JPH0643179A - Acceleration sensor and method of manufacturing the sensor - Google Patents

Acceleration sensor and method of manufacturing the sensor

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JPH0643179A
JPH0643179A JP5092833A JP9283393A JPH0643179A JP H0643179 A JPH0643179 A JP H0643179A JP 5092833 A JP5092833 A JP 5092833A JP 9283393 A JP9283393 A JP 9283393A JP H0643179 A JPH0643179 A JP H0643179A
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JP
Japan
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resonator
silicon
acceleration sensor
acceleration
platelet
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Application number
JP5092833A
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Japanese (ja)
Inventor
Franz Dr Laermer
レルマー フランツ
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

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Abstract

PURPOSE: To detect an acceleration both upward and downward in directions, while avoiding the bending of the resonator of a press load by disposing a flexible spring having symmetric structure, provided with upper and lower resonators in the center of a silicon platelet. CONSTITUTION: Structural parts for resonators 10, 11 are fabricated on the upper and lower sides 5, 6 of a silicon platelet 4. The range of a frame 2 and an oscillatory mass 3 is then masked, and a flexible spring 1 is manufactured by etching the platelet 4 and undercutting the structural part. When acceleration is generated in the vertical direction, the mass 3 is displaced. Consequently, a tensile load is generated in one of the resonators 10, 11, while a pressing load is generated in the other resonator, and the resonance frequencies of the resonators 10, 11 are varied. In the case of a tensile load, the frequency is a measure of the displacement of the mass 3, and thereby a measure of acceleration, and the acceleration can be detected. However in the case of a pressing load, the frequency is not a measure of acceleration. Since a symmetric structure is employed, one resonator can detect the acceleration without fail, while preventing the other pressing resonator from bending.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも1つの撓み
ばねと少なくとも1つの共振子と1つのフレームに懸架
された少なくとも1つの振動質量を有する、シリコンか
らなる加速度センサであって、該センサでは加速度が当
該共振子の周波数の変化に基づいて検出されるものであ
り、前記撓みばね及びフレーム及び振動質量は、シリコ
ン小板の構造化によって作成されている、加速度センサ
及び該センサの製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon acceleration sensor having at least one flexure spring, at least one resonator and at least one oscillating mass suspended on a frame, the sensor comprising: An acceleration sensor and a method for manufacturing the sensor, wherein acceleration is detected based on a change in frequency of the resonator, and the bending spring, the frame, and the oscillating mass are created by structuring a silicon small plate. .

【0002】[0002]

【従来の技術】公知刊行物“Satechell et
al.: Sensor andActuator
s,17(1989)241頁〜245頁”からは次の
ような加速度センサが公知である。すなわち振動質量が
撓みばねと共振子によってフレームに懸架され、加速度
が共振子の周波数の変化に基づいて検出される加速度セ
ンサが公知である。振動質量とフレームはシリコン小板
の構造化によって作成されている。共振子はシリコン小
板の上側に配置され、撓みばねはシリコン小板の下側に
配置される。共振子の振動の励起は、発熱構成要素の熱
膨張によって生じ、被着された圧電性のストレインゲー
ジによって検出される。しかしながらこのセンサではセ
ンサ信号の検出が次のような場合に困難となる。すなわ
ち共振子が押圧によって負荷されるような方向で加速度
が生じているような場合にセンサ信号の検出が困難にな
る。
2. Description of the Related Art The well-known publication "Satechel et.
al. : Sensor and Actuator
S., 17 (1989) pp. 241 to 245 ", the following acceleration sensor is known: an oscillating mass is suspended in a frame by a flexure spring and a resonator, the acceleration being based on a change in the frequency of the resonator. Accelerometers that are detected by the method are known: the oscillating mass and the frame are made by structuring the silicon platelets, the resonator is located above the silicon platelets and the flexure spring is below the silicon platelets. The excitation of the vibration of the resonator is caused by the thermal expansion of the heat-generating component and is detected by the deposited piezoelectric strain gauge, however, this sensor is used when the detection of the sensor signal is In other words, it is difficult to detect the sensor signal when acceleration is generated in a direction in which the resonator is loaded by pressing.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の加速度センサの
欠点を解消し、センサ信号の検出能力が高められた加速
度センサ及び、該センサの製造方法を提供することであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the drawbacks of conventional acceleration sensors and to provide an acceleration sensor having an improved sensor signal detection capability and a method of manufacturing the sensor.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によ
り、撓みばねはシリコン小板の中央に配置され、少なく
とも1つの共振子のそれぞれがシリコン小板の上側及び
下側に配置されるように構成されて解決される。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a flexible spring is arranged in the center of a silicon platelet, and at least one resonator is arranged above and below the silicon platelet. Configured and resolved.

