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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein
derartiger mikromechanischer Sensor ist beispielsweise in der Druckschrift
DE 100 27 234 A1 beschrieben.
Der Sensor weist ein Sensorelement in Form eines Biegebalkens zur
Messung von Beschleunigungen auf, wobei die Auslenkung des Biegebalkens
aus einer vorgegebenen Ruhelage mittels einer Messelektrode kapazitiv
erfasst wird. Ferner ist bei dem Sensor eine Referenzelektrode vorgesehen, die
unmittelbar unter der Aufhängung
des Biegebalkens angeordnet ist. Der Abstand der Referenzelektrode
von dem Biegebalken ist auch bei einer Auslenkung des Biegebalkens
nur geringfügigen Änderungen
unterworfen. Ein ähnlicher
mikromechanischer Sensor ist auch aus der Druckschrift
DE 101 53 319 A1 bekannt.
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Bei
derartigen Sensoren besteht die Gefahr, dass sich im Laufe der Zeit
die Ruhelage des Biegebalkens ändern
kann. Eine solche auch als Langzeitdrift bezeichnete Veränderung
kann beispielsweise durch mechanische Verspannungen des Sensors verursacht
sein. Eine unbeabsichtigte Änderung
der Ruhelage ändert
unerwünschterweise
den Abstand zwischen Messelektrode und Biegebalken, während der
Abstand zwischen Referenzelektrode und Biegebalken sich kaum ändert. Dies
kann zu einer Verfälschung
des Sensorausgangsignals führen.
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Dokument
WO 92/03740 beschreibt
einen monolithischen Beschleunigungssensor mit einem beweglichen
Sensorelement. Dabei werden bewegliche Finger und feststehende Finger
als Elektroden von Plattenkondensatoren eingesetzt. Zwei Plattenkondensatoren
bilden eine differentielle Kondensatoranordnung.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen mikromechanischen Sensor
mit einem beweglichen Sensorelement vorzusehen, bei dem eine Veränderung
der Ruhelage des Sensorelements bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
mikromechanischer Sensor mit einem Sensorkörper und einem beweglichen
Sensorelement, dem eine Ruhelage zugeordnet ist und das in einem
Aufhängungsbereich
mit dem Sensorkörper
verbunden ist, einem Messdetektor zur Erzeugung eines Messsignals
und einem Kompensationsdetektor zur Erzeugung eines Kompensationssignals
vorgesehen, wobei das Kompensationssignal und das Messsignal zur
Erzeugung eines Ausgangssignals dienen, und der Kompensationsdetektor
derart beabstandet von dem Aufhängungsbereich
angeordnet ist, dass der Einfluss einer Veränderung der Ruhelage des Sensorelements
auf das Ausgangssignal zumindest teilweise kompensiert ist. Darüber hinaus
sind der Messdetektor und der Kompensationsdetektor in einer vom
Aufhängungsbereich
beabstandeten Ebene angeordnet.
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Die
Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass der Kompensationsdetektor
nicht so vollständig
wie ein Referenzdetektor nach dem genannten Stand der Technik von
dem Sensorelement entkoppelt ist in dem Sinne, dass das von dem
Referenzdetektor erzeugte Signal von der Lage des Sensorelements
weitestgehend unabhängig
ist. Bei der Erfindung ist daher vorgesehen, dass eine Änderung der
Ruhelage des Sensorelements auch zu einer nicht unwesentlichen Änderung
des Kompensationssignals führt,
die insbesondere gleichsinnig zur Änderung des Messsignals erfolgt.
Durch diese gleichsinnige Änderung
von Kompensationssignal und Messsignal auch bei einer unerwünschten Änderung der
Ruhelage des Sensorelements wird bei der Erfindung eine Kompensation
des aus dem Messsignal und dem Kompensationssignal gewonnenen Ausgangssignals
bewirkt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich zu
dem Kompensationsdetektor ein Referenzdetektor zur Erzeugung eines
Referenzsignals vorgesehen, der näher an dem Aufhängungsbereich
angeordnet ist als der Kompensationsdetektor. Vorzugsweise ist der
Referenzdetektor so positioniert, das das Referenzsignal von einer
Auslenkung des Sensorelements aus der Ruhelage weitestgehend unabhängig ist.
Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass anhand des Referenzsignals
in Verbindung mit dem Kompensationssignal eine Veränderung
der Ruhelage einerseits und anhand des Referenzsignals in Verbindung
mit dem Messsignal eine Auslenkung aus der Ruhelage andererseits
erfaßt werden
kann. Mittels einer Verknüpfung
dieser beiden Informationen wird hieraus ein erfindungsgemäß kompensierter
Ausganssignal generiert.
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Bevorzugt
ist bei der Erfindung der Messdetektor als Messelektrode beziehungsweise
der Kompensationsdetektor als Kompensationselektrode ausgeführt. Entsprechend
kann auch der Referenzdetektor als Referenzelektrode ausbildet sein.
Mittels dieser Elektroden kann die Position des Sensorelements kapazitiv
und damit vorteilhaft berührungslos erfolgen.
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Inwieweit
eine Veränderung
der Ruhelage des Sensorelements bei der Erfindung im Ausgangssignal
des Sensors kompensiert ist, hängt
von der jeweiligen Anordnung des Kompensationsdetektors und des
Messdetektors bezüglich
des Aufhängungsbereichs
des Sensorelements beziehungsweise des Referenzdetektors ab. Durch
eine Anordnung des Messdetektors und des Kompensationsdetektors
in der gemeinsamen, vom Aufhängungsbereich
beabstandeten Ebene, die weiter bevorzugt parallel ist zur Ruhelage
des Sensorelements, wird die Einstellung des Kompensationsgrads
vorteilhaft vereinfacht, da zur Einstellung des Kompensationsgrads
nur ein Parameter, nämlich
der Abstand des Kompensationsdetektors von dem Messdetektor bzw.
dem Referenzdetektor variiert werden muss. Natürlich ist hierbei zu beachten,
dass der Kompensationsdetektor nicht so nahe am Messdetektor angeordnet
werden sollte, dass Messsignal und Kompensationssignal nicht mehr
zu unterscheiden sind. Je nach Anforderung läßt sich der optimale Kompensationsgrad
durch eine geringe Zahl von Tests mit variierender Anordnung des
Kompensationsdetektors ermitteln.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Sensorkörper
mit einem Halbleiterkörper
verbunden, in dem weiter bevorzugt beispielsweise eine Auswertungsschaltung
zur Erzeugung des Ausgangssignals aus dem Kompensations- und Messsignal
und gegebenenfalls dem Referenzsignal integriert ist. Die Detektoren
können
in diesem Fall auf einer dem Sensorkörper zugewandten Oberfläche des
Halbleiterkörpers
angeordnet sein. Vorteilhafterweise wird so der Abstand zwischen
der Auswertungsschaltung und den Detektoren gering gehalten, so
dass unerwünschte
Streukapazitäten
und Störungen
weitgehend vermieden werden können.
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Das
Sensorelement ist bei der Erfindung vorzugsweise als Biegebalken
nach Art eines Beschleunigungssensors ausgeführt. Eine auf den Sensor einwirkende
Beschleunigung lenkt den Biegebalken aus seiner Ruhelage aus und ändert damit
den Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Messdetektor. Diese
Abstandsänderung
wird mit dem Messsignal erfasst. Durch Vergleich mit dem von der
Ruhelage des Sensorelements abhängigen
Kompensationssignal wird – gegebenenfalls
unter Einbeziehung des Referenzsignals – hieraus die Auslenkung des
Sensorelements aus der Ruhelage bestimmt.
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Eine
unbeabsichtigte Veränderung
der Ruhelage des Sensorelements kann beispielsweise durch mechanische
Verspannungen des mikromechanischen Sensors hervorgerufen werden.
Derartige Verspannungen können
bei dem oben genannten Aufbau mit einem Sensorkörper, der mit einem Halbleiterkörper verbunden
ist, unter anderem bei einer Temperaturänderung aufgrund verschiedener
thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Sensorkörper und Halbleiterkörper entstehen.
Zwar sind zum Ausgleich oftmals die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aneinander angepasst. Dies ist aber in der Regel nur für einen
begrenzten Temperaturbereich möglich
und schränkt
zudem die zur Verfügung
stehenden Freiheitsgrade beim Design eines mikromechanischen Sensors
ein.
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Weitere
Merkmale, Vorzüge
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
zwei Ausführungsbeispielen
der Erfindung in Verbindung mit den 1 und 2.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors und
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2 eine
schematisch Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors.
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Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den selben
Bezugszeichen versehen. Der besseren Darstellbarkeit halber sind
die Figuren nicht maßstabsgetreu.
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Der
in 1 dargestellte mikromechanische Sensor 1 umfasst
einen Sensorkörper 2 mit
einem Sensorelement 3 in Form eines Biegebalkens. Das Sensorelement 3 ist
in einem Aufhängungsbereich 4 an
dem Sensorkörper
fixiert. Das dem Aufhängungsbereich
gegenüberliegende
Ende des Sensorelements ist hingegen frei beweglich.
