DE3507820A1

DE3507820A1 - Kapazitiver wandler

Info

Publication number: DE3507820A1
Application number: DE19853507820
Authority: DE
Inventors: Leslie Bruce Palo Alto Calif. Wilner
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Meggitt Orange County Inc
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1985-03-06
Publication date: 1985-11-21
Also published as: JPH0342791B2; US4574327A; DE3507820C2; GB8503438D0; FR2564593B1; GB2158945A; GB2158945B; FR2564593A1; JPS60244864A

Description

VON KREISLER SCHONWALD ESSHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

Becton Dickinson and Company-Mack Centre Drive Paramus, New Jersey 07652-1149 USA

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973 Dr.-lng.K.W. Eishold 11981

Dr.-Ing. K. Schönwald Dr.J.F.Fues

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler Dipl.-Chem. Carola Keller Dipl.-Ing. G. Selting Dr. H.-K. Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

Sg-Hi/fz

Kapazitiver Wandler

Die Erfindung betrifft einen massengefertigten aus Silizium bestehenden kapazitiven Beschleunigungsmesser. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf solche kapazitiven Wandler, die eine mehrschichtige Struktur nutzen, in der eine bewegbare Platte so angeordnet ist, daß sie sich nach Art eines Kolbens in einem Hohlraum in Richtung auf eine feste Platte hin- bzw. von dieser fortbewegen kann und die einen genügend großen Weg für die Bewegungen der bewegbaren Platte in Richtung auf die feste Platte und in Gegenrichtung zur Verfugung stellt. Das heißt, daß sich die gesamte Fläche der bewegbaren Platte in einem stärkeren Maße zur feststehenden Platte hin- bzw. von dieser wegbewegt, als dies bei Ausführungsformen mit beweglicher Oberfläche der Fall ist, wie sie normalerweise bei kapazitiven Wandlern dieses Typs angeboten werden.

Mit dem Gebrauch von Computern, die immer komplexer werdende Gerätesysteme ermöglichen, steigt auch die

Nachfrage nach einzelnen Sensoren mit hoher Zuverlässigkeit und geringen Herstellungskosten. In diesem Bedarf mit eingeschlossen ist die Nachfrage nach Beschleunigungs-Sensoren, sowohl zur Messung der Beschleunigung selbst, als auch zur Messung der Geschwindigkeit und der Verschiebung durch Integration der Beschleunigung. Dies gilt insbesondere bei der auf Robotertechnik gestützten Herstellung von Produkten wie z.B. Automobilen. Es ist aber auch zum Beispiel in Antriebssystemen von Flugzeugen oder Lenkwaffen der unterschiedlichsten Art der Fall, wie sie von Streitkräften benutzt werden. Es ist wichtig, daß solche Meßeinrichtungen extrem klein sind, aber noch, wie es von Anwendern gefordert wird, unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen einsatzbereit sind, und eine äußerst große Empfindlichkeit für Erregungen innerhalb eines sehr großen Bereichs aufweisen.

Ein starrer zentraler "Kolben", der sich gegen ein in einem Rahmen enthaltenes biegsames Teil bewegt, ist aus US-PS 4 236 137 bekannt. Bei der dort beschriebenen Anordnung besteht die Einrichtung zur Bewegungserkennung aus Dehnmeßstreifen an den Biegebereichen, an denen sich die zentrale Platte biegt. Im Gegensatz dazu ist bei der Erfindung die Flexur ungefähr im Bereich der Mitte der Plattenstärke angeordnet. Diese zentrale Flexur ist deshalb so wichtig, weil sie das Verkanten der mittleren zentralen Masse als Folge der Beschleunigungen in der Plattenebene während des Meßvorgangs verhindert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Tiefe einer Ätzung genau eingestellt wird. Das bedeutet, daß der Boden einer geätzten Aushöhlung verändert wird und daß sich daran eine andere Ätzung anschließt, um die flexible Membran zu bilden, auf der

sich die kolbenartige Platte bewegt. Bei der Vorrichtung nach US-PS 4 236 137 wird in dem ebenen Raum zwischen den Platten Gasdämpfung ausgenutzt, um die Abstandsänderung durch Quetschfilmdampfung zu erreichen. Dies hängt in hohem Maße von dem Plattenabstand ab und ist hinsichtlich des Frequenzbereichs durch die Schallgeschwindigkeit des Mediums begrenzt.

Durch die Erfindung wird dagegen eine einstückige Platte erzeugt, die eine Vielzahl von mit gegenseitigen Abständen zueinander angeordneten Löchern bzw. Durchlässen hat, durch die sich das Fluid hindurchbewegt. Wenn sich die Platte wie ein Kolben hin- und herbewegt, dann bewegt sich das Fluid durch die Durchlässe hindurch. Wichtiger aber noch sind die speziellen Kanäle, mit denen die Oberfläche der Platte ausgestaltet ist; diese haben den Effekt, den Fluidstrom zu den Durchlässen hin- bzw. von ihnen wegzuführen, so daß ein Leiten der Bewegung des Fluids während der Bewegung der kolbenartig bewegbaren Platte erfolgt. Der hauptsächliche Strömungswiderstand liegt in den verteilten Kanälen auf der Oberfläche der Platte. Diese Probleme werden durch Dämpfen in den Perforationen oder Löchern der Platte vermieden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der Gebrauch kleiner Glaspunkte, die als Anschläge dienen und über die Oberfläche der bewegbaren Platte verteilt angeordnet sind. Im Uberlastfall verhindern die Anschläge das elektrische Kurzschließen der Platten. Darüberhinaus verhindern die Glaspunkte im überlastfall zwei Formen von Halteeffekten. Bei sehr empfindlichen kapazitiven Sensoren kann es passieren, daß die Anziehungskraft der elektrischen Vorspannung oder der Trägerspannung die

Federkraft der den bewegbaren Kolben haltenden Membran übersteigt, wenn die kolbenartige Platte in eine gewisse Nähe der festen Platte gelangt. Daher kleben die Platte aneinander an. Die Höhe der Glaspunkte ist gemäß der Erfindung so gewählt, daß ein solcher Halteeffekt verhindert wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung z.B. ist die Höhe der Glaspunkte so gewählt, daß das Berühren bei einer Spannung von 5 Volt verhindert wird, wobei die Biegesteifigkeit der Membran so bemessen ist, daß die Membran als Antwort auf eine Be-

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schleunigung von IG einen Weg von 2.54 χ 10 μια zurücklegt.

Ein anderes Problem des Festklebens besteht in dem pneumatischen Festhalten. Wenn nämlich zwei flache Platten sehr eng zusammengebracht werden, steigt der Strömungswiderstand, der sich zwischen den beiden Platten bildet, stark an. Bei empfindlichen Sensoren kann es einige Zeit (mehrere Sekunden) dauern, bis das Gas, welches den Zwischenraum ausfüllt, diesen wieder verläßt und damit die bewegte Platte nach einer Überlastung wieder in ihre Ausgangsposition zurückkehrt. Die über die Oberfläche der Platte verteilten Anschlagpunkte halten den Raum zwischen den beiden Platten offen und ermöglichen den sicheren Durchfluß des Gases und die schnelle Rückstellung.

Eine Besonderheit der Erfindung besteht in der Anbringung der bewegbaren Platte in einer aus mehreren Schichten bestehenden Sandwich-Struktur, wobei sich ein Hohlraum zwischen den beiden äußeren Schichten bildet, mit einer zwischen ihnen angeordneten mittleren Schicht oder Kernschicht, auf der die bewegbare Kondensator-

platte angeordnet ist. Die zu beiden Seiten der bewegbaren Platte angeordneten Hohlräume stehen somit über die Perforationen mit einander in Verbindung.

Eine weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung von kleinen Knöpfen, Leisten, Stäben oder sonstigen Vorsprüngen aus Silizium, die auf der Kernschicht angeordnet sind und gegen einen Aluminiumfilm an den gegenüberliegenden Teil der Verbundstruktur gedrückt werden. Dies hat die Wirkung, daß die Knöpfe o. dgl. bei elastischer Verformung des darunter liegenden Materials zusammengehalten werden, wodurch eine stabile Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen erzielt wird. Schließlich werden durch die Herstellung der erfindungsgemäßen Kondensatorplatten hochempfindliche kapazitive Sensoren mit kleinen Abmessungen produziert, die gleichförmige Flexuren haben, die mittels Ätzen entstanden sind.

Betrachtet man einmal die Bedingung beim Herstellungsprozeß eines kapazitiven Sensors aus Silizium gemäß der Erfindung, so ist es wichtig zu garantieren, daß der Abstand der Kondensatorplatten bei dem fertiggestellten Produkt innerhalb einer Toleranz von - 10% und die verbleibende Membran eine Dicke, die innerhalb einer Toleranz von - 8% liegt, aufweist. Darüberhinaus ist es wichtig, daß die verbleibende Membran im wesentlichen in der Mittelebene der Siliziumscheibe angeordnet ist. Weiterhin muß die Breite der Kanäle auf der Oberfläche innerhalb einer Toleranz von - 15% liegen und die Kanalausgänge eine definierte Rundung aufweisen, während dort natürlich die Durchgangslöcher angeordnet sind. Ebenso dürfen die Durchgangslöchcr und Kan.'ilo knin überhängendes brüchiges Material aufweisen. Die An-

BAD on;

schlagpunkte müssen aus nichtleitendem Material bestehen, um anodenseitig angelegten Spannungen standzuhalten und müssen eine Dicke innerhalb von 0.6 bis 1.0 um auf v/eisen. Schließlich müssen die Anschlußränder für den anodenseitigen Anschluß flach und glatt sein und es ist kein photolithographischer Prozeß erlaubt, nachdem die Membranen freigelegt oder entwickelt worden sind.

Wie beispielhaft für ein Verfahren zur Erlangung der gewünschten Resultate und insbesondere bei der Herstellung der Struktur der mittleren bewegbaren Platte der Mehrschichtstruktur gemäß der Erfindung, ist das Ausgangsmaterial eine einkristalline Siliziumscheibe vom N oder P Typ, die längs der Ebene (100) geschnitten ist und zur Richtung [110] unter einem Winkel von 0.7° steht. Die Anfangsdicke der Siliziumscheibe beträgt 0.1905 mm + 5.08 um. Beide Seiten werden poliert und mit einer dünnen Oxidschicht von ungefähr 0.3 um Dicke überzogen. Anschließend werden mittels Photolithograpie Indexmuster auf die vordere und die hintere Oxidschicht gebracht und die offenliegenden Indexstellen werden reoxidiert. Dann werden die photolithographisch aufgebrachten Muster der Gräben, Kanäle und Löcher der bewegbaren Platte im Oxid auf der Frontseite und die der Löcher im Oxid auf der Rückseite freigelegt. Die Siliziumscheibe wird nun in einem Kaliumhydroxidätzbad bis etwas mehr als auf die Hälfte tief geätzt (0.09906 mm), um die Durchgangslöcher zu öffnen. Anschließend wird die Frontseite photolithographisch behandelt, wobei das verbleibende Oxid aus dem mittleren Bereich herausgenommen wird, die Randzonen jedoch unberührt bleiben. Danach werden mit Hilfe einer sehr genauen Oberflächenätzung (z.B. Ionenstrahlfrasen) 3.5 um - 10% des freigelegten Siliziums der Frontseite abgenommen, so daß der Plattenabstand des Kondensators entsteht.

Danach liegt das verbleibende Oxid frei und beide Seiten werden mit einer starken Oxidschicht von ungefähr 0.6 μΐη Dicke reoxidiert. Die Rückseite wird photolithographisch behandelt, um das Oxid nur auf denjenigen Bereiche, die in einem abschließenden Ätzvorgang angegriffen werden, zu belassen, und um das restliche Oxid abzunehmen. Das gesamte freiliegende Silizium wird anschließend mit Bor dotiert, bis in einer

19 Tiefe von 2.2 μΐη die Borkonzentration mehr als 5 χ 10

atom/cc beträgt.

Der Siliziumträger wird in einer trockenen 0» Atmosphäre reoxidiert, um die effektive Tiefe, in der die

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Borkonzentration mehr als 5 χ 10 atom/cc beträgt, auf 1.6 um zu reduzieren. Die Schicht mit einer hohen Dotierung verläuft langsam nach innen und nach außen hin zu Schichten mit niedrigerer Dotierung. Die Oxidschicht sollte ungefähr 0.6 \im betragen. Anschließend wird ein photolithographischer Prozeß angewandt, um die Anschlagpunkte aus Oxid auf der Oberfläche zu belassen, worauf im Anschluß daran das gesamte andere Oxid abgetragen wird. Schließlich wird der abschließende Ätzvorgar.g eingeleitet (Ethylendiamin/Brenzcatechin (EDB) Ätzung) um die übrigbleibenden Membranen aus Silizium, welches mit einer Dii
freizulegen.

