; und

c) ein Paar entgegengesetzter Torsionsarme (36), die den körper (12) mit dem Sockel (30) verbinden und eine Biegeachse bilden, um die sich die erste und die zweite obere Platte (38, 40) biegen, wobei das gesamte Moment der zweiten oberen Platte (40) um die Biegeachse größer als das gesamte Moment der ersten oberen Platte (38) um die Biegeachse ist, so daß sich der Körper als Antwort auf eine normal zum Fühlerelement stehende Beschleunigung verbiegt, um einen Unterschied in den Kapazitätswerten zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat (10) aus einem dielektrischen Material besteht, und

- der Körper (12) aus bordotiertem Silizium mit einer Einkristallstruktur besteht und eine Vielzahl von Öffnungen (50) besitzt, die sich durch die oberen Platten (38, 40) erstrecken, wobei die Öffnungen einen Dämpfungseffekt erzeugen, der die natürliche Frequenz und die Frequenzantwort des Fühlerelements so modifiziert, daß das Fühlerelement ein Dämpfungsverhältnis von 2 bis 20 und eine Messungsbandbreite von 0 bis 5000 Hz aufweist.

2. Ein Fühlerelement nach Anspruch 1, worin sich die Öffnungen (50) durch den Körper in einer senkrecht zum Substrat verlaufenden Richtung erstrecken und einzelne Durchmesser von 0.1 bis 50 um besitzen.

3. Ein Fühlerelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die erste und die zweite obere Platte (38, 40) nicht identische Massen besitzen, die durch die Größe und die Anzahl der sich dadurch erstreckenden Öffnungen (50) bestimmt werden.

4. Ein Fühlerelement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Dämpfungsverhältnis des Fühlerelements zwischen 2 und 10 liegt.

5. Ein Fühlerelement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Konzentration des Bors im körper größer als 1×10 19 cm&supmin;³ ist.

6. Ein Fühlerelement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Oberkanten der Öffnungen abgerundet sind.