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Der
Sensorkörper 2 ist
mit einem Halbleiterkörper 5 verbunden,
auf dessen dem Sensorkörper zugewandter
Oberfläche
ein Messdetektor 6 in Form einer Messelektrode, ein Kompensationsdetektor 7 in Form
einer Kompensationselektrode und ein Referenzdetektor 15 in
Form einer Referenzelektrode angeordnet sind.
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Weiterhin
ist in den Halbleiterkörper
eine Auswertungsschaltung 8 integriert, mittels der aus dem
von dem Messdetektor erzeugten Messsignal, dem von dem Kompensationsdetektor
erzeugten Kompensationssignal und dem von dem Referenzdetektor erzeugten
Referenzsignal ein Ausgangssignal generiert wird.
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Randseitig
sind auf dem Halbleiterkörper Kontaktflächen 9 für Drahtanschlüsse 10 vorgesehen,
die zur elektrischen Versorgung und zur Übertragung des Ausgangssignals beziehungsweise
zur Verbindung mit weiteren, für
den Betrieb des Sensors vorgesehenen Komponenten dienen.
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Optional
kann bei dem Sensorelement eine geometrische Modifikation 11,
beispielsweise eine vertikale und/oder laterale Ausnehmung oder
eine anderweitige Änderung
der Dicke des Sensorelements vorgesehen sein, die die Elastizität des Sensorelements 3 beeinflusst.
Auf diese Art und Weise kann die Empfindlichkeit des Sensorelements 3 justiert
werden. Weiterhin kann hiermit dem Sensorelements in verschiedenen
Bereichen eine unterschiedliche Elastizität verliehen werden, so dass
beispielsweise der dem Aufhängungsbereich
zugewandte Teil des Sensorelements 3 hinsichtlich der Erfassung
einer Ruhelageänderung
und übrige
Teil des Sensorelements hinsichtlich einer Beschleunigungsmessung optimiert
ist.
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Weiterhin
ist optional eine vorzugsweise zwischen Mess- und Kompensationsdetektor
angeordnete Aktuatorelektrode 12 vorgesehen, mittels der die
Ruhelage des Sensorelements gezielt verändert und damit der Arbeitspunkt
beziehungsweise die Empfindlichkeit des Sensors im Betrieb eingestellt werden
kann.
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Es
sei angemerkt, dass hiermit zwar auch eine (beabsichtigte) Änderung
der Ruhelage herbeigeführt
werden kann. Dennoch besteht bei den eingangs genannten Sensoren
die Gefahr, dass die Ruhelage des Sensorelements sich aufgrund einer Langzeitdrift
unbeabsichtigt und unbemerkt ändern kann.
Insbesondere ist eine solche Änderung
der Ruhelage nicht ohne weiteres von außen zu erkennen, so dass eine
aktive Kompensation mittels der Aktuatorelektrode allein schwierig
ist.
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Der
Messdetektor 6 und der Kompensationsdetektor 7 bilden
jeweils mit dem Sensorelement 3 einen Mess- beziehungsweise
einen Kompensationskondensator, dessen Kapazität von dem Abstand des Sensorelements 3 von
dem Messdetektor 6 beziehungsweise dem Kompensationsdetektor 7 abhängt. Hingegen
bildet die Referenzelektrode 15 mit dem Sensorelement einen
auslenkungsunabhängigen Referenzkondensator.
Wirkt eine Beschleunigung auf den mikromechanischen Sensor 1,
so wird das Sensorelement 3 aus seiner Ruhelage ausgelenkt und
damit der Abstand zwischen dem Sensorelement 3 und dem
Messdetektor 6 geändert.
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Die
damit einhergehende Kapazitätsänderung
des Messkondensators wird als Messsignal erfasst. Mittels der integrierten
Auswerteschaltung wird hieraus in Verbindung mit der Kapazität des Referenzkondensators
die Gesamtauslenkung bestimmt. Aus einem entsprechenden Vergleich
der Kapazität des
Kompensationskondensators mit der Kapazität des Referenzkondensators
wird die aktuelle Ruhelage ermittelt. Das Ausgangssignal als Maß für die der einwirkenden
Beschleunigung entsprechende Auslenkung ergibt sich aus einem Vergleich
der aktuellen Ruhelage mit der Gesamtauslenkung.
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Bei
einer kapazitiven Abstandsmessung ist ein gleichbleibender und langzeitstabiler
Abstand von Sensorkörper
und den Elektroden 6, 7 und 15 und damit
von Sensorkörper 2 und
Halbleiterkörper 5 von
entscheidender Bedeutung. Insbesondere ist darauf zu achten, dass
die Verbindung zwischen dem Sensorkörper 2 und dem. Halbleiterkörper 5 diese Anforderung
erfüllt.
