DE10053309A1 - Mikromechanischer Beschleunigungssensor - Google Patents
Mikromechanischer BeschleunigungssensorInfo
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Abstract
Ein mikromechanischer Beschleunigungssensor ist aus mindestens drei Ebenen aufgebaut und umfasst einen Bodenteilwafer (11), einen Mittelteilwafer (12) und einen Deckelteilwafer (13). Der Mittelteilwafer (12) bildet eine Platte (15), die in einem Rahmen (14) schwenkbar gelagert ist. Die Platte (15) ist an gegenüberliegenden Kanten mit dem Rahmen (14) durch Aufhängungen (9) verbunden, so dass die Drehachse (A) der schwenkbaren Platte (15) sich durch die Platte (15) hindurchstreckt. An der Platte (15) ist mindestens eine zusätzliche Inertialmasse bzw. ein Masseelement (16a, 16b) befestigt, das separat von der Platte (15) gefertigt ist. Die Masseelemente (16a, 16b) sind Stahlkugeln, die in Vertiefungen der Platte (15) positioniert sind und bei einer Beschleunigung des Sensors ein Verkippen der Platte (15) bewirken. Der Sensor kann zur Messung von lateralen Beschleunigungen, zur Messung von vertikalen Beschleunigungen und zur Messung von lateralen und vertikalen Beschleunigungen ausgestaltet sein.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Mikromechanische Beschleunigungssensoren werden beispielsweise in einem Fahrzeug
zur Fahrwerksregelung oder als Aufprallsensor zur Auslösung von Schutzeinrichtungen wie
Airbags eingesetzt. Weiterhin werden mikromechanische Beschleunigungssensoren als
Hilfsmittel zur Navigation und zur Lagebestimmung in Fahrzeugen und Flugzeugen
verwendet.
In der DE 44 39 238 A1 ist ein Beschleunigungssensor beschrieben, der eine kapazitive
Auslesung aufweist. Der Beschleunigungssensor hat einen planaren Aufbau aus
Halbleiterkörpern, wobei mindestens einer der beiden Halbleiterkörper eine Grube
aufweist, in der eine freitragende Struktur angeordnet ist. Die freitragende Struktur ist an
einer Seite mit dem Halbleiterkörper verbunden und senkrecht zur Fläche der beiden
Halbleiterkörper frei beweglich, so dass sie bei einer Beschleunigung in dieser Richtung
aufgrund ihrer trägen Masse ausgelenkt wird. Die freitragende Struktur und der
Halbleiterkörper bilden einen Plattenkondensator, dessen Kapazität durch die freitragende
Struktur bei einer auftretenden Beschleunigung verändert wird.
Weiterhin sind Beschleunigungssensoren bekannt, die nach dem piezoelektrischem Prinzip
arbeiten, wobei bei einer auftretenden Beschleunigung ein piezoelektrisches Element
verformt wird und ein Signal abgibt, das ein Maß für die auftretende Beschleunigung ist.
Die bekannten Beschleunigungssensoren haben jedoch den Nachteil einer unzureichenden
Genauigkeit. Dies wird zumeist durch Offset-Werte verursacht, welche die Messergebnisse
verfälschen. Weiterhin wird die Genauigkeit durch eine Off-Set-Drift eingeschränkt, die
beispielsweise durch Schwankungen in der Versorgungsspannung oder auch durch
Temperaturschwankungen entsteht. Weiterhin ergeben sich oftmals große Schwierigkeiten
bei der genauen Reproduktion der Sensorstruktur. Hinzu kommen hohe
Herstellungskosten, die durch ein komplexes Herstellungsverfahren verursacht werden, so
wie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen
Beschleunigungssensor zu schaffen, der eine verbesserte Sensorgenauigkeit,
insbesondere im Hinblick auf Off-Set und Off-Set-Drift aufweist, und der darüber hinaus
kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst, durch den mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß
Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Aspekte, Merkmale und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße mikromechanische Beschleunigungssensor umfasst eine Platte, die
schwenkbar um eine Drehachse befestigt ist, so dass die Platte bei einer senkrecht zur
Drehachse wirkenden Beschleunigung aufgrund einer Trägheitskraft eine Auslenkung
erfährt, und weiterhin eine Einrichtung zur Messung der Auslenkung, wobei an der Platte
mindestens eine zusätzliche Inertialmasse befestigt ist, die bevorzugt separat von der
Platte gefertigt ist.
Aufgrund der zusätzlichen, bevorzugt separat gefertigten Inertialmasse können starke
Rückstellkräfte im Sensor verwirklicht sein, was die Off-Set Fehler und Off-Set-Drifteffekte
herabsetzt und die Sensorgenauigkeit erhöht. Hinzu kommt, dass auf die Platte wirkende
Kräfte, wie beispielsweise elektrostatische Kräfte bei einer kapazitiven Auslesung, kleiner
im Verhältnis zur Rückstellkraft sind, weshalb Schwankungen in der Versorgungsspannung
weniger Einfluss auf die Sensorempfindlichkeit haben. Ebenso werden Ungenauigkeiten
aufgrund von Temperaturschwankungen bzw. Temperatur-Drifteffekte reduziert. Hinzu
kommt, dass der Sensor kostengünstig herstellbar und sehr robust ist. Dennoch hat er
kleine Abmessungen und eine hohe Genauigkeit.
