DE102004021693B4

DE102004021693B4 - Mikromechanischer Sensor

Info

Publication number: DE102004021693B4
Application number: DE200410021693
Authority: DE
Inventors: Franz Schrank
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: DE102004021693A1; WO2005109009A1

Abstract

Mikromechanischer Sensor (1) mit einem Sensorkörper (2) und einem beweglichen Sensorelement (3), dem eine Ruhelage (13) zugeordnet ist und das in einem Aufhängungsbereich (4) mit dem Sensorkörper (2) verbunden ist, einem Messdetektor (6) zur Erzeugung eines Messsignals und einem Kompensationsdetektor (7) zur Erzeugung eines Kompensationssignals, wobei das Kompensationssignal und das Messsignal zur Erzeugung eines Ausgangssignals vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsdetektor (7) derart beabstandet von dem Aufhängungsbereich (4) angeordnet ist, dass der Einfluss einer Veränderung der Ruhelage des Sensorelements (3) auf das Ausgangssignal zumindest teilweise kompensiert ist, und der Messdetektor (6) und der Kompensationsdetektor (7) in einer vom Aufhängungsbereich (4) beabstandeten Ebene angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors und
2 eine schematisch Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen. Der besseren Darstellbarkeit halber sind die Figuren nicht maßstabsgetreu.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die dem Sensorelement zugeordnete Ruhelage 13 wird beispielsweise bei der Herstellung des mikromechanischen Sensors festgelegt.
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.
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.
Das Ausgangssignal kann beispielsweise aus einer Verknüpfung des Differenzsignals δ_komp von Kompensationssignal und Referenzsignal einerseits und des Differenzsignals δ_mess von Messsignal und Referenzsignal andererseits erzeugt werden, beispielsweise durch (gewichtete)Differenzbildung. Allgemein ergibt sich damit die beschleunigungsbedingte Änderung des Ausgangssignal δ_g als Funktion der Differenzsignale δ_komp und δ_mess δ_g = f(δ_mess, δ_komp)
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.

Claims

Mikromechanischer Sensor (1) mit einem Sensorkörper (2) und einem beweglichen Sensorelement (3), dem eine Ruhelage (13) zugeordnet ist und das in einem Aufhängungsbereich (4) mit dem Sensorkörper (2) verbunden ist, einem Messdetektor (6) zur Erzeugung eines Messsignals und einem Kompensationsdetektor (7) zur Erzeugung eines Kompensationssignals, wobei das Kompensationssignal und das Messsignal zur Erzeugung eines Ausgangssignals vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsdetektor (7) derart beabstandet von dem Aufhängungsbereich (4) angeordnet ist, dass der Einfluss einer Veränderung der Ruhelage des Sensorelements (3) auf das Ausgangssignal zumindest teilweise kompensiert ist, und der Messdetektor (6) und der Kompensationsdetektor (7) in einer vom Aufhängungsbereich (4) beabstandeten Ebene angeordnet sind.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Referenzdetektor (15) zur Erzeugung eines Referenzsignal aufweist, der näher an dem Aufhängungsbereich (4) angeordnet ist als der Kompensationsdetektor (7).
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal von einer Auslenkung des Sensorelements (3) aus der Ruhelage oder einer Veränderung der Ruhelage unabhängig ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzdetektor (15) das Referenzsignal kapazitiv erzeugt.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzdetektor (15) eine Referenzelektrode ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsdetektor (7) das Kompensationssignal kapazitiv erzeugt.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsdetektor (7) eine Kompensationselektrode ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdetektor (6) das Messsignal kapazitiv erzeugt.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdetektor (6) eine Messelektrode ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdetektor (6), der Kompensationsdetektor (7) und gegebenfalls der Referenzdetektor (15) in einer von dem Aufhängungsbereich (4) beabstandeten und vorzugsweise zur Ruhelage parallelen Ebene angeordnet sind.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdetektor (6), der Kompensationsdetektor (7) und gegebenenfalls der Referenzdetektor (15) auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers (5) angeordnet sind, der mit dem Sensorkörper (2) verbunden ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Halbleiterkörper (5) eine Auswertungsschaltung (8) zur Erzeugung des Ausgangssignals integriert ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ein Biegebalken, eine bewegliche Membran oder eine schwingungsfähige Struktur ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Ruhelage durch eine mechanische Verspannung des Sensors, insbesondere zwischen dem Sensorkörper und dem Halbleiterkörper hervorgerufen ist.