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Die Erfindung betrifft die Herstellung
von mikromechanischen, aus Silizium hergestellten Beschleunigungsmessern,
insbesondere von Beschleunigungsmessern für Anwendungen zur Unterstützung der
Navigation in Luftfahrzeugen.
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Genauer betrifft die Erfindung einen
Beschleunigungsmesser auf der Grundlage eines Resonators, bei dem
eine mikro-materialbearbeitete seismische Masse über einen schwingungsfähigen Träger, der
ebenfalls mikro-materialbearbeitet ist, mit einem festen Rahmen,
der einen Teil des Gehäuses des
Beschleunigungsmessers bildet, verbunden ist. Der Träger wird
durch das Gewicht der seismischen Masse einer mechanischen Spannung
ausgesetzt, und die Schwingung des Trägers wird elektrostatisch mittels
eines Schwingkreises erregt, der einen Kondensator mit einem beweglichen
Belag umfasst, wobei die Position des Trägers die Position des Belags bestimmt.
Das elektrische Feld, das von dem Schwingkreis an den Kondensator
angelegt wird, hat das Bestreben, den Träger zu verlagern, und die Verlagerung
des Trägers
verändert
die Kapazität
des Kondensators des Schwingkreises; die Rückkopplung des Schwingkreises
ist derart, dass bei einer Eigenschwingungsfrequenz des Trägers eine
mechanische und . elektrische Resonanz auftritt. Die Resonanzfrequenz,
d. h. die Frequenz, bei welcher der Träger gesetzmäßig zur selbsthaltenden Schwingung übergeht,
hängt von
der mechanischen Spannung ab, der er in Längsrichtung unterliegt, wie
beispielsweise bei einer Saite eines Musikinstruments. Diese mechanische
Spannung hängt
ihrerseits von der Beschleunigung ab, welcher die seismische Masse,
die die Spannung bewirkt, ausgesetzt ist. Eine Frequenzmessung in
dem Schwingkreis stellt dann eine Beschleunigungsmessung dar.
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Ein derartiger mikromechanischer
Beschleunigungsmesser ist folglich eine Kombination aus mechanischer
Struktur (seismische Masse, schwingungsfähiger Träger, weitere Aufhängungsarme,
festes Gehäuse)
und elektrischer Struktur (Kondensatorbeläge, stromführende Verbindungen sowie eine externe
Schaltungsanordnung, um einen Schwingkreis zu verwirklichen).
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Die Eigenschaften, die von einem
derartigen Beschleunigungsmesser erwartet werden, sind insbesondere
ein geringer Raumbedarf, eine gute Empfindlichkeit längs einer
wohl identifizierten Achse zur Beschleunigungsmessung, die als empfindliche
Achse bezeichnet wird, eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen
in Richtung von Achsen senkrecht zur empfindlichen Achse, eine gute
Linearität
und eine gute Genauigkeit der Beschleunigungsmessung, eine gute
mechanische Widerstandsfähigkeit,
sowohl bei Beschleunigungen oder bei Stößen in Richtung der empfindlichen
Achse, als auch in den Querrichtungen, und schließlich niedrige
Herstellungskosten.
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Die Kosten werden umso stärker vermindert, als
eine losweise Fertigung Anwendung finden kann, weshalb an Verfahren
zur Bearbeitung von Silizum gedacht worden ist, die von Technologien
für die
Herstellung von integrierten Schaltungen abgeleitet sind.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden,
insbesondere die seismische Masse und ihre Aufhängung gleichzeitig aus Silizium
herzustellen, wobei der Rest des Beschleunigungsmessers aus Quarz
ist, der ebenfalls mikro-bearbeitet werden kann, wobei die elektrischen
Beläge,
die auf dem Quarz abgelagert sind, der aktiven Siliziumplatte zugewandt
sind. Es waren Nachteile dieser Mischstrukturen festzustellen, insbesondere
auf Grund der Tatsache, dass sie die Verwirklichung der elektrischen
Teile des Resonators erschweren.