Das Anbringen der Zusatzmasse ist insbesondere auch ein sehr kostengünstiges Verfahren
zur Erzeugung hoher Inertialmassen. Die Inertial- bzw. Zusatzmasse erzeugt hohe
mechanische Kräfte bzw. Drehmomente beim Einwirken einer Beschleunigung. Dadurch
kann die gesamte Sensorstruktur entsprechend robust ausgelegt werden, wobei dennoch
eine hohe Empfindlichkeit auf die Messgröße gegeben ist.
Bevorzugt ist der Sensor aus mindestens drei Ebenen bzw. Wafern aufgebaut, wobei die
Platte zwischen einem Bodenteil und einem Deckelteil befestigt ist. Dadurch wird die
Herstellung vereinfacht und es werden Kosten reduziert. Der Aufbau in drei oder mehr
Ebenen trägt darüber hinaus auf Grund der Symmetrie zu einer höheren Genauigkeit bei.
Vorzugsweise ist die Platte an mindestens zwei Aufhängungen befestigt, die sich z. B. an
gegenüberliegenden Kanten der Platte befinden und die Drehachse definieren, wobei sich
die Drehachse durch die Platte erstreckt. Dadurch bildet die Platte eine Art Wippe, die um
die Drehachse verkippt wird, sobald eine Beschleunigung auftritt. Dadurch wird eine
differenzielle Auslesung möglich, die zur Erhöhung der Genauigkeit zusätzlich beiträgt.
Bevorzugt ist zur Messung der Auslenkung auf beiden Seiten der Drehachse jeweils eine
Kapazität ausgebildet, wobei sich bei einem Verkippen der Platte um die Drehachse die
eine Kapazität erhöht, während sich die andere Kapazität verringert. Durch diese
Maßnahme kann auf besonders einfache Weise eine differenzielle Auslesung bzw. eine
Auslesung von einem Differenzsignal erfolgen, so dass Drifteffekte und
Sensorungenauigkeiten weitgehend eliminiert werden.
Vorteilhafterweise sind eines oder mehrere der Elemente Bodenteil, Platte und Deckelteil
aus jeweils einem Wafer gebildet. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache und
kostengünstige Herstellung, die mit großer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfolgen
kann.
Die Platte kann z. B. asymmetrisch aufgehängt sein, so dass bei einer senkrecht zur
Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte um die Drehachse
erfolgt. Dabei ist z. B. der Schwerpunkt von Inertialmasse und Platte lateral bzw. in
Plattenebene gegenüber der Drehachse versetzt.
Vorteilhafterweise ist auf der Oberseite der Platte und auf der Unterseite der Platte jeweils
eine Inertialmasse angeordnet, wobei die beiden Inertialmassen z. B. symmetrisch zur
Plattenebene angeordnet sind. Das Befestigen von zwei Massen führt zu einer zusätzlichen
Erhöhung der mechanischen Kräfte. Durch die Symmetrie des Sensoraufbaus in Bezug auf
die Platten- bzw. Mittelteilebene ergibt sich eine sehr exakte Empfindlichkeit in z-Richtung,
d. h. in die senkrecht zur Plattenebene gerichtete Richtung.
Die Inertialmasse kann aber auch senkrecht zur Plattenebene versetzt angeordnet sein, so
dass bei einer in Richtung der Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen
der Platte um die Drehachse erfolgt. D. h., die Inertialmasse bzw. Masse ist in Bezug auf
die Plattenebene einseitig ausgelagert, so dass durch diese Maßnahme der
Beschleunigungssensor auf Beschleunigungen in Richtung der Plattenebene empfindlich
ist. Dabei ist die Inertialmasse z. B. genau oberhalb der Drehachse auf der Oberseite der
Platte angebracht, oder sie ist z. B. unterhalb der Drehachse an der Unterseite der Platte
befestigt.
Vorteilhafterweise ist die Platte in einem Mittelteil ausgestaltet, das ein Feder-Masse-
System mit einer auf die Platte in ausgelenktem Zustand wirkenden Rückstellkraft bildet.
Das Mittelteil kann beispielsweise ein Wafer sein, der einen Rahmen mit einer innerhalb
des Rahmens gelegenen Plattenstruktur bildet, wobei gegenüberliegende
Verbindungsstege zwischen Rahmen und Platte ausgestaltet sind.
Bevorzugt ist das Bodenteil und/oder das Deckelteil aus einem isolierenden Material,
insbesondere aus Glas gebildet und trägt beispielsweise eine elektrisch leitende Schicht,
die eine Elektrodenfläche bildet. Durch die Verwendung von isolierendem Material, auf
dem die Elektroden aufgebracht werden, reduzieren sich die Streukapazitäten und die Drift
der Kapazitätswerte wird noch weiter herabgesetzt. Die elektrisch leitende Schicht kann
z. B. eine Metallschicht sein. Es sind aber auch andere Materialien verwendbar, wie z. B.
Polysilizium oder Silizide, die für bestimmte Anforderungen unter Umständen besser
geeignet sind.
Bevorzugt ist in der Platte mindestens eine Vertiefung ausgestaltet, in der die
Inertialmasse befestigt ist. Das Befestigen der Masse in der Vertiefung garantiert eine
genaue und reproduzierbare Positionierung. Dies ist vorteilhaft für eine hohe
Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften bei einer Massenfertigung. Das Befestigen
der Masse in der Vertiefung erhöht außerdem die Auflagefläche der Masse und führt zu
einer besseren Festigkeit. Eine kugelförmige Masse bzw. Inertialmasse ist besonders leicht
herzustellen und sie hat darüber hinaus sehr enge Toleranzgrenzen.
Vorteilhafterweise ist die Inertialmasse kugelförmig ausgebildet und sie kann
insbesondere aus einem Material gefertigt sein, dessen Dichte frei wählbar ist.
Insbesondere kann das Material der Inertialmasse eine höhere Dichte aufweisen als das
Material der Platte. Es ist aber auch möglich, die gleiche Dichte oder eine geringere Dichte
zu wählen.
Durch kugelförmige Massen kann ein sehr hoher Genauigkeitsgrad mit einer besonders
guten Reproduzierbarkeit erreicht werden. Die Positionierung der Masse in einer radialen
Vertiefung ist darüber hinaus selbstjustierend. Die Selbstjustage kann z. B. durch
Verwendung von magnetischen Inertialmassen noch weiter verbessert werden. Durch
Verwendung eines Materials mit relativ hoher Dichte können besonders große
Inertialmassen auf kleinem Raum geschaffen werden. Beispielsweise sind Stahlkugeln eine
sehr kostengünstige Möglichkeit, Inertialmassen sehr präzise anzuordnen.
Vorteilhafterweise ist auf der Oberseite des Bodenteils mindestens eine freiliegende
Anschlussfläche zur Kontaktierung von Elektroden in einem Innenraum des
Beschleunigungssensors angeordnet. Die Anordnung aller Anschlußpads auf dem
Bodenwafer ermöglicht ein einfaches Drahtbonden der Sensoren mit der entsprechenden
Auswerteelektronik. Teure und aufwendige Drahtbondverfahren sind nicht notwendig.
Bevorzugt sind die Elektroden zur kapazitiven Auslesung von geschlossenen
Ringleiterbahnen umgeben. Dadurch werden elektrische Streusignale wirksam
abgeschirmt, was ebenfalls zur Erhöhung der Genauigkeit der Messergebnisse des
Beschleunigungssensors beiträgt.
Beispielsweise kann im Bodenteil und/oder im Mittelteil eine Vertiefung vorgesehen sein,
die einen Spalt zwischen der Platte und dem Bodenteil bildet. Dadurch kann auf einfache
Weise ein Abstand zwischen Bodenteil und Platte erzeugt werden, der das Verkippen der
Platte bzw. die Auslenkung um die Drehachse bei einer auftretenden Beschleunigung
ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist zwischen dem Bodenteil und dem Deckelteil ein hermetisch
abgeschlossener Innenraum ausgebildet, indem sich die Platte befindet, wobei
insbesondere Leiterbahnen, die z. B. auf dem Bodenteil angeordnet sind, nach außen
führen. Durch einen abgeschlossenen Innenraum wird der Einfluss von störenden
Umgebungsbedingungen weitgehend ausgeschaltet und der Sensor ist vor Alterung und
Verschmutzung geschützt. Vorzugsweise sind alle elektrischen Kontaktstellen planar und
liegen parallel zur Ebene des Bodenteils bzw. der Bodenteiloberfläche.
Vorteilhafterweise sind die Platte und/oder die Aufhängungen aus Silizium gefertigt,
insbesondere aus einkristallinem Silizium. Die Verwendung von Silizium und insbesondere
einkristallinem Silizium als Material für die Platte und/oder für die Aufhängungen bzw.
Federn und zur Befestigung der Masse garantiert ein hohe mechanische Belastbarkeit.
Darüber hinaus treten keine Ermüdungs- und Alterungserscheinungen auf.
Der mikromechanische Beschleunigungssensor kann beispielsweise eine erste und eine
zweite Platte mit zusätzlichen Inertialmassen und jeweils einer zugehörigen Drehachse
umfassen, wobei bei der ersten Platte der Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen
Drehachse in Richtung der Plattenebene versetzt ist, während bei der zweiten Platte der
Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen Drehachse senkrecht zur Plattenebene
versetzt ist. Dadurch kann in einem Herstellungsverfahren ein Beschleunigungssensor
geschaffen werden, der auf Beschleunigungen in zwei oder mehr senkrecht zueinander
gerichteten Richtungen reagiert bzw. empfindlich ist. D. h., mit dem Sensor ist es zum
Einen möglich, Beschleunigungen senkrecht zur Sensor- bzw. Plattenebene aufzunehmen,
und gleichzeitig ist es zum Anderen möglich, Beschleunigungen in einer Richtung parallel
zur Platten- bzw. Sensor- oder Waferebene zu erfassen.
Die Wafer bzw. Bodenteil, Mittelteil und Deckelteil werden vorteilhafterweise durch
anodische Bondverfahren verbunden. Dies garantiert sehr gute Festigkeitswerte und einen
definierten Abstand zwischen den Vertiefungen, die zuvor in die beiden Substrate
eingebracht wurden. Damit ist die Herstellung von präzisen Kondensatoren mit einem
vorherdefinierten Spalt oder Luftspalt möglich.
