FI81915B - Kapacitiv accelerationsgivare och foerfarande foer framstaellning daerav. - Google Patents

Description

81915

Kapasitiivinen kiihtyvyysanturi ja menetelmä sen valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä kiihtyvyysanturin valmistamiseksi.

Keksinnön mukainen anturi on itse asiassa miniatyrisoitu voima-anturi, jonka pääasiallinen käyttötarkoitus on kuitenkin kiihtyvyyden ilmaiseminen. Laitetta voi myös käyttää muihinkin tarkoituksiin, esim. kallistuksen ilmaisemiseen.

Tunnetut pienikokoiset kiihtyvyysanturit ovat toimintaperiaatteeltaan yleisimmin piezosähköisiä tai piezoresistii-visiä.

Piezosähköinen kide synnyttää pinnalleen sähkövarauksen, jonka suuruus riippuu pintaan vaikuttavasta voimasta. Tämä varaus mitataan varausherkällä vahvistimella. Tällaisen vahvistimen ottoimpedanssi on suuri, jolloin se on herkkä sähköstaattisille häiriöille. Kiteen pinnalle syntyneet varaukset purkautuvat itsestään vuotovirtojen kautta, joten tällä anturilla ei voida mitata staattisia tai pienitaajuis ia kiihtyvyyksiä.

Piezoresistiivinen anturi on tehty tyypillisesti puolijohteesta, esim. piistä, johon on diffusoitu vastukset sopiviin kidesuuntiin. Kun kidettä taivutetaan, syntyneet jännitykset muuttavat vastusten arvoja ja taipuma voidaan täten ilmaista. Taipuma on puolestaan verrannollinen voimaan ja täten kiihtyvyyteen.

Miniatyrisoituja piezoresistiivisiä kiihtyvyysantureita voidaan valmistaa esim. piistä käyttäen mikroelektroniikan ja mikromekaniikan valmistusmenetelmiä. Mahdollisimman suuren 2 81915 herkkyyden saamiseksi on käytettävä maksimaalisia jännityksiä vastusten alueella. Tästä seuraa, että elastisen osan liike tulee suureksi rakenteen paksuuteen verrattuna ja herkille antureille on lisäksi käytettävä apumassoja anturin seismisenä massana, koska pii on verrattain kevyttä. Apumas-sojen valmistaminen tekee prosessista vaikean. Lisäksi piezoresisitiivinen anturi on paljon lämpötilaherkempi kuin esim. kapasitiivnen anturi. Myös ns. gauge-factor on piezo-resistiivisellä anturilla pienempi kuin kapasitiivisella.

Yksikiteisestä piistä on tehty kiihtyvyysantureita 1960-lu-vun loppupuolelta lähtien. Osa näistä ratkaisuista on julkaistu tieteellisissä artikkeleissa ja osa on patentoitu. Piezoresistiivisiä kiihtyvyysantureita on käsitelty mm. seu-raavissa julkaisuissa: [1] L.M. Roylance and J.B. Angell, "A batch fabricated silicon accelerometer", IEEE Trans. On Electron Devices, ED-26, 1911-1920 (1979) [2] W. Benecke et al., "A frequency selective, piezo-resistive Silicon vibration sensor",

Transducers'87, 406 - 409 (1987) [3] M. Tsugai and M. Bessho, "Semiconductor accelerometer for automotive controls", Transducers'87, 403 - 405 (1987) [4] E.J. Evans, US - pat. 3 478 604 (1968) [5] A.J. Yerman, US - pat. 3 572 109 (1971)

Julkaisujen [4] ja [51 mukaiset ratkaisut koskevat "taipuva palkki"- tyyppistä kiihtyvyysanturia.

Kapasitiivisia kiihtyvyysantureita on puolestaan käsitelty seuraavissa julkaisuissa: 3 81915 [6] H.W. Fischer, US - pat. 3 911 738 (1975) [7] W.H. Ficken, US - pat. 4 009 607 (1977) [8] F.V. Holdren et al., US - pat. 4 094 199 (1978 ) [9] H.E. Aine, US - pat. 4 144 516 (1979) [10] K.E. Petersen et al., US - pat. 4 342 227 (1982) [11] R.F. Colton, US - pat. 4 435 737 (1984) [12] F. Rudolf,US - pat. 4 483 194 (1984) [13] L.B. Wilner, US - pat. 4 574 327 (1986)

Julkaisussa [6] on esitetty kahta kapasitanssia käyttävä kiihtyvyysanturi, mutta mitään rakennetta sille ei esitetä.

