DE69732178T2

DE69732178T2 - Mikromechanische vorrichtung mit verbesserter abmessungskontrolle

Info

Publication number: DE69732178T2
Application number: DE69732178T
Authority: DE
Inventors: R. Howard SAMUELS; A. Jeffrey FARASH
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2017-03-15
Also published as: EP0886781A1; DE69732178D1; US6282960B1; EP0886781B1; US5880369A; WO1997034153A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet mikrobearbeiteter Vorrichtungen und insbesondere eine Abmessungseinstellung von Strukturen innerhalb mikrobearbeiteter Vorrichtungen.
Wenn im Folgenden der Begriff „mikrobearbeitete Vorrichtung" verwendet wird, so bezieht sich dieser auf eine Vorrichtung, welche eine dreidimensionale Struktur aufweist, die unter Verwendung der gleichen photolithographischen Techniken und schubweisen Verarbeitung hergestellt wird, wie sie für integrierte Schaltungen verwendet wird. Mikrobearbeitete Strukturen werden häufig als Sensoren oder Aktuatoren verwendet und es gibt einige Anwendungen, in denen sie mit Piezowiderständen oder Kondensatoren zum Erfassen und zum Messen einer Beschleunigung verwendet werden. Im letzteren Fall wird typischer Weise ein Differenzialkondensator verwendet.
Ein Beschleunigungssensor auf Differenzialkondensatorbasis enthält drei primäre mikrobearbeitete Elemente: ein Zentralelement, Kondensatorplatten und Haltefedern. Das von den Federn gehaltene Element ist in der Mitte zwischen zwei Platten derart angeordnet, dass ein Kondensator durch eine erste Platte und das Element gebildet ist und ein zweiter (und gleicher) Kondensator durch eine zweite Platte und das Element gebildet ist. Um die Sensorkapazität zu maximieren kann das Element eine Vielzahl von Fingern umfassen, die zwischen Fingern der zwei Platten angeordnet sind. Es können verschiedene Formen und Anordnungen der Kondensatorplatten verwendet werden. Beispiele solcher Vorrichtungen sind in den gemeinschaftlichen, eigenen U.S. Patenten Nr. 5,345,824 und Nr. 5,565,625 bereitgestellt.
Die Empfindlichkeit eines mikrobearbeiteten Sensors wird durch eine Vielzahl von Faktoren, einschließlich der Sensorkapazität, der Federkonstante („k"), der Masse von bestimmten Elementen (z. B. dem Zentralelement), der Polysilizium-Dicke, einer parasitären Kapazität sowie Variationen der kristallinen Orientierung in Polysilizium, bestimmt. Von diesen sind die Federkonstante und die Sensorkapazität die dominierenden Faktoren. Die Empfindlichkeit eines mikrobearbeiteten Sensors kann sich aufgrund von Herstellungsänderungen/-schwankungen, die zu Veränderungen/Schwankungen der Abmessungen der mikrobearbeiteten Strukturen innerhalb des Sensors führen, beachtlich ändern. Dementsprechend wird typischerweise ein gewisses Maß an Nachbearbeitungskalibrierung benötigt. Eine effektive Kalibrierung benötigt eine genaue Bestimmung der Empfindlichkeit, welche zum großen Teil durch genaue Schätzungen von Werten der Federkonstante und der Sensorkapazität bestimmt wird.
Obwohl Federn und Kondensatoren eines mikrobearbeitete Sensors unter Verwendung der gleichen Prozesse hergestellt werden, beeinflussen Änderungen in diesen Prozessen nicht notwendigerweise die innerhalb dieser Komponenten angeordneten unterschiedlichen Strukturen auf die gleiche Weise (d. h. jede Struktur kann hinsichtlich ihrer Größe unabhängig ändern). Solche ungleichartigen Größenänderungen zwischen physikalisch oder/und funktionell unterschiedlichen Strukturen machen es schwierig, Werte der Bauteile genau abzuschätzen und dadurch die Charakteristik der Vorrichtungen vorherzusagen.
Dementsprechend besteht die Notwendigkeit, für eine neue mikrobearbeitete Vorrichtung, welche eine Korrelation einer Abmessungsveränderung zwischen mikrobearbeiteten Vorrichtungen unterstützt.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die Erfindung stellt eine mikrobearbeitete Vorrichtung bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Ausführungsformen der Erfindung unterstützen eine Korrelation einer Abmessungsänderung zwischen mikrobearbeiteten Strukturen, indem sie ausgewählte Abmessungsbeziehungen zwischen diesen Strukturen herstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine mikrobearbeitete Vorrichtung, die nach den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist, eine erste Struktur, eine zweite Struktur, welche in einer vorbestimmten Distanz in der Nähe der ersten Struktur angeordnet ist, eine dritte Struktur, welche von der ersten und zweiten Struktur physikalisch verschieden ist, und eine nahe der dritten Struktur bei ungefähr der vorbestimmten Distanz angeordnete vierte Struktur, wobei die vierte Struktur ebenfalls physikalisch verschieden von der ersten und der zweiten Struktur ist.