Die mechanische Struktur wird vorteilhafterweise in einem Prozessschritt hergestellt.
Daraus ergibt sich eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Struktur.
Im Bodenteil und/oder im Mittelteil befinden sich bevorzugt Strukturen, die geeignet sind,
das Dämpfungsverhalten der mechanischen Auslenkung der Platte zu beeinflussen. Die
Strukturen bestehen beispielsweise aus Vertiefungen, Löchern oder Schlitzen, die
beispielsweise im Mittelteil angeordnet sind und das gesamte Mittelteil durchdringen
können. Damit ist es möglich, das Resonanzverhalten der Plattenauslenkung überkritisch
zu dämpfen und gleichzeitig eine ausreichende Bandbreite für die
Beschleunigungsmessung zu erhalten. Zusätzlich kann über die Wahl des
eingeschlossenen Druckes im Sensorinneren das Dämpfungsverhalten beeinflusst werden.
Durch die Wahl der Dämpfungsstrukturen kann die mechanische Grenzfrequenz
beeinflusst werden, insbesondere bei konstantem Druck im Sensorinneren, der z. B. 1 bar
beträgt.
Vorteilhafterweise ist die Platte durch Verbindungsstege bzw. durch die Aufhängungen in
einem Rahmen befestigt, der wiederum durch weitere Verbindungsstege bzw.
Aufhängungen schwenkbar gehalten wird. Dabei definieren die ersten Verbindungsstege
eine erste Drahachse und die zweiten Verbindungsstege eine zweite Drehachse. Mit einem
Beschleunigungsmesser dieser Art ist es möglich, die Beschleunigung in zwei orthogonalen
Raumrichtungen parallel zur Plattenebene zu messen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Beschleunigungssensors gemäß
einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der zur Messung
der Beschleunigung senkrecht zur Sensorebene dient;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht von oben auf das Mittelteil des in Fig. 1
gezeigten Beschleungiungssensors, wobei die darunterliegenden
Kondensatorflächen ebenfalls dargestellt sind;
Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Beschleunigungssensor gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der zur Messung von
Beschleunigungen in Richtung der Sensorebene dient;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein Mittelteil des in Fig. 3 gezeigten
Beschleunigungssensors, wobei die darunterliegenden Kondensatorflächen
ebenfalls dargestellt sind;
Fig. 5a und 5b schematische Schnittansichten eines Beschleunigungssensors gemäß
Fig. 1, jedoch mit Strukturen zur Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens
der Plattenauslenkung;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht durch einen Beschleunigungssensor
gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, der zur Messung der
Beschleunigung in zwei orthogonalen Richtungen in Plattenebene geeignet
ist.
In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Beschleunigungssensor 10 gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Beschleunigungssensor 10 ist in drei Ebenen
aufgebaut und umfasst ein Bodenteil 11, ein Mittelteil 12 und ein Deckelteil 13. Bodenteil
11, Mittelteil 12 und Deckelteil 13 sind Wafer, die einzeln strukturiert sind und
anschließend zusammengefügt sind. Das Mittelteil 12 bildet einen Rahmen 14 und eine
Platte 15, die innerhalb des Rahmens 14 schwenkbar aufgehängt ist.
Das Mittelteil 12 ist aus einkristallinem Silizium gefertigt, wobei der Rahmen 14, die Platte
15 und Aufhängungen 9, die die Platte 15 im Rahmen 14 halten, aus einem Stück heraus
strukturiert sind. An jeder der beiden Längsseiten bzw. Kanten der Platte 15 befindet sich
jeweils eine Aufhängung 9, so dass die beiden Aufhängungen 9 eine Drehachse A bilden,
die sich durch die Platte 15 in Richtung der Plattenebene erstreckt. Auf der Oberseite 15a
der Platte 15 ist ein zusätzliches Masseelement 16a befestigt. An der Unterseite 15b der
Platte 15 ist ebenfalls ein zusätzliches Masseelement 16b befestigt. Die zusätzlichen
Masseelemente 16a, 16b liegen in Form von Kugeln bzw. Stahlkugeln vor, die in
zugehörigen radialen Vertiefungen in der Platte 15 positioniert sind. Die Masseelemente
16a, 16b sind Inertialmassen, die aufgrund ihrer Trägheit ein vertikales Kippen der Platte
15 um die Drehachse A bewirken, wenn der Beschleunigungssensor 10 in z-Richtung, also
senkrecht zur Plattenebene, beschleunigt wird. Dazu ist die Platte 15 asymmetrisch
aufgehängt, d. h., der Schwerpunkt der Platte 15 und der Masseelemente 16a, 16b ist
lateral bzw. seitlich in Bezug auf die Drehachse A versetzt.
Die Aufhängungen 9 der Platte 15 im Mittelteil 12 haben die gleiche Dicke bzw. annähernd
die gleiche Dicke wie die Platte 15 selbst. Sie sind verdrehbar bzw. tordierbar, so dass die
Kippbewegung der Platte 15 bei einer auftretenden Beschleunigung in z-Richtung
ermöglicht wird. Zusätzlich sind im Sensorinneren Strukturen angebracht, die gezielt das
Dämpfungsverhalten der Drehauslenkung beeinflussen. Diese gezielte Beeinflussung des
Dämpfungsverhaltens kann z. B. über die Dimensionierung der Aufhängungen 9 erfolgen.