Julkaisu [7] on periaatteessa sama kuin julkaisu [6], mutta sähköinen toteutus on erilainen.

Julkaisu [8] koskee myös kahden kondensaattorin periaatetta.

Julkaisussa [9] on kuvattu mikromekaaninen anturi, jossa hidas massa on ripustettu lehtijousilla.

Julkaisussa [10] on esitetty taipuvaan palkkiin perustuva anturi, jossa palkin liike on vaakatasossa eikä se ole sähköisesti symmetrinen.

Julkaisu [11] koskee renkaan muotoista rakennetta.

Julkaisu [12] koskee torsioripustuksella kääntyvää levyä, jossa kapasitanssi on vain toisella puolella levyä.

Julkaisun [13] mukaisessa ratkaisussa hidas massa on ripustettu kalvojousella.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uuden- 4 81915 tyyppinen kapasitiivinen kiihtyvyysanturi ja menetelmä sen valmistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että periaatteeltaan kapasitiivnen kiihtyvyysanturi on muodostettu kahdesta kondensaattorista, joilla on yhteinen liikkuva keskielektrodi, joka toimii anturin seismisenä massana. Keskielektrodi muodostaa yhtenäisen rakenteen samasta aineesta tehdyn palkin kanssa. Tällaisia elastisia osia voi olla yksi tai useampi. Kiihtyvyyden vaikutuksesta seisminen massa liikkuu muutaman mikrometrin verran ja liike havaitaan kapasitanssien muutoksista. Anturi on rakenteeltaan kaksipuoleinen ja symmetrinen.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle kiihtyvyysanturille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle valmistusmenetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutetaan seuraavat edut: - kapasitiviisella periaatteella saavutetaan suuri herkkyys ΔC/C pienellä seismisen massan siirtymällä, - symmetrisen rakenteen ansiosta anturilla on erittäin pieni kompensoimaton lämpötilariippuvuus, - koska seisminen massa on samaa ainetta kuin taipuva osa, esim. piitä, ei lisämassaa tarvita, - vaimennusta voidaan muuttaa tekemällä kondensaattorin elektrodien pintaan uria tai jättämällä anturin sisälle sopiva paine, - kapasitanssien muutokset ovat symmetriset kiihtyvyyden nollakohdan suhteen, s 81915 - anturia voidaan valmistaa suurina erinä, - anturilla on erittäin hyvä alueen ylityksen sieto, koska seisminen massa liikkuu vain muutaman mikrometrin . ja tukeutuu sen jälkeen sivuelektrodeihin.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellutusesimerkkien avulla .

Kuvio 1 esittää halkileikattuna sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista anturirakennetta.

Kuvio 2 esittää halkileikattuna sivukuvantona toista keksinnön mukaista anturirakennetta.

Kuviot 3a - 3c esittävät perspektiivikuvantoina kuvion 1 mukaisen anturirakenteen eri osia.

Kuviot 4a - 4c esittävät perspektiivikuvantoina kuvion 2 mukaisen anturirakenteen eri osia.

Kuvio 5 esittää osittain halkileikattuna perspektiivikuvan-tona kuvion 2 mukaista anturirakennetta.

Kuvio 6 esittää halkileikattuna sivukuvantona kolmatta keksinnön mukaista anturirakennetta.

Kuvio 7a esittää yläkuvantona keksinnön mukaisen anturirakenteen yhtä maskausvaihetta.

Kuvio 7b esittää yläkuvantona kuvion 7a mukaisella maskaus-vaiheella saavutettua lopputulosta.

Kuvio 8a esittää yläkuvantona keksinnön mukaisen anturirakenteen toista maskausvaihetta.

Kuvio 8b esittää yläkuvantona kuvion 8a mukaisella maskaus-vaiheella saavutettua lopputulosta.

Kuvio 9a esittää yläkuvantona keksinnön mukaisen anturirakenteen kolmatta maskausvaihetta.

6 81915

Kuvio 9b esittää yläkuvantona kuvion 9a mukaisella maskaus-vaiheella saavutettua lopputulosta.

Keksinnön kohteena oleva anturi voidaan valmistaa esim. yksikiteisestä piistä mikromekaniikasta tunnettujen menetelmien avulla. Kuviossa 1 on esitetty anturin periaatteellinen rakenne. Anturi voi olla hermeettisesti suljettu, jolloin anturin sisälle voidaan jättää kaasua sopivaan alipaineeseen. Täyttökaasun paineella voidaan vaikuttaa anturin seismisen massan liikkeen vaimennukseen. Täyttökaasuna voidaan käyttää esimerkiksi kuivaa ilmaa. Sopivalla vaimennuksella saadaan anturille hyvät taajuusominaisuudet.

Anturin rakenne on kuitenkin yksinkertaisempi, jos se tehdään kuvion 2 mukaisesti avoimeksi siten, että anturin sisällä on sama kaasun paine kuin ulkopuolellakin. Kaasu pääsee kulkemaan kanavan 8 kautta. Tällöin kuitenkin seismisen massan vaimennus on erittäin suuri ja tällainen anturi sopii vain matalataajuisiin (muutama Hz) ja staattisiin mittauksiin.

Kuvio 1 esittää hermeettisesti suljettua anturirakennetta. Anturi on kerrosrakenne, joka koostuu sähköisesti toisiinsa kytketyistä levymäisistä reunaelektrodirakenteista 15 sekä näiden väliin yhdensuuntaisesti asennetusta keskielektrodi-rakenteesta 16, jossa seismisenä massana 1 toimii palkkimai-sen ulokkeen 17 kärkiosa. Palkkimainen uloke 17 on muodostettu keskielektrodirakenteeseen 16 tekemällä tähän U-muo-toinen, läpi keskielektrodirakenteen 16 ulottuva ura. Koko palkista 17 on poistettu vielä materiaalia kapasitanssin määrävän raon 7 muodostamiseksi, ja erityisesti palkin 17 tyviosaa 2 on ohennettu sen tekemiseksi taipuisaksi. Näin yhtenäinen keskielektrodirakenne 16 käsittää palkin 17, joka puolestaan koostuu seismisestä massasta 1 ja taipuvasta osasta 2, sekä palkkia 17 ympäröivästä runko-osasta 3. Seisminen massa 1 on sopivasti muutaman mikrometrin runko-osaa 3 ohuempi. Keskielektrodirakenne 16 voi olla esimerkiksi samaa yksikiteistä piitä. Anturin kapasitanssit muodostuvat kes- 7 81915 kielektrodiosan 16 liikkuvan yhteisen elektrodin 1 ja reuna-elektrodirakenteiden 15 kiinteiden reunaelektrodien 4 välille. Reunaelektrodit 4 on tehty esimerkiksi yksikiteisestä piistä syövyttämällä eristekerrosta 5 vastaavat pinnat siten, että seismisen massan 1 kohdalle ja kontaktointialueel-le 6 jää piihin kohoutuma. Eristekerros 5 voi olla esim. lasia. Lasialue 5 ja runko-osa 3 voidaan liittää toisiinsa hermeettisesti esimerkiksi anodisella bondauksella. Keskie-lektrodirakenteen 16 rakenne on peilisymmetrinen kuviossa 1 näkyvän tason £ (xy-tason) suhteen. Seismisen massan 1 liikesuunta on z-suunta.

Kuvion 1 mukaista anturirakennetta on tarkemmin kuvattu kuvioissa 3a - 3c. Kuvioiden 3 ja 4 ylimmät kuviot 3a ja 4a on kuvattu ylösalaisin, jotta metalloinnit 6 ja 6' sekä piialue 4 näkyisivät paremmin.

Kuvio 2 esittää avointa anturirakennetta. Tämä eroaa suljetusta rakenteesta seuraavissa kohdissa: - reunaelektrodirakenne 15 on kokonaan lasia, jonka pinnalle on tehty metallista alueet 6 ja 6' anturin sähköisiä toimintoja varten, - metallointi 6 kulkee kanavassa 8, jonka tehtävänä on estää metalloinnin 6 oikosulkeutuminen runko-osaan 3.

Kuvion 2 mukaista anturirakennetta on tarkemmin kuvattu kuvioissa 4a - 4c. Molemmissa esitetyissä ratkaisuissa antureiden sähköiset kontaktit 6 kannattaa tehdä samaan tasoon, jolloin tarvitaan kuvioissa 3 ja 4 kuvattu sähköinen läpivienti 10. Tämä on samaa ainetta kuin runko-osa 3, mutta erotettuna siitä sähköisesti. Osan 10 rakennetta on edelleen selvennetty kuviossa 5. Kuviossa 4b olevan kohoutuman 9 tehtävänä on muodostaa sähköinen kontakti osasta 3 keskimmäiseen kontaktialueeseen 6. Anturin kokoonpano näkyy kuviosta 5.

8 81915

Antureiden iskunkestävyyttä voidaan parantaa syövyttämällä taipuva osa 2 siten, että siihen jäävät kuviossa 6 näkyvät kohoutumat 11, jotka estävät osan 2 liian suuren taipuman voimakkaassa iskussa. Anturin mitoitus riippuu voimakkaasti halutusta herkkyydestä ja kapasitansseista. Tyypilliset mitat ovat esim. 2 x 0,5 x 4 mm3 seismiselle massalle 1 ja 2 x 0,07 x 4 mm3 ulokepalkille 2. Anturin ulkomitat ovat noin 4 x 3 x 12 mm3 (leveys x korkeus x pituus).

Seuraavaksi kuvatut toimenpiteet kohdistuvat sellaisen lähtömateriaalin molemmille puolille, joka on yksikiteinen puolijohde, esim. molemmin puolin kiillotettu piikiekko.

1. Piikiekon molemmat puolet oksidoidaan n. 250 nm paksuudelta. Kiekon paksuus voi olla esim. 500 pm.

2. Kiekolle levitetään fotoresisti ja valotetaan siihen kuvion 7a mukaiset keskielektrodialueet 12, joilta oksidi syövytetään pois. Kuvio 7 esittää yhtä puolijohdepalaa.

3. Tämän jälkeen keskielektrodialuetta 12 kuviossa 7b syövytetään n. 4 pm syvyydelle esim. KOH-vesiliuoksessa.

4. Kiekolla oleva oksidi syövytetään pois bufferoidulla HF:llä ja kiekko oksidoidaan n. 0,8 pm paksuudelta.

5. Kiekolle levitetään fotoresisti ja valotetaan siihen kes-kielektrodialueen 12 reunoille kuvion 8a mukainen reuna-alue 13 ja kontaktialue 13', joilta oksidi poistetaan. Resisti poistetaan.

6. Alueet 13 ja 13' syövytetään n. 50 pm:n syvyydelle, jolloin muodostuu keskielektrodiaihio 17' kuvion 8b mukaisesti.

7. Kiekko resistoidaan uudelleen ja valotetaan siihen kes-kielektrodiaihion 17' tyviosaan kuvion 9a mukainen alue 14, jolta oksidi poistetaan.

8. Kiekon syövytystä jatketaan esim. KOH-vesiliuoksessa, kunnes alueen 14 paksuus on haluttu, tyypillisesti 40 -100 pm ja alue 13 puhkeaa kuvion 9b mukaisesti.

li 9 81915 Täten on syntynyt kuvion 3b mukainen osa 16.

Kuvioiden 3a ja 3c mukaiset reunaelektrodirakenteet 15 tehdään edellä kuvatulla tekniikalla syövyttämällä piikiekon toinen pinta n. 150 pm syvyydelle jättämällä ainoastaan kuvioissa 3a ja 3c oleva pieni (varjostettu) alue 4 ja sen kanssa sähköisesti yhteydessä oleva alue 6 (varjostettu) alkuperäiseen korkeuteen. Tämän jälkeen kiekon syövytetylle pinnalle sulatetaan sopiva lasikerros, esim. Schott Tempax-, Corning 7070- tai Corning 7740-lasia, joka hiotaan ja kiillotetaan siten, että lasin pinta tulee samalle tasolle kuin kiekon alkuperäinen pinta. Tämä menetelmä on tunnettu US-patentista 4 597 027 (A. Lehto). Lasitetulle kiekolle tehdään tämän jälkeen metalloinnit 6 lift-off menetelmällä tai syövyttämällä. Nämä menetelmät ovat standardimenetelmiä, eikä niitä kuvata tässä tarkemmin. Lopuksi kaikki kolme kiekkoa liitetään yhteen ns. anodisella bondauksella käyttäen sopivaa painetta. Paineen suuruus riippuu halutusta anturin vaimennuksesta ollen tyypillisesti muutama hPa. Hyvä kuvaus näistä (ja muistakin) menetelmistä löytyy kirjasta Ivor Bro-die and Julius J. Muray, The Physics of Microfabrication, Plenum Press, New York, 1983.

Kuvioiden 4a - 4c mukaisen anturin keskielektrodirakenne 16 valmistetaan lähes samoin kuin edellä on kuvattu. Erona on 4 pm syövytyksessä laajennettu alue kanavan 8 ja kontaktia-lueen 9 osalta.

Kuvioiden 4a ja 4c mukaiset reunaelektrodirakenteet 15 tehdään lasista, esim. Schott Tempax, Corning 7070 tai Corning 7740. Alueet 6 ja 6' metalloidaan edellä selitetyllä tavalla. Kokoonpano tehdään anodisella bondauksella normaalissa ilmanpaineessa.

