DE19719601A1

DE19719601A1 - Acceleration sensor with spring-mounted seismic mass

Info

Publication number: DE19719601A1
Application number: DE1997119601
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Laermer; Bernhard Elsner; Wilhelm Dr Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-11-12

Abstract

A capacitive-type acceleration sensor has three superposed layers (11-13), the second layer (12) having a window, the third layer (13) having a bending spring (17) located in the window region and joined at one end to a seismic mass and the first layer (11) having a conductive face which is located in the window region and which is partially covered by the seismic mass, the coverage and thus the capacitance being altered by bending of the spring. The novelty is that the seismic mass is at least partially in the form of a discontinuous structure (20), especially a comb or sieve structure. Also claimed are processes for producing an acceleration sensor.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der WO 96/00735 oder auch der US 5,083,466 ist schon ein Beschleunigungssensor bekannt. Ein wesentliches Bestandteil dieses Beschleunigungssensor ist eine seismische Masse, welche in Form eines massiven Würfels ausgebildet ist, und mit einem Ende einer Biegefeder verbunden ist. Das andere Ende der Biegefeder ist mit einem Substrat verbunden, welches als stationärer Bezugspunkt dient. Die geometrischen Abmessungen der Biegefeder sind so gewählt, daß die seismische Masse unter Einfluß einer Beschleunigung sich nur parallel zum Substrat bewegen kann. Die dem Substrat zugewandte Fläche der seismischen Masse sowie ein Teil der Substratoberfläche sind mit Elektroden versehen, und sind so angeordnet, daß sie sich bei einer Auslenkung der seismischen Masse entweder stärker oder weniger stark überschneiden. Somit ändert sich bei einer Beschleunigung die Kapazität zwischen den beiden Elektroden, welche dann als Maß für die gebrachte Beschleunigung gemessen werden kann.The invention is based on an acceleration sensor the type of claim 1. From WO 96/00735 or also US 5,083,466 is already an acceleration sensor known. An integral part of this Accelerometer is a seismic mass, which in Formed a solid cube, and with a End of a spiral spring is connected. The other end of the Bending spring is connected to a substrate, which as stationary reference point. The geometrical dimensions the spiral spring are chosen so that the seismic mass under the influence of an acceleration only parallel to the Substrate can move. The surface facing the substrate the seismic mass and part of the substrate surface are provided with electrodes and are arranged such that they either deflect when the seismic mass is deflected overlap more or less. So it changes when accelerating the capacity between the two Electrodes, which are then used as a measure of the Acceleration can be measured.

Es ist wünschenswert, einen solchen Beschleunigungssensor monolithisch, das heißt aus einem einzigen Ausgangssubstrat herzustellen, wobei zur Herstellung bekannte Methoden der Mikrostrukturtechnik, beispielsweise Lithographie und Ätzen, oder auch eine Aufbautechnik verwendet werden. Zur Herstellung einer beweglichen Struktur, wie es beispielsweise eine seismische Masse darstellt, wird zuerst die laterale Struktur der beweglichen Masse ausstrukturiert, anschließend wird eine unter der beweglichen Struktur befindliche Opferschicht entfernt. Dieser notwendige Schritt des Entfernens der Opferschicht begrenzt die wirkliche Größe der beweglichen Struktur, so daß die seismische Masse nicht beliebig groß und schwer gemacht werden kann, wenn sie wie beim zitierten Stand der Technik aus einem massiven Würfel besteht.It is desirable to have such an acceleration sensor monolithic, i.e. from a single starting substrate produce, using known methods of production Microstructure technology, for example lithography and etching, or a construction technique can be used. For Making a moving structure like it for example represents a seismic mass, will be first structures the lateral structure of the moving mass, then one becomes under the movable structure located sacrificial layer removed. This necessary step removing the sacrificial layer limits the real size of the moving structure so that the seismic mass is not any size and heavy can be made if like in the cited prior art from a solid cube consists.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß es möglich ist, den Sensor als monolithisches Bauteil herzustellen, und gleichzeitig einen sehr sensitiven Sensor zu erhalten.The arrangement according to the invention with the characteristic Features of claim 1 has the advantage that it is possible to use the sensor as a monolithic component to manufacture, and at the same time a very sensitive sensor to obtain.

Als weiterer Vorteil ist zu sehen, daß die Ausbildung der seismischen Masse als durchbrochene Struktur die Kohäsion (und das Zusammenkleben) der beiden Elektroden verringert und somit weniger Ausschuß bei der Produktion entsteht. Dieser Vorteil bleibt auch dann bestehen, wenn eine Aufbautechnik zur Herstellung des Sensors anstelle der monolithischen Siliziumtechnologie gewahrt wird.Another advantage is that the training of seismic mass as an open structure cohesion (and sticking together) of the two electrodes reduced and therefore less waste is produced. This advantage remains even if one Construction technology to manufacture the sensor instead of monolithic silicon technology is preserved.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs hat den Vorteil, daß aufwendige Justierungsschritte beim Zusammenfügen der beiden strukturierten Platten nicht notwendig sind. Trotzdem kann mit dem angegebenen Verfahren ein sehr sensitiver Sensor hergestellt werden.The inventive method with the characteristic Features of the independent claim has the advantage that elaborate adjustment steps when joining the two structured plates are not necessary. Still can with the specified method a very sensitive sensor getting produced.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Beschleunigungssensors sowie der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Verfahren möglich.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous training and Improvements to that specified in claim 1 Accelerometer and that in the siblings Procedure specified claims possible.