Die Mittelpunkte der Inertialmassen 16a, 16b sind in einem lateralen Abstand d zur
Drehachse A angeordnet. Durch ihre Anordnung symmetrisch zur Mittelteilebene wird
erreicht, dass der Beschleunigungssensor exakt empfindlich in z-Richtung ist. Die
Inertialmassen bzw. Masseelemente 16a, 16b sind z. B. magnetisch ausgestaltet, so dass
eine Selbstjustage und ein selbständiges Halten an der Platte 15 erfolgt.
Das Bodenteil 11 und das Deckelteil 13 sind in der vorliegenden Ausführungsform aus
Glas gefertigt. Auf dem Glas des Bodenteils 11 befindet sich eine strukturierte
Metallschicht bzw. elektrisch leitende Schicht oder Schichtkombination aus mehreren
Schichten. Diese Schicht bildet Elektroden 17 bzw. Elektrodenflächen zur Bereitstellung
von Kapazitäten bzw. Kondensatoren zur Auslesung der Verkippung der Platte 15. Dazu
sind die flächig ausgestalteten Elektroden 17 gegenüber der Unterseite 15b der Platte 15
angeordnet.
Zusätzlich zu den Elektroden 17 erstrecken sich auf der Oberseite 11a des Bodenteils 11
Leiterbahnen bzw. weitere Metallisierungen, die aus dem Sensorinnenraum nach außen
führen und auf einem außenliegenden Bereich der Oberseite 11a des Bodenteils 11
Anschlussflächen 18 zur Kontaktierung der Elektroden 17 von außen bilden. D. h., alle
elektrischen Kontaktstellen sind planar und liegen parallel zur Bodenteilebene bzw. auf der
Oberseite des Bodenteils 11.
Auf der Oberseite 11a des Bodenteils 11 ist eine erste Vertiefung 11c ausgebildet, d. h., im
Randbereich des Bodenteils 11 besteht eine Stufe. Das Mittelteil 12 hat im Bereich der
Platte 15 an deren Unterseite 15b ebenfalls eine Vertiefung, so dass der Rahmen 14 eine
größere Dicke aufweist, als die Platte 15. Dadurch entsteht zwischen der Platte 15 und
dem Bodenteil 11 ein Abstand e, durch den die Auslenkung bzw. Verkippung der Platte 15
um die Drehachse A ermöglicht wird.
Eine zweite Vertiefung bzw. Ausnehmung 11d im Bodenteil 11 dient zur Aufnahme des
Masseelements 16b, das an der Unterseite 15b der Platte 15 befestigt ist. Das Deckelteil
13 hat in seinem zentralen Bereich ebenfalls eine Ausnehmung bzw. Vertiefung, so dass
zwischen dem Bodenteil 11 und dem Deckelteil 13 ein abgeschlossener Innenraum 19
ausgebildet ist, in dem die Platte 15 mit den Masseelementen 16a, 16b schwenkbar
gelagert ist. Der Innenraum 19 ist druckdicht bzw. hermetisch abgeschlossen. Je nach den
Einsatzbedingungen des Beschleunigungssensors kann im Innenraum 19 ein bestimmter
Druck oder auch Vakuum vorgesehen sein. Bodenteil 11, Mittelteil 12 und Deckelteil 13
sind also derart geformt, dass das Innere des Sensors 10 einen abgeschlossenen Raum
bildet. Dabei sind das Bodenteil 11 und das Mittelteil 12 bzw. das Deckelteil 13 und das
Mittelteil 12 durch anodisches Bonden miteinander verbunden.
In Fig. 2 ist eine Draufsicht von oben auf das Mittelteil 12 schematisch dargestellt. Um
die Lage und Ausgestaltung der Elektroden 17 zu verdeutlichen, sind diese in der Fig. 2
ebenfalls gezeigt, obwohl sie sich auf dem Bodenteil 11, d. h. unterhalb des Mittelteils 12
befinden. Die Elektroden 17 sind zwei getrennt voneinander verlaufende
Metallisierungsbereiche, die sich jeweils auf einer Seite der Drehachse A gegenüber der
Platte 15 befinden. Zusammen mit der Platte 15, die im Betrieb ein elektrisches Potential
hat, wird somit ein Paar von Kondensatoren gebildet, durch die die Auslenkung bzw. das
Verkippen der Platte 15 gemessen wird. Durch die Ausgestaltung eines Elektrodenpaars
auf beiden Seiten der Drehachse A ist eine Differenzmessung möglich, d. h., bei einer
Auslenkung bzw. Verkippung der Platte 15 vergrößert sich die Kapazität auf einer Seite der
Drehachse während sich auf der anderen Seite der Drehachse A die Kapazität verringert.
Die Elektroden 17 auf dem Bodenteil 11 sind über Leiterbahnen 17a mit den
außenliegenden Anschlussflächen 18 bzw. Anschlußpads verbunden. Zur Abschirmung
gegen elektrische Streusignale sind um jede Elektrodenfläche einschließlich Leiterbahn
und Anschlußpad geschlossene Ringleiterbahnen vorgesehen.