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mit einer Dichte von mehr 5 χ 10 atom/cc dotiert ist,

Die Deck- und Grundschicht der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur werden vorzugsweise aus Hartglas hergestellt. Dazu wird ein Borsiliziumglas vorzugsweise Pyrex verwendet. An das Glas wird die Bedingung gestellt, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe bei dem des Siliziums liegt, so daß während des Abkühlens, nachdem die beiden Oberflächen miteinander

verbunden worden sind, die Kontraktion des Glases ungefähr gleich der des Siliziums ist. Darüberhinaus sollte das Glas im Bereich der Temperatur von 450° bis 550⁰C, bei der die beiden Hälften miteinander verbunden werden, eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 10 Ohm cm haben. Schließlich sollte das Glas mechanische und chemische Stabilität bei Temperaturen unterhalb von 100⁰C haben. Die Basisplatte trägt die stationäre Platte des Kondensators. Diese kann ein dünner Metallfilm sein, der auf der der beweglichen Platte gegenüberliegenden Seite angebracht ist, und mit einem Ansatzstück zur elektrischen Verbindung versehen ist, welches durch eine Aussparung in der Berandung der mittleren Schicht hindurchragt. Diese Aussparung kann mit Lötglas versiegelt werden, um eine Verunreinigung des Inneren der Vorrichtung zu verhindern. Die Deckplatte muß eine Ausnehmung aufweisen, die gegenüber dem beweglichen Teil der mittleren Zone der bewegbaren Platte angeordnet ist, um somit deren Bewegung zu ermöglichen. Diese beiden Pyrex-Teile können anodisch an dem mittleren Teil der bewegbaren Platte angebondet werden.

Alternativ können die Deckplatte und die Grundplatte zur Gewährleistung der Isolierung und der geringen kapazitiver Kopplungen zwischen den Schichten prinzipiell aus Silizium mit Einbettung aus Pyrex oder ähnlichem bestehen. Ein Verfahren, um solche Zusammenstellungen aus Pyrex und Silizium herzustellen, besteht darin, daß man in das Silicium eine Vertiefung hineinätzt, die etwas tiefer ist als die gewünschte Dicke der Pyrexschicht. Dann wird die Pyrexmasse durch Sedimentation auf dem Silizium aufgebracht und veschmilzt zu einer festen Schicht aus Glas mit einer Dicke, die größer ist als die Vertiefungen tief sind.

BAD

Die Oberfläche der Siliziumscheibe wird dann grundiert und poliert, um das Pyrex von der unbehandelten Oberfläche des Siliziums zu entfernen, und um eine plane und glatte Oberfläche der Pyrexschicht in den Bereichen der Vertiefungen zu erstellen. Die Basisplatte, die die feste Platte des Kondensators darstellt, wird mit einem dünnen photolithographisch aufgebrachten Aluminiumfilm überzogen, um einfache Verbindungen zu schaffen, sowohl bezogen auf die Basisplatte, als auch auf die mittlere Schicht mit der bewegbaren Platte. Die Deckplatte benötigt eine Vertiefung, um die Bewegung der bewegbaren Platte zu ermöglichen. Eine solche Vertiefung wird zweckmäßigerweise durch Ätzen in dem EDB-Ätzbad erzielt, welches das Silizium aber nicht die Pyrexschicht angreift.

Es gibt zwei Gründe für die Verwendung außenliegender Siliziumschichten mit eingelagerten Pyrexschichten. Ein Grund ist der, um mit der feststehende Elektrode aus der Ebene herauszukommen, und um damit die Notwendigkeit eine Aussparung in den Verbindungsrand bzw. das Zustopfen dieser Aussparung zu vermeiden. Der andere Grund ist der, daß die Ungleichheit der thermischen Ausdehnung zwischen den einzelnen Teilen reduziert wird, indem man sie quasi alle aus einem Material macht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher ausgeführt.
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Fig. 1 zeigt eine Ansicht von unten auf die Kondensatorplatte, die den mittleren Teil der Mehrschichtstruktur darstellt und den kapazitiven Wandler bildet,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt längs der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den kapazitiven Wandler, wobei die obenliegende Oberfläche der Mehrschichtstruktur dargestellt ist,
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Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Kern bzw. die Kondensatorplatte, bei der die Deckschicht bzw. oberste Schicht der Mehrschichtstruktur weggelassen worden ist,
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Fig. 6 zeigt eine Ansicht auf die Unterseite der Deckschicht der Mehrschichtstruktur, wobei die mittlere Kondensatorplatte weggelassen worden ist,

Fig. 7 zeigt wie Fig. 1 eine Ansicht von unten auf den mittleren Teil der Kern- bzw. Kondensatorplatte der Mehrschichtstruktur bei entfernter Basisschicht,

Fig. 8 zeigt eine Ansicht auf die Basisschicht der Mehrschichtstruktur mit der nach innen zeigenden Fläche der Basisschicht, die der mittleren Kernplatte gegenüberliegt, und

Fig. 9 ist eine Seitenansicht des kapazitiven Wandlers in Mehrschichtstruktur.

Für die Zeichnungen gilt, daß sich bei allen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile der Figuren

beziehen. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die mittlere Kondensatorplatte bzw. auf die Kernplatte, die zwischen der Grund- und der Deckschicht liegt und somit eine Mehrschichtstruktur bildet, die als hochstempfindlicher kapazitiver Wandler benutzt werden kann. Die dargestellte Ansicht der mittleren Kondensatorplatte zeigt deren Unterseite, die der Grundschicht gegenüberliegt. Die Kondensatorplatte 10 weist die mittlere bewegbare Platte 15 auf, die kolbenartig in Richtung aus und in die Papierebene hinein bewegbar ist .und umschlossen wird von der flexiblen Membran 11. Die außenliegende Oberfläche der Membran 11 ist mit dem Verbindungsrahmen 30 verbunden.

Eine Besonderheit hierbei sind die zahlreichen Perforationen bzw. Durchlässe 16, die querliegend über die Oberfläche der bewegbaren Platte 15 verteilt angeordnet sind. Diese Perforationen bzw. Durchlässe ermöglichen bei der Mehrschichtstruktur des kapazitiven Wandlers den Luftstrom von der Unterseite der Platte 15 zu ihrer Oberseite und zurück. Die Ausnehmung 12, die unterteilt ist von der Nut 18, befindet sich auf der Oberseite des Kondensatorkerns 10 in der Zone der bewegbaren Platte 15 und bildet einen Bereich einer tiefergelegenen Aushöhlung, die zwischen der Grundschicht der Mehrschichtstruktur und der mittleren Kondensatorplatte 10 gebildet wird. Außerdem formen die Oberflächenvertiefungen und/oder Nuten einen Führungskanal für den Luftdurchfluß, um die Luft entlang der Oberfläche in Richtung der Perforationen 16 zu leiten. Dies dient der Sicherstellung eines rasch und genau geführten Luftstromes bzw. des raschen Rückstellens, wenn die sich gegenüberliegenden Platten nahe zusammenkommen. Auf der Unterseite der Platte 10 befinden sich Vorsprünge oder

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Buckel 22 zur elektrischen Kontaktierung mit einem gegenüberliegenden dünnen Metallfilm auf der gegenüberliegenden Grundplatte wenn die verschiedene Teile, die die Uberlagerungsstruktur des kapazitiven Wandlers bilden, zusammengefügt werden. 24 ist eine Aussparung in der Platte 10, durch die ein Metallfilmkontakt der festen Platte hindurchgeführt werden kann.

Während der Bildung des Kernplattenteils 10 werden zahlreiche durch gegenseitige Abstände voneinander getrennte Anschläge 14 über die Oberfläche des mittleren kolbennrtig bewegbaren Plattenteils 15 erzeugt. Die Anschläge 14 sind dielektrisch und dienen somit der Verhinderung eines elektrischen Kontaktes der Platte 15 mit der gegenüberliegenden Oberfläche der feststehenden Grundschicht der Mehrschichtstruktur . Dieses verhindert wiederum auch das pneumatische Aneinanderkleben, so daß die Luft schnell zwischen den Platten hindurchströmen kann.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den mittleren Plattenteil 10. Die Oberfläche 26 ist bis unterhalb der Randfläche 70 der Platte 10 geätzt. Bis zu einer etwas geringeren Tiefe sind die Reihen von Anschlägen 14 geätzt, die die Angriffsflächen der flexiblen kolbenartigen Platte 15 bei ihrer Bewegung in Richtung auf die gegenüberliegende feste Kondensatorplatte darstellen, die durch die zu unterst liegenden Schicht der Überlagerungsstruktur gebildet wird. In gestrichelter Linie ist in der Oberfläche 26 der Platte 10 die Konfiguration der Luftströmungsdämpfungskanäle 18 angedeutet. Von den Oberflächen 24 bzw. 26 verlaufen "Schrägen" 27, 29, die in die dünnere Membran 11 übergehen, an welcher die Platte 15 bewegbar aufgehängt ist.

