SE468067B - Kapacitiv accelerometer och saett foer tillverkning av denna - Google Patents

Description

468 067 ningen kan detekteras. Storleken hos böjningen är propor- tionell mot den kraft som pâlägges och följaktligen mot accelerationen.

Piezoresistiva anordningar av miniatyrstorlek kan tillver- kas exempelvis av kisel med utnyttjande av de tillverk- ningsmetoder som utnyttjas inom mikroelektroniken och mikrobearbetningstekniken. För att uppnå den maximala känsligheten måste påkänningsmaxima placeras på resisto- rernas ytor. Av detta följer att förskjutningen av den elastiska delen blir alltför stor till sin amplitud i för- hållande till strukturens tjocklek, vartill kommer att känsliga accelerometrar mäste vara utförda med tillsats- vikter, som verkar som seismiska massor hos accelerometern, till följd av att kislet i sig har relativt låg täthet.

Tillverkningen av tillsatsmassorna försvårar tillämpningen.

Vidare är den piezoresistiva accelerometern väsentligt mer temperaturkänslig än exempelvis en kapacitiv accelerometer.

Vidare är den s.k. mätfaktorn (eng. gauge factor) lägre för den piezoelektriska accelerometern än för den kapaci- tiva accelerometern.

Monokristallint kisel har utnyttjats vid tillverkningen av accelerometrar sedan slutet av 1960-talet. Vissa av dessa lösningar finns publicerade i vetenskapliga artiklar och vissa är även patenterade. Piezoresistiva accelerometrar beskrivs bl.a. i följande publikationer: (1) L.M. Roylance och J.B. Angell, "A batch fabricated silicon accelerometer“, IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26, sid. 1911-1920 (1979) (2) W. Benecke m.fl., “A frequency selective, piezo- resistive silicon vibration sensor", Transducers '87, sid. 406-409 (1987) 468 067 (3) M. Tsugai och M. Bessho, "Semiconductor accelerometer for automotive controls", Transducers '87, sid. 403-405 (1987) (4) E.J. Evans, USA patent 3.478.604 (1968) (5) A.J. Yerman, USA patent 3.572.109 (1971) Konstruktionerna i enlighet med publikationerna (4) och (5) avser en accelerometer av den typ som på engelska benämns "flexible cantilever".

Kapacitiva accelerometrar finns beskrivna i följande publi- kationer: (6) H.W. Fischer, USA patent 3.911.738 (1975) (7) W.H. Ficken, USA patent 4.009.607 (1977) (8) F.V. Holdren m.fl., USA patent 4.094.199 (1978) (9) 11.2. Aina, UsA patent 4.144.516 (1979) (10) K.E. Petersen m.fl., USA patent 4.342.227 (1982) (11) R.F. colton, USA patent 4.435.737 (1984) (12) F. Rudolf, USA patent 4.483.194 (1984) (13) L.B. Wilner, USA patent 4.574.327 (1986) Publikation (6) beskriver en accelerometer vilken utnyttjar tvâ kapacitanser utan att beskriva en fysisk konstruktion.

Publikation (7) är i princip identisk med publikation (6) förutom att den avser en annan elektrisk tillämpning. 468 067 Publikation (8) handlar också om den dubbla kapacitans- principen för en accelerometer.

Publikation (9) beskriver en mikromekanisk accelerometer i vilken den seismiska massan är upphängd på bladfjädrar.

Publikation (10) beskriver en accelerometer av den flexibla konsoltypen, i vilken den fribärande balken rör sig i hori- sontalplanet och har en elektrisk, icke symmetrisk kon- struktion.

Publikation (11) behandlar en ringformad konstruktion.

Publikation (12) behandlar en torsionsupphängd platta, vid vilken kapacitansen endast är placerad på en sida av plattan.

Publikation (13) beskriver en konstruktion i vilken den seismiska massan är upphängd på en membranfjäder. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att övervinna nack- delarna hos den ovan nämnda tidigare kända tekniken och att åstadkomma en fullständigt ny typ av kapacitiv accelerometer och en metod för tillverkning av denna.

Uppfinningen är baserad på tillverkning av accelerometern av kapacitiv typ av två kondensatorer, vilka har en gemen- sam rörlig elektrod, som verkar som den seismiska massan hos accelerometern. Centrumelektroden bildar en monolitisk struktur med en balk tillverkad av samma material. Det är möjligt att utnyttja ett eller flera av dessa elastiska ele- ment. Till följd av en pâlagd acceleration förskjuts den seismiska massan nâgra få mikrometer och förskjutningen detekteras till följd av ändringarna i kapacitansvärdena.