In der Fig. 2 wird weiterhin die Ausgestaltung des Mittelteils 11 mit dem Rahmen 14, den
Aufhängungen 9 und der Platte 15 verdeutlicht. Dabei hat die Platte 15 gegenüberliegende
Kanten 15f, an denen jeweils eine der Aufhängungen 9 als Verbindung zum Rahmen 14
ausgestaltet ist.
Der Rahmen 14 ist zwischen dem Bodenteil 11 und dem Deckelteil 13 eingespannt, so
dass die Platte 15 frei beweglich im Innenraum 19 des Beschleunigungssensors 10, d. h. in
z-Richtung verschwenkbar, gelagert ist (siehe Fig. 1).
Die zusätzlichen Masseelemente 16a, 16b bzw. Inertialmassen ragen in z-Richtung aus der
Plattenebene heraus bzw. erstrecken sich symmetrisch zur Mittelteilebene nach oben und
unten. Es ist aber auch möglich, nur eine Inertialmasse vorzusehen.
In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der hier
dargestellte Beschleunigungssensor 100 ist jedoch empfindlich für laterale
Beschleunigungen, d. h., für Beschleunigungen in x-Richtung bzw. in Richtung der
Plattenebene. Dazu ist die Platte 150 symmetrisch aufgehängt. Die Drehachse A befindet
sich im Zentrum der Platte 150 und erstreckt sich in Richtung der Plattenebene bzw. in y-
Richtung. Oberhalb der Drehachse A ist ein zusätzliches Masseelement 160 angeordnet,
wobei sich der Schwerpunkt des Masseelements 160 bzw. der Inertialmasse genau über
der Drehachse A befindet. Durch den vertikalen Versatz der Inertialmasse bzw. des
Masseelements 160 in Bezug auf die Drehachse A befindet sich der Schwerpunkt des
Systems aus Platte 150 und Masseelement 160 ebenfalls oberhalb der Drehachse A. Bei
einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 100 in x-Richtung wird deshalb die
Platte 150 um die Drehachse A aufgrund der Massenträgheit verkippt bzw. ausgelenkt. Bei
einer Beschleunigung in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Wafer- bzw. Plattenebene ergibt
sich hingegen keine Auslenkung.
Zur Messung der Auslenkung sind auf dem Bodenteil 110 aus Glas Elektroden 170 in Form
von elektrisch leitenden Bereichen bzw. Metallisierungen aufgebracht, die zusammen mit
der gegenüberliegenden Platte 150 ein Kondensatorpaar bzw. ein Paar von Kapazitäten
bilden. Auch in der hier gezeigten Ausführungsform erfolgt eine Messung von
Differenzwerten bei der Auslesung, da sich bei einer Auslenkung der Platte 150 die
Kapazität des Kondensators auf der einen Seite der Drehachse A verringert, während sich
die Kapazität des Kondensators auf der anderen Seite der Drehachse A vergrößert.
Bodenteil 110, Mittelteil 120 und Deckelteil 130 sind im übrigen ähnlich wie beim
Beschleunigungssensor 10 gemäß den Fig. 1 und 2 aufgebaut, ebenso wie weitere
Funktionselemente.
Fig. 4 zeigt zur Verdeutlichung das Mittelteil 120 des in Fig. 3 gezeigten Sensors, sowie
die Lage der Kondensatoren zur Auslesung in Bezug auf das Mittelteil 120. Daher ist in
Fig. 4, genauso wie in Fig. 2, nicht nur eine Draufsicht auf das Mittelteil gezeigt,
sondern ebenfalls die Struktur der darunterliegenden elektrisch leitenden Bereiche bzw.
Metallisierungen zur Bildung der Elektroden und Anschlussflächen.
Das Mittelteil 120 umfasst einen rechteckigen Rahmen 140 und die innerhalb des
Rahmens 140 schwenkbar gelagerte Platte 150, auf der das zusätzliche Massenelement
160 angeordnet ist. Aufhängungen 90 bilden eine verdrehbare bzw. tordierbare
Verbindung zwischen der Platte 150 und dem Rahmen 140. Die Aufhängungen 90 sind
jeweils an einer Kante 150f an gegenüberliegenden Seiten der Platte 150 angeordnet und
definieren so die Drehachse A, die sich in der Plattenebene durch die Platte 150 hindurch
erstreckt. Dabei deckt sich die Drehachse A in der Projektion von oben mit dem
Mittelpunkt des Masseelements 160, das ebenfalls in Form einer Stahlkugel vorliegt.
Auf jeder Seite der Drehachse A befindet sich ein Kondensator zur kapazitiven Auslesung
der Verkippung der Platte 150. Das Kondensatorpaar bzw. die Kondensatoren werden
durch die Metallisierungen bzw. Elektroden 170 auf der Oberseite des Bodenteils 110 und
die gegenüberliegende Platte 150 gebildet. Nach außen führende Metallisierungsbereiche
bilden außenliegende Anschlussflächen 180 zur Kontaktierung der Elektroden 170. Die
Metallisierungen 170 liegen auf einer Ebene und bilden eine druckdichte Verbindung zum
abgeschlossenen Innenraum des Beschleunigungssensors 100.
Im Hinblick auf die übrigen Elemente, Funktionen, Merkmale und Aspekte des Sensors
100 wird auf das oben in Bezug auf die erste Ausführungsform gesagte bezug genommen.
