DE19750350C1 - Three-dimensional chip acceleration sensor - Google Patents
Three-dimensional chip acceleration sensorInfo
- Publication number
- DE19750350C1 DE19750350C1 DE19750350A DE19750350A DE19750350C1 DE 19750350 C1 DE19750350 C1 DE 19750350C1 DE 19750350 A DE19750350 A DE 19750350A DE 19750350 A DE19750350 A DE 19750350A DE 19750350 C1 DE19750350 C1 DE 19750350C1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- acceleration sensor
- acceleration
- metal layer
- layer
- seismic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 title claims abstract description 72
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 13
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 12
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 239000002318 adhesion promoter Substances 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005323 electroforming Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 B. Au Chemical compound 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000001015 X-ray lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004380 ashing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- KERTUBUCQCSNJU-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);disulfamate Chemical compound [Ni+2].NS([O-])(=O)=O.NS([O-])(=O)=O KERTUBUCQCSNJU-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring 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
- G01P15/0802—Details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring 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
- G01P15/125—Measuring 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 capacitive pick-up
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring 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
- G01P2015/0805—Measuring 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
- G01P2015/0808—Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring 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
- G01P2015/0805—Measuring 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
- G01P2015/0822—Measuring 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
- G01P2015/0825—Measuring 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
- G01P2015/0831—Measuring 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 having the pivot axis between the longitudinal ends of the mass, e.g. see-saw configuration
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Chip-Beschleunigungs sensor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung mittels UV-unterstützter Mikrogalvanik nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 9.The present invention relates to a three-dimensional chip acceleration sensor and a method for its production by means of UV-assisted micro-electroplating the preamble of claims 1 and 9.
Mit der hohen Präzision und den geringen Abmessung kann ein derartiger Beschleunigungssensor überall dort eingesetzt werden, wo eine dreidimensionale Messung von Beschleunigungen in einer "Low-Cost"-Weise erforderlich ist.With the high precision and the small size, such a Accelerometer can be used wherever a three-dimensional measurement of Accelerations in a "low cost" manner is required.
Beschleunigung ist ein allgemeiner physikalisch Parameter. Sie begleitet uns in verschiedensten Formen durch das tägliche Leben. So vielfältig wie das Auftreten von Beschleunigungen ist, so vielfältig sind auch ihre Meßverfahren. Beschleunigungssensoren, die auf den piezoelekrtrischen, piezoresistiven oder kapazitiven Meßprinzipien basieren, wurden bereits entwickelt. Hinsichtlich eines geringen Temperaturkoeffizienten, einer hohen Langzeitstabilität und insbesondere eines monolithischen Integrationspotentials mit Mikroelektronik weisen die oberflächenmikromechanisch hergestellten, kapazitiv arbeitenden Beschleunigungssensoren wesentliche Vorteile gegenüber anderen Prinzipen auf. Die meisten bisher bekannten mikromechanischen Beschleunigungssensoren sind jedoch als eindimensionale Sensoren ausgebildet (WO 92/03740, EP 0 623 825, DE 44 32 837, DE 41 26 100, etc.). Ist eine dreidimensionale Erfassung der Beschleunigung erforderlich, werden drei einzeln arbeitende Sensoren mit entsprechenden mechanischen Hilfsvorrichtungen durch spezifische und sehr aufwendige Montagetechniken auf einem geeigneten Formkörper angeordnet und miteinander verschaltet, wie in den Fällen DE 91 13 744, WO 94/14076 und WO 96/04561, wodurch die erreichbare mechanische Präzision und der Miniaturisierungsgrad eingeschränkt werden. Ein weiterer Nachteil bei dieser Lösung ist der relativ hohe äußere Verdrahtungsaufwand, wodurch bei einigen Anwendungen sogar das Meßsignal verfälscht wird.Acceleration is a general physical parameter. She accompanies us in various forms through daily life. As diverse as the appearance of Accelerations are as varied as their measuring methods. Accelerometers that based on the piezoelectric, piezoresistive or capacitive measuring principles already developed. With regard to a low temperature coefficient, a high one Long-term stability and in particular a monolithic integration potential Microelectronics feature the surface micromechanically manufactured, capacitively operating Acceleration sensors have significant advantages over other principles. Most However, previously known micromechanical acceleration sensors are one-dimensional Sensors formed (WO 92/03740, EP 0 623 825, DE 44 32 837, DE 41 26 100, etc.). Is A three-dimensional detection of the acceleration is required, three individually working sensors with corresponding mechanical auxiliary devices through specific and very complex assembly techniques arranged on a suitable molded body and interconnected, as in the cases DE 91 13 744, WO 94/14076 and WO 96/04561, which limits the achievable mechanical precision and the degree of miniaturization become. Another disadvantage of this solution is the relatively high outer Wiring effort, which even falsifies the measurement signal in some applications becomes.
In der Druckschrift Reuber, Claus: "Beschleunigung per Chip gemessen", Elektronik 3 (1995) S. 58 bis 62 ist ein Chip-Beschleunigungssensor beschrieben, der nur in einer Richtung empfindlich ist. Dieser Chip-Beschleunigungssensor basiert auf dem kapazitiven Meßprinzip und besteht im wesentlichen aus einer Doppelkamm-Elektrode und einer seismischen Masse, die an einem federnden Arm befestigt ist. Zur Begrenzung der Auslenkung der seismischen Masse ist ein Anschlag vorgesehen.In the publication Reuber, Claus: "Acceleration measured by chip", electronics 3 (1995) pp. 58 to 62 describe a chip acceleration sensor that is only in one direction is sensitive. This chip acceleration sensor is based on the capacitive measuring principle and consists essentially of a double comb electrode and a seismic mass, which is attached to a resilient arm. To limit the deflection of the seismic Mass is provided a stop.
Aus JP-Patents abstracts of Japan 5-264577 (A) ist ein Chip-Beschleunigungssensor zur Detektion von dreidimensionalen Beschleunigungen bekannt. Hierzu sind vier um einen Punkt angeordnet seismische Massen symmetrisch entlang eines Trägers angeordnet. Entsprechend der Beschleunigung ändern sich die einzelnen Abstände der vier seismischen Massen zu am Träger angebrachten Elektroden, so daß dreidimensionale Beschleunigungswerte bestimmt werden können.From JP patents abstracts of Japan 5-264577 (A) is a chip acceleration sensor known for the detection of three-dimensional accelerations. This is four by one Point arranged seismic masses arranged symmetrically along a carrier. The individual distances of the four seismic cells change according to the acceleration Masses to electrodes attached to the carrier, so that three-dimensional Acceleration values can be determined.
