DE10148858A1

DE10148858A1 - Mikromechanischer Sensor mit Selbsttestfunktion und Optimierungsverfahren

Info

Publication number: DE10148858A1
Application number: DE10148858A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schellin; Michael Fehrenbach; Michael Klink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-10
Also published as: EP1438255A2; WO2003031317A2; JP2005504976A; US20050039530A1; WO2003031317A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen mikromechanischen Sensor mit einem Substrat (1) mit einer darauf befindlichen Strukturschicht (3); einer unter einer Federkraft relativ zur Strukturschicht (3) beweglichen seismischen Masse (5); wenigstens einer Messkondensatorelektrodenanordnung (15, 16, 17) zum Erfassen einer Verlagerung der seismischen Masse (5) in einer Messrichtung und wenigstens einer Antriebskondensatorelektrodenanordnung (18, 19) zum Auslenken der seismischen Masse (5) in eine Selbsttestrichtung; wobei die Messrichtung senkrecht zur Selbsttestrichtung ausgerichtet ist, sowie ein entsprechendes Optimierungsverfahren.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor mit einer Selbsttestfunktion und ein entsprechendes Optimierungsverfahren.

Die Durchführung eines Selbsttests an einem mikromechanischen Sensor beinhaltet das Prüfen der Funktionsfähigkeit des Sensors, ohne dass hierzu der Sensor der physikalischen Messkondensatorgröße (z. B. Beschleunigung, Drehrate, etc.) ausgesetzt werden muss, zu deren Erfassung der Sensor eigentlich konzipiert ist.

Übliche mikromechanische Sensoren umfassen ein Substrat, eine unter einer Federkraft gegen eine Si-Strukturschicht beweglich seismische Masse, die unter dem Einfluss der zu erfassenden physikalischen Messkondensatorgröße eine zum Wert der Messkondensatorgröße proportionale Verlagerung erfährt, und eine Messkondensatorelektrodenanordnung zum Erfassen dieser Verlagerung der seismischen Masse.

Um an einem solchen Sensor einen Selbsttest durchzuführen, kann z. B. eine Antriebskondensatorelektrodenanordnung verwendet werden, die parallel zu der Messkondensatorelektrodenanordnung ausgerichtet ist und mit deren Hilfe die seismische Masse auch ohne den Einfluss der Messkondensatorgröße zu einer Bewegung antreibbar ist.

In diesem Fall ist also die Antriebskondensatorelektrodenanordnung von der Messkondensatorelektrodenanordnung verschieden und dient dazu, eine durch eine an den Antriebskondensatorelektroden anliegende statische Spannung bewirkte stationäre Verlagerung der seismische Masse erfassen zu können.

Es ist aber auch bekannt, einen einzigen Satz von Elektroden im Zeitmultiplex als Antriebs- und Messkondensatorelektroden zu verwenden, indem z. B. zu einem ersten Zeitpunkt durch eine auf die Elektroden gegebene Antriebsspannung eine Verlagerung der seismische Masse angestoßen wird und zu einer späteren Zeit eine daraus resultierende Bewegung der seismischen Masse mit den gleichen Elektroden gemessen wird.

Ein solcher Selbsttest ermöglicht bislang nur eine grobe Abschätzung der Funktionsfähigkeit des Sensors, denn die Toleranzen der Selbsttestantworten liegen bei beiden oben genannten Konstruktionsprinzipien üblicherweise bei mehr als ± 15%. Hervorgerufen werden diese Toleranzen durch nicht vermeidbare Fertigungstoleranzen bei der Ätzung der mikromechanischen Strukturen.

Die besagten Fertigungstoleranzen beim Ätzen, das üblicherweise als Trockenätzprozess durchgeführt wird, entstehen hauptsächlich durch unterschiedliche Prozesstemperaturen, Prozessgaszusammensetzungen oder Prozessgas-Strömungsraten. Dieser Trockenätzprozess wird üblicherweise zur Strukturierung der seismischen Masse und der Elektrodenfingeranordnungen eingesetzt, da durch ihn annähernd senkrechte Flanken erzielt werden können. Wie bei Ätzprozessen üblich, erfolgt unter der Ätzstoppmaske eine laterale Unterätzung der Strukturen.

Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Schnitt durch zwei einander gegenüberliegende Elektrodenfinger zur Illustration der Ätztoleranzen.

In Fig. 3 bezeichnet MA eine Ätzstoppmaske, E1 bzw. E2 einen ersten und zweiten Elektrodenfinger aus Polysilizium, d₀ ein Designmaß, d ein Fertigungsmaß sowie δ eine Unterätzung.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Elektrodenfingern E1, E2 bei annähernd symmetrischer Ätzung durch die Unterätzung um den Abstand 2δ vergrößert; wobei diese Abstandsänderung auch als Kantenverlust k_V bezeichnet wird. Mithin beträgt der Kondensatorplattenabstand der Elektrodenfinger E1, E2:

d = d₀ + k_V

Gleichermaßen wird die Breite eines Elektrodenfingers um den Kantenverlust k_v, verringert.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem liegt darin, dass dieser Kantenverlust eine hohe Toleranz von ca. ± 70% aufweist und somit den Haupteinflussfaktor auf die Empfindlichkeit des Sensors und auf die Toleranzen der Selbsttestantworten darstellt.

Obwohl man nunmehr ein Fertigungsverfahren bzw. Kompensationsverfahren entwickelt hat, mit dessen Hilfe die Empfindlichkeit dieser mikromechanischen Sensorelemente nahezu toleranzfrei herstellbar ist, d. h. Resttoleranz der Empfindlichkeit ca. 1-2% bei Kantenverlust-Toleranzen von ± 70%, ist es bisher nicht gelungen, die Toleranzen der Testsignalantwort auf einen akzeptablen Wert zu bringen. Insbesondere liegen diese Toleranzen bisher immer noch in einer Größenordnung von mehr als ± 15%.

Letztendliche Gründe für diese großen Toleranzen der Testsignalantwort sind die quadratische Abhängigkeit der elektrostatischen Kraft vom Gap-Abstand zwischen den Elektrodenfingern und damit vom Kantenverlust und die daraus resultierende kubische Abhängigkeit der Testsignalantwort vom Kantenverlust sowie die Tatsache, dass sich die Geometrieparameter bei der Testsignalkompensation von denen der Empfindlichkeitskompensation unterscheiden.

Für eine möglichst genaue Testsignalantwort, durch die beispielsweise Driften der Sensorempfindlichkeit feststellbar sind, ist daher bisher ein kostenintensiver, technisch aufwändiger und fehleranfälliger Abgleich im ASIC, der die Bewegung der seismischen Masse und damit die Kapazitätsänderung des Sensorelementes auswertet, notwendig.

Vorteile der Erfindung

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit Selbsttestfunktion nach Anspruch 1 bzw. des entsprechenden Optimierungsverfahrens nach Anspruch 5 liegt in der Tatsache, dass eine Reduktion der Toleranzen der Testsignalantwort bei gleichzeitigem Erhalt der Empfindlichkeitskompensation möglich ist, um somit Driften von Sensorparametern, insbesondere der Empfindlichkeit, genauer detektieren zu können, ohne dass es eines zusätzlichen Abgleiches bedarf.

Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die zur Erzeugung der Selbsttestantwort notwendigen Elektroden derart angeordnet werden, dass die quadratische Abhängigkeit der Kraft vom Kantenverlust reduziert wird. Dazu werden die Antriebselektroden zur Erzeugung der Selbsttestantwort separat von der Masselektrodenanordnung ausgeführt und senkrecht dazu angeordnet, wodurch sich nur noch eine lineare Abhängigkeit der elektrostatischen Kraft vom Kantenverlust und dadurch eine entsprechende Reduktion der Toleranz der Selbsttestantwort ergibt. Insbesondere ist die Abhängigkeit der Selbsttestantwort vom Kantenverlust bei dem vorgeschlagenen Sensor nur noch quadratisch. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor beträgt somit die Toleranz der Selbsttestantwort typischerweise nur noch ±5%.

Weiterhin kann durch eine Optimierung der sogenannten äquivalenten Beschleunigung, nämlich dem Quotienten aus Selbsttestantwort und Empfindlichkeit, der Wert der Toleranz der Selbsttestantwort sogar auf ±2% reduziert werden, so dass auf den Testsignalabgleich gänzlich verzichtet werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Messkondensatorelektrodenanordnung derart angeordnet, dass eine Verlagerung der seismischen Masse in der Messrichtung eine Abstandsänderung der Messkondensatorelektroden bewirkt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Antriebskondensatorelektrodenanordnung derart angeordnet ist, dass eine Auslenkung der seismischen Masse in die Selbsttestrichtung eine Abstandsänderung der Messkondensatorelektroden und eine Parallelverschiebung der Antriebskondensatorelektrodenanordnung bewirkt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Antriebskondensatorelektrodenanordnung zwei äußere und in einem Zwischenraum zwischen den äußeren Elektroden eine innere Elektrode, wobei entweder die äußeren Elektroden ortsfest und die innere Elektrode beweglich oder die äußeren Elektroden beweglich und die innere Elektrode ortsfest sind. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass sie vielfach wiederholbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Toleranz der Selbsttestantwort des Sensors hinsichtlich eines prozesstechnischen Kantenverlustes bei der Bildung der Messkondensatorelektroden optimiert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen mikromechanischen Sensor gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Sensor aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Illustration zur Erläuterung des Kantenverlustes als Fertigungsparameter;
Fig. 4 eine schematische Illustration zur üblichen Erzeugung der Selbsttestantwort; und
Fig. 5 eine schematische Illustration zur erfindungsgemäßen Erzeugung der Selbsttestantwort.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
Fig. 4 zeigt zunächst eine schematische Illustration zur üblichen Erzeugung der Selbsttestantwort.
In Fig. 4 bezeichnet V eine Verankerung, welche über eine Feder F mit Federkonstante k mit einer seismischen Masse M verbunden ist. F1 ist eine feststehende Elektrode, welche einen Überlapp UE mit der seismischen Masse hat. U_test bezeichnet eine angelegte statische Selbsttestspannung. Dazu sei bemerkt, dass Utest im allgemeinen Fall auch dynamisch sein kann.
Um eine Auslenkung der seismischen Masse M zu erreichen, ohne dass eine externe Beschleunigung an der seismischen Masse M angreift, wird eine elektrostatische Kraft F_E11 mit Hilfe der Testspannung U_test erzeugt. Hierfür wird bisher der Mechanismus der Annäherung zweier Kondensatorplatten unter Beaufschlagung einer Spannung verwendet, wodurch eine äquivalente Beschleunigung durch die elektrostatische Kraft erzeugt wird. Dies lässt sich durch folgenden Zusammenhang ausdrücken:

wobei ε₀ die Vakuum-Dielektrizitätskonstante, ε_r die relative Dielektrizitätskonstante, A die Kondensatorfläche und d der Abstand zwischen den Kondensatorelektroden ist.
Wenn die Platten mit einer Kraft nach obiger Formel ausgelegt werden, kann ein Kräftegleichgewicht mit der Federkraft FFeder angenommen werden, d. h. es gilt:

F_Feder = F_E11
Bezeichnet man mit Δd die Änderung des Plattenabstandes, so gilt:
Des weiteren gilt für die Empfindlichkeit E eines derartigen Sensors

wobei U_ref eine Referenzspannung und a die anliegende Beschleunigung ist.
Löst man die obige Gleichung nach Δd auf, setzt dies in die letzte Gleichung ein und berücksichtigt weiterhin den Kantenverlust k_V, so kann die Ausgangsspannung U (Selbsttestantwort), verursacht durch die angelegte Testspannung, nach dem C/U-Wandler numerisch ermittelt werden.
Zur einfacheren Darstellung wird folgende Näherungsgleichung verwendet:

U (k_V) = K2/ ((do + k_v) ³. (bf - k_v) ³)
Die Konstante K2 ist dabei keine Funktion des Kantenverlustes, und b_f bezeichnet die Feder- bzw. Elektrodenbreite.
Die quadratische Abhängigkeit der elektrostatischen Kraft vom Plattenabstand und die daraus resultierende kubische Abhängigkeit der Selbsttestantwort führen also bei der üblichen Selbsttestfunktion zur oben erwähnten großen Toleranz der Ausgangsspannung von mehr als ± 15%.
Fig. 5 zeigt eine schematische Illustration zur erfindungsgemäßen Erzeugung der Selbsttestantwort.
Gemäß Fig. 5 wird eine parallele Verschiebung zweier Kondensatorplatten dazu benutzt, eine Selbsttestantwort zu erzeugen. Hierbei wird die bewegliche seismische Masse m gegenüber dem Paar feststehender Kondensatorplatten F1', F2' durch Anlegen der Testspannung U_test um eine Distanz Δx verschoben.
In Analogie zu den obigen Betrachtungen in Zusammenhang mit Fig. 4 stellt sich folgendes Kräftegleichgewicht nach einer Verschiebung um Δx ein:

F_Feder = F_E12

oder
Dabei entspricht eine Verschiebung Δx der Selbsttestelektroden einer Verschiebung Δd der Messelektroden, also gilt Δd = Δx. Wird die letztere Gleichung nach Δx aufgelöst, so ergibt sich für die Ausgangsspannung U' (Selbsttestantwort)
Dabei ist d_0,1 der Spalt bei der Detektion und d_0,2 der Spalt beim Selbsttest. Diese können verschieden oder auch (i. a.) gleich gestaltet sein. Die Konstante K3 ist keine Funktion des Kantenverlustes k_V. Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Selbsttestantwort im Gegensatz zum üblichen Prinzip nur noch eine quadratische Abhängigkeit vom Kantenverlust aufweist. Eine auf 5% verminderte Toleranz der Selbsttestantwort entspricht einer Verbesserung um den Faktor drei gegenüber dem üblichen Selbsttestprinzip.
Um die Toleranz der Selbsttestantwort noch weiter zu minimieren, lässt sich obige Gleichung nach dem Kantenverlust k_V differenzieren und zu null setzen. Dadurch lässt sich numerisch derjenige Kantenverlust k_V* ermitteln, bei dem sich die geringste Toleranz der Selbsttestantwort bei gegebenen Designwerten ergibt. Dieser ermittelte optimale Wert des Kantenverlustes k_V* weicht allerdings von dem optimierten Kantenverlustwert k_V* für die Empfindlichkeitskompensation ab.
Um die Toleranz der Empfindlichkeit mit der Toleranz der Selbsttestantwort abzustimmen, lässt sich anstatt dessen die sogenannte äquivalente Beschleunigung nach dem Kantenverlust k_V ableiten.
Die äquivalente Beschleunigung ist gegeben durch:
Die Konstante K4 ist ebenfalls keine Funktion des Kantenverlustes.
Für die gesuchten Minima ergeben sich folgende äquivalente Bedingungen:

b_m = d_0,2 + 2k_V bzw. d_0,2 = b_m - 2k_V bzw. k_V = (b_m - d_0,2)/2
Werden diese Bedingungen sowie die Bedingung

erfüllt, so lässt sich eine Toleranz der Selbsttestantwort erzielen, die nur noch ± 2% beträgt. Bei diesem Toleranzwert kann der bisher übliche Abgleich auf jeden Fall entfallen.
Der oben dargelegte Optimierungsalgorithmus kann prinzipiell auf alle Sensoren mit Differentialkapazitäten zur Sensierung, z. B. Beschleunigungssensoren, Beschleunigungsschalter, Drehratensensoren, etc. angewendet werden.
Weitergehende Betrachtungen zeigen, dass beim neuen Verfahren zur Optimierung der Selbsttestantwort und der Empfindlichkeit bei bestimmten Designs ein Minimum der Empfindlichkeitstoleranz mit einem Minimum der Selbsttestantwort- Toleranz zusammenfällt.
Die Figs. 1 und 2 zeigen einen mikromechanischen Sensor gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in einer Draufsicht bzw. in einem Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1, bei dem die oben erläuterte erfindungsgemäße Erzeugung der Selbsttestantwort durchführbar ist.
Der Sensor ist aufgebaut aus einem Siliciumsubstrat 1, auf dem, durch eine SiO₂-Opferschicht beabstandet, eine Silicium-Strukturschicht 3 vorgesehen ist. In die Strukturschicht 3 ist ein Fenster 4 geätzt, wobei in der Mitte des Fensters 4 eine seismische Masse 5 sowie federelastische Verbindungsstege 6 zwischen der seismischen Masse 5 und der umgebenden Strukturschicht 3 bestehen gelassen sind. Dieser Ätzschritt, der zur Strukturierung der Silicium-Strukturschicht 3 dient, sorgt für den besagten Kantenverlust k_V.
Durch einen weiteren Schritt des Ätzens der Opferschicht 2 durch das Fenster 4 hindurch ist die seismische Masse 5 vom Substrat getrennt und beweglich.
Die seismische Masse 5 hat üblicherweise im wesentlichen die Gestalt eines Buchstaben H, wobei der zentrale Balken 9 des H eine Mehrzahl von beweglichen Elektroden 15 trägt und die zwei seitlichen Balken 11 im wesentlichen die Aufgabe haben, zum Gewicht der seismischen Masse 5 und damit zu ihrer Empfindlichkeit beizutragen. Generell ist die seismische Masse 5 aus einzelnen schmalen Balken zusammengesetzt, weil die zum Beseitigen der Opferschicht 2 unterhalb der seismischen Masse 5 benötigte Zeit um so länger ist, je breiter deren Elemente sind, und der an sich unerwünschte Kantenverlust mit steigender Ätzdauer zunimmt.
Bewegliche Messkondensatorelektroden 15 erstrecken sich vom zentralen Balken 9 aus in zwei Richtungen und wirken zusammen mit zwei Sätzen von ortsfesten Messkondensatorelektroden 16 bzw. 17, die sich von zwei gegenüberliegenden Rändern 8 ₁, 8 ₂ der Strukturschicht 3 in das viereckige Fenster 4 erstrecken.
Anhand der gegenphasig variierenden Kapazitätsänderungen der zwei Messkondensatorelektrodenanordnung auf beiden Seiten des zentralen Balkens 9 kann eine Auslenkung der seismischen Masse 5 unter der Einwirkung einer zu erfassenden externen Kraft nachgewiesen und gemessen werden.
Von einem anderen Paar 8 ₃, 8 ₄ von entgegengesetzten Rändern aus erstrecken sich ortsfeste Selbsttest-Antriebskondensatorelektroden 18 ins Fenster 4 und wirken mit an den seitlichen Balken 11 der seismischen Masse 5 ausgebildeten beweglichen Antriebskondensatorelektroden 19 zusammen. Die Oberflächen der Antriebskondensatorelektroden 18, 19 verlaufen jeweils senkrecht zu denen der Messkondensatorelektroden 15, 16, 17.
In Fig. 1 ist jeweils eine einzelne ortsfeste Antriebskondensatorelektrode 18 gezeigt, die mit einer beiderseitigen Spaltbreite d zwischen zwei bewegliche Antriebskondensatorelektroden 19 eingreift. Selbstverständlich könnte auch eine bewegliche Antriebskondensatorelektrode zwischen zwei ortsfeste eingreifen, oder die Zahl der Antriebskondensatorelektroden könnte größer sein.
Durch Anlegen einer gegenphasigen Antriebsspannung U an die Antriebskondensatorelektroden 18 lässt sich eine Verlagerung der seismischen Masse 5 parallel zur Linie II-II der Fig. 3 herbeiführen. Diese Verlagerung bewirkt eine Veränderung des Abstandes der Platten der Messkondensatorelektroden 15, 16, 17. Die Erfassung und Auswertung dieser Änderung zur erfindungsgemäßen Selbsttestfunktion wurde bereits oben allgemein beschrieben.

