DE69403543T2

DE69403543T2 - Verfahren zur Herstellung eines Bewegungsmessaufnehmers

Info

Publication number: DE69403543T2
Application number: DE69403543T
Authority: DE
Inventors: Timothy S Norris
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: Atlantic Inertial Systems Ltd
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-04-07
Also published as: GB2276976A; EP0619471A1; JPH07335908A; US5447601A; GB2276976B; DE69403543D1; EP0619471B1; GB9307334D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bewegungssensors und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Erzeugung eines Bewegungssensors jener Bauart, die benutzt wird, um eine Drehung um eine zentrale Achse festzustellen.
Die Britische Patentanmeldung 91 05 060.9 beschreibt ein Beispiel eines Vibrationsratensensors, der einen verbundenen Stapel von drei Platten mit Erregung und Abgriffsübertrager verwendet, erreicht durch elektrostatische Techniken. Unglücklicherweise führt die Konstruktion, die bei dieser Anordnung benutzt wird, zu einem relativ sperrigen Sensor, der in der Herstellung teuer ist.
Mikrofabrizierte Siliziumsensoren werden bei zahlreichen Anwendungen benutzt; diese kommerziell verfügbaren Sensoren benutzen dünne Membranen (beispielsweise Drucksensoren) und besitzen gelegentlich Resonatoren in freistehender Auslegerform oder Konsolform (Greenwood et al.). Diese Membranen sind im typischen Fall auf nur 15 µm Dicke oder weniger im Hinblick auf die technischen Probleme der Filmbeanspruchung beschränkt, wenn die Schichten in einem CVD- Ofen (chemische Dampfablagerung) abgelagert werden, oder geeignetes Bor in die Siliziumwaferoberfläche diffundiert wird, um eine wirksame Ätzmaske für ein anisotropes Ätzen zu erzeugen. Außerdem haben kürzlich durchgeführte Forschungen (Literatur (1)) gezeigt, daß das schwere Bor-Doping (> 1 Atom Bor für 1000 Atome Silizium) Unstabilitäten verursacht, manifestiert als Alterungseffekte, in der Elastizität der Siliziummembranen, erzeugt durch das aufeinanderfolgende anisotrope Ätzen; obgleich eine Kompensation erreicht werden kann, um die Elastizität dadurch zu stabilisieren, daß gleichzeitig eine Germanium-Diffusion mit Bor durchgeführt wird, und dies vermeidet jedoch nicht weitere Mikrorissebildungsprobleme in der Membran.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bewegungssensors äußerst kompakter Konstruktion zu schaffen, wobei die Probleme vermieden werden, die verknüpft sind mit der Ausrichtung der Substrate in genauer Weise miteinander während des Zusammenbaus, und es wird versucht, die mechanischen Qualitäten eines Einkristall-Siliziumwafers mit nahezu perfekter mechanischer Qualität zu schaffen, um den Resonatorteil oder den Vibrationsteil des Sensors zu erzeugen. Außerdem beeinträchtigt das vorgesehene Verfahren nicht die Möglichkeit eines Resonators der Reifenbauart oder der Ringbauart, aufgehängt in einer nachgiebigen Lagerung, ein mehrachsiges Inertialerkennen zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bewegungssensors geschaffen, das gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte: Es wird ein Substratwafer vorgesehen; es wird eine erste Resistschicht auf dem Substratwafer abgelagert; es werden gewählte Bereiche der ersten Resistschicht entfernt, wodurch erste Ätzfenster gebildet werden; es werden erste Vertiefungen im Substratwafer durch ein erstes Ätzverfahren durch die ersten Fenster hindurch gebildet; es wird ein relativ dicker Membranwafer auf dem Substratwafer festgelegt, wodurch die Vertiefungen abgeschlossen werden; es wird die Oberfläche des relativ dicken Membranwafers poliert, wodurch eine relativ dünne Membran erzeugt wird; es wird eine zweite Resistschicht auf der relativ dünnen Membran abgelagert; es werden gewählte Bereiche der zweiten abgelagerten Resistschicht entfernt, wodurch zweite Ätzfenster geschaffen werden; es wird die relativ dünne Membran im Bereich der zweiten Ätzfenster weggeätzt, bis die ersten Vertiefungen freiliegen, wodurch in der relativ dünnen Membran ein freistehender Resonatoraufbau gebildet wird, der an mehreren federnd nachgiebigen Lagern aufgehängt ist, die sich von einem festen Abschnitt vorstehen.
Es ist klar, daß das obige Verfahren die Möglichkeit schafft, einen Sensor äußerst kompakter Konstruktion herzustellen, wobei die Probleme vermieden werden, die Substrate genau während des Zusammenbaus aufeinander auszurichten. Der Schritt der Polierung der Oberfläche des relativ dicken Membranwafers zur Erzeugung einer relativ dünnen Membran und das folgende Ätzen der Membran zur Erzeugung eines freistehenden Resonatoraufbaus, aufgehängt an mehreren nachgiebigen Lagern, schafft die Möglichkeit, nahezu perfekte mechanische Eigenschaften des Wafers aufrechtzuerhalten.
Zweckmäßigerweise wird der relativ dicke Membranwafer am Substratwafer dadurch festgelegt, daß ein Glasfrittenfilm auf eine Oberfläche auf einem oder dem anderen Wafer aufgebracht wird, wobei Wärme und/oder Druck auf die Fritte ausgeübt werden, während die Verbindung stattfindet.
Vorzugsweise ist die Frittenschicht ein gesponnener Schirm oder ein Seidenschirm, aufgedruckt auf den Substratwafer.
Um eine gute Verbindung zwischen dem relativ dicken Membranwafer und dem Substratwafer zu gewährleisten, kann eine Siliziumfusionsbindetechnik verwendet werden.
Statt dessen kann der relativ dicke Membranwafer auf dem Substratwafer durch einen eutektischen Kleber oder einen Polymerkleber festgelegt werden.
Die Resistschicht kann als gesponnene Schicht abgelagert werden, wodurch ein gleichmäßiger und geeignet dünner Überzug erzeugt wird.
Im Hinblick auf die besten Ergebnisse umfaßt das Ätzverfahren vorzugsweise isotrope oder Trockengas-Ätzverfahren.
Es können in der Substratschicht Entlüftungskanäle eingeätzt werden, um zu vermeiden, daß Luftblasen zwischen der Substratschicht und dem Membranwafer eingeschlossen werden.
Auf der gleichen Substratschicht können mehrere Sensoren hergestellt werden, und sie können voneinander getrennt werden, indem ein Aufbrechen längs geätzter Abspaltkanäle erfolgt, die in der Substratschicht enthalten sind.
Jede Elektrode kann durch folgende Teile gebildet werden:
(a) Es wird eine dielektrische Schicht auf der polierten Oberfläche des Membranwafers abgelagert; und
(b) es werden mehrere Elektrodenspuren auf der dielektrischen Schicht und Drahtverbindekissen in der Nähe des Umfangs des Membranwafers abgelagert.
Zweckmäßigerweise werden die Elektrodenspuren und/oder die Drahtverbindungskissen dadurch abgelagert, daß das Dielektrikum mit einem Metall überzogen wird und indem dann das unerwünschte Metall durch gasförmige oder wäßrige Ätzverfahren entfernt wird.
Für beste Ergebnisse wird ein Träger unter wenigstens einem Teil des relativ dicken Membranwafers vorgesehen, wodurch die Membran während des Poliervorgangs abgestützt wird.
Für eine speziell flexible Anordnung kann die federnd nachgiebige Lagerung in Form eines T-förmig gestalteten Trägers vorgesehen werden, von dem zwei Enden am Substratwafer festgelegt sind und ein Ende an dem aufgehängten Resonatoraufbau angelenkt ist.
Statt dessen kann die federnd nachgiebige Trägerlagerung durch einen Doppel-L-Träger bewirkt werden, wobei ein Schenkel eines jeden Trägers am Substratwafer und das andere freie Ende an dem aufgehängten Resonatoraufbau angelenkt ist.
Im Sinne einer maximalen Flexibilität kann die federnd nachgiebige Trägerlagerung im wesentlichen dreieckig gestaltet sein, wobei erste und zweite im wesentlichen radial vorstehende Abschnitte vorgesehen sind und sich ein Verbindungsabschnitt dazwischen erstreckt, wobei der erste radial verlaufende Abschnitt an einem ersten Ende des Substratwafers und ein zweites Ende an einem ersten Ende des Anlenkabschnitts festgelegt ist, der mit einem zweiten Ende an dem ersten Ende des zweiten radial verlaufenden Abschnitts verbunden ist, der seinerseits an einem im übrigen freien und aufgehängten Resonatoraufbau angeschlossen ist.
Der freistehende Resonatoraufbau kann radial innerhalb der nachgiebigen Trägerlagerung in alternativer Weise ausgebildet sein, wenn eine besonders kompakte Anordnung erforderlich ist, wobei der freistehende Resonatoraufbau radial außerhalb der nachgiebigen Trägerlagerung gebildet ist.
Zweckmäßigerweise können mehrere Bewegungssensoren auf dem gleichen Substratwafer angebracht und voneinander dadurch getrennt werden, daß sie längs Abspaltkanälen unterteilt sind.
Das Verfahren kann den zusätzlichen Verfahrensschritt aufweisen, mehrere elektrostatische Abnehmer zu schaffen, indem das Substratwafermaterial an den gewünschten Abnahmestellen weggeätzt wird, um so die relativ dünne Membran an jener Stelle zu unterschneiden, wodurch die vorstehenden Abnahmeteile an benachbarten Abschnitten des Resonatoraufbaus und am festen Teil erzeugt werden.
Bei einer speziell kompakten Anordnung kann das Verfahren den weiteren Schritt aufweisen, radial verlaufende Anlenkstellen an dem festen Aufbau zu bilden, an denen die nachgiebigen Träger verankert sind.
Mit der vorliegenden Anmeldung wird auch ein Bewegungssensor beansprucht, der gemäß dem obigen Verfahren hergestellt ist.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 bis 13 verschiedene Herstellungsschritte bei der Erzeugung eines Bewegungssensors gemäß der Erfindung,
Fig. 14 eine Anordnung von Vertiefungen, die benutzt werden, um Verbindungsprobleme zu vermeiden,
Fig. 15 und 16 am Rand und in der Mitte montierte Sensoranordnungen,
Fig. 17 einen Querschnitt, geschnitten in Richtung der Pfeile A-A gemäß Fig. 23, der die Abnahmeanordnung veranschaulicht,
Fig. 18 bis 20 verschiedene Formen des Lagertrgers,
Fig. 21 den Vibrationsmodus des Sensors, der in den oben erwähnten Zeichnungen veranschaulicht ist,
Fig. 22 den in einem Gehäuse eingeschlossenen Sensor.
Gemäß Fig. 1 bis 13 ist der ursprüngliche Wafer 10, der hier als "Substratwafer" bezeichnet wird, mit einer organischen Schutzschicht oder Resistschicht 12 versehen, die danach unter Benutzung einer Belichtungsmaske 14 so strukturiert wird, daß Ätzfenster gebildet werden; dann werden Vertiefungen 16 im Substratwafer angebracht, indem durch die Fenster hindurch eine Ätzung in das untere Substrat hinein erfolgt, und zwar unter Benutzung entweder isotroper oder Trockengas- Verfahren (RIE-Verfahren oder Plasma-Verfahren). Diese Vertiefungen können entweder dort sein, wo freistehende Aufbauten angeordnet sind, beispielsweise der Resonator 18, oder eine zusätzliche Trägeraufhängung erzeugt wird. Abteilungskanäle 20 teilen später den Wafer in getrennte Abschnitte, oder es werden Entlüftungskanäle 22 gebildet, wie diese später erläutert werden. Das Substrat 10 ist vorzugsweise Silizium, obgleich Gläser mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten benutzt werden könnten, die den Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums angepaßt sind. Es können Entlüftungskanäle 22 gemäß Fig. 14 als erstreckte Vertiefungen derart vorgesehen werden, daß keine isolierten Hohlräume gebildet werden, wenn der zweite Wafer 24, der hier als "Membranwafer" bezeichnet wird, auf dem Substratwafer 10 festgelegt wird. Die Festlegung des Membranwafers 24 auf dem Substratwafer 10 (Fig. 7) kann vorzugsweise durch eine Siliziumfusionsbindung oder eine Glasfrittenfilmbindung erreicht werden, indem zwei Wafer auf hohe Temperaturen gebracht werden (beispielsweise auf 900 ºC), und indem ein mäßiger Druck ausgeübt wird, um die Fritte 26 fließfähig zu machen; die Entlüftungskanäle 22 vermeiden Druckdifferentiale während dieses Hochtemperaturverfahrens. Das Frittenverbindungsverfahren hat Vorteile, indem es relativ unempfindlich ist gegenüber einer Staubverschmutzung auf der Waferoberfläche, die zu verbinden ist, im Vergleich mit dem SFB-Verfahren, welches eine allgemeine Berührung zwischen den beiden Waferoberflächen unter atomischem Pegel erfordert, um eine annehmbare Verbindung zu erzielen. Die Frittenschicht 26 ist vorzugsweise durch ein Siebdruckverfahren auf dem Substratwafer 10 aufgebracht, weil die Frittenschicht unzulängliche elastische Eigenschaften besitzt, wodurch die Charakteristiken des Membranwafers 24 beeinträchtigt werden könnten, d. h. der Frittenfilm 26 sollte nur in den beabsichtigten Kontaktbereichen vorhanden sein, wo keine Hohlräume auftreten. Statt dessen könnte eine eutektische Verbindung oder eine Polymerklebeverbindung in Betracht gezogen werden, um die beiden Wafer zu verbinden, jedoch würden sich hierdurch schlechtere Ergebnisse im Vergleich mit einer Frittenverbindung oder einem Siliziumfusionsverbindungsverfahren (SFB) ergeben.
Bei der oben beschriebenen Erfindung kann der Membranwafer ein leicht dotiertes Silizium sein, das nicht an Instabilitäten und Alterungscharakteristiken leidet, denen Siliziummembranen mit hoher Bor-Dotierung ausgesetzt sind, die unter hoher Spannung stehen. Wie dargestellt, wird nach dem Verbindungsverfahren gemäß Fig. 8 der Membranwafer 24 anschließend poliert (Fig. 9), bis eine dünne Membran 24a mit einer Dicke von 50 µm erzielt ist, wobei ein rotierendes Läpp/Polier-Werkzeug und eine Diamantpaste benutzt werden; statt dessen kann eine chemische Polierung der Membran unter Benutzung geeigneter chemischer Mittel angewandt werden, obgleich der Substratwafer 10 und die am Umfang liegenden Ausgänge 22a der Entlüftungskanäle 22 gegen das chemische Poliermittel geschützt werden müßten; eine Membran von 50 µm Dicke wäre schwierig durch andere Verfahren, beispielsweise Bor-Dotierung oder ein CVD-Verfahren, herzustellen.
Die polierte Oberfläche des Membranwafers 24a kann dann mit einer dielektrischen Siliziumdioxid- oder Siliziumnitrid- Schicht 30 in einer Dicke von etwa 1 µm überzogen werden, und zwar vorzugsweise durch ein Tieftemperatur-CVD-Verfahren, und dann kann ein Metallüberzug 32 (beispielsweise Aluminium) durch eine thermische Vakuumaufdampfung oder ein Sputter-Verfahren aufgebracht werden, worauf das Metall anschließend mit einem Muster versehen werden kann, entweder unter Benutzung einer gasförmigen RIE-Ätzung oder einer wäßrigen Ätzung. Hierdurch können Elektrodenanschlüsse 34 und Drahtverbindungsanschlüsse 36 in der Nähe des Umfangs einer jeden Ausnehmung am Wafer angeordnet werden (Fig. 11).
Um einen frei vibrierenden Ringresonator 18 zu erzeugen, der auf einer elastischen Trägerlagerung 38 aufgehängt ist, wird dann eine dünne Membran 24a mit einem Schutzüberzug 33 versehen, der unter Benutzung einer Maske hergestellt wird, um ein Ätzfenster 40 zu erzeugen. Die verdünnte Membran wird darauf durch ein Plasma-Ätzverfahren oder durch RIE- Ätzung durch das Ätzfenster 40 des Resistüberzugs behandelt, bis die Vertiefungen 16 darunter erreicht sind. An dieser Stelle kann das Waferpaar längs der Trennkanäle 20 geteilt werden, um individuelle Sensoren 44 zu erzeugen. Das Teilen des Waferpaars längs der vorgeformten Kanäle ist zweckmäßig gegenüber einem Schneiden oder Sägen der Wafer, weil durch diese Arbeitsgänge beträchtliche Mengen an Fremdkörpern erzeugt werden, die die Vertiefungen schließen können.
Fig. 15 zeigt eine Grundrißansicht des Resonatoraufbaus in einer am Rand abgestützten Konfiguration. Eine entsprechende, auf der Innenseite abgestützte Konfiguration gemäß Fig. 16 ist möglich und schafft eine kompaktere Anordnung und eine bessere Isolation der Lagerbeanspruchungen; jedoch ist die Verbindung mit den Drähten 34 bei innenseitig abgestützter Konfiguration schwieriger, weil die Drähte über und unter dem Resonator verteilt werden müssen. Um eine isotrope Elastizität in der Sensorebene zu schaffen, muß die < 111> Siliziumkristallebene an der Membranoberfläche ansetzen (d. h. der Membranwafer muß < 111> geschnitten sein); es können auch andere gewählte Kristallebenen benutzt werden, jedoch würden diese Resonatordimensionen erfordern, die beträchtlich modifiziert sind, um eine Anpassung der Eigenmoden zu gewährleisten.
Die Grundform des Sensors umfaßt den Resonator 18, die nachgiebigen Träger 38 und den Lagerbereich 50, der langgestreckte Stege 52 aufweisen kann, um beispielsweise elektrostatische Abnehmer 54 zu bilden. Statt dessen könnten Vibrationswandlerverfahren Anwendung finden, beispielsweise piezo-resistive Dehnungsmesser entlang der Strahlen der optischen Reflexion, obgleich ein elektrostatischer Abnehmer unkompliziert in der Herstellung ist und keine zugeordnete Leistungsverteilung am Sensor liefert, was Anlaß geben könnte zu Temperaturgradienten, die zu einer unerwünschten Sensoraufwärmcharakteristik führen könnten. Ein Beispiel einer Überhangabnehmerelektrode 54 ist in Fig. 17 dargestellt; diese Bauart des Elektrodenaufbaus wird durch Unterschneidcharakteristiken der benutzten Ätzung erzeugt, um den Resonator zu bilden und eine annehmbare Übertragungsempfindlichkeit zu liefern. Fig. 14 zeigt die entsprechende Vertiefungsauslegung, die benötigt wird, um den Membranenaufbau gemäß Fig. 15 herzustellen.
Die nachgiebigen Träger 38 können T-förmig, L-förmig oder gefaltet ausgebildet sein, wie aus den Fig. 18 bis 20 ersichtlich ist. Vorzugsweise gibt es acht (oder ein Vielfaches hiervon) Aufhängeträger, um eine Eigenmode-Anpassung im Falle eines cos2θ-Modus zu gewährleisten. Die gefaltete Form oder der Träger 38 mit offener Schleifenaufhängung ist besonders wirksam zur Schaffung einer nachgiebigen Lagerung und erfordert relativ grobe Geometrie und einen praktikablen Anteil des Bereichs.
Aus den Fig. 18 bis 20 ist ersichtlich, daß ein Träger 38d (oder Paare von Enden) am Substratwafer 10 festgelegt ist, während das sonst freie Ende (oder die Enden) 38e mit dem aufgehängten Resonatoraufbau 18 in Verbindung stehen, um sich mit diesem zu bewegen. Eine im wesentlichen dreieckige Form des Trägers ist in mehreren der Zeichnungen veranschaulicht. Diese spezielle flexible Anordnung besteht aus einem ersten und einem zweiten allgemein radial verlaufenden Abschnitt 60, 62 (Fig. 15) und einem Anlenkabschnitt 64, der dazwischen verläuft. Der erste radial verlaufende Abschnitt ist an einem ersten Ende 60a mit dem Substratwafer 10 und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende 64c des Verbindungsteils verbunden, der seinerseits mit einem zweiten Ende des ersten Endes 62a des zweiten radial verlaufenden Abschnitts verbunden ist, der seinerseits an einem sonst freien Ende 62b des aufgehängten Resonatoraufbaus 18 angeschlossen ist.
Bei diesem federnd nachgiebigen Träger kann der ringartige oder reifenartige Resonator 18 in einem Vibrationsmuster erregt werden, wie dieses schematisch in Fig. 21 dargestellt ist. Wenn eine Bewegung längs der Primärachse erregt wird (in Fig. 21 mit P bezeichnet), dann führt eine Drehung des Resonators um seine Z-Achse (senkrecht zur Ebene der Membran) zu Coriolus-Kräften, die die Vibrationen aus der Primärachse auskuppeln und in die Sekundärachse einkuppeln; die Detektion der Vibrationen, die längs der Sekundärachsen erfolgen, ermöglicht eine Erfassung der aufgeprägten Drehrate.
Wenn er einer linearen Beschleunigung unterworfen wird, dann verhält sich der ringartige oder reifenartige Resonator als seismische Masse und bewegt sich innerhalb des nachgiebigen Trägers relativ zu dem Substratbereich, in dem die Vertiefungen ausgebildet sind. Durch Detektion der Relativbewegung des Resonators 18 kann eine lineare Beschleunigung, die auf den gesamten Aufbau aufgeprägt wurde, durch geeignete Abnahmewandler festgestellt werden.
Die Erfindung liefert in kompakter Form die Eigenschaften der Erfassung linearer Beschleunigung und gleichzeitig einer aufgeprägten Drehgeschwindigkeit; die verschiedenen Bewegungseingänge, die dem Sensor aufgeprägt werden, können in den elektronischen Signalverarbeitungsstufen unterschieden werden, die Teil des kompletten Sensors bilden.
Die GB 91 05 060.9 beschreibt eine Anzahl von Methoden zur Erregerbewegung im Resonator und zur Feststellung der Resonatorbewegung. Das bevorzugte Verfahren dieser Erfindung, durch die der Resonator gezwungen wird zu vibrieren, erfolgt auf elektromagnetische Weise, während elektrostatische (kapazitive) Abnehmer gewählt werden, um die Vibration festzustellen (pickoff). Durch Wahl unterschiedlicher Techniken zur Erregung bzw. zur Abnahme wird gewährleistet, daß eine vernachlässigbare Übertragung des Erregersignals direkt auf den Abnehmer erfolgt (d. h. "ein parasitischer Durchbruch"), wodurch das gewünschte Signal maskiert werden könnte, welches sich auf die Vibration und die seismische Bewegung des Resonators bezieht. Fig. 22 zeigt die allgemeine Form einer praktischen Ausführungsform der Erfindung; diese Ausbildung ermöglicht eine Miniaturisierung, wobei die Resonatorform nur 5 mm x 5 mm groß sein kann, da das verfügbare Signal/Rausch-Verhältnis sich rapide bei den bevorzugten Erregerverfahren und Abnahmeverfahren verschlechtert, wenn der Resonatordurchmesser auf unter 3 mm vermindert wird.
Bei der allgemein schematischen Auslegung von Fig. 22 besitzt der Sensor ein Gehäuse 70, 71 aus einem festen paramagnetischen Material (beispielsweise einer Nickel- Eisen-Legierung, plattiertem Stahl oder einer Legierung aus Elementen Seltener Erden), und hierdurch wird ein niedriger magnetischer Rückschluß gewährleistet. Das Gehäuse besitzt Verbindungsstifte 74, um eine Verbindung mit einer entfernt liegenden Vorrichtung herzustellen; außerdem kann der Sensor mittels seines Gehäuses 70, 71 gelagert werden. Innerhalb des Sensorgehäuses 70, 71 befindet sich ein Permanentmagnet 76, der so polarisiert ist, daß die obere Fläche und die untere Fläche entgegengesetzte magnetische Polarität besitzen; der Magnet ist identisch gesinterten Elementen Seltener Erden (beispielsweise Samarium-Kobalt), weil diese Type von Permanentmagneten eine sehr hohe Felddichte, eine hohe Remanenz und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der magneto-motorischen Kraft liefert. Im Sensorgehäuse liegt das Magnetfeld senkrecht zur Ebene der Resonatormembran.
Auf dem Magneten ist ein ebener Sensor 80 in enger Nachbarschaft zu den Signalverarbeitungsschaltungen angeordnet; die Verarbeitungsschaltung in Fig. 22 ist eine herkömmliche integrierte Schaltung, obgleich zur Vermeidung der Notwendigkeit nach einer hoch mit Bor dotierten Ätzmaske bei der Erfindung ein Membransilizium mit adäquat mäßiger Dotierung liefert, um es der Signalverarbeitungsschaltung zu ermöglichen, falls erforderlich, voll in der Membran integriert zu werden. Verbindungsdrähte 30 verbinden den Resonator und die zugeordneten Schaltungen mit den Gehäusestiften 74. Für Anwendungen mit hoher Empfindlichkeit kann das Sensorgehäuse evakuiert werden, um den Q-Faktor des Resonators zu erhöhen; die Benutzung von 50 µm dicken Membranen bedeutet jedoch, daß Luftdämpfeffekte bei Atmosphärendruck möglich sind, so daß die Vorrichtung arbeiten kann, ohne einen komplexen Aufbau zur Erzeugung des Vakuums zu benutzen. Luftdämpfeffekte sind aus den Veröffentlichungen der Literatur bekannt, und sie sind bedeutsam für kleine Resonatoren mit 15 µm Dicke, erzeugt in Siliziumnitrid-Ablagerungsfilmen oder anisotropischen Ätzungen von oberflächlich mit Bor dotierten Siliziumwafern.
Um die elektromagnetische Erregung und die elektrostatische Abnahme zu erreichen, sind gewisse Wandlereigenschaften am Membranaufbau erforderlich. Fig. 23 zeigt das Prinzip der Wandlereigenschaften. Die Membran ist mit einer Schicht eines isolierenden Dielektrikums aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid überzogen, wie dies oben beschrieben wurde, um zu verhindern, daß die Leiterbahnen unabsichtlich zur Membran kurzgeschlossen werden. Leiterbahnen 34 hoher Leitfähigkeit sind auf dem isolierenden dielektrischen Material abgelagert. In dem Dielektrikum sind an speziellen Stellen Verbindungsfenster vorhanden, um eine elektrische Verbindung mit der Masse des Membranmaterials herzustellen, beispielsweise in der Nähe des Endes der Verbindungskissen 86 und des Resonators 18 selbst; dies garantiert, daß das Resonatorpotential in Ordnung ist, um einen parasitischen Durchbruch von den Erregerbahnen nach den Abnehmern zu vermeiden und ebenso von einem Verbindungskissen nach dem anderen. Der Widerstand des Treiberleiters 34 ist niedrig (nur wenige Ohm), so daß der Stromfluß, der zu einer radialen Kraft F führt, nicht mit irgendwelchen Änderungen im Potential in der Nähe des Resonators verknüpft ist; dies vermeidet eine elektrostatische Kopplungsstreuung nach dem kapazitiven Abnehmer. Das Membranmaterial, einschließlich Resonator und Träger, kann auf einem erhöhten Potential gehalten werden, während die Treiberbahnen und die Abnahmeelektroden bei der praktischen Ausführung in der Nähe des Massepotentials betrieben werden können.

Anhang (Literatur)

(1) Aging phenomena in heavily doped (p') micromachined silicon cantilever beams, M. Tahib-Azer, K. Wong und Wen Ko.
Sensors and Actuators A, 33(1992), S. 199-206.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Bewegungssensors, gekennzeichnet durch die nachstehenden Schritte:

(a) es wird ein Substrat-Wafer (10) vorgesehen;

(b) es wird eine erste Resistschicht (12) auf dem Substrat-Wafer (10) abgelagert;

(c) es werden gewählte Bereiche der ersten Resistschicht (12) entfernt, wodurch erste Ätzfenster gebildet werden;

(d) es werden erste Vertiefungen (16) in dem Substrat- Wafer (10) durch ein erstes Ätzverfahren durch die ersten Fenster hindurch gebildet;

(e) es wird ein relativ dicker Membran-Wafer (24) mit den Substrat-Wafer (10) verbunden, wodurch die Vertiefungen (16) abgedeckt werden;

(f) es wird die Oberfläche des relativ dicken Membran- Wafers (24) poliert, wodurch eine relativ dünne Membran (24a) erzeugt wird;

(g) es wird eine zweite Resistschicht (33) auf der relativ dünnen Membran (24a) abgelagert;

(h) es werden gewählte Bereiche der zweiten abgelagerten Resistschicht entfernt, wodurch zweite Ätz-Fenster (40) gebildet werden;

(i) es wird die relativ dünne Membran (24a) im Bereich der zweiten Ätzfenster (40) weggeätzt, bis die ersten Vertiefungen (16) freiliegen, wodurch in der relativ dünnen Membran (24a) ein freistehender Resonatoraufbau (18) geschaffen wird, der an mehreren federnd nachgiebigen Trägern (38) aufgehängt ist, die von einem festen Abschnitt (50) vorstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

bei welchem der relativ dicke Membran-Wafer (24) dadurch an dem Substrat-Wafer (10) festgelegt wird, daß ein Glasfrittenfilm (26) auf eine Oberfläche eines der Wafer (24, 10) aufgebracht wird, und Hitze und/oder Druck während der Verbindung auf die Fritte (26) ausgeübt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem die Frittenschicht (26) im Spindruck oder im Siebdruck auf den Substrat-Wafer (10) aufgedruckt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der relativ dicke Menbran-Wafer (24) mit dem Substrat-Wafer (10) durch eine Silizium-Fusions-Bindetechnik verbunden wird.

5. Verfähren nach Anspruch 1, bei welchem der relativ dicke Membran-Wafer (24) am Substrat- Wafer (10) mittels eines eutektischen oder polymeren Klebers festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die erste und/oder zweite Resistschicht (12,33) als Spunschicht abgelagert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Ätzverfahren ein isotropisches Ätzverfahren oder ein Trockengas-Ätzverfahren umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem Entlüftungskanäle (22) in der Substratschicht (10) eingeätzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem Spaltkanäle (20) in der Substratschicht (10) eingeätzt werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, mit den folgenden Schritten:

(a) es wird eine dielektrische Schicht (30) auf der polierten Oberfläche des Membran-Wafers (24a) abgelagert;

(b) es werden mehrere Elektroden-Bahnen (34) auf der dielektrischen Schicht (30) und Drahtverbindungskissen (36) in der Nähe des Umfangs des Membran-Wafers (24a) abgelagert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Elektrodenbahnen (34) und/oder die Drahverbindungskissen (36) dadurch abgelagert werden, daß die dielektrische Schicht (30) zunächst mit einem Metall überzogen wird und dann unerwünschtes Material durch einen gasförmigen oder wäßrigen Ätzvorgang entfernt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Träger unter wenigstens einem Teil des relativ dicken Membran-Wafers (24) vorgesehen wird, wodurch wenigstens ein Teil der relativ dicken Membran (24) während des Poliervorganges abgestützt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der nachgiebige Träger (38) in Form eines T-förmigen Trägers ausgebildet ist, wobei zwei Enden (38d) hiervon am Substrat-Wafer (10) festgelegt sirid und ein Ende (38e) an dem aufgehängten Resonator-Aufbau (18) angeschlossen ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem der nachgiebige Träger (38) die Form eines Doppel-L-Trägers besitzt von dem ein Ende jedes Schenkels (38d) am Substrat-Wafer (10) festgelegt ist, und das andere freie Ende (38e) an dem aufgehängten Respnator-Aufbau angeschlossen ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem der nachgiebige Träger (38) die Gestalt einer unvollständigen Schleife besitzt, deren erstes Ende am Substrat-Wafer (10) festgelegt ist und das andere freie Ende mit dem aufgehängten Resonator-Aufbau (18) in Verbindung steht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem der nachgiebige Träger (38) eine im wesentlichen dreieckige Form besitzt, mit ersten und zweiten im wesentlichen radial verlaufenden Abschnitten (60, 62) und mit einem Verbindungsabschnitt (64), der sich dazwischen erstreckt, wobei der erste radial verlaufende Abschnitt an einem ersten Ende (60a) des Substrat-Wafers (10) angeschlossen ist, während ein zweites Ende mit einem ersten Ende (64c) des Verbindungsabschnittes verbunden ist, der mit einem zweiten Ende an einem ersten Ende (62a) des festgelegten radial verlaufenden Abschnitts in Verbindung steht, der seinerseits mit einem sonst freien Ende (62b) des aufgehängten Resonator-Aufbaus (18) in Verbindung steht.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der freistehende Resonator-Aufbau (18) radial innerhalb der nachgiebigen Trägerlager (38) ausgebildet ist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der freistehende Resonator-Aufbau (18) radial außerhalb des nachgiebigen Trägers (38) liegt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, bei welchem mehrere Bewegungssensoren auf dem gleichen Substrat- Wafer (10) untergebracht und dadurch voneinander getrennt sind, daß längsverlaufende Trennkanäle (20) vorgesehen sind.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welchem mehrere elektrostatische Abnehmer dadurch erzeugt werden, daß Material des Substrat-Wafers (10) an der gewünschten Abnahmestelle weggeätzt wird, so daß die relativ dünne Membran (24a) an dieser Stelle weggeätzt wird, wodurch vorstehende Abnehmer auf benachbarten Teilen des Resonator-Aufbaus und des festen Abschnitts erzeugt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welchem sich radial erstreckende Stege auf dem festen Abschnitt erzeugt werden, an denen die nachgiebigen Träger (38) verankert sind.

22. Bewegungssensor hergestellt gemäb dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21.