Auf der Fachtagung "8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators 1995", S. 566-569 wurde ein Sensorelement zur dreidimensionalen Bestimmung der Beschleunigung vorgestellt. Eine Piezokeramik wurde als Kernelement verwendet, die unter Einwirkung einer Beschleunigung deformiert wird und dabei eine Ladung erzeugt. Eine Gruppe von 16 Elektroden wurden zur Messung der Ladungsänderung an der Piezokeramik angebracht. Die Beschleunigungen verschiedener Achsen wurden anschließend aus 16 Signalen aufwendig umgerechnet. Außerdem ist die Temperatur-Drift des Sensors sehr groß. Auf der gleichen Tagung (S. 554-557) wurde noch ein kapazitiv arbeitender dreidimensionaler Beschleunigungssensor vorgestellt. Dieser weist eine Glas-Silizium-Glas-Struktur auf und wurde mittels Bulkmikromechanik hergestellt. Die drei Scheiben wurden separat strukturiert und bei kontrolliertem Druck durch anodisches Bonden hermetisch verschlossen. Die Beschleunigung muß auch hier durch eine aufwendige Kalkulation aus den Meßsignalen entsprechender Meßelektroden errechnet werden.At the 8th International Conference on Solid State Sensors and Actuators 1995 ", pp. 566-569 was a sensor element for three-dimensional determination of the Acceleration presented. A piezoceramic was used as the core element, the one below Acceleration is deformed and a charge is generated. A Group of 16 electrodes were used to measure the charge change on the piezoceramic appropriate. The accelerations of different axes were then made up of 16 signals costly converted. In addition, the temperature drift of the sensor is very large. On the same conference (pp. 554-557) was a capacitive three-dimensional Accelerometer presented. This has a glass-silicon-glass structure and was manufactured using bulk micromechanics. The three disks were structured separately and hermetically sealed at controlled pressure by anodic bonding. The Here, too, acceleration has to be carried out using a complex calculation from the measurement signals corresponding measuring electrodes can be calculated.
In der DE 37 41 036 wird ein direkt messender dreidimensionaler Chip- Beschleunigungssensor vom piezoresistiven Prinzip beschrieben. Einerseits weist das piezoresistive Prinzip Nachteile im Vergleich zum kapazitiven Meßprinzip auf, anderseits benötigt seine Herstellung viele Zeit- und kostenaufwendigen Prozesse, z. B. Epitaxie, Ioneninplantation der Ätzstopschicht, Diffusion von Piezowiderständen sowie eine mehrstufige lithographische Strukturierung. Diese Herstellung ist nicht mit den IC-Technologien kompatibel. Daher scheidet eine Integrationsmöglichkeit des Sensorelementes mit der Auswerteschaltung aus.DE 37 41 036 describes a directly measuring three-dimensional chip Acceleration sensor described by the piezoresistive principle. On the one hand, that shows piezoresistive principle disadvantages compared to the capacitive measuring principle, on the other hand its manufacture requires many time and costly processes, e.g. B. epitaxy, Ion implantation of the etch stop layer, diffusion of piezoresistors and a multi-stage lithographic structuring. This manufacture is not with the IC technologies compatible. Therefore, a possibility of integrating the sensor element with the Evaluation circuit out.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Herstellung dreidimensionaler Chip- Beschleunigungssensoren mit Hilfe eines einfachen, kostengünstigen Verfahrens zu realisieren. Dabei soll der Chip-Beschleunigungssensor so gestaltet werden, daß er für eine dreidimensionale Bestimmung der Beschleunigungen nutzbar ist, und zwar in jeder Meßrichtung vorteilhaft auf dem Differentialkapazitiätsmeßprinzip basierend. Der Sensor soll mittels einer kostengünstigen und mit dem IC-Prozeß kompatiblen Technologie in einem Planar-Prozeß mit wenigen Herstellungsschritte hergestellt werden können.The object of the invention is to produce three-dimensional chip Realize acceleration sensors using a simple, inexpensive method. The chip acceleration sensor should be designed so that it for a three-dimensional determination of the accelerations is usable, in each Direction of measurement advantageously based on the differential capacitance measuring principle. The sensor should using a cost-effective technology compatible with the IC process in one Planar process can be produced with a few manufacturing steps.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Chip-Beschleunigungssensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Verfahren mit den im Anspruch 9 genannten Verfahrensschritten gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention, this task is accomplished by a chip acceleration sensor solved the features specified in claim 1. Further training and refinements result from the associated subclaims. Furthermore, the task is performed by a Method solved with the method steps mentioned in claim 9. Beneficial Process variants result from the subclaims.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß der Chip-Beschleunigungssensor ein integrierter Aufbau aus drei differential-kapazitiv arbeitenden Beschleunigungssensoren ist, bei denen es sich um zwei identische, jedoch um 90° gegeneinander verdrehte lateral empfindliche Sensoren für X- und Y-Richtung und einen vertikal empfindlichen Sensor für Z-Richtung handelt.An essential feature of the invention is that the chip acceleration sensor integrated structure consisting of three differential capacitive acceleration sensors which are two identical, laterally sensitive, but rotated 90 ° against each other Sensors for the X and Y direction and a vertically sensitive sensor for the Z direction acts.
Der Chip-Beschleunigungssensor wird durch die Kombination eines UV-unterstützten Mikrogalvanikprozesses mit einer Opferschichttechnik aus einem Dreischichtsystem hergestellt. Die erste Schicht dient als Basisschicht für den galvanischen Aufbau der Sensorstruktur. Die Verbindungsbahnen bzw. die Bondpads auf dem Träger werden ebenfalls aus der ersten Schicht herausstruktuiert. Die zweite Schicht ist die sogenannte Opferschicht, die als Hilfsschicht zum Aufbau der Sensorstruktur dient und danach wieder vollständig weggeätzt wird. Die dritte Schicht bildet die eigentlich Sensorstruktur, die elektrochemisch innerhalb der Zwischenräume eines lithographisch strukturierten Lacks auf der Basisschicht bzw. der Opferschicht aufwächst. Die gewünschten beweglichen Teile der Sensorstruktur werden dann durch selektives naßchemisches Ätzen der darunterliegenden Opferschicht erzeugt.The chip acceleration sensor is supported by the combination of a UV Micro electroplating process with a sacrificial layer technique from a three-layer system manufactured. The first layer serves as the base layer for the galvanic structure of the Sensor structure. The connecting tracks or the bond pads on the carrier are also structured out of the first layer. The second layer is the so-called sacrificial layer, which serves as an auxiliary layer for building up the sensor structure and then again completely is etched away. The third layer is the actual sensor structure, the electrochemical one within the spaces of a lithographically structured lacquer on the base layer or the victim layer grows up. The desired moving parts of the sensor structure are then by selective wet chemical etching of the underlying sacrificial layer generated.
Der große Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die drei Sensorelemente zur Bestimmung der Beschleunigung in den drei Raumachsen mittels planarer Mikrogalvanik auf einem Substrat integriert aufgebaut sind. Hierdurch erübrigen sich mechanische Hilfsvorrichtungen, die Montage- bzw. die Verschaltungsarbeit, die bei drei eindimensionalen Beschleunigungssensoren zur dreidimensionalen Beschleunigungsmessung notwendig sind. Der erfindungsgemäße Chip-Beschleunigungssensor weist einen hohen Miniaturisierungsgrad und eine hohe mechanische Präzision auf.The great advantage of the invention is that the three sensor elements for Determination of the acceleration in the three spatial axes using planar micro-electroplating are built up integrated with a substrate. This eliminates the need for mechanical Auxiliary devices, the assembly or the wiring work, the three one-dimensional Acceleration sensors for three-dimensional acceleration measurement are necessary. Of the Chip acceleration sensor according to the invention has a high degree of miniaturization and high mechanical precision.
In jeder Meßrichtung beruht die Messung auf dem Differentialkapazitätsmeßprinzip. Somit kann die Beschleunigung in jeder Richtung mittels des sogenannten Kraftkompensationsverfahrens genau und linear bestimmt werden. Dabei wird die seismische Masse durch eine elektronische Regelung in Nullstellung gehalten, womit Nichtlinearitäten der Federauslenkung ausgeschaltet werden. Daneben wird die Struktur mechanisch weniger belastet, so daß eine höhere Langzeitstabilität des Sensors gewährleistet ist.In each measuring direction, the measurement is based on the differential capacitance principle. Thus, the acceleration can be done in any direction using the so-called Force compensation method can be determined precisely and linearly. The seismic Mass is held in zero position by an electronic control, whereby non-linearities of the Spring deflection can be switched off. In addition, the structure is mechanically less loaded, so that a higher long-term stability of the sensor is guaranteed.
Das Herstellungsverfahren ist besonders einfach und wirtschaftlich, da aufwendig hohe Temperaturprozesse, Trockenätzung, Dotierung sowie X-ray Lithographie weitestgehend vermieden werden. The manufacturing process is particularly simple and economical, since it is expensive Temperature processes, dry etching, doping and X-ray lithography as far as possible be avoided.
Bei den verwendeten lateral empfindlichen Beschleunigungssensoren sind die feststehenden Elektroden unverrückbar auf einem isolierte Substrat aufgebaut, indem sie jeweils in ihrem Mittelbereich mit dem Träger fest verbunden sind. Im Vergleich dazu sind die sogenannten feststehenden Elektroden beim Stand der Technik eigentlich nur an einem Ende zum Träger hin verankert. Entlang der Fingerelektroden bleibt die Plattenhöhe und somit die Kapazität des Kondensators konstant. Dies ermöglicht eine hohe Stabilität der Struktur, womit eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet wird. Es wird vorteilhaft eine gefaltete Biegefeder benutzt, die eine stärkere Auslenkung der Prüfmasse zuläßt. Zusätzliche Blöcke an den Lageinseln dienen zum Schutz vor zu großer Auslenkung.In the laterally sensitive acceleration sensors used, the fixed electrodes built up on an insulated substrate by immovable are firmly connected to the carrier in their central region. In comparison, they are So-called fixed electrodes in the prior art actually only at one end anchored to the carrier. The plate height remains along the finger electrodes and thus the Capacitance of the capacitor constant. This enables a high stability of the structure, with what a high measuring accuracy is guaranteed. A folded spiral spring is advantageous used, which allows a greater deflection of the test mass. Additional blocks on the Lag Islands serve as protection against excessive excursions.
Vorteilhaft sind beim vertikal empfindlichen Beschleunigungssensor die Torsionsfedern nicht direkt, sondern über einen rechteckigen Ring mit dem Anker verbunden. Dies verhindert eine Übertragung von Spannungen vom Anker auf die Torsionsfeder. Zugleich wird die asymmetrische Masse mit Schlitzen versehen, um günstige dynamische Eigenschaften des Sensors zu erzielen. Die Breite der Schlitze sollte die Hälfte des Schlitzabstandes betragen.The are advantageous for the vertically sensitive acceleration sensor Torsion springs are not connected directly to the anchor, but via a rectangular ring. This prevents tension from being transmitted from the anchor to the torsion spring. At the same time the asymmetrical mass is slotted to provide favorable dynamic properties to achieve the sensor. The width of the slots should be half the slot spacing be.
Die Höhe der Sensorstruktur wird durch die Dicke des verwendeten Fotolacks bestimmt und kann bis zu etwa 30 µm mit einem Aspektverhältnis von etwa 6 reichen. Im Vergleich dazu weisen aus Polysilizium heraus strukturierte Beschleunigungssensoren eine Strukturhöhe von etwa 2 µm auf. Hohe Strukturen verbessern die Steifigkheit der Sensorstruktur. Die Querempfindlichkeit in anderer Richtung ist aufgrund der hohen Steifigkeit der Aufhängungen der seismischen Massen sehr gering.The height of the sensor structure is determined by the thickness of the photoresist used determined and can range up to about 30 microns with an aspect ratio of about 6. in the By comparison, acceleration sensors structured out of polysilicon have one Structure height of about 2 µm. High structures improve the rigidity of the Sensor structure. The cross sensitivity in another direction is due to the high rigidity the suspension of the seismic masses is very low.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ist aus galvanisierten metallischen Schichten aufgebaut, die ein direktes Bonden mit Metalldraht (Au, AlSil) zulassen oder zu denen sich durch das sogenannte Flip-Chip-Bonden eine dauerhafte Verbindung mit der äußeren Schaltung herstellten läßt. Damit wird eine zusätzliche Metallisierung überflüssig.The acceleration sensor according to the invention is made of galvanized metallic Layers built up that allow or allow direct bonding with metal wire (Au, AlSil) which through the so-called flip-chip bonding a permanent connection with the manufactured external circuit. This eliminates the need for additional metallization.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ist mit der Auswerteschaltung in einem sogenannten Additiv-Verfahren auf, demselbem Substrat einfach integrierbar. Die Auswerteschaltung kann zunächst mittels eines beliebigen Verfahrens hergestellt werden (CMOS-, Bipolar- oder Mischprozeß). Das Verfahren zur Herstellung des Sensors, setzt additiv ohne Eingriff in das Verfahren zur Herstellung der Auswerteschaltung an.The acceleration sensor according to the invention is in one with the evaluation circuit so-called additive process, easily integrated on the same substrate. The Evaluation circuit can first be produced using any method (CMOS, bipolar or mixed process). The process for manufacturing the sensor continues additively without intervention in the method for producing the evaluation circuit.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is described below with reference to the drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1: eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Chip-Beschleunigungssensors Fig. 1: an overall view of an inventive chip-acceleration sensor
Fig. 2: einen schematischen Aufbau eines lateral empfindlichen Beschleunigungsensors FIG. 2 shows a schematic structure of a laterally sensitive accelerometer
Fig. 3: einen Querschnitt A-A' entsprechend Fig. 2 FIG. 3 shows a cross-section AA 'as shown in FIG. 2
Fig. 4: einen Querschnitt B-B' entsprechend Fig. 2 FIG. 4 shows a cross-section BB 'corresponding to Fig. 2
Fig. 5: einen schematischer Aufbau des vertikal empfindlichen Beschleunigungsensors Fig. 5: a schematic structure of the vertically sensitive acceleration sensor
Fig. 6: einen Querschnitt C-C' entsprechend Fig. 5 Fig. 6 shows a cross section CC 'in accordance with FIG. 5
Fig. 7: eine Darstellung zur Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens. FIG. 7 is a view for illustrating the manufacturing process.
