DE102004046411A1

DE102004046411A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102004046411A1
Application number: DE200410046411
Authority: DE
Inventors: Detlef Billep; Marco Dienel
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-25
Also published as: DE102004046411B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einem Substrat, welches eine auf dem Substrat vorgesehene Verankerungsvorrichtung aufweist; einer durch eine zu erfassende Beschleunigung auslenkbaren Musterstruktur, die über wenigstens ein Federelement an der Verankerungsvorrichtung aufgehängt ist; wenigstens einer mit der Massestruktur verbundenen auslenkbaren ersten Kondensatorplatteneinrichtung und wenigstens einer mit dem Substrat verbundenen feststehenden zweiten Kondensatorplatteneinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Sensoranordnung zur Beschleunigungsmessung. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der eine statische und dynamische Sensorsignalkorrektur ermöglicht. Die Aufgabe wird mit einem Beschleunigungssensor der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem die Massestruktur in Form eines Teilsegmente aufweisenden Ringsegmentes ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teilsegment eine seismische Masse aufweist und wenigstens ein anderes Teilsegment die erste Kondensatorplatteneinrichtung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einem Substrat, welches eine auf dem Substrat vorgesehene Verankerungsvorrichtung aufweist; einer durch eine zu erfassende Beschleunigung auslenkbaren Massestruktur, die über wenigstens ein Federelement an der Verankerungsvorrichtung aufgehängt ist; wenigstens einer mit der Massestruktur verbundenen auslenkbaren ersten Kondensatorplatteneinrichtung; und wenigstens einer mit dem Substrat verbundenen feststehenden zweiten Kondensatorplatteneinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Sensoranordnung zur Beschleunigungsmessung.

Ein Beschleunigungssensor der oben genannten Gattung ist aus der DE 199 38 206 A1 bekannt. Der in dieser Druckschrift beschriebene mikromechanische Beschleunigungssensor weist eine kreisringförmige Schwungmasse auf, die mit einer konzentrischen Verankerungseinrichtung über Biegefedern verbunden ist. Eine erste, bewegliche Kondensatoreinrichtung ist in Form von Ausnehmungen der Kreisringstruktur der Schwungmasse ausgebildet, die als mit der Schwungmasse in Rotationsrichtung bewegliche Kondensatorplatten fungieren. Mit dem Substrat verbundene feststehende Kondensatorplatten ragen in die Ausnehmungen der Kreisringstruktur der Schwungmasse hinein und wirken mit den entsprechenden auslenkbaren Kondensatorplatten elektrostatisch zusammen.

In einer anderen Variante der DE 199 38 206 A1 teilt sich die Kreisringstruktur der Schwungmasse in einen inneren und einen äußeren Kreisring, die miteinander verbunden sind. Von dem inneren Kreisring ragen bewegliche Kondensatorplatten kammförmig nach außen, wobei feststehende, mit dem Substrat verbundene Kondensatorplatten in die Zwischenräume zwischen den beweglichen Kondensatorplatten hineinragen.

Der bekannte Beschleunigungssensor eignet sich nur zum Erfassen von Drehbeschleunigungen.

Zum Erfassen von Beschleunigungskomponenten in x-, y- oder z-Richtung werden ein-, zwei- oder dreiachsige Beschleunigungssensoren bzw. Array-Anordnungen von Beschleunigungssensoren, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind, verwendet. Diese Be schleunigungssensoren weisen Hilfsmassen, so genannte seismische Massen, auf, die elastisch an einem Bezugsrahmen befestigt sind.

Bei den bekannten Sensoren wird die Beschleunigungsmessung auf eine Kraftmessung zurückgeführt, wobei die Kraft über verschiedene Wandlereffekte in ein elektrisches Signal überführt wird. Eine Auslenkung der seismischen Masse wird sensorisch erfasst und ist für kleine Auslenkungen proportional zu einer einwirkenden Beschleunigung.

Häufig wird dabei ein kapazitives Messprinzip verwendet, das besonders in der Siliziummikromechanik dominiert. Mikromechanische Beschleunigungssensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit den Basistechnologien der Mikroelektronik hergestellt werden können und in hohen Stückzahlen preiswert herstellbar sind.

In der inertialen Messtechnik wird von einem gemessenen Beschleunigungssignal auf die Bewegungsbahn eines Körpers geschlossen. Aus dem Messsignal der Beschleunigungssensoren wird durch Integration über die Zeit auf die Geschwindigkeit bzw. durch zweimalige Integration auf den zurückgelegten Weg geschlossen. Kleinste Messfehler in einem Beschleunigungssignal führen durch die Integration zu einer Fehlerakkumulation, und ein konstanter Messfehler führt zu einem quadratisch mit der Zeit anwachsenden Wegfehler. An Beschleunigungssensoren der Inertialmesstechnik werden deshalb höchste Anforderungen gestellt. Das betrifft vor allem die Sensorparameter Auflösung, Linearität, Hysterese, Rauschen und Querempfindlichkeit.

Werden in der Inertialmesstechnik mehrachsige Systeme zum Erfassen mehrerer Beschleunigungskomponenten verwendet, ergeben sich zusätzlich Ausrichtungsfehler bei den Einzelsensoren zueinander, die die Messergebnisse verfälschen können.

Das Messsignal eines Beschleunigungssensors ist zusätzlich zu der zu messenden Beschleunigung von weiteren Variablen abhängig. Diese sind beispielsweise auf von außen eingetragene mechanische Spannungen, temperaturbedingte mechanische Spannungen oder Alterung zurückzuführen. Insofern eine elektronische Messsignalverarbeitung vorhanden ist, erfolgt vielfach eine Korrektur mit Hilfe von Kalibrierkurven. Ein übliches Verfahren ist hierbei, die entsprechenden Kurven des Messsignals in Abhängigkeit von der Störgröße im Arbeitspunkt der Kennlinie zu ermitteln, um anschließend die Messkurve damit zu korrigieren. Eine solche statische Fehlerkorrektur erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der eine statische und dynamische Sensorsignalkorrektur ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einem Beschleunigungssensor der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem die Massestruktur in Form eines Teilsegmente aufweisenden Ringsegmentes ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teilsegment eine seismische Masse aufweist und wenigstens ein anderes Teilsegment die erste Kondensatorplatteneinrichtung aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann der Masseschwerpunkt des Beschleunigungssensors in Abhängigkeit von der Anordnung der seismischen Masse verschieden positioniert werden. Somit kann durch die Anordnung der seismischen Masse auf einem Teilsegment des Ringsegmentes die Richtung bestimmt werden, in der Beschleunigungen bzw. deren Komponenten erfasst werden sollen. Auf diese Weise können verschiedene Richtungskomponenten einer zu messenden Beschleunigung erfasst werden, deren Signale vorteilhaft zu einem Beschleunigungssignal zusammengefasst werden können, wobei die Störsignale der einzelnen Komponenten aus dem Endsignal schaltungs- oder rechentechnisch entfernt werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Kondensatorplatteneinrichtung als Kammelektroden ausgebildet, die der Form des Ringsegmentes angepasst sind. Die Kammelektroden können mit einer großen Kondensatorplattenoberfläche ausgebildet werden, die eine ausreichend große Kapazität zur Messung zur Verfügung stellt, um eine gute Signalauswertung zu gewährleisten.

Entsprechend einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Massestruktur eine Halbkreisform auf. Diese Form ermöglicht eine platzsparende Anordnung von Beschleunigungssensoren auf einem Chip und eine einfache Elektrodenanordnung.

Es ist zudem vorteilhaft, wenn die Massestruktur mit Mäanderfedern aufgehangen ist. Mit den Mäanderfedern kann die Massestruktur relativ weich aber stabil aufgehangen werden.

In einem bevorzugten Beispiel der Erfindung ist die Massestruktur mit drei Federn aufgehangen, die gleichmäßig verteilt mit dem Ringsegment verbunden sind. Die drei Federn ermöglichen eine gute Rotationsbewegung der Massestruktur durch eine relativ geringe Steifigkeit in der Detektionsrichtung. Grundsätzlich können auch weniger oder mehr als drei Federn zur Aufhängung der Massestruktur verwendet werden. Jedoch wird die dern zur Aufhängung der Massestruktur verwendet werden. Jedoch wird die Struktur bei größer werdender Federzahl steifer.

Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Verankerungsvorrichtung an einem festen Stützrahmen befestigt. Der Stützrahmen gewährleistet die Verbindung zum Substrat. Dadurch können Substrat, Stützrahmen und Verankerungsvorrichtung sowohl monolithisch als auch im verbondeten Waferverbund ausgebildet werden und somit eine hohe mechanische Stabilität des Beschleunigungssensors gewährleisten.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist die seismische Masse etwa in der Mitte des Ringsegmentes angeordnet. Mit dieser Anordnung können Beschleunigungskomponenten parallel zur Ausrichtung des Ringsegmentes oder eines Stützrahmens erfasst werden.

In einem anderen vorteilhaften Beispiel der Erfindung ist die seismische Masse um 36° oder um 72° zu der Mitte des Ringsegmentes angeordnet. Auf diese Weise kann der Masseschwerpunkt der Massestruktur vorteilhaft verschoben werden, um Beschleunigungskomponenten im Winkel zu der Ausrichtung des Ringsegmentes oder eines Stützrahmens erfassen zu können.

Günstigerweise weist das Ringsegment fünf Teilsegmente auf, die um 36° zueinander versetzt angeordnet sind, wobei vier der Teilsegmente die Kondensatorplatteneinrichtungen aufweisen und eines der Teilsegmente die seismische Masse aufweist. Unter Verwendung dieser Anordnungen kann die seismische Masse jeweils auf einem oder auch mehreren der um 36° zueinander versetzt angeordneten Teilsegmente angeordnet werden. Es sind somit Beschleunigungssensoren mit verschobenen Masseschwerpunkten herstellbar, die Beschleunigungskomponenten mit verschiedenen Richtungen über die Halbkreisform des Ringsegmentes verteilt erfassen können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kammelektroden der ersten Kondensatorplatteneinrichtung astförmig an wenigstens einer Seite von Trägerbalken angeordnet, die strahlenförmig von einem inneren Trägerring des Ringsegmentes nach außen gerichtet sind. Diese Form der Anordnung eröffnet die Möglichkeit, eine große Anzahl an Kammelektroden pro Fläche vorzusehen, wodurch eine ausreichende Kapazitätsänderung bei einer Auslenkung der Kammelektroden detektierbar wird.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Beispiel der Erfindung sind mehrere parallele Kammstrukturen auf Ringen unterschiedlicher Radien in den Teilsegmenten des Ringsegmentes angeordnet. Mit dieser Struktur kann eine sehr gute Platzausnutzung realisiert werden, wobei sehr viele Kammstrukturen auf kleinem Raum vorgesehen werden können, um eine gute Kapazitätsauswertung zu ermöglichen.

Günstigerweise sind die Kammelektroden der ersten Kondensatorplatteneinrichtung als schmale, tiefe Balkenstruktur ausgebildet. Solche Balkenstrukturen lassen sich durch Nutzung konventioneller Mikroelektronikprozesse mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit herstellen, wodurch die Beschleunigungssensoren mit einer hohen Effizienz und Qualität gefertigt werden können.

Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist an einem Stützrahmen wenigstens ein Anschlag für die bewegliche Massestruktur vorgesehen. Hiermit kann die Rotationsbewegung der Massestruktur auf einen maximalen Winkel beschränkt werden, wodurch ein Berühren bzw. Anschlagen der gegeneinander bewegten Kammstrukturen verhindert wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Sensoranordnung zur Beschleunