DE60319528T2

DE60319528T2 - Monolithischer beschleunigungsaufnehmer aus silizium

Info

Publication number: DE60319528T2
Application number: DE60319528T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey L. Ridgewood MAHON
Original assignee: VTI Technologies Oy
Current assignee: Murata Electronics Oy
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: EP1514123B1; JP2005534897A; US20030230143A1; AU2003238497A1; US6829937B2; ATE388408T1; EP1514123A1; WO2003107016A1; DE60319528D1

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Beschleunigungssensoren, welche aus Silizium durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellt worden sind, und insbesondere Sensoren mit einer Trägheitsmasse, die durch Torsionstragelemente positioniert sind.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik ist es bekannt, dass kleine kompakte Beschleunigungssensoren durch Mikro-Materialbearbeitung von Silizium-Wafern in geeignete Konfigurationen geformt werden können, welche dazu fähig sind, eine Beschleunigung längs einer Achse zu erfassen. Der Mikro-Materialbearbeitungsprozess wird normalerweise an Stapels aus Silizium-Wafern durchgeführt. Dieser Prozess besteht aus Maskieren und Bilden von Muster aus Ätz-Stop-Material auf einer Waferoberfläche, Ätzen des freigelegten Siliziums, Entfernen des Ätz-Stop-Materials, Metallisieren und Bonden. Die Silizium-Wafer werden würfelartig in individuelle Beschleunigungssensorvorrichtungen geteilt und mit geeigneten elektronischen Schaltkreisen zur Bildung von Beschleunigungsmessern verbunden. Unter Verwendung dieser Techniken erfordert ein Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Beschleunigungssensor jeweils zwei oder drei diskrete, würfelartig geteilte Vorrichtungen, um längs zweier oder dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen exakt mechanisch ausgerichtet zu sein. Beispiele von Beschleunigungssensoren, welche durch einen Prozess einer Mikro-Materialbearbeitung gebildet sind, werden in den folgenden Patenten der Vereinigten Staaten beschrieben: 4,574,327; 4,930,043 und 5,008,774.
Frühere Arten von Beschleunigungssensoren aus Silizium verwenden eine Trägheitsmasse, welche sich als Antwort auf Beschleunigung bewegt und durch Auslegertragbauteile positioniert ist, welche eine Asymmetrie einführen können, die eine unerwünschte Querachsenempfindlichkeit ergeben kann. Zur Vermeidung dieses uner wünschten asymmetrischen Effekts werden diese Vorrichtungen mit flexiblen Tragelementen um die Peripherie einer Trägheitsmasse herum so konstruiert, dass die Antwort auf eine Beschleunigung vorzugsweise längs einer Achse erfolgt, welche senkrecht zu der Ebene der Trägheitsmasse und der Tragelemente liegt. Um weiterhin die Beschleunigungsantwort auf eine Achse zu begrenzen, werden die Tragelemente manchmal in der Mittelebene der Trägheitsmasse oder symmetrisch an den oberen und unteren Oberflächen der Trägheitsmasse angeordnet. Die auf diese Art und Weise hergestellten Vorrichtungen zeigen weite Parametervariationen zwischen den Vorrichtungen. Außerdem müssen mehrfache diskrete Vorrichtungen für Mehrfachachsenanwendungen zu jeder Beschleunigungsachse exakt ausgerichtet werden. Schwierigkeiten, die bei der Herstellung auftreten, schließen die genaue Positionierung der Mittelebene und die präzise Ausrichtung von mehrfachen Vorrichtungen mit ein, wodurch der Herstellungsprozess komplex, langsam und kostenaufwändig gemacht wird.
Die vorstehenden Gründe ergeben einen Bedarf für einen Beschleunigungssensor mit mehrfachen Achsen, der durch Mikro-Materialbearbeitung aus Silizium durch einen relativ einfachen Herstellungsvorgang erstellt wird, welcher Vorrichtungen mit geringer mechanischer Spannung ergibt, die temperaturstabil mit engen Parametertoleranzen unter den Vorrichtungen sind. Es ist wünschenswert, dass jede erforderliche Mehrfachachsenausrichtung eher als ein Bestandteil des bei der Vorrichtungsherstellung benutzten Lithografieprozesses durchgeführt wird, als dass eine exakte mechanische Ausrichtung von diskreten Vorrichtungen nach dem Zerwürfelungsvorgang erforderlich ist. Es ist weiterhin wünschenswert, dass der Herstellungsprozess auf einer Stapelbasis einstellbar ist, um Vorrichtungen mit vorher festgelegter Beschleunigungsempfindlichkeit zu produzieren, wobei Stapel in Vorrichtungen von niedriger Empfindlichkeit bis hoher Empfindlichkeit klassifiziert sind.
Hinsichtlich des Stands der Technik wird auf US-Patent US-A-5 707 077 Bezug genommen, welches eine Lösung im Stand der Technik für einen in einem Fahrzeug-Airbagsystem verwendeten dreidimensionalen Beschleunigungssensor darstellt, bei welchem der massive Teil mit dem Rahmen mit der Hilfe eines Diaphragmas bzw. einer Membran verbunden ist. In dieser Schrift des Stands der Technik wird eine Lösung offenbart, wobei die Beschleunigung in drei Dimensionen unter Verwendung von nur einer Masse gemessen werden kann, indem in geeigneter Weise Kondensatoren angeordnet werden und indem in geeigneter Weise die Masse gehalten wird. Weiterhin wird eine Lösung offenbart, bei welcher die große Masse in vier kleinere Massen aufgeteilt ist, wobei jede kleinere Masse einen Ausleger- bzw. Kragtragaufbau aufweist.
In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die europäische Patentanmeldung EP-A-0 301 816 Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen in drei Richtung messenden Beschleunigungssensor darstellt, wobei in einen einzelnen Silizium-Wafer Krag- bzw. Auslegerträger mit Massen eingeätzt sind, die asymmetrisch zu einer neutralen Ebene und mit 120 Grad zueinander angeordnet sind. In diesem Dokument des Stands der Technik ist auch eine Lösung offenbart, bei welcher die Beschleunigung in drei Richtungen von jeder der Massen gemessen werden kann.
In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die deutsche Patentanmeldung DE 196 49 715 A Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor zeigt, der in Fahrzeugsicherheitssystemen zur Anwendung kommt, bei welchem jedes individuelle Sensorelement eine eigene Haupt-Empfindlichkeitsachse auf gleichem Substrat aufweist, wobei jede der Achsen eine Winkelverschiebung zu Oberflächennormalen des Substrats aufweist. In diesem Dokument des Stands der Technik ist eine Lösung offenbart, bei welcher die Massen mit einem Kragtragaufbau getragen sind.
In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die japanische Patentanmeldung JP 01 287470 Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen Beschleunigungssensor vorlegt, wobei eine Beschleunigung auf piezoresistive Art und Weise in unterschiedlichen Richtungen gemessen werden kann, indem eine Ätzgeschwindigkeit benutzt wird. Die Massen in diesem Beschleunigungssensor tasten eine Beschleunigung längs dreier Beschleunigungsachsen (X- und Y-Achse, Z-Achse) ab.
In Bezug auf den Stand der Technik wird auf die deutsche Gebrauchsmusterspezifikation DE 93 20 965 U Bezug genommen, welche eine Lösung im Stand der Technik für einen Beschleunigungssensor, der aus vier kleineren Massen geformt ist, darstellt. In dieser Schrift aus dem Stand der Technik wird eine Lösung offenbart, bei welcher die Massen mit einem Kragtragaufbau getragen sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf einen temperaturstabilen, monolithischen Mehrfachachsen-Beschleunigungssensor mit geringer mechanischer Spannung ausgerichtet, welcher enge Parametertoleranzen zwischen Vorrichtungen aufweist, und welcher aus durch einen relativ einfachen Herstellungsprozess aus Silizium in Mikro-Materialbearbeitung hergestellt ist. Da der vorliegende monolithische Mehrfachachsen-Beschleunigungssensor durch den Lithografieprozess, der bei der Vorrichtungsherstellung benutzt wird, ausgerichtet wird, ist die Notwendigkeit einer präzisen mechanischen Ausrichtung von diskreten Sensorvorrichtungen längs orthogonaler Beschleunigungsachsen aufgehoben. Der Herstellungsprozess der vorliegenden Erfindung kann auf einer Stapel- bzw. Batchbasis einstellbar sein, um Vorrichtungen mit vorher festgelegter Beschleunigungsempfindlichkeit zu produzieren, wobei Stapel in Vorrichtungen von niedriger Empfindlichkeit bis Vorrichtungen mit hoher Empfindlichkeit eingeteilt sind.
Während frühere Formen von Silizium-Beschleunigungssensoren versuchten, asymmetrische Querachsenempfindlichkeit zu verhindern, nutzt die vorliegende Erfindung diesen Querachseneffekt, um eine Herstellung eines monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensors zu ermöglichen. Die vorliegende Silizium-Beschleunigungssensor-Erfindung weist eine, zwei, drei oder vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen auf, wobei jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, die sich als Antwort auf eine Beschleunigung bewegt und durch Tragelemente koplanar mit einer ersten Oberfläche der Silizium-Trägheitsmasse positioniert und an einem Siliziumtragaufbau befestigt ist. Eine Einrichtung zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse oder einer resultierenden Durchbiegung der Tragelemente auf Grund einer Beschleunigung der Trägheitsmasse und des Siliziumtragaufbaus ist vorgesehen. Die relative Position jeder Trägheitsmasse liegt in rechten Winkeln zu einer benachbarten Trägheitsmasse, wenn die erste Oberfläche jeder Sili zium-Masse unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz bzw. als Winkelbezug betrachtet wird. Eine Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, besteht aus zumindest zwei einzelnen Sensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, und jede eine Beschleunigung in zwei orthogonalen Achsen abtasten kann, aber nicht zwischen einer Beschleunigung längs einer Achse oder der anderen unterscheiden kann. Eine Vorrichtung mit zwei Sensorzellen, bei welcher jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, die in einem 180-Grad-Winkel zu der Trägheitsmasse der anderen Sensorzelle angeordnet ist, wenn die ersten Oberflächen der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als eine Winkelreferenz betrachtet werden, kann eine Beschleunigung in zwei orthogonalen Achsen abtasten und kann zwischen einer Beschleunigung längs beider Achsen unterscheiden. Eine Vorrichtung mit drei Sensorzellen, wobei jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse positioniert in Winkeln von 0, 90 und 180 Grad relativ zu jeder anderen aufweist, wenn die ersten Oberflächen der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als eine Winkelreferenz betrachtet werden, kann eine Beschleunigung längs dreier orthogonaler Achsen abtasten und kann zwischen einer Beschleunigung längs jeder der drei Achsen unterscheiden. Eine Vorrichtung mit vier Sensorzellen, wobei jede Sensorzelle eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse positioniert in Winkeln von 0, 90, 180 und 270 Grad relativ zu jeder anderen besitzt, wenn die ersten Oberflächen der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als eine Winkelreferenz betrachtet werden, kann eine Beschleunigung längs dreier orthogonaler Achsen abtasten und kann zwischen einer Beschleunigung längs jeder der drei Achsen unterscheiden. Die Vorrichtung mit vier Sensorzellen ist von einer physikalischen symmetrischen Geometrie, wenn die erste Oberfläche jeder Trägheitsmasse betrachtet wird, und stellt die Fähigkeit zur Neutralisierung von Nichtlinearitäten in gegenüber liegenden Richtungen bereit. Somit ist eine Abtastung einer Mehrfachachsenbeschleunigung mit einer einzelnen monolithischen Vorrichtung erreichbar, welche keine präzise mechanische Ausrichtung von vielen diskreten Einzelachsen-Beschleunigungsabtastvorrichtungen erfordert. Eine Einrichtung zur Erfassung einer Bewegung der Trägheitsmasse besteht darin, die Kapazität zwischen der ersten Oberfläche der beweglichen Trägheitsmasse und einem ersten elektrisch leitenden Layer, der von der ersten Oberfläche beabstandet ist und in Bezug auf den tragenden Siliziumaufbau befestigt ist, zu messen; und indem die Kapa zität zwischen einer zweiten Oberfläche der beweglichen Trägheitsmasse gegenüber liegend der ersten Oberfläche und einem zweiten elektrisch leitenden Layer, der von der zweiten Oberfläche beabstandet und in Bezug auf den tragenden Siliziumaufbau befestigt ist, gemessen wird. Eine weitere Einrichtung zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse besteht darin, den Widerstand von piezoresistiven Elementen zu messen, welche auf den positionierenden Tragelementen angeordnet sind. Die Tragelemente sind in einer Torsionskonfiguration ausgebildet. Die Gestalt der Trägheitsmasse wird im Allgemeinen als ein rechtwinklig ausgebildetes Parallelepiped in der bevorzugten Ausführung der Erfindung beschrieben.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtung mit einer einzelnen Beschleunigungssensorzelle mit einer elektrisch leitfähigen beweglichen Silizium-Trägheitsmasse weist das Formen eines Sandwichaufbaus mit Layern eines Ätz-Stop-Layers zwischen einem ersten Wafer-Abschnitt elektrisch leitenden Siliziums und einem, wobei der erste Wafer-Abschnitt elektrisch leitenden Siliziums eine freiliegende erste Oberfläche und der zweite Wafer-Abschnitt elektrisch leitenden Siliziums eine freiliegende zweite Oberfläche aufweisen. Ein zweiter Abschnitt der Silizium-Trägheitsmasse wird geformt, indem ein rechtwinkliger rahmenförmiger Kanal in dem zweiten Wafer-Abschnitt von der freiliegenden zweiten Oberfläche aus sich bis zu dem Ätz-Stop-Layer erstreckend geätzt wird. Ein erster Abschnitt der Silizium-Trägheitsmasse wird durch Ätzen eines U-förmigen Kanals und eines stabförmigen Kanals in dem ersten Wafer-Abschnitt von der freiliegenden ersten Oberfläche aus sich bis zu dem Ätz-Stop-Layer erstreckend geformt, wobei der stabförmige Kanal und der U-förmige Kanal in dem ersten Wafer-Abschnitt so positioniert werden, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal in dem zweiten Wafer-Abschnitt liegen und gleiche planare Abmessungen wie dieser aufweisen. Es sind Einrichtungen zur elektrischen Verbindung des zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse mit dem ersten Abschnitt der Trägheitsmasse durch den Ätz-Stop-Layer oder auf der geätzten Oberfläche der Trägheitsmasse vorgesehen. Der Siliziumdioxidlayer, welcher durch den geätzten rahmenförmigen Kanal freigelegt ist, der geätzte U-förmige Kanal und der geätzte stabförmige Kanal werden dann gestrippt, wodurch eine rechteckige, in Gestalt eines Parallelepipeds geformte, bewegliche Silizium-Trägheitsmasse geschaffen wird, welche durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Tragelemente positioniert ist. Eine alternative Einrichtung zur elektrischen Verbindung des zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse mit dem ersten Abschnitt der Trägheitsmasse besteht darin, einen Layer aus leitfähigem Polysilizium über dem resultierenden geätzten und gestrippten Aufbau abzulagern. Dieser Ablagerungs- bzw. Abscheidungsvorgang könnte auch benutzt werden, wo es gewünscht ist, nichtleitende Silizium-Wafer-Abschnitte zu verwenden. Einrichtungen zur Abtastung einer Bewegung der Silizium-Trägheitsmasse sind vorgesehen, indem ein erster elektrisch leitender Layer, der von der ersten Oberfläche der Trägheitsmasse beabstandet ist, relativ zu dem Siliziumtragaufbau für eine erste Kapazitätsmessung zwischen der ersten Oberfläche der Trägheitsmasse und dem ersten elektrisch leitenden Layer befestigt ist; und indem ein zweiter elektrisch leitender Layer, der von der zweiten Oberfläche der Trägheitsmasse beabstandet ist, relativ zu dem Siliziumtragaufbau für eine zweite Kapazitätsmessung zwischen der zweiten Oberfläche der Trägheitsmasse und dem zweiten elektrisch leitenden Layer befestigt ist. Diese elektrisch leitenden Layer sind vorzugsweise in ihrer Zusammensetzung metallisch ausgeführt. Alternativ können Einrichtungen zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse vorgesehen sein, indem piezoresistive Elemente an den positionierenden Tragelementen, die an dem Siliziumtragaufbau befestigt sind, angebracht sind, und die Widerstandsänderung gemessen wird, wenn die Tragelemente gebogen oder verdreht werden.
In einer bevorzugten Ausführung eines Verfahrens zum Herstellen eines Silizium-Beschleunigungssensors mit zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen wird der erste Abschnitt der beweglichen Silizium-Trägheitsmasse durch Ätzen eines U-förmigen Kanals und eines stabförmigen Kanals in dem ersten Layer aus Silizium von der freiliegenden ersten Oberfläche aus sich zu dem Siliziumdioxidlayer erstreckend geformt, wobei der stabförmige Kanal und der U-förmige Kanal in dem ersten Layer aus Silizium so positioniert werden, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit und von gleichen Flächenabmessungen zu dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal in dem zweiten Layer aus Silizium ausgebildet sind. Der stabförmige Kanal wird über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals angeordnet, wobei er innerhalb der äußeren Abmessungen der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals zentriert ist, und sich in Länge ausdehnt, um der gesamten Außenbreite der Oberseite des U-förmigen Kanals zu entsprechen, derart, dass die räumliche Trennung eine Einrichtung mit einer Silizium-Trägheitsmasse ergibt, welche durch Torsionstragelemente positioniert ist.
Obwohl die bevorzugte Ausführung der Erfindung einen Siliziumdioxidlayer als Ätz-Stop-Layer benutzt, gibt es alternative Ausführungen. Diese alternativen Ausführungen weisen einen Layer aus Siliziumnitrid, einen Layer aus dotiertem Silizium und den Verarmungslayer mit der Verbindung von zwei unterschiedlich dotierten Siliziumabschnitten auf.
In weiteren Beispielen eines Verfahrens zum Herstellen eines Silizium-Beschleunigungssensors, welcher keine Ausführung betrifft und zumindest eine Silizium-Beschleunigungssensorzelle aufweist, wird der erste Abschnitt der beweglichen Silizium-Trägheitsmasse durch Ätzen eines U-förmigen Kanals und eines stabförmigen Kanals in dem ersten Layer aus Silizium von der freiliegenden ersten Oberfläche aus sich zu dem Siliziumdioxidlayer erstreckend geformt, wobei der stabförmige Kanal und der U-förmige Kanal in dem ersten Layer aus Silizium so positioniert werden, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit und von gleichen Flächenabmessungen zu dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal in dem zweiten Layer aus Silizium ausgebildet sind. Der stabförmige Kanal wird über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals angeordnet, wobei er innerhalb der äußeren Abmessungen der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals zentriert ist, und sich in Länge ausdehnt, um kleiner zu sein als die Innenbreite der Oberseite des U-förmigen Kanals. Die Enden des stabförmigen Kanals sind von der inneren Oberseite des U-förmigen Kanals räumlich so getrennt, dass die räumliche Trennung eine Einrichtung mit einer Silizium-Trägheitsmasse ergibt, die durch Ausleger- bzw. Kragtragelemente positioniert ist.
Eine weitere Ausführung eines Verfahrens zum Herstellen eines Silizium-Beschleunigungssensors mit zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen besteht darin, die Beschleunigungsempfindlichkeit zu variieren, indem die Dicke der Tragelemente eingestellt wird, indem die Dicke des ersten Silizium-Wafer-Abschnitts eingestellt wird, indem die Breite der Tragelemente durch Einstellen der räumlichen Trennung zwischen dem U-förmigen Kanal und dem stabförmigen Kanal eingestellt wird, oder indem die Länge der Tragelemente durch Einstellen der Breite der geätzten Kanäle eingestellt wird.
Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, ist identisch zu dem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle mit einer beweglichen Silizium-Trägheitsmasse, mit der Ausnahme, dass eine zweite Trägheitsmasse lithografisch und dann physikalisch in einem 90-, 180- oder 270-(welcher funktionell der gleiche wie 90 ist)Grad-Winkel zu der ersten Trägheitsmasse, wenn die freiliegende erste Oberfläche der Silizium-Massen unter Verwendung der positionierenden Träger als Winkelreferenz betrachtet wird, positioniert wird. Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit drei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, ist identisch zu dem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, mit der Ausnahme, dass die dritte Trägheitsmasse lithografisch und dann physikalisch in einem 90-Grad-Winkel zu der zweiten Trägheitsmasse und in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Trägheitsmasse positioniert wird, wenn die freiliegende erste Oberfläche der Silizium-Massen unter Verwendung der positionierenden Träger als Winkelreferenz betrachtet wird. Das Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen, von denen jede eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse aufweist, ist identisch zu dem Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit drei Silizium-Beschleunigungssensorzellen, mit der Ausnahme, dass eine vierte Trägheitsmasse lithografisch und dann physikalisch in einem 90-Grad-Winkel zu der dritten Trägheitsmasse, in einem 180-Grad-Winkel zu der zweiten Trägheitsmasse und in einem 270-Grad-Winkel zu der ersten Trägheitsmasse positioniert wird, wenn die freiliegende erste Oberfläche der Silizium-Massen unter Verwendung der positionierenden Träger als Winkelreferenz betrachtet wird. Auf diese Art und Weise wird ein monolithischer Mehrachsen-Beschleunigungssensor geformt, welcher keine präzise mechanische Ausrichtung von vielen diskreten Einzelachsen-Beschleunigungssensoren erfordert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle ohne einen ersten und einen zweiten Deckplattenaufbau mit einer Trägheitsmasse darstellt, die durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist.
1B illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle ohne einen ersten und einen zweiten Deckplattenaufbau mit einer Trägheitsmasse darstellt, die durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Ausleger- bzw. Kragtragelemente positioniert ist.
2 illustriert eine perspektivische Ansicht, welche einen vereinfachten monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensor ohne einen ersten Deckplattenaufbau und mit vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen zeigt, wobei jede eine Trägheitsmasse aufweist, die in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist, wenn die Tragelemente in der Ebene der X- und Y-Achse betrachtet werden, und jede Trägheitsmasse durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist.
3 zeigt eine Tabelle, welche die Bewegungsrichtungen jeder der in 2 gezeigten beweglichen Trägheitsmassen hinsichtlich einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors längs der drei orthogonalen Beschleunigungsachsen angibt.
4A und 4B illustrieren zwei perspektivische Ansichten, die einen vereinfachten monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensor ohne einen ersten Deckplattenaufbau und mit drei Silizium-Beschleunigungssensorzellen darstellen, wobei jede eine Trägheitsmasse aufweist, die in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist, wenn die Tragelemente in der Ebene der X- und Y-Achse betrachtet werden, und jede Trägheitsmasse durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist.
5 illustriert eine perspektivische Ansicht, welche einen vereinfachten monolithischen Mehrachsen-Beschleunigungssensor mit zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen darstellt, wobei jede eine Trägheitsmasse aufweist, die in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist, wenn die Tragelemente in der Ebene der X- und Y-Achse betrachtet werden, und jede Trägheitsmasse durch an einem Siliziumtragaufbau befestigte Torsionstragelemente positioniert ist.
6 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle.
7 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensor mit einer nichtleitenden Einzelzelle mit piezoresistiven Elementen an Auslegertragelementen darstellt.
8 stellt eine alternative Ausführung eines Deckplattenaufbaus dar.
9 illustriert eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines elektrisch leitfähigen Silizium-Wafers.
10A illustriert eine perspektivische Ansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit Siliziumnitridpunkten und einem ersten Siliziumdioxidlayer auf einer Oberfläche.
10B illustriert eine Schnittansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit Siliziumnitridpunkten und einem ersten Siliziumdioxidlayer auf einer Oberfläche.
11A illustriert eine perspektivische Ansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit einem zweiten Siliziumdioxidlayer, der mit Silizium-Mesas auf einer Oberfläche durchsetzt ist.
11B illustriert eine Schnittansicht eines zweiten Silizium-Wafer-Abschnitts mit einem zweiten Siliziumdioxidlayer, der mit Silizium-Mesas auf einer Oberfläche durchsetzt ist.
12A illustriert eine perspektivische Ansicht des in 9 gezeigten Wafer-Abschnitts mit einem ersten Silizium-Wafer-Abschnitt, der an den Siliziumdioxidlayer gebondet und abgeschliffen ist.
12B illustriert eine Schnittansicht des in 9A gezeigten Wafer-Abschnitts mit einem ersten Silizium-Wafer-Abschnitt, der an den Siliziumdioxidlayer gebondet und abgeschliffen ist.
13A illustriert eine perspektivische Ansicht eines Layers aus Siliziumdioxid, der auf einem Silizium-Wafer-Abschnitt herangezogen ist.
13B illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht eines Layers aus Siliziumdioxid im Sandwichaufbau zwischen Silizium-Wafer-Abschnitten, die durch ein alternatives Herstellungsverfahren geformt sind.
13C illustriert eine perspektivische Ansicht eines Layers aus Siliziumdioxid im Sandwichaufbau zwischen Silizium-Wafer-Abschnitten zum Bilden eines alternativen Herstellungsverfahrens.
14A illustriert eine perspektivische Ansicht des in 12A gezeigten Sandwichaufbaus mit Layern mit Vertiefungen, die in die ersten und zweiten Oberflächen eingeformt sind.
14B illustriert eine Schnittansicht des in 12B gezeigten Sandwichaufbaus mit Layern mit Vertiefungen, die in die ersten und zweiten Oberflächen eingeformt sind.
15A illustriert eine perspektivische Ansicht des geformten zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse.
15B illustriert eine Schnittansicht des geformten zweiten Abschnitts der Trägheitsmasse.
16A illustriert eine perspektivische Ansicht der geformten ersten und zweiten Abschnitte der Trägheitsmasse.
16B illustriert eine Schnittansicht der geformten ersten und zweiten Abschnitte der Trägheitsmasse.
17A illustriert eine perspektivische Ansicht der geformten Trägheitsmasse, die durch die Tragelemente, welche an dem Siliziumtragaufbau befestigt sind, positioniert ist.
17B illustriert eine Schnittansicht der geformten Trägheitsmasse, die durch die Tragelemente, welche an dem Siliziumtragaufbau befestigt sind, positioniert ist.
18 illustriert eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus, der zur Darstellung der Bildung von Auslegertragelementen benutzt wird.
19 illustriert die Anbringung von Deckplattenaufbauten an dem Siliziumtragaufbau.
20A illustriert eine perspektivische Ansicht eines zum Teil geformten Deckplattenaufbaus, welcher einen Wafer-Abschnitt mit einem Siliziumdioxidlayer zeigt.
20B illustriert perspektivische Ansicht eines zum Teil geformten Deckplattenaufbaus, welcher einen Wafer-Abschnitt mit Graben mit einer Silizium-Mesa zeigt.
21 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht der bevorzugten Ausführung eines Deckplattenaufbaus.
22 illustriert eine Schnittansicht eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer Einzelsensorzelle, die an eine Kapazitätmessschaltung angeschlossen ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Es wird nun Bezug auf 1A genommen, in welcher ein Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors 100 mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle mit einer elektrisch leitenden beweglichen Silizium-Trägheitsmasse 300, die durch Torsionstragelemente 400, welche an einem elektrisch leitfähigen Siliziumtragaufbau 200 befestigt sind, positioniert ist, eine X-Achse 510, eine Y-Achse 520 und eine Z-Achse 530 dargestellt sind. In ähnlicher Weise zeigt 1B einen Teil eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors 100 mit einer Silizium-Beschleunigungssensorzelle mit einer elektrisch leitenden beweglichen Silizium-Trägheitsmasse 300, die durch an dem elektrisch leitfähigen Siliziumtragaufbau 200 befestigte Ausleger- bzw. Kragtragelemente 410 positioniert sind, die X-Achse 510, die Y-Achse 520 und die Z-Achse 530. Da die vorliegende Erfindung die in 1A gezeigten Torsionstragelemente 400 verwendet, um die bewegliche Silizium-Trägheitsmasse 300 zu positionieren, wird 1A als eine Referenz zum Zwecke der Beschreibung des Betriebs der vorliegenden Erfindung benutzt, aber es ist zu verstehen, dass die Diskussion in gleicher Weise ebenfalls auf die Auslegertragelementekonfiguration von 1B, welche keine Ausführung der Erfindung ist, anwendbar ist. Es wird nun eine Beschleunigung relativ zu der Z-Achse 530 betrachtet. Wenn der Silizium-Beschleunigungssensor 100 in die +Z-Richtung längs der Z-Achse 530 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse 300 in die –Z-Richtung längs der Z-Achse 530 relativ zu dem Siliziumtragaufbau 200, wobei sie um die Achse, welche von Torsionstragelementen 400 gebildet ist, verschwenkt. Wenn in umgekehrter Weise der Silizium-Beschleunigungssensor 100 in die –Z-Richtung längs der Z-Achse 530 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse 300 in die +Z-Richtung längs der Z-Achse 530 relativ zu dem Siliziumtragaufbau 200, wobei sie um die von Torsionstragelementen 400 gebildete Achse verschwenkt. Es wird nun eine Beschleunigung relativ zu der X-Achse 510 betrachtet. Wenn der Silizium-Beschleunigungssensor 100 in die +X-Richtung längs der X-Achse 510 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse 300 in die –X-Richtung längs der X-Achse 510 relativ zu dem Siliziumtragaufbau 200, wobei sie um die Achse, welche von Torsionstragelementen 400 gebildet ist, verschwenkt. Wenn in umgekehrter Weise der Silizium-Beschleunigungssensor 100 in die –X-Richtung längs der X-Achse 510 beschleunigt wird, bewegt sich die Trägheitsmasse 300 in die +X-Richtung längs der X-Achse 510 relativ zu dem Siliziumtragaufbau 200, wobei sie um die von Torsionstragelementen 400 gebildete Achse verschwenkt. Es wird eine Beschleunigung relativ zu der Y-Achse 520 betrachtet. Wenn der Silizium-Beschleunigungssensor 100 entweder in die +Y- oder –Y-Richtung längs der Y-Achse 520 beschleunigt wird, ist die Trägheitsmasse 300 an einer Verschwenkung um die Achse, welche von den Torsionstragelementen 400 gebildet ist, gehindert, da die Kraft der Trägheitsmasse auf Grund der Beschleunigung nicht radial um, sondern in Ausrichtung mit der Achse verläuft, welche von den Torsionstragelementen 400 gebildet ist. Somit ist die Konfiguration des Silizium-Beschleunigungssensors nach 1A dazu geeignet, eine Beschleunigung längs zweier orthogonaler Beschleunigungsachsen abzutasten, längs der Z-Achse 530 und längs der X-Achse 510, aber sie kann nicht zwischen diesen beiden Beschleunigungsachsen unterscheiden.
Es wird nun Bezug auf 2 genommen, in welcher ein Teil eines vereinfachten monolithischen Mehrfachachsen-Silizium-Beschleunigungssensors 140 mit vier Silizium-Beschleunigungssensorzellen gezeigt ist, von denen jede eine bewegliche Silizium- Trägheitsmasse 310, 320, 330, 340 aufweist. Ein erster Deckplattenaufbau ist in 2 nicht dargestellt, um die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente sichtbar zu machen. Jede der vier Trägheitsmassen ist ähnlich der in 1A gezeigten beweglichen Silizium-Trägheitsmasse 300 ausgebildet, wobei sie durch Torsionstragelemente 400 positioniert sind, die an einem Siliziumtragaufbau 240 angebracht sind. Jedoch ist nur Trägheitsmasse 300 in gleicher Weise wie Trägheitsmasse 300, die in 1A gezeigt ist, in Bezug auf die Orientierung der Schwenkachse orientiert, welche von den Torsionstragelementen 400 in Bezug auf die X-Achse 510 und die Y-Achse 520 gebildet ist. Folglich antwortet bzw. reagiert Trägheitsmasse 310 nur auf eine Beschleunigung längs der X-Achse 510 und der Z-Achse 530 durch Verschwenkung um die von den Tragelementen 400 gebildete Achse in ähnlicher Weise wie die Trägheitsmasse 300 von 1A. Die Bewegungsrichtung von Trägheitsmasse 310, welche aus der Beschleunigungsrichtung längs der drei orthogonalen Beschleunigungsachsen resultiert, ist in der Spalte unter der Überschrift _310_ in der Tabelle von 3 dargestellt. Unter Gebrauch einer ähnlichen Analyse wie derjenigen, welche zur Festlegung einer Bewegung der Trägheitsmasse in 1A als Reaktion auf eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors benutzt wird, kann die Bewegung von Trägheitsmassen 320, 330, 340 schnell bestimmt werden. Die Bewegungsrichtung der vier Trägheitsmassen 310, 320, 330, 340 des in 2 gezeigten Beschleunigungssensors 140 als Antwort bzw. Reaktion auf eine Beschleunigung längs der X-Achse 510, der Y-Achse 520 und der Z-Achse 530 ist in der Tabelle von 3 angegeben.
Unter Betrachtung der Tabelle von 3 resultiert eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors 140 aus 2 in der +X-Richtung in der eindeutigen Bewegungskombination von Trägheitsmasse 310 aus 2 in der –Z-Richtung, von Trägheitsmasse 330 aus 2 in der +Z-Richtung und keiner Bewegung von Trägheitsmassen 320, 340 aus 2. In umgekehrter Weise resultiert eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors 140 aus 2 in der –X-Richtung in der eindeutigen Bewegungskombination von Trägheitsmasse 310 aus 2 in der +Z-Richtung, von Trägheitsmasse 330 aus 2 in der –Z-Richtung und keiner Bewegung von Trägheitsmassen 320, 340 aus 2. Bei ähnlicher Betrachtung einer Trägheitsmassenbewegung als Reaktion auf eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors 140 aus 2 in der +Y-, –Y, +Z und –Z-Richtung ist aus den in 3 dargestellten Resultaten zu ersehen, dass es eine eindeutige Kombination von Bewegungen der vier Trägheitsmassen für jede Kombination von simultaner Beschleunigungsgröße und -richtung längs einer, zweier oder aller drei orthogonaler Beschleunigungsachsen gibt. Somit ist der in 2 gezeigte Beschleunigungssensor dazu geeignet, gleichzeitig Beschleunigungsgröße und -richtung längs dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen einer Beschleunigung einschließlich der Komponenten zu erfassen, die aus einer außerhalb der Achsen liegenden Beschleunigung resultieren. Es ist anzumerken, dass, während 2 eine Konfiguration von vier symmetrisch angeordneten Trägheitsmassen zeigt, die gemäß 3 reagieren, es gezeigt werden kann, dass nur drei Trägheitsmassen zur simultanen Unterscheidung von Beschleunigungsrichtung und -größe längs einer, zweier oder dreier der orthogonalen Beschleunigungsachsen oder jeder Kombination von Beschleunigungskomponenten außerhalb der Achsen benötigt werden.
4A zeigt eine mögliche Konfiguration eines vereinfachten monolithischen Mehrfachachsen-Silizium-Beschleunigungssensors 120 mit drei Trägheitsmassen 310, 320, 340, welche durch an einem Siliziumtragaufbau 220 befestigte Torsionstragelemente 400 positioniert sind. 4B zeigt eine weitere mögliche Konfiguration eines vereinfachten monolithischen Mehrfachachsen-Silizium-Beschleunigungssensors 130 mit drei Trägheitsmassen 310, 320, 340, welche durch an einem Siliziumtragaufbau 230 befestigte Torsionstragelemente 400 positioniert sind. Der erste Deckplattenaufbau ist in 4A und 4B nicht dargestellt, damit die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente sichtbar ist.
Es kann auch gezeigt werden, dass nur zwei Trägheitsmassen zur simultanen Unterscheidung von Beschleunigungsrichtung und -größe längs einer oder zweier orthogonaler Beschleunigungsachsen wie auch von Komponenten, die außerhalb der Achsen liegen, erforderlich sind. 5 zeigt eine mögliche Konfiguration eines vereinfachten monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors 110 mit zwei Trägheitsmassen 320, 340, die durch Torsionstragelemente 400, welche an einem Siliziumtragaufbau 210 befestigt sind, positioniert sind. Der erste Deckplattenaufbau ist in 5 nicht dargestellt, um die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente erkennen zu lassen.
Es wird nun Bezug auf 6 genommen. 6 illustriert eine perspektivische Teilschnittansicht, welche eine Ansicht eines vollständigen Beschleunigungssensors darstellt, der in 1 ohne den Deckaufbau gezeigt wurde. 6 illustriert eine einzelne Sensorzelle, welche ein Element der vorliegenden Erfindung ist, indem eine perspektivische Teilschnittansicht eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors 150 mit einer Silizium-Beschleunigungsensorzelle dargestellt ist. Die Sensorzelle weist eine elektrisch leitfähige, bewegliche Silizium-Trägheitsmasse 300 mit einer ersten Oberfläche 302 und einer gegenüber liegenden zweiten Oberfläche 304 auf. Die Trägheitsmasse 300 ist statisch durch elektrisch leitfähige Torsionstragelemente positioniert, die in 6 nicht gezeigt sind, aber als Torsionstragelemente 400 in 1A dargestellt sind. Die Torsionstragelemente sind an dem elektrisch leitenden Siliziumtragaufbau 200 befestigt, wobei der Siliziumtragaufbau 200 eine erste Oberfläche 202 und ein gegenüber liegende zweite Oberfläche 204 aufweist. Ein erster Deckplattenaufbau 600 weist einen ersten metallischen Layer 640 auf, der von der ersten Oberfläche 302 der Trägheitsmasse 300 beabstandet ist, wobei der erste metallische Layer 640 auf einem an der ersten Oberfläche 202 des Siliziumtragaufbaus 200 befestigten ersten Isolator 610, vorzugsweise Glas, aufgeformt ist. Der erste metallische Layer 640 und die erste Oberfläche 302 der Trägheitsmasse 300 bilden einen ersten veränderlichen Kondensator eines Wertes, der von der Position der Trägheitsmasse 300 abhängig ist. Ein zweiter Deckplattenaufbau 700 weist einen zweiten metallischen Layer 740 auf, der von der zweiten Oberfläche 304 der Trägheitsmasse 300 beabstandet ist, wobei der zweite metallische Layer 740 auf einem an der zweiten Oberfläche 204 des Siliziumtragaufbaus 200 befestigten zweiten Isolator 710, vorzugsweise Glas, aufgeformt ist. Der zweite metallische Layer 740 und die zweite Oberfläche 304 der Trägheitsmasse 300 bilden einen zweiten veränderlichen Kondensator eines Wertes, der von der Position der Trägheitsmasse 300 abhängig ist. Die Größe der Beschleunigung, welche eine Bewegung in der Trägheitsmasse 300 bewirkt, wird durch Messung der Größe der Differenz zwischen dem Wert des ersten veränderlichen Kondensators und dem Wert des zweiten veränderlichen Kondensators angegeben bzw. nachgewiesen. Die bevorzugte Einrichtung zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmasse 300 mit einem Schaltkreis zur Kapazitätsmessung besteht in einem Anschluss eines elektrischen Leitungsdrahts 880 an ein elektrisches Bonding-Pad 870, das auf einer äußeren Oberfläche des elektrisch leitenden Siliziumtragaufbaus gebildet ist, welcher durch die elektrisch lei tenden Tragelemente mit der elektrisch leitenden Trägheitsmasse 300 verbunden ist. Die bevorzugte Einrichtung zur elektrischen Verbindung des ersten metallischen Layers 640 des ersten Deckplattenaufbaus 600 mit einer Schaltung zur Kapazitätsmessung besteht in einem dritten elektrisch leitfähigen Silizium-Wafer-Abschnitt 620 mit einer zweiten Oberfläche 624, die auf dem ersten Isolator 610 aufgebracht ist und eine erste leitfähige Silizium-Mesa (Tafeloberfläche) 630 durch den ersten Isolator 610 in elektrischem Kontakt mit dem ersten metallischen Layer 640 aufweist. Der elektrische Leitungsdraht 880, welcher mit der Schaltung zur Kapazitätsmessung verbunden ist, ist auch an dem elektrischen Bonding-Pad 870 an der zweiten Oberfläche 624 des dritten Silizium-Wafer-Abschnitts 620 angeschlossen, wobei somit die elektrische Verbindung mit dem ersten metallischen Layer 640 vervollständigt ist. In ähnlicher Art und Weise besteht die bevorzugte Einrichtung zur elektrischen Verbindung des zweiten metallischen Layers 740 des zweiten Deckplattenaufbaus 700 mit einer Schaltung zur Kapazitätsmessung in einem vierten elektrisch leitfähigen Silizium-Wafer-Abschnitt 720 mit einer zweiten Oberfläche 724, die auf dem zweiten Isolator 710 aufgebracht ist und eine zweite leitfähige Silizium-Mesa 730 durch den zweiten Isolator 710 in elektrischem Kontakt mit dem zweiten metallischen Layer 740 aufweist. Der mit der Schaltung zur Kapazitätsmessung verbundene elektrische Leitungsdraht 880 ist auch an dem elektrischen Bonding-Pad 870 an der zweiten Oberfläche 724 des vierten Silizium-Wafer-Abschnitts 720 angeschlossen, wobei somit die elektrische Verbindung mit dem zweiten metallischen Layer 740 vervollständigt ist. In dieser bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Gestalt der Silizium-Trägheitsmasse 300 ein rechtwinkliges Parallelepiped, wobei die erste Oberfläche 302 der Trägheitsmasse 300 von der ersten Oberfläche 202 des Siliziumtragaufbaus 200 leicht tiefer liegend ausgebildet ist, um einen dielektrischen Abstand für den ersten veränderlichen Kondensator zu schaffen, und die zweite Oberfläche 304 der Trägheitsmasse 300 von der zweiten Oberfläche 204 des Siliziumtragaufbaus 200 leicht tiefer liegend ausgebildet ist, um einen dielektrischen Abstand für den zweiten veränderlichen Kondensator zu schaffen.
Weitere Beispiel, welche keine Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind, schließen die Verwendung von Ausleger- bzw. Kragtragelementen 410, die in 1B gezeigt sind, zur Positionierung der in 6 dargestellten Trägheitsmasse 300 mit ein. Weitere Beispiele betreffen das Formen von piezoresistiven Elementen auf den in 1A gezeigten Torsionstragelementen 400 oder auf den in 1B gezeigten Auslegertragelementen 410. 7 stellt eine vereinfachte Einzelsensorzelle eines Silizium-Beschleunigungssensors 100 dar, welche eine Silizium-Trägheitsmasse 300 illustriert, die durch Silizium-Auslegertragelemente 410, die an einem Siliziumtragaufbau 200 angebracht sind, positioniert ist. Piezoresistive Elemente 420 sind an die Tragelemente 410 gebondet und in Reihe elektrisch mit elektrischen Bonding-Pads 870 über metallisierte Zwischenverbindungen 890 verbunden. Bond-Drähte 880 verbinden diese piezoresistiven Elemente mit einer Schaltung zur Widerstandsmessung um die Höhe eine Durchbiegung in den Tragelementen 410 festzulegen, wobei ein Maß der Bewegung der Trägheitsmasse 300 gegeben ist, was ebenfalls ein Maß der Größe der Beschleunigung ist, welche die Trägheitsmasse 300 erfährt.
Eine alternative Ausführung einer elektrischen Verbindung des ersten metallischen Layers 640 aus 6 mit einer Schaltung zur Kapazitätsmessung ist in 8 illustriert, welche einen alternativen Deckplattenaufbau 650 zeigt. Der alternative Deckplattenaufbau 650 weist einen alternativen Isolator 660 mit einer ersten Oberfläche 662 und einer gegenüber liegenden zweiten Oberfläche 664 auf. Ein elektrisches Bonding-Pad 870 ist auf der ersten Oberfläche 662 angeordnet, und ein alternativer metallischer Layer 668 ist auf der zweiten Oberfläche 664 des Isolators 660 angeordnet. Ein metallisiertes Loch 666 ist in dem Isolator 660 platziert, welches den metallischen Layer 668 mit dem Bonding-Pad 870 verbindet, und ein an den Bonding-Pad 870 gebondeter elektrischer Leitungsdraht 880 ist an eine Schaltung zur Kapazitätsmessung angeschlossen. Zwei dieser alternativen Aufbauten bilden einen ersten Deckplattenaufbau 600 und einen zweiten Deckplattenaufbau 700, welche in 6 dargestellt sind. Obwohl die Zeichnungen die Trägheitsmasse in der Gestalt eines Würfels zeigen, kann sie als ein rechtwinkliges Parallelepiped ausgebildet sein, um die Sensorempfindlichkeit durch Erhöhung der Größe der Trägheitsmasse zu vergrößern.
Typische Abmessungen für einige Komponenten von 2 können wie folgt sein: jede würfelförmige Trägheitsmasse 310, 320, 330, 340 besitzt Seiten zwischen ungefähr 300 μm bis ungefähr 400 μm; die Tragelemente 400 weisen eine Stärke von zwischen ungefähr 5 Mikron bis ungefähr 10 μm auf; der Abstand zwischen den Trägheitsmassen 310, 320, 330, 340 und dem Tragaufbau 240, bekannt als Kanalbreite, be trägt ungefähr 20 μm. Ein typischer Silizium-Beschleunigungssensor 110 mit vier Trägheitsmassen 310, 320, 330, 340 weist Seiten von ungefähr 1200 μm auf. Die gegebenen typischen Abmessungen sind nur als veranschaulichend für eine typische Ausführung gedacht und sollen nicht als Begrenzungen für irgendwelche physikalischen Parameter der Vorrichtungen ausgelegt werden.
Typische Abmessungen für einige Komponenten von 6 können wie folgt sein: die Stärke des ersten Isolators 610 beträgt ungefähr 75 μm und die Stärke des zweiten Isolators 710 beträgt ungefähr 75 μm. Der Abstand zwischen der erste Oberfläche 302 der Trägheitsmasse 300 und dem ersten Deckplattenaufbau 600 beträgt ungefähr 1 μm. Der Abstand zwischen der zweiten Oberfläche 304 der Trägheitsmasse 300 und dem zweiten Deckplattenaufbau beträgt ungefähr 1 μm. Die Stärke des ersten metallischen Layers 640 beträgt ungefähr mehrere hundert pm, und die Stärke des zweiten metallischen Layers beträgt ungefähr mehrere hundert pm.
Wie oben diskutiert sind die in 2, 4A, 4B und 5 gezeigten Konfigurationen monolithische Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtungen mit entweder vier, drei oder zwei Beschleunigungssensorzellen, wobei der erste Deckplattenaufbau entfernt ist, um die relative Winkelpositionierung der Trägheitsmassen in Bezug auf die Tragelemente ersichtlich zu machen. Die Überlagerung des in 6 gezeigten Aufbaus über den Aufbau der in 2, 4A, 4B und 5 gezeigten Vorrichtungen illustriert den vollständigen Aufbau dieser monolithischen Vorrichtungen.
Es wird nun das Verfahren zum Herstellen des monolithischen Silizium-Beschleunigungssensor betrachtet, wobei eine Technologie zur Mikro-Materialbearbeitung von Silizium bei der Herstellung der in 6 dargestellten beispielhaften Sensorvorrichtung sowie der in 2, 4A, 4B und 5 gezeigten Mehrfach-Sensorzellenvorrichtungen verwendet wird. Eine Vervielfachung dieser Vorrichtungen erfolgt normalerweise durch Stapel- bzw. Batch-Fabrikation unter Verwendung von Silizium-Wafern. Das Verfahren zum Herstellen des monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors kann in die folgenden Verfahrensschritte unterteilt werden: (1) Formen eines Sandwichaufbaus mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen zwei Layern aus elektrisch leitendem Silizium; (2) Herstellen von beweglichen Silizium-Trägheitsmassen, Tragelementen und Siliziumtragaufbauten; (3) Herstellen erster Deckplattenaufbauten und zweiter Deckplattenaufbauten und Bonden der ersten und zweiten Deckplattenaufbauten an die Siliziumtragaufbauten; und (4) würfelartiges Aufteilen des sich ergebenden Aufbaus in eine, zwei, drei oder vier Sensorzellenvorrichtungen, Bonden elektrischer Leitungsdrähte und Einkapseln der Vorrichtungen. Da Verfahrensschritt (4) Verfahren benutzt, die konventionell und im Stand der Technik wohlbekannt sind, wird es nicht notwendig sein, eine detaillierte Beschreibung dieser Vorgänge anzugeben. Während die folgende Beschreibung das Verfahren zum Herstellen einer monolithischen Silizium-Beschleunigungssensorvorrichtung mit einer einzelnen Sensorzelle beschreibt, ist es für den Fachmann verständlich, dass nicht nur eine Vielzahl von Einzelsensorzellen gleichzeitig in Batch-Weise herstellbar ist, sondern eine Vielzahl von Mehrfach-Sensorzellenvorrichtungen zur Verwendung zur Abtastung von Beschleunigung längs verschiedener Achsen kann ebenfalls gleichzeitig als Batch-Fabrikation erfolgen. Der Hauptunterschied zwischen den Mehrfach-Sensorzellen innerhalb einer einzelnen Vorrichtung besteht in der Winkelorientierung in Bezug auf jede andere Sensorzelle und die elektrische Anschlusskonfiguration. Deshalb ist die folgende Beschreibung auf die Herstellung einer einzelnen Sensorzellenvorrichtung konzentriert, da, sobald dieses verstanden wurde, es leichter zu verstehen ist, wie eine Vielzahl von Mehrfach-Sensorzellenvorrichtungen gleichzeitig produziert werden kann. Es ist zu beachten, dass die Abmessungen in der Beschreibung typisch für die bevorzugte Ausführung der Erfindung und zum Zwecke der Veranschaulichung sind. Die aktuellen Vorrichtungsabmessungen werden in Abhängigkeit von den gewünschten Vorrichtungsparametern variieren.
Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung beginnt mit dem ersten Verfahrensschritt Formen eines Sandwichaufbaus mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen einem ersten Layer aus elektrisch leitendem Silizium mit einer freiliegenden ersten Oberfläche und einem zweiten Layer aus elektrisch leitendem Silizium mit einer freiliegenden zweiten Oberfläche, wobei der erste Layer aus Silizium und der zweite Layer aus Silizium in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Es wird 9 betrachtet, welche einen Abschnitt 250 eines zweiten elektrisch leitenden Silizium-Wafers 292 zeigt, der typischerweise 400 Mikron dick ist. Es ist zu beachten, dass es auch einen ähnlichen ersten Silizium-Wafer-Abschnitt, dritten – Wafer-Abschnitt und vierten – Wafer-Abschnitt gibt, die in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten betrachtet werden. Der in 10A dargestellte zweite Wafer-Abschnitt 250 ist ebenfalls 400 Mikron dick und weist eine erste Oberfläche 256 und eine zweite Oberfläche 258 auf, welche typischerweise 600 Quadratmikron betragen. Das bevorzugte Verfahren zum Herstellen des Sandwichaufbaus mit Layern besteht darin, Dots bzw. Punkte aus Siliziumnitrid 252 auf der ersten Oberfläche 256 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 an Stellen aufzubauen, welche keine Ätzvorgänge stören, die in späteren Herstellungsschritten ausgeführt werden. Die erste Oberfläche 256 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 wird dann thermisch oxidiert, was bewirkt, dass ein selektiver erster Siliziumdioxidlayer 254 an Stellen heranwächst, die nicht von Dots aus Siliziumnitrid 252 bedeckt sind. 10B zeigt einen Querschnitt des zweiten Wafer-Abschnitts 250 von 10A mit Silizium-Mesas 262 (Tafeloberflächen), die sich aus dem Oxidationsprozess ergeben. Der erste Siliziumdioxidlayer 254 wird dann von der ersten Oberfläche 256 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 gestrippt, wobei eine in die erste Oberfläche 256 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 eingeformte Vertiefung relativ zu der Übergangsstelle zwischen dem Silizium und den Dots aus Siliziumnitrid 252 zurückgelassen wird. 11A und 11B stellen den zweiten Wafer-Abschnitt 250 dar, nachdem ein zweiter Siliziumdioxidlayer 260 in der eingeformten Vertiefung in dem zweiten Wafer-Abschnitt 250 thermisch aufgezogen worden ist und sich zu einer Höhe erstreckt, die zu der Übergangsstelle zwischen dem Silizium und den Dots aus Siliziumnitrid 252 von 10B korrespondiert, und die Siliziumnitriddots 252 gestrippt worden sind. So wird eine planare Oberfläche nahe der ersten Oberfläche 256 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 geschaffen, welche den zweiten Siliziumdioxidlayer 260 durchsetzt mit Silizium-Mesas 262 wie in 11A und 11B gezeigt aufweist. 12A und 12B illustrieren einen ersten Wafer-Abschnitt 270 eines zweiten elektrisch leitenden Silizium-Wafers mit einer ersten Oberfläche 276 und einer zweiten Oberfläche 278, welche typischerweise 600 Quadratmikron betragen. Dieser erste Wafer-Abschnitt 270 ist an die geformte planare Oberfläche des zweiten Wafer-Abschnitts 250 so gebondet, dass die zweite Oberfläche 278 des ersten Wafer-Abschnitts 270 in Kontakt mit der geformten planaren Oberfläche steht. Der erste Wafer-Abschnitt 270 wird dann auf einen Wert abgeschliffen, der typischerweise zwischen 5 und 10 Mikron beträgt. Der Wert wird die Dicke bzw. Stärke der Tragelemente festlegen, die einem späteren Herstellungsschritt gebildet werden. Dies resultiert in einem Sandwichaufbau mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen einem ersten Silizium-Wafer-Abschnitt 270 und einem zweiten Silizium-Wafer-Abschnitt 250 mit einer typischen Dicke von ungefähr 400 Mikron, wobei der erste Wafer-Abschnitt 270 und der zweite Wafer-Abschnitt 250 elektrisch untereinander durch den Siliziumdioxidlayer hindurch über die Silizium-Mesas 262 verbunden sind.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen bevorzugten Ausführung gibt es verschiedene alternative Ausführungen eines Formens eines Sandwichaufbaus mit Layern aus Siliziumdioxid zwischen zwei Layern aus Silizium. Eine alternative Ausführung zur Herstellung eines Aufbaus ähnlich zu dem in 12A und 12B gezeigten besteht darin, Ionen bis in eine Tiefe von typischerweise 5 bis 10 Mikron unter die Oberfläche des zweiten Siliziumdioxidlayers 260 des zweiten Wafer-Abschnitts 250, der in 11A und 11B gezeigt ist, vor einem Bonden des ersten Silizium-Wafer-Abschnitts 270 aus 12A und 12B an die planare Oberfläche des zweiten Siliziumdioxidlayers 260 auf dem zweiten Wafer-Abschnitt 250, wie in 12A und 12B gezeigt ist, zu implantieren. Der erste Wafer-Abschnitt wird nicht abgeschliffen, aber der resultierende Aufbau wird thermisch geschockt. Der thermische Schock ist derart, dass der zweite Wafer-Abschnitt 250 dazu veranlasst wird, sich längs der Verbindung der Ionenimplantation und dem verbleibenden Silizium des zweiten Wafer-Abschnitts 250 zu spalten, woraus sich ein Aufbau ergibt, der zu dem in 12A und 12B gezeigten Aufbau invertiert ist, wobei der zweite Wafer-Abschnitt 250 typischerweise zwischen 5 und 10 Mikron stark ist und der erste Wafer-Abschnitt 270 typischerweise 400 Mikron stark ist. Eine weitere alternative Ausführung zum Herstellen eines Aufbaus ähnlich zu dem in 12A und 12B besteht darin, einen ersten Layer aus Siliziumdioxid 254 auf dem zweiten Wafer-Abschnitt 250 wie in 13A gezeigt ist, heranzuzüchten und dann mehrere kleine Bereiche 255 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 durch den Siliziumdioxidlayer 254 hindurch freizulegen, wobei eine Pfütze (Puddle) aus geschmolzenem Silizium erzeugt wird, und wobei die Pfütze aus geschmolzenem Silizium auf die freiliegende Oberfläche des Siliziumdioxidlayers 254 gezogen wird, wie in 13B gezeigt ist. Ein erster Layer aus Silizium 270 wird oben auf dem Siliziumdioxidlayer 254 gebildet, wenn das geschmolzene Silizium wie in 13B gezeigt abkühlt, wobei sich ein Aufbau ergibt, der ähnlich zu 12A und 12B ist. Eine weitere alternative Ausführung zum Herstellen eines Aufbaus ähnlich zu 12A und 12B besteht darin, einen ersten Layer aus Siliziumdioxid 254 auf der ersten Oberfläche 256 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 wie in 13A gezeigt zu formen. Die zweite Oberfläche 278 des ersten Wafer-Abschnitts 270 wird an den ersten Siliziumdioxidlayer 254 wie in 13C gezeigt gebondet. Eine Vielzahl von kleinen Löchern wird entweder in dem ersten Wafer-Abschnitt 270 oder in dem zweiten Wafer-Abschnitt 250 freigelegt, welche sich zu dem Siliziumdioxidlayer 254 erstrecken. Der freiliegende Siliziumdioxidlayer 254 wird gestrippt und leitfähiges Polysilizium oder anderes leitfähiges Material wird in den kleinen Löchern abgeschieden. Dies resultiert in einer Bildung von elektrischen Verbindungen zwischen dem ersten Wafer-Abschnitt 270 und dem zweiten Wafer-Abschnitt 250, wie in 13B gezeigt ist.
Der zweite Verfahrensschritt der bevorzugten Ausführung ist ein Herstellen einer beweglichen Silizium-Trägheitsmasse 300, von Tragelementen 400 und eines Siliziumtragaufbaus 200, wie in 1A dargestellt ist. Der Sandwichaufbau mit Layern des Siliziumdioxidlayers 260 zwischen dem ersten Wafer-Abschnitt 270 und dem zweiten Wafer-Abschnitt 250, die in 12A und 12B gezeigt sind, bildet den Startpunkt für diesen zweiten Verfahrensschritt. Um einen Bewegungsraum für eine in aufeinanderfolgenden Schritten zu formende Trägheitsmasse bereitzustellen, wird eine erste ein Mikron tiefe Vertiefung 284 auf der ersten Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 und zweite ein Mikron tiefe Vertiefung 264 auf der zweiten Oberfläche 258 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 eingeformt, wie in 14A und 14B dargestellt ist. Es ist zu beachten, dass der zweite Siliziumdioxidlayer 260 und die Silizium-Mesas 262, gezeigt in 14B, in einem vorhergehenden Schritt des Herstellungsprozesses geformt worden sind. Die erste Vertiefung 284 und zweite Vertiefung 264 werden gebildet, indem ein erster Layer aus Siliziumnitrid auf der freiliegenden ersten Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 und ein zweiter Layer aus Siliziumnitrid auf der freiliegenden zweiten Oberfläche 258 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 wie in 14B gezeigt herangezüchtet bzw. aufgebaut werden. Der erste Layer aus Siliziumnitrid und der zweite Layer aus Siliziumnitrid werden maskiert, um für die erste rechtwinklige Vertiefung 284 und die zweite rechtwinklige Vertiefung 264 einen ersten und einen zweiten freigelegten rechtwinkligen Bereich zu schaffen. Der erste und der zweite rechtwinklige Bereich werden so positioniert, dass sie in horizontaler Ausrichtung zueinander liegen. Der freigelegte erste und zweite rechtwinklige Bereich werden dann von dem Siliziumdioxidlayer so freigestrippt, dass der erste und zweite rechtwinklige Bereich aus Silizium auf dem ersten Wafer-Abschnitt 270 und dem zweiten Wafer-Abschnitt 250 freiliegen. Layer aus Siliziumdioxid werden auf dem freiliegenden Silizium in dem ersten und zweiten rechtwinkligen Bereich herangezüchtet. Die Maskierung der Siliziumnitridlayer wird entfernt und das Siliziumnitrid und das Siliziumdioxid werden gestrippt, wobei eine 1 Mikron tiefe Vertiefung auf der ersten Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 und eine 1 Mikron tiefe Vertiefung auf der zweiten Oberfläche 258 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 zurückgelassen werden, wo die Layer aus Siliziumdioxid herangezüchtet worden waren, wie in 14A und 14B dargestellt ist.
Ein zweiter Abschnitt 308 einer beweglichen Silizium-Trägheitsmasse wird in dem zweiten Wafer-Abschnitt 250 von 14B wie in 15A und 15B gezeigt geformt, indem ein rechtwinkliger rahmenförmiger Bereich mit einer Breite von typischerweise 20 Mikron innerhalb der Peripherie der zweiten Vertiefung 264 von 14B maskiert wird, wobei der rechtwinklige rahmenförmige Bereich eine große und eine kleine Abmessung besitzt. Ein Siliziumdioxidlayer wird über dem verbleibenden freiliegenden Bereich der zweiten Oberfläche 258 des in 14B gezeigten zweiten Wafer-Abschnitts 250 herangezüchtet, und die rahmenförmige Maskierung wird entfernt, wobei ein rahmenförmiger Bereich aus Silizium innerhalb der zweiten Vertiefung 264 auf der zweiten Oberfläche 258 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 von 14B freiliegt. Das freigelegte Silizium wird von der freiliegenden zweiten Oberfläche 258 aus 14B sich zu dem Siliziumdioxidlayer 260, der einen Ätz-Stop bildet, hin erstreckend geätzt, vorzugsweise mittels resistivem Ionenätzen (RIE = Resistive Ion Etching), wobei ein rahmenförmiger Kanal 266 in dem zweiten Wafer-Abschnitt 250 von 14B erzeugt wird, woraus sich der Siliziumtragaufbau 200 und der zweite Abschnitt 308 der Trägheitsmasse ergibt, wie in 15A und 15B dargestellt ist. Innerhalb des Kanals 266 befindet sich der zweite Abschnitt 308 der Trägheitsmasse mit einer zweiten Oberfläche 304, die zuvor Teil der zweiten Oberfläche 258 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 aus 14B war. Außerhalb des Kanals 266 befindet sich der Siliziumtragaufbau 200 mit einer zweiten Oberfläche 204, welche zuvor Teil der zweiten Oberfläche 258 des zweiten Wafer-Abschnitts 250 aus 14B war. Ein erster Abschnitt 306 der beweglichen Silizium-Trägheitsmasse 300 von 1A und Tor sionstragelemente 400 werden in dem ersten Wafer-Abschnitt 270 aus 14B wie in 16A und 16B gezeigt geformt, indem ein U-förmiger Bereich und ein stabförmiger Bereich, jeder mit einer Breite von typischerweise 20 Mikron, innerhalb der Peripherie der ersten Vertiefung 284 maskiert werden. Der stabförmige Bereich besitzt eine lange Abmessung, welche mit der großen Abmessung bzw. Hauptabmessung des in 15A und 15B gezeigten rechtwinkligen rahmenförmigen Kanals 266 fluchtet. Der U-förmige Bereich und der stabförmige Bereich werden so positioniert, dass sie in horizontaler Ausrichtung mit dem rechtwinkligen rahmenförmigen Kanal 266 aus 15A, der zuvor in den zweiten Wafer-Abschnitt 250 von 14A eingeformt worden ist, liegen und gleiche planare Abmessungen wie dieser aufweisen. Diese Ausrichtung ermöglicht eine rechtwinklige Parallelepipedgestalt der zu formenden Trägheitsmasse nach dem anschließenden Ätzprozess des ersten Abschnitts 306 Trägheitsmasse. Ein Siliziumdioxidlayer wird über dem verbleibenden freiliegenden Bereich der ersten Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 aus 14A herangezüchtet, und die U-förmige und stabförmige Maskierung wird entfernt, wobei ein U-förmiger und ein stabförmiger Bereich von Silizium innerhalb der ersten Vertiefung 284 auf der ersten Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 nach 14A freigelegt werden. Das freigelegte Silizium wird von der freiliegenden ersten Oberfläche 276 sich zu dem Siliziumdioxidlayer 260 aus 14A, der einen Ätz-Stop bildet, hin erstreckend geätzt, vorzugsweise mittels resistivem Ionenätzen (RIE = Resistive Ion Etching), wobei ein rahmenförmiger Kanal 286 und ein stabförmiger Kanal 288 in dem ersten Wafer-Abschnitt 250 von 14A erzeugt wird, wie in 16A und 16B dargestellt ist. Das interstitielle Silizium zwischen dem U-förmigen Kanal 286 und dem stabförmigen Kanal 288 bildet die Torsionstragelemente 400. Innerhalb des U-förmigen Kanals 286 und des stabförmigen Kanals 288 befindet sich der erste Abschnitt 306 der Trägheitsmasse mit einer ersten Oberfläche 302, welche zuvor Teil der ersten Oberfläche 276 des in 14A gezeigten ersten Wafer-Abschnitts 270 war. Außerhalb der Kanäle 286, 288 befindet sich der Siliziumtragaufbau 200 mit einer ersten Oberfläche 202, welche zuvor Teil der ersten Oberfläche 276 des in 14A gezeigten ersten Wafer-Abschnitts 270 war. Der sich ergebende Aufbau, der in 16A und 16B dargestellt ist, ist die Trägheitsmasse 300 aus 1A, welche durch Stege aus Siliziumdioxid und den Torsionstragelementen 400, die an dem Siliziumtragaufbau 200 befestigt sind, in Position gehalten wird. Die in 16B gezeigte Trägheitsmasse weist den ersten Abschnitt 306, welcher Teil des ersten Wafer-Abschnitts 270 und des Siliziumdioxidlayers 260 aus 14B war, und den zweiten Abschnitt 308 auf, welcher Teil des zweiten Wafer-Abschnitts 250 aus 14B war. Der in 16B gezeigten Siliziumtragaufbau 200 weist einen Teil des ersten Wafer-Abschnitts 270, des Siliziumdioxidlayers 260 und des zweiten Wafer-Abschnitts 250 nach 14B auf.
Der gesamte Aufbau wird in dem geätzten rahmenförmigen Kanal 266, in dem geätzten U-förmigen Kanal 286 und in dem geätzten stabförmigen Kanal 288 wie in 16A und 16B gezeigt von freiliegendem Siliziumdioxid gestrippt, wodurch eine als ein rechtwinkliges Parallelepiped geformte Trägheitsmasse 300 mit einer ersten Oberfläche 302 und einer zweiten Oberfläche 304 erzeugt wird, welche durch Torsionstragelemente 400 positioniert ist, die an einem Siliziumtragaufbau 200, der eine erste Oberfläche 202 und eine zweite Oberfläche 204 aufweist, befestigt sind, wie in 17A und 17B dargestellt ist. Der benutzte Stripper ist typischerweise Fluorwasserstoff.
Es gibt verschiedene Alternativen für die bevorzugte Ausführung zur Herstellung der beweglichen Silizium-Trägheitsmassen 300, Tragelemente 400 und Siliziumtragaufbauten 200, die in 17A und 17B gezeigt sind. Eine dieser Alternativen weist ein Einstellen der Dicke bzw. Stärke der Tragelemente 400 durch Einstellen der Dicke des ersten Wafer-Abschnitts 270 aus 14A mit ein, was erreicht werden kann, indem entweder auf der freiliegenden ersten Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 Silizium epitaxial herangezüchtet wird oder die freiliegende erste Oberfläche 276 des ersten Wafer-Abschnitts 270 aus 14A durch Ionenfräsen oder Schleifen bearbeitet wird. Weitere alternative Ausführung bestehen darin, die Breite der Tragelemente durch Einstellen der räumlichen Trennung zwischen dem U-förmigen Kanal 286 und dem stabförmigen Kanal 288 aus 16A einzustellen, oder die Länge der Tragelemente durch Einstellen der Breite der geätzten Kanäle 266, 286, 288 wie in 16A und 16B gezeigt einzustellen. Die bevorzugte Ausführung zur Bildung von Torsionstragelementen 400, wie in 1A gezeigt ist, besteht darin, in Bezug auf 16A und 16B den stabförmigen Kanal 288 über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals 286 zu positionieren, wobei der stabförmige Kanal 288 innerhalb der äußeren Abmessung des U-förmigen Kanals 286 zentriert ist, wobei sich die Länge des stabförmigen Kanals 288 ausdehnt, um der gesamten äußeren Breite der Oberseite des U-förmigen Kanals 286 zu gleichen, und wobei ein räumliches Trennen der Enden des stabförmigen Kanals 288 von der Oberseite des U-förmigen Kanals 286 erfolgt. Ein Verfahren zum Formen von Ausleger- bzw. Kragtragelementen 410, wie in 1B dargestellt ist, wird mit Bezugnahme auf 18 beschrieben, wobei die Auslegertragelemente geformt werden, indem der stabförmige Kanal 288 über der offenen Oberseite des U-förmigen Kanals 286 positioniert wird, wobei der stabförmige Kanal 288 innerhalb der Innenabmessung des U-förmigen Kanals 286 zentriert wird, wobei sich die Länge des stabförmigen Kanals 288 ausdehnt, um kleiner zu sein als die innere Breite der Oberseite des U-förmigen Kanals 286, und wobei ein räumliches Trennen der Enden des stabförmigen Kanals 288 von der inneren Oberseite des U-förmigen Kanals 286 erfolgt.
Eine Alternative zum elektrischen Verbinden des ersten Wafer-Abschnitts 270 und zweiten Wafer-Abschnitts 250 besteht darin, ein leitfähiges Material, vorzugsweise Polysilizium, an den Seitenwänden des U-förmigen Kanals 286, des rahmenförmigen Kanals 266 und des stabförmigen Kanals 288 nach einem Strippen des innerhalb dieser Bereiche freigelegten Siliziumdioxidlayers 260 abzulagern.
Eine alternative Vorrichtung zur Abtastung bzw. Erfassung einer Bewegung der Trägheitsmasse 300 durch Befestigung von piezoresistiven Elementen 420 an den Tragelementen 410 erfordert einen einfachen ersten Deckplattenaufbau 600 und einen einfachen zweiten Deckplattenaufbau 700, wobei beide aus einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel Glas, zum Bonden an den Siliziumtragaufbau 200, wie in 7 gezeigt ist, bestehen. Die piezoresistiven Elemente sind dann an eine geeignete Schaltung zur Widerstandsmessung angeschlossen, um die Größe einer Verdrehung oder Biegung der Tragelemente auf Grund einer Bewegung der Trägheitsmasse als Reaktion auf Beschleunigung festzulegen.
Der dritte Verfahrensschritt der bevorzugten Ausführung ist ein Herstellen des ersten Deckplattenaufbaus 600 und zweiten Deckplattenaufbaus 700 und ein Bonden der Deckplattenaufbauten an den Siliziumtragaufbau 200, wie in 19 dargestellt ist. Die bevorzugte Ausführung zur Abtastung einer Bewegung der Trägheitsmasse besteht darin, zwei veränderliche Kapazitäten zu messen. Die erste veränderliche Kapazität besteht zwischen der ersten Oberfläche 302 der Trägheitsmasse 300 und einem ersten metallischen Layer 640, der an einem ersten Deckplattenaufbau 600 befestigt ist, welcher von dem Siliziumtragaufbau 200 isoliert und an diesem angebracht ist. Die zweite veränderliche Kapazität besteht zwischen der zweiten Oberfläche 304 der Trägheitsmasse 300 und einem zweiten metallischen Layer 740, der an einem zweiten Deckplattenaufbau 700 befestigt ist, welcher von dem Siliziumtragaufbau 200 isoliert und an diesem angebracht ist. Der erste Deckplattenaufbau 600 ist ein Spiegelbild des zweiten Deckplattenaufbaus 700, wie in 19 gezeigt ist, so wird zur Abkürzung nur die Herstellung des ersten Deckplattenaufbaus beschrieben.
Bezug nehmend auf 20A besteht die bevorzugte Ausführung zum Herstellen des ersten Deckplattenaufbaus 600 darin, dass ein erster Layer aus Siliziumdioxid 626 auf einer freiliegenden ersten Oberfläche 622 eines elektrisch leitfähigen dritten Wafer-Abschnitts 620 aufgebaut wird, wobei der dritte Wafer-Abschnitt 620 eine zweite Oberfläche 624 gegenüber der ersten Oberfläche 622 aufweist. Der erste Layer aus Siliziumdioxid 626 auf dem dritten Wafer-Abschnitt 620 wird so maskiert, dass die Siliziumdioxidoberfläche bis auf ein kleine geformte Schablone freiliegt, welche positioniert wird, um mit der Lage der Trägheitsmasse wie in 20A gezeigt übereinzustimmen. Der freiliegende Siliziumdioxidlayer 626 wird gestrippt, um das Silizium der ersten Oberfläche 622 des dritten Wafer-Abschnitts 620 mit Ausnahme der maskierten geformten Schablone freizulegen. Die freigelegte Siliziumoberfläche wird bis auf eine Tiefe von typischerweise 75 Mikron dergestalt geätzt, dass eine kleine Silizium-Mesa 630 (Tafeloberfläche) auf der ersten Oberfläche 622 des dritten Wafer-Abschnitts 620 wie in 20B dargestellt geformt wird. Dann werden Gräben in einem rechtwinkligen kreuzschraffierten Muster auf der ersten Oberfläche 622 des dritten Wafer-Abschnitts 620 bis auf eine Tiefe von typischerweise der halben Dicke des dritten Wafer-Abschnitts 620 oder von ungefähr 200 Mikron eingeformt. Die rechtwinklige Kreuzschraffierung enthält eine Silizium-Mesa und ist so positioniert, dass sie mit der Position der Trägheitsmasse wie in 20B gezeigt übereinstimmt.
21 ist eine perspektivische Teilschnittansicht des ersten Deckplattenaufbaus 600, welche den dritten Wafer-Abschnitt 620 mit Gräben darstellt, nachdem ein Layer aus Glas über der ersten Oberfläche 622 des dritten Wafer-Abschnitts 620 so geschmolzen ist, dass die Gräben mit Glas gefüllt sind und die Silizium-Mesa 630 mit Glas bedeckt ist. Die Glasoberfläche wird flachgeschliffen, wobei eine planare Glasoberfläche 612 geformt wird, wobei die Oberseite der Mesa 630 freiliegt, und die zweite Oberfläche 624 des dritten Wafer-Abschnitts so zurückgeschliffen, dass die mit Glas gefüllten Gräben wie in 21 gezeigt freiliegen. Ein erster metallischer rechtwinkliger Musterlayer 640 wird auf der planaren Glasoberfläche 612 des ersten Deckplattenaufbaus so geformt, dass der metallische Layer 640 mit dem gegenüber liegenden elektrisch leitenden dritten Wafer-Abschnitt 620 und seiner zweiten Oberfläche 624 durch die elektrisch leitende Silizium-Mesa 630 elektrisch verbunden ist. Der erste metallische Layer 640 wird so positioniert und mit Abmessungen versehen, dass er mit der ersten Oberfläche 302 der in 19 dargestellten Trägheitsmasse 300 übereinstimmt.
Die Glasoberfläche 612 des ersten Deckplattenaufbaus 600, der in 21 gezeigt ist, wird auf die erste Oberfläche 202 des in 19 gezeigten Siliziumtragaufbaus 200 so gebondet, dass der erste metallische Layer 640 mit der ersten Oberfläche 302 der Trägheitsmasse 300 übereinstimmt und von ihr beabstandet ist, dergestalt, dass zwischen der ersten Oberfläche 302 und dem ersten metallischen Layer 640 wie in 19 gezeigt ein erster veränderlicher Kondensator gebildet wird. In ähnlicher Weise wird der zweite Deckplattenaufbau 700 auf die zweite Oberfläche 204 des Siliziumtragaufbaus 200 so gebondet, dass zwischen der zweiten Oberfläche 304 der Trägheitsmasse und dem zweiten metallischen Layer 740 wie in 19 gezeigt ein zweiter veränderlicher Kondensator gebildet wird. Elektrische Bonding-Pads 870 werden auf der zweiten Oberfläche 624 des dritten Wafer-Abschnitts 620, auf der Oberfläche des Siliziumtragaufbaus 200 und auf der zweiten Oberfläche 724 des vierten Wafer-Abschnitts 720 wie in 6 gezeigt gebildet. Elektrische Leitungsdrähte 880 verbinden den ersten Deckplattenaufbau 600, den Siliziumtragaufbau 200 und den zweiten Deckplattenaufbau 700, wie in 6 gezeigt ist, mit einer elektronischen Schaltung zur Messung des Werts des ersten veränderlichen Kondensators und des Werts des zweiten veränderlichen Kondensators, wobei eine Messung der Bewegung der Trägheitsmasse 300 geschaffen wird, welche eine Angabe der Beschleunigungsgröße und Beschleunigungs richtung ist, die auf den Sensor einwirken. 22 zeigt einen Querschnitt eines monolithischen Silizium-Beschleunigungssensors mit einer einzelnen Sensorzelle, die an eine elektronische Schaltung zur Kapazitätsmessung angeschlossen ist.
Eine weitere Ausführung zum Herstellen eines abwechselnden ersten Deckplattenaufbaus 650 besteht darin, ein kleines Loch 666 in einen Abschnitt eines elektrisch isolierenden Materials bzw. Isolationsmaterials 660 mit einer ersten Oberfläche 662 und einer zweiten Oberfläche 664 wie in 8 gezeigt so einzuformen, dass das Loch mit der Lage einer Trägheitsmasse übereinstimmt. Die Oberfläche des Lochs 66 wird metallisiert, wie auch ein erster rechtwinkliger metallischer Layer 668 auf der zweiten Oberfläche 664 des isolierenden Materials 660, dergestalt, dass der rechtwinklige metallische Layer 668 auf der zweiten Oberfläche 664 mit der ersten Oberfläche durch das metallisierte Loch elektrisch verbunden und positioniert und größenmäßig so abgestimmt ist, dass er mit einer ersten Oberfläche einer Trägheitsmasse übereinstimmt. Ein elektrisches Bonding-Pad 870 wird auf der ersten Oberfläche 662 des isolierenden Materials 660 in elektrischem Kontakt mit dem metallisierten Loch 666 geformt. Die zweite Oberfläche 664 des isolierenden Materials 660 wird auf die erste Oberfläche des Siliziumtragaufbaus so gebondet, dass der metallisierte Layer 668 mit der ersten Oberfläche der Trägheitsmasse übereinstimmt und von dieser beabstandet ist, wodurch ein erster veränderlicher Kondensator gebildet wird. Ein zweiter Deckplattenaufbau wird in ähnlicher Art und Weise geformt und auf die zweite Oberfläche des Siliziumtragaufbaus gebondet.
Es wurde oben angemerkt, dass monolithische Beschleunigungssensoren mit mehr als einem Sensor durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt werden können, indem lediglich die Winkelorientierung der Tragelemente in Bezug aufeinander verändert wird. 5 zeigt einen monolithischen Beschleunigungssensor 110 mit einer ersten und einer zweiten Beschleunigungssensorzelle, wobei die zweite Sensorzelle eine Trägheitsmasse 320 aufweist, die in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 340 orientiert ist, wenn die erste Oberfläche der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz betrachtet wird. 4A und 4B zeigen Alternativen eines monolithischen Beschleunigungssensors 120, 130 mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Beschleunigungssensorzelle, wobei die zweite Sensorzelle eine Trägheitsmasse 310 aufweist, die in einem 90-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 340 orientiert ist, und die dritte Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 320 ist in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 340 orientiert, wenn die erste Oberfläche der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz betrachtet wird. 2 zeigt einen monolithischen Beschleunigungssensor 140 mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Beschleunigungssensorzelle, wobei die zweite Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 310 in einem 90-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 340 orientiert ist, die dritte Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 320 in einem 180-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 340 orientiert ist, und die vierte Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 330 in einem 270-Grad-Winkel zu der ersten Sensorzelle mit einer Trägheitsmasse 340 orientiert ist, wenn die erste Oberfläche der Trägheitsmassen unter Verwendung der Tragelemente als Winkelreferenz betrachtet wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlicher Detaillierung mit Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Versionen davon beschrieben worden ist, sind weitere Versionen möglich. Es sollte selbstverständlich sein, dass die hierin beschriebenen Ausführungen lediglich beispielhaft sind, und dass viele wechselnde Ausführungen und zusätzliche Ausführungen dem Fachmann offensichtlich werden, wobei die vorliegende Erfindung nur durch den Inhalt und Rahmen der hier angefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor (100), (110), (120), (130), (140), (150), welcher zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen aufweist, wobei jede dieser Sensorzellen eine bewegliche Silizium-Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340) mit einer ersten Oberfläche (302) und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (304) umfasst, wobei die Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340), welche durch an einer Tragstruktur (200) aus Silizium befestigten Traggliedern positioniert ist, eine erste und gegenüberliegende zweite Oberfläche (202), (204) aufweist, wobei die Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340) von jedem der zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen in der Lage ist, sich in Reaktion auf eine Beschleunigung längs zweier orthogonaler Beschleunigungsachsen zu bewegen, wobei eine erste Achse parallel zu den ersten und zweiten Oberflächen (302), (304) der Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340) verläuft, und wobei eine zweite Achse senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächen (302), (304) der Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340) steht, wobei jede der Silizium-Sensorzellen Mittel zur Erfassung einer Bewegung der Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340) in Reaktion auf Beschleunigung längs der ersten Achse und der zweiten Achse aufweist, und wobei der Sensor (110), (120), (130), (140) eine erste und zweite Beschleunigungssensorzelle der zumindest zwei Silizium-Beschleunigungssensorzellen umfasst, wobei die zweite Sensorzelle entweder in einem Winkel von 90 Grad oder 180 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, wenn die erste Oberfläche (302) der Trägheitsmassen (300), (310), (320), (330), (340) betrachtet wird, wobei die Tragglieder als eine Winkelreferenz verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragglieder als Torsionstragglieder (400) ausgebildet sind, welche in zwei Ecken der Trägheitsmasse (300), (310), (320), (330), (340) positioniert sind.
Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mittel zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmassen (300), (310), (320), (330), (340) mit elektronischen Schaltungen aus metallischen Bonds an der Tragstruktur (200) aus Silizium gebildet sind; (b) die Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten metallischen Layer (640) der ersten Abdeckplattenstrukturen (600) aus dritten leitenden Silizium-Waferabschnitten (620), die an ersten Glasisolatoren (610) angebracht sind, gebildet sind, wobei die dritten leitenden Silizium-Waferabschnitte (620) erste leitende Silizium-Mesas (630) durch die ersten Glasisolatoren (610) hindurch in elektrischem Kontakt mit den ersten metallischen Layern (640) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880) angebondet sind; und (c) die Mittel zur elektrischen Verbindung der zweiten metallischen Layer (740) der zweiten Abdeckplattenstrukturen (700) aus vierten leitenden Silizium-Waferabschnitten (720), die an zweiten Glasisolatoren (710) angebracht sind, gebildet sind, wobei die vierten leitenden Silizium-Waferabschnitte (720) zweite leitende Silizium-Mesas (730) durch die zweiten Glasisolatoren (710) hindurch in elektrischem Kontakt mit den zweiten metallischen Layern (740) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880) angebondet sind.
Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (120), (130) weiterhin eine dritte Beschleunigungssensorzelle zur Abtastung von Beschleunigung längs dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen aufweist, wobei die zweite Sensorzelle in einem Winkel von 90 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist und die dritte Sensorzelle in einem Winkel von 180 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, wenn die erste Oberfläche (302) der Trägheitsmassen (310), (320), (340) betrachtet wird, wobei die Torsionstragglieder (400) als eine Winkelreferenz verwendet werden.
Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mittel zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmassen (310), (320), (340) mit elektronischen Schaltungen aus metallischen Bonds an der Tragstruktur (200) aus Silizium gebildet sind; (b) die Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten metallischen Layer (640) der ersten Abdeckplattenstrukturen (600) aus dritten leitenden Silizium-Waferabschnitten (620), die an ersten Glasisolatoren (610) angebracht sind, gebildet sind, wobei die dritten leitenden Silizium-Waferabschnitte (620) erste leitende Silizium-Mesas (630) durch die ersten Glasisolatoren (610) hindurch in elektrischem Kontakt mit den ersten metallischen Layern (640) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880) angebondet sind; und (c) die Mittel zur elektrischen Verbindung der zweiten metallischen Layer (740) der zweiten Abdeckplattenstrukturen (700) aus vierten leitenden Silizium-Waferabschnitten (720), die an zweiten Glasisolatoren (710) angebracht sind, gebildet sind, wobei die vierten leitenden Silizium-Waferabschnitte (720) zweite leitende Silizium-Mesas (730) durch die zweiten Glasisolatoren (710) hindurch in elektrischem Kontakt mit den zweiten metallischen Layern (740) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880) angebondet sind.
Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (140) weiterhin eine dritte und vierte Beschleunigungssensorzelle zur Abtastung von Beschleunigung längs dreier orthogonaler Beschleunigungsachsen aufweist, wobei die zweite Sensorzelle in einem Winkel von 90 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, die dritte Sensorzelle in einem Winkel von 180 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, und die vierte Sensorzelle in einem Winkel von 270 Grad zu der ersten Sensorzelle ausgerichtet ist, wenn die erste Oberfläche (302) der Trägheitsmassen (310), (320), (330), (340) betrachtet wird, wobei die Torsionstragglieder (400) als eine Winkelreferenz verwendet werden.
Monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Mittel zur elektrischen Verbindung der Trägheitsmassen (310), (320), (330), (340) mit elektronischen Schaltungen aus metallischen Bonds an der Tragstruktur (200) aus Silizium gebildet sind; (b) die Mittel zur elektrischen Verbindung der ersten metallischen Layer (640) der ersten Abdeckplattenstrukturen (600) aus dritten leitenden Silizium-Waferabschnitten (620), die an ersten Glasisolatoren (610) angebracht sind, gebildet sind, wobei die dritten leitenden Silizium-Waferabschnitte (620) erste leitende Silizium-Mesas (630) durch die ersten Glasisolatoren (610) hindurch in elektrischem Kontakt mit den ersten metallischen Layern (640) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880) angebondet sind; und (c) die Mittel zur elektrischen Verbindung der zweiten metallischen Layer (740) der zweiten Abdeckplattenstrukturen (700) aus vierten leitenden Silizium-Waferabschnitten (720), die an zweiten Glasisolatoren (710) angebracht sind, gebildet sind, wobei die vierten leitenden Silizium-Waferabschnitte (720) zweite leitende Silizium-Mesas (730) durch die zweiten Glasisolatoren (710) hindurch in elektrischem Kontakt mit den zweiten metallischen Layern (740) aufweisen und metallische Bonding-Pads (870) besitzen, an welchen mit den elektronischen Schaltungen verbundene Zuleitungsdrähte (880) angebondet sind.