Fig. 1 stellt eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Chip-Beschleunigungssensors dar. Der erfindungsgemäße Chip-Beschleunigungssensor besteht aus zwei identischen, um 90° gegeneinander verdrehten lateral empfindlichen Sensorelementen (für X- und Y-Meßrichtung) und einem vertikal empfindlichen Sensorelement (für Z-Meßrichtung). Jedes Sensorelement ist wie ein Differentialkondensator aufgebaut, d. h. jeder weist eine an Lagerinseln über die Biegfedern aufgehängte seismische Masse als bewegliche Mittelelektrode und zwei feststehende Gegenelektroden auf. Die Lagerinseln für die Aufhängung der seismischen Masse und die Gegenelektroden werden durch die Leiterbahnen zu Bondpads geführt. Fig. 1 shows an overall view of an inventive chip-acceleration sensor. The chip acceleration sensor of the invention consists of two identical, at 90 ° to each other twisted laterally sensitive sensor elements (for X- and Y-direction of measurement) and a vertically sensitive sensor element (for Z-direction of measurement ). Each sensor element is constructed like a differential capacitor, ie each has a seismic mass suspended on bearing islands via the bending springs as a movable center electrode and two fixed counter electrodes. The bearing islands for the suspension of the seismic mass and the counter electrodes are led through the conductor tracks to bond pads.
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines lateral empfindlichen Beschleunigungssensors auf einem Träger 1. Der Sensor weist eine seismische Prüfmasse 2 auf, die an jedem Ende jeweils über eine gefaltete Biegefeder 3 an einer Lagerinsel 4 parallel zur Oberfläche des Trägers 1 lateral auslenkbar aufgehängt ist (siehe Pfeil in Fig. 2). Der Abstand zwischen der Prüfmasse 2 und dem Träger 1 entspricht der Dicke der im Herstellungsprozeß verwendeten Opferschicht. Die Verwendung einer gefalteten Biegefeder 3 läßt eine stärkere Auslenkung der Prüfmasse 2 als eine einfache gerade Aufhängung infolge ihrer kleinen Federkonstante zu, die nur halb so groß ist, wie die bei einer einfachen Aufhängung. Die zusätzlichen Blöcke 5 an den Lagerinseln 4 sind zum Schutz vor einer zu großen Auslenkung der Prüfmasse 2 vorgesehen. Der laterale Abstand zwischen den Blöcken 5 und der Prüfmasse 2 bestimmt die maximale Auslenkung der Prüfmasse 2 und somit den Arbeitsbereich des lateral empfindlichen Beschleunigungssensors. Fig. 2 shows the schematic structure of a lateral acceleration-sensitive sensor on a substrate 1. The sensor has a seismic test mass 2 which is laterally suspended at each end via a folded spiral spring 3 on a bearing island 4 parallel to the surface of the carrier 1 (see arrow in FIG. 2). The distance between the test mass 2 and the carrier 1 corresponds to the thickness of the sacrificial layer used in the manufacturing process. The use of a folded spiral spring 3 allows a greater deflection of the test mass 2 than a simple straight suspension due to its small spring constant, which is only half as large as that of a simple suspension. The additional blocks 5 on the bearing islands 4 are provided to protect against excessive deflection of the test mass 2 . The lateral distance between the blocks 5 and the test mass 2 determines the maximum deflection of the test mass 2 and thus the working range of the laterally sensitive acceleration sensor.
Aus der Prüfmasse 2 ragen rechts und links Fingerstrukturen 6 heraus, die jeweils gegenüberliegenden Fingerplatten der feststehenden Elektroden 7a und 7b zugeordnet sind. Demzufolge entsteht zwischen der beweglichen Prüfmasse 2 und den zwei starren Elektroden 7a und 7b eine Differenzkondensatoranordnung, d. h. die bewegliche Prüfmasse 2 bildet mit den beiden feststehenden Elektroden 7a und 7b jeweils einen Kondensator, wobei sich die Kapazität des einen Kondensators erhöht, wenn die Kapazität des anderen Kondensators abnimmt. Durch Messung der Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 6 und den feststehenden Elektroden 7a und 7b kann die Auslenkung der seismischen Prüfmasse 2 bzw. die Beschleunigung bestimmt werden.Finger structures 6 protrude from the test mass 2 on the right and left, which are assigned to opposite finger plates of the fixed electrodes 7 a and 7 b. Accordingly, a differential capacitor arrangement is formed between the movable test mass 2 and the two rigid electrodes 7 a and 7 b, ie the movable test mass 2 forms a capacitor with the two fixed electrodes 7 a and 7 b, the capacitance of one capacitor increasing if the capacitance of the other capacitor decreases. The deflection of the seismic test mass 2 or the acceleration can be determined by measuring the capacitance between the movable electrodes 6 and the fixed electrodes 7 a and 7 b.
Die feststehen Elektroden 7a und 7b sind jeweils mit ihrem Mittelbereich fest mit dem Träger 1 verbunden. Eine entsprechende Ansicht enthält Fig. 3. Hier wird ein Querschnitt durch den Sensor nach der Fig. 2 entlang A-A' dargestellt. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, sind die Elektroden 7a und 7b jeweils an ihrer Mittelstelle über die Basisschicht 8 mit dem Träger 1 fest verbunden, während die Elektroden 6 von der seismischen Prüfmasse 2 lateral frei beweglich bleibt. Entlang der Fingerelektroden bleiben die Plattenfläche und somit die Kapazität des Kondensators zwischen Festelektroden 7a und 7b und der seismischen Prüfmasse 2 konstant.The fixed electrodes 7 a and 7 b are each firmly connected to the carrier 1 with their central region. A corresponding view is shown in FIG. 3. Here, a cross section through the sensor according to FIG. 2 along AA 'is shown. As can be seen in FIG. 3, the electrodes 7 a and 7 b are firmly connected to the carrier 1 at their central point via the base layer 8 , while the electrodes 6 remain laterally freely movable by the seismic test mass 2 . Along the finger electrodes, the plate area and thus the capacitance of the capacitor between fixed electrodes 7 a and 7 b and the seismic test mass 2 remain constant.
Dieser Aufbau hat deutliche Vorteile gegenüber den Sensorstrukturen nach WO 92/03740, DE 44 32 837 A1 sowie den von Siemens bzw. Analog Devices (siehe Zeitschrift "Sensors and Actuators" A 45 (1994) S. 7-16 und A 48 (1995) S. 101-108) bekannten, bei denen die sogenannten feststehenden Elektroden nur an einem Ende zum Träger verankert sind. Bei diesen sind einerseits die Sensorstrukturen instabil, die sich unter dem Einfluß der Beschleunigung auch bewegen, was zu einer verringerten Meßgenauhigkeit führt. Andererseits verbiegen sich solche Elektrodenanordnungen nach unten. Dies hat eine Verringerung der Kondensatorfläche und somit der Meßkapazität zur Folge, wodurch sich die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors verringert.This structure has clear advantages over the sensor structures according to WO 92/03740, DE 44 32 837 A1 and those from Siemens or Analog Devices (see magazine "Sensors and Actuators" A 45 (1994) pp. 7-16 and A 48 (1995) pp. 101-108) which the so-called fixed electrodes are anchored to the support at only one end are. In these, on the one hand, the sensor structures are unstable, which are influenced by the Also move acceleration, which leads to reduced measuring accuracy. On the other hand such electrode arrangements bend downward. This has a decrease in Capacitor area and thus the measuring capacity, which increases the sensitivity of the Accelerometer reduced.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Finger der feststehenden Elektroden 7a bzw. 7b an beiden Seiten der beweglichen Masse 2 angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der Fingerelektroden zu beiden Seiten der seismischen Prüfmasse 2 erfolgt durch eine aus der Basisschicht 8 herausstruktuierten, unterhalb der beweglichen Prüfmasse 2 geführten Leitbahn, entsprechend der Darstellung in Fig. 4. As can be seen in Fig. 2, the fingers of the fixed electrodes 7 a and 7 b are arranged on both sides of the movable mass 2 . The electrical contacting of the finger electrodes on both sides of the seismic test mass 2 takes place by means of an interconnect, which is constructed out of the base layer 8 and is guided below the movable test mass 2 , as shown in FIG. 4.
Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau des vertikal empfindlichen Beschleunigungssensors auf einem Träger 1. Die Grundstruktur des vertikal empfindlichen Sensors ist eine über zwei Gegenelektroden 9a und 9b durch eine Torsionsfedern 10 an einem Anker 11 aufgehängte asymmetrische Prüfmasse 12. Der Anker 11 ist an seinem Mittelbereich über Basisschicht 8 mit dem Träger 1 fest verbunden. Die Torsionsfedern 10 ist über einen rechteckigen Ring 15, die seinerseits wiederum über vier Verbindungsstänge 16 am Anker 11 befestigt ist, mit dem Anker 11 verbunden. Dieser Aufbau verhindert die Übertragung mechanischer Spannungen von Anker 11 zur Torsionsfedern 10. Unter der asymmetrischen Prüfmasse 12 liegen noch zwei Elektroden 13a und 13b, die zum Selbsttest dienen. Fig. 5 shows the schematic structure of the vertically sensitive acceleration sensor on a substrate 1. The basic structure of the vertically sensitive sensor is an asymmetrical test mass 12 suspended by two torsion springs 10 on an armature 11 via two counter electrodes 9 a and 9 b. The anchor 11 is firmly connected to the carrier 1 at its central region via the base layer 8 . The torsion springs 10 is connected by a rectangular ring 15 that is in turn mounted via four Verbindungsstänge 16 on the armature 11 with the armature. 11 This structure prevents the transmission of mechanical stresses from armature 11 to torsion springs 10 . Under the asymmetrical test mass 12 are two electrodes 13 a and 13 b, which are used for self-tests.
Um die hohe Empfindlichkeit des Sensors zu erhalten, muß der Abstand zwischen der asymmetrischen Prüfmasse 12 und Gegenelektroden 9a und 9b möglichst gering sein, damit die durch die Auslegung hervorgerufene Änderung des Elektrodenabstandes zu einer großen Kapazitätsänderung führt. Bei einem kleinen Abstand ergibt sich das Problem von Überdämpfungen. Um günstige dynamische Eigenschaften des Sensors zu erzielen, wird die asymmetrische Prüfmasse 12 oberhalb der Elektroden 9a, 9b, 13a und 13b mit Schlitzen 14 versehen. Die optimale Breite der Schlitzen sollte die Hälfte der Schlitzenabstände betragen. Die Schlitze dienen zur Verringerung der Luftdämpfung und verleihen dem Sensor eine hohe Bandbreite.In order to maintain the high sensitivity of the sensor, the distance between the asymmetrical test mass 12 and counter electrodes 9 a and 9 b must be as small as possible so that the change in the electrode distance caused by the design leads to a large change in capacitance. With a small distance, the problem of overdamping arises. In order to achieve favorable dynamic properties of the sensor, the asymmetrical test mass 12 is provided with slots 14 above the electrodes 9 a, 9 b, 13 a and 13 b. The optimal width of the slots should be half the slot spacing. The slots are used to reduce air damping and give the sensor a wide bandwidth.
In der Fig. 6 wird ein Querschnitt durch den Sensor nach der Fig. 5 entlang C-C' dargestellt. Wie zu erkennen ist, stellt die asymmetrische Prüfmasse 12 gemeinsam mit beiden Elektroden 9a und 9b einen Differenzkondensator dar. Der Abstand zwischen der asymmetrischen Prüfmasse 12 und den Elektroden 9a und 9b entspricht der Dicke der verwendeten Opferschicht. Eine in Z-Richtung wirkende Beschleunigung hat eine resultierende Kraft zur Folge, die zu einer Torsion der Torsionsfedern 10 durch eine Auslenkung der asymmetrischen Prüfmasse 12 führt. Demzufolge ändern sich die beiden Kapazitäten zwischen der asymmetrischen Prüfmasse 12 und den festen Elektroden 9a und 9b. FIG. 6 shows a cross section through the sensor according to FIG. 5 along CC ′. As can be seen, the asymmetrical test mass 12 together with the two electrodes 9 a and 9 b represents a differential capacitor. The distance between the asymmetrical test mass 12 and the electrodes 9 a and 9 b corresponds to the thickness of the sacrificial layer used. An acceleration acting in the Z direction results in a resultant force which leads to torsion of the torsion springs 10 due to a deflection of the asymmetrical test mass 12 . As a result, the two capacitances between the asymmetrical test mass 12 and the fixed electrodes 9 a and 9 b change.
Ein oben beschriebener, mikromechanischer Chip-Beschleunigungssensor ist nach Anspruch 9 durch Kombination eines UV-unterstützten mikrogalvanischen Prozesses mit einer Operschichttechnik einfach herstellbar, dessen Ablauf in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. In der Fig. 7 sind ein lateral empfindlicher Beschleunigungssensor (linke Seite) und ein vertikal empfindlicher Beschleunigungssensor (rechte Seite) dargestellt. A micromechanical chip acceleration sensor described above can be easily produced according to claim 9 by combining a UV-assisted micro-electroplating process with an opera layer technique, the sequence of which is shown schematically in FIG. 7. In Fig. 7 a laterally sensitive accelerometer (left side) and a vertically sensitive accelerometer (right side) are shown.
Auf einem Träger 1 wird zunächst ein 0.8 µm dicker Fotolack 17 aufgebracht, der anschließend lithographisch strukturiert wird. Fig. 7.1 zeigt den Träger 1 mit dem strukturierten Fotolack 17. Der Träger 1 besteht aus Silizium, dessen Oberfläche mit SiO2- oder Si3N4-Schicht elektrisch isoliert ist. Als Träger können auch Glas, Al2O3 oder andere keramischen Materialien verwendet werden.A 0.8 μm thick photoresist 17 is first applied to a carrier 1 , which is then structured lithographically. Fig. 7.1 shows the carrier 1 with the patterned photoresist 17th The carrier 1 consists of silicon, the surface of which is electrically insulated with an SiO 2 or Si 3 N 4 layer. Glass, Al 2 O 3 or other ceramic materials can also be used as supports.