Ein weiteres Verständnis der Natur und der Vorteile der Erfindung kann unter Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Beschreibung und auf die Zeichnungen erlangt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Layout-Darstellung eines Beschleunigungssensors, welcher in einem handelsüblichen Beschleunigungsmessgerät verwendet wird;
2 ist eine Layout-Darstellung eines Beschleunigungssensors, welcher gemäß den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist;
3 ist eine schematische Darstellung von Differenzialkondensatoren, die durch den Beschleunigungssensor von 2 gebildet sind; und
4 ist ein Layout einer alternativen Ausführungsform einer mikrobearbeiteten Struktur, welche gemäß den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist.
BESCHREIBUNG VON SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 illustriert das Layout (maßstabsgerecht gezeichnet) als Beispiel eines mikrobearbeiteten Beschleunigungssensors 200. Dieser Sensor wird in einem handelsüblichen Beschleunigungsmessgerät (d. h. dem „ADXL05") hergestellt, von Analog Devices, Inc., Sitz in Norwood, Massachusetts („Analog") verwendet. Das ADXL05 ist in einem Datenblatt beschrieben, welches von Analog veröffentlicht worden ist und den Titel trägt „1 g to ± 5 g Single Chip Accelerometer with Signal Conditioning – ADXL05", Rev. 0 (1995).
Der Sensor 200 umfasst 44 Sensorfinger 204, welche mit dem Zentralelement 202 gekoppelt sind und mit fixierten Fingern 206 und 208 Sensorkondensatoren bilden. Die Distanz (d₀) zwischen Fingern 204 und 206 (welche einen Kondensator C1 bilden) und Fingern 204 und 208 (welche einen Kondensator C2 bilden) bestimmt zu einem großen Ausmaß die Sensorkapazität. Der Sensor 200 umfasst außerdem Federn 216–222, welche das Zentralelement 202 über Anker 224 und 226 an ein darunter liegendes Substrat koppeln. Die Breite (W) der Federbeine 210 und 214 bestimmt zu einem großen Teil die Federkonstante k dieser Sensorkomponenten.
Wie oben angemerkt, wird die Empfindlichkeit eines mikrobearbeiteten Beschleunigungssensors hauptsächlich durch seine Sensorkapazität und seine Federkonstante bestimmt. Obwohl die grundlegenden Komponenten dieser Faktoren (d. h. die Federn 216–222 und die durch die Finger 204–208 gebildeten Kondensatoren) mit dem selben Verfahren hergestellt werden, beeinflussen Veränderungen dieser Verfahren die Strukturen jeder Komponente unterschiedlich. Diese ungleichmäßige Auswirkung ist ein direktes Ergebnis der unterschiedlichen Layout-Umgebungen, die jeder Komponente zugeordnet sind. Im Speziellen sind Kondensatorfinger 204–208 dicht von anderen Polysiliziumstrukturen umgeben, während Federbeine 210 und 214 von anderen Strukturen ebenso wie von sich selbst im Wesentlichen isoliert sind.
Indem gemäß den Prinzipien der Erfindung die interessierenden mikrobearbeiteten Strukturen (in diesem Fall z. B. die Finger 204–208 und Beine 210, 214) derart gestaltet werden, dass jegliche kritische Abmessungen (z. B. der Spalt zwischen Fingern 204–208, welcher durch die Fingerbreite und die Breite der Beine 210, 214 definiert ist) in dem selben Typ von Umgebungen vorliegt, kann eine Korrelation der resultierenden Merkmale (z. B. Finger- und Beinbreite) stark verbessert werden. Wie nachfolgend diskutiert, wird dies durch eine Kombination von Layout-Techniken, welche auf gleichmäßige Abstände zwischen bestehenden Betriebsstrukturen Wert legen, und durch Hinzufügen neuer Strukturen (d. h. „Abmessungseinstellstrukturen") zu dem Layout, wodurch zusätzliche gleichmäßige Abstände an ausgewählten Positionen innerhalb der mikrobearbeiteten Vorrichtung bereitgestellt werden, erreicht.
2 illustriert einen mikrobearbeiteten Sensor 300 (maßstabsgerecht gezeichnet), welcher gemäß den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist. Ein Zentralelement 302 ist eine Polysiliziumstruktur, welche oberhalb einer Bootstrap-Diffusionsschicht (nicht gezeigt) aufgehängt ist, die innerhalb eines darunterliegenden Substrats 301 angeordnet ist. Das Element 302 ist ungefähr 467 Mikrometer lang und 57 Mikrometer breit. (Die hier gegebenen Abmessungen sind lediglich beispielhaft und in keiner Weise beschränkend.) Die Bootstrap-Diffusionsschicht ist aus einem n+-dotierten Emitterdiffusionsbereich in dem Substrat gebildet. Das Element 302 ist ungefähr parallel zur Oberfläche des Substrats 301.
Das Element 302 ist mit Ankern 304 und 306 über gefaltete Federn 314, 316 bzw. 318, 320 verbunden. Die Federn 314–320 sind aus Polysilizium gebildet. Die Anker 304, 316 sind T-förmig mit einem vertikalen Abschnitt 322, welcher eine Länge und eine Breite von ungefähr 28,7 bzw. 9,7 Mikrometer aufweist, und mit einem horizontalen Querabschnitt 324, welcher eine Länge und eine Breite von 21,7 bzw. 4,7 Mikrometer aufweist. Die Anker 304 und 306 sind auf dem Substrat außerhalb der Bootstrap-Diffusionsschicht durch kleine rechteckige Bereiche am Boden des „T" angebracht. (Der Rest des T's ist oberhalb des Substrats 301 aufgehängt.) Die Federn 314–320 sind aus Beinen 308, 310 und 312 gebildet, welche alle eine Breite von ungefähr 2,2 Mikrometer aufweisen. Lange Beine 308 und 310 sind einander parallel und an einem (d. h. „externen) Ende durch ein kurzes Bein 312 verbunden. Die anderen (d. h. „internen") Enden der langen Beine 308 und 310 sind mit einem Anker (z. B. 304 oder 306) bzw. dem Element 302 verbunden. Die langen Beine 308 und 310 sind flexibel, wodurch es dem Element 302 ermöglicht wird, sich in Reaktion auf eine Kraft entlang der X-Achse (welche durch die Anker 304 und 306 verläuft) entlang der X-Achse zu bewegen, wenn sich die internen Enden der langen Segmente 308 und 310 näher aufeinander zu oder weiter voneinander weg bewegen. Die langen Segmente 308 und 310 sind ungefähr 116,7 bzw. 98,2 Mikrometer lang und sind durch einen Zwischenraum von ungefähr 1,3 Mikrometer getrennt. Alternativ können für die Federn andere Formen verwendet werden.
Auf der linken und auf der rechten Seite jeder Feder 314–320 ist eine Abmessungseinstellstruktur (d. h. ein Abmessungseinstellfinger) angeordnet, wie dies in 2 gezeigt ist. Speziell sind interne Abmessungseinstellfinger 332, 336 (gekoppelt mit dem Element 302) links der Federn 314 bzw. 316 angeordnet. Ferner sind Abmessungseinstellfinger 334, 338 (gekoppelt mit dem Anker 304) rechts der Federn 314 bzw. 316 angeordnet. Die selbe Beziehung besteht für die Federn 318 und 320, wobei auf der linken Seite angeordnete externe Abmessungseinstellfinger (d. h. 342 bzw. 346) mit dem Anker 306 gekoppelt sind, während auf der rechten Seite angeordnete interne Abmessungseinstellfinger (d. h. 340 bzw. 344) mit dem Element 302 gekoppelt sind.
Der Abstand zwischen jedem Abmessungseinstellfinger und einer zugeordneten Feder beträgt ungefähr 1,3 Mikrometer und die Breite eines jeden Abmessungseinstellfingers beträgt ungefähr 3,7 Mikrometer. Die Länge der Finger 332, 336, 340 und 344 beträgt ungefähr 94,5 Mikrometer und die Länge der Finger 334, 338, 342 und 346 beträgt ungefähr 118 Mikrometer.
Von den Seiten des Elements 302 entlang der Y-Achse aus erstrecken sich parallele Polysilizium-Sensorfinger 350. Im Sensor 300 sind Sensorfinger 350 im Wesentlichen ähnlich (d. h. im Wesentlichen von gleicher Form und Abmessung), wobei jeder ungefähr 3,4 Mikrometer breit und ungefähr 109 Mikrometer lang ist. Wie in 2 gezeigt, sind auf jeder Seite des Elements 302 21 Sensorfinger vorgesehen.
Links und rechts (entlang der X-Achse) eines jeden Sensorfingers 350, mit dem Element 302 nicht verbunden, ist ein linker fixierter Finger 348 bzw. ein rechter fixierter Finger 352 vorgesehen. Diese fixierte Finger sind aus Polysilizium gebildet und am Substrat 301 verankert. Vorzugsweise ist der innere Satz fixierter Finger und der äußere Satz fixierter Finger auf jeder Seite des Elements 302 ungefähr 124 bzw. 144 Mikrometer lang. Jeder Finger 348, 352 ist ungefähr 3,4 Mikrometer breit und jeder Finger ist von einem benachbarten Sensorfinger 350 durch einen Zwischenraum von ungefähr 1,3 Mikrometer getrennt. Benachbarte linke und rechte fixierte Finger 348 und 352 sind ebenfalls im Abstand von ungefähr 1,3 Mikrometer voneinander angeordnet, obwohl diese Abmessung nicht so ausschlaggebend ist, wie die Abmessungen auf beiden Seiten des Fingers 350. Statt einer Begrenzung durch eine Abmessungseinstellung wird eher der Abstand zwischen Fingern 348 und 352 durch einen elektrischen Parameter gesteuert, d. h. dieser Abstand darf nicht so groß sein, dass die elektrischen Feldlinien auf der Innenseite der Zwischenräume zwischen den Fingern 350–348 und 350–352 beeinflusst werden.
Alle linken fixierten Finger 348 auf jeder Seite des Elements 302 sind über einen stark n+-dotierten Polysiliziumbereich miteinander verbunden, ebenso wie alle der rechten fixierten Finger 352 (Bereiche nicht gezeigt). Eine elektrische Verbindung mit dem inneren Satz fixierter Finger auf jeder Seite des Elements 302 wird durch Polysilizium-Mikrobrücken 326 und 328 hergestellt. Auf ähnliche Weise wird eine elektrische Verbindung zum äußeren Satz fixierter Finger auf jeder Seite des Elements 302 durch Polysilizium-Mikrobrücken 329 und 330 hergestellt.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 bilden Sensorfinger 350 (welche mit dem Zentralelement 302 einen einzelnen elektrischen Knotenpunkt bilden) gemeinsam eine Mittelelektrode 412 des Differenzialsensorkondensators 410.
Die linken fixierten Finger 348 bilden eine linke Elektrode 414 und rechte fixierte Finger 352 bilden eine rechte Elektrode 416 des Differenzialkondensators 410, welcher aus einem linken Kondensator 418 und einem rechten Kondensator 420 gebildet ist. Vorzugsweise weisen der linke Kondensator 418 und der rechte Kondensator 420 die gleiche Kapazität auf. Jeder Satz eines Sensorfingers 350 und seines benachbarten linken fixierten Fingers 348 und rechten fixierten Fingers 352 bildet eine „Zelle" des Differenzialkondensators 410, wobei alle der Zellen im Wesentlichen ähnlich und parallel miteinander verbunden sind.
Wenn sich das Element 302 relativ zu den fixierten Fingern 348 und 352 nach rechts bewegt (in Antwort auf eine entlang der X-Achse wirkende Kraft), so nimmt die Distanz zwischen jedem Sensorfinger 350 und dem rechten fixierten Finger 352 der selben Zelle ab, wodurch die Kapazität des rechten Kondensators 420 vergrößert wird. Gleichzeitig nimmt die Distanz zwischen jedem Sensorfinger 350 und dem linken fixierten Finger 348 der selben Zelle zu, wodurch die Kapazität des linken Kondensators 418 reduziert wird.
Das Element 302 ist mit einer Auflösungsschaltung über einen stark n+-dotierten Bereich von Polysilizium verbunden, welcher sich vom Anker 304 aus erstreckt. Ein Beispiel einer Auflösungsschaltung und eine Diskussion des Betriebs des Beschleunigungssensors ist in dem U.S. Patent Nr. 5,345,824 bereitgestellt.
Links des ganz links angeordneten linken fixierten Fingers 348 auf jeder Seite des Elements 302 ist ein rechter Dummyfinger 354 bereitgestellt. Ähnlich ist auf der rechten Seite des ganz rechts angeordneten rechten fixierten Fingers 352 auf jeder Seite des Elements 302 ein linker Dummyfinger 356 bereitgestellt. Diese Dummyfinger sind mit ihren zugehörigen fixierten Fingern verbunden (d. h. die rechten Dummyfinger 354 sind mit rechten fixierten Fingern 352 und die linken Dummyfinger 356 sind mit linken fixierten Fingern 348 verbunden). Dies stellt sicher, dass Endzellen des Differenzialkondensators 410 sich ebenso verhalten, wie die Mittelzellen.
Speziell sind Dummyfinger 354 und 356 derart installiert, dass gewährleistet ist, dass die an den ganz links angeordneten linken fixierten Fingern 348 bzw. den ganz rechts angeordneten rechten fixierten Fingern 352 auftretenden elektrischen Felder die gleichen sind, wie die elektrischen Felder, die an den „mittleren" linken und rechten fixierten Fingern 348, 352 (z. B. zwischen Mikrobrücken 326 oder 328 und 330) auftreten.
Die Distanzen zwischen (1) den rechten Dummyfingern 354 und dem ganz links angeordneten linken fixierten Finger 348 und (2) den linken Dummyfingern 356 und dem ganz rechts angeordneten rechten fixierten Finger 352 unterliegen den gleichen Beschränkungen. Speziell dürfen diese Distanzen nicht so groß sein, dass sie die elektrischen Feldlinien auf der Innenseite der Zwischenräume zwischen Fingern 350–348 und 350–352 beeinflussen.
An beiden Enden des Elements 302 befinden sich 6 Polysiliziumselbsttestfinger 358 (d. h. insgesamt 12). Diese Finger sind ungefähr 3,7 Mikrometer breit und 109 Mikrometer lang. Die Selbsttestfinger 358 sind Teil des gleichen elektrischen Knotenpunkts wie die Sensorfinger 350 und der Rumpf des Elements 302. Auf den Seiten jedes Selbsttestfingers 358 und mit dem Element 302 nicht verbunden sind linke und rechte Polysilizium-Aktuatorfinger 360 bzw. 362 vorgesehen. Wenn auf das Element 302 keine Kraft wirkt, befinden sich die Selbsttestfinger 358 in der Mitte zwischen den Aktuatorfingern 360 und 362, was zu einem Abstand zwischen Fingern 358 und benachbarten Aktuatorfingern 360, 362 von ungefähr 1,3 Mikrometer führt.
Der innere Satz Aktuatorfinger 360, 362 ist ungefähr 124 Mikrometer lang. Zudem sind der äußere Satz Aktuatorfinger 360, 362 ungefähr 144 Mikrometer lang. Beide Finger sind ungefähr 3,7 Mikrometer breit und am Substrat 301 verankert. Die Aktuatorfinger 360 sind miteinander über stark dotierte n+-Polysiliziumbereiche (nicht gezeigt) gekoppelt und sind elektrisch über Polysiliziummikrobrücken 360' und 360'' gekoppelt. Auf ähnliche Weise sind Aktuatorfinger 362 miteinander über stark dotierte n+-Polysiliziumbereiche (nicht gezeigt) gekoppelt und elektrisch über Polysilizium-Mikrobrücken 362' und 362'' gekoppelt.
Unter Bezugnahme auf 3 bilden die Selbsttestfinger 358 die Mittelelektrode 432 des Differenzial-Selbsttest-Kondensators 430. Linke Aktuatorfinger 360 und rechte Aktuatorfinger 362 bilden eine linke Elektrode 434 bzw. eine rechte Elektrode 436 des Differenzialkondensators 430.
Wie beim Differenzialkondensator 410 ändert sich die Separation zwischen jedem Selbsttestfinger 358 und seinen benachbarten Aktuatorfingern 360, 362, wenn der Sensor 300 einer Kraft entlang der X-Achse ausgesetzt wird. Während jedoch der Differenzialsensorkondensator 410 dazu verwendet wird, die Größe der an dem Sensor angreifenden Kraft zu messen, wird der Differenzial-Selbsttest-Kondensator 430 dazu verwendet, elektrostatische Kräfte zu erzeugen. Speziell werden Aktuatorfinger 360, 362 dazu verwendet, eine elektrostatische Kraft an Selbsttestfinger 358 anzulegen, um Zentralelemente 302 zu Testzwecken auszulenken.
Kondensatorfinger 348–362 und Federn 314–320 sind „Betriebs-" Strukturen, d. h. sie stellen eine Betriebsfunktion (z. B. eine elektrische oder eine mechanische) bereit und können außerdem eine Abmessungseinstellung über die gleichmäßigen Abstände bereitstellen. Im Gegensatz dazu sind die Finger 332–346 Abmessungseinstellstrukturen, d. h. ihr einziger Zweck liegt in der Bereitstellung einer Abmessungseinstellung durch die Erzeugung von gleichmäßigen Abständen an ausgewählten Positionen innerhalb der Vorrichtung (z. B. neben den elektrischen Betriebsstrukturen, mechanischen Betriebsstrukturen usw.). Der Sensor 300 ist derart konstruiert, dass bestimmte kritische Abstandsabmessungen gleichmäßig auf einer vorbestimmten Distanz gehalten werden, d. h. Abstände zwischen Sensorkondensatorfingern (d. h. zwischen Fingern 350–348 und 350–352) und Abstände zwischen angrenzenden Federbeinen 308 und 310. Dies wird dadurch erreicht, dass sichergestellt wird, dass bestehende Betriebsstrukturen (z. B. Finger 348–352 und Federbeine 308, 310) derart konfiguriert sind, dass gleichmäßige Distanzen zwischeneinander behalten werden (wie etwa durch Reduzieren der Distanz zwischen Beinen 308 und 310 auf ungefähr die selbe Distanz wie zwischen Fingern 350–348 und 350–352) und durch Hinzufügen bestimmter Abmessungseinstellstrukturen (z. B. Finger 332–346), welche die gleichen gleichmäßigen Distanzen an ausgewählten Positionen innerhalb des Sensors bereitstellen.
Die Abmessungseinstellstrukturen im Sensor 300 erzeugen eine neue Umgebung von Abständen (d. h. Abstandsbegrenzungsbeine 308, 310) mit neuen Strukturen (d. h. interne und externe Finger 332–346), welche sich von bestehenden Strukturen unterscheiden. Diese neuen Strukturen bilden eine Abstandsbeziehung (d. h. gleichmäßige Abstände) zwischen funktional und physikalisch unterschiedlichen mikrobearbeiteten Strukturen (Finger und Federn). Wie oben erwähnt, betragen die gleichmäßigen Abstände zwischen Sensorkondensatorfingern 348–352 und den gefalteten Federbeinen 308, 310 ungefähr 1,3 Mikrometer. Diese Abmessung, welche eine vorbestimmte, durch einen Konstrukteur ausgewählte Distanz darstellt, wird durch Maskenabstände von ungefähr 1,0 Mikrometer erzeugt.
Unter Bezugnahme auf 2 wird jeder Sensorfinger 350 längs durch einen linken fixierten Finger 348 und einen rechten fixierten Finger 352 eingeschlossen. Dementsprechend ist jeder Kondensatorsensorfinger 350, der zur Erzeugung eines Differenzialkondensators 410 (3) verwendet wird, längs durch einen gleichmäßigen Abstand oder Zwischenraum (d. h. „d₀") von ungefähr 1,3 Mikrometer eingegrenzt. Ferner sind alle Federbeine 308 und 310 nebeneinander angeordnet, wodurch die gleiche gleichmäßige Distanz von ungefähr 1,3 Mikrometer beibehalten wird. Diese Beine sind längs durch einen internen Abmessungseinstellfinger (d. h. 332, 336, 340 oder 344) und einen externen Abmessungseinstellfinger (d. h. 334, 338, 342 oder 346) eingeschlossen. Dementsprechend ist jedes Federbein 308 oder 310 längs durch einen gleichmäßigen Abstand oder Zwischenraum von ungefähr 1,3 Mikrometer eingeschlossen.
Die Federn 314–320 repräsentieren lediglich ein Beispiel einer einsetzbaren Federkonfiguration. Diese Strukturen könnten außerdem mit komplexeren Formen konfiguriert sein, wie etwa in einer Reihe von Faltungen, wie Federn 414, 416 von 4. Unter Bezugnahme auf diese Figur sind komplexe Federn 414, 416 durch Abmessungseinstellstrukturen 432–440 umgeben, um ungefähr die selben gleichmäßigen Abstände zu erreichen, welche zwischen den Kondensatorfingern 450–448 und 450–452 vorgesehen sind. Außerdem sind für die Abstände zwischen den Reihen von Faltungen in jeder Feder 414 und 416 ungefähr die selben gleichmäßigen Abstände vorgesehen, wie zwischen den Kondensatorfingern 448–452. Alternativ müssen diese Federn überhaupt nicht gefaltet sein (siehe U.S. Patent Nr. 5,345,824).
Die im Sensor 300 beibehaltene Gleichmäßigkeit der Abstände stellt eine vorteilhafte Abmessungsbeziehung zwischen innerhalb dieser Vorrichtung angeordneten Strukturen bereit. Diese Beziehung unterstützt eine Korrelation einer Abmessungsänderung zwischen funktionell und/oder physikalisch unterschiedlich mikrobearbeiteten Strukturen. Physikalisch unterschiedliche Strukturen sind diejenigen, welche unterschiedliche Abmessungen und/oder Formen aufweisen (z. B. Finger 350 und Federn 314–320). Ähnlich unterstützt diese Beziehung eine Korrelation einer Abmessungsänderung zwischen funktionell und/oder physikalisch ähnlich mikrobearbeiteten Strukturen. Physikalisch ähnliche Strukturen sind solche, welche im Wesentlichen ähnliche Abmessungen und Form aufweisen (z. B. eine Mehrzahl von Fingern 350). Durch Beibehalten gleichmäßiger Abstände zwischen Sensorkondensatorfingern und z. B. gefalteten Federbeinen sowie untereinander, beeinflussen auf beide Strukturen angewendete Herstellungsverfahren (z. B. Ätzen oder Photolithographie) sowie Variationen solcher Verfahren (z. B. Überätzen) die physikalischen Abmessungen dieser Strukturen (z. B. Federbreite und Fingerbreite) in einer stark korrelierten Weise.
In der Ausführungsform von 2 verbesserte sich eine Korrelation zwischen einer Federbreitenänderung und einer Fingerbreitenänderung (während der Herstellung) um einen Faktor von 4 gegenüber zuvor bekannten Sensorkonfigurationen, welche keinerlei Abmessungsbeziehungen zwischen Kondensatorfingern und Federn umfassten (siehe 1). Als solches verbesserte sich die Korrelation einer Abmessungsänderung der Federn 314–320 (erzeugt durch Herstellungsänderungen/-schwankungen) mit Abmessungsänderungen der Finger 350 von 32% der erlaubten Toleranz auf 8% einer solchen Toleranz. Das zur Herstellung des Sensors 300 verwendete Verfahren ist in den gemeinschaftlichen, eigenen U.S. Patenten Nr. 5,314,572, 5,326,726 und 5,364,497 beschrieben.
Zusammengefasst tendieren durch Beibehaltung gleichmäßiger Abstände zwischen Strukturen innerhalb bestimmter Komponenten (d. h. Sensorkondensatoren und Federn) einer mikrobearbeiteten Vorrichtung die physikalischen Abmessungen dieser Strukturen, welche durch die gleichen Herstellungsverfahren gebildet worden sind, dazu, einander zu folgen. Wenn beispielsweise im Sensor 300 von 2 Sensorfinger 350 aufgrund von Herstellungsänderungen um einen bestimmten Betrag dicker sind als normal (und somit der Raum zwischen ihnen dünner ist als normal), so sind Federn 314–320 ebenfalls um ungefähr dem selben Betrag dicker als normal. Wenn solche Finger umgekehrt um einen bestimmten Betrag dünner sind als normal, so sind die Haltefedern ebenfalls um ungefähr den selben Betrag dünner als normal.
In Kenntnis der Beziehungen zwischen Federabmessungen und Kondensatorfingerabständen ist es möglich, die Charakteristik des Sensors 300 genauer zu analysieren und vorherzusagen, als dann, wenn die Abmessungen unkorreliert währen. Beispielsweise kann diese Beziehung zur Bestimmung einer Vorrichtungsempfindlichkeit eines Beschleunigungssensors ausgenutzt werden. Alternativ kann die Beziehung dafür genutzt werden, herauszufinden, wie groß die elektrostatische Kraft ist, die durch eine gegebene Spannung an Aktuatorfingern 360, 362 erzeugt wird (was aus den Abständen der Kondensatorfinger bestimmt wird). Kurz gesagt können ausgewählte Leistungscharakteristiken für eine beliebige mikrobearbeitete Vorrichtung auf Grundlage von Abmessungsbeziehungen zwischen ausgewählten Strukturen zwangsweise in Korrelation gebracht werden.
Durch die Verwendung der oben beschriebenen Layout-Techniken (d. h. gleichmäßige Abstände zwischen zwei oder mehreren bestehenden Betriebsstrukturen und/oder gleichmäßige Abstände zwischen einer bestehenden Betriebsstruktur und einer neuen Abmessungseinstellstruktur) werden Abmessungsbeziehungen zwischen Strukturen hergestellt, welche verwertet werden können, um physikalische Charakteristiken von ausgewählten Strukturen über eine einzelne empirische Messung abzuleiten. So ist es beispielsweise durch eine Messung der Spitzenausgabe- (d. h. Resonanz-) Frequenz eines Beschleunigungssensors wie dem Sensor 300 möglich, Haltebandabmessungen, Kondensatorplattenabstände sowie eine Balkenmasse abzuleiten. Diese Werte können dann dazu verwendet werden, die Empfindlichkeit der Vorrichtung mittels herkömmlicher elektromechanischer Analysis zu bestimmen.
Insbesondere ist die durch Gleichung (1) definierte Resonanzfrequenz von Sensor 300 eine Funktion von mindestens 3 Variablen: der Federkonstante „k" (definiert durch die Geometrie und Zusammensetzung der Feder), die Balkenmasse m (wobei „m" die Masse des Zentralelements 302 und benachbarter Strukturen enthält) sowie der Kondensatorplattenabstände. Die Prozedur, welche dafür verwendet wird, diese Frequenz zu messen, ist dem Durchschnittsfachmann gut bekannt. Nach der Messung der Resonanzfrequenz „f₀" des Sensors 300 kann Gleichung (1) für einen ungefähren Wert von k/m gelöst werden. Wenn die Layout-Abmessungen der Beschleunigungssensorfedern mit den Layout-Abmessungen der Kondensatorfinger (und damit den Merkmalen, welche Änderungen in m bestimmen) korrelieren, so wird die herkömmliche elektromechanische Analysis die Werte der Federbreite (W) und des Kondensatorfingerzwischenraums (d₀) auf Grundlage des Werts k/m ergeben. f0 = (k/m)½/2π (1)
Da die die Beine 308 und 310 längs begrenzenden Abstandsabmessungen im Wesentlichen die gleichen sind wie die die Finger 348–352 längs begrenzenden Abstandsabmessungen, können Änderungen der ersteren, welche aus Herstellungsänderungen resultieren, auf die letzteren übertragen werden. Die vorstehende Analysis nutzt diese Beziehung aus, um das Verhältnis k/m für eine genauere Bestimmung der Werte d₀ und W zu verwenden. Diese Werte können in einer herkömmlichen elektromechanischen Analysis dazu verwendet werden, unter anderem die Empfindlichkeit von Sensor 300 zu bestimmen. Zusammenfassend kann als Ergebnis der strukturellen Beziehungen im Sensor 300 eine einzelne indirekte Messung (d. h. Resonanzfrequenz) Informationen über einzelne Komponentenabmessungen bereitstellen, welche notwendig sind, um eine Empfindlichkeit zu bestimmen und dadurch den Sensor 300 genau zu kalibrieren.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden beeinflussen die gleichmäßigen Abstände, welche im Sensor 300 ausgebildet sind, die Wand- oder Dickengeometrie. Beispielsweise ist es für die Federn 314–320 wünschenswert, dass diese in einer Querschnittsansicht vertikale Wände aufweisen. Tritt eine Neigung oder Krümmung der Wände der Feder auf, so wird die Federkonstante in der Vorrichtung stark beeinflusst. Unter der Vorraussetzung, dass das Herstellungsverfahren des Sensors 300 gesteuert/geregelt werden kann, um sicherzustellen, dass die Sensorfinger 350 vertikale Wände aufweisen, so werden die Federn 314–320 ebenfalls vertikale Wände aufweisen, da die Umgebung um die Federn die gleiche ist wie die um die Sensorfinger (d. h. durch die Verwendung der Finger 332–346 und eine Reduzierung der Distanz zwischen Beinen 308 und 310 um einen vorbestimmten Betrag).
Selbstverständlich ist die oben gegebene Beschreibung zur Illustration und nicht beschränkend gedacht. Eine Vielzahl von Abwandlungen der oben beschriebenen mikrobearbeiteten Vorrichtung sind für den Fachmann offensichtlich. Während beispielsweise die Beschreibung hauptsächlich in Bezug auf eine Beschleunigungsmessgerätekonstruktion gegeben wurde, ist es offensichtlich, dass die Vorrichtung Anwendung in der Konstruktion irgendeiner Technologie finden kann, die mikrobearbeitet ist, wie etwa bei mikrobearbeiteten Gyroskopen, Pumpen, Motoren und Resonanzstrukturen. Eine beliebige Struktur einer mikrobearbeitetn Vorrichtung kann gemäß den Prinzipien der Erfindung in Korrelation gebracht werden. Der Inhalt der Erfindung sollte daher nicht in Bezug auf die oben gegebene Beschreibung bestimmt werden, sondern stattdessen unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche.