Claims

1. Mikromechanischer Sensor mit:
einem Substrat (1) mit einer darauf befindlichen Strukturschicht (3);
einer unter einer Federkraft relativ zur Strukturschicht (3) beweglichen seismischen Masse (5);
wenigstens einer Messkondensatorelektrodenanordnung (15, 16, 17) zum Erfassen einer Verlagerung der seismischen Masse (5) in einer Messrichtung; und
wenigstens einer Antriebskondensatorelektrodenanordnung (18, 19) zum Auslenken der seismischen Masse (5) in eine Selbsttestrichtung;
wobei die Messrichtung senkrecht zur Selbsttestrichtung ausgerichtet ist.

2. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkondensatorelektrodenanordnung (15, 16, 17) derart angeordnet ist, dass eine Verlagerung der seismischen Masse (5) in der Messrichtung eine Abstandsänderung der Messkondensatorelektroden (15, 16, 17) bewirkt.

3. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskondensatorelektrodenanordnung (18, 19) derart angeordnet ist, dass eine Auslenkung der seismischen Masse (5) in die Selbsttestrichtung eine Abstandsänderung der Messkondensatorelektroden (15, 16, 17) und eine Parallelverschiebung der Antriebskondensatorelektrodenanordnung (18, 19) bewirkt.

4. Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskondensatorelektrodenanordnung (18, 19) zwei äußere und in einem Zwischenraum zwischen den äußeren Elektroden eine innere Elektrode umfasst, wobei entweder die äußeren Elektroden ortsfest und die innere Elektrode beweglich oder die äußeren Elektroden beweglich und die innere Elektrode ortsfest sind.

5. Verfahren zum Optimieren des Designs eines mikromechanischer Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranz der Selbsttestantwort hinsichtlich eines prozesstechnischen Kantenverlustes (k_V) bei der Bildung der Messkondensatorelektroden (15, 16, 17) optimiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranz der Empfindlichkeit hinsichtlich eines prozesstechnischen Kantenverlustes (k_V) bei der Bildung der Messkondensatorelektroden (15, 16, 17) optimiert wird.