Molemmissa anturiversioissa voidaan kiekkojen paloittelu tehdä murtamalla käyttäen esisahattuja uria.

Claims (5)

10 81915

1. Kapasitiivinen, piirunkoinen kiihtyvyysanturi, joka käsittää - kaksi välimatkan päässä kohdakkain toisistaan olevaa, oleellisen levymäistä, yhdensuuntaista reunaelektrodirakennetta (15), jotka käsittävät kiinteät reunaelektrodit (4, 6·), ja - reunaelektrodirakenteiden (15) väliin sovitetun yhtenäisen, oleellisen levymäisen keskielektrodi-rakenteen (16), joka käsittää - runko-osan (3), joka yhtyy reuna-elektrodirakenteisiin (15), ja - ainakin yhden reunaelektrodien (4, 6') läheisyyteen sovitetun, tyviosan (2) ja kärkiosan (1) käsittävän keskie-lektrodin (17), joka yhtyy tyviosastaan (2) runko-osaan (3) ja jota runko-osa (3) sivulta ympäröi, jolloin tyviosa (2) on oleellisesti kärkiosaa (1) ohuempi , tunnettu siitä, että - keskielektrodirakenne (16) on symmetrinen reunaelektrodirakenteiden (15) mediaanitason (s) suh- : teen, : - keskielektrodi (17) on palkkimainen ja sitä ym- : päröi U-muotoinen, runko-osan (3) läpäisevä ura, - keskielektrodin (17) kärkiosa (1) on lähes . runko-osan (3) paksuinen niin, että reunaelektro- 11 81915 dien (4, 6') ja keskielektrodin (17) välille muodostuvat kärkiosan (1) paksuuden määräämät kapeat elektrodivälit (7), ja - reunaelektrodirakenteet (15) on yhdistetty sähköisesti eristävän kerroksen (5) välityksellä hermeettisesti keskielektrodirakenteen (16) runko-osaan (3)/ jolloin kukin keskielektrodi (17) on hermeettisesti suljetussa tilassa ja elektrodira-kenteet (15, 16) ovat normaalitilassa ilman ulkoisia kytkentöjä galvaanisesti erotetut toisistaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kiihtyvysanturi, tunnettu siitä, että keskielektrodirakenne (16) on suorakaiteen muotoinen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kiihtyvyysanturi, tunnettu siitä, että keskielektrodirakenteesta (16) on sähköisesti erotettu pylväsmäinen sähköinen yhdysrakenne (10), jolla reunaelektrodien (15) kontaktointialueet (6) ·.: saadaan samaan tasoon.

4. Menetelmä kapasitiivisen kiihtyvyysanturin valmistamiseksi, jossa menetelmässä - muodostetaan kaksi reunaelektrodit (4, 6') käsittävää levymäistä reunaelektrodirakennetta (15), ja - reunaelektrodirakenteiden (15) väliin sovitetaan keskielektrodin (17) käsittävä keskielektrodira-kenne (16), tunnettu siitä, että - keskielektrodirakenne (16) muodostetaan yhtenäisestä yksikiteisestä puolijohdekaippaleesta syövyt i2 81915 tämällä tämän keskiosan molemmille puolille vaiheessa I keskielektrodialue (12) (kuvio 7), minkä jälkeen puolijohdekappale oksidoidaan, - keskielektrodialueen (12) reunaosia (13) syövytetään puolijohdekappaleen molemmin puolin vaiheessa II edelleen siten, että keskielektrodialu-eelle (12) jää palkkimainen, syövyttämättömään puolijohdekappaleeseen yhdistyvä, vaiheessa I määritellyn paksuinen keskielektrodiaihio (17') (kuvio 8), - keskielektrodiaihion (17') tyviosaa (14) syövytetään samanaikaisesti yhdessä reuna-alueen (13) kanssa edelleen molemmin puolin vaiheessa III (kuvio 9), kunnes reuna-alue (13) puhkeaa ja tyviosa (14) saavuttaa halutun paksuuden, ja - reunaelektrodit (15) kiinnitetään hermeettisesti keskielektrodirakenteeseen (16).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kun reunaelektrodit (15) kiinnitetään keskielektrodirakenteeseen (16), reunaelektrodien (15) sisälleen hermeettisesti sulkemaan tilaan (7) järjestetään sopiva kaasupaine anturin hyvien taajuusominaisuuksien varmistamiseksi. » » i3 81915