So ist es besonders vorteilhaft, die Biegefeder an beiden Enden sowie in der Mitte mit einem Krafteinlenkungspunkt zu versehen, wobei das Widerlager entweder in der Mitte oder an beiden Enden mit der Biegefeder verbunden werden kann. Hierdurch wird eine geradlinige Auslenkung der seismischen Masse durch eine einwirkende Beschleunigung erreicht. Diese geradlinige Auslenkung resultiert in einer höheren Linearität des Beschleunigungssensors.So it is particularly advantageous to use the spiral spring on both Ends as well as in the middle with a force indentation point provided, the abutment either in the middle or at both ends can be connected to the spiral spring. This results in a straight line deflection of the seismic Mass reached by an applied acceleration. This rectilinear deflection results in a higher Linearity of the acceleration sensor.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, als erste Schicht Silizium heranzuziehen, da dieses Material besonders geeignet ist zur Herstellung von mikroelektronischen Bauteilen. Somit ist es möglich, in einem Bauteil Sensor und Auswerteelektronik zu kombinieren.Furthermore, it is particularly advantageous as the first layer Use silicon because this material is special is suitable for the production of microelectronic Components. It is therefore possible to use a sensor and a component Combine evaluation electronics.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, Fig. 2a eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor, Fig. 2b einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor, Fig. 3a bis 3c ein erstes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, Fig. 4a bis 4g ein zweites Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, Fig. 5a einen weiteren Beschleunigungssensor, Fig. 5b einen weiteren Beschleunigungssensor.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. In the drawings Fig. 1 is a perspective view of an acceleration sensor according to the invention, Fig. 2a is a view of an inventive acceleration sensor, Fig. 2b shows a cross section through an inventive acceleration sensor, Fig. 3a to 3c, a first method of manufacturing an acceleration sensor of the invention, FIGS. 4a to 4g shows a second method for producing an acceleration sensor according to the invention, FIG. 5a shows another acceleration sensor, and FIG. 5b shows another acceleration sensor.

description

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor in perspektivischer Darstellung, wobei zur besseren Darstellung eine Ecke weggebrochen wurde. Fig. 1 shows an acceleration sensor according to the invention in a perspective view, with one corner broken away for clarity.

Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird die äußere Form des Beschleunigungssensors im wesentlichen durch den Träger 10 bestimmt, welcher aus einkristallinem Silizium besteht. Der Träger 10 besitzt eine in etwa quaderförmige Grundform, zwei Deckflächen und vier Seitenflächen, wobei in einer Deckfläche eine Vertiefung 14 mit in etwa rechteckigem Grundriß vorgesehen ist. Die lateralen Abmessungen der Vertiefung 14 bilden das Fenster 15, die Tiefe der Vertiefung beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in etwa 1/50 der Dichte des Trägers 10. Der Boden der Vertiefung 15 wird teilweise von einer Grundelektrode 22 bedeckt. In der Vertiefung, am Rande des Fensters 15, sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten zwei Widerlager 16 angeordnet. Die Widerlager haben beispielsweise in etwa Würfelform, und sind mit dem Träger 10 fest verbunden. An jedem Widerlager 16 ist je eine Biegefeder 17 angeordnet. Die Biegefeder besitzt in etwa Balkenform, wobei die Form eines Balkens mit stark rechteckigem Querschnitt besonders vorteilhaft ist, wie untenstehend erläutert werden soll. Die Biegefeder 17 ist in ihrer Mitte mit dem Widerlager 16 verbunden und ist beweglich gegenüber dem Boden der Vertiefung 14. Die beiden einander gegenüberliegenden Enden der beiden Biegefedern sind miteinander durch Längsträger 18 verbunden, dergestalt, daß die beiden Biegefedern 17 und die beiden Längsträger 18 einen rechteckigen Rahmen bilden. Die Längsträger 18 sind ebenfalls relativ zum Träger 10 und der Vertiefung 14 beweglich. In dem von den beiden Biegefedern 17 und den beiden Längsträgern 18 gebildeten Rahmen befindet sich ein Querbalken 19, welcher parallel zu den beiden Biegefedern verläuft. Der Querbalken 19 ist auf beiden Seiten mit einer durchbrochenen Struktur 20 versehen, welche im hier gewählten Ausführungsbeispiel als Kammstruktur ausgebildet ist. Die Unterseite der durchbrochenen Struktur 20 ist mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen, welche in der in Fig. 1 gewählten Darstellung nicht sichtbar ist. Die elektrisch leitende Beschichtung ist so dimensioniert und angeordnet, daß sie einen Teil der Grundelektrode 22 überdeckt, und daß diese Überdeckung verringert oder vergrößert wird, wenn die Biegefeder 17 gebogen wird.In the exemplary embodiment shown here, the outer shape of the acceleration sensor is essentially determined by the carrier 10 , which consists of single-crystal silicon. The carrier 10 has an approximately cuboid basic shape, two top surfaces and four side surfaces, a recess 14 having an approximately rectangular plan being provided in a top surface. The lateral dimensions of the depression 14 form the window 15 , the depth of the depression in the present exemplary embodiment is approximately 1/50 of the density of the carrier 10 . The bottom of the recess 15 is partially covered by a base electrode 22 . In the recess, on the edge of the window 15 , two abutments 16 are arranged on two opposite sides. The abutments have approximately the shape of a cube, for example, and are firmly connected to the carrier 10 . A spiral spring 17 is arranged on each abutment 16 . The spiral spring has approximately the shape of a bar, the shape of a bar with a strongly rectangular cross section being particularly advantageous, as will be explained below. The spiral spring 17 is connected in its center to the abutment 16 and is movable relative to the bottom of the depression 14 . The two opposite ends of the two spiral springs are connected to one another by longitudinal beams 18 in such a way that the two spiral springs 17 and the two longitudinal beams 18 form a rectangular frame. The longitudinal beams 18 are also movable relative to the beam 10 and the recess 14 . In the frame formed by the two spiral springs 17 and the two longitudinal beams 18 there is a crossbeam 19 which runs parallel to the two spiral springs. The crossbar 19 is provided on both sides with an openwork structure 20 , which is designed as a comb structure in the exemplary embodiment selected here. The underside of the perforated structure 20 is provided with an electrically conductive coating, which is not visible in the illustration chosen in FIG. 1. The electrically conductive coating is dimensioned and arranged in such a way that it covers part of the base electrode 22 and that this cover is reduced or increased when the spiral spring 17 is bent.