Weiterhin kann der Beschleunigungssensor 10 gemäß der ersten bevorzugten
Ausführungsform mit dem Beschleunigungssensor 100 gemäß der zweiten bevorzugten
Ausführungsform kombiniert werden. In diesem Fall sind im Mittelteil zwei oder mehr
Platten 15, 150 mit zugehörigen Inertialmassen 16a, 16b, 160 vorgesehen. Davon ist eine
Platte mit zugehöriger Inertialmasse, Aufhängung und Kondensatorpaar gemäß Fig. 1 und
2 ausgestaltet, während mindestens eine weitere Platte mit Inertialmasse, Aufhängung
und Kondensatorpaar gemäß den Fig. 3 und 4 ausgestaltet ist. Somit ergibt sich auf
einfache Weise ein Sensor, der aus drei Ebenen bzw. drei übereinanderliegenden Wafern
aufgebaut ist und Beschleunigungen sowohl in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Waferebene,
als auch in x- bzw. y-Richtung, d. h. parallel zur Wafer- bzw. Sensorebene erfasst.
Die Vorteile der Kombination aus zwei oder mehreren dieser Beschleunigunssensoren
liegen insbesondere darin, dass die Herstellungskosten reduziert werden können,
dass die Anschlussstellen nebeneinander in einer Ebene liegen können, was den Aufwand
und die Kosten für die Kontaktierung der Sensoren reduziert, dass aufgrund desselben
Funktionsprinzips dieselbe Auswerteelektronik verwendet werden kann, dass die lateralen
Ausdehnungen der Sensoren kleiner sind als bei der Kombination von getrennt
hergestellten Sensoren, was zur weiteren Miniaturisierung und zur Kostenreduzierung
beiträgt, und dass eine Ausrichtung der Empfindlichkeitsachsen nicht mehr notwendig ist,
sondern automatisch mit extrem hoher Genauigkeit erfolgt.
Die folgenden Figuren zeigen noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten des
erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, wobei die Merkmale der verschiedenen
Ausführungsbeispiele selbstverständlich miteinander kombiniert werden können.
In den Fig. 5a und 5b ist der Beschleunigungssensor ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt,
wobei jedoch im Mittelteil 12 Strukturen 80, 81 zur Beeinflussung des
Dämpfungsverhaltens der mechanischen Auslenkung der Platte vorgesehen sind. Die
Strukturen 80, 81 bestehen beispielsweise aus Vertiefungen im Mittelteil 12 oder aus
Löcher oder Schlitzen, die das gesamte Mittelteil durchdringen (Fig. 5b). Damit ist es
möglich das Resonanzverhalten der Plattenauslenkung überkritisch zu dämpfen und
gleichzeitig eine ausreichende Bandbreite für die Beschleunigungsmessung zu erhalten.
Zusätzlich kann über die Wahl des eingeschlossenen Druckes im Sensorinneren das
Dämpfungsverhalten beeinflusst werden.
Die Fig. 6 zeigt in ähnlicher Ansicht wie die Fig. 3 und 4 und in Ergänzung dazu einen
Beschleunigungssensor 200 mit kardanischer Plattenstruktur als weitere vorteilhafte
Ausführungsform der Erfindung.
Wie aus der Schnittansicht gemäß Fig. 6 entnehmbar ist, befindet sich die Inertialmasse
bzw. das Masseelement 260 auf einer inneren Platte 250 und bewirkt bei Einwirken einer
Beschleunigung in x-Richtung, d. h. parallel zur Plattenebene, eine Auslenkung der inneren
Platte 250 um eine erste bzw. innere Drehachse A, die sich in der Plattenebene in y-
Richtung erstreckt.
Die innere Platte 250 ist durch ein erstes Paar von Verbindungsstegen bzw. erste
Aufhängungen in einem Rahmen 251 bzw. einer äusseren Platte befestigt, die wiederum
bei Einwirken einer Beschleunigung in einer zweiten Richtung, d. h. in y-Richtung, eine
Auslenkung bzw. ein Verschwenken um eine zweite bzw. äussere Drehachse B erfährt, die
senkrecht zur ersten Drehachse A ausgerichtet ist.
Die zweite Drehachse B wird durch ein zweites Paar von Verbindungsstegen bzw. zweite
Aufhängungen definiert, durch die die bewegliche, kardanische Plattenstruktur 250, 251
an den unbeweglichen Teilen des Mittelteils 220 befestigt ist. Paarweise angeordnete
innere Elektroden 270 und äussere Elektroden 271, die auf dem Unterteil 210 ausgebildet
sind, bilden gemeinsam mit der Plattenstruktur 250, 251 ein inneres und ein äusseres
Kondensatorpaar und dienen zur Aufnahme der Auslenkungen der jeweiligen Platte. Die
Kontaktierung erfolgt über das Abschlußpad bzw. die Anschlußfläche 280.
Die weiteren Elemente des Beschleunigungssensors 200 entsprechen denjenigen des in
den Fig. 3 und 4 gezeigten Beschleunigungssensors. Mit einem auf diese Weise
ausgestalteten, erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist es möglich, die
Beschleunigung in zwei orthogonalen Raumrichtungen parallel zur Plattenebene zu
messen.