Vorzugsweise ist dazu zwischen dem Sensorkörper 2 und dem Halbleiterkörper 5 eine eutektische
Verbindung ausgebildet, wobei weiter bevorzugt der Sensorkörper auf
den Halbleiterkörper eutektisch
gebondet ist.
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Eine
derartige eutektische Verbindung erlaubt einerseits eine genaue
Einstellung des Abstands von Sensorkörper und Halbleiterkörper und damit
des Abstands zwischen dem Sensorelement
2 und dem Messdetektor
6 beziehungsweise
dem Kompensationsdetektor
7 und weist anderseits eine vorteilhafte
hohe Schmelztemperatur auf, die insbesondere größer ist als die Schmelztemperatur
normaler Lötverbindungen.
Die Einzelheiten einer derartigen eutektisdhen Verbindung sind in
der oben genannten Druckschrift
DE 101 53 319 A1 beschrieben, die hiermit
durch Referenz in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
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In 2 ist
im Detail ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors dargestellt. Wie das erste Äusführungsbeispiel weist auch das
zweite Ausführungsbeispiel
ein Sensorelement 2 auf, das in einem Aufhängungsbereich 4 fest
mit einem Sensorkörper 3 verbunden
ist. Das Sensorelement 3 ist wiederum als Biegebalken ausgeführt. Der
Messdetektor 6, der Kompensationsdetektor 7 und
der Referenzdetektor 15 sind in einer zur Ruhelage 13 parallelen
Ebene 14 in Form von Elektroden auf einem Halbleiterkörper 5 ausgebildet.
Dabei ist der Messdetektor 6 in einem Abstand d1 und der Kompensationsdetektor in einem Abstand
d2 von einer Normalen der Ebene 14,
die durch den Aufhängungsbereich 4 verläuft, angeordnet.
Der Abstand des Referenzdetektors 15 von dieser Normalen
ist demgegenüber
vernachlässigbar.
In der Regel sind die Abstände
d1 und d2 wesentlich
größer als
der Abstands des Sensorelements 3 beziehungsweise der Ruhelage 13 von
der Ebene 14 und entsprechen somit näherungsweise dem Abstand der Messelektrode
beziehungsweise der Kompensationselektrode vom Aufhängungsbereich 4.
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Die
dem Sensorelement zugeordnete Ruhelage 13 wird beispielsweise
bei der Herstellung des mikromechanischen Sensors festgelegt.
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Falls
sich nun, wie in 2 dargestellt, die Ruhelage
des Sensorelements 3 beispielsweise aufgrund mechanischer
Verspannungen ändert, ändert sich
der Abstand zwischen dem Sensorelement 3 und der Messelektrode 6.
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Erfindungsgemäß ist die
Kompensationselektrode 7 derart beabstandet vom Aufhängungsbereich 4 des
Sensorelements angeordnet, dass sich bei einer solchen Änderung
der Ruhelage des Sensorelements auch der Abstand zwischen Sensorelement
und Kompensationselektrode 7 maßgeblich ändert. Bei herkömmlichen
Sensoren hingegen ist nur die Referenzelektrode vorgesehen, die
wesentlich näher
am Aufhängungsbereich 4 angeordnet,
da hierbei genau umgekehrt erreicht werden soll, dass sich der Abstand
zwischen Referenzelektrode und Sensorelement bei dessen Lageänderung
möglichst wenig ändert. Bei
der Erfindung werden Messsignal und Kompensationssignal gleichsinnig
erfasst, wobei der Einfluß der
gezeigten Änderung
der Ruhelage 13 des Sensorelements 3 auf das Ausgangsignal
zumindest teilweise kompensiert wird.
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Das
Ausgangssignal kann beispielsweise aus einer Verknüpfung des
Differenzsignals δkomp von Kompensationssignal und Referenzsignal
einerseits und des Differenzsignals δmess von
Messsignal und Referenzsignal andererseits erzeugt werden, beispielsweise
durch (gewichtete)Differenzbildung. Allgemein ergibt sich damit
die beschleunigungsbedingte Änderung
des Ausgangssignal δg als Funktion der Differenzsignale δkomp und δmess δg =
f(δmess, δkomp)
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Die
Erläuterung
der Erfindung anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht
als Beschränkung
der Erfindung hierauf zu verstehen. Vielmehr bezieht sich die Erfindung auf
jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen der genannten
Ausführungsbeispiele
und der sonstigen Beschreibung, auch wenn diese Kombination nicht
explizit Gegenstand eines Patentanspruchs ist.