Bei den so hergestellten Vorrichtungen sind die Abmessungen der eingeätzten Vertiefungen äußerst gering. So kann die Stztiefe der Oberflächen der Anschläge 14 und der Oberfläche 26 unterhalb der Oberfläche 70 eigentlieh mit bloßem Auge aus Fig. 2 nicht erkannt werden. Des besseren Verständnisses wegen sind die Zeichnungen sehr übertrieben dargestellt. Die Gesamtgröße des hier beschriebenen Kondensators wird weiter unten angegeben.

Fig. 3 zeigt die gleiche Oberfläche 26 des Kondensators mit den Nuten 18. Dieser Schnitt ist durch ein Gebiet gelegt, das keine Perforationen aufweist.

Die Fign. 5 bis 9 zeigen die Mehrschichtstruktur des kapazitiven Wandlers. So zeigt zum Beispiel Fig. 9 die zusammengefügten Teile einschließlich der Basisschicht 56, der Kernschicht 10 und der Deckschicht 50.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf die Sandwich-Struktur, einschließlich der außenliegenden Oberfläche der Deckschicht 50 zusammen mit dem Basiskontakt 38 und der Kernschichtkontaktierung 40. Wenn die Deckschicht 50 von der Oberfläche des mittleren Kernteils 10 abgenommen wird, ergibt sich für die innere freigelegte Oberfläche der Deckschicht 50 die Ansicht, wie sie Fig. 6 zeigt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich eine Randzone in Form eines Pyrexfilras 52 um die äußere Oberfläche des Siliziumkristalls herum, der die Deckschicht bildet. Hierbei beträgt die Stärke des Pyrexfilms, der aus erstarrtem Pyrexgranulat wie zuvor beschrieben entsteht, nach dem Polieren und/oder Schleifen desselben ca. 10.16 μπι. Der mittlere Teil 54 ist aus reinem Silizium, das bezogen auf die sich berührende Oberfläche der Deckelschicht 8.89 um tief geätzt ist. Somit formt

die geätzte und tiefer gelegene reine Siliziumoberfläche einen Teil des Hohlraums der Mehrschichtstruktur. Wird die Deckschicht 50 von der darunterliegenden Oberfläche der Kernplatte 10 entfernt, so ergibt sich die Ansicht der Kernplatte, wie sie Fig. 5 zeigt. Eine Vielzahl von Löchern bzw. Perforationen 16 ist auf der Oberfläche des Kernteils 10 auf dem beweglichen Plattenteil 15 angeordnet, welcher auf der Membran 11 bewegbar gehalten wird.

Wird die Basisschicht 56 vom mittleren Kernteil entfernt, ergibt sich die dem Kernteil zugewandte Ansicht der Basisschicht 56 wie sie Fig. 8 zeigt. In diesem Fall weist die Basisschicht 56 auch einen aus einem Pyrexfilm bestehenden Rahmen 58 auf, der in der gleichen Art wie der Pyrexfilmrand der Deckschicht der MehrschichtStruktur entsteht. Kontakt 62 ist ein Metall-Pyrexkontakt zur Platte 10 und ist gegenüber der Basisschicht 56 isoliert, wohingegen Kontakt 64 ein Metall-Siliziumkontakt für die Basisschicht 56 ist. Der aus reinem Silizium bestehende Teil 60, der eine feste Kondensatorplatte bildet, ist durch Ätzen um 3.048 μη* tiefer gelegen, wie es für eine spezielle Dimensionierung charakteristisch ist. Der geätzte und tiefer gelegene Teil bildet wiederum einen Teil des Hohlraums, in dem sich die Platte 15 der Mehrschichtstruktur verformt .