Claims (20)
1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit
einer Platte (15; 150; 250), die schwenkbar um eine Drehachse (A) befestigt ist, so
dass die Platte (15; 150; 250) bei einer senkrecht zur Drehachse (A) wirkenden
Beschleunigung aufgrund einer Trägheitskraft eine Auslenkung erfährt,
und mit einer Einrichtung (17; 170; 270) zur Messung der Auslenkung,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Platte (15; 150; 250) mindestens eine zusätzliche Inertialmasse (16a, 16b;
160; 260) befestigt ist.
2. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass er aus mindestens drei Ebenen aufgebaut ist, wobei die Platte
(15; 150; 250) zwischen einem Bodenteil (11; 110; 210) und einem Deckelteil (13;
130; 230) befestigt ist.
3. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Platte (15; 150; 250) durch mindestens zwei
gegenüberliegende Aufhängungen (9; 90; 290) befestigt ist, welche die Drehachse (A)
definieren, wobei sich die Drehachse (A) durch die Platte (15; 150; 250) erstreckt.
4. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Messung der
Auslenkung (17; 170; 270) mindestens zwei Kapazitäten umfasst, die auf beiden Seiten
der Drehachse (A) so ausgebildet ist, dass sich bei einem Verkippen der Platte (15;
150; 250) um die Drehachse (A) die eine Kapazität erhöht, während sich die andere
Kapazität verringert.
5. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bodenteil (11; 110) und/oder Platte (15;
150) und/oder Deckelteil (13; 130) aus jeweils einem Wafer gebildet sind.
6. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15) asymmetrisch aufgehängt ist,
so dass bei einer senkrecht zur Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein
Verkippen der Platte (15) um die Drehachse (A) erfolgt.
7. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (15a) und auf der
Unterseite (15b) der Platte (15) jeweils eine Inertialmasse (16a, 16b) angeordnet ist,
wobei die beiden Inertialmassen symmetrisch zur Plattenebene angeordnet sind.
8. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialmasse (160; 260) senkrecht zur
Plattenebene versetzt angeordnet ist, so dass bei einer in Richtung der Plattenebene
auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte (150; 250) um die Drehachse
(A) erfolgt.
9. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15; 150; 250) in einem Mittelteil
(12; 120; 220) ausgestaltet ist, das ein Feder-Masse-System mit einer auf die Platte in
ausgelenktem Zustand wirkenden Rückstellkraft bildet.
10. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (11; 110; 210) und/oder das
Deckelteil (13; 130; 230) aus einem isolierenden Material, insbesondere Glas, gebildet
ist und eine elektrisch leitende Schicht trägt, die eine Elektrodenfläche der
Messeinrichtung (17; 170; 270) bildet.
11. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Platte (15; 150; 250) mindestens eine
Vertiefung ausgestaltet ist, in der die Inertialmasse (16a, 16b; 160; 260) befestigt ist.
12. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialmasse (16a, 16b; 160; 260)
kugelförmig ausgebildet ist und aus einem Material gefertigt ist, dessen Dichte
unabhängig von der Dichte des Plattenmaterials frei wählbar ist.
13. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Bodenteils (11; 110;
210) freiliegende Anschlussflächen (18; 180; 280) zur Kontaktierung von Elektroden
(17; 170; 270) in einem Innenraum (19) des Beschleunigungssensors (10; 100)
angeordnet sind.
14. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (17; 170; 270) zur kapazitiven
Auslesung von geschlossenen Ringleiterbahnen umgeben sind.
15. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenteil (11; 110; 210) und/oder im
Mittelteil (12; 120; 220) eine Vertiefung vorgesehen ist, die einen Spalt zwischen der
Platte (15; 150; 250) und dem Bodenteil (11; 110; 210) bildet.
16. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bodenteil (11; 110; 210) und
dem Deckelteil (13; 130; 230) ein hermetisch abgeschlossener Innenraum (19)
ausgebildet ist, in dem sich die Platte befindet (15; 150; 250), wobei Leiterbahnen auf
dem Bodenteil nach außen führen.
17. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (15; 150; 250) und/oder die
Aufhängungen (9; 90; 290) aus Silizium gefertigt sind, insbesondere aus einkristallinem
Silizium.
18. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei Platten (15; 150; 250)
mit zusätzlichen Inertialmassen (16a, 16b, 160) und jeweils einer zugehörigen
Drehachse (A) umfasst, wobei bei der ersten Platte (15) der Massenschwerpunkt
gegenüber der zugehörigen Drehachse in Richtung der Plattenebene versetzt ist,
während bei der zweiten Platte (150; 250) der Massenschwerpunkt gegenüber der
zugehörigen Drehachse senkrecht zur Plattenebene versetzt ist.
19. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenteil (11; 110; 210) und/oder im
Mittelteil (12; 120; 220) zusätzliche Strukturen (80; 81) zur Beeinflussung des
Dämpfungsverhaltens der Plattenbewegung vorgesehen sind.
20. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (250) durch Verbindungsstege
(290) in einem Rahmen (251) befestigt ist, wobei die Verbindungsstege (290) die
Drehachse (A) definieren, und wobei der Rahmen durch weitere Verbindungsstege
(291) gehalten wird, die eine zweite Drehachse (B) definieren.
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