DE69711321T2

DE69711321T2 - Schwingstabbeschleunigungsmesser und Methode zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69711321T2
Application number: DE69711321T
Authority: DE
Inventors: James R. Woodruff
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: US6484578B2; US20010047688A1; US6119520A; US5948981A; EP0840128A1; DE69711321D1; EP0840128B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Erfassung und Messung von Kräften und insbesondere einen verbesserten Beschleunigungsmesser, der einen oder mehrere Schwingkraftwandler zur Messung der an der seismischen Masse anliegenden Kraft beinhaltet. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungsmessers.
Eine verbreitet eingesetzte Technik zur Krafterfassung und -messung verwendet einen mechanischen Resonator, der eine Schwingfrequenz proportional zur anliegenden Kraft aufweist. Bei einem derartigen mechanischen Resonator sind ein oder mehrere längliche Stäbe zwischen einem Instrumentrahmen und einer seismischen Masse angekoppelt, die von einer Biegefeder gehalten wird. An die Stäbe wird eine elektrostatische, elektromagnetische oder piezoelektrische Kraft angelegt, um zu bewirken, daß sie transversal bei einer Resonanzfrequenz schwingen. Der mechanische Resonator ist dafür ausgelegt, daß eine an der seismischen Masse längs einer festen Achse anliegende Kraft eine Dehnung oder Kompression der Stäbe bewirken wird, wodurch die Frequenz der Schwingstäbe geändert wird. Die an der seismischen Masse anliegende Kraft wird durch Messung der Änderung der Schwingfrequenz der Stäbe quantitativ erfaßt.
Vor kurzem wurden Schwinkraftewandler aus einem Körper halbleitenden Materials wie beispielsweise Silizium durch Mikrobearbeitungstechniken hergestellt. Eine Mikrobearbeitungstechnik beinhaltet beispielsweise das Maskieren eines Siliziumkörpers mit einem gewünschten Muster und anschließend das Tiefätzen des Siliziums, um Teile davon zu entfernen. Die resultierende dreidimensionale Sliziumstruktur funktioniert als mechanische Miniaturresonatorvorrichtung, wie beispielsweise ein Beschleunigungsmesser, der eine durch eine Biegefeder aufgehängte seismische Masse beinhaltet. Existierende Techniken zur Herstellung dieser Miniaturvorrichtungen sind in dem US-Patent Nr. 5.006.487, "Method of Making an Electrostatic Silicon Accelerometer", und 4.945.765, "Silicon Micromachined Accelerometers", beschrieben.
Die DE-A-42 13 135 offenbart einen Beschleunigungsmesser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, bei dem ein Rahmen, eine seismische Masse und Biegefedern in einem halbleitenden Substrat ausgebildet werde, während an den Rahmen und die seismische Masse angekoppelte Schwingkraftwandler dafür ausgelegt sind, eine an der seismischen Masse anliegende Kraft zu erfassen. Diser Beschleunigungsmesser weist insbesodere eine symmetrische Gestaltung auf und beinhaltet zwei Schwingstabwandler, die auf der Oberseite beziehungsweise der Unterseite des halbleitenden Substrats positioniert sind. Jeder Wandler umfaßt einen einzelnen Schwingstab, der entweder in einer oberen Schicht oder einer unteren Schicht ausgebildet ist, die das Substrat direkt kontaktiert und einen piezoelektrschen Sensor trägt, der mit einer Oszillatorschaltung verbunden ist.
Ein Artikel von C. BURRER et al. aus dem Journal of Microelectromechanical Systems (Bd. 5, Nr. 2, Seiten 122-130, XP000623556) mit dem Titel "Resonant silicon accelerometers in bulk micromachining technology - An approach" offenbart einen aus zwei gebondeten Wafern hergestellten Beschleunigungsmesser. Der untere, einen Rahmen, einen ersten Teil der seismischen Masse und Gelenke zwischen der seismischen Masse und dem Rahmen beinhaltende Wafer ist aus einem halbleitenden Substrat mit vergrabenen, diskontinuierlichen Siliziumoxidschichten hergestellt, während der obere Wafer einen zusätzlichen Rahmenteil, einen zweiten Teil der seismischen Masse und einen einzelnen Schwingstab beinhaltet, der auf der Oberseite des Wafersandwichs liegt. Der Stab wird elektrothermisch angetrieben und mittels implantierter Piezowiderstände piezoresistiv sensorich erfaßt.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Beschleunigungsmesser, die durch elektrostatische Kräfte angetriebene Schwingstäbe aufweisen. Bei einem Verfahren zur Herstellung derartiger Miniaturbeschleunigungsmesser wird eine dünne Siliziumschicht, in der Größenordnung von etwa 20 Mikrometern dick, epitaktisch auf eine plane Oberfläche eines Siliziumsubstrats aufgewachsen. Die epitaktische Schicht wird geätzt, vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen in einem geeigneten Plasma, um die Schwingkomponenten von einem oder mehreren Schwingkraftwandlern auszubilden (d. h. Schwingstäbe und Elektroden). Die gegenüberliegende Oberfläche des Substrats wird geätzt, um eine seismische Masse auszubilden, die an dem ortsfesten Rahmen durch eines oder mehrere Biegefedergelenke aufgehängt ist. Während die gegenüberliegende Oberfläche des Substrats geätzt wird> wird die epitaktische Schicht typischerweise auf einem elektrischen Potential gehalten, um ein unerwünschtes Ätzen der epitaktischen Schicht zu verhindern. Während des Betriebs des Wandlers werden die Stäbe und Elektroden vom Substrat isoliert, indem eine Diodengrenzschicht zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat unter eine Sperrvorpannunge gesetzt wird. Der Wandler kann dann an eine geeignete Schaltung angekoppelt werden, um die für den Betrieb erforderlichen elektrischen Signale bereitzustellen. Bei Silizium-Schwingstabbeschleunigungsmessern werden die Stäbe beispielsweise kapazitiv an die Elektroden angekoppelt und dann werden sowohl Stäbe als auch die Elektroden mit einer Oszillatorschaltung verbunden.
Das oben beschrieben Verfahren zur Herstellung von Krafterfassungsvorrichtungen leidet unter einer Anzahl von Nachteilen. Ein derartiger Nachteil besteht darin, daß die Stäbe und Elektroden der Schwingkraftwandler oft nicht hinreichend von der darunterliegenden Substrat isoliert sind. Bei hohen Betriebstemperaturen kann beispielsweise elektrische Ladung oder Strom durch die Diodengrenzschicht zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht lecken, wodurch die Leistung des/der Wandler(s) verschlechtert wird. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es schwierig ist, das Substrat zu ätzen, ohne die epitaktische Schicht zu ätzen (sogar wenn die epitaktische Schicht auf einem elektrischen Potential gehalten wird). Dieses unerwünschte Ätzen der epitaktischen Schicht kann die Genauigket des Wandlers reduzieren.
Ein weiterer Nachteil vei vielen existierenden Krafterfassungsvorrichtungen wie beispielsweise Beschleunigungsmessern besteht darin, daß sie oft eine asymmetrische Gestalt haben, wodurch es schwieriger wird, die Beschleunigungsmesser in ein System zu integrieren, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Leistungsfähigkeit. Das Biegefedergelenk der seismischen Masse wird beispielsweise typischerweise auf die der Oberfläche mit den Wandlern gegenüberliegende Oberfläche des Substrats geätzt. Dies erzeugt eine asymmetrische Vorrichtung, bei der die Eingangsachse des Beschleunigungsmessers relativ zu einer Richtung normal zur Oberfläche des Siliziumwafers geneigt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Vorrichtung zum Erfassen und Messen von Kräften mit mechanischen Resonatoren und verbesserte Verfahren zur Herstellung dieser Krafterfassungsvorrichtungen bereit. Diese Verfahren und Vorrichtungen sind bei einer Vielzahl von Anwendungen brauchbar und sind insbesondere zur Messung von Beschleunigungen brauchbar. Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere einen Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung desgleichen gemäß Anspruch 9 vor. Als Variante sieht die vorliegende Erfindung auch einen Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 14 vor.
Weitere interessante und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einer Implementierungsweise der Erfindung umfaßt der Beschleunigungsmesser ein mit einer dünnen aktiven Schicht gekoppeltes Substrat, die jeweils ein halbleitends Material umfassen. Das Substrat weist einen Rahmen und eine seismische Masse auf, die an dem Rahmen durch eine oder mehrere Biegefedern aufgehängt ist. Die aktive Schicht umfaßt einen oder mehrere Schwingkraftwandler, die geeignet mit der seismischen Masse gekoppelt sind, um eine an der seismischen Masse anliegende Kraft zu erfassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Isolierschicht zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht ausgebildet, um die aktive Schicht vom Substrat zu isolieren. Das Vorsehen der separaten Isolierschicht zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht verbessert die elektrische Isolierung zwischen der seismischen Masse und den Wandlern, wodurch ein wirksamer Wandlerbetrieb über einen weiten Temperaturbereich ermöglicht wird.
Bei einer speziellen Konfiguration sind das Substrat und die aktive Schicht aus einem Siliziummaterial gefertigt und die Isolierschicht umfaßt eine dünne Schicht (z. b. etwa 0,1 bis 10,0 Mikrometer) Oxid, wie beispielsweise Siliziumoxid. Die Siliziumoxidschicht behält ihre isolierende Wirkung über einen weiten Temperaturbereich bei, um eine wirksame Wandlerleistung bei beispielsweise hohen Betriebstemperaturen in der Größenordnung von über etwa 70ºC bis 100ºC sicherzustellen. Die Isolierschicht verhindert zusätzlich ein unerwünschtes Ätzen der aktiven Schicht, während das Substrat geätzt wird, wodurch die Genauigkeit der Vorrichtung verbessert wird.
Bei einer bevorzugten Konfiguration wird das Biegefedergelenk der seismischen Masse vorzugsweise nahe oder an der Mitte des Siliziumsubstrats geätzt, das die seismische Masse umfaßt (d. h. im wesentlichen mittig zwischen der ersten und zweiten Oberfläche des Substrats). Diese Anordnung sorgt für eine Einangsachse, die im wesentlichen normal zur Oberfläche des Substrats liegt, wodurch die Ausrichtung verbessert wird.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform umfaßt die Krafterfassungsvorrichtung einen Beschleunigungsmesser zum Messen der Beschleunigung des ortsfesten Rahmens relativ zur seismischen Masse. Bei dieser Ausführungsform umaft die aktive Schicht ein Paar von Schwingkraftwandlern auf beiden Seiten der seismischen Masse. Die Schwingkraftwandler umfassen jeweils erste und zweite parallele Stäbe, die jeweils ein an der seismischen Masse befestigtes erstes Endteil, ein an dem Instrumentrahmen befestigtes zweites Endteil und ein Resonanzteil dazwischen aufweisen. Die Wandler umfassen jeweils außerdem erste und zweite Elektroden, die benachbart zu und seitlich beabstandet zu den ersten und zweiten Stäben positioniert sind. Eine Oszillatorschaltung ist kapazitiv mit den Elektroden gekoppelt, um die Stäbe elektrostatisch in Schwingung zu versetzen und die Größe einer an der seismischen Masse anliegenden Kraft auf der Basis der Schwingfrequenz der Stäbe zu ermitteln.
Der Beschleunigungsmesser der vorliegenden Erfindung wird durch Aufbringen einer Isolierschicht aus Siliziumoxid zwischen dem Siliziumsubstart und der aktiven Schicht hergestellt. Die Siliziumoxidschicht wird vorzugsweise zuerst auf den im wesentlichen planen Oberflächen des Substrats und der aktiven Schicht aufgebracht oder aufgewachsen und dann werden das Substrat und die aktive Schicht durch Bonden verbunden, z. b. durch hohe Temperaturen, so daß die Siliziumoxidschichten das Substrat von der aktiven Schicht isolieren. Bei einer bevorzugten Konfiguration werden Teile der Siliziumwafer entfernt, nachdem sie durch Bonden miteinander verbunden wurden, um ein Substrat von etwa 300 bis 700 Mikrometern und eine durch Bonden damit verbundene vergleichsweise dünne aktive Schicht von etwa 5 bis 40 Mikrometern bereitzustellen. Dann werden die seismische Masse und der Instrumentenrahmen in das Substrat geätzt und die Wandler werden, vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen, in die aktive Schicht geätzt. Die Isolierschicht verhindert ein unerwünschtes Ätzen der Isolierschicht während das Substrat geätzt wird und umgekehrt. Das Ausbilden der Beschleunigungsmesserkomponenten aus den Siliziumwafern, führt dazu, daß die Wandlerstäbe mechanisch mit der seismischen Masse und dem Rahmen gekoppelt sind. Sowohl die Stäbe als auch die Elekroden werden dann an eine geeignete externe Oszillatorschaltung angekoppelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offenbar werden, in der die bevorzugte Ausführungsform ausführlich in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen dargelegt wurde.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht eines Silizium-Mikrobeschleunigungsmessers, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
Fig. 2 ist eine Explosionsansicht des Beschleunigungsmessers von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Beschleunigungsmessers von Fig. 1, die einen exemplarischen Schwingkraftwandlers veranschaulicht;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht des Schwingkraftwandlers von Fig. 3;
Fig. 5 ist eine weitere vergrößerte Ansicht des Schwingkraftwandlers, die die ineinandergreifenden, vorstehenden Finger der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung zum Antreiben des Wandlers von Fig. 3; und
Fig. 7A-7C sind schematische Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einen Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.

BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bezug auf die Figuren nehmend, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente anzeigen, ist ein repräsentatives Krafterfassungssystem oder ein Beschleunigungsmesser 2 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Beschleunigungsmesser 2 ist eine Miniaturbauform, die aus einem Körper aus halbleitendem Material durch Mikrobearbeitungstechniken hergestellt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird der Beschleunigungsmesser 2 vorzugsweise aus einem einkristallinen Siliziumkörper 4 gefertigt, der ein Paar innerer Biegefedern 14, 16 umfaßt, die eine seismische Masse 18 zur Bewegung der seismischen Masse 18 um eine Gelenkachse 20 parallel zur Ebene des Körpers 4 haltern. Die seismische Masse 18 wird sich als Reaktion auf eine anliegende Kraft, wie beispielsweise die Beschleunigung des Fahrzeugs, Flugzeugs oder desgleichen, das den Beschleunigungsmesser 2 beherbergt, um die Glenkachse 20 bewegen. Der Beschleunigungsmesser 2 umfaßt ein Paar von Schwingkraftwandlern 22, 24, die mit der seismischen Masse 18 und dem Körper 4 gekoppelt sind, um an der seismischen Masse anliegende Kräfte zu messen (ausführlich unten erläutert). Eine Oszillatorschaltung 30 (Fig. 6) treibt die Wandler 22, 24 elektrostatisch bei ihrer Resonanzfrequenz an. Wenn eine Kraft an der seismischen Masse 18 anliegt, wird die Masse 18 sich um die Gelenkachse 20 drehen, wodurch auf die Wandler 22, 24 axiale (Druck- oder Zug-)Kräfte einwirken. Die axialen Kräfte ändern die Schingungsfrequenz der Wandler 22, 24 und die Größe dieser Änderung dient als Maß für die anliegende Kraft.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch den Siliziumkörper 4 mit einer oberen Silizium- oder aktiven Schicht 31, die elektrisch von dem darunterliegenden Substrat 32 durch ein Isolierschicht 34 getrennt ist, die auf das Substrat 32 aufgebracht ist (man beachte, daß eine Isolierschicht auch auf die aktive Schicht 31 aufgebracht werden kann, wie in den Fig. 7A-7C gezeigt ist). Die Isolierschicht 34 umfaßt vorzugsweise eine dünne Oxidschicht (z. B. 0,1 bis 10,0 Mikrometer), wie beispielsweise Siliziumoxid. Der Siliziumkörper 4 wird üblicherweise durch Oxidieren der aktiven Schicht 31 und des Substrats 32 und anschließendes Anhaften der zwei Schichten aneinander gebildet. Ein Teil der aktiven Schicht 31 wird entfernt werden, um die Schicht 31 auf die erwünschte Dicke zu bringen. Die Siliziumoxidschicht 34 behält ihre isolierenden Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich bei, um eine wirksame Wandlerleistung beispielsweise bei hohen Betriebstemperaturen in der Größenordnung von 70ºC bis 100ºC zu gewährleisten. Die Isolierschicht 34 verhindert zusätzlich ein unerwünschtes Ätzen der aktiven Schicht, während das Substrat geätzt wird (wie unten ausführlich erläutert wird).
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die seismische Masse 18 aus dem Substrat 32 durch Ätzen eines Schlitzes 42 durch das Substrat und geeignetes Ätzen um die inneren Biegefedern 14, 16 ausgebildet. Der Wandler 22 und die (unten erläuterten) geeigneten elekrischen Kontaktflächen 59, 72 zum Ankoppeln des Wandlers 22 an die Oszillatorschaltung 30 werden auf der aktiven Schicht 31 durch geeignete Ätztechniken ausgebildet, wie beispielsweise reaktives Ionenätzen, anisotropes Ätzen oder dergleichen. Die elektrischen Kontaktflächen 59, 72 werden direkt an die Oszillatorschaltung 30 angekoppelt. Falls erwünscht, können dann die (nicht gezeigten) verbleibenden Teile der aktiven Schicht 31 entfernt werden, um Störungen der aktiven Komponenten zu minimieren.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, werden die inneren Biegefedern 14, 16 vorzugsweise nahe der Mitte des Siliziumsubstrats 32 geätzt (d. h. im wesentlichen mittig zwischen den oberen und unteren Oberflächen 33, 35). Die Biegefedern 14, 16 werden vorzugsweise durch anisotropes Ätzen der Biegefedern in einem geeigneten Ätzmittel wie beispielsweise Kaliumhydroxid geätzt. Diese Anordnung stellt eine Eingangsachse 20 bereit (die Achse, um die die seismische Masse 18 sich als Reaktion auf eine anliegende Kraft dreht), die im wesentlichen normal zur Ebene des Substrats 32 liegt, wodurch die Neigung der Eingangsachse 20 relativ zur seismischen Masse 18 reduziert wird. Die Biegefedern 14, 16 sind vorzugsweise voneinander beabstandet und definieren einen dazwischen zentrierten effektiven Gelenkpunkt 37. Alternativ kann eine (nicht gezeigte) einzelne Biegefeder am Gelenkpunkt 37 ausgebildet werden. Die Biegefedern 14, 16 sind vorzugsweise dafür ausgelegt, eine S-Biegung zu begrenzen. Hierzu werden die Biegefedern 14, 16 eine vergleichsweise kurze Länge aufweisen.
Wieder Bezug auf Fig. 1 nehmend werden der äußere und innere Rahmen 6, 8 auf dem Substrat 32 durch Ätzen von Schlitzen 36, 38 durch das Substrat 32 ausgebildet. Die Schlitze 36, 38 überlappen einander, um die Biegefedern 10, 12 zu bilden, so daß der innere und äußere Rahmen 8, 6 relativ zueinander beweglich sind. Der äußere Rahmen 6 wird üblicherweise an eine (nicht gezeigte) Siliziumdeckplatte gekoppelt, die ihrerseits typischerweise mit einer keramischen oder metallischen (nicht gezeigten) Montageplatte verbunden ist. Da die Montage- und Deckplatte aus verschiedenen Materialien gefertigt sind, werden sie üblicherweise unterschiedliche Wäremausdehnungskoeffizienten besitzen, wenn sie erwärmt werden. Diese thermische Fehlanpassung kann unerwünschte Spannungen und Verformunegn an der Grenzfläche der inneren und äußeren Platte bewirken, wodurch eine geringe Verzerrung des äußeren Rahmens 6 bewirkt wird. Die Biegefedern 10, 12 erlauben es dem inneren Rahmen 8, sich relativ zu dem äußeren Rahmen 6 zu bewegen, um die Verzerrung des inneren Rahmens 8 zu minimieren und dadurch die Auswirkungen der thermischen Fehlanpassung auf die Wandler 22, 24 zu vermindern.
Bezug auf die Fig. 3-5 nehmend, wird nun einer der Schwingwandler 22 ausführlich beschrieben werden. Der Schwingwandler 22 umfaßt ein Paar im großen und ganzen paralleler Stäbe 50, 52, die an vergrößerten oder verbreiterten Endstücken 54, 56 miteinander gekoppelt und durch einen Schlitz 58 voneinander getrennt sind, um eine Stimmgabel mit zwei Enden zu bilden. Die Stäbe 50, 52 werden aus der aktiven Schicht 31 gebildet und sind vom Substrat 32 getrennt, so daß die Stäbe seitlich relativ zu den festen Endstücken 54, 56 zum Schwingen gebracht werden können (unten erläutert). Die Endstücke 56, 54 sind durch Montageflächen 55, 57 geeignet mit der seismischen Masse 18 beziehungsweise dem Körper 4 durch Bonden verbunden. Die verbreiterten Endstücke 54, 56 sind dafür vorgesehen, die Schwingstäbe 50, 52 miteinander zu koppeln. Der Schlitz 58 wird üblicherweise eine Breite von etwa 10 bis 30 Mikrometern und eine Länge von etwa 1000 bis 2000 Mikrometern haben. Es versteht sich jedoch, daß diese Abmessungen abhängig von der Gestaltung variieren können.
Es sollte natürlich beachtet werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die obige und in den Fig. 3-5 gezeigte Stimmgabel mit zwei Enden beschränkt ist. Eine Anordnung mit einer Stimmgabel mit zwei Enden wird jedoch allgemein bevorzugt, weil die Stäbe 50, 52 seitlich in entgegengesetzten Richtungen zueinander angetrieben werden können. Das Antreiben der Stäbe 50, 52 in entgegengesetzten Richtungen minimiert den Energieübertrag von den sich bewegenden Stäben auf den Rest der Komponenten im Beschleunigungsmesser 2, wodurch der Wirkungsgrad des Wandlers zunimmt.
Die Wandler 22, 24 umfassen außerdem einen elektrostatischen Antrieb, um die Stäbe 50, 52 bei der Resonanzfrequenz zum seitlichen Schwingen zu bringen. Der elektrostatische Antrieb umfaßt ein Paar länglicher Elektroden 62, 64, die jeils auf einer Seite der Stäbe 50, 52, angeordnet sind. Die Elektroden 62, 64 sind im großen und ganzen parallel und von den Stäben 50, 52 seitlich durch eine Lücke 66 beabstandet. (siehe Fig. 5). Die Elektroden 62, 64 werden aus der aktiven Schicht 31 geätzt und mit einem geeigneten leitfähigen Material dotiert, um die notwendigen Ladungsträger zu erzeugen und das Schließen des Stromkreises zu erleichtern. Die Elektroden 62, 64 können alternativ aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Gold geformt sein, das mit der aktiven Schicht 31 durch Bonden verbunden ist.
Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, wird jede Elektrode 62, 64 von einem Paar Tragarme 68, 70 getragen, die sich seitlich von den Stäben weg erstrecken. Einer der Tragarme 68 jeder Elektrode 62, 64 ist mit einer Kontaktfläche 72 zum elektrischen Ankoppeln der Elektroden 62, 64 an die Oszillatorschaltung 30 gekoppelt (siehe Fig. 5). Die Montagefläche 57 ist an einen Arm 53 angekoppelt, der die Stäbe 50, 52 mit einem Kontaktfläche 59 elektrisch koppelt. Die Kontaktfläche 59 wird geeignet an die Oszillatorschaltung 30 angekoppelt, um den elektrischen Stromkreis mit den Elektroden 60, 62 und den Stäben 50, 52 zu schließen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann das Substrat 32 auch eine Kontaktfläche 61 für die elektrische Verbindung des Substrats 32 mit Masse umfassen. Die Kontaktflächen 59, 61 und 72 sind aus einem geeigneten leitfähigen Material wie beispielsweise Gold gefertigt.
Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Stäbe 50, 52 jeweils eine Mehrzahl von Fingern 80 umfassen, die von der seitlichen Fläche 81 jedes Stabes 50, 52 zur entsprechenden Elektrode 62, 64 hin vorstehen. Gleichermaßen umfassen die Elektroden 62, 64 jeweils eine Mehrzahl von Fingern 82, die seitlich nach innen vorstehen, so daß die Stabfinger 80 und die Elektrodenfinger 82 ineinandergreifen. Die Finger 80, 82 sind jeweils so bemessen, daß ihre Enden 84 die Stäbe 50, 52 oder Elektroden 62, 64 nicht berühren, wenn die Stäbe 50, 52 relativ zu den Elektroden 62, 64 seitlich zum Schwingen gebracht werden. Die Finger 80, 82 werden üblicherweise eine Länge von etwa 20 bis 60 Mikrometern und vorzugweise von etwa 35 bis 45 Mikrometern aufweisen, so daß die Finger 80, 82 einander in seitlicher Richtung um etwa 2-10 Mikrometer überlappen. Die Elektrodenfinger 82 und die Stabfinger 80 sind axial voneinander um einen geeigneten Abstand beabstandet, um zwischen sich eine elektrisch Kapazität bereitzustellen. Die Elektroden- und Stabfinger 82, 80 werden üblicherweise um etwa 2 bis 10 Mikrometer und vorzugweise etwa 4 bis 8 Mikrometer voneinander beabstandet sein. Da die Stabfinger 80 axial von den Elektrodenfingern 82 beabstandet sind, wird der Abstand zwischen diesen Fingern im großen und ganzen konstant bleiben, wenn die Stäbe 50, 52 in seitlicher Richtung schwingen.
Eine elektrostatische Kraft ist im allgemeinen proportional zum Quadrat der Ladung, die proportional zum Quadrat der Spannung und der Kapazität zwischen dem Stab und der Elektrode ist. Die Kapazität ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen dem Stab und der Elektrode. Dementsprechend ist die elektrostatische Kraft proportional zum Quadrat der Spannung und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen Stab und Elektrode. Änderungen des Abstandes zwischen Stab und Elektrode werden daher typischerweise die elektrostatische Kraft ändern. Tatsächlich wirkt diese Änderung der elektrostatischen Kraft häufig als elektrische Feder, die der elastischen Kraft oder der mechanischen Feder des Stabs entgegenwirkt, um die Resonanzfrequenz zu erniedrigen. Wenn beispielsweise der Stab aus seiner Ruhestellung näher an die Elektrode rückt, nimmt die elektrostatische Kraft zu, wobei die Kraftänderung der elastischen Kraft des Stabs entgegenwirkt. Wenn der Stab sich aus seiner Ruhestellung von der Elektrode wegbewegt, nimmt die elektrostatische Kraft ab, wobei die Kraftänderung wieder der elastischen Rückstellkraft des Stabs entgegenwirkt. Dies erniedrigt die Resonanzfrequenz des Stabs um einen Faktor, der in Beziehung zur Größe der Vorspannung steht. Dementsprechend ist die Resonanzfrequenz des Stabs allgemein auf Änderungen der Vorspannung empfindlich.
Bei der vorliegenden Erfindung bleibt der Abstand zwischen den ineinandergreifenden Stab- und Elektrodenfingern 80, 82 im wesentlichen konstant, wenn die Stäbe 50, 52 relativ zu den ortsfesten Elektroden 62, 64 schwingen. Die elektrostatische Kraft zwischen den Stäben und den Elektroden ist im allgemeinen proportional zur Änderung der Kapazität mit dem Abstand. Da die Kapazität zwischen ineinandergreifenden Elektroden- und Stabfingern sich linear mit der Bewegung der Stäbe ändert, wird die elektrostatische Kraft im wesentlichen konstant bleiben, wenn die Stäbe sich zu den Elektroden hin- und von ihnen wegbewegen. Demgemäß wird die elektrostatische Kraft während der Schwingung der Stäbe 50, 52 im wesentlichen konstant bleiben und daher nicht gegen die mechanische Feder der Stäbe 50, 52 wirken, um die Resonazfrequenz zu erniedrigen. Die Empfindlichkeit auf Änderungen der Vorspannung nimmt daher bei der vorliegenden Erfindung ab. Die Anmelderin hat herausgefunden, daß diese Empfindlichkeit im Vergleich zu einem ähnlichen Resonator, der die ineinandergreifenden Finger nicht beinhaltet, um das 5 bis 10-fache reduziert ist. Ein Reduzieren der Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz auf Änderungen der Vorspannung erhöht die Genauigkeit des Schwingkraftwandlers. Dies gestattet es zusätzlich, daß der Wandler bei höheren Vospannungspegeln effektiv arbeitet, wodurch ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis resultiert und in der Oszillatorschaltung weniger Verstärkung benötigt wird. Üblicherweise wird eine Vorspannung von etwa 5 bis 100 Volt an die Elektroden 62, 64 und die Stäbe 50, 52 angegelegt und vorzugweise werden zumindest 50 Volt an die Elektroden und Stäbe angelegt.
Fig. 6 zeigt eine repräsentative Oszillatorschaltung 30, in der die Schwingstäbe 50, 52 der Wandler 22, 24 als Resonator arbeiten. Ein Transimpedanzverstärker 104 wandelt einen von den Schwingstäben 50, 52 empfangenen Sensorstrom in eine Spannung um. Diese Spannung wird von einem Bandpassfilter 106 gefiltert, das Rauschen vermindert, und ihre Amplitude wird durch einen Amplitudenbegrenzer 108 begrenzt. Das resultierende Signal wird mit dem Ausgang oder der Gleichspannungs-Vorspannung aus einer Gleichspanungsquelle 102 in einer Summierstelle 100 kombiniert. Die Gleichspannungs-Vorspannung erzeugt eine Kraft zwischen den Elektroden 62, 64 und den Stäben 50, 52. Das Signal aus dem Amplitudenbegrenzer 108 moduliert diese Kraft und bewirkt, daß die Stäbe 50, 52 bei ihrer Resonanzfrequenz seitlich schwingen. Diese seitliche Stabbewegung erzeugt ihrerseits den Sensorstrom. Ein Ausgangspuffer 110 isoloiert den Oszillator von externen, an einen Ausgang 112 der Oszillatorschaltung 30 angeschlossenen Leitungen. Die Verstärkung in der Oszillatorschaltung 30 hält die Schwingung der Stäbe 50, 52 in Gang.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, werden an der seismischen Masse 18 anliegende Kräfte bewirken, daß die seismische Masse 18 sich um die Gelenkachse 20 dreht. Diese Drehung erzeugt eine Axialkraft auf die Wandler 22, 24. Die an den Wandlern 22, 24 anliegende Axialkraft ändert proportional die Schwingungsfrequenz der Stäbe 50, 52 in jedem Wandler 22, 24. Um Änderungen der Schwingfrequenz der Stäbe 50, 52 zu minimieren, die nicht mit der anliegenden Kraft in Beziehung stehen, ist es vorteilhaft, aus der Schwingbewegung der Stäbe 50, 52 eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit zu erhalten. Die Schwinggeschwindigkeit ist allgemein proportional zum Resonanzverstärkungsfaktor (Q) und daher gilt es allgemein als nutzbringend, das Q der Schwingwandler 22, 24 zu maximieren. Q wird typischerweise durch teilweises Evakuieren des Beschleunigungsmessers 2 zur Reduzierung der Dämpfung der Stäbe 50, 52 maximiert. Dies ist der Fall, weil die Luft zwischen den sich bewegenden Stäben 50, 52 und den Elektroden 62, 64 die Bewegung der Stäbe 50, 52 zu den Elektroden 62, 64 hin dämpft. Andererseits ist es auch wünschenswert, eine Gasdämpfung der seismischen Masse 18 vorzusehen, um die Schwingng der seismischen Masse 18 zu minimieren, die keinen Bezug zur anliegenden Kraft hat. Falls beispielsweise eine Kraft an der Masse 18 in Vakuum oder annähernd Vakuum anläge, würde die Masse 18 fortfahren, um die inneren Biegefedern 14, 16 vor- und zurückzuschwingen, bis sie schließlich langsamer werdend zum Halten käme. Auch kann durch Schwingungen in der Umgebung (andere als die anliegende Kraft) eine unerwünschte Resonanz bewirkt werden, die die seismische Masse zum Oszillieren bringt. Gasdämpfung der seismischen Masse 18 minimiert diese unerwünschten Oszillationen.
Die Anmelderin hat herausgefunden, daß ineinandergreifende Stab- und Elektrodenfinger 80, 82 die Dämpfung der Stäbe 50, 52 bei Drücken über Vakuum in der Größenordnung des 5 bis 10-fachen erniedrigen. Die Wandler 22, 24 der vorliegenden Erfindung arbeiten tatsächlich effektiv in Luft mit wesentlich höheren Druckpegeln als Vakuum (in der Größenordnung von 1/10 bis 1 Atmosphäre). Die Anmelderin glaubt, daß dies der Fall ist, weil ein Teil der Luft zwischen den Stäben 50, 52 und Elektroden 62, 64 sich in den axialen Lücken zwischen den Stab- und Elektrodenfingern 80, 82 befindet. Da die Finger 80, 82 sich nicht zueinander hin- und voneinander wegbewegen, trägt dieser Teil der Luft wesentlich weniger zu der Dämpfung der Stäbe 50, 52 bei. Dementsprechend können die Wandler 22, 24 bei Atmosphärenruck betrieben werden, wodurch es ermöglicht wird, daß die seismische Masse 18 gasgedämpft wird, um unerwünschte Schwingungen der seismischen Masse 18 zu minimieren.
Bezug auf die Fig. 7A-7C nehmend wird nun das Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungsmessers 2 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Als erstes wird eine Isolierschicht aus Siliziumoxid auf das Substrat 32, die aktive Schicht 31 oder beide aufgebracht. Vorzugweise wird eine Oxidschicht 120 auf im wesentlichen flache Oberflächen von Siliziumwafern 122, 124 wie in Fig. 7A gezeigt epitaktisch aufgewachsen. Die Siliziumwafer 122, 124 werden dann, vorzugweise durch molekulares Bonden bei erhöhten Temperaturen (z. B. in der Größenordnung von etwa 300ºC bis 500ºC), aneinandergefügt (siehe Fig. 7B). Bei einer bevorzugten Konfiguration werden Teile der Siliziumwafer 122, 124 entfernt werden, nachdem sie durch Bonden miteinander verbunden wurden, um ein Substrat 32 mit einer Dicke von etwa 300 bis 700 Mikrometern, vorzugweise von etwa 400 bis 600 Mikrometern, und eine relativ dünne aktive Schicht 31 von etwa 5 bis 40 Mikrometern, vorzugweise von etwa 10 bis 30 Mikrometern, bereitzustellen (siehe Fig. 7C).
Die seismische Masse 18 und die Instrumentrahmen 6, 8 werden dann so in das Substrat 32 geätzt, daß die seismische Masse 18 am inneren Rahmen 8 durch die Biegefedern 14, 16 aufgehängt ist, und die Wandler 22, 24 werden in die aktive Schicht 31 geätzt (siehe Fig. 1 und 2). Die Isolierschicht 34 verhindert ein unerwünschtes Ätzen der Wandler 22, 24 während das Substrat 32 geätzt wird und umgekehrt. Der erste und der zweite parallele Stab 50, 52 werden vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen in die aktive Schicht 31 geätzt. Die Elektroden 62, 64 werden aus der aktiven Schicht 31 geätzt und mit einem geeigneten leitfähigen Material dotiert, um die notwendigen Ladungsträger zu erzeugen und das Schließen des elektrischen Stromkreises zu erleichtern. Nachdem die Beschleunigungsmesserkomponenten in den Siliziumwafern 122, 124 ausgebildet sind, werden die Stäbe 50, 52 mechanisch an die seismische Masse 18 und den inneren Rahmen 8 gekoppelt und die Elektroden 62, 64 werden kapazitiv an die Oszillatorschaltung 30 angekoppelt. Auch wenn die vorstehende Erfindung zum Zweck der Klarheit ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich, daß innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche Modifizierungen vorgenommen werden können.

Claims

1. Beschleunigungsmesser mit:

einem Rahmen (8), einer seismischen Masse (18) und einer oder mehreren Biegefedern (14, 16), die in einem halbleitenden Substrat (32) ausgebildet sind, so daß die seismische Masse (18) an dem Rahmen durch die eine oder mehreren Biegefedern aufgehängt ist, und einem oder mehreren Schwingkraftwandlern (22, 24), die in einer halbleitenden aktiven Schicht (31) ausgebildet sind, so daß die Wandler in der Lage sind, eine an der seismischen Masse (18) anliegende Kraft zu erfassen, wobei der Beschleunigungsmesser dadurch gekennzeichnet ist, daß er außerdem folgendes umfaßt:

eine Isolierschicht (34) zwischen dem halbleitenden Substrat (32) und der aktiven Schicht (31), wobei jeder der Schwingkraftwandler in der aktiven Schicht ausgebildete erste und zweite parallele Stäbe (50, 52) und erste und zweite Elektroden (62, 64) umfaßt, die benachbart zu und lateral beabstandet von den ersten und zweiten Stäben (50, 52) angeordnet sind, wobei jeder Stab jeweils ein erstes und zweites Endteil (56, 54) und dazwischen ein Resonanzteil aufweist, wobei die ersten Endteile (56) mechanisch an die seismischen Masse (18) angekoppelt sind und die zweiten Endteile (54) mechanisch an den Rahmen (8) gekoppelt sind.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei jeder Stab (50, 52) und jede benachbarte Elektrode (62, 64) mit lateralen Stabfingern (80) beziehungsweise lateralen Elektrodenfingern (82) versehen sind, wobei die Stabfinger (80) und die Elektrodenfinger (82) axial voneinander beabstandet in einer ineinandergreifenden Beziehung zueinander stehen, um die Schwankung der elektrostatischen Antriebskraft zu reduzieren.

3. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem mit einer Oszillatorschaltung (30), die elektrisch an die Schwingkraftwandler (22, 24) angekoppelt ist.

4. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (32) und die aktive Schicht (31) aus einem ersten beziehungsweise einem zweiten Siliziumwafer (122, 124) mit gegenüberliegenden planen Flächen gefertigt sind und wobei die Isolierschicht durch Bonden, vorzugsweise Wärmebonden, von Siliziumoxidschichten (120) hergestellt wird, die auf die planen Oberflächen des ersten und zweiten Wafers aufgebracht sind.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, wobei die Siliziumoxidschichten (120) epitaktisch auf der ebenen Oberfläche des ersten und zweiten Wafers aufgewachsen sind.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4 und 5, wobei der erste Siliziumwafer (32, 122) geätzt wird, um die seismische Masse (18) und den Rahmen (8) auszubilden, und der zweite Siliziumwafer (31, 124) geätzt wird, um ein Paar der Schwingkraftwandlern (22, 24) auszubilden.

7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, wobei in dem ersten Siliziumwafer (32, 122) ein oder mehrere Biegefedern (14, 16) geätzt werden, um die seismische Masse (18) drehbar an den Rahmen (8) zu koppeln, wobei die Biegefedern (14, 16) im wesentlichen mittig zwischen den gegenüberliegenden Flächen der aktiven Schicht. (31) und des Substrats (32) angeordnet sind.

8. Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der erste Siliziumwafer (122) eine Dicke von etwa 300 bis 700 Mikrometern aufweist und der zweite Siliziumwafer (124) eine auf etwa 5 bis 40 Mikrometern reduzierte Dicke aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungsmessers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen von ersten und zweiten Siliziumwafern (122, 124), die jeweils eine im wesentliche plane Oberfläche aufweisen,

Aufbringen einer Siliziumoxidschicht (120) auf den planen Oberflächen des ersten und zweiten Siliziumwafers (122, 124),

Bonden der Siliziumoxidschichten (120) miteinander, so daß die Siliziumwafer (122, 124) gekoppelt und durch eine Isolierschicht voneinander isoliert werden, Ätzen des ersten Siliziumwafers (32, 122), um die seismische Masse (18) und den Rahmen (8) auszubilden, Ätzen des zweiten Siliziumwafers (31, 124), um zumindest einen Schwingkraftwandler (22, 24) auszubilden durch Ätzen von ersten und zweiten parallelen Stäben (50, 52) in dem zweiten Siliziumwafer (31, 124), die jeweils erste und zweite Endstücke (54, 56) und einen Resonanzteil zwischen ihnen aufweisen, und durch Ätzen von ersten und zweiten Elektroden (62, 64) in dem zweiten Siliziumwafer (31, 124), wobei die Elektroden so positioniert sind, daß sie an die ersten und zweiten Stäbe (50, 52) angrenzen und seitlich von ihnen beabstandet sind, und

mechanisches Koppeln der ersten Endteile mit der seismischen Masse (18) und der zweiten Endteile mit dem Rahmen (8).

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Aufbringens einer Siliziumoxidschicht (120) den Schritt des epitaktischen Aufwachsens von Siliziumoxid (120) auf den planen Oberflächen der Siliziumwafer (122, 124) umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Bondingschritt den Schritt des Zusammensetzens der Siliziumoxidschichten (120) und des Beaufschlagens mit Wärme umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Prozeß außerdem den Schritt des Entfernens eines Teils der Siliziumwafer (122, 124) umfaßt, so daß der erste Siliziumwafer (122) eine Dicke von etwa 300 bis 700 Mikrometern und der zweite Siliziumwafer (124) eine Dicke von etwa 5 bis 40 Mikrometern aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 mit dem Schritt des Ätzens von ein oder mehreren Biegefedern (14, 16) in dem ersten Siliziumwafer (32, 122), um die seismische Masse (18) drehbar an den Rahmen (8) zu koppeln, wobei die Biegefedern (14, 16) im wesentlichen mittig zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der aktiven Schicht (31) und des Substrats (32) angeordnet sind.

14. Beschleunigungsmesser, der nach einem Verfahren mit folgenden Schritten hergestellt wird:

Ausbilden eines Rahmens (8), einer seismischen Masse (18) und einer oder mehrerer Biegefedern (14, 16) in einem halbleitenden Substrat (32) mit einer planen Oberfläche, so daß die seismische Masse (18) an dem Rahmen durch die einen oder mehreren Biegefedern aufgehängt ist, und

Ausbilden von einem oder mehreren Schwingkraftwandlern (22, 24) in einer halbleitenden aktiven Schicht (31) mit einer planen Oberfläche, so daß die Wandler in der Lage sind, eine an der seismischen Masse anliegende Kraft zu erfassen,

wobei der Beschleunigungsmesser dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfahren außerdem folgende Schritte umfaßt:

Aufbringen einer Isolierschicht (34) zwischen den planen Oberflächen des halbleitenden Substrats (32) und der halbleitenden aktiven Schicht (31),

Ätzen des Stabs (50, 52) von jedem einzelnen Schwingkraftwandler in der aktiven Schicht (31, 124), wobei der Stab erste und zweite Endteile (54, 56) und dazwischen ein Resonanzteil aufweist,

Ätzen der entsprechenden Schwingkraftwandlerelektrode (62, 64) in der aktiven Schicht (31, 124), wobei die Elektrode benachbart zu und lateral beabstandet von dem Stab (50, 52) ist, und

mechanisches Koppeln des ersten Endteils des Stabs an die seismische Masse (18) und des zweiten Endteils des Stabs an den Rahmen (8).

15. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 14, wobei jeder Stab (50, 52) und jede benachbarte Elektrode (62, 64) mit lateralen Stabfingern (80) beziehungsweise lateralen Elektrodenfingern (82) versehen sind, wobei die Stabfinger (80) und die Elektrodenfinger (82) axial voneinander beabstandet in einer ineinandergreifenden Beziehung zueinander stehen, um die Schwankung der elektrostatischen Antriebskraft zu reduzieren.

16. Beschleunigungsmesser nach entweder Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei das Substrat und die aktive Schicht aus einem ersten beziehungsweise zweiten Siliziumwafer (122, 124) gefertigt werden und die Isolierschicht durch Bonden von epitaktisch auf den planen Oberflächen des ersten und zweiten Siliziumwafers (122, 124) aufgewachsenen Siliziumoxidschichten (120) erhalten wird.