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Außerdem sind Strukturen mikromechanischer
Beschleunigungsmesser aus Silizium vorgeschlagen worden, bei denen
der schwingungsfähige Träger einen
mechanisch verformbaren Träger
bildet, der einen Dehnungsmessstreifen trägt, der in eine Schaltung eingegliedert
ist, die Veränderungen
des Widerstands erfassen und verstärken kann, um sie zu einer
elektrostatischen Steuerung des Trägers zurückzukoppeln. Diese Struktur
weist den Vorteil auf, Probleme einer elektrischen Kopplung zwischen
den Elementen, die nicht wirklich an der Messschaltung beteiligt
sind, zu vermeiden; jedoch ist die Herstellung komplizierter, insbesondere
deshalb, weil Dehnungsmessstreifen und Anschlüsse für die elektrische Schaltung
erforderlich sind. In diesem Fall ist nur eine der Platten elektrisch
aktiv, während
die übrigen
Platten vor allem als Abschlusshaube dienen. Außerdem werden durch die Verwendung
von ungleichartigen Materialien Fehler herbeigeführt.
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Die vorliegende Erfindung hat zum
Ziel, eine neuartige Struktur eines mikromechanischen Beschleunigungsmessers
unter Anwendung der Siliziumtechnologie vorzuschlagen. Dieser mikromechanische
Beschleunigungsmesser umfasst drei mikro-materialbearbeitete, leitfähige Siliziumplatten,
die mit dazwischengesetzten Isolationsschichten übereinandergelötet sind,
wobei die zentrale Platte einen beschleunigungsempfindlichen Teilaufbau
und einen am Rand entlangführenden
Rahmen enthält,
der elektrisch von dem Teilaufbau isoliert ist und um den Teilaufbau
herumführt,
wobei dieser Rahmen das Zwischenstück zwischen einer unteren Platte
und einer oberen Platte bildet, von denen er ebenfalls elektrisch
isoliert ist. Der Teilaufbau umfasst einen Fuß, der auf der unteren Platte
befestigt ist, und eine seismische Masse, die freitragend an dem
Fuß aufgehängt ist,
wobei eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Platte und
dem Fuß des
Teilaufbaus hergestellt ist. Die Aufhängung der seismischen Masse
umfasst einerseits einen mittig angeordneten, schwingungsfähigen Träger, der
mit der seismischen Masse und dem Fuß verbunden ist und im Wesentlichen
in der horizontalen Ebene einer Oberseite der seismischen Masse
platziert ist, und andererseits zwei kurze seitliche Aufhängungsarme,
die mit dem Fuß verbunden
sind und auf beiden Seiten des mittigen Trägers platziert sind, jedoch
in einer horizontalen Ebene, die im Wesentlichen durch den Schwerpunkt
der seismischen Masse führt.
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Der Ausdruck "horizontale Ebene" wird hier aus praktischen Gründen verwendet,
um die zu den drei Siliziumplatten parallele Ebene zu bezeichnen, wobei
vorausgesetzt wird, dass der Beschleunigungsmesser so platziert
ist, dass die Platten horizontal sind (die gemessenen Beschleunigungen dann
auf Grund der Tatsache, dass die Achse im Wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche
der Platten ist, vertikal sind).
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Der Fuß des seismischen Teilaufbaus
(und oder der seismischen Masse hat vorzugsweise in der Draufsicht
eine U-Form, wobei das Innere des U der seismi schen Masse (oder
umgekehrt dem Fuß)
zugekehrt ist, wobei der schwingungsfähige Träger mit der Mitte des U verbunden
ist und die seitlichen Aufhängungsarme
mit den Enden der Schenkel des U verbunden sind. Diese U-Form ermöglicht,
Aufhängungsarme
zu verwirklichen, die im Vergleich zur Länge des schwingungsfähigen Trägers kurz
sind.
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Mit dem Ziel, eine Biegebeanspruchung
des schwingungsfähigen
Trägers
weitestgehend zu vermeiden, befindet sich der Befestigungspunkt
dieses Trägers
an der seismischen Masse vorzugsweise im Wesentlichen lotrecht über einer
fiktiven Drehachse der seismischen Masse um die durch die Aufhängungsarme
gebildete Befestigung. Mit anderen Worten: Wenn angenommen wird,
dass bei einem Fehlen der Verbindung zu dem schwingungsfähigen Träger die
seismische Masse nur über
die seitlichen Aufhängungsarme
mit dem Fuß verbunden
ist, verhält
sich die Aufhängung
in etwa wie eine horizontale Drehachse, um die sich die Masse drehen
kann, wobei es so eingerichtet wird, dass der Befestigungspunkt
des schwingungsfähigen
Trägers
an der seismischen Masse in etwa senkrecht zu dieser Achse ist.
Dadurch werden Biegeverformungen des schwingungsfähigen Trägers weitestgehend
eingeschränkt.
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Es kann jedoch auch vorgesehen werden, dass
sich eher die Mitte des schwingungsfähigen Trägers im Wesentlichen senkrecht
zur Drehachse befindet, wenn bevorzugt die thermische Stabilität des Sensors
begünstigt
werden soll.
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Die Erregung dieses Beschleunigungsmessers
erfolgt, indem einerseits die obere Platte und andererseits die
untere Platte mittels Kontaktierstellen, die auf dem Silizium der
beiden Platten ausgebildet sind, an einen Schwingkreis angeschlossen
werden. Die über
eine Kontaktierstelle auf der unteren Platte an diese Platte angelegte
elektrische Spannung wird durch die Leitung des Siliziums bis zu
dem schwingungsfähigen
Träger übertragen,
der einen Belag (aus leitfähigem
Silizium) eines Kondensators bildet, der einem Abschnitt der oberen
Platte, ebenfalls aus leitfähigem
Silizium, gegenüberliegt,
der den anderen Belag des Kondensators bildet, wobei dieser andere
Belag ebenfalls durch die direkte Leitung des Siliziums mit einer
Kontaktierstelle auf der oberen Platte elektrisch verbunden ist.
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Es ist nicht erforderlich, leitfähige Ablagerungen
auf den Siliziumplatten vorzusehen, um die Kondensatorbeläge zu bilden.
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Die mittige Platte ist vorzugsweise über eine Kontaktierstelle
auf dem Silizium mit einem festen Potential verbunden, was ermöglicht,
durch eine kapazitive Abschirmungswirkung kapazitive Übertragungen
von hochfrequenten Strömen
zwischen der oberen Platte und der unteren Platte zu vermeiden.
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Dies ist insbesondere in einer Konfiguration möglich, in
welcher der am Rand entlangführende Rahmen
durch Wegätzen
des Siliziums der mittigen Platte über die gesamte Dicke dieser
zwischen dem Rahmen und dem Teilaufbau (entlang des gesamten Umfangs
dieses Letzteren) körperlich
vollständig
von dem seismischen Teilaufbau getrennt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlich,
die sich auf die beigefügte Zeichnung
bezieht, worin
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1 das
Prinzip der Gelenkverbindung der seismischen Masse des Beschleunigungsmessers zeigt;
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2 einen
Schnitt eines Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung zeigt;
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3 eine
Draufsicht auf die mittige Platte des Beschleunigungsmessers zeigt;
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4 einen
Schwingkreis zeigt, in den die mechanische Struktur, die den Kern
des Beschleunigungsmessers bildet, geschaltet ist.
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Bevor die Herstellung des Beschleunigungsmessers
gemäß der Erfindung
dargestellt wird, wird mit Bezug auf 1 das
allgemeine Prinzip der Aushängung
der seismischen Masse erläutert.
Der senkrechte Pfeil nach unten gibt die Richtung der auf den Schwerpunkt
G der seismischen Masse M wirkenden Schwer kraft an. Die nachfolgend
angeführten
horizontalen Ebenen sind senkrecht zur Ebene der Figur und verlaufen
durch die waagerechten Linien der 1.
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Die Masse M ist mittels zweier verschiedener Strukturen
freitragend aufgehängt.
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Die erste Struktur ist der schwingungsfähige Träger, der
den Resonator R bildet. Sie ist einerseits in einem Verankerungspunkt
T mit der seismischen Masse M und andererseits mit einem festen
Rahmen des Beschleunigungsmessers verbunden; sie ist in der horizontalen
Ebene des oberen Teils der seismischen Masse oder in der Nähe dieser
Ebene angeordnet. Sie bildet einen Belag eines Kondensators, dessen
anderer Belag C von einem leitfähigen
Element des leitfähigen
festen Rahmens gebildet ist, das über dem schwingungsfähigen Träger angeordnet ist.
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Die zweite Struktur ist eine Aufhängung, die weitaus
nachgiebiger als der Träger
ist, wobei sie gewissermaßen
ein Gelenk bildet, um welches sich der Träger dreht, wenn die Masse M
einer Beschleunigung in Richtung einer im Wesentlichen senkrechten Achse
unterliegt; die Achse dieses Gelenks ist horizontal und senkrecht
zur Ebene der 1. Praktisch umfasst
diese zweite Struktur zwei kurze Aufhängungsarme, die in einer horizontalen
Ebene parallel sind, um Verdrehungen der seismischen Masse zu verhindern.
Diese Arme sind dünne
Plättchen,
die sich in derselben Horizontalebene befinden. In 1 ist nur einer dieser Arme, B, gezeigt.
Die beiden Arme sind seitlich des schwingungsfähigen Trägers, jedoch in einer anderen
horizontalen Ebene als der schwingungsfähige Träger angeordnet: Der Träger befindet
sich in der oberen Ebene P1 der seismischen Masse, die Aufhängungsarme
sind jedoch im Wesentlichen in einer Horizontalebene P2, die durch den
Schwerpunkt G der seismischen Masse verläuft. Dies ermöglicht,
dem Beschleunigungsmesser eine Achse zu geben, die in vertikaler
Richtung empfindlich ist, wodurch der Einfluss von horizontalen
Beschleunigungen auf ein Minimum reduziert wird.
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Die durch die seitlichen Aufhängungsarme definierte
horizontale Drehachse ist senkrecht zur Länge des schwingungsfähigen Trägers (dies
ergibt sich aus der Gesamtsymmetrie der Struktur in Bezug auf eine
vertikale Ebene, die den Träger
in seiner Mitte in Richtung seiner Länge schneidet).
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Zum anderen ist vorgesehen, dass
diese horizontale Drehachse in etwa senkrecht zum Verankerungspunkt
T des schwingungsfähigen
Trägers
an der seismischen Masse verläuft.
Diese Anordnung zielt darauf ab, Biegungsbewegungen des schwingungsfähigen Trägers in
Gegenwart von vertikalen Beschleunigungen zu verhindern, da diese
Bewegungen die Messung stören
würden.
Der Gelenkpunkt eines Aufhängungsarms
kann als Verankerungspunkt S des Arms an dem festen Rahmen oder als
Verankerungspunkt S' des
Arms an der seismischen Masse oder aber als ein Punkt zwischen S
und S' angesehen
werden, wobei die Punkte S und S' auf jeden
Fall nahe beieinander sind. Die horizontale Drehachse der seismischen
Masse verläuft
durch den so definierten Punkt, in 1 senkrecht
zum Blatt, wobei genau diese Achse weitestgehend senkrecht durch
den Verankerungspunkt T verlaufen sollte, damit eine vertikale Kraft,
die auf den Schwerpunkt G der Masse ausgeübt wird, wobei sich die Kraft
in einem Drehmoment um die Drehachse äußert, bestrebt ist, auf den
schwingungsfähigen
Träger einen
horizontalen mechanischen Zug ohne ein Biegen in vertikaler Richtung
auszuüben.
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Nachdem also die Gesamtstruktur der
Gelenkverbindung der seismischen Masse definiert worden ist, wird
nun die Ausführung
gemäß der Erfindung
ausgehend von drei Siliziumplatten ausführlich erläutert.
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2 zeigt
einen Querschnitt des Beschleunigungsmessers als eine vertikale
Symmetrieebene des Beschleunigungsmessers, die eine Ebene ist, welche
einerseits die seismische Masse und andererseits den schwingungsfähigen Träger, der
den Resonator bildet, symmetrisch und über die gesamte Länge dieser
schneidet. Der Beschleunigungsmesser hat nämlich eine symmetrische Gesamtstruktur
in Bezug auf eine vertikale Ebene, zumindest was die seismische
Masse und den Träger,
der den Resonator bildet, anbelangt. Bei den folgenden Erläuterungen
wird außerdem
vorausgesetzt, dass der Beschleunigungsmesser in seiner Gesamt heit
horizontal angeordnet ist und dass die Empfindlichkeitsachse des
Beschleunigungsmessers vertikal ist, d. h. dass angestrebt wird,
Beschleunigungen in vertikaler Richtung bei einem Aufbau zu messen,
der so beschaffen ist, dass die Messung so wenig wie möglich durch
die horizontalen Beschleunigungen beeinflusst wird.
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Der Beschleunigungsmesser wird durch
Aufeinanderlegen von drei bearbeiteten, leitfähigen Siliziumplatten gebildet,
die horizontal angeordnet und miteinander verlötet oder verklebt werden, wobei
sie durch dünne
Isolationsschichten, die vorzugsweise aus Siliziumoxid bestehen,
voneinander isoliert bleiben. Die untere Platte ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
und die obere Platte ist mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet.
Die mittlere Platte ist mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet.
Die Siliziumoxidschicht, die die untere Platte von der mittleren
Platte trennt, ist die Schicht 15, und die Siliziumoxidschicht, die
die mittlere Platte von der oberen Platte trennt, ist die Schicht 25.
Wie zu sehen ist, schafft die Siliziumoxidschicht 25 eine
völlige
elektrische Isolation der oberen Platte 20 von der mittleren
Platte 30; die Schicht 15 ist jedoch lokal unterbrochen,
um den elektrischen Anschluss des Trägers für die Aufhängung der seismischen Masse
an der unteren Platte zu ermöglichen,
um die Zuführung
einer elektrischen Spannung von der unteren Platte 10 zur
mittleren Platte 30 zu ermöglichen.
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3 zeigt
eine Draufsicht der mittigen Platte 30, bei der insbesondere
eine seismische Masse 31, ein mit der seismischen Masse
verbundener Aufhängungsträger 32 sowie
seitliche Aufhängungsarme 33, 34 herausgearbeitet
worden sind. 2 zeigt gut
die Gesamtsymmetrie in Bezug auf eine vertikale Ebene, die durch
eine punktierte Linie dargestellt ist. Der Träger ist in Bezug auf diese
Symmetrieebene, die ihn über
seine gesamte Länge
mittig schneidet, zentriert. Die seismische Masse wird von dieser
Ebene ebenfalls symmetrisch geschnitten. Die seitlichen Aufhängungsarme 33 und 34 sind
beiderseits dieser Symmetrieebene symmetrisch angeordnet.
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Die mittlere Platte 30 besteht
in Wirklichkeit aus zwei sehr unterschiedlichen Teilen, die voneinander
elektrisch isoliert sind und die deshalb während der Her stellung des Beschleunigungsmessers
durch Ätzen
körperlich
vollständig
voneinander getrennt worden sind. Der erste Teil 35 ist
ein ununterbrochener, am Rand entlangführender Rahmen, der den gesamten
zweiten Teil umgibt, welcher der aktive Teil 36 des Beschleunigungsmessers
ist. Der am Rand entlangführende
Rahmen 35 dient im Wesentlichen als Verbindungszwischenstück zwischen
der unteren Platte 10 und der oberen Platte 20,
um diese beiden Platten voneinander beabstandet zu halten. Er dient aber
auch der elektrischen Abschirmung zwischen den Platten 10 und 20.
Der aktive Teil 36 der mittigen Platte befindet sich gänzlich zwischen
der unteren und der oberen Platte und im Inneren des am Rand entlangführenden
Rahmens 35.
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Der aktive Teil umfasst im Wesentlichen
- – einen
ortsfesten Fuß 37,
der mit der unteren Platte 10 durch Kleben oder Löten starrverbunden ist,
wobei er mit dieser Platte elektrisch verbunden ist; dieser Fuß hat, von
oben gesehen, die Form eines U, dessen Öffnung der seismischen Masse zugekehrt
ist;
- – die
schon erwähnte
seismische Masse 31; ihre Dicke ist der Dicke der mittigen
Platte gleich oder nahezu gleich; sie wird von der freitragenden
Aufhängung
(32, 33, 34) auf dem Fuß 37 gehalten;
- – den
einen Resonator bildenden schwingungsfähigen Träger 32, der einerseits
mit der seismischen Masse und andererseits mit dem festen Fuß verbunden
ist, wobei die Verbindung in der Mitte des U angeordnet ist; seine
Dicke ist im Vergleich zur Dicke der seismischen Masse sehr gering;
er ist im Wesentlichen so in der oberen Ebene der mittigen Platte
angeordnet, dass er sich nahe genug an der oberen Platte befindet;
er bildet nämlich
mit dem Abschnitt 21 der oberen Platte, der sich ihm direkt
gegenüber
befindet, einen Kondensator;
- – die
seitlichen Aufhängungsarme 33 und 34,
die horizontale dünne
Plättchen
sind; sie sind einerseits mit der seismischen Masse und andererseits mit
dem festen Fuß 37 verbunden,
einer mit dem Ende eines ersten Schenkels des U, der andere, symmetrisch,
mit dem Ende des zweiten Schenkels des U; ihre Dicke ist noch geringer
als jene des Trägers,
der den Resonator bildet, wobei sie vorzugsweise in der im Wesentlichen
in der Mitte gelegenen horizontalen Ebene der mittleren Platte angeordnet
sind, d. h. in einer Ebene, die praktisch durch den Schwerpunkt
der seismischen Masse verläuft;
wobei ihre Länge
im Vergleich zu der Länge,
die das Ende des U vom Schwerpunkt der seismischen Masse trennt,
klein ist, wobei die U-Form des Fußes außerdem ermöglicht, dem schwingungsfähigen Träger 32 eine
Länge zu
geben, die erheblich größer als
die Länge
der Aufhängungsarme 33 und 34 ist.
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Die verschiedenen Elemente der mittleren Platte
sind durch Mikro-Materialbearbeiten der Platte verwirklicht. Dieses
Mikro-Materialbearbeiten besteht insbesondere aus einem tiefen chemischen Ätzen in Gegenwart
von photolithographischen Masken, welche die Bereiche, die nicht
angegriffen werden dürfen,
schützen.
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Es kann vorgesehen sein, dass statt
des Fußes
die seismische Masse die Form eines U aufweist, das nach der Seite,
die dem Fuß zugekehrt
ist, offen ist. Auch kann vorgesehen sein, dass der Fuß und die
seismische Masse beide eine U-Form haben und einander zugekehrt
sind.
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Um den Umfangsrahmen 35 vom
aktiven Teil 36 zu trennen, erstreckt sich die Ätzung über die
gesamte Dicke der Platte oder genauer über zweimal die Hälfte der
Dicke, denn die Ätzung
erfolgt vorzugsweise gleichzeitig von oben oder von unten. Der gleiche
doppelte tiefe Ätzvorgang
wird verwendet, um die U-Form des Fußes 37 des aktiven
Teils und die Stabform (von oben gesehen) der Aufhängungsarme 32, 33, 34 zu
definieren. Um die Dicke der seitlichen Aufhängungsarme 33 und 34 zu
definieren erfolgt das Ätzen
ebenfalls gleichzeitig von oben und von unten, wobei jedoch Silizium
mit einer geringen Dicke stehen bleibt. Um die Dicke des Aufhängungsträgers 32 zu
definieren kann das Ätzen
nur von unten und über
nahezu die gesamte Dicke der Platte erfolgen, wobei nur die angestrebte
Dicke stehen bleibt. Die Dicke und die Länge des Trägers sind größer als
jene der Aufhängungsarme,
da die Steife des Trägers
weit größer als
jene der Arme sein muss.
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Es ist zu beachten, dass durch die Ätzvorgänge schräge und nicht
senkrechte Ätzflanken
definiert werden, da der chemische Angriff auf das Silizium bevorzugt
gemäß den geneigten
Kristallebenen erfolgt.
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Die drei Siliziumplatten sind elektrisch
leitend, denn sie sind direkt an der elektrischen Funktion des mikromechanischen
Beschleunigungsmessers beteiligt; sie sind vorzugsweise aus stark
P-dotiertem Silizium (Bordotierung). Die metallischen Kontakte sind
durch Ablagern und Ätzen
(beispielsweise von Aluminium) auf der unteren Platte (Kontakt 13 am
Rand der Platte), auf dem Umfangsrahmen 35 der mittigen
Platte (Kontakt 38 an der Außenkante des Rahmens) und auf
der oberen Platte (Kontakt 22 am Rand der Platte) gebildet, um jede
dieser Platten mit einem elektrischen Schwingkreis zu verbinden, an
den die beschriebene Struktur angeschlossen ist.
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Die untere Platte 10 ist
mit folgenden besonderen Merkmalen mikro-materialbearbeitet:
- – Die
Zone gegenüber
der seismischen Masse ist so geätzt,
dass sie auf präzise
Weise Gegenlager 11, 12 beispielsweise in Form
von punktartigen Pyramiden oder von schmalen Streifen definiert; diese
Gegenlager ermöglichen,
ein Zubruchgehen des Trägers 32 oder
der Aufhängungsarme 33, 34 im
Fall eines Stoßes
oder einer zu starken Beschleunigung in vertikaler Richtung zu vermeiden;
ihre gegenüber
der seismischen Masse kleine Oberfläche ermöglicht, die parasitären Kapazitäten klein
zu halten.
- – Andererseits
wird ein elektrischer Kontakt zwischen der unteren Platte und dem
Fuß 37,
der die seismische Masse hält,
hergestellt; das dafür
bevorzugte Mittel ist eine Öffnung 14,
die in die untere Platte über
ihre gesamte Stärke
und durch die Siliziumoxidschicht 15 gegraben ist; in dieser Öffnung ist
eine leitfähige
Schicht 16 abgelagert, um die Platte 10 mit dem
Fuß 37 elektrisch
zu verbinden; diese Struktur ermöglicht
auf Grund der Leitfähigkeit
des Siliziums, an den schwingenden Träger 32 eine elektrische
Spannung zu übertragen,
die am Kontakt
13 der unteren Platte anliegt; der Träger bildet
dann auf Grund seiner Eigenleitung unmittelbar einen Kondensatorbelag.
- – Schließlich kann
in dem Fall, in dem der Hohlraum, der die seismische Masse enthält, evakuiert werden
soll, um die Dämpfung
der Schwingung des schwingungsfähigen
Trägers
so gering wie möglich
zu halten, vorgesehen werden, durch chemisches Ätzen eine Öffnung 17 durch die
gesamte Dicke der Platte 10 auszuarbeiten; diese Öffnung kann
metallisiert und dann mit einem Stopfen 18 (insbesondere
aus Indium oder einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt) verschlossen
werden, um den Hohlraum, nachdem er evakuiert worden ist, luftdicht
zu verschließen, wobei
die Evakuierung des luftdicht verschlossenen Hohlraums, der durch
die Platten 10 und 20 sowie den Rahmen 35 gebildet
ist, ermöglicht, das
Herstellen eines Vakuums in dem die Struktur umschließenden Gehäuse zu vermeiden,
so dass diese Struktur mit einem Vakuum im Inneren ermöglicht,
den Beschleunigungsmesser zu prüfen, bevor
er in ein Gehäuse
eingesetzt wird, was vorteilhaft ist.
Was die obere Platte 20 anbelangt,
so umfasst sie die folgenden geätzten
Teile:
- – Um
parasitäre
kapazitive Kopplungen zwischen der oberen Platte und dem aktiven
Teil 36 der mittigen Platte zu vermeiden, ist die obere
Platte überall
dort, wo sie diesem aktiven Teil gegenüberliegt, außer selbstverständlich dort,
wo die kapazitive Kopplung angestrebt wird und der Messung der Beschleunigung
dient, nämlich
im Abschnitt 21, der sich genau über dem Aufhängungsarm 32 befindet,
tief geätzt.
- – Gegenüber der
seismischen Masse ist die obere Platte tief geätzt, wobei jedoch die örtlich sehr
begrenzten Gegenlager 23, 24 davon ausgenommen
sind, um zu verhindern, dass sich die seismische Masse zu weit verlagert,
was die Gefahr mit sich bringen würde, dass die Aufhängungsträger insbesondere
im Fall eines Stoßes
brechen würden;
auch da ist die Oberfläche
der Gegenlager gegenüber
der seismischen Masse klein, um die parasitären Kapazitäten klein zu halten.
- – Schließlich ist
die obere Platte gegenüber
dem am Rand entlangführenden
Rahmen 35 der mittigen Platte nicht graviert.
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In einer bevorzugten Ausführung ist
ein Element zur Kompensation von Temperaturschwankungen in dem Schwingkreis
vorgesehen, in dem der auf diese Weise gebildete Kondensator wirksam
ist. Dieses Element, hier beispielsweise eine Diode, kann dann in
eine der Siliziumplatten integriert sein; beispielsweise wird eine
Region als N-Typ dotiert, wenn die Platten vom P-Typ sind. Eine
einfache Lösung
besteht darin, eine Dotierung vom N-Typ vorzusehen, um eine dotierte
Region 26 im oberen Teil der oberen Platte 20 zu bilden,
wobei auf dieser dotierten Region 26 eine Kontaktelektrode 27 abgelagert
wird. Diese Kontaktelektrode wird mittels einer Metallisierung (beispielsweise
aus Aluminium) verwirklicht, die (in einer in den Figuren nicht
sichtbaren Weise) einen Rand der oberen Platte erreicht, um eine
Verbindung mit der Umgebung der Struktur zu ermöglichen. Die Metallisierung
ist auf eine Isolierschicht 28 aufgebracht (beispielsweise
Siliziumoxid), die die Gesamtheit der oberen Platte mit Ausnahme
der Zonen zur Herstellung des Kontakts zu der Platte und zu der
dotierten Region 26 bedeckt.
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Die Herstellung des Kontakts mittels
einer örtlich
begrenzten Metallablagerung 38, die auf dem am Rand entlangführenden
Rahmen 35 der mittigen Platte vorgesehen ist, ermöglicht,
diesen Rahmen auf ein konstantes Potential zu bringen, derart, dass er
jede kapazitive Beeinflussung zwischen der oberen Platte und der
unteren Platte abschirmt. Diese kapazitive Kopplung ist nämlich bei
den vorgesehenen Resonanzfrequenzen (die mehrere zehn Kilohertz
erreichen können)
besonders stark und stört
die Messung, da sie eine Kapazität
parallel zur eigentlichen Kapazität des Resonators hinzufügt.
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4 zeigt
einen einfachen Schaltplan, in den die soeben beschriebene Struktur
eingegliedert ist. Die Struktur ist symbolisch als ein veränderlicher Kondensator,
der zwischen dem schwingungsfähigen
Träger
und der oberen Platte ausgebildet ist, und zwei parasitäre Kapazitäten, die
zwischen der oberen Platte und der mittigen Platte einerseits und
zwischen der unteren Platte und der mittigen Platte andererseits
ausgebildet sind, dargestellt.
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Ein Differentialverstärker AD1
ist mit seinem invertierenden Eingang mit dem Anschluss 13 der unteren
Platte verbunden, während
sein Ausgang über
einen Verstärker
A2 mit veränderbarer
Verstärkung
und einen Addierer, der eine Vorspannung –V0 hinzufügt, auf den Anschluss der oberen
Platte 22 zurückgeschleift
wird. Die mittige Platte ist über
ihren Anschluss 38 mit einem Vorspannungspotential +V0 verbunden,
das außerdem
mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers AD1 verbunden ist. Das Potential
V0 ist unveränderlich
und bildet das an früherer
Stelle erwähnte
Potential für
die elektrostatische Abschirmung zwischen den Platten. Die Verstärkung des
Verstärkers
A2 wird in Abhängigkeit
von der mittleren Amplitude des Erregungssignals, das am Anschluss 22 der
oberen Platte anliegt, eingestellt.
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Auf diese Weise wird ein Schwingkreis
gebildet, der mit einer Frequenz, die von der Beschleunigung abhängt, zu
schwingen beginnt. Die Abhängigkeit
ist nichtlinear. Im Allgemeinen werden zwei völlig gleiche, entgegengesetzt
angeordnete Beschleunigungsmesser verwendet, um zwei Frequenzinformationen
zu erzeugen, deren Differenz mit sehr guter Näherung und guter Linearität proportional
zur Beschleunigung ist.
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Von den interessanten Merkmalen des
Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung
wird insbesondere hervorgehoben, dass er keine Metallablagerung
auf den Siliziumoberflächen,
die sich im Inneren des Hohlraums befinden, benötigt. Dadurch werden die mechanischen
Spannungen, die Wärmeeffekte
und die mit der Zeit auftretenden Veränderungen der Leistungsparameter
verringert; außerdem können Herstellungsschritte
mit hoher Temperatur Anwendung finden (was nach einer Ablagerung
von Metallschichten nicht möglich
wäre),
wobei diese Schritte die Montagequalität verbessern. Schließlich werden
dadurch, dass die drei Platten aus Silizium sind, generell die Temperaturspannungen,
die entweder während
der Fertigungsschritte nach dem Verbinden von zwei oder drei Platten oder
aber während des
Betriebs zwischen den Platten auftreten könnten, erheblich verringert.