【0005】また上記課題は本発明により、シリコン小
板の上側及び下側に当該共振子に対する構造部を作成
し、前記フレーム及び振動質量に対する範囲をマスキン
グによって覆い、撓みばねを当該シリコン小板からエッ
チング処理加工し、当該振動子に対する構造部をアンダ
ーカットするようにして解決される。
Further, according to the present invention, according to the present invention, a structural portion for the resonator is formed on the upper side and the lower side of the silicon small plate, the range for the frame and the vibrating mass is covered by masking, and the bending spring is formed from the silicon small plate. The problem is solved by performing etching processing and undercutting the structural portion for the vibrator.

【0006】本発明の請求項1の特徴部分による加速度
センサによって得られる利点は、当該加速度センサが、
少なくとも1つの撓みばねをシリコン小板の中央に有し
かつそれぞれ1つの共振子をシリコン小板の上側と下側
に有する対称構造を有していることである。この対称構
造により次のようなことが達成される。すなわち上側又
は下側に対して垂直な方向で加速度が生じた場合に、複
数の共振子のうちの少なくとも1つに引張負荷が生じる
ことが達成される。このことは特に有利である。なぜな
ら押圧負荷された共振子の折れ曲がりがそれによって回
避されるからである。中立軸線が2つの共振子の間の中
央を通っている対称構造により、横方向の感度が僅かと
なる。本発明の請求項7による方法によって得られる利
点は、通常のマイクロ構成技術を用いて加速度センサを
製造することができることである。
The advantage obtained by the acceleration sensor according to the characterizing part of claim 1 of the present invention is that the acceleration sensor is
It has a symmetrical structure with at least one flexure spring in the center of the silicon platelet and one resonator each on the upper side and the lower side of the silicon platelet. The symmetric structure achieves the following. That is, it is achieved that at least one of the plurality of resonators is subjected to a tensile load when acceleration occurs in a direction perpendicular to the upper side or the lower side. This is particularly advantageous. This is because bending of the pressure-loaded resonator is avoided thereby. Due to the symmetrical structure with the neutral axis passing through the center between the two resonators, lateral sensitivity is low. An advantage obtained by the method according to claim 7 of the present invention is that the acceleration sensor can be manufactured using conventional micro-configuration techniques.

【0007】本発明による加速度センサ及び該センサの
製造方法の有利な構成例及び改善例は従属請求項に記載
される。シリコンからなる共振子の経年劣化は僅かであ
り、その材料特性のデータは、非常によく知られてい
る。さらにこのような共振子の製造は高精度に行うこと
ができる。誘電材料からなる共振子ないし撓みばねは特
に精密に製造することが可能である。共振子は撓みバー
として特に簡単に構成される。共振子の上に被着され構
造化された圧電膜により共振子の励振が達成される。こ
の励振は、熱によって誘発されるひずみを僅かしか引き
起こさない。この場合には共振子の振動が次のような構
成によって特に簡単に励起される。すなわち圧電膜を発
振器の構成要素とするような構成によって簡単に励起さ
れる。上側の共振子の周波数と下側の共振子の周波数と
を比較することにより、熱に起因する周波数偏移(ず
れ)が平均化作用により除去される。なぜならこのずれ
は両方の共振子に均等に生じるからである。センサの製
造は撓みばねの厚さをエッチング処理時間によって定め
るようにすると特に簡単である。なぜなら製造に対して
比較的僅かな処理過程しか必要にならないからである。
当該製造が、2つのシリコン小板半片の接合によって行
われれば、撓みばねの厚さの高精度な調整が達成され得
る。この場合は撓みばねがシリコン材料か又は圧電材料
によって形成される。
Advantageous configurations and improvements of the acceleration sensor and the method of manufacturing the sensor according to the invention are described in the dependent claims. Aging of a resonator made of silicon is slight, and its material property data is very well known. Further, such a resonator can be manufactured with high precision. Resonators or flexure springs made of a dielectric material can be manufactured particularly precisely. The resonator is particularly simple as a flexure bar. Excitation of the resonator is achieved by a structured piezoelectric film deposited on the resonator. This excitation causes only a small amount of heat-induced strain. In this case, the vibration of the resonator is particularly easily excited by the following structure. That is, it is easily excited by a structure in which the piezoelectric film is a constituent element of the oscillator. By comparing the frequency of the upper resonator and the frequency of the lower resonator, the frequency shift due to heat is removed by the averaging effect. This is because this deviation occurs evenly in both resonators. The manufacture of the sensor is particularly simple if the thickness of the flexure spring is determined by the etching process time. This is because relatively few processing steps are required for manufacturing.
If the production is carried out by joining two silicon platelet halves, a highly precise adjustment of the thickness of the flexure spring can be achieved. In this case, the flexible spring is made of a silicon material or a piezoelectric material.

【0008】[0008]

【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づき詳細に説
明する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【0009】図1には符号4でシリコン小板が示されて
いる。該シリコン小板4に対する構造化によりフレーム
2と振動質量3が作成されている。この振動質量3は、
シリコン小板4の中央にある撓みばね1と上側5及び下
側6に設けられている共振子10,11によってフレー
ム2と接合される。共振子の上にはリード導体8を有す
る圧電膜7が配置されている。リード導体8と、シリコ
ン小板4の上側ないし下側との間には絶縁部9が配置さ
れている。
In FIG. 1, a silicon platelet is shown at 4. The frame 2 and the vibrating mass 3 are created by structuring the silicon small plate 4. This vibrating mass 3 is
The flexible spring 1 in the center of the silicon small plate 4 and the resonators 10 and 11 provided on the upper side 5 and the lower side 6 are joined to the frame 2. A piezoelectric film 7 having a lead conductor 8 is arranged on the resonator. An insulating portion 9 is arranged between the lead conductor 8 and the upper side or the lower side of the silicon small plate 4.

【0010】図2には加速度センサの平面図が示されて
いる。図1は、図2中の破線I−Iに沿った断面図に相
応する。図2の平面図からは、振動質量3が撓みばね1
及び上側5の共振子10によってフレーム2と接続され
ていることがわかる。撓みばね1の下側には、共振子1
0に相応して下側6に対する別の共振子11が設けられ
ている。簡単化のために、圧電膜7に対するリード導体
8と上側の面5に対する絶縁部は当該平面図中には示さ
れていない。
FIG. 2 shows a plan view of the acceleration sensor. FIG. 1 corresponds to the cross-sectional view taken along the broken line I-I in FIG. From the plan view of FIG. 2, the oscillating mass 3 shows the bending spring 1
And that the resonator 10 on the upper side 5 is connected to the frame 2. The resonator 1 is provided below the bending spring 1.
Corresponding to 0, another resonator 11 for the lower side 6 is provided. For simplicity, the lead conductor 8 for the piezoelectric film 7 and the insulation for the upper surface 5 are not shown in the plan view.

【0011】フレーム2は対象物と固定的に接続され
る。この対象物の加速度は上側5又は下側6に対し垂直
方向で測定されるべきである。振動質量は、撓みばね1
と共振子10,11にのみ懸架される。この場合撓みば
ね1の剛性は次のように設計される。すなわち上側5な
いし下側6に対し垂直方向で加速が生じた場合に振動質
量3が、該振動質量3の静止位置から変位するように設
定される。この変位により機械的な応力が2つの共振子
10,11内で引き起こされる。その際共振子の一方に
は引張負荷が生じ、他方には押圧負荷が生じる。この2
つの負荷に基づいて当該共振子の共振周波数が変化す
る。共振子10,11,12には、圧電膜7への電圧の
印加により機械的な振動が励起される。この機械的振動
の振動振幅は、励振周波数がちょうど共振子の固有振動
に相応する場合に特に大きくなる。相応の帰還結合によ
って共振子は次のように励振される。すなわち該共振子
が共振するように、すなわち撓みバーの一次の固有振動
の中で振動するように励振される。引張負荷ないし押圧
負荷によってこの周波数は変化する。この周波数は振動
質量の変位に対する尺度量であって、すなわち加速度に
対する尺度量である。引張負荷の場合では、周波数の変
化は共振子の破壊点付近までの引張応力に対する尺度量
となる。押圧負荷の場合では、比較的僅かな押圧負荷の
際に共振子の折れ曲がりが生じ、そのため押圧負荷に対
しては非直線的な剛性変化が現れる。この場合には周波
数の変化が当該印加された押圧負荷に対する尺度量とは
ならない。これは次のようなことを意味する。すなわち
共振子が引張負荷された場合の信号は、共振子が押圧負
荷された場合の信号よりも格段に広い加速度範囲に亘っ
て評価可能であることを意味する。そのため1つの共振
子が常に引張負荷されることを保証するために、それぞ
れ1つの共振子を上側5と下側6に配置することは有利
である。さらに対称的な構造により、押圧負荷されてい
る方の第2の共振子(この共振子の剛性の変化は非直線
的なものとなる)の折れ曲がりが確実に避けられる。
The frame 2 is fixedly connected to the object. The acceleration of this object should be measured perpendicular to the upper side 5 or the lower side 6. The oscillating mass is the flexure spring 1
And is suspended only on the resonators 10 and 11. In this case, the rigidity of the flexible spring 1 is designed as follows. That is, the oscillating mass 3 is set so as to be displaced from the rest position of the oscillating mass 3 when acceleration occurs in a direction perpendicular to the upper side 5 to the lower side 6. This displacement causes mechanical stress in the two resonators 10, 11. At that time, a tensile load is generated on one of the resonators and a pressing load is generated on the other. This 2
The resonance frequency of the resonator changes based on one load. Mechanical vibrations are excited in the resonators 10, 11, and 12 by applying a voltage to the piezoelectric film 7. The vibration amplitude of this mechanical vibration is particularly large when the excitation frequency corresponds exactly to the natural vibration of the resonator. The corresponding feedback coupling excites the resonator as follows. That is, the resonator is excited to resonate, that is, to vibrate in the primary natural vibration of the bending bar. This frequency changes depending on the tensile load or pressure load. This frequency is a measure for the displacement of the oscillating mass, ie for acceleration. In the case of a tensile load, the change in frequency is a measure for the tensile stress up to the breaking point of the resonator. In the case of a pressing load, bending of the resonator occurs at a comparatively small pressing load, so that a non-linear rigidity change appears with respect to the pressing load. In this case, the change in frequency does not serve as a measure for the applied pressure load. This means the following: That is, it means that the signal when the resonator is tension-loaded can be evaluated over a much wider acceleration range than the signal when the resonator is pressure-loaded. It is therefore advantageous to arrange one resonator on each of the upper side 5 and the lower side 6 in order to ensure that one resonator is always under tensile load. Furthermore, due to the symmetrical structure, the bending of the second resonator (the change in the rigidity of this resonator becomes non-linear) which is pressed and loaded is reliably avoided.

【0012】図1と図2では共振子10及び11が単一
の撓みバーとして構成されている。しかしながらこの単
一の撓みバーの代わりに、多重の撓みバー構成要素、例
えば前記公知例(Satchell)に記載されている
三重振動子又は二重振動子を用いることも同様に可能で
ある。また撓みばね(撓みバー)1に、一方の側では押
圧応力が生じ、他方の側では引張応力が生じることのみ
が保証される場合は、当該撓みバー1の他の配置ないし
構成も可能である。
1 and 2, the resonators 10 and 11 are constructed as a single flexure bar. However, instead of this single flexure bar, it is likewise possible to use multiple flexure bar components, for example the triple oscillator or the double oscillator described in the abovementioned Satchell. Further, when it is guaranteed that the bending spring (flexing bar) 1 has a pressing stress on one side and a tensile stress on the other side, other arrangements or configurations of the bending bar 1 are possible. .

【0013】加速度センサの製造は、シリコン小板4か
らなる撓みばね1、フレーム2及び振動質量3の作成に
よって行われる。この場合塩基性のエッチング溶液を用
いた際のシリコンのエッチングは結晶方位に強く依存す
ることが利用される。ここに示されたセンサは、矩形状
の平面を有している振動質量3を備え、例えば100−
結晶方位を有するシリコン小板からエッチング加工され
る。しかしながら別の結晶方位を有するシリコン小板を
用いることも可能である。センサの製造に対してはシリ
コン小板4の上に、共振子用の構造化された膜が被着さ
れる。この構造化された膜は、撓みばね1、フレーム
2、及び振動質量3をシリコン小板4から構造化によっ
て作成するためにアンダーカットされる。
The acceleration sensor is manufactured by forming a bending spring 1, a frame 2 and a vibrating mass 3 made of a silicon small plate 4. In this case, it is utilized that the etching of silicon when using a basic etching solution strongly depends on the crystal orientation. The sensor shown here comprises an oscillating mass 3 having a rectangular plane, for example 100-
Etching is performed from a silicon small plate having a crystal orientation. However, it is also possible to use silicon platelets with different crystallographic orientations. For the production of the sensor, a structured membrane for the resonator is deposited on the silicon platelet 4. This structured membrane is undercut in order to create the flexure spring 1, the frame 2 and the oscillating mass 3 from the silicon platelet 4 by structuring.

【0014】図3にはシリコン小板4の表面が示されて
いる。この表面には共振子10に対する構造部21が被
着されされている。この場合共振子10は、シリコン小
板4の結晶構造に対して所定の配向状態を有していなけ
ればならない。塩基性エッチング溶液によるシリコンの
エッチングの場合、エッチングによって境界をつけられ
たシリコンの結晶面は111−平面を形成する。この1
11−平面はシリコン小板4の表面と所定の角度で交わ
っている。該111−平面に平行に位置している直線状
稜縁部が、非エッチング材料によってシリコン小板の上
に設けられている場合には、この非エッチング層はアン
ダーカットされない。すなわちこの層はエッチングマス
クとして作用する。そのため異方性エッチングの際にア
ンダーカットされるためには共振子10は、シリコン小
板4の111−方向に対して所定の角度18を有してい
なければならない。この場合当該角度18の大きさは共
振子10の長さと幅に依存する。共振子10に対する構
造部21用の材料は、シリコン小板4に対する塩基性エ
ッチング溶液によって全くか又はほんの僅かしかエッチ
ングされてはならない。この適合材料は例えば酸化シリ
コン又は窒化シリコンからなる誘電膜である。さらに非
常に強くドーピングされたシリコンは、すなわちシリコ
ン小板4の残りに対するpn−接合部を形成するシリコ
ンに適合する。強くドーピングされたシリコンは塩基性
エッチング溶液によりほんの僅かしか腐食されない。p
n−接合部では電圧の印加によりエッチングが抑圧され
る。
The surface of the silicon platelet 4 is shown in FIG. The structure 21 for the resonator 10 is attached to this surface. In this case, the resonator 10 must have a predetermined orientation with respect to the crystal structure of the silicon platelet 4. In the case of etching silicon with a basic etching solution, the crystal planes of silicon bounded by the etching form the 111-plane. This one
The 11-plane intersects the surface of the silicon platelet 4 at a predetermined angle. If the straight edge lying parallel to the 111-plane is provided on the silicon platelet by a non-etching material, this non-etching layer is not undercut. That is, this layer acts as an etching mask. Therefore, in order to be undercut during anisotropic etching, the resonator 10 must have a predetermined angle 18 with respect to the 111-direction of the silicon platelet 4. In this case, the size of the angle 18 depends on the length and width of the resonator 10. The material for the structure 21 for the resonator 10 should not be etched at all or only slightly by the basic etching solution for the silicon platelet 4. This compatible material is, for example, a dielectric film made of silicon oxide or silicon nitride. Furthermore, the very strongly doped silicon is compatible with the silicon forming the pn-junction to the rest of the silicon platelet 4. Heavily doped silicon is only slightly corroded by the basic etching solution. p
At the n-junction, etching is suppressed by applying a voltage.

【0015】撓み舌片部の厚さはエッチング処理時間を
制御することによって調整することができる。その際エ
ッチングを適時に終了すれば、撓みばね1に所定の厚み
を残すことができる。撓みばね1の厚さを調整する別の
手段は図4に示されている。
The thickness of the flexure tongue can be adjusted by controlling the etching process time. At that time, if the etching is finished in a timely manner, a predetermined thickness can be left in the flexible spring 1. Another means of adjusting the thickness of the flexure spring 1 is shown in FIG.

【0016】図4には符号22及び23で2つのシリコ
ン小板半片が示されている。この2つのシリコン小板半
片22,23は、矢印で示されているように、相互に接
合されている。相互で対向している側にはエッチングマ
スク25が設けられている。この2つのシリコン小板半
片22,23は次のように相互に接合される。すなわち
撓みばね1に対する構造部24が相互に調整されて位置
するように接合される。しかしながら2つのシリコン小
板半片22,23の1つのみが撓みばね1に対する構造
部24を備えるようにすることも同様に可能である。2
つのシリコン小板半片22,23の接合はいわゆるボン
ディング処理過程によって行われる。この過程では、シ
リコン小板半片22,23は化学的に処理されて相互に
重ねられ、400°よりも低い温度による熱処理を受け
る。撓みばね1に対する構造部24は、シリコン小板半
片22,23の相応のトーピングによって生成すること
もできる。強いドーピングの際には、撓みばねに対する
構造部24は別の手段なしで塩基性エッチング溶液に対
して安定しており、弱いドーピングの際には構造部24
とシリコン小板半片22,23の残りとの間で再びpn
−接合部が構成され、相応の電圧が印加されなければな
らない。また構造部24が例えば酸化シリコン又は窒化
シリコン等の誘電材料からなることも同様に考えられ
る。これらの誘電材料は別の手段なしで塩基性エッチン
グ溶液に対して安定している。2つのシリコン小板半片
22,23の結合構成によって形成されるシリコン小板
4は、塩基性エッチング溶液への侵漬によりエッチング
される。その際エッチングマスク25は、結晶構造に対
して次のように配向される。すなわちエッチングマスク
25が全くか又はほんの僅かだけアンダーカットされる
ように配向される。シリコン小板4が100の方位を有
するシリコンからなる場合は、ここに破線によって示さ
れているように、振動質量の側壁がエッチングされる。
この側壁部は表面に対して約55°の角度を有してい
る。
FIG. 4 shows two silicon platelet halves at 22 and 23. The two silicon platelet halves 22, 23 are joined together as indicated by the arrow. An etching mask 25 is provided on the side facing each other. The two silicon plate halves 22, 23 are joined together as follows. That is, the structural portions 24 for the flexure spring 1 are joined so as to be adjusted and positioned relative to each other. However, it is likewise possible that only one of the two silicon platelet halves 22, 23 is provided with a structure 24 for the flexure spring 1. Two
The joining of the two silicon plate halves 22, 23 is carried out by the so-called bonding process. In this process, the silicon platelet halves 22 and 23 are chemically treated and overlaid on one another and subjected to a heat treatment at a temperature below 400 °. The structure 24 for the flexure spring 1 can also be produced by corresponding taping of the silicon platelet halves 22,23. During strong doping, the structure 24 for the flexure spring is stable against basic etching solutions without any further measures, and during weak doping the structure 24 is stable.
And pn between the rest of the silicon plate halves 22 and 23 again.
The junction must be constructed and a corresponding voltage applied. It is also conceivable that the structure 24 is made of a dielectric material such as silicon oxide or silicon nitride. These dielectric materials are stable to basic etching solutions without alternative means. The silicon platelet 4 formed by the combined construction of the two silicon platelet halves 22, 23 is etched by immersion in a basic etching solution. At that time, the etching mask 25 is oriented as follows with respect to the crystal structure. That is, the etching mask 25 is oriented so that it is undercut, at all or only slightly. If the silicon platelets 4 consist of silicon with an orientation of 100, the sidewalls of the oscillating mass are etched, as indicated here by the dashed lines.
The sidewall has an angle of about 55 ° with the surface.

【0017】図5ではセンサ信号の評価が説明される。
この図でも撓みばね1が示されている。この撓みばね1
では振動質量3がフレーム2に固定されている。上側5
には共振子10が配置されており、下側6には共振子1
1が配置されている。これらの共振子10,11は、そ
れぞれ圧電膜7を有し、発振器15の周波数を定める構
成要素である。発振器15と共振子10,11との相応
のフィードバックにより当該発振器15は、共振子1
0,11の撓みばね1の固有周波数で振動する。この場
合発振器15の相応のバンドパスフィルタリングによっ
て所望の振動モードが選択される。2つの発振器15が
振動する周波数は、比較器16において相互に比較され
る。発振器15の2つの周波数の違いは出力信号を形成
する。出力信号のこのような検出方式は次のような利点
を有する。すなわち共振子10,11の、温度に依存す
る周波数ずれが抑圧されるという利点を有する。なぜな
らこの周波数ずれは2つの共振子に同じように作用を及
ぼすからである。
FIG. 5 illustrates the evaluation of the sensor signal.
The flexure spring 1 is also shown in this figure. This flexure spring 1
The vibrating mass 3 is fixed to the frame 2. Upper 5
The resonator 10 is arranged on the lower side 6 and the resonator 1 is arranged on the lower side 6.
1 is arranged. Each of these resonators 10 and 11 has a piezoelectric film 7 and is a component that determines the frequency of the oscillator 15. Due to the corresponding feedback between the oscillator 15 and the resonators 10, 11, the oscillator 15 is
It vibrates at the natural frequency of the flexure spring 1 of 0 and 11. In this case, the desired vibration mode is selected by the corresponding bandpass filtering of the oscillator 15. The frequencies at which the two oscillators 15 oscillate are compared with each other in the comparator 16. The difference between the two frequencies of the oscillator 15 forms the output signal. Such a detection method of the output signal has the following advantages. That is, there is an advantage that the frequency shift of the resonators 10 and 11 depending on the temperature is suppressed. This is because this frequency shift has the same effect on the two resonators.

【0018】[0018]

【発明の効果】本発明の請求項1の特徴部分による加速
度センサによって得られる利点は、当該加速度センサ
が、少なくとも1つの撓みばねをシリコン小板の中央に
有しかつそれぞれ1つの共振子をシリコン小板の上側と
下側に有する対称構造を有していることである。この対
称構造により次のようなことが達成される。すなわち上
側又は下側に対して垂直な方向で加速度が生じた場合
に、複数の共振子のうちの少なくとも1つに引張負荷が
生じることが達成される。これにより、押圧負荷された
共振子の折れ曲がりが回避される。中立軸線が2つの共
振子の間の中央を通っている対称構造により、横方向感
度が僅かとなる。
The advantage obtained by the acceleration sensor according to the characterizing part of claim 1 of the invention is that the acceleration sensor has at least one flexing spring in the center of the silicon platelet and one resonator for each silicon. It has a symmetrical structure on the upper side and the lower side of the small plate. The symmetric structure achieves the following. That is, it is achieved that at least one of the plurality of resonators is subjected to a tensile load when acceleration occurs in a direction perpendicular to the upper side or the lower side. As a result, bending of the pressure-loaded resonator is avoided. The lateral sensitivity is low due to the symmetrical structure with the neutral axis passing through the center between the two resonators.

【0019】また本発明の方法によって得られる利点
は、通常のマイクロ構成技術を用いて加速度センサを製
造することができることである。
An advantage obtained by the method of the invention is also that the acceleration sensor can be manufactured using conventional micro-configuration techniques.

【0020】本発明によれば、共振子の、温度に依存す
る周波数偏移が抑圧される。
According to the invention, the temperature-dependent frequency deviation of the resonator is suppressed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による加速度センサの横断面図である。1 is a cross-sectional view of an acceleration sensor according to the present invention.

【図2】ウエハに相対的な共振子の平面図である。FIG. 2 is a plan view of a resonator relative to a wafer.

【図3】ウエハに相対的な共振子の配置構成を示した図
である。
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement configuration of resonators relative to a wafer.

【図4】2つのシリコン小板半片による構成を示した図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of two silicon small plate halves.

【図5】センサの評価に対する手順を説明した図であ
る。
FIG. 5 is a diagram illustrating a procedure for sensor evaluation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 撓みばね 2 フレーム 3 振動質量 4 シリコン小板 5 上側 6 下側 7 圧電膜 8 リード導体 9 縁部 10 共振子 11 共振子 15 発振器 16 比較器 21 構造部 22 シリコン小板半片 23 シリコン小板半片 24 構造部 25 エッチングマスク 1 Bending Spring 2 Frame 3 Vibration Mass 4 Silicon Small Plate 5 Upper 6 Lower 7 Piezoelectric Film 8 Lead Conductor 9 Edge 10 Resonator 11 Resonator 15 Oscillator 16 Comparator 21 Structure 22 Silicon Small Plate Half Piece 23 Silicon Small Plate Half Piece 24 Structure 25 Etching mask

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1つの撓みばね(1)と少な
くとも1つの共振子(10〜12)と1つのフレーム
(2)に懸架された少なくとも1つの振動質量(3)を
有する、シリコンからなる加速度センサであって、該セ
ンサでは加速度が当該共振子(10〜12)の周波数の
変化に基づいて検出されるものであり、前記撓みばね
(1)及びフレーム(2)及び振動質量(3)は、シリ
コン小板(4)の構造化によって作成されている、加速
度センサにおいて、 前記撓みばね(1)はシリコン小板(4)の中央に配置
され、少なくとも1つの共振子(10〜12)のそれぞ
れがシリコン小板(4)の上側(5)及び下側(6)に
配置されていることを特徴とする、加速度センサ。
1. An acceleration of silicon having at least one flexure spring (1), at least one resonator (10-12) and at least one oscillating mass (3) suspended on one frame (2). A sensor, in which acceleration is detected based on a change in the frequency of the resonator (10-12), and the bending spring (1), the frame (2), and the vibrating mass (3) are An acceleration sensor made by structuring the silicon platelets (4), wherein the flexure spring (1) is arranged in the center of the silicon platelets (4) and of at least one resonator (10-12). An acceleration sensor, characterized in that each is arranged on the upper side (5) and the lower side (6) of the silicon platelet (4).
【請求項2】 前記撓みばね(1)は及び/又は共振子
(10〜12)は、シリコンからなり、振動質量(3)
とは異なってドーピングされている、請求項1記載の加
速度センサ。
2. The flexure spring (1) and / or the resonator (10-12) is made of silicon and comprises an oscillating mass (3).
The acceleration sensor of claim 1, wherein the acceleration sensor is differently doped.
【請求項3】 前記共振子(10〜12)及び/又は撓
みばね(1)は、誘電材料からなる、請求項1又は2記
載の加速度センサ。
3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the resonator (10-12) and / or the bending spring (1) is made of a dielectric material.
【請求項4】 前記共振子(10〜12)は、撓みバー
として構成されている、請求項1から3までいずれか1
記載の加速度センサ。
4. The resonator (10-12) according to claim 1, wherein the resonator (10-12) is configured as a flexure bar.
The acceleration sensor described.
【請求項5】 前記共振子(10〜12)の上に、構造
化された圧電性の膜(7)が被着されされている、請求
項4記載の加速度センサ。
5. Acceleration sensor according to claim 4, characterized in that a structured piezoelectric film (7) is deposited on the resonator (10-12).
【請求項6】 前記圧電膜(7)に対する共振子(10
〜12)は発振器(15)の構成要素であり、上側
(5)の共振子(10〜12)の周波数が下側(6)の
共振子(10〜12)の周波数と比較される、請求項5
記載の加速度センサ。
6. A resonator (10) for the piezoelectric film (7).
~ 12) are components of the oscillator (15), the frequency of the upper (5) resonator (10-12) being compared with the frequency of the lower (6) resonator (10-12). Item 5
The acceleration sensor described.
【請求項7】 前記請求項1〜7いずれか1記載の加速
度センサの製造方法において、 前記シリコン小板(4)の上側(5)及び下側(6)に
当該共振子(10〜12)に対する構造部(21)を作
成し、 前記フレーム(2)及び振動質量(3)に対する範囲を
マスキング(25)によって覆い、 撓みばね(1)を当該シリコン小板(4)からエッチン
グ処理加工し、 当該振動子(10〜12)に対する構造部(21)をア
ンダーカットする、加速度センサの製造方法。
7. The method of manufacturing an acceleration sensor according to claim 1, wherein the resonator (10-12) is provided on an upper side (5) and a lower side (6) of the silicon small plate (4). A structural part (21) for the frame (2) and the range for the vibrating mass (3) are covered with a masking (25), and the bending spring (1) is etched from the silicon small plate (4). A method of manufacturing an acceleration sensor, comprising undercutting a structural portion (21) for the vibrator (10 to 12).
【請求項8】 前記共振子(10〜12)に対する構造
部(21)を、シリコン小板(4)の111の平面に対
して角度(18)をつけて配向し、それによって異方性
エッチングにより共振子(10〜12)に対する構造部
(21)がアンダーカットされ得る、請求項7記載の方
法。
8. Structures (21) for the resonators (10-12) are oriented at an angle (18) with respect to the plane of 111 of the silicon platelet (4), whereby anisotropic etching is performed. Method according to claim 7, characterized in that the structure (21) for the resonator (10-12) can be undercut.
【請求項9】 前記撓みばね(1)を、前記振動性質量
(3)と同じドーピング特性のシリコンによって構成
し、当該撓みばね(1)の厚さをエッチング期間によっ
て定める、請求項7又は8記載の方法。
9. The flexure spring (1) is made of silicon with the same doping properties as the oscillatory mass (3) and the thickness of the flexure spring (1) is defined by the etching period. The method described.
【請求項10】 前記シリコン小板(4)を、2つのシ
リコン小板半片(22,23)の接合によって製造し、
この場合該シリコン小板半片(22,23)の少なくと
も1つが、相互に対向している側で撓みばね(1)に対
する構造部(24)を有している、請求項7又は8記載
の方法。
10. The silicon platelet (4) is manufactured by joining two silicon platelet halves (22, 23),
9. The method according to claim 7, wherein at least one of said silicon platelet halves (22, 23) has a structure (24) for the flexure spring (1) on the side facing each other. .
【請求項11】 前記撓みばね(1)に対する構造部
(24)は、前記シリコン小板半片(22,23)とは
別のドーピング特性を有するシリコンからなる、請求項
10記載の方法。
11. Method according to claim 10, characterized in that the structure (24) for the flexure spring (1) is made of silicon with a doping characteristic different from that of the silicon platelet halves (22, 23).
【請求項12】 前記撓みばね(1)は誘電材料からな
る、請求項10記載の方法。
12. The method according to claim 10, wherein the flexure spring (1) is made of a dielectric material.
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