EP0504149A1 - Sensor for measuring force and/or travel and process for its manufacture - Google Patents

Sensor for measuring force and/or travel and process for its manufacture

Info

Publication number
EP0504149A1
EP0504149A1 EP19900915746 EP90915746A EP0504149A1 EP 0504149 A1 EP0504149 A1 EP 0504149A1 EP 19900915746 EP19900915746 EP 19900915746 EP 90915746 A EP90915746 A EP 90915746A EP 0504149 A1 EP0504149 A1 EP 0504149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
sensor body
semiconductor wafer
force
effective
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19900915746
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Henderikus L. Offereins
Hermann Sandmaier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0504149A1 publication Critical patent/EP0504149A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G01L1/183Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material by measuring variations of frequency of vibrating piezo-resistive material
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for measuring a force and / or a path with at least one sensor body which has at least one transducer element with which a deformation of a deformable effective area of the sensor body can be detected, according to the preamble of claim 7, and a method for producing such a sensor according to the preamble of claim 1.
  • a known micromechanical sensor for measuring a force and / or a path is constructed as a bending beam sensor.
  • a basic illustration of a bending beam sensor with a bending beam clamped on one side is shown in FIG. 1, while FIG. 2 shows an embodiment of a bending beam sensor with a bending beam clamped on both sides in the form of a basic diagram.
  • Mechanical-electrical transducers are arranged on the upper side of the beam clamped on one or both sides of the beam facing the attacking force F or on the underside facing away from this upper side, converting an expansion or compression of the surface of the bending beam into an electrical signal.
  • the force to be measured must be introduced into the sensor perpendicular to the longitudinal axis of the beam, making the required housing technology susceptible to failure, complex and expensive .
  • the force sensor on the principle of the cantilever clamped on one side, suffers from the disadvantage inherent in this principle that the force application point not only shifts with increasing force in the direction of action of the sensor, that is to say in the direction of the acting force, but is also shifted towards the clamping point of the bending beam with increasing force.
  • K. Oppermann A new Force Sensor with Metal Measuring Grid Transverse to the Lines of Force, Sensors and Actuators, 7, (1985), pp. 223-232.
  • DE-A-2264496, DE-A-2555231 and DE-B-1227261 show force sensor structures which have a double-U-shaped cross section or wrinkle-like cross section. However, these sensors are not suitable for microminiaturization.
  • DE-Al-3742673 shows a sensor consisting of a semiconductor material, which is U-shaped in cross section.
  • the present invention is based on the object of developing a sensor of the type mentioned at the beginning and a method for its production in such a way that the sensor with linear dependence of the output signal on the applied force or the path to be recorded can be produced in a simple manner and can be carried out in a micro-miniaturized manner.
  • the invention is based on the knowledge that the fold-like structure of the sensor in its effective area with at least two substantially perpendicular to the effective direction of the sensor, arranged on opposite longitudinal sides of the sensor and facing each other in the effective direction of the sensor offset recesses leads to a sensor body structure that can be produced using methods of micromechanics and has a stable active geometry that is only acted upon in its longitudinal direction or active direction. Because of its suitability for micromechanical manufacturing processes in photoetching technology, such a structure is not only highly precise, but also enables mass production at low costs.
  • the senor according to the invention is suitable for installation in a simple housing, since elongations of the sensor body only occur in the direction of action of the applied force. In contrast to the force sensors known in the prior art based on the concept of the bending beam, there is therefore no change in the force application point.
  • the sensor according to the invention enables the force or displacement ranges of the sensor to be set over a wide range.
  • FIGS. 4 and 5 shows an action diagram for explaining the action geometry the embodiment of the sensor according to the invention shown in FIGS. 4 and 5.
  • the sensor shown in FIG. 3 is designated in its entirety by reference number 1 and comprises a sensor body 2, which in turn comprises an effective area 3 and two end parts 4, 5 adjoining the effective area on its two sides in the effective direction. Notches 6, 7, 8, 9 are provided on the two end parts 4, 5 for mounting the sensor 1 and for applying force to the sensor.
  • the sensor body 2 has five recesses 10, 11, 12, 13, 14 in its active region 3, which extend perpendicular to the active direction of the sensor 1.
  • Three of the recesses 10, 12, 14 lie on a first longitudinal side 15 of the sensor body 2 and extend in the direction of the other longitudinal side 16 of the sensor body 2 until just before this, while the other two recesses 11, 13 differ from the extend from the second long side 16 in the direction of the first long side 15 to just before this.
  • the recesses 10, 12, 14, which extend from the first longitudinal side 15 into the sensor body 2, are arranged alternately with the recesses 11, 13, which extend from the second longitudinal side 16 into the sensor body 2 and in such a manner Longitudinal direction or direction of action of the sensor body 2 offset from one another that transverse wall elements 17, 18, 19, 20 are defined between the mutually opposite recesses 10, 11, 12, 13, 14, which are at a predetermined angle to the direction of action of the sensor 1 extend from one longitudinal side 15 to the other longitudinal side 16 thereof.
  • Between two transverse wall elements 17, 18; 18, 19; 19, 20 each have a longitudinal wall element 21, 22, 23 which extends in the direction of action of the sensor 1 and forms part of one of the two long sides 15, 16 of the sensor body 2.
  • transverse wall elements 17, 18, 19 together with the longitudinal wall elements 21, 22, 23 define a wrinkle-like structure with them transversely in the effective area 3 of the sensor body 2 the direction of action of the sensor 1 extending folds.
  • Mechanical-electrical transducer elements which are designed as transverse, piezoresistive resistors 24, 25, are arranged on two longitudinal wall elements 21, 23. When the sensor 1 is subjected to tensile stress, these resistances respond to the shortening of the surface of the longitudinal wall elements 21, 23, which is caused by a bending of the longitudinal wall elements 21, 23 about an axis extending perpendicular to the direction of action.
  • the transverse, piezoresistive resistors 24, 25 are connected by conductor tracks 26, 27; 28, 29 with connections 30, 31; 32, 33 in connection, which are arranged on a longitudinal side 15 of the end parts 4, 5. These connections 30, 31, 32, 33 can be connected with wires which are fastened to the connections 30 to 33 by means of the usual bonding technique.
  • a silicon wafer with the crystal orientation (100) serves as the starting material for the production of this sensor 1.
  • thermal oxidation of the wafer it is structured using a photoresist process for the subsequent implantation of the piezoresistors. This is followed by annealing of the silicon wafer structure and passivation of its surface by means of oxidation and a subsequent nitride deposition in the chemical vapor deposition process at low pressure (LPCVD) on the front and on the back of the wafer.
  • LPCVD low pressure
  • the oxide and the nitride are opened at the points at which the V-shaped recesses 10 to 14 are later to be produced.
  • the V-shaped recesses are produced in an anisotropic etching process, as a result of which the geometry of the sensor body 2 is set.
  • the conductor tracks 26 to 29 to the connections 30 to 33 which can be embodied as bond contacts, are produced in a laser-induced deposition process.
  • a plasma nitride layer is deposited as the final passivation layer.
  • the individual sensors 1 are separated from the silicon wafer by sawing.
  • the embodiment of the sensor 1 according to the invention shown in FIG. 4 largely corresponds structurally and in terms of its manufacturing method to the sensor according to FIG. 3, so that only structural and manufacturing deviations from the first embodiment according to FIG. 3 are to be explained.
  • the second embodiment according to FIG. 4 consists of two sensor bodies 2, 2 ', which are each connected to one another on one 16 of their two longitudinal sides 15, 16 in the region of the end parts 4, 5 and in the region of the longitudinal wall elements 22 facing one another.
  • each sensor body 2, 2 ' has a notch 6 only on the longitudinal side 15 facing away from the other sensor body 2', 2, 8th; 6 ', 8' on.
  • the manufacturing method largely corresponds to that of the sensor according to FIG. 3, but in the embodiment according to FIG. 4 a pyrex layer is sputtered onto one of the two wafers after the method step of applying the plasma nitride layer by deposition and before the sensors are separated by means of sawing is before the two wafers are connected to one another on the back by means of the anodic bonding method.
  • this step of the Joining follows in accordance with the method described with reference to FIG. 3, the separation of the sensors 1 by means of sawing.
  • the mechanical-electrical converter elements are resonators 34, 35, 36, 37, 38 , 39 executed.
  • the resonators each extend in a bridge-like manner over the recesses 10, 12, 14; 10 12 14 ⁇ .
  • the resonators can be made of silicon with a (100) orientation. It is also possible to produce the resonators by depositing polysilicon or other materials. Since the manufacture and construction of such resonators is known per se, no detailed explanation in this regard is required.
  • the resonators 34 to 39 will then be used as transducer elements when a particularly precise measurement is in the foreground and a higher manufacturing effort is justifiable.
  • FIGS. 4 or 5 illustrates the influence of a compressive force on the active geometry of a sensor according to the invention according to the second or third embodiment according to FIGS. 4 or 5.
  • the sensor structure becomes symmetrical to its longitudinal axis deformed like an accordion.
  • the force application point moves relative to the clamping point of the structure only along the effective direction or longitudinal axis of the structure, so that the problems of the prior art explained at the outset do not occur with the sensor structure according to the invention.
  • the recesses are described as essentially V-shaped.
  • other longitudinal cut-outs may also result, which may be substantially U-shaped, for example.
  • the sensor bodies 2 consist of silicon. Instead of silicon, however, other etchable materials, in particular semiconductor materials, can also be used.
  • the fold structure is defined by five alternating recesses.
  • the number of folds defined by the recesses can also be selected to be higher or lower.
  • the two wafers are connected to one another using an anodic bonding method.
  • the so-called silicone fusion bonding method can also be used for connecting the two wafers.
  • the two wafers can also be connected to one another by soldering, gluing or alloying.
  • an optoelectronic transducer arrangement can also be used as the transducer element, which has a light source for generating a light beam, which furthermore has a mirror surface arranged on the deformable active region for reflecting the light beam and an opto includes electronic sensor for detecting the deflection of the light beam.
  • the light source here is preferably a laser light source.
  • a particularly simple deflection of the light beam through the mirror surface is achieved in that one of the transverse wall elements is provided with the mirror surface.
  • the mirror surface can be produced by applying a reflective coating to the transverse wall element.
  • the optoelectronic sensor can be both a sensor that detects the deflection of the light beam in an analog or quasi-analog manner and a sensor that can only digitally detect the impact of the light beam on a predetermined one Detection area or its distraction from this detection area.