Auf der Oberfläche des strukturierten Fotolacks 17 wird ein Schichtsystem (50 nm Dicke W/Ti und 300 nm Dicke Cu) mittels Sputtern abgeschieden. Dabei dient W/Ti als Haftvermittler und Cu als Basisschicht 8. Für diese Schicht können außer Cu auch andere leitenden Materialien benutzt werden, solange sie einen hohen Ätzwiderstand gegen Ätzlösungen für Titan aufweisen, z. B. Au, Ag, Pt, etc. Durch anschließendes Lift-Off werden die Bondpads, die Leitbahnen, die Gegenelektroden des vertikal empfindlichen Beschleunigungssensors bzw. die Lagerinseln des lateral empfindlichen Beschleunigungsensor struktuiert, wie in Fig. 7.2 gezeigt ist.A layer system (50 nm thickness W / Ti and 300 nm thickness Cu) is deposited on the surface of the structured photoresist 17 by means of sputtering. W / Ti serves as an adhesion promoter and Cu as a base layer 8 . In addition to Cu, other conductive materials can also be used for this layer, as long as they have a high etching resistance against etching solutions for titanium, e.g. B. Au, Ag, Pt, etc. By subsequent lift-off, the bond pads, the interconnects, the counter electrodes of the vertically sensitive acceleration sensor or the bearing pads of the laterally sensitive acceleration sensor are structured, as shown in FIG. 7.2.
Auf der Oberfläche der Lift-Off strukturierten Basisschicht wird eine Titanschicht 18 mit einer Dicke von ca. 3 µm mittels Hochvakuumverdampfens aufgebracht und anschließend mit einer 2 µm dicken Ätzmaske, die durch einen fotolithographischen Prozeß hergestellt ist, näßchemisch so strukturiert, daß die Bereiche, in denen sich die zum Schluß feststehenden Teile der Mikrostruktur befinden sollen, bis zur Cu-Unterlage geätzt werden. Titan wird als Opferschichtmaterial ausgewählt, weil die Ti-Oberfläche eine gute Adhäsion auf dem verwendeten dicken UV-Lack gewährleistet, weil es die Möglichkeit für eine homogene Abscheidung der Nickel-Sensorschicht bietet und beim Ätzen mit Flußsäure eine sehr hohe Selektivität zu allen anderen Materialien des Sensorsystems aufweist. Es ist möglich, mittels PVD Titan spannungsarm mit Dicken bis zu 10 µm abzuscheiden. Die Dicke der Ti-Schicht als Opferschicht sollte einerseits sehr groß sein, damit die beweglichen Strukturen einen hinreichenden Abstand zum Substrat aufweisen, andererseits führt ein großer Abstand bei zu großer Dicke zu einer kleineren Kapazität des vertikal empfindlichen Sensors. Als Kompromiß zur konträren Anforderung wurde eine Ti-Schichtdicke von 3 µm gewählt. Fig. 7.3 zeigt die strukturierten Titanschicht.A titanium layer 18 with a thickness of approx. 3 μm is applied to the surface of the lift-off structured base layer by means of high vacuum evaporation and then structured with a 2 μm thick etching mask, which is produced by a photolithographic process, so that the areas in where the parts of the microstructure that are to be fixed at the end are to be etched up to the copper base. Titanium is selected as the sacrificial layer material because the Ti surface ensures good adhesion to the thick UV varnish used, because it offers the possibility for a homogeneous deposition of the nickel sensor layer and when etched with hydrofluoric acid, it is very selective to all other materials of the Has sensor system. It is possible to deposit stress-free with thicknesses of up to 10 µm using PVD Titan. The thickness of the Ti layer as a sacrificial layer should on the one hand be very large so that the movable structures have a sufficient distance from the substrate, and on the other hand a large distance with too great a thickness leads to a smaller capacitance of the vertically sensitive sensor. A Ti layer thickness of 3 µm was chosen as a compromise to the contrary requirement. Fig. 7.3 shows the patterned titanium layer.
Eine dicke Fotolackschicht 19 wird anschließend aufgeschleudert. Ein für diesen Prozeß besonderes geeigneter Fotolack ist AZ 4562. Bei einer einfachen Beschichtung kann die Dicke des Fotolacks etwa 10 µm erreichen. Noch dickere Lackschichten können nach einem Softbake der vorherigen Lackschicht und Wiederholung des Schleuderprozesses erreicht werden. Wegen der technischen Beschränkungen der UV-Lithographie ist eine Lackdicke von mehr als 30 µm nicht zu empfehlen. Nach der Trocknung wird der dicke Fotolack über eine Maske, die das Layout der Sensorstruktur enthält, belichtet. Durch anschließendes Herauslösen der belichteten Bereiche in einem Entwickler entsteht im Fotolack ein Formeinsatz für die Galvanoformung der Sensorstruktur (Fig. 7.4).A thick layer of photoresist 19 is then spun on. A photoresist that is particularly suitable for this process is AZ 4562. With a simple coating, the thickness of the photoresist can reach approximately 10 μm. Even thicker layers of paint can be achieved after softbaking the previous paint layer and repeating the spinning process. Due to the technical limitations of UV lithography, a lacquer thickness of more than 30 µm is not recommended. After drying, the thick photoresist is exposed through a mask that contains the layout of the sensor structure. Subsequent removal of the exposed areas in a developer creates a mold insert for the electroforming of the sensor structure in the photoresist ( Fig. 7.4).
Fig. 7.5 zeigt den galvanischen Aufbau der Sensorstruktur. Nickel, das eigentliche
Funktionsmaterial des Beschleunigungssensors wird aus einem Nickelsulfamat-Elekrtrolyten in
die Freiräume des Fotolacks 19 auf der Basisschicht 8 bzw. der Opferschicht 18
elektrochemisch abgeschieden. Die Zusammensetzung der verwendeten Elektrolyte für die
Galvanoformung der Sensorstruktur ist:
Fig. 7.5 shows the galvanic structure of the sensor structure. Nickel, the actual functional material of the acceleration sensor, is electrochemically deposited from a nickel sulfamate electrolyte into the free spaces of the photoresist 19 on the base layer 8 or the sacrificial layer 18 . The composition of the electrolytes used for the electroforming of the sensor structure is:
Ni-Sulfat: 350 g/l,
Ni-Chlorid: 5 g/l,
H3BO3: 35 g/l und
Ni-Karbonat: 3 g/l.Ni sulfate: 350 g / l,
Ni chloride: 5 g / l,
H 3 BO 3 : 35 g / l and
Ni carbonate: 3 g / l.
Damit eine homogene Ni-Schicht mit einer inneren Spannung von weniger als 10 N/mm2 hergestellt werden kann, wird die Elektrolyt-Lösung durch Salpetersäure bis einem PH- Wert von 3,5 eingestellt und folgende Abscheidungsparameter gewählt: Temperatur 55°C, Stromdichte 1 A/dm2. Die Abscheiderate beträgt dabei etwa 0,2 µm/min.So that a homogeneous Ni layer with an internal tension of less than 10 N / mm 2 can be produced, the electrolyte solution is adjusted to a pH value of 3.5 using nitric acid and the following deposition parameters are selected: temperature 55 ° C, current density 1 A / dm 2 . The deposition rate is about 0.2 µm / min.