In Fig. 1 ist weiterhin eine Beschleunigung 100 gezeigt, welche in etwa entlang der Verbindungslinie zwischen den beiden Widerlagern 16 wirkt. Durch die Wirkung der Beschleunigung 100 werden die beiden Biegefedern gebogen, die beiden Längsträger 18 verschieben sich in ihrer Längsrichtung. Die seismische Masse 21, bestehend aus dem Längsträger 18, dem Querbalken 19 und der durchbrochenen Struktur 20, wird ebenfalls entlang der Wirkungslinie der Beschleunigung 100 verschoben. Hierdurch ergibt sich ein anderer Überdeckungsgrad zwischen der Grundelektrode 22 und der leitfähigen Beschichtung auf der Unterseite der seismischen Masse, insbesondere der durchbrochenen Struktur 20. Dieser Überdeckungsgrad kann dadurch gemessen werden, daß die Kapazität zwischen der Grundelektrode 22 und der leitfähigen Beschichtung gemessen wird. Diese Kapazität ist somit ein Maß für die Höhe der Beschleunigung 100. In FIG. 1, an acceleration 100 is also shown, which acts approximately along the connecting line between the two abutments 16 . Due to the effect of the acceleration 100 , the two spiral springs are bent, the two longitudinal beams 18 shift in their longitudinal direction. The seismic mass 21 , consisting of the longitudinal beam 18 , the crossbeam 19 and the perforated structure 20 , is also displaced along the line of action of the acceleration 100 . This results in a different degree of coverage between the base electrode 22 and the conductive coating on the underside of the seismic mass, in particular the perforated structure 20 . This degree of coverage can be measured by measuring the capacitance between the base electrode 22 and the conductive coating. This capacity is thus a measure of the level of acceleration 100 .

Durch den rechteckigen Querschnitt der Biegefeder 17 verbiegt sie sich nur bei Einwirkung von Beschleunigungen, welche in etwa parallel zur Beschleunigung 100 wirken. Beschleunigungskomponenten, welche senkrecht auf der Richtung der Beschleunigung 100 stehen, werden somit nicht detektiert.Due to the rectangular cross section of the spiral spring 17, it bends only when accelerations act, which act approximately parallel to the acceleration 100 . Acceleration components that are perpendicular to the direction of acceleration 100 are therefore not detected.

Fig. 2a zeigt einen Beschleunigungssensor, wie er in Fig. 1 perspektivisch dargestellt ist, in Aufsicht. Der Beschleunigungssensor weist eine seismische Masse 21 auf, welche als Querbalken 19 mit daran angebrachten durchbrochenen Strukturen 20 und Längsträgern 19 ausgebildet ist. Die beiden Enden des Querbalkens 19 sind jeweils mit der Mitte eines Längsträgers 18 verbunden. Die Enden der beiden Längsträger 18 sind jeweils mit einer Biegefeder 17 verbunden, so daß Längsträger 18 und Biegefeder 17 eine rahmenähnliche Struktur bilden. Die Biegefedern 17 sind etwa in ihrer Mitte mit einem Widerlager 16 verbunden, welche wiederum starr mit einem Träger 10 verbunden sind. Unterhalb der durchbrochenen Struktur ist eine Grundelektrode 22 sichtbar. Die Grundelektrode 22 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als leitfähige Beschichtung mit in etwa rechteckigem Grundriß ausgebildet, wobei die von Teilen der durchbrochenen Struktur 20 teilweise bedeckt wird. Wie in Fig. 1 ist eine Beschleunigung 100 eingezeichnet, welche in etwa in Richtung der Verbindungslinien zwischen den beiden Widerlagern wirkt. FIG. 2a shows an acceleration sensor, as shown in perspective in FIG. 1, in a top view. The acceleration sensor has a seismic mass 21 , which is designed as a crossbar 19 with perforated structures 20 and longitudinal beams 19 attached to it. The two ends of the crossbar 19 are each connected to the center of a longitudinal beam 18 . The ends of the two longitudinal beams 18 are each connected to a spiral spring 17 , so that the longitudinal beams 18 and the spiral spring 17 form a frame-like structure. The spiral springs 17 are connected approximately in the middle to an abutment 16 , which in turn is rigidly connected to a carrier 10 . A base electrode 22 is visible below the perforated structure. In the present exemplary embodiment, the base electrode 22 is designed as a conductive coating with an approximately rectangular outline, the part being partially covered by parts of the perforated structure 20 . As in FIG. 1, an acceleration 100 is shown, which acts approximately in the direction of the connecting lines between the two abutments.

In Fig. 2b ist ein Querschnitt durch den in Fig. 1 und 2 dargestellten Beschleunigungssensor entlang der Schnittlinie A-A' dargestellt, wobei gleiche Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wurden. Der Träger 10 weist eine Vertiefung 14 auf, in welcher der Längsträger 18 verläuft. Es ist deutlich sichtbar, daß der Längsträger 18 nicht mit dem Träger 10 verbunden daher beweglich ist. Auf dem Träger 10 ist ein Bereich innerhalb der Vertiefung 14 mit der Grundelektrode 22 versehen. Über der Grundelektrode 22, jedoch nicht mit dieser verbunden, befindet sich ein Teil der durchbrochenen Struktur 20.In Fig. 2b is a cross section through the illustrated in Fig. 1 and 2, the acceleration sensor taken along the line AA ', in which like components have been given the same reference numerals. The carrier 10 has a depression 14 in which the longitudinal carrier 18 runs. It is clearly visible that the longitudinal beam 18 is not connected to the beam 10 and is therefore movable. An area within the depression 14 is provided with the base electrode 22 on the carrier 10 . A part of the perforated structure 20 is located above the base electrode 22 , but not connected to it.

Zur besseren Verdeutlichung der Funktionsweise und des Aufbaus kann man sich den Sensor auch als ein aus drei Schichten aufgebautes Bauteil vorstellen: Die erste Schicht 11 wird von dem Träger 10 gebildet, welcher fest ist. Die dritte Schicht 13 umfaßt die beweglichen Strukturen, wie die seismische Masse, die Biegefeder, und das Widerlager 16. Die zweite Schicht 12 trennt die beweglichen Strukturen von der ersten Schicht und verbindet das Widerlager mit derselben.To better illustrate the mode of operation and the construction, the sensor can also be thought of as a component composed of three layers: the first layer 11 is formed by the carrier 10 , which is fixed. The third layer 13 comprises the movable structures, such as the seismic mass, the spiral spring, and the abutment 16 . The second layer 12 separates the movable structures from the first layer and connects the abutment to the same.

Durch die Ausbildung der seismischen Masse als Querbalken 19 und durchbrochene Struktur 20 wird ein besonders sensitiver Sensor erreicht. Für einen besonders sensitiven Sensor ist es wünschenswert, eine relativ große seismische Masse zu erzeugen, wobei die relative Größe durch die Steifigkeit der Biegefeder bestimmt wird. Weiterhin sollte der Abstand zwischen seismischer Masse und Grundelektrode möglichst gering sein. Eine solche große seismische Masse mit geringem Abstand von der Grundelektrode ist einfacher zu produzieren, wenn wenigstens Teile der seismischen Masse als durchbrochene Struktur 20 ausgeführt werden.The formation of the seismic mass as a crossbar 19 and a perforated structure 20 results in a particularly sensitive sensor. For a particularly sensitive sensor, it is desirable to generate a relatively large seismic mass, the relative size being determined by the stiffness of the spiral spring. Furthermore, the distance between seismic mass and base electrode should be as small as possible. Such a large seismic mass with a small distance from the base electrode is easier to produce if at least parts of the seismic mass are designed as an openwork structure 20 .

Ein Herstellungsverfahren für einen Beschleunigungssensor wie er in den Fig. 1 bis 2b dargestellt ist, wird anhand der Fig. 3a bis 3c beschrieben.A manufacturing method for an acceleration sensor as shown in FIGS . 1 to 2b is described with reference to FIGS . 3a to 3c.

Zur Herstellung des Beschleunigungssensors wird ein Siliziumsubstrat 30, welches vorzugsweise ein einkristallines Silizium ist, mit thermischem Siliziumoxid 31 überwachsen. Nach Aufwachsen des thermischen Siliziumoxids 31 auf dem Silizium 30 wird auf dem thermischen Siliziumoxid dünnes polykristallines Silizium (Poly-Si) abgeschieden, dotiert, beispielsweise mittels Ionenimplantation, und strukturiert. Die Strukturierung des Polysiliziums 32 folgt dergestalt, daß das Polysilizium 32 beispielsweise eine Grundelektrode 22 oder eine Leitung zur Grundelektrode 22 darstellt. Anschließend wird eine nächste Siliziumoxidschicht aufgebracht, das sogenannte Opferoxid 33. Die Dicke des Opferoxids 33 bemißt sich nach dem später gewünschten Abstand zwischen seismischer Masse Grundelektrode. Auf das Opferoxid wird eine weitere dünne Schicht aus polykristallinem Silizium aufgebracht, das sogenannte Start-Polysilizium 34. Auch das Start-Poly silizium wird strukturiert, indem es an den Stellen entfernt wird, an welchen später eine fest darunterliegenden Schichten verbundene Struktur gewünscht wird.To produce the acceleration sensor, a silicon substrate 30 , which is preferably a single-crystal silicon, is overgrown with thermal silicon oxide 31 . After the thermal silicon oxide 31 has grown on the silicon 30 , thin polycrystalline silicon (poly-Si) is deposited on the thermal silicon oxide, doped, for example by means of ion implantation, and structured. The polysilicon 32 is structured in such a way that the polysilicon 32 is, for example, a base electrode 22 or a line to the base electrode 22 . A next silicon oxide layer, the so-called sacrificial oxide 33 , is then applied. The thickness of the sacrificial oxide 33 is based on the later desired distance between the seismic mass of the base electrode. Another thin layer of polycrystalline silicon, the so-called start polysilicon 34, is applied to the sacrificial oxide. The start polysilicon is also structured by removing it at the points at which a structure connected underneath is later desired.

Das Zwischenprodukt nach diesen Prozeßschritten ist in Fig. 3a gezeigt.The intermediate product after these process steps is shown in Fig. 3a.

Auf das in Fig. 3a dargestellte Zwischenprodukt wird eine Schicht aus epitaktischem polykristallinem Silizium aufgebracht, das sogenannte Epi-Polysilzium 35. Aus dem Epi-Poly silizium werden in einem nächsten Prozeßschritt die beweglichen Strukturen, wie beispielsweise die seismische Masse, die Querbalken, die Biegefedern, und die Widerlager herausstrukturiert. Dies geschieht durch einen sogenannten tiefen Trench, bei welchem schmale tiefe Gräben in der Polysiliziumschicht hergestellt werden. Das Opferoxid 33 dient bei der Herstellung der schmalen Tiefengräben 36 als sogenannte Ätzstopschicht. Das Zwischenprodukt nach diesem Verfahrensschritt ist in Fig. 3b dargestellt.A layer of epitaxial polycrystalline silicon, the so-called epi-polysilicon 35, is applied to the intermediate product shown in FIG. 3a. In a next process step, the movable structures, such as the seismic mass, the crossbeams, the spiral springs, and the abutments are structured out of the epi-poly silicon. This is done by a so-called deep trench, in which narrow deep trenches are produced in the polysilicon layer. The sacrificial oxide 33 is used in the manufacture of the narrow deep trenches 36 as so-called etching stop layer. The intermediate product after this process step is shown in Fig. 3b.

Um zu dem in Fig. 3c dargestellten letzten Zwischenprodukt zu gelangen, wird das Opferoxid 33 entfernt. Die Entfernung des Opferoxids geschieht durch selektives Unterätzen, indem ein flußsäurehaltiges Ätzmedium durch die schmalen Tiefengräben 36 eingeführt wird. Das Ätzmedium entfernt Siliziumoxid, greift jedoch Polysilizium nicht an. Somit bleiben die Strukturen im Epi-Polysilizium 35 klar mit dem Substrat 30 verbunden, welche aus Bereichen herausstrukturiert werden, in welchen ein Loch in das Opferoxid strukturiert wurde.In order to arrive at the last intermediate product shown in FIG. 3c, the sacrificial oxide 33 is removed. The sacrificial oxide is removed by selective under-etching, in that an etching medium containing hydrofluoric acid is introduced through the narrow deep trenches 36 . The etching medium removes silicon oxide, but does not attack polysilicon. The structures in the epi-polysilicon 35 thus remain clearly connected to the substrate 30 , which structures are structured out of regions in which a hole in the sacrificial oxide has been structured.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors ist in den Fig. 4a bis 4g dargestellt.Another method for producing an acceleration sensor is shown in FIGS. 4a to 4g.

Ausgangspunkt des in den Fig. 4a bis 4g beschriebenen Verfahrens bildet die Grundplatte 50. Die Grundplatte 50 kann beispielsweise ein integrierter Schaltkreis sein, welcher die Auswerteelektronik für den Beschleunigungssensor enthält. Sie kann jedoch ebenso beispielsweise ein einkristallines Substrat sein oder eine Metallplatte. Die Grundplatte 50 wird mit einer Passivierung 51 versehen, welche in Form einer dünnen Schicht auf die Grundplatte 50 aufgebracht wird. An vorgegebenen Stellen wird die Passivierung 51 entfernt und durch eine untere Elektrode 52 sowie ein Anschlußpad 53 ersetzt. Es ist darauf zu achten, daß die untere Elektrode 52 und das Anschlußpad 53 nicht elektrisch verbunden sind. Wird also Grundplatte 50 eine Metallplatte verwendet, so sind zusätzlich Mittel vorzusehen, entweder die untere Elektrode 52 oder das Anschlußpad 53 oder beide gegenüber der Grundplatte 50 zu isolieren. Auf der mit der Passivierung 51 versehene Grundplatte 50 wird eine Beschichtung aus Photolack 54 aufgetragen. Die Schichtdicke des Photolacks 54 entspricht dem späteren Abstand zwischen seismischer Masse und Elektrode. Anschließend wird der Photolack im Bereich des Anschlußpads 53 entfernt, so daß eine erste Öffnung 56 im Bereich des Anschlußpads 53 entsteht. Das hieraus folgende Zwischenprodukt ist in Fig. 4a dargestellt.The base plate 50 forms the starting point for the method described in FIGS. 4a to 4g. The base plate 50 can be an integrated circuit, for example, which contains the evaluation electronics for the acceleration sensor. However, it can also be, for example, a single-crystalline substrate or a metal plate. The base plate 50 is provided with a passivation 51 , which is applied to the base plate 50 in the form of a thin layer. The passivation 51 is removed at predetermined points and replaced by a lower electrode 52 and a connecting pad 53 . Care should be taken that the lower electrode 52 and the connection pad 53 are not electrically connected. If base plate 50 is a metal plate, additional means must be provided to insulate either lower electrode 52 or connecting pad 53 or both from base plate 50 . A coating of photoresist 54 is applied to the base plate 50 provided with the passivation 51 . The layer thickness of the photoresist 54 corresponds to the later distance between the seismic mass and the electrode. The photoresist in the area of the connection pad 53 is then removed, so that a first opening 56 is formed in the area of the connection pad 53 . The resulting intermediate product is shown in Fig. 4a.

Fig. 4b zeigt das Zwischenprodukt, nachdem auf die Passivierung 51 und Photolack 54 beschichtete Grundplatte 50 eine weitere leitfähige Hilfsbeschichtung 55 aufgebracht wurde. FIG. 4b shows the intermediate product after another auxiliary conductive coating 55 was applied to the passivation 51 and photoresist 54 coated base plate 50.

Auf die Grundplatte 50, die mit einer Passivierung 51, dem Photolack 54, der leitfähigen Hilfsbeschichtung 55 versehen ist, wird ein dicker Photolack 57 aufgebracht. Die Schichtdicke des dicken Photolacks 57 bemißt sich nach der gewünschten Höhe des Widerlagers und der seismischen Masse. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß die Dicke des dicken Photolacks 57 wenigstens gleich groß ist wie die Höhe der später zu erzeugenden seismischen Masse. Auf den dicken Photolack 57 wird eine Oxidschicht 58 aufgebracht, auf welche wiederum ein dünner Photolack 59 aufgebracht wird. Das Zwischenprodukt nach diesen Verfahrensschritten ist in Fig. 4c dargestellt.A thick photoresist 57 is applied to the base plate 50 , which is provided with a passivation 51 , the photoresist 54 , the conductive auxiliary coating 55 . The layer thickness of the thick photoresist 57 is based on the desired height of the abutment and the seismic mass. It must be taken into account here that the thickness of the thick photoresist 57 is at least as large as the height of the seismic mass to be generated later. An oxide layer 58 is applied to the thick photoresist 57 , on which in turn a thin photoresist 59 is applied. The intermediate product after these process steps is shown in Fig. 4c.

Mit Hilfe einer Maske, welche nicht in Fig. 4b dargestellt ist, wird der dünne Photolack 59 in vorgegebenen Bereichen belichtet. Anschließend werden die belichteten Bereiche des dünnen Photolacks 59 entfernt, so daß eine erste Vorläuferstruktur 60 entsteht. Es ist jedoch ebenso vorstellbar, einen Photolack für die Beschichtung aus dünnem Photolack 59 heranzuziehen, welcher erlaubt, die unbelichteten Bereiche zu entfernen. Nach dem Entfernen des dünnen Photolacks 59 in den vorgegebenen Bereichen wird die darunterliegende Oxidschicht 58 entfernt, und zwar in denjenigen Bereichen, in denen sie nicht mehr durch den dünnen Photolack 59 geschützt ist. Somit ergibt sich als nächstes Zwischenprodukt die schon aus Fig. 4b bekannte Vielschichtstruktur mit einer Grundplatte 50, einer Passivierung 51, dem Photolack 54 und der leitfähigen Hilfsbeschichtung 55, welche mit dem dicken Photolack 57 und einer doppelten Maske aus Oxid 58 und dünnem Photolack 59 bedeckt ist.With the aid of a mask, which is not shown in FIG. 4b, the thin photoresist 59 is exposed in predetermined areas. The exposed areas of the thin photoresist 59 are then removed, so that a first precursor structure 60 is formed. However, it is also conceivable to use a photoresist for the coating of thin photoresist 59 , which allows the unexposed areas to be removed. After removal of the thin photoresist 59 in the predetermined areas, the underlying oxide layer 58 is removed, specifically in those areas in which it is no longer protected by the thin photoresist 59 . The next intermediate product thus results in the multilayer structure already known from FIG. 4b with a base plate 50 , a passivation 51 , the photoresist 54 and the conductive auxiliary coating 55 , which is covered with the thick photoresist 57 and a double mask made of oxide 58 and thin photoresist 59 is.

Im nächsten Verfahrensschritt wird eine anisotrope Entfernung des Photolacks durchgeführt. Hierbei wird sowohl der noch vorhandene dünne Photolack 59 als auch Teile des dicken Photolacks 57 entfernt. Der dicke Photolack 57 wird hierbei nur in jenen Bereichen entfernt, in welchen er nicht durch das Oxid 58 geschützt ist. Somit entstehen in den ungeschützten Bereichen erste Öffnungen 56, welche bis hinab zur ersten leitfähigen Hilfsbeschichtung 55 reichen und die lateralen Abmessungen des strukturierten Oxids 58 besitzen. Das Zwischenprodukt nach diesem Schritt ist in Fig. 4e dargestellt.In the next process step, anisotropic removal of the photoresist is carried out. In this case, both the thin photoresist 59 still present and parts of the thick photoresist 57 are removed. The thick photoresist 57 is only removed in those areas in which it is not protected by the oxide 58 . Thus, first openings 56 are formed in the unprotected areas, which extend down to the first conductive auxiliary coating 55 and have the lateral dimensions of the structured oxide 58 . The intermediate product after this step is shown in Fig. 4e.

Das in Fig. 4e gezeigte Zwischenprodukt wird nunmehr einem Galvanikschritt unterzogen, wobei die leitfähige Hilfsbeschichtung 55 eine der beiden Elektroden erstellt. Es ergibt sich somit das in Fig. 4f dargestellte Zwischenprodukt, welches aus einer Grundplatte 50 mit darauf aufgebrachter Passivierung 51, darauf aufgebrachtem Photolack 54 mit einer sich darauf befindlichen leitfähigen Hilfsbeschichtung 55 besteht. Auf diesem Vielschichtsystem befindet sich der mit dem strukturierten Oxid 58 bedeckte dicke Photolack 57, welcher nunmehr mit einer Befüllung 62 befüllte zweite Vorläuferstrukturen aufweist. In einem letzten Schritt wird der gesamte Photolack der Schichten 57 und 54 mit samt den darauf befindlichen leitfähigen Hilfsbeschichtungen 55 und dem Oxid 58 entfernt. Somit verbleibt eine Struktur, welche aus der Grundplatte 50 mit der darauf befindlichen Passivierung 51 besteht, wobei in der Passivierung eine untere Elektrode 52 und ein Anschlußpad 53 vorhanden sind. Auf dem Anschlußpad 53 befindet sich eine Metallstruktur, welche aus der Befüllung 62 und einem Teil der leitfähigen Hilfsbeschichtung 55 entstand, und welche fest mit der Grundplatte 50 verbunden ist. Diese Struktur kann in dem Drucksensor als Widerlager 16 benutzt werden. Weiterhin weist das Verfahrensprodukt in Fig. 4g weitere Metallstrukturen aufs welche nicht unmittelbar mit der Grundplatte 50 verbunden sind, jedoch mit dem Widerlager 16 verbunden sind, in einer nicht in der Zeichnung dargestellten Schnittebene. Diese Metallstrukturen bestanden aus der Befüllung von zweiten Vorläuferstrukturen 61, welche in Bereichen angeordnet waren, in welchen der Photolack 54 nicht strukturiert wurde. Diese Metallstrukturen bilden sowohl die Längsträger 18 als auch die durchbrochene Struktur 20. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die Kapazität zwischen der durchbrochenen Struktur 20 und der unteren Elektrode 52 zu messen, beispielsweise elektrische Leitungen 70.The intermediate product shown in FIG. 4e is now subjected to an electroplating step, the conductive auxiliary coating 55 creating one of the two electrodes. This results in the intermediate product shown in FIG. 4f, which consists of a base plate 50 with passivation 51 applied thereon, photoresist 54 applied thereon with a conductive auxiliary coating 55 thereon. Located on this multilayer system is the thick photoresist 57 covered with the structured oxide 58 , which now has second precursor structures filled with a filling 62 . In a last step, the entire photoresist of the layers 57 and 54 with the conductive auxiliary coatings 55 and the oxide 58 located thereon are removed. This leaves a structure consisting of the base plate 50 with the passivation 51 located thereon, a lower electrode 52 and a connection pad 53 being present in the passivation. There is a metal structure on the connection pad 53 , which was created from the filling 62 and part of the conductive auxiliary coating 55 and which is firmly connected to the base plate 50 . This structure can be used as an abutment 16 in the pressure sensor. Furthermore, the process product in FIG. 4g has further metal structures which are not directly connected to the base plate 50 , but are connected to the abutment 16 , in a sectional plane not shown in the drawing. These metal structures consisted of the filling of second precursor structures 61 , which were arranged in areas in which the photoresist 54 was not structured. These metal structures form both the longitudinal beams 18 and the perforated structure 20 . Means are also provided for measuring the capacitance between the perforated structure 20 and the lower electrode 52 , for example electrical lines 70 .

Es ist jedoch ebenso denkbar, die Datenauswertung direkt in der als elektrischem Chip ausgebildeten Grundplatte 50 vorzunehmen, wobei die beiden Meßsignale an der unteren Elektrode 52 und dem Anschlußpad 53 anliegen.However, it is also conceivable to carry out the data evaluation directly in the base plate 50 , which is designed as an electrical chip, the two measurement signals being applied to the lower electrode 52 and the connection pad 53 .

Auch das in den Fig. 4a bis 4g dargestellte Verfahren basiert auf dem Ablösen des Photolacks 54, nachdem die seismische Masse hergestellt wurde. Der Photolack 54 kann nur dann unter der seismischen Masse herausstrukturiert werden, wenn diese zumindest teilweise als durchbrochene Struktur 20 ausgebildet ist. Andernfalls müßte die seismische Masse klein gehalten werden.The method shown in FIGS. 4a to 4g is also based on the removal of the photoresist 54 after the seismic mass has been produced. The photoresist 54 can only be patterned out from under the seismic mass if it is at least partially designed as a perforated structure 20 . Otherwise the seismic mass would have to be kept small.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zur Herstellung anderer Sensoren als den in den Fig. 1 bis 2b dargestellten Sensor verwendbar. Fig. 5a und 5b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor.The method according to the invention can also be used to produce sensors other than the sensor shown in FIGS. 1 to 2b. Fig. 5a and 5b show two other embodiments of an inventive accelerometer.