Fig. 7 entspricht der Darstellung der Fig. 1 und zeigt die Unterseite des mittleren Kernteils 10 mit entsprechenden Vertiefungen 32,34 und 35. Diese Unterseite weist mehrere voneinander getrennte Erhebungen oder Leisten aus Silizium auf, die den Kontakt zum Bereich 62 auf der Basisschicht 58 herstellen. Zwischen die

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isolierten Vertiefungen 32 und 35 ragen schmale Leisten 33, um die Verbindung zu Kontakt 62 (Fig. 8) herzustellen. Die Vertiefung 35 erstreckt sich gänzlich durch die Kernplatte 10 hindurch bis in die Anschlußmulde 46 (Fig. 5) und ermöglicht zwecks optischer Ausrichtung die Draufsicht auf den Metallkontakt 62. Die unterschiedlichen Kontakte dienen zum Anschließen der Vorrichtung, um die durch Veränderung der zu messenden Beschleunigung oder des zu messenden Drucks hervorgerufenen Kapazitätsänderung zu ermitteln.

Der kapazitive Wandler ist extrem klein. Beispielsweise gilt für die Größenordnungen, die bei der Produktion des kapazitiven Wandlers in Sandwich-Struktur benutzt werden, für die Dicke der Sandwich-Struktur 1.4605 mm. Nimmt man diese Abmessung für die Dicke an, so kann die Breite 2.6924 mm und die Länge 3.4798 mm betragen.

Wie sich aus dem Vorhergehenden ergibt, wird ein kapazitiver Wandler oder ein Beschleunigungsrcesser aus Silizium geschaffen , der in Siliziumtechnologie hergestellt werden kann, bei dem die seismische Masse, ihre elastische Aufhängung, der Rahmen, an dem die Aufhängung befestigt ist und die Einrichtung zum Gasdämpfen durch Ätzen auf einem Siliziumeinkristall hergestellt werden. Der Zwischenraum des Kondensators kann ebenso in den gleichen Siliziumteil hineingeätzt werden und entsprechende Gegenstücke bilden die zweite Kondensatorplatte, die ebenfalls aus einem Siliziumkristall bestehen kann. Die Anordnung der einzelnen Teile hierbei schafft einen Beschleunigungsmesser, der sehr stabil ist, weil seine grundlegenden Bestandteile alle aus einem Einkristall entstanden sind. Der Beschleunigungsmesser kann trotz der Anforderung an die hohe Genauig-

keit und die Komplexität der Gasdämpfung wirtschaftlich produziert werden, weil eine große Anzahl identischer Komponenten auf einer Siliziumscheibe gleichzeitig hergestellt werden können.
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Wichtig ist, daß ein zentraler Biegebereich an einer Platte geschaffen wird, die sich kolbenartig so bewegt, daß Verkantungen der bewegten Masse als Folge einer Beschleunigung verhindert werden, wodurch verfälschte Signale auftreten würden. Der Sensor ist gasgedämpft und der hauptsächliche Strömungswiderstand für die Gasströmung befindet sich in den Ausbreitungskanälen, die auf der Oberfläche der Platte ausgebildet sind. Das Dämpfen in den Perforationen verhindert die Probleme früherer Vorrichtungen, selbst wenn es große zu bewegende Gasmengen zur Folge hat. Dabei verhindert die Anordnung wegen der Verwendung der über die Oberfläche der Vorrichtung verteilten Anschläge zusammen mit dem kontoliierten Luftdurchfluß zwei Formen von Halteffekten. Durch die gewählte Dicke der Anschlagpunkte wird das leichte durch elektrische Spannungsüberlastungen hervorgerufene Vorspringen der Membran verhindert, die die bewegbare Kondensatorplatte trägt. Daneben werden pneumatisch bedingte Halteeffekte dadurch verhindert, daß die Anschläge den Raum zwischen den sich gegenüberliegenden Kondensatorplatten offenhalten und damit den Gasfluß in den Zwischenraum und die schnelle Rückstellung ermöglichen.

Die Erfindung ist nicht auf das aufgeführte Beispiel beschränkt, beispielsweise kann die Anzahl der öffnungen 16 variiert werden, was von der speziellen Anwendung der Vorrichtung abhängt und womit auch eine Variation der Größe und Anzahl der Kanäle 18 verbunden

ist. Darüberhinaus können anstelle des Gebrauchs einer einzelnen unter Spannung stehenden Membran 11 zwei Teilmembranen ausgebildet werden, wobei jeweils eine auf jeder Oberfläche in der Mitte der Kernplatte 10 angeordnet ist.

Weiterhin kann ein symmetrisches System in Anlehnung an diese Erfindung aufgebaut werden, bei dem die zweite außenliegende Platte zu einem dritten kapazitiven EIement wird. Bei dieser Anordnung werden Gräben und Anschläge auf beiden Oberflächen der seismischen Masse oder Platte ausgebildet. Die sich ergebenden Lücken auf beiden Seiten der Platte sind im wesentlich gleich.

Bezogen auf diese Anordnung kann ein Druckwandler derart ausgebildet werden, daß die zweite außenliegende Schicht als Kraftsummier-Zone dient, die mechanisch in Kontakt mit der seismischen Masse steht. Unter diesen Umständen werden von der Kraftsummier-Zone Verformungskräfte an die Masse weitergegeben, die proportional zum einwirkenden Druck sind.

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur kapazitiven Meßwertaufnahme mit einem Kondensator, der eine bewegbare Kondensatorplatte aufweist,
gekennzeichnet durch,

a) eine aus einkristallinem Silizium bestehende bewegbare Kondensatorplatte (10),

b) einen Rand (30) , der den Umfang der bewegbaren Kondensatorplatte (10) bildet,

c) eine auf der bewegbaren Kondensatorplatte (10) angeordnete zentrale seismische Masse (15) die an jeder Seitenkante einen Abstand von dem Rand (30) hat,

d) eine die seismische Masse (15) umgebende Membranfeder (11) , die diese an allen Seiten mit * dem Rand (30) verbindet und die seismische Masse _v (15) derart trägt, daß diese Bewegungen ausführen kann, die senkrecht zur Ebene der bewegbaren Kondensatorplatte (10) verlaufen

e) mindestens ein Loch (16) in der seismischen Masse (15) , durch das die beiden Seiten der seismischen Masse (15) in Verbindung stehen,

f) eine Vielzahl von Gräben (18) auf der einen Seite der bewegbaren Kondensatorplatte (10), wobei die Gräben (18) sich von dem Loch (16) zu einem davon entfernt liegenden Punkt hin erstrecken und einen allmählich größer werdenden Querschnitt aufweisen, dessen Größe in direkter Beziehung zur Entfernung vom Loch (16) steht und

g) elektrische Kontaktiereinrichtungen (22) auf der bewegbaren Kondensatorplatte (10) zur Weiterleitung der gemessenen Erregungen der bewegbaren Kondensatorplatte (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß auf der einen Fläche der seismischen Masse (15) eine Vielzahl von voneinander getrennten, aus dielektrischem Material bestehenden Erhebungen (14) angeordnet ist und daß

b) diese Erhebungen (14) bei der Bewegung der bewegbaren Kondensatorplatte (10) an eine gegenüberliegende Oberfläche der festen Kondensatorplatte angreifen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch

a) eine Vielzahl von Löchern (16) , die über die seismischen Masse (15) mit gegenseitigem Abstand verteilt sind, und

b) eine Vielzahl von sich von jedem der Löcher (16) erstreckenden Gräben (18).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

a) ein Strexfengefuge, welches drei aus monokristallinem Silizium bestehende Schichten (56,10,50) aufweist, nämlich eine innere Schicht, die der bewegbaren Kondensatorplatte (10) der Vorrichtung entspricht, eine erste äußere und eine zweite äußere gegenüber der inneren Schicht (10) isolierte Schicht (56;50) mit im wesentlichen gleichen Abmessungen

b) einen Rand (30) , bei der jeweils eine seiner Oberflächen mit jeweils einer der beiden äußeren Schichten verbunden ist,

c) einen Hohlraum, der Gas enthält und von den äußeren Schichten (56,50) und der Randzone (30) gebildet ist, wobei die erste äußere Schicht

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(56) die feste Kondensatorplatte und die zweite äußere Schicht (50) die seismische Masse (15) umschließt und ihre Bewegung von der ersten äußeren Schicht (56) weg begrenzt, und
d) Kontaktiereinrichtungen (22,62) auf mindestens einer der beiden äußeren Schichten zur Weiterleitung der gemessen Erregung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die innere Schicht (10) aus monokristallinem Silizium besteht und die beiden äußeren Schichten (56,50) aus einen Borsiliziumglas bestehen und daß

b) der Rand (30) auf seinen beiden Oberflächen Borsiliziumglas aufweist und jede dieser Oberflächen mit je einer der äußeren Schichten (56,50) verbunden ist und die innere Schicht (10) gegenüber den äußeren Schichten (56,50) isoliert ist.