An die Abscheidung der Sensorstrukturen schließt sich das Strippen des Fotolacks 19 an. Dies geschieht durch Ablösen mit Azeton oder, wenn das Hardbake bei Temperaturen oberhalb von 120°C erfolgte, in einem Gemisch aus H2SO4 und H2O2 bzw. durch Veraschen in einem Sauerstoffplasma.The stripping of the photoresist 19 follows the deposition of the sensor structures. This is done by detaching with acetone or, if the hardbake was carried out at temperatures above 120 ° C., in a mixture of H 2 SO 4 and H 2 O 2 or by ashing in an oxygen plasma.
Im letzten Fabrikationsschritt wird die Titanopferschicht mit einer 5%igen Flußsäure selektiv gegenüber den übrigen Metallen geätzt. Nach diesem Prozeß ist die auf der Titanschicht aufgewachsene Sensorstruktur frei beweglich, während die anderen Teile der Sensorstruktur, die auf dem Cu-Basis aufgewachen sind, fest mit dem Substrat verankert bleiben (Fig. 7.6).In the last manufacturing step, the titanium sacrificial layer is selectively etched with a 5% hydrofluoric acid compared to the other metals. After this process, the sensor structure grown on the titanium layer is freely movable, while the other parts of the sensor structure that have grown up on the Cu base remain firmly anchored to the substrate ( FIG. 7.6).
Claims (12)
- a) auf einem Träger (1) eine Fotolackschicht (17) aufgeschleudert und anschließend die Fotolackschicht fotolitografisch strukturiert wird, wobei die Struktur das Negativ für die Stützpunkte und die feststehenden Elektroden bildet,
- b) in die strukturierte Fotolackschicht (17) eine erste Metallschicht (8) über einen Haftvermittler abgeschieden wird und anschließend die verbliebene Fotolackschicht (17) entfernt wird,
- c) über die so strukturierte erste Metallschicht (8) eine zweite Metallschicht (18) abgeschieden und anschließend strukturiert wird, wobei die späteren Stützpunkte der feststehenden Strukturen freigelegt werden,
- d) auf der zweiten strukturierten Metallschicht (18) eine dicke Fotolackschicht (19) aufgeschleudert und nachfolgend strukturiert wird, wobei von dieser Struktur das Muster für den nachfolgenden galvanischen Aufbau gebildet wird,
- e) das eigentliche Funktionsmaterial (20) der Beschleunigungssensoren in den Formeneinsatz der dicken Fotolackschicht (19) galvanisch auf der ersten Metallschicht (8) und der zweiten Metallschicht (18) abgeschieden wird, und schließlich
- f) die dicke Fotolackschicht (19) gestrippt wird und anschließend die zweite Metallschicht (18) vollständig entfernt wird, wodurch das eigentliche Funktionsmaterial beweglich wird.
- a) a photoresist layer ( 17 ) is spun onto a carrier ( 1 ) and the photoresist layer is subsequently structured photolithographically, the structure forming the negative for the support points and the fixed electrodes,
- b) a first metal layer ( 8 ) is deposited into the structured photoresist layer ( 17 ) via an adhesion promoter and then the remaining photoresist layer ( 17 ) is removed,
- c) a second metal layer ( 18 ) is deposited over the first metal layer ( 8 ) structured in this way and then structured, the later bases of the fixed structures being exposed,
- d) a thick photoresist layer ( 19 ) is spun onto the second structured metal layer ( 18 ) and subsequently structured, the pattern for the subsequent galvanic structure being formed from this structure,
- e) the actual functional material ( 20 ) of the acceleration sensors in the mold insert of the thick photoresist layer ( 19 ) is electroplated on the first metal layer ( 8 ) and the second metal layer ( 18 ), and finally
- f) the thick photoresist layer ( 19 ) is stripped and then the second metal layer ( 18 ) is completely removed, as a result of which the actual functional material becomes movable.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19750350A DE19750350C1 (en) | 1997-11-13 | 1997-11-13 | Three-dimensional chip acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19750350A DE19750350C1 (en) | 1997-11-13 | 1997-11-13 | Three-dimensional chip acceleration sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19750350C1 true DE19750350C1 (en) | 1999-08-05 |
Family
ID=7848643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19750350A Expired - Fee Related DE19750350C1 (en) | 1997-11-13 | 1997-11-13 | Three-dimensional chip acceleration sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19750350C1 (en) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10150284A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-04-30 | Henning Gmbh | Diagnostic device and method for diagnosing elevator systems |
| DE10225714A1 (en) * | 2002-06-11 | 2004-01-08 | Eads Deutschland Gmbh | Multi-axis monolithic acceleration sensor |
| WO2004065968A1 (en) * | 2003-01-16 | 2004-08-05 | The Regents Of The University Of Michigan | Micromachined capacitive lateral accelerometer device and monolithic, three-axis accelerometer having same |
| DE10350536B3 (en) * | 2003-10-29 | 2005-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Method for reducing effect of substrate potential on output signal of micromechanical sensor e.g. capacitive acceleration sensor, using application of opposite voltages to capacitor outer electrodes during compensation clock |
| JP2007298405A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Matsushita Electric Works Ltd | Electrostatic capacity type sensor |
| JP2007298410A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Matsushita Electric Works Ltd | Capacitive sensor |
| DE102008003213A1 (en) | 2007-10-15 | 2009-07-09 | Nivag Handelsgesellschaft Mbh | Emergency hammer with additional functions as a shell of a multipurpose tool with signaling |
| WO2009121971A1 (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Micromechanical acceleration sensor |
| EP2023152A4 (en) * | 2006-04-28 | 2011-11-02 | Panasonic Elec Works Co Ltd | CAPACITOR SENSOR |
| EP2151691A3 (en) * | 2008-07-31 | 2012-05-09 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for detecting out-of-plane linear acceleration with a closed loop linear drive accelerometer |
| WO2014207709A1 (en) * | 2013-06-28 | 2014-12-31 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Capacitive micromechanical acceleration sensor |
| DE102010029645B4 (en) | 2010-06-02 | 2018-03-29 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical component having a test structure for determining the layer thickness of a spacer layer and method for producing such a test structure |
| US10669121B2 (en) | 2017-06-30 | 2020-06-02 | Otis Elevator Company | Elevator accelerometer sensor data usage |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3741036A1 (en) * | 1987-12-03 | 1989-06-15 | Fraunhofer Ges Forschung | MICROMECHANICAL ACCELERATOR |
| DE9113744U1 (en) * | 1991-11-05 | 1992-01-16 | SMT & Hybrid GmbH, O-8012 Dresden | Three-dimensional micromechanical acceleration sensor with integrated electronics |
| WO1992003740A1 (en) * | 1990-08-17 | 1992-03-05 | Analog Devices, Inc. | Monolithic accelerometer |
| DE4126100A1 (en) * | 1991-08-07 | 1993-02-18 | Univ Chemnitz Tech | Sandwiched, micro-mechanical rotary acceleration sensor - has rotary pendulum mounted in several edge bearings on axis between clamps |
| WO1994014076A1 (en) * | 1992-12-08 | 1994-06-23 | Alliedsignal Inc. | Triaxial angular rate and acceleration sensor |
| EP0623825A1 (en) * | 1993-04-07 | 1994-11-09 | Ford Motor Company | Accelerometer sense element |
| WO1996004561A1 (en) * | 1994-08-01 | 1996-02-15 | H. Koch & Sons Co. | Multidirectional acceleration sensor |
| DE4432837A1 (en) * | 1994-09-15 | 1996-03-21 | Bosch Gmbh Robert | Capacitive acceleration sensor and measurement method esp. using seismic mass and surface micro-mechanic electrodes |
-
1997
- 1997-11-13 DE DE19750350A patent/DE19750350C1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3741036A1 (en) * | 1987-12-03 | 1989-06-15 | Fraunhofer Ges Forschung | MICROMECHANICAL ACCELERATOR |
| WO1992003740A1 (en) * | 1990-08-17 | 1992-03-05 | Analog Devices, Inc. | Monolithic accelerometer |
| DE4126100A1 (en) * | 1991-08-07 | 1993-02-18 | Univ Chemnitz Tech | Sandwiched, micro-mechanical rotary acceleration sensor - has rotary pendulum mounted in several edge bearings on axis between clamps |
| DE9113744U1 (en) * | 1991-11-05 | 1992-01-16 | SMT & Hybrid GmbH, O-8012 Dresden | Three-dimensional micromechanical acceleration sensor with integrated electronics |
| WO1994014076A1 (en) * | 1992-12-08 | 1994-06-23 | Alliedsignal Inc. | Triaxial angular rate and acceleration sensor |
| EP0623825A1 (en) * | 1993-04-07 | 1994-11-09 | Ford Motor Company | Accelerometer sense element |
| WO1996004561A1 (en) * | 1994-08-01 | 1996-02-15 | H. Koch & Sons Co. | Multidirectional acceleration sensor |
| DE4432837A1 (en) * | 1994-09-15 | 1996-03-21 | Bosch Gmbh Robert | Capacitive acceleration sensor and measurement method esp. using seismic mass and surface micro-mechanic electrodes |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| DE-Z.: Elektronik 3 (1995) S. 58-62 * |
| JP-Patents abstracts of JP, 5-264577 (A) * |
| Sensors and Actuators A 45 (1994) 7-16 * |
| Sensors and Actuators A 48 (1995) 101-108 * |
| Transducers 95, Eurosensors IX, June 25-29 (1995) S. 554-557 * |
| Transducers 95, Eurosensors IX, June 25-29 (1995) S. 566-569 * |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10150284A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-04-30 | Henning Gmbh | Diagnostic device and method for diagnosing elevator systems |
| DE10225714A1 (en) * | 2002-06-11 | 2004-01-08 | Eads Deutschland Gmbh | Multi-axis monolithic acceleration sensor |
| WO2004065968A1 (en) * | 2003-01-16 | 2004-08-05 | The Regents Of The University Of Michigan | Micromachined capacitive lateral accelerometer device and monolithic, three-axis accelerometer having same |
| DE10350536B3 (en) * | 2003-10-29 | 2005-06-23 | Robert Bosch Gmbh | Method for reducing effect of substrate potential on output signal of micromechanical sensor e.g. capacitive acceleration sensor, using application of opposite voltages to capacitor outer electrodes during compensation clock |
| EP2023152A4 (en) * | 2006-04-28 | 2011-11-02 | Panasonic Elec Works Co Ltd | CAPACITOR SENSOR |
| JP2007298410A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Matsushita Electric Works Ltd | Capacitive sensor |
| JP2007298405A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Matsushita Electric Works Ltd | Electrostatic capacity type sensor |
| US8176782B2 (en) | 2006-04-28 | 2012-05-15 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Capacitive sensor |
| DE102008003213A1 (en) | 2007-10-15 | 2009-07-09 | Nivag Handelsgesellschaft Mbh | Emergency hammer with additional functions as a shell of a multipurpose tool with signaling |
| WO2009121971A1 (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Micromechanical acceleration sensor |
| KR101301403B1 (en) * | 2008-04-03 | 2013-08-28 | 콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게 | Micromechanical acceleration sensor |
| US8752430B2 (en) | 2008-04-03 | 2014-06-17 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Micromechanical acceleration sensor |
| EP2151691A3 (en) * | 2008-07-31 | 2012-05-09 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for detecting out-of-plane linear acceleration with a closed loop linear drive accelerometer |
| DE102010029645B4 (en) | 2010-06-02 | 2018-03-29 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical component having a test structure for determining the layer thickness of a spacer layer and method for producing such a test structure |
| WO2014207709A1 (en) * | 2013-06-28 | 2014-12-31 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Capacitive micromechanical acceleration sensor |
| US9575088B2 (en) | 2013-06-28 | 2017-02-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Capacitive micromechanical acceleration sensor |
| US10669121B2 (en) | 2017-06-30 | 2020-06-02 | Otis Elevator Company | Elevator accelerometer sensor data usage |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69411449T2 (en) | Sensor element for accelerometer | |
| DE19810534C2 (en) | Multi-axis acceleration sensor and manufacturing method of a multi-axis acceleration sensor | |
| DE102008040525B4 (en) | Micromechanical sensor element | |
| DE19954022B4 (en) | Semiconductor physical quantity sensor and method of making the same | |
| DE69432074T2 (en) | MICROMECHANICAL CROSS ACCELERATOR | |
| DE3223987C2 (en) | Accelerometer | |
| DE69318956T2 (en) | Process for manufacturing accelerometers using "silicon on insulator" technology | |
| DE19750350C1 (en) | Three-dimensional chip acceleration sensor | |
| DE3741941C2 (en) | ||
| DE102009029202B4 (en) | Method for producing a micromechanical system | |
| DE602004011691T2 (en) | ELECTRODE MOUNTING FOR COMPENSATING THE REMOVAL FROM THE SUBSTRATE LEVEL FOR A ACCELERATING KNIFE | |
| DE102010008044B4 (en) | MEMS microphone and method of manufacture | |
| DE69513352T2 (en) | Tunnel effect sensor made from a single semiconductor wafer and cost-effective IC manufacturing method | |
| DE69838709T2 (en) | METHOD FOR PRODUCING AN ACCELERATOR | |
| DE102009045391A1 (en) | Micromechanical structure and method for producing a micromechanical structure | |
| DE102012207939A1 (en) | Spring stop for accelerometer | |
| DE102008043524A1 (en) | Accelerometer and method of making the same | |
| DE69209743T2 (en) | Differential capacity structure and method of making it | |
| EP1440322A1 (en) | Micro-sensor | |
| DE102011011160B4 (en) | Micromechanical component and manufacturing process for a micromechanical component | |
| EP0494143B1 (en) | Device for measuring mechanical forces and dynamic effects | |
| DE10001361B4 (en) | Method for manufacturing a micro inertia sensor | |
| DE3837883A1 (en) | CAPACITIVE ACCELEROMETER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF | |
| DE60318204T2 (en) | METHOD FOR PRODUCING A MONOLITHIC SILICON ACCELERATOR | |
| DE102017219929B4 (en) | Micromechanical z-inertial sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |