WO2001029565A1 - Beschleunigungssensor mit eingeschränkter beweglichkeit in vertikaler richtung - Google Patents

Beschleunigungssensor mit eingeschränkter beweglichkeit in vertikaler richtung Download PDF

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WO2001029565A1
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stop
oscillating
oscillating structure
acceleration
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Rasmus Rettig
Oliver Kohn
Frank Fischer
Dietrich Schubert
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an acceleration sensor with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • Acceleration sensors of the generic type are known. These have an oscillating structure that is movably suspended on a substrate as a seismic mass. As a result of an acceleration, this seismic mass is deflected and changes its relative position to the substrate. Evaluation means are assigned to the seismic mass, which record the degree of the deflection caused by acceleration. Piezoresistive, capacitive or frequency-analog evaluation arrangements are known as evaluation means. In the capacitive evaluation means, the seismic mass is provided with a comb structure which interacts with a fixed comb structure, that is to say connected to the substrate. Capacities are formed between the individual webs of the comb structures, the sizes of which change with a deflection of the seismic mass. These capacitance changes can be detected via evaluation circuits and an acceleration acting on the acceleration sensor can thus be detected.
  • an oscillation plane of the oscillation structure within which the acceleration-related deflection takes place lies in a substrate plane. It is known to assign laterally acting stops to the vibrating structure, which are intended to prevent the comb structure connected to the vibrating structure from striking the fixed comb structure connected to the substrate. This avoids mechanical destruction of the comb structures.
  • acceleration sensors it is disadvantageous that an acceleration acting essentially perpendicular to the vibration plane can result in the vibration structure being deflected out of the vibration plane. With a correspondingly large acceleration that acts essentially perpendicular to the vibration plane, the vibration structure can jump out of the existing lateral guide structures, so that a function of the acceleration sensor is impaired or excluded. Since such acceleration sensors are used, for example, in safety-relevant equipment in motor vehicles, for example to trigger airbags, belt tensioners or the like, a malfunction is associated with a considerable safety risk. Advantages of the invention
  • the acceleration sensor according to the invention with the features mentioned in claim 1 has the advantage over the fact that the functionality of the acceleration sensor is not impaired due to acceleration forces acting essentially perpendicular to the vibration plane.
  • stop means are provided which limit a deflection movement of the oscillating structure which is essentially perpendicular to the oscillating plane of the oscillating structure advantageously means that when accelerating forces which cannot be detected and which are essentially perpendicular to the oscillating plane are attacked, the oscillating structure does not can jump out of their lateral guide structures.
  • sling means thus form additional, vertical
  • the vertically acting stop means are arranged below the oscillating structure. This ensures that these stop means are integrated in the acceleration sensor, so that an additional overall height is not necessary.
  • the stop means are non-positively connected to the oscillating structure, an element which is non-positively connected to the substrate forming a counter-stop. This makes integration of the lifting means in the sensor element special simply possible. It is further preferred if the element forming the counterstop is an evaluation electrode of the evaluation means connected to the substrate. This advantageously makes it possible to maintain a known and proven layout of the acceleration sensor, so that the outlay for producing the acceleration sensors having the additional vertically acting lifting means does not substantially increase.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of an acceleration sensor in a first exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic top view of the acceleration sensor with integrated vertical stop means
  • Figure 8 is a schematic enlarged detail of the arrangement of vertical lifting means in a further embodiment
  • FIG. 9 Figures the arrangement of vertical slings on 9 and 10 an acceleration sensor in a further embodiment.
  • the design of an acceleration sensor 10 is shown in a top view in FIG.
  • the acceleration sensor 10 is structured on a substrate, not shown in detail, for example an afer.
  • the structuring can be carried out using known methods of surface micromechanics.
  • the wafer is formed from the paper plane.
  • the wafer can have electrical evaluation circuits for the acceleration sensor 10 which are not to be considered in detail here.
  • the acceleration sensor 10 has a vibrating structure 12 which is designed as a seismic mass.
  • the vibrating structure 12 is suspended so that it can move relative to the substrate (wafer).
  • the oscillating structure 12 is coupled to spring elements 14, which are connected to the substrate via fastening points 16.
  • These attachment points 16 carry the entire arrangement of the oscillating structure 12 and the spring elements 1, which is otherwise suspended freely above the substrate. This can be done using known Steps in the production of surface micro-mechanical structures take place, the free-swinging areas being under-etched, so that there is a slight gap between the substrate and the vibrating structure 12 or the spring elements 14.
  • the oscillating structure 12 has a comb structure 18 on both sides, which is formed by fingers 20 arranged perpendicular to the surface of the substrate.
  • the comb structures 18 are rigid, so that when the oscillating structure 12 moves, they vibrate rigidly with the oscillating structure 12.
  • the acceleration sensor 10 also has evaluation means 22 which are formed by fixed comb structures. These include electrodes 24 and electrodes 26, which originate from the substrate (wafer) and are arranged between the fingers 20 of the oscillating structure 12. Capacities C1 are formed between the electrodes 24 and the fingers 20 and capacitances C2 are formed between the electrodes 26 and the fingers 20. For this purpose, the electrodes 24 and 26 and the oscillating structure 12 are connected to an evaluation circuit, not shown, via the fastening points 16. The capacitances C1 and C2 are determined by a distance between the fingers 20 and the electrodes 24 and 26, respectively. Since the entire material of the acceleration sensor 10 consists of an electrically conductive material, for example silicon, the capacitances C1 and C2 can enter the substrate and thus be integrated into the evaluation circuit, not shown in detail.
  • the oscillating structure 12 has recesses 28, in each of which a lateral stop 30 connected to the substrate (wafer) engages.
  • the acceleration sensor 10 shows the following function which is known per se.
  • an x, y and z axis is entered in a coordinate system.
  • the x and y axes define the vibration level of the vibration structure 12, which coincides with the paper level as shown in FIG. 1.
  • the z-axis runs perpendicular to the vibration plane.
  • the acceleration sensors 10 are placed in such a way that an attacking acceleration acting in the y direction can be detected. If such an acceleration acts on the acceleration sensor 10, the oscillating structure 12 is deflected in the y direction.
  • the associated change in the capacitances C1 and C2 can be used to determine a voltage variable which is proportional to the accelerating acceleration and which is available for further evaluations.
  • FIGS. 2 to 6 each show a sectional view through the acceleration sensor 10 during individual method steps for producing the acceleration sensor 10.
  • the acceleration sensor 10 is only shown in sections in the area of the later recesses 28 of the oscillating structures 12.
  • the x, y and z axes are again entered for orientation.
  • the individual method steps for structuring the acceleration sensor 10 are known per se, so that they are not dealt with in detail.
  • an insulation layer 34 is produced on an output wafer 32.
  • This insulation layer 34 can be, for example, a thermal silicon oxide SiO 2 or a boron-phosphorus-silicate glass.
  • the layer thickness of the insulation layer 34 is, for example, between 0.5 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • a conductor track layer 36 ' is deposited on the insulation layer 34, for example by means of a CVD (chemical vapor deposition) process.
  • the conductor track layer 36 ' has, for example, a layer thickness between 0.3 ⁇ m and 2 ⁇ m.
  • a sacrificial layer 38 is then applied.
  • the sacrificial layer 38 is for example made of silicon oxide SiO 2 or boron-phosphorus-silicate glass.
  • Trench-shaped openings 40 are first introduced into this sacrificial layer 38, so that a central region 42 and outer regions 44 are formed. The trench-shaped openings 40 extend to the conductor track layer 36 '.
  • a further functional layer 46 is deposited, which has a thickness of between 2 ⁇ m and 20 ⁇ m, for example. Due to the previous structuring of the trench-shaped openings 40, the functional layer 46 is also deposited into the trench-shaped openings 40, so that contact is made with the conductor track layer 36 '.
  • a further masking layer 48 is deposited on the functional layer 46. In accordance with the later design of the acceleration sensor 10, trench-shaped depressions 50 are introduced into this masking layer 48, which define regions 52 and regions 54 of the masking layer 48.
  • the areas 52 cover the functional layer 46 in later movably arranged structures of the acceleration sensor 10, while the areas 54 cover portions of the functional layer 46 which define later fixed areas of the acceleration sensor 10 connected to the substrate.
  • the functional layer 46 is selectively anisotropically etched through the trench-shaped openings 50 - as illustrated in FIG. 5.
  • the masking layer 48 is removed in a subsequent process step.
  • the selective anisotropic etching the trenches 50 ' automatically stop at the sacrificial layer 38.
  • the etching of the trenches 50' defines the later recess 28 of the acceleration sensor 10, which is arranged within the oscillating mass 12 and into which the later lateral stop 30 engages.
  • Figure 6 illustrates that in a next step, the sacrificial layer 38 and the isolation layer 34 are selectively removed (etched), so that a gap 52 results between the oscillating structure 12 and the output wafer 32, which leads to the oscillation structure 12 over the output wafer 32 (substrate) is movably suspended (via the spring elements 14 according to FIG. 1). Due to the selective etching of the sacrificial layer 38 and the insulation layer 34, the conductor track layer 36 'remains, which is non-positively connected to the oscillating structure 12 via connecting elements 54.
  • the connecting elements 54 correspond to the filling of the functional layer 46 into the trench-shaped openings 40 (FIG. 4).
  • the section 56 of the lateral stop 30 shown in the sectional representations in FIGS. 2 to 6 is under-etched, so that a gap 58 with a gap width w results between the conductor track layer 36 'and section 56.
  • the gap width w results from the thickness of the sacrificial layer 38.
  • the stop means 36 is underneath the likewise free placed section 56 of the lateral stop 30 arranged. It thus follows that lateral stop 30 on the one hand limits deflection of the oscillating structure 12 in the x or y direction in accordance with the arrangement of the recess 28. Furthermore, the deflection of the oscillating structure 12 in the z direction is limited at the same time by the section 56 of the lateral stop 30. The maximum deflection of the oscillating structure 12 in the z direction results from the gap width w of the gap 58. This prevents the oscillating structure 12 from jumping out of its oscillating plane (sensing plane) due to the occurrence of an acceleration force and thus the function of the Acceleration sensor 10 is impaired or no longer exists.
  • FIG. 7 illustrates in an enlarged detail the area of the oscillating structure 12 in which the lateral stop 30 and the stop means (vertical stop) 36 are formed.
  • the detailed enlargement of the oscillating structure 12 shown in FIG. 7 in the region of the recess 28 relates to at least one of the recesses 28, can, however, also preferably be formed on both recesses 28 of the oscillating structure 12 (FIG. 1).
  • an acceleration sensor 10 is shown again in a top view, a further possibility of forming the vertical stop being shown.
  • the conductor track layer 36 ' is fastened directly to the oscillating structure 12 via the connecting elements 54, it can be provided that the conductor track layer 36' is also structured below two adjacent fingers 20 of the oscillating structure 12.
  • the conductor track layer 36 ' engages in regions under the electrodes 24 and 26, which are positively connected to the output wafer 32 (substrate).
  • the counter-stop for the conductor track layer 36 ' is thus formed by the electrodes 24 and 26, respectively.
  • the arrangement of the conductor track layer 36 ′ and thus the stop means 36 can be carried out on opposite fingers 20 of the oscillating structure 12.
  • FIGS. 9 and 10 show a further embodiment variant for forming the ones acting in the z direction
  • FIG. 9 shows a schematic top view of the oscillating structure 12 in the region of a recess 28.
  • the lateral stop 30 engages in the recess 28.
  • this lateral stop 30 has an annular step 60 running in the direction of the starting wafer (substrate) 32.
  • the conductor track layer 36 ' is now applied to the insulating layer 34 (FIG. 2) in such a way that it surrounds it in a ring shape the lateral stop 30 runs, the conductor track layer 36 'partially protruding into the area of the ring step 60.
  • the lateral stop 30 is non-positively connected to the output wafer 32 via an oxide bridge 62.
  • Such a configuration also ensures that, on the one hand, the lateral stop 30 engages in the recess 28 to limit the movement of the oscillating structure 12 in the x and y directions. Due to the annular encirclement of the conductor track layer 36 'of the lateral stop 30 and partial protrusion into the ring step 60, there is the gap 58 with the gap width w relative to the lateral stop 30. This limits the mobility of the oscillating structure 12 in the z direction.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten, aufgrund einer Beschleunigungseinwirkung auslenkbaren Schwingstruktur, wobei eine Schwingebene der Schwingstruktur im wesentlichen parallel zu einer Substratebene liegt, und Auswertemitteln zum Erfassen einer beschleunigungsbedingten Auslenkung der Schwingstruktur. Hierbei ist eine im wesentlichen senkrecht zur Schwingebene (x-, y-Ebene) der Schwingstruktur (12) liegende Auslenkbewegung der Schwingstruktur (12) begrenzende Anschlagmittel (36) vorgesehen. Die Anschlagmittel können zwischen fingerförmigen, beweglichen Elektroden als brückenförmige Struktur ausgebildet sein, welche eine feststehende, fingerförmige Elektrode untergreift. Die Anschlagmittel können auch mit einer Ringstufe eines Lateralanschlages zusammenwirken.

Description

BESCHLEUNIGUNGSSENSOR MIT EINGESCHRÄNKTER BEWEGLICHKEIT IN VERTIKALER RICHTUNG
Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen .
Stand der Technik
Beschleunigungssensoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese weisen eine an einem Substrat beweglich aufgehängte Schwingstruktur als seismische Masse auf . Infolge einer einwirkenden Beschleunigung wird diese seismische Masse ausgelenkt und verändert ihre relative Position zu dem Substrat. Der seismischen Masse sind Auswertemittel zugeordnet, die den Grad der beschleunigungsbedingten Auslenkung erfassen. Als Auswertemittel sind beispielsweise piezoresistive, kapazitive oder frequenzanaloge Auswerteanordnungen bekannt. Bei den kapazitiven Auswertemitteln ist die seismische Masse mit einer Kammstruktur versehen, die mit einer feststehenden, das heißt mit dem Substrat verbundenen, Kammstruktur zusammenwirkt. Zwischen den einzelnen Stegen der Kammstrukturen kommt es zur Ausbildung von Kapazitäten, deren Größen sich mit einer Auslenkung der seismischen Masse verändern. Über Auswerteschaltungen können diese Kapazitätsänderungen erfaßt werden und so eine an dem Beschleunigungssensor einwirkende Beschleunigung detektiert werden.
Eine Schwingebene der Schwingstruktur, innerhalb der die beschleunigungsbedingte Auslenkung erfolgt, liegt bekanntermaßen in einer Substratebene . Bekannt ist, der Schwingstruktur lateral wirkende Anschläge zuzu- ordnen, die ein Aufschlagen der mit der Schwingstruktur verbundenen Kammstruktur auf die feststehende, mit dem Substrat verbundene Kammstruktur verhindern soll. Hierdurch werden mechanische Zerstörungen der Kammstrukturen vermieden.
Bei den bekannten Beschleunigungssensoren ist nachteilig, daß eine im wesentlichen senkrecht zur Schwingebene einwirkende Beschleunigung zu einem Aus- lenken der Schwingstruktur aus der Schwingebene füh- ren kann. Bei entsprechend großer einwirkender, im wesentlichen senkrecht zur Schwingebene wirkender Beschleunigung kann die Schwingstruktur aus den vorhandenen lateralen Führungsstrukturen herausspringen, so daß eine Funktion des Beschleunigungssensors be- einträchtigt beziehungsweise ausgeschlossen ist. Da derartige Beschleunigungssensoren beispielsweise in sicherheitsrelevanten Ausrüstungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise zum Auslösen von Airbags, Gurtstraffern oder dergleichen, ist eine Fehlfunktion mit einem erheblichen Sicherheitsrisiko verbunden. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß eine Funktionsfähigkeit des Be- schleunigungssensors aufgrund im wesentlichen senkrecht zur Schwingebene angreifender Beschleunigungskräfte nicht beeinträchtigt wird. Dadurch, daß Anschlagmittel vorgesehen sind, die eine im wesent- liehen senkrecht zur Schwingebene der Schwingstruktur liegende Auslenkbewegung der Schwingstruktur begrenzen, wird vorteilhaft erreicht, daß bei einem Angreifen an sich nicht zu detektierender, im wesentlichen senkrecht zur Schwingebene liegender Beschleu- nigungskräfte die Schwingstruktur nicht aus ihren lateralen Führungsstrukturen herausspringen kann. Die
Anschlagmittel bilden somit neben den bekannten lateralen Führungsstrukturen zusätzliche, senkrecht
(vertikal) zur Schwingebene wirkende Führungsstruk- turen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die vertikal wirkenden Anschlagmittel unterhalb der Schwingstruktur angeordnet sind. Hier- durch wird erreicht, daß diese Anschlagmittel in den Beschleunigungssensor integriert sind, so daß eine zusätzliche Bauhöhe nicht notwendig ist. Insbesondere ist bevorzugt, daß die Anschlagmittel kraftschlüssig mit der Schwingstruktur verbunden sind, wobei ein mit dem Substrat kraftschlüssig verbundenes Element einen Gegenanschlag bildet. Hierdurch wird eine Integration der Anschlagmittel in das Sensorelement besonders einfach möglich. Bevorzugt ist ferner, wenn das den Gegenanschlag bildende Element eine mit dem Substrat verbundene Auswerteelektrode des Auswertemittels ist . Hierdurch wird vorteilhaft möglich, ein bekanntes und bewährtes Layout des Beschleunigungssensors beizubehalten, so daß sich der Aufwand zur Herstellung der die zusätzlichen vertikal wirkenden Anschlagmittel aufweisenden Beschleunigungssensoren im wesentlichen nicht erhöht .
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei- spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor in einem ersten Auεfüh- rungsbeispiel ;
Figuren schematisch einzelne Verfahrensschritte
2 bis 6 zum Erzielen eines vertikale Anschlagmittel auf eisenden Beschleunigungssensors ;
Figur 7 eine schematische Draufsicht auf den Be- schleunigungssensor mit integrierten vertikalen Anschlagmitteln; Figur 8 eine schematische Detailvergrößerung der Anordnung vertikaler Anschlagmittel in einer weiteren Ausführungsvariante und
Figuren die Anordnung vertikaler Anschlagmittel an 9 und 10 einen Beschleunigungssensor in einer weiteren Ausführungsvariante.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist in Draufsicht das Design eines Beschleunigungssensors 10 gezeigt. Der Beschleunigungs- sensor 10 ist auf einem, im einzelnen nicht dargestellten Substrat, beispielsweise einem afer, struk- turiert. Die Strukturierung kann mittels bekannter Verfahren der Oberflächenmikromechanik erfolgen. In der gezeigten Darstellung wird der Wafer von der Papierebene gebildet. Der Wafer kann gleichzeitig hier nicht näher zu betrachtende elektrische Aus- werteschaltungen für den Beschleunigungssensor 10 aufweisen .
Der Beschleunigungssensor 10 besitzt eine Schwingstruktur 12, die als seismische Masse ausgebildet ist. Die Schwingstruktur 12 ist gegenüber dem Substrat (Wafer) beweglich aufgehängt. Hierzu ist die Schwingstruktur 12 mit Federelementen 14 gekoppelt, die über Befestigungspunkte 16 mit dem Substrat verbunden sind. Diese Befestigungspunkte 16 tragen die gesamte, ansonsten freischwebend über dem Substrat angeordnete Anordnung der Schwingstruktur 12 und der Federelemente 1 . Dies kann mittels bekannter Ver- fahrensschritte der Herstellung von Oberflächenmikro- mechanik-Strukturen erfolgen, wobei die freischwingenden Bereiche unterätzt werden, so daß sich zwischen dem Substrat und der Schwingstruktur 12 be- ziehungsweise den Federelementen 14 ein geringfügiger Spalt ergibt .
Die Schwingstruktur 12 besitzt beidseitig eine Kamm- struktur 18, die von senkrecht zur Oberfläche des Substrates angeordneten Fingern 20 gebildet wird. Die Kammstrukturen 18 sind starr ausgebildet, so daß bei einer Bewegung der Schwingstruktur 12 diese mit der Schwingstruktur 12 starr mitschwingen.
Der Beschleunigungssensor 10 weist weiterhin Auswertemittel 22 auf, die von feststehenden Kammstrukturen gebildet werden. Diese umfassen Elektroden 24 und Elektroden 26, die vom Substrat (Wafer) entspringen und zwischen den Fingern 20 der Schwingstruktur 12 angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 24 und den Fingern 20 sind Kapazitäten Cl und zwischen den Elektroden 26 und den Fingern 20 Kapazitäten C2 ausgebildet. Hierzu sind die Elektroden 24 und 26 und die Schwingstruktur 12 über die Befestigungspunkte 16 mit einer nicht näher dargestellten Auswerteschaltung verbunden. Die Kapazitäten Cl und C2 werden durch eine Abstand der Finger 20 zu den Elektroden 24 beziehungsweise 26 bestimmt. Da das gesamte Material des Beschleunigungssensors 10 aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Silizium, besteht, können die Kapazitäten Cl und C2 in das Substrat und somit in die nicht näher dargestellte Auswerteschaltung eingebunden werden.
Die Schwingstruktur 12 besitzt Ausnehmungen 28, in die jeweils ein mit dem Substrat (Wafer) verbundener Lateralanschlag 30 eingreift.
Der Beschleunigungssensor 10 zeigt folgende, an sich bekannte Funktion. Zur Verdeutlichung ist in einem Koordinatensystem eine x- , y- und z-Achse eingetragen. Die x- und y-Achsen definieren hierbei die Schwingungsebene der Schwingstruktur 12 , die gemäß Darstellung in Figur 1 mit der Papierebene zusammenfällt. Die z-Achse verläuft senkrecht zu der Schwing- ebene. Bei ihrem bestimmungsgemäßen Einsatz werden die Beschleunigungssensoren 10 so plaziert, daß eine angreifende, in y-Richtung wirkende Beschleunigung detektierbar ist. Greift eine derartige Beschleunigung an dem Beschleunigungssensor 10 an, wird die Schwingstruktur 12 in y-Richtung ausgelenkt. Hierdurch verändern sich die Abstände zwischen den Fingern 20 einerseits und den Elektroden 24 beziehungsweise 26 andererseits. Durch die hiermit verbundene Änderung der Kapazitäten Cl und C2 kann eine, der angreifenden Beschleunigung proportionale Spannungs- größe ermittelt werden, die für weitere Auswertungen zur Verfügung steht.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die erfindungs- gemäße Modifizierung des in Figur 1 dargestellten, an sich bekannten Beschleunigungssensors 10 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zusätzlich zu den Lateralanschlägen 30 vertikale Anschlagmittel integriert werden. Diese verhindern, daß die Schwingstruktur 12 in Richtung der z-Achse über ein vorgebbares Maß hinaus ausgelenkt wird.
In den Figuren 2 bis 6 ist jeweils eine Schnittdarstellung durch den Beschleunigungssensor 10 während einzelner Verfahrensschritte zur Herstellung des Beschleunigungssensors 10 gezeigt. In den Figuren 2 bis 6 ist der Beschleunigungssensor 10 lediglich aus- schnittsweise im Bereich der späteren Ausnehmungen 28 der Schwingstrukturen 12 gezeigt. Zur Orientierung sind wiederum jeweils die x- , y- und z-Achsen eingetragen. Die einzelnen Verfahrensschritte zum Struktu- rieren des Beschleunigungssensors 10 sind an sich bekannt, so daß hierauf im einzelnen nicht näher eingegangen wird.
Zunächst wird, wie Figur 2 zeigt, auf einem Ausgangs- wafer 32 eine Isolationsschicht 34 erzeugt. Diese Isolationsschicht 34 kann beispielsweise ein thermisches Siliziumoxid Siθ2 oder ein Bor-Phosphor-Silikat-Glas sein. Die Schichtdicke der Isolationsschicht 34 beträgt beispielsweise zwischen 0,5 μm und 3 μm. Auf die Isolationsschicht 34 wird eine Leiterbahnschicht 36', beispielsweise mittels eines CVD(chemi- cal vapor deposition) -Verfahren abgeschieden. Die Leiterbahnschicht 36' besitzt beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,3 μm und 2 μm.
Wie Figur 3 verdeutlicht, wird anschließend eine Opferschicht 38 aufgebracht. Die Opferschicht 38 be- steht beispielsweise aus Siliziumoxid Siθ2 oder Bor- Phosphor-Silikat-Glas. In diese Opferschicht 38 werden zunächst grabenförmige Öffnungen 40 eingebracht, so daß ein mittlerer Bereich 42 und äußere Bereiche 44 entstehen. Die grabenförmige Öffnungen 40 erstrecken sich bis auf die Leiterbahnschicht 36'.
Nachfolgend wird, wie Figur 4 verdeutlicht, eine weitere Funktionsschicht 46 abgeschieden, die bei- spielsweise eine Dicke zwischen 2 μm und 20 μm besitzt. Durch das vorhergehende Strukturieren der grabenförmigen Öffnungen 40 wird die Funktionsschicht 46 auch in die grabenförmigen Öffnungen 40 abgeschieden, so daß eine Kontaktierung mit der Leiterbahn- Schicht 36' erfolgt. Auf die Funktionsschicht 46 wird eine weitere Maskierungsschicht 48 abgeschieden. In diese Maskierungsschicht 48 werden entsprechend dem späteren Design des Beschleunigungssensors 10 grabenförmige Vertiefungen 50 eingebracht, die Bereiche 52 und Bereiche 54 der Maskierungsschicht 48 definieren. Die Bereiche 52 überdecken die Funktionsschicht 46 in späteren beweglich angeordneten Strukturen des Beschleunigungssensors 10, während die Bereiche 54 Abschnitte der Funktionsschicht 46 überdecken, die spätere, mit dem Substrat verbundene feststehende Bereiche des Beschleunigungssensors 10 definieren.
Nachfolgend erfolgt ein selektives anisotropes Ätzen der Funktionsschicht 46 durch die grabenförmigen Öffnungen 50 - wie Figur 5 verdeutlicht. In einem nachfolgenden Prozeßschritt wird die Maskierungs- schicht 48 entfernt. Das selektive anisotrope Ätzen der Gräben 50' stoppt automatisch an der Opferschicht 38. Durch das Ätzen der Gräben 50' wird die spätere Ausnehmung 28 des Beschleunigungssensors 10 definiert, die innerhalb der Schwingmasse 12 angeordnet ist und in die der spätere Lateralanschlag 30 eingreift .
Figur 6 verdeutlicht, daß in einem nächsten Arbeitsschritt die Opferschicht 38 und die Isolationsschicht 34 selektiv entfernt (geätzt) werden, so daß sich zwischen der Schwingstruktur 12 und dem Ausgangswafer 32 ein Spalt 52 ergibt, der dazu führt, daß die Schwingstruktur 12 über dem Ausgangswafer 32 (Substrat) beweglich aufgehängt ist (über die Feder- elemente 14 gemäß Figur 1) . Durch das selektive Ätzen der Opferschicht 38 und der Isolationsschicht 34 verbleibt die Leiterbahnschicht 36', die über Verbindungselemente 54 mit der Schwingstruktur 12 kraf - schlüssig verbunden ist. Die Verbindungselemente 54 entsprechen der Auffüllung der Funktionsschicht 46 in die grabenförmigen Öffnungen 40 (Figur 4) . Gleichzeitig wird der gemäß der Schnittdarstellungen in den Figuren 2 bis 6 dargestellte Abschnitt 56 des Lateralanschlages 30 unterätzt, so daß sich zwischen Leiterbahnschicht 36' und Abschnitt 56 ein Spalt 58 mit einer Spaltweite w ergibt. Die Spaltweite w ergibt sich aus der Dicke der Opferschicht 38. Die Leiterbahnschicht 36' bildet nunmehr ein nachfolgend mit 36 bezeichnetes Anschlagmittel.
Durch das Freilegen der Schwingstruktur 12 ist das Anschlagmittel 36 unterhalb des ebenfalls freige- legten Abschnittes 56 des Lateralanschlages 30 angeordnet. Somit ergibt sich, daß Lateralanschlag 30 einerseits eine Auslenkung der Schwingstruktur 12 in der x- beziehungsweise y-Richtung entsprechend der Anordnung der Ausnehmung 28 begrenzt. Ferner wird gleichzeitig durch den Abschnitt 56 des Lateralanschlages 30 die Auslenkung der Schwingstruktur 12 in der z-Richtung begrenzt. Die maximale Auslenkung der Schwingstruktur 12 in z-Richtung ergibt sich durch die Spaltweite w des Spaltes 58. Hierdurch wird verhindert, daß durch Auftreten einer Beschleuni- gungskraft in z-Richtung die Schwingstruktur 12 aus ihrer Schwingebene (Sensierebene) herausspringt und somit die Funktion des Beschleunigungssensors 10 beeinträchtigt ist beziehungsweise nicht mehr gegeben ist .
Figur 7 verdeutlicht in einer Detailvergrößerung den Bereich der Schwingstruktur 12, in dem der Lateral- anschlag 30 und das Anschlagmittel (Vertikalanschlag) 36 ausgebildet sind.
Es wird deutlich, daß durch geringfügige Änderungen im Design des Beschleunigungssensors 10 das zusätz- liehe Anschlagmittel 36 und der Gegenanschlag 56 zum Begrenzen einer Vertikalauslenkung der Schwingstiruk- tur 12 geschaffen werden können.
Die in Figur 7 gezeigte Detailvergrδßerung der Schwingstruktur 12 im Bereich der Ausnehmung 28 bezieht sich auf wenigstens eine der Ausnehmungen 28, kann jedoch auch vorzugsweise an beiden Ausnehmungen 28 der Schwingstruktur 12 (Figur 1) ausgebildet sein.
In Figur 8 ist ein Beschleunigungssensor 10 nochmals in einer Draufsicht gezeigt, wobei eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des Vertikalanschlages gezeigt wird. Während bei den vorhergehenden Ausfüh- rungsbeispielen die Leiterbahnschicht 36' über die Verbindungselemente 54 unmittelbar an der Schwing- Struktur 12 befestigt sind, kann vorgesehen sein, die Leiterbahnschicht 36' auch unterhalb zweier benachbarter Finger 20 der Schwingstruktur 12 zu strukturieren. Hierbei untergreift - nach Wegätzen der Opferschicht 38 - die Leiterbahnschicht 36' die Elek- troden 24 und 26 bereichsweise, die mit dem Ausgangs - wafer 32 (Substrat) kraf schlüssig verbunden sind. Hier wird der Gegenanschlag für die Leiterbahnschicht 36' somit von den Elektroden 24 beziehungsweise 26 gebildet. Die Anordnung der Leiterbahnschicht 36' und somit des Anschlagmittels 36 kann hierbei an gegenüberliegenden Fingern 20 der Schwingstruktur 12 erfolgen.
In den Figuren 9 und 10 ist eine weitere Ausführungs- Variante zum Ausbilden der in z-Richtung wirkenden
Anschlagmittel im Bereich der Lateralanschläge 30 gezeigt. Gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren sind trotz geringfügiger Abweichungen im Design zum besseren Verständnis mit gleichen Bezugs- zeichen versehen. Figur 9 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Schwingstruktur 12 im Bereich einer Ausnehmung 28. In die Ausnehmung 28 greift der Lateralanschlag 30 ein. Dieser Lateralanschlag 30 besitzt, wie die Schnitt- darstellung in Figur 10 besser verdeutlicht, eine in Richtung des Ausgangswafers (Substrat) 32 verlaufende Ringstufe 60. Die Leiterbahnschicht 36' ist nunmehr derart auf die Isolationsschicht 34 (Figur 2) aufgebracht, daß diese ringförmig um den Lateralanschlag 30 verläuft, wobei die Leiterbahnschicht 36' teilweise in den Bereich der Ringstufe 60 hineinkragt. Der Lateralanschlag 30 ist über eine Oxidbrücke 62 kraftschlüssig mit dem Ausgangswafer 32 verbunden.
Auch durch eine derartige Ausgestaltung wird erreicht, daß einerseits durch das Eingreifen des Lateralanschlages 30 in die Ausnehmung 28 eine Bewegungs- begrenzung der Schwingstruktur 12 in x- und y-Richtung erreicht wird. Durch das ringförmige Umgreifen der Leiterbahnschicht 36' des Lateralanschlages 30 und teilweises Hineinkragen in die Ringstufe 60 ergibt sich dort der Spalt 58 mit der Spaltweite w zu dem Lateralanschlag 30. Hierdurch wird die Beweglichkeit der Schwingstruktur 12 in z-Richtung be- grenzt.

Claims

Patentansprüche
1. Beschleunigungssensor, mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten, aufgrund einer Beschleunigungseinwirkung auslenkbaren Schwingstruktur, wobei eine Schwingebene der Schwingstruktur im wesentlichen parallel zu einer Substratebene liegt, und Auswerte- mittein zum Erfassen einer beschleunigungsbedingten Auslenkung der Schwingstruktur, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen senkrecht zur Schwingebene (x-, y-Ebene) der Schwingstruktur (12) liegende Auslenkbewegung der Schwingstruktur (12) begrenzende Anschlagmittel (36) .
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Anschlagmittel (36) unterhalb der Schwingstruktur (12) angeordnet sind.
3. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die An- schlagmittel (36) kraftschlüssig mit der Schwingstruktur (12) verbunden sind, wobei ein mit dem Substrat (32) kraftschlüssig verbundenes Element einen Gegenanschlag bildet.
4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das An- schlagmittel (36) über Verbindungselemente (54) mit der Schwingstruktur (12) verbunden ist.
5. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Länge der Verbindungselemente (54) eine Spaltweite (w) eines Spaltes (58) zwischen dem Anschlagmittel (36) der Schwingstruktur (12) und dem Gegenanschlag bestimmt .
6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenanschlag von einem Abschnitt (56) eines Lateralanschlages (30) gebildet ist.
7. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lateralanschlag zur Ausbildung des Gegenanschlages eine in Richtung des Substrates gerichtete Ringstufe (60) ausbildet.
8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlagmittel unter wenigstens zwei benachbarten Fin- ger (20) der Schwingstruktur (12) angeordnet ist.
9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenanschlag von wenigstens einer zwischen den Fingern (20) eingreifenden Elek- trode (24, 26) einer Auswerteschaltung des Beschleunigungssensors (10) gebildet ist.
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