Abstract

Dans un procédé pour la fabrication d'un capteur pour la mesure d'une force et/ou d'une course, lequel présente un corps de capteur (2, 2') avec un champ d'action (3) à structure plissée, les opérations de base suivantes sont effectuées: application de part et d'autre de couches résistant à un agent de gravure sur les surfaces principales d'une galette semiconductrice, réalisation d'ouvertures dans les deux couches au moyen d'un procédé par résine photosensible, gravure anisotrope sur les deux faces de creux essentiellement en V dans la galette semiconductrice, et subdivision de la galette semiconductrice en différents corps de capteur (2, 2').In a method for manufacturing a sensor for measuring a force and / or a stroke, which has a sensor body (2, 2 ') with a field of action (3) with a pleated structure, the following basic operations are carried out: application on both sides of layers resistant to an etchant on the main surfaces of a semiconductor wafer, making openings in the two layers using a photosensitive resin process , anisotropic etching on the two essentially V-shaped hollow faces in the semiconductor wafer, and subdivision of the semiconductor wafer into different sensor bodies (2, 2 ').

Description

Sensor zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges und Verfahren zum Herstellen desselben Sensor for measuring a force and / or a path and method for producing the same
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges mit wenigstens einem Sen¬ sorkörper, der wenigstens ein Wandlerelement aufweist, mit dem eine Verformung eines verformbaren Wirkbereiches des Sensorkörpers erfaßbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Pa¬ tentanspruchs 7, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a sensor for measuring a force and / or a path with at least one sensor body which has at least one transducer element with which a deformation of a deformable effective area of the sensor body can be detected, according to the preamble of claim 7, and a method for producing such a sensor according to the preamble of claim 1.
Ein bekannter mikromechanischer Sensor zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges ist als Biegebalkensensor aufge¬ baut. Eine Prinzipdarstellung eines Biegebalkensensors mit einem einseitig eingespannten Biegebalken ist in Fig. 1 ge¬ zeigt, während Fig. 2 eine Ausführungsform eines Biegebal¬ kensensors mit einem beidseitig eingespannten Biegebalken in Form einer Prinzipdarstellung wiedergibt. Auf der der an¬ greifenden Kraft F zugewandten Oberseite des einseitig bzw. beidseitig eingespannten Balkens oder auf der dieser Ober¬ seite abgewandten Unterseite sind mechanisch-elektrische Wandler angeordnet, die eine Dehnung oder Stauchung der Oberfläche des Biegebalkens in ein elektrisches Signal um¬ wandeln. Sowohl bei dem Kraftsensor nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Biegebalkens wie auch bei demjenigen nach dem Prinzip des beidseitig eingespannten Biegebalkens muß die zu messende Kraft senkrecht zur Balkenlängsachse in den Sensor eingeleitet werden, wodurch sich die erforder¬ liche Gehäusetechnik als störanfällig, aufwendig und teuer gestaltet. Ferner leidet der Kraftsensor nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Biegebalkens an dem diesem Prin¬ zip innewohnenden Nachteil, daß sich der Kraftangriffspunkt mit zunehmender Kraft nicht nur in der Wirkrichtung des Sensors, also in der Richtung der angreifenden Kraft ver¬ schiebt, sondern mit zunehmender Kraft auch in Richtung zur Einspannstelle des Biegebalkens hin verschoben wird. Es ist zwar möglich, durch eine geeignete Auslegung der Gehäuse¬ technologie einen festen Abstand des Kraftangriffspunktes zu der Einspannstelle des einseitig eingespannten Biegebalkens festzulegen, jedoch erfordert dies eine solche Auslegung der Krafteinleitmittel, daß der Kraftangriffspunkt sich bei zunehmender Kraft relativ zum Biegebalken gesehen von der Einspannstelle weg verschieben kann. Naturgemäß macht dies den Aufbau des Kraftsensors aufwendig, kompliziert und stör¬ anfällig.A known micromechanical sensor for measuring a force and / or a path is constructed as a bending beam sensor. A basic illustration of a bending beam sensor with a bending beam clamped on one side is shown in FIG. 1, while FIG. 2 shows an embodiment of a bending beam sensor with a bending beam clamped on both sides in the form of a basic diagram. Mechanical-electrical transducers are arranged on the upper side of the beam clamped on one or both sides of the beam facing the attacking force F or on the underside facing away from this upper side, converting an expansion or compression of the surface of the bending beam into an electrical signal. Both in the case of the force sensor based on the principle of the cantilever clamped on the one hand and the one based on the principle of the cantilever beam clamped on both sides, the force to be measured must be introduced into the sensor perpendicular to the longitudinal axis of the beam, making the required housing technology susceptible to failure, complex and expensive . Furthermore, the force sensor, on the principle of the cantilever clamped on one side, suffers from the disadvantage inherent in this principle that the force application point not only shifts with increasing force in the direction of action of the sensor, that is to say in the direction of the acting force, but is also shifted towards the clamping point of the bending beam with increasing force. Although it is possible to determine a fixed distance between the force application point and the clamping point of the cantilever clamped by a suitable design of the housing technology, this requires a design of the force introduction means that the force application point is seen relative to the canting beam with increasing force from the clamping point can move away. Naturally, this makes the structure of the force sensor complex, complicated and prone to failure.
Selbstredend tritt das Problem der Verschiebung des Kraft¬ angriffspunktes in Abhängigkeit von der angreifenden Kraft, welches dem einseitig eingespannten Biegebalken-Kraftsensor zu eigen ist, bei einem Kraftsensor nach dem Prinzip des beidseitig eingespannten Biegebalkens nicht auf, so lange die Kraft in der Mitte des Balkens bezogen auf die Einspann¬ stellen angreift. Jedoch erfordert hier die Auslenkung des Biegebalkens durch die Kraft nicht nur eine Biegung des Bal¬ kens, sondern zusätzlich dessen Dehnung, woraus sich eine nichtliniare Abhängigkeit des Ausgangssignales von der Größe der angreifenden Kraft ergibt.Of course, the problem of shifting the force application point as a function of the applied force, which is inherent in the cantilever force sensor clamped on one side, does not occur in the case of a force sensor based on the principle of the cantilever beam clamped on both sides, as long as the force is in the center of the beam based on the clamping points. However, the deflection of the bending beam by the force here requires not only a bending of the beam, but also its extension, which results in a non-linear dependence of the output signal on the magnitude of the applied force.
Als druckschriftlicher Nachweis für die Vorbekanntheit von Kraftsensoren nach dem Prinzip des einseitig bzw. zweiseitig eingespannten Biegebalkens wird auf folgende Literaturstel¬ len verwiesen:Reference is made to the following references as printed proof of the prior knowledge of force sensors based on the principle of the one-sided or two-sided clamped bending beam:
1. K. Oppermann: A new Force Sensor with Metal Measuring Grid Transverse to the Lines of Force, Sensors and Actuators, 7, (1985), S. 223 - 232.1. K. Oppermann: A new Force Sensor with Metal Measuring Grid Transverse to the Lines of Force, Sensors and Actuators, 7, (1985), pp. 223-232.
2. D. Schubert: Piezoresistive Proprieties of Polycrystalline and Crystalline Silicon Films, Sensors and Actuators, 11, (1987) , S. 145 - 155. 3. B. Puers, W. Sanson: Aεsess ent of Thick- Film Fabrication Methods of Force (Pressure) Sensors, Sensors and Actuators, 12, (1987), S. 57 - 76.2. D. Schubert: Piezoresistive Proprieties of Polycrystalline and Crystalline Silicon Films, Sensors and Actuators, 11, (1987), pp. 145-155. 3. B. Puers, W. Sanson: Assessment of Thick Film Fabrication Methods of Force (Pressure) Sensors, Sensors and Actuators, 12, (1987), pp. 57-76.
4. S. Pasczynski, J. Potencki, W. Kaiita: Free- End Beam- Type- Force- Sensor with Thick- Film Resistor as Strain- Sensitive Element: Towards an Optimum Construction, Sensors and Actuators, 17, (1989), S. 225 - 233.4. S. Pasczynski, J. Potencki, W. Kaiita: Free- End Beam- Type- Force- Sensor with Thick- Film Resistor as Strain- Sensitive Element: Towards an Optimum Construction, Sensors and Actuators, 17, (1989), Pp. 225-233.
5. F.R. Blom, S. Bouwstra, J.H.J. Fluitman, M. Elwenspoek: Resonating Silicon Beam Force Sensor, Sensors and Actuators, 17 (1989) S. 513 - 5195. F.R. Blom, S. Bouwstra, J.H.J. Fluitman, M. Elwenspoek: Resonating Silicon Beam Force Sensor, Sensors and Actuators, 17 (1989) pp. 513-519
6. J.W. Holm-Kennedy, M.H. Kaneshiro, G.P. Lee, Silicon Monolithic-Multidimensional Force- Sensors: Devices for Simultaneous Measurement of Multiple Force- Measurement, Transducers 89, Montreux, (1989).6. J.W. Holm-Kennedy, M.H. Kaneshiro, G.P. Lee, Silicon Monolithic-Multidimensional Force-Sensors: Devices for Simultaneous Measurement of Multiple Force-Measurement, Transducers 89, Montreux, (1989).
Die DE-A-2264496, die DE-A-2555231 sowie die DE-B-1227261 zeigen Kraftsensorstrukturen, die einen im Querschnitt dop- pel-U-förmigen oder im Querschnitt faltenartigen Wirkbereich haben. Diese Sensoren eignen sich jedoch nicht für eine Mikrominiaturisierung.DE-A-2264496, DE-A-2555231 and DE-B-1227261 show force sensor structures which have a double-U-shaped cross section or wrinkle-like cross section. However, these sensors are not suitable for microminiaturization.
Die DE-Al-3742673 zeigt einen aus einem Halbleitermaterial bestehenden Sensor, der im Querschnitt U-förmig ist.DE-Al-3742673 shows a sensor consisting of a semiconductor material, which is U-shaped in cross section.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen¬ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der Ein¬ gangs genannten Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstel¬ lung so weiterzubilden, daß der Sensor bei linearer Abhän¬ gigkeit des Ausgangssignales von der angreifenden Kraft beziehungsweise dem zu erfassenden Weg auf einfache Weise herstellbar und mikrominiaturisiert ausführbar ist.Starting from this prior art, the present invention is based on the object of developing a sensor of the type mentioned at the beginning and a method for its production in such a way that the sensor with linear dependence of the output signal on the applied force or the path to be recorded can be produced in a simple manner and can be carried out in a micro-miniaturized manner.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch einen Sensor gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die falten¬ artige Struktur des Sensors in dessen Wirkbereich mit wenig¬ stens zwei sich im wesentlichen senkrecht zu der Wirkrich¬ tung des Sensors erstreckenden, auf gegenüberliegenden Längsseiten des Sensors angeordneten und zueinander in Wirk¬ richtung des Sensors versetzten Ausnehmungen zu einer mit Verfahren der Mikromechanik herstellbaren Sensorkörperstruk¬ tur führt, die eine stabile Wirkgeometrie aufweist, die allein in ihrer Längsrichtung bzw. Wirkrichtung beaufschlagt wird. Eine derartige Struktur ist aufgrund ihrer Eignung für mikromechanische Fertigungsverfahren in der Photoätztechnik nicht nur hochgenau fertigbar, sondern ermöglicht auch eine Massenherstellung bei niedrigen Kosten. Ferner eignet sich der erfindungsgemäße Sensor für einen Einbau in ein einfa¬ ches Gehäuse, da Längungen des Sensorkörpers nur in der Wirkrichtung der angreifenden Kraft auftreten. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Kraftsensoren nach dem Konzept des Biegebalkens tritt also keine Änderung des Kraftangriffspunktes auf. Der erfindungsgemäße Sensor er¬ möglicht durch Variation der Zahl und Dimensionen seiner faltenartigen Strukturen eine Einstellung der Kraft- bzw. Wegbereiche des Sensors in weiten Bereichen.This object is achieved by a method according to claim 1 and by a sensor according to claim 7. The invention is based on the knowledge that the fold-like structure of the sensor in its effective area with at least two substantially perpendicular to the effective direction of the sensor, arranged on opposite longitudinal sides of the sensor and facing each other in the effective direction of the sensor offset recesses leads to a sensor body structure that can be produced using methods of micromechanics and has a stable active geometry that is only acted upon in its longitudinal direction or active direction. Because of its suitability for micromechanical manufacturing processes in photoetching technology, such a structure is not only highly precise, but also enables mass production at low costs. Furthermore, the sensor according to the invention is suitable for installation in a simple housing, since elongations of the sensor body only occur in the direction of action of the applied force. In contrast to the force sensors known in the prior art based on the concept of the bending beam, there is therefore no change in the force application point. By varying the number and dimensions of its fold-like structures, the sensor according to the invention enables the force or displacement ranges of the sensor to be set over a wide range.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsge¬ mäßen Sensors näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the sensor according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors;3 shows a first embodiment of the sensor according to the invention;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors;4 shows a second embodiment of the sensor according to the invention;
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors; und5 shows a third embodiment of the sensor according to the invention; and
Fig. 6 ein Wirkdiagramm zum Erläutern der Wirkgeometrie der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungs¬ formen des erfindungsgemäßen Sensors.6 shows an action diagram for explaining the action geometry the embodiment of the sensor according to the invention shown in FIGS. 4 and 5.
Der in Fig. 3 gezeigte Sensor ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfaßt einen Sensorkörper 2, der seinerseits einen Wirkbereich 3 und zwei sich an den Wirkbereich zu dessen beiden Seiten in Wirkrichtung an¬ schließende Endteile 4, 5 umfaßt. An den beiden Endteilen 4, 5 sind zur Lagerung des Sensors 1 und zur Krafteinleitung in den Sensor dienende Kerben 6, 7, 8, 9 vorgesehen. Der Sen¬ sorkörper 2 hat in seinem Wirkbereich 3 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 fünf Ausnehmungen 10, 11, 12, 13, 14, die sich senkrecht zu der Wirkrichtung des Sen¬ sors 1 erstrecken. Drei der Ausnehmungen 10, 12, 14 liegen auf einer ersten Längsseite 15 des Sensorkörpers 2 und er¬ strecken sich in Richtung auf die andere Längsseite 16 des Sensorkörpers 2 bis kurz vor diese, während die beiden an¬ deren Ausnehmungen 11, 13 sich von der zweiten Längsseite 16 aus in Richtung zur ersten Längsseite 15 bis kurz vor diese erstrecken. Die Ausnehmungen 10, 12, 14, die sich von der ersten Längsseite 15 aus in den Sensorkörper 2 erstrecken, sind alternierend mit den Ausnehmungen 11, 13 angeordnet, die sich von der zweiten Längsseite 16 aus in den Sensor¬ körper 2 erstrecken und derart in Längsrichtung oder Wirk¬ richtung des Sensorkörpers 2 zueinander versetzt, daß zwischen den einander gegenüberliegenden Ausnehmungen 10, 11, 12, 13, 14 Querwandelemente 17, 18, 19, 20 festgelegt werden, die sich in einem vorbestimmten Winkel zu der Wirk¬ richtung des Sensors 1 von dessen einer Längsseite 15 zu dessen anderer Längsseite 16 erstrecken. Zwischen jeweils zwei Querwandelementen 17, 18; 18, 19; 19, 20 liegt jeweils ein Längswandelement 21, 22, 23, das sich in der Wirkrich¬ tung des Sensors 1 erstreckt und einen Teil von einer der beiden Längsseiten 15, 16 des Sensorkörpers 2 bildet.The sensor shown in FIG. 3 is designated in its entirety by reference number 1 and comprises a sensor body 2, which in turn comprises an effective area 3 and two end parts 4, 5 adjoining the effective area on its two sides in the effective direction. Notches 6, 7, 8, 9 are provided on the two end parts 4, 5 for mounting the sensor 1 and for applying force to the sensor. In the embodiment shown in FIG. 3, the sensor body 2 has five recesses 10, 11, 12, 13, 14 in its active region 3, which extend perpendicular to the active direction of the sensor 1. Three of the recesses 10, 12, 14 lie on a first longitudinal side 15 of the sensor body 2 and extend in the direction of the other longitudinal side 16 of the sensor body 2 until just before this, while the other two recesses 11, 13 differ from the extend from the second long side 16 in the direction of the first long side 15 to just before this. The recesses 10, 12, 14, which extend from the first longitudinal side 15 into the sensor body 2, are arranged alternately with the recesses 11, 13, which extend from the second longitudinal side 16 into the sensor body 2 and in such a manner Longitudinal direction or direction of action of the sensor body 2 offset from one another that transverse wall elements 17, 18, 19, 20 are defined between the mutually opposite recesses 10, 11, 12, 13, 14, which are at a predetermined angle to the direction of action of the sensor 1 extend from one longitudinal side 15 to the other longitudinal side 16 thereof. Between two transverse wall elements 17, 18; 18, 19; 19, 20 each have a longitudinal wall element 21, 22, 23 which extends in the direction of action of the sensor 1 and forms part of one of the two long sides 15, 16 of the sensor body 2.