Accelerometerkonstruktionen är tvâsidig och symmetrisk.

Mer speciellt karakteriseras accelerometern i enlighet med uppfinningen av vad som anges i den kännetecknande delen av krav 1. 5 468 067 Tillverkningsmetoden i enlighet med uppfinningen karakte- riseras vidare av vad som anges i den kännetecknande delen av krav 4.

Konstruktionen i enlighet med uppfinningen erbjuder följande fördelar: I _den kapacitiva funktionsprincipen ger en hög känslighet [SC/C vid en liten förskjutning av den seismiska massan, till följd av den symmetriska konstruktionen får accele- rometern en extremt låg okompenserad temperaturkänslig- het, då den seismiska massan är av samma material som det flexibla elementet, exempelvis kisel, är en extra seis- misk massa onödig, accelerometerdämpningsfaktorn kan varieras genom åstad- kommande av räfflor på kondensatorelektroderna eller genom att åstadkomma ett kvarstående lämpligt tryck i accelerometerkonstruktionen i samband med tillverknings- PIOCGSSGD , kapacitansförändringarna är symmetriska omkring noll- värdet för accelerationen, accelerometern kan tillverkas genom masstillverkning, accelerometern har en enastående hög överbelastnings- tolerans till följd av att den seismiska massan endast förskjuts några få mikrometer innan den uppstödes av sidoelektroderna. det följande kommer uppfinningen att beskrivas mer i detalj med hjälp av de exemplifierande utföringsformerna på bifogade ritningar. 468 067 Fig. 1 visar en längdsektionssidovy över en accelerometer- konstruktion i enlighet med uppfinningen.

Fig. 2 visar en längdsektionssidovy över en annan accelero- meterkonstruktion i enlighet med uppfinningen.

Fig. 3a-3c visar i perspektivvy de olika delarna i accelero- meterkonstruktionen enligt fig. 1.

Fig. 4a-4c visar i perspektivvy de olika delarna i accelero- meterkonstruktionen enligt fig. 2.

Fig. 5 visar en perspektivvy delvis uppskuren i längdled över accelerometerkonstruktionen enligt fig. 2.

Fig. 6 visar en längdsektionssidovy över en tredje accelero- meterkonstruktion i enlighet med uppfinningen.

Fig. 7a visar en toppvy över en första maskeringsfas vid accelerometerkonstruktionen i enlighet med uppfinningen.

Fig. 7b visar en toppvy över det slutliga resultatet som uppnås medelst maskeringsfasen visad i fig. 7a.

Fig. 8a visar en toppvy över en andra maskeringsfas vid accelerometerkonstruktionen i enlighet med uppfinningen.

Fig. 8b visar en toppvy över det slutliga resultatet som uppnås medelst maskeringsfasen visad i fig. 8a.

Fig. 9a visar en toppvy över en tredje maskeringsfas vid accelerometerkonstruktionen i enlighet med uppfinningen.

Fig. 9b visar en toppvy över det slutliga resultatet som uppnås medelst maskeringsfasen visad i fig. 9a.

Accelerometern enligt uppfinningen kan tillverkas exempel- _s- ox OO c: ox -z vis av monokristallint kisel med utnyttjande av konventio- nella metoder kända inom det mikromekaniska tillverknings- området. Fig. 1 illustrerar accelerometerns baskonstruk- tion. Accelerometern kan vara hermetiskt tillsluten, så att accelerometerhöljet kan vara avtätat och fyllt med gas med lämpligt lågt undertryck. Trycket hos fyllnings- gasen kan varieras för erhållande av önskad dämpningsfaktor för accelerometerns seismiska massa. Fyllningsgasen som utnyttjas kan exempelvis utgöras av torr luft. En lämpligt vald dämpningsfaktor resulterar i ett fördelaktigt frek- venssvar för accelerometern.

En enklare uppbyggnad av accelerometern uppnås emellertid genom att utföra accelerometern öppen, såsom illustreras i fig. 2, så att det interna gastrycket i accelerometern är lika med det omgivande trycket. Kommunikationen mellan det inre gasutrymmet och omgivningen sker via en kanal 8.

Därvid blir emellertid dämpningsfaktorn för den seismiska massan extremt hög, vilket medför att denna typ av accele- rometer endast kan utnyttjas för låga frekvenser (dvs några få herz) och statiska accelerationsmätningar.

Fig. 1 illustrerar den hermetiskt tillslutna accelerometer- konstruktionen. Accelerometern är skiktuppbyggd och inne- fattar plana, elektriskt förbundna sidoelektrodanordningar 15 och mellan dessa en parallellt inriktad centrumelektrod- anordning 16, vars seismiska massa 1 är utförd med ett ändparti hos en fribärande balk 17. Den fribärande balken 17 formas i centrumelektrodanordningen 16 genom att i bal- ken uppta ett U-format spår, vilket sträcker sig genom hela centrumelektroden 16. Dessutom har material avlägs- nats från balken 17 för att forma ett gap 7, vilket ger upphov till en kapacitans, och dessutom har bredden hos ett skaftparti 2 hos balken 17 reducerats för att ge denna del flexibilitet. Den i ett stycke utförda centrumelektrod- anordningen 16 innefattar således balken 17, vilken vidare innefattar den seismiska massan 1 och det flexibla skaft- 468 067 partiet 2 såväl som ett accelerometerstomelement 3 omgi- vande den fribärande balken 17. Den seismiska massan 1 är företrädesvis utförd några fâ mikrometer tunnare än stom- elementet 3. Centrumelektrodanordningen 16 kan exempelvis vara tillverkad av samma monokristallina kisel. Accelero- meterkapacitanserna är utbildade mellan den gemensamma, rörliga elektroden 1 hos centrumelektrodanordningen 16 och de fasta sidoelektroderna 4 hos sidoelektrodanord- ningarna 15. Sidoelektroderna 4 är exempelvis tillverkade av monokristallint kisel genom etsning av ytorna motsva- rande ett isolerande skikt 5 med kvarlämnande av ett för- höjt område av kisel vid den seismiska massan 1 såväl som vid ett förbindningsområde 6. Det isolerande skiktet kan exempelvis vara av glas. Det glastäckta området 5 och stomelementet 3 kan vara hermetiskt bundna vid varandra med utnyttjande exempelvis av anodförbindningsteknik. Kon- struktionen av centrumelektrodanordningen 16 är spegel- symmetrisk i förhållande till ett plan s (xy-planet) visat i fig. 1. Den seismiska massan 1 är rörlig i Z-riktningen.

Accelerometerkonstruktionen enligt fig. 1 visas i detalj i fig. 3a-3c. De övre bilderna 3a och 4a i fig. 3 och 4 visas i inverterat läge för att tydligare visa de metalli- serade områdena 6 och 6' såväl som kiselområdet 4.

Fig. 2 illustrerar en öppen accelerometerkonstruktion.

Denna konstruktion skiljer sig från den slutna konstruk- tionen avseende följande detaljer: - sidoelektrodanordningen 15 är tillverkad helt av glas, varvid dess yta är täckt med metalliserade områden 6 och 6' för accelerometerns elektriska funktioner, och - metalliseringen 6 är så placerad att den löper i en kanal 8 i ändamål att förhindra kortslutning av metalli- seringen 6 till stomelementet 3.

Accelerometerkonstruktionen enligt fig. 2 illustreras i detalj i fig. 4a-4c. I de båda visade konstruktionerna är de elektriska kontaktområdena 6 företrädesvis utförda i samma plan, vilket således nödvändiggör utnyttjandet av en elektrisk genomföring 10, visad i fig. 3 och 4. Denna detalj är av samma material som stomelementet 3 men är elektriskt isolerad från stomelementet. Utförandet av elementet 10 visas mer detaljerat i fig. 5. Ändamålet med en kropp 9 visad i fig. 4b är att bilda en elektrisk kon- takt mellan stomelementet 3 och mittkontaktområdet 6.

Accelerometerutformningen visas i figI 5.

Accelerometrarnas stöthållfasthet kan förbättras genom att man vid etsning av det flexibla elementet 2 kvarlämnar ut- språng 11, såsom visas i fig. 6, vilka förhindrar en över- driven böjning av elementet 2 till följd av en kraftig stöt. Accelerometerns dimensioner blir starkt beroende av den önskade känsligheten och kapacitanserna. Typiska dimen- 3 sioner är exempelvis 2 x 0,5 x 4 mm för den seismiska massan 1 och 2 x 0,07 x 4 m3 för den fribäranaa halkan 2.

De yttre dimensionerna hos accelerometern ärca 4 x 3 x 12 m3 (bredd x höjd x längd).

De tillverkningsfaser som beskrives i det följande är tillämpbara för bearbetning av båda sidorna av ett bas- material som utgör en monokristallin halvledare, t.ex. en kiselbricka polerad på båda sidorna. 1. Båda sidorna av kiselbricka oxideras till ett djup på approximativt 250 nm. Bricktjockleken kan exempelvis vara 500 pm. 2. Brickan överdrages med en fotoresist och exponeras så- som illustreras i fig. 7a över centrumelektrodområdena 12 från vilka oxiden skall etsas bort. Fig. 7 illustre- rar en kiselbricka. 468 067 10 3. Därefter etsas, såsom visas i fig. 7b, centrumelektrod- området 12 till ett djup av approximativt 4 pm i exempelvis en vattenlösning av KOH. 4. Oxidskiktet på brickan etsas bort med utnyttjande av buffrad HF och brickan oxideras till ett djup av approximativt 0,8 pm. 5. Brickan överdrages med en fotoresist och exponeras vid kanterna hos centrumelektrodområdet 12 över ett kant- område 13 och ett kontaktområde 13', visat i fig. 8a, från vilka områden oxiden avlägsnas. Därpå avlägsnas fotoresisten. 6. Områdena 13 och 13' etsas till ett djup av approximativt 50 Pm, varigenom ett centrumelektrodmönster 17' erhålles i enlighet med fig. Bb. 7. Brickan återöverdrages med en fotoresist och exponeras vid skaftpartiet hos centrumelektrodmönstret 17' över ett område 14, i enlighet med fig. 9a, från vilket om- råde oxiden avlägsnas. 8. Etsningen av brickan fortgår i exempelvis en vatten- lösning av KOH tills man uppnår önskat djup vid området 14, typiskt ned till 40-100 pm, varvid en penetrering av området 13 sker, såsom illustreras i fig. 9b.

Denna process resulterar i det element 16 som visas i fig. 3b.

Sidoelektrodanordningarna 15 enligt fig. 3a och 3c till- verkas med utnyttjande av den ovan beskrivna tekniken genom etsning av en yta hos kiselbrickan till ett djup på approximativt 150 Pm under kvarlämning av endast det lilla (streckade) området 4, visat i fig. 3a och 3c, tillsammans med området 6 (streckat) som står i elektrisk förbindning I; C) 468 067 11 med omrâdet 4, med ursprunglig höjd. Därpå belägges den etsade ytan hos brickan genom smältning av ett lämpligt glasskikt, exempelvis glas av typen Schott Tempax, Corning 7070 eller Corning 7740, som slipas och poleras till samma nivå som den ursprungliga ytan hos brickan. Detta sätt är förut känt genom det amerikanska patentet 4.597.027 (A. Lehto). Den glasöverdragna brickan behandlas sedan avseende metalliseringarna 6 med utnyttjande av en avlyft- ningsmetod eller en etsningsprocess. Dessa metoder är kon- ventionella och någon detaljerad beskrivning av desamma görs ej. Slutligen sammanbindes alla tre brickorna med utnyttjande av s.k. anodförbindning i ett lämpligt tryck.

Trycknivån som utnyttjas beror på den önskade dämpnings- faktorn för accelerometern och är typiskt av storleksord- ningen några få hPa. En detaljerad beskrivning av tilläm- pade metoder (sâväl som andra metoder) återfinns i boken The Physics of Microfabrication, Plenum Press, New York, 1983, Ivor Brodie och Julius J. Muray.

Centrumelektrodanordningarna 16 enligt fig. 4a-4c tillverkas med utnyttjande av nästan identiska metoder som de som beskrivits ovan. Skillnaden ligger i ett område, som görs vidare under 4 pm-etsningsfasen vid sektionerna hos kana- len 8 och kontaktomrâdet 9.

Centrumelektrodanordningarna 15 enligt fig. 4a-4c tillverkas av glas, exempelvis glas av typen Schott Tempax, Corning 7070 eller Corning 7740. Områdena 6 och 6' metalliseras med utnyttjande av den metod som beskrivits ovan. Sammansätt- ningen av accelerometern sker med utnyttjande av anod- förbindning i ett normalt omgivningstryck.