Claims

Mikrobearbeitete Vorrichtung, welche aufweist: ein Substrat (301), eine bewegliche Masse (302), welche in einer Ebene über und parallel zu dem Substrat aufgehängt und entlang einer ersten Achse (x) in der Ebene beweglich ist, eine erste Betriebsstruktur (350) mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei die erste Betriebsstruktur mit der Masse gekoppelt und über dem Substrat aufgehängt ist, sodass sie eine erste Funktion ausübt, welche eine einer elektrischen und einer mechanischen Funktion ist, und eine zweite Betriebsstruktur (314, 316, 318, 320), welche mit der Masse gekoppelt und über dem Substrat aufgehängt ist, wobei die zweite Betriebsstruktur eine erste externe Seite aufweist und dafür eingerichtet ist, eine zweite Funktion auszuüben, welche die andere der elektrischen und der mechanischen Funktion ist, dadurch gekennzeichnet, dass: der Abstand zu Strukturen, die der ersten und der zweiten Seite der ersten Betriebsstruktur benachbart sind, auf eine vorbestimmte Distanz gesetzt ist und der Abstand zu Strukturen, die der ersten externen Seite der zweiten Betriebsstruktur benachbart sind, auf eine vorbestimmte Distanz gesetzt ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Betriebsstruktur eine solche Abmessungsbeziehung geschaffen ist, dass zwischen der ersten und der zweiten Betriebsstruktur eine Korrelation von Abmessungsänderungen bereitgestellt ist.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die erste Betriebsstruktur eine Mehrzahl von Sensorfingern (350) umfasst, die sich von der Masse weg in eine Richtung senkrecht zur ersten Achse (x) erstrecken.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 2, welche ferner eine Mehrzahl fixierter Finger (434, 436) umfasst, die in Bezug auf das Substrat ortsfest sind und die beiderseits der Sensorfinger platziert sind, sodass ein Differenzialkondensator gebildet wird, wobei die fixierten Finger um die vorbestimmte Distanz von den Sensorfingern (350) beabstandet sind.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 3, in welcher die Mehrzahl fixierter Finger zwei Sätze fixierter Finger umfasst, wobei ein Satz fixierter Finger auf jeder Seite eines jeden einer Mehrzahl von Sensorfingern platziert ist.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 3, in welcher die Mehrzahl fixierter Finger zwei Sätze fixierter Finger (348, 352) umfasst, wobei die fixierten Finger eines ersten Satzes elektrisch miteinander gekoppelt sind, und die fixierten Finger eines zweiten Satzes elektrisch miteinander und nicht mit den Fingern des ersten Satzes gekoppelt sind.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die zweite Betriebsstruktur eine am Substrat (301) verankerte Feder (314, 316, 318, 320) ist, welche sich zu der beweglichen Masse (302) hin erstreckt, sodass der Masse erlaubt wird, sich relativ zum Substrat entlang der ersten Achse (x) zu bewegen.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 6, in welcher die Feder ein erstes und ein zweites längliches Bein aufweist, welche zueinander parallel und um die vorbestimmte Distanz voneinander beabstandet sind.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 7, in welcher das erste und das zweite Bein der Feder senkrecht zur ersten Achse gestreckt sind.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 7, in welcher das erste und das zweite Bein der Feder parallel zur ersten Achse gestreckt sind.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, in welcher die Feder ferner ein drittes Bein und ein viertes Bein umfasst, wobei die vier Beine zumindest einen Teil einer gefalteten Feder bilden, und wobei jedes der vier Beine gestreckt und parallel sowie zu einem benachbarten Bein/zu benachbarten Beinen um die vorbestimmte Distanz beabstandet ist.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Beschleunigungsmesser ist, wobei die Sensorfinger mit der Masse bewegbar sind und die fixierten Finger relativ zum Substrat fixiert sind und wobei der Beschleuniger ferner dazu eingerichtet ist, eine Veränderung der Kapazität aufgrund einer relativen Bewegung zwischen den Sensorfingern und den fixierten Fingern zu verwenden, um die Größe der Beschleunigung zu bestimmen.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers teilweise durch eine Federkonstante der zweiten Betriebsstruktur bestimmt wird.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner umfasst: eine erste Abmessungseinstellstruktur (332–346), welche einem Abschnitt einer Betriebsstruktur von der ersten und der zweiten Betriebsstruktur benachbart und zu dieser parallel ist, wobei die erste Abmessungseinstellstruktur von der Betriebstruktur um die vorbestimmte Distanz beabstandet ist und im Wesentlichen nur für die Ausübung einer Abmessungseinstellfunktion vorgesehen ist.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, welche ferner eine zweite Abmessungseinstellstruktur (340, 342, 344, 346, 432, 440) umfasst, die einem der Beine der Feder benachbart ausgebildet ist, wobei die zweite Abmessungseinstellstruktur von einem der Beine der Feder um die vorbestimmte Distanz beabstandet ist und im Wesentlichen nur für die Ausübung einer Abmessungseinstellfunktion vorgesehen ist.
Mikrobearbeitete Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5, 10, 11 oder 13, in welcher ein Dummyfinger (354) neben einem der fixierten Finger bereitgestellt wird, welcher zum Messen von Kapazität verwendet wird.