Die Querwandelemente 17, 18, 19 definieren gemeinsam mit den Längswandelementen 21, 22, 23 im Wirkbereich 3 des Sensor¬ körpers 2 eine faltenartige Struktur mit sich transversal zu der Wirkrichtung des Sensors 1 erstreckenden Falten.The transverse wall elements 17, 18, 19 together with the longitudinal wall elements 21, 22, 23 define a wrinkle-like structure with them transversely in the effective area 3 of the sensor body 2 the direction of action of the sensor 1 extending folds.
An zwei Längswandelementen 21, 23 sind mechanisch-elektri¬ sche Wandlerelemente angeordnet, die als transversale, pie- zoresistive Widerstände 24, 25 ausgebildet sind. Diese Wi¬ derstände sprechen bei einer Zugbeanspruchung des Sensors 1 auf die Verkürzung der Oberfläche der Längswandelemente 21, 23 an, die durch eine Biegung der Längswandelemente 21, 23 um eine sich senkrecht zur Wirkungsrichtung erstreckende Achse verursacht wird. Die transversalen, piezoresistiven Widerstände 24, 25 stehen über Leiterbahnen 26, 27; 28, 29 mit Anschlüssen 30, 31; 32, 33 in Verbindung, die an einer Längsseite 15 der Endteile 4, 5 angeordnet sind. Diese An¬ schlüsse 30, 31, 32, 33 können mit Drähten verbunden sein, die an den Anschlüssen 30 bis 33 mittels der üblichen Bond-Technik befestigt sind.Mechanical-electrical transducer elements, which are designed as transverse, piezoresistive resistors 24, 25, are arranged on two longitudinal wall elements 21, 23. When the sensor 1 is subjected to tensile stress, these resistances respond to the shortening of the surface of the longitudinal wall elements 21, 23, which is caused by a bending of the longitudinal wall elements 21, 23 about an axis extending perpendicular to the direction of action. The transverse, piezoresistive resistors 24, 25 are connected by conductor tracks 26, 27; 28, 29 with connections 30, 31; 32, 33 in connection, which are arranged on a longitudinal side 15 of the end parts 4, 5. These connections 30, 31, 32, 33 can be connected with wires which are fastened to the connections 30 to 33 by means of the usual bonding technique.
Nachfolgend wird die Herstellung des in Fig. 3 gezeigten Sensors 1 erläutert. Als Ausgangsmaterial für die Herstel¬ lung dieses Sensors 1 dient ein Siliziumwafer mit der Kri¬ stallorientierung (100) . Nach einer thermischen Oxidation des Wafers wird dieser mit Hilfe eines Photoresistprozesses für die nachfolgende Implantation der Piezowiderstände strukturiert. Anschließend erfolgt ein Ausheilen der Sili- ziumwaferstruktur und eine Passivierung seiner Oberfläche mittels Oxidation und eine anschließende Nitridabscheidung im chemischen Dampfabscheidungsverfahren bei Niederdruck (LPCVD) auf der Vorderseite und auf der Rückseite des Wafers. Nach einem Aufdampfen einer beispielsweise aus Alu¬ minium bestehenden Metallisierung wird diese mittels eines weiteren Photoresistprozesses für die Erzeugung der elektri¬ schen Kontakte zu den Widerständen strukturiert.The manufacture of the sensor 1 shown in FIG. 3 is explained below. A silicon wafer with the crystal orientation (100) serves as the starting material for the production of this sensor 1. After thermal oxidation of the wafer, it is structured using a photoresist process for the subsequent implantation of the piezoresistors. This is followed by annealing of the silicon wafer structure and passivation of its surface by means of oxidation and a subsequent nitride deposition in the chemical vapor deposition process at low pressure (LPCVD) on the front and on the back of the wafer. After vapor deposition of a metallization consisting, for example, of aluminum, it is structured by means of a further photoresist process for the production of the electrical contacts to the resistors.
Nach einem beidseitigen Photoresistprozess werden das Oxid und das Nitrid an den Stellen, an denen später die V-förmi¬ gen Ausnehmungen 10 bis 14 erzeugt werden sollen, geöffnet. Die V-förmigen Ausnehmungen werden in einem anisotropen Ätzprozeß erzeugt, wodurch die Geometrie des Sensorkörpers 2 festgelegt wird.After a photoresist process on both sides, the oxide and the nitride are opened at the points at which the V-shaped recesses 10 to 14 are later to be produced. The V-shaped recesses are produced in an anisotropic etching process, as a result of which the geometry of the sensor body 2 is set.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Leiterbahnen 26 bis 29 zu den Anschlüssen 30 bis 33, die als Bond-Kontak¬ te ausgeführt sein können, in einem laserinduzierten Ab- scheidungsverfahren erzeugt. Als abschließende Passivie- rungsschicht wird eine Plasmanitridschicht abgeschieden.In a further method step, the conductor tracks 26 to 29 to the connections 30 to 33, which can be embodied as bond contacts, are produced in a laser-induced deposition process. A plasma nitride layer is deposited as the final passivation layer.
In einem letzten Verfahrensschritt werden die einzelnen Sen¬ soren 1 aus dem Siliciumwafer durch Sägen vereinzelt.In a last process step, the individual sensors 1 are separated from the silicon wafer by sawing.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 stimmt sowohl strukturell als auch bezüglich ihres Herstellungsverfahrens mit dem Sensor gemäß Fig. 3 weitge¬ hend überein, so daß nachfolgend nur strukturelle und her¬ stellungstechnische Abweichungen von der ersten Ausführungs¬ form nach Fig. 3 zu erläutern sind.The embodiment of the sensor 1 according to the invention shown in FIG. 4 largely corresponds structurally and in terms of its manufacturing method to the sensor according to FIG. 3, so that only structural and manufacturing deviations from the first embodiment according to FIG. 3 are to be explained.
Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 4 besteht aus zwei Sensorkörpern 2, 2 ' , die jeweils an einer 16 ihrer beiden Längsseiten 15, 16 im Bereich der Endteile 4, 5 sowie im Bereich der einander zugewandten Längswandelemente 22 mit¬ einander verbunden sind.The second embodiment according to FIG. 4 consists of two sensor bodies 2, 2 ', which are each connected to one another on one 16 of their two longitudinal sides 15, 16 in the region of the end parts 4, 5 and in the region of the longitudinal wall elements 22 facing one another.
Wie ferner aus einem Vergleich der Fig. 4 mit der Fig. 3 offensichtlich ist, weist bei der Ausführungsform nach Fig. 4 jeder Sensorkörper 2, 2' nur auf der dem anderen Sensor¬ körper 2 ' , 2 abgewandten Längsseite 15 eine Kerbe 6, 8; 6' , 8' auf.As is also evident from a comparison of FIG. 4 with FIG. 3, in the embodiment according to FIG. 4 each sensor body 2, 2 'has a notch 6 only on the longitudinal side 15 facing away from the other sensor body 2', 2, 8th; 6 ', 8' on.
Das Herstellungsverfahren entspricht weitgehend demjenigen des Sensors nach Fig. 3, wobei jedoch bei der Ausführungs¬ form nach Fig. 4 nach dem Verfahrensschritt des Aufbringens der Plasmanitridschicht durch Abscheiden und vor dem Ver¬ einzeln der Sensoren mittels Sägen auf einen der beiden Wafer eine Pyrexschicht aufgesputtert wird, bevor die beiden Wafer rückseitig mittels des Anodic-Bonding-Verfahrens mit¬ einander verbunden werden. Nach diesem Verfahrensschritt des Verbindens folgt in Übereinstimmung mit dem unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Verfahren das Vereinzeln der Sen¬ soren 1 mittels Sägen.The manufacturing method largely corresponds to that of the sensor according to FIG. 3, but in the embodiment according to FIG. 4 a pyrex layer is sputtered onto one of the two wafers after the method step of applying the plasma nitride layer by deposition and before the sensors are separated by means of sawing is before the two wafers are connected to one another on the back by means of the anodic bonding method. After this step of the Joining follows in accordance with the method described with reference to FIG. 3, the separation of the sensors 1 by means of sawing.
Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5, die bezüglich der Struktur des Sensorkörpers und bezüglich seines Herstel¬ lungsverfahrens mit der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 übereinstimmt, sind die mechanisch-elektrischen Wandlerele¬ mente als Resonatoren 34, 35, 36, 37, 38, 39 ausgeführt. Die Resonatoren erstrecken sich jeweils brückenartig über die Ausnehmungen 10, 12, 14; 10 12 14λ. Die Resonatoren können aus Silizium mit einer (100)-Orientierung hergestellt wer¬ den. Gleichfalls ist es möglich, die Resonatoren durch Ab¬ scheiden von Polysilizium oder anderen Materialien zu erzeu¬ gen. Da die Herstellung und der Aufbau derartiger Resonato¬ ren an sich bekannt ist, bedarf es keiner detaillierten, diesbezüglichen Erläuterung. Die Resonatoren 34 bis 39 wird man dann als Wandlerelemente einsetzen, wenn eine besonders genaue Messung im Vordergrund steht und ein höherer Herstel¬ lungsaufwand vertretbar ist.In the third embodiment according to FIG. 5, which corresponds to the second embodiment according to FIG. 4 with regard to the structure of the sensor body and with regard to its production method, the mechanical-electrical converter elements are resonators 34, 35, 36, 37, 38 , 39 executed. The resonators each extend in a bridge-like manner over the recesses 10, 12, 14; 10 12 14 λ . The resonators can be made of silicon with a (100) orientation. It is also possible to produce the resonators by depositing polysilicon or other materials. Since the manufacture and construction of such resonators is known per se, no detailed explanation in this regard is required. The resonators 34 to 39 will then be used as transducer elements when a particularly precise measurement is in the foreground and a higher manufacturing effort is justifiable.
Fig. 6 verdeutlicht den Einfluß einer kompressiven Kraft auf die Wirkgeometrie eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform nach den Fig. 4 oder 5. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, wird bei Angreifen einer Kraft die Sensorstruktur symmetrisch zu ihrer Längs¬ achse zieharmonikaartig verformt. Der Kraftangriffspunkt verschiebt sich relativ zum Einspannpunkt der Struktur nur entlang der Wirkrichtung oder Längsachse der Struktur, so daß die eingangs erläuterten Probleme des Standes der Tech¬ nik bei der erfindungsgemäßen Sensorstruktur nicht auftre¬ ten.6 illustrates the influence of a compressive force on the active geometry of a sensor according to the invention according to the second or third embodiment according to FIGS. 4 or 5. As can be seen from this figure, when a force is applied, the sensor structure becomes symmetrical to its longitudinal axis deformed like an accordion. The force application point moves relative to the clamping point of the structure only along the effective direction or longitudinal axis of the structure, so that the problems of the prior art explained at the outset do not occur with the sensor structure according to the invention.
In Abweichung von den Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 5 ist es möglich, auf die dort vorgesehene Anordnung von Leiterbahnen 26 bis 29 auf den Querwändelemeήten 17 bis 20 zu verzichten und eine Drahtkontaktierung am Ort der Wider¬ stände 24, 25 vorzunehmen. Ebenfalls kann auch eine Detek- tierung der Verformung unmittelbar an diesen Widerständen 24, 25 erfolgen.In a departure from the embodiments according to FIGS. 3 to 5, it is possible to dispense with the arrangement of conductor tracks 26 to 29 provided there on the transverse wall elements 17 to 20 and to make wire contacting at the location of the resistors 24, 25. A detector can also tation of the deformation directly on these resistors 24, 25 take place.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Ausneh¬ mungen als im wesentlichen V-förmig beschrieben. Je nach Ätzcharakteristik des verwendeten Ausgangsmateriales können sich auch andere Ausnehmungslängsschnitte ergeben, die bei¬ spielsweise im wesentlichen U-förmig sein können.In the exemplary embodiment described, the recesses are described as essentially V-shaped. Depending on the etching characteristic of the starting material used, other longitudinal cut-outs may also result, which may be substantially U-shaped, for example.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bestehen die Sen¬ sorkörper 2 aus Silizium. Anstelle des Silizium können je¬ doch auch andere ätzbare Materialien, insbesondere Halblei¬ termaterialien, verwendet werden.In the exemplary embodiment described, the sensor bodies 2 consist of silicon. Instead of silicon, however, other etchable materials, in particular semiconductor materials, can also be used.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird die Falten¬ struktur durch fünf alternierend angeordnete Ausnehmungen definiert. Je nach gewünschter Länge der Faltenstruktur und nach gewünschter Elastizität und gewünschtem Meßweg kann jedoch die Anzahl der durch die Ausnehmungen definierten Falten auch höher oder niedriger gewählt werden.In the described embodiments, the fold structure is defined by five alternating recesses. Depending on the desired length of the fold structure and on the desired elasticity and desired measuring path, the number of folds defined by the recesses can also be selected to be higher or lower.
Bei dem unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläuterten Verfahren werden die beiden Wafer mit einem Anodic-Bonding-Verfahren miteinander verbunden. Anstelle dieses Verfahrens kann für das Verbinden der beiden Wafer auch das sogenannte Silicon- Fusion-Bonding-Verfahren eingesetzt werden. Die beiden Wafer können auch durch Löten, Kleben oder Legieren miteinander verbunden werden.In the method explained with reference to FIG. 4, the two wafers are connected to one another using an anodic bonding method. Instead of this method, the so-called silicone fusion bonding method can also be used for connecting the two wafers. The two wafers can also be connected to one another by soldering, gluing or alloying.
In Abweichung zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann als Wandlerelement auch eine opto-elektronische Wandleran¬ ordnung eingesetzt werden, die eine Lichtguelle zum Erzeugen eines Lichtstrahles aufweist, die ferner eine an dem ver¬ formbaren Wirkbereich angeordnete Spiegelfläche zum Reflek¬ tieren des Lichtstrahles sowie einen opto-elektronischen Sensor zum Erfassen der Auslenklage des Lichtstrahles um¬ faßt. Vorzugsweise ist hier die Lichtquelle eine Laserlicht¬ quelle. Eine besonders einfache Ablenkung des Lichtstrahles durch die Spiegelfläche wird dadurch erzielt, daß eines der Querwandelemente mit der Spiegelfläche versehen ist. Die Spiegelfläche kann durch Aufbringen einer spiegelnden Be¬ schichtung auf das Querwandelement erzeugt werden. Bei dem opto-elektronischen Sensor kann es sich sowohl um einen Sen¬ sor handeln, der die Ablenkung des Lichtstrahles in analoger oder quasi-analoger Weise erfaßt, wie auch um einen Sensor handeln, der in digitaler Weise lediglich das Auftreffen des Lichtstrahles auf einen vorbestimmten Erfassungsbereich oder dessen Ablenken aus diesem Erfassungsbereich feststellt. In deviation from the exemplary embodiment described, an optoelectronic transducer arrangement can also be used as the transducer element, which has a light source for generating a light beam, which furthermore has a mirror surface arranged on the deformable active region for reflecting the light beam and an opto includes electronic sensor for detecting the deflection of the light beam. The light source here is preferably a laser light source. A particularly simple deflection of the light beam through the mirror surface is achieved in that one of the transverse wall elements is provided with the mirror surface. The mirror surface can be produced by applying a reflective coating to the transverse wall element. The optoelectronic sensor can be both a sensor that detects the deflection of the light beam in an analog or quasi-analog manner and a sensor that can only digitally detect the impact of the light beam on a predetermined one Detection area or its distraction from this detection area.

Claims

1 1Patentansprüche 1 1Patent claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges, mit wenigstens einem Sensor¬ körper, der wenigstens ein Wandlerelement aufweist, mit dem eine Verformung eines verformbaren Wirkbereiches des Sensorkörpers erfaßbar ist, wobei der Sensorkörper in seinem Wirkbereich wenigstens zwei sich im wesentlichen senkrecht zu der Wirkrichtung des Sensors erstreckende, auf gegenüberliegenden Längsseiten des Sensorkörpers an¬ geordnete und zueinander in Wirkrichtung des Sensors versetzte Ausnehmungen aufweist, die eine faltenartige Struktur des Sensorkörpers in dessen Wirkbereich defi¬ nieren,1. A method for producing a sensor for measuring a force and / or a path, with at least one sensor body which has at least one transducer element with which a deformation of a deformable effective area of the sensor body can be detected, the sensor body in its effective area at least two recesses which extend substantially perpendicular to the direction of action of the sensor and are arranged on opposite longitudinal sides of the sensor body and offset from one another in the direction of action of the sensor and which define a wrinkle-like structure of the sensor body in its area of action,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:characterized by the following process steps:
- beidseitiges Aufbringen von gegen ein Ätzmittel be¬ ständigen Schichten auf die Hauptflächen eines Halb¬ leiterwafers;- Applying layers resistant to an etchant on both sides to the main surfaces of a semiconductor wafer;
- Erzeugen von Öffnungen mittels eines Photoresistpro¬ zesses in den beiden Schichten;- Creation of openings in the two layers by means of a photoresist process;
- anisotropes beidseitiges Ätzen von im wesentlichen V-förmigen Ausnehmungen in den Halbleiterwafer; undanisotropic double-sided etching of essentially V-shaped recesses in the semiconductor wafer; and
- Unterteilen des Halbleiterwafers in Sensorkörper.- Subdivide the semiconductor wafer into sensor body.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. The method according to claim 1, characterized in that
daß der Verfahrensschritt des beidseitigen Aufbringens von gegen ein Ätzmittel beständigen Schichten folgende Teilschritte umfaßt: - Passivieren der beiden Hauptflächen des Halbleiter¬ wafers durch thermische Oxidation; undthat the process step of applying layers resistant to an etchant on both sides comprises the following substeps: Passivation of the two main surfaces of the semiconductor wafer by thermal oxidation; and
- Abscheiden von einer Nitridschicht auf den beiden Hauptflächen des Halbleiterwafers.- Deposition of a nitride layer on the two main surfaces of the semiconductor wafer.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,3. The method according to claim 2, characterized in that
daß der Verfahrensschritt des Abscheidens einer Nitrid¬ schicht das Abscheiden einer Nitridschicht im chemischen Dampfabscheidungsverfahren bei Niederdruck umfaßt.that the step of depositing a nitride layer comprises depositing a nitride layer in the chemical vapor deposition process at low pressure.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich¬ net durch folgende anfängliche Verfahrensschritte:4. The method according to any one of claims 1 to 3, gekennzeich¬ net by the following initial process steps:
- thermisches Oxidieren des Halbleiterwafers;- thermal oxidation of the semiconductor wafer;
- Strukturieren der Oberfläche des Halbleiterwafers mittels eines Photoresistprozesses;Patterning the surface of the semiconductor wafer by means of a photoresist process;
- Implantieren von Piezowiderständen; und- implanting piezoresistors; and
- Ausheilen des Halbleiterwafers.- Healing the semiconductor wafer.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich¬ net durch folgende Verfahrensschritte nach dem Aufbrin¬ gen der gegen ein Ätzmittel beständigen Schichten:5. The method according to any one of claims 1 to 4, gekennzeich¬ net by the following process steps after Aufbrin¬ gene of the layers resistant to an etchant:
- Aufdampfen einer Metallisierung;- vapor deposition of a metallization;
- Strukturieren der Metallisierung mittels eines weite¬ ren Photoresistprozesses zur Erzeugung von elektri¬ schen Kontakten zu den Piezowiderständen.- Structuring of the metallization by means of a further photoresist process for producing electrical contacts to the piezoresistors.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeich¬ net durch folgende Verfahrensschritte nach dem Erzeugen der V-förmigen Ausnehmungen durch beidseitiges anisotro¬ pes Ätzen: - laserinduziertes Abscheiden von Leiterbahnen auf Quer wandelementen der faltenartigen Struktur des Sensor körpers in dessen Wirkbereich; und6. The method according to any one of claims 1 to 5, gekennzeich¬ net by the following method steps after creating the V-shaped recesses by anisotropic etching on both sides: - Laser-induced deposition of conductor tracks on transverse wall elements of the fold-like structure of the sensor body in its effective range; and
- Abscheiden einer Passivierungsschicht.- depositing a passivation layer.
7. Sensor zum Messen einer Kraft und/oder eines Weges, mit wenigstens einem Sensorkörper (2, 2 ' ) , der wenigstens ein Wandlerelement (24, 25; 34, 35, 36, 37, 38, 39) aufweist, mit dem eine Verformung eines verformbaren Wirkbereiches (3) des Sensorkörpers (2, 2 ' ) erfaßbar ist,7. Sensor for measuring a force and / or a path, with at least one sensor body (2, 2 ') which has at least one transducer element (24, 25; 34, 35, 36, 37, 38, 39) with which one Deformation of a deformable effective area (3) of the sensor body (2, 2 ') can be detected,
wobei der Sensorkörper (2, 2 ' ) in seinem Wirkbereich (3) wenigstens zwei sich im wesentlichen senkrecht zu der Wirkrichtung des Sensors (1) erstreckende, auf gegen¬ überliegenden Längsseiten (15, 16) des Sensorkörpers (2, 2') angeordnete und zueinander in Wirkrichtung des Sen¬ sors (1) versetzte Ausnehmungen (10, 11, 12, 13, 14) aufweist, die eine faltenartige Struktur des Sensorkör¬ pers (2) in dessen Wirkbereich (3) definieren,wherein the sensor body (2, 2 ') has in its effective area (3) at least two substantially perpendicular to the effective direction of the sensor (1), arranged on opposite longitudinal sides (15, 16) of the sensor body (2, 2') and has recesses (10, 11, 12, 13, 14) which are offset from one another in the direction of action of the sensor (1) and which define a fold-like structure of the sensor body (2) in its area of action (3),
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß der Sensorkörper (2, 2 ' ) zumindest innerhalb seines Wirkbereiches (3) aus einem Halbleitermaterial besteht,that the sensor body (2, 2 ') consists of a semiconductor material at least within its effective range (3),
daß die Ausnehmungen (10, 11, 12, 13, 14) durch aniso¬ tropes Ätzen im wesentlichen V-förmig ausgebildet sind,that the recesses (10, 11, 12, 13, 14) are essentially V-shaped by anisotropic etching,
daß der Sensorkörper (2) zwei sich an seinen Wirkbe¬ reichen (3) anschließende Endteile (4, 5) für die Kraft¬ einleitung sowie innerhalb seines Wirkbereiches wenig¬ stens eine Einheit aus einem sich in einem Winkel zu der Wirkrichtung erstreckenden Querwandelement (17, 18, 19, 20) und einem sich an dieses anschließenden, sich in der Wirkrichtung erstreckenden und eine Längsseite des Sen- sorkörpers bildenden Längswandelement aufweist.that the sensor body (2) has two end parts (4, 5) adjoining its effective areas (3) for the introduction of force and at least one unit within its effective area from a transverse wall element (17 , 18, 19, 20) and an adjoining one, extending in the effective direction and a long side of the sensor has body-forming longitudinal wall element.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,8. Sensor according to claim 7, characterized in
daß der Sensor (1) zwei Sensorkörper (2, 2 ' ) umfaßt, die jeweils an einer (16) ihrer Längsseiten (15, 16) im Be¬ reich der Endteile (4, 5) sowie im Bereich der einander zugewandten Längswandelemente (22) miteinander verbunden sind.that the sensor (1) comprises two sensor bodies (2, 2 '), each on one (16) of their longitudinal sides (15, 16) in the region of the end parts (4, 5) and in the region of the longitudinal wall elements (22 ) are connected.
9. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,9. Sensor according to claim 7 or 8, characterized in
daß das mechanisch-elektrische Wandlerelement (24, 25) an dem Längswandelement (21, 22, 23) derart angeordnet ist, daß eine Verkürzung oder Längung der Oberfläche des Längswandelementes (21, 22, 23) in der Wirkrichtung aufgrund einer aus einer Kraftbeaufschlagung in der Wirkrichtung des Sensors (1) hervorgehenden Biegung des Längswandelementes (21, 22, 23) um eine sich senkrecht zu der Wirkrichtung erstreckende Achse erfaßbar ist.that the mechanical-electrical transducer element (24, 25) on the longitudinal wall element (21, 22, 23) is arranged such that a shortening or elongation of the surface of the longitudinal wall element (21, 22, 23) in the effective direction due to a from a force in the bending of the longitudinal wall element (21, 22, 23) resulting from the effective direction of the sensor (1) can be detected about an axis extending perpendicular to the effective direction.
10. Sensor einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich¬ net,10. Sensor according to one of claims 7 to 9, characterized in that:
daß das mechanisch-elektrische Wandlerelement durch einen transversalen, piezoresistiven Widerstand (24, 25) gebildet ist.that the mechanical-electrical transducer element is formed by a transverse, piezoresistive resistor (24, 25).
11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,11. Sensor according to claim 9 or 10, characterized in that
daß das auf dem Längswandelement (21, 22, 23) angeord¬ nete mechanisch-elektrische Wandlerelement (24, 25) über Leiterbahnen (26, 27, 28, 29), die über das Querwand¬ element (17, 18, 19, 20) verlaufen, mit auf einem der beiden Endteile (4, 5) angeordneten Anschlußkontakten (30, 31, 32, 33) verbunden ist.that the mechanical-electrical transducer element (24, 25) arranged on the longitudinal wall element (21, 22, 23) via conductor tracks (26, 27, 28, 29), that via the transverse wall element (17, 18, 19, 20 ) run, is connected to one of the two end parts (4, 5) arranged connecting contacts (30, 31, 32, 33).
12. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet. daß das mechanisch-elektrische Wandlerelement durch eine sich brückenartig über eine der Ausnehmungen erstrecken¬ de Resonatorstruktur (34, 35, 36, 37, 38, 39) gebildet ist.12. Sensor according to claim 7 or 8, characterized. that the mechanical-electrical transducer element is formed by a resonator structure (34, 35, 36, 37, 38, 39) that extends like a bridge over one of the recesses.
13. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,13. Sensor according to claim 7 or 8, characterized in
daß das Wandlerelement eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahles, eine an dem verformbaren Wirkbe¬ reich angeordnete Spiegelfläche zum Reflektieren des Lichtstrahles sowie einen opto-elektronischen Sensor zum Erfassen einer Ablenklage des Lichtstrahles aufweist.that the converter element has a light source for generating a light beam, a mirror surface arranged on the deformable active region for reflecting the light beam and an opto-electronic sensor for detecting a deflection position of the light beam.
14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,14. Sensor according to claim 13, characterized in
daß die Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist.that the light source is a laser light source.
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,15. Sensor according to claim 13 or 14, characterized in that
daß die Spiegelfläche an einem der Querwandelemente (17, 18, 19, 20) angeordnet ist. that the mirror surface is arranged on one of the transverse wall elements (17, 18, 19, 20).
EP19900915746 1989-12-08 1990-10-29 Sensor for measuring force and/or travel and process for its manufacture Withdrawn EP0504149A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3940696 1989-12-08
DE19893940696 DE3940696C2 (en) 1989-12-08 1989-12-08 Sensor for measuring a force and / or a path

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0504149A1 true EP0504149A1 (en) 1992-09-23

Family

ID=6395115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19900915746 Withdrawn EP0504149A1 (en) 1989-12-08 1990-10-29 Sensor for measuring force and/or travel and process for its manufacture

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP0504149A1 (en)
DE (1) DE3940696C2 (en)
WO (1) WO1991009288A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19508396C2 (en) * 1994-03-14 2002-07-18 Uwe Engberts Method for monitoring a reaction force acting on a tool of a machine tool
DE10023838C2 (en) * 2000-05-16 2002-11-28 Siemens Ag Device for measuring a path change between sections of a component and use of this device
DE10034569B4 (en) 2000-07-14 2004-02-12 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Device for detecting relative movements of an object
DE102006030407A1 (en) * 2006-06-29 2008-01-03 Werthschützky, Roland, Prof. Dr.-Ing. Force sensor with asymmetric basic body for detecting at least one force component
DE102006031635A1 (en) 2006-07-06 2008-01-17 Werthschützky, Roland, Prof. Dr.-Ing. Minaturisable force sensor for detecting a force vector

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3328649A (en) * 1963-03-28 1967-06-27 Raytheon Co Semiconductor transducers
DE1227261B (en) * 1964-04-29 1966-10-20 Rudolf Boeklen Dr Ing Force measuring lever
GB1333167A (en) * 1971-02-23 1973-10-10 Peak Components Ltd Strain measuremenet
DE2555231A1 (en) * 1975-12-09 1977-06-16 Schenck Ag Carl Force measurement transducer using distortion element - has strain gauges mounted axially in the force path and incorporating some electronics to reduce noise
US4498229A (en) * 1982-10-04 1985-02-12 Becton, Dickinson And Company Piezoresistive transducer
DE3742673A1 (en) * 1987-12-16 1989-06-29 Siemens Ag Microstress sensor
US4879914A (en) * 1989-02-27 1989-11-14 Sundstrand Data Control, Inc. Unitary push-pull force transducer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9109288A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE3940696C2 (en) 1993-11-11
WO1991009288A1 (en) 1991-06-27
DE3940696A1 (en) 1991-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008040525B4 (en) Micromechanical sensor element
DE19810534C2 (en) Multi-axis acceleration sensor and manufacturing method of a multi-axis acceleration sensor
EP1550349B1 (en) Membrane and method for the production thereof
EP0394305B1 (en) Device for measuring acceleration
DE3741941C2 (en)
DE102004010670B4 (en) Semiconductor pressure sensor with a diaphragm
DE102010012441B4 (en) Millinewton micro force meter and method of making a Millinewton micro force meter
DE19526903A1 (en) Rotation rate sensor with which acceleration sensor is arranged on oscillator
DE2429894B2 (en) POLYCRYSTALLINE MONOLITHIC PRESSURE SENSOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURING
EP0981755B1 (en) Acceleration sensor
EP0494143B1 (en) Device for measuring mechanical forces and dynamic effects
DE102017219901B3 (en) Micromechanical z-inertial sensor
EP1876434A2 (en) Device for measuring forces, in particular a pressure sensor and manufacturing method therefore
DE102015110711A1 (en) MEMS sensor for measuring at least one measured variable of a flowing fluid
DE69823208T2 (en) POWERTRAIN FOR A ACCELERATOR OR ROTATING SPEED SENSOR
DE2349463B2 (en) Semiconductor pressure sensor
DE3824695C2 (en)
EP0504149A1 (en) Sensor for measuring force and/or travel and process for its manufacture
DE4228795C2 (en) Yaw rate sensor and manufacturing method
DE10161921A1 (en) Semiconductor sensor for detecting a dynamic variable and method for producing the same
DE19825298C2 (en) Method for producing a sensor arrangement and sensor arrangement
DE60201408T2 (en) Method for reinforcing a mechanical microstructure
DE4028376C2 (en)
DE4208043A1 (en) Measuring acceleration - using silicon@ crystal spring-mass system which is excited into oscillation and measuring oscillation frequency
DE19843716B4 (en) Semiconductor sensor and method for its production

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19920515

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE FR GB

17Q First examination report despatched

Effective date: 19930827

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Withdrawal date: 19931202