Vid båda accelerometerkonstruktionerna kan brickorna av- skiljas genom brytning med hjälp av förskurna spår.

Claims (5)

12 468 067 Patentkrav:

1. Kapacitiv accelerometer med kiselstomme, innefattande - två väsentligen skivformiga, parallella sidoelektrodkonstruktioner (15) som ligger på ett avstånd från varandra och innefattar fasta sido- elektroder (4, 6'), - en väsentligen skivformig centrumelektrodkons- truktion (16) anordnad mellan de fasta sidoelekt- rodkonstruktionerna (15), vilken centrumelektrod- konstruktion innefattar - ett stomelement (3), som är förenat med sidoelektrodanordningar (15), och - åtminstone en i närheten av sido- elektroderna (4, 6') anordnad centrum- elektrod (17) med ett skaftparti (2) och ett spetsparti (1), varvid centrum- elektroden (17) är förenad med stomele- mentet (3) via sitt skaftparti (2), så att den är omgiven fràn sidorna av stomelementen, och skaftpartiet (2) är väsentligt tunnare än spetspartiet (1), k ä n n e t e c k n a d av att - centrumelektrodkonstruktionen (16) är symmetrisk med avseende på sidoelektrodernas (15) medianplan (S), - centrumelektroden (17) är väsentligen balkformig och omges av ett U-format spår, som går igenom stomelementet, - centrumelektrodens (17) spetsparti (1) är nästan lika tjockt som stomelementet (3), pà ett sådant 'ä å? *B 468 067 sätt att det mellan sidoelektroderna (4, 6') och centrumelektroden (17) utbildas av spetspartiets r(l) tjocklek bestämda smala elektrodgap (7), och - sidoelcktrodkonstruktionerna (15) är förenade medelst ett elektrisktisolerande skikt (5) herme- tiskt med centrumelektrodkonstruktionens (16) stomelement (3), varvid varje centrumelektrod (17) är i ett hermetiskt slutet utrymme och elektrod- konstruktionerna är i normaltillstànd galvaniskt åtskilda fràn varandra utan externa kopplingar.

2. Accelerometer enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att centrumelektrodanordningen (16) är rektangel- formad.

3. Accelerometer enligt patentkrav 1 eller 2, k å n n e - t e c k n a d av att ett pelarlikt elektriskt förbindelse- organ (10). med vilken kontaktområdena (6) hos sidoelektro- derna kan bringas på samma nivà, är elektriskt avskilt från centrumelektrodkonstruktionen.

4. Förfarande för tillverkning av en kapacitiv accelerome- ter, enligt vilket förfarande - tvâ skivformiga sidoelektrodkonstruktioner (15) innefattande fasta sidoelektroder (4, 6') bildas, och - en centrumelektrodkonstruktion (16) innefattande en centrumelektrod (17) anordnas mellan de fasta sidoelektrodkonstruktionerna (15), k ä n n e t e c k n a t av att - centrumelektrodkonstruktionen (16) tillverkas av ett homogent enkristalligt halvledarstycke genom etsning av ett centrumelektrodområde (12)Um¶H7efl processfas I pà båda sidor om dess centrumsektion 14 468 067 - kantområdena (13) hos det centrala elektrodomràdet (12) etsas ytterligare under en processfas II på båda sidor om halvledarstycket för att på centrum- elektrodomràdet (12) kvarlämna ett balkliknande, (l7'), det icke-etsade halvledarstycket och som uppvisar den tjocklek som definierats under fas I (fig. 8), centrumelektrodmönster smn är förenat med - ett skaftparti (14) av det centrala elektrodmönstret (l7') etsas ytterligare under en processfas III (fig. 9) på båda sidor tillsammans med kantomràdet (13) tills kantomràdet (13) etsas igenom och skaftpar- tiet (14) erhåller önskad tjocklek, och - sidoelektroderna (1) fästs hermetiskt vid cent- rumelektrodkonstruktionen (16).

5. Förfarande enligt patentkrav 4, k ä n n e t e C k n a t av att när sidoelektroderna (15) fästs vid centrumelektrod- anordningen (16) anordnas ett lämpligt gastryck i det av sidoelektroderna avgränsade utrymmet för att garantera goda frekvensegenskaper hos accelometern. n v,