In Fig. 5a weist die bewegliche Struktur 2 Querbalken 19 auf, so daß die Querbalken 19 und Längsträger 18 ein Rechteck bilden. Die durchbrochene Struktur 20 ist hierbei als Siebstruktur und nicht als Kammstruktur wie in Fig. 1 ausgeführt. Diese Änderung sorgt für eine weiter verbesserte Herstellbarkeit durch bessere Abtragung der Opferschicht.In Fig. 5a, the movable structure 2 has crossbars 19 , so that the crossbars 19 and longitudinal members 18 form a rectangle. The perforated structure 20 is designed as a sieve structure and not as a comb structure as in FIG. 1. This change ensures a further improved producibility by better removal of the sacrificial layer.

Ebenso ist eine andere Formgebung für die Biegefeder 17 denkbar, wie es in Fig. 5b dargestellt ist, wobei die restliche bewegliche Struktur gegenüber Fig. 5a unverändert blieb.Another shape for the spiral spring 17 is also conceivable, as shown in FIG. 5b, the remaining movable structure remaining unchanged compared to FIG. 5a.

Claims

1. Acceleration sensor with a first (11), a second ( 12 ) and a third layer ( 13 ), the layers being arranged one on top of the other, a window also being provided in the second layer, the third layer also being an abutment ( 16 ) which is connected directly or indirectly to the second layer, the third layer in the region of the window having a spiral spring ( 17 ), the preferred direction of which is approximately parallel to the first plane, and a seismic mass, the spiral spring ( 17 ) is connected at one end to the abutment ( 16 ) and at the other end to the seismic mass, the first layer in the region of the window furthermore having a conductive surface ( 22 ) which is arranged such that it is separated from the seismic Mass is partially covered, and that the coverage is variable by bending the spiral spring, and by means of the capacity between the seismic mass e and the conductive surface, characterized in that the seismic mass is at least partially designed as an openwork structure ( 20 ), in particular as a comb structure or sieve structure.

2. Acceleration sensor according to claim 1, characterized marked, the spiral spring at both ends with the Abutment and in the middle with the seismic mass connected is.

3. Acceleration sensor according to claim 1, characterized marked, the spiral spring at both ends with the seismic mass and in the middle with the abutment connected is.

4. Accelerometer according to one of the preceding Claims, characterized in that the first layer Silicon is made.

5. Accelerometer according to one of the previous ones Claims, characterized in that the second layer consists of silicon oxide.

6. Accelerometer according to one of the preceding Claims, characterized in that the third layer consists of silicon.

7. Accelerometer according to one of the preceding Claims, characterized in that the conductive surface by diffusion or ion implantation in the first layer were generated.

8. Acceleration sensor according to one of claims 4 to 7, characterized in that the conductive surface by Application of a polysilicon layer on the silicon and subsequent structuring of the polysilicon generated has been.

9. Acceleration sensor according to Al, characterized in that the first layer is made of a protective layer protected integrated circuit exists.

10. Acceleration sensor according to one of claims 1 to 5, 7, 8, characterized in that the third layer Metal.

11. Method for producing an acceleration sensor characterized by the following method steps:

a. Applying an oxide layer ( 31 ) to a silicon substrate ( 30 ),
b. Producing a conductive layer ( 32 ) in or on a region of the oxide layer ( 30 ),
c. Depositing a sacrificial oxide layer ( 33 ),
d. Applying a polysilicon layer ( 34 ) to the sacrificial oxide layer ( 33 ),
e. Structuring of the polysilicon layer by partially removing it,
f. Removing the sacrificial oxide in the areas where the polysilicon layer has been removed,
G. Applying an epitaxial polysilicon layer ( 35 ),
H. Structuring the abutment, the spiral spring and the seismic mass out of the epitaxial polysilicon layer by removing the polysilicon up to the sacrificial oxide layer,
i. Remove the sacrificial oxide layer under the seismic mass and the spiral spring.

12. The method according to claim 11, characterized in that the oxide layer is generated by thermal oxidation.

13. The method according to any one of claims 11 or 12, characterized in that the conductive layer ( 32 ) is produced by applying polysilicon and subsequent structuring.

14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the conductive layer ( 32 ) is produced by ion implantation or diffusion into the oxide layer.

15. A method for producing an acceleration sensor characterized by the following method steps:

a. Applying a first photoresist ( 34 ) to a base plate ( 50 ),
b. Structuring the first photoresist so that the structured first photoresist represents a negative form of the window.
c. Coating the first photoresist with a conductive auxiliary layer ( 55 )
d. Apply a thick layer of photoresist ( 57 ).
e. Application of an oxide layer ( 58 ).
f. Apply a thin layer of photoresist ( 59 ).
G. Structuring the thin photoresist layer by removing the areas in which the spiral spring, the abutment and the seismic mass are to be created.
H. Removing the oxide layer in the areas freed from the photoresist,
i. Removing the thick photoresist layer in the areas freed from the oxide layer,
j. galvanic deposition of a conductive material in the in step h. created recesses in the thick photoresist layer.
k. Removal of the thick photoresist layer,
l. Removal of the conductive material,
m. Removal of the first layer of photoresist.

16. The method according to claim 15, characterized in that before coating the base plate with a conductive material, the first layer is coated with a protective layer ( 51 ).

17. The method according to claim 16, characterized in that the base plate as an electronic integrated circuit is trained.

18. The method according to claim 15, characterized in that the base plate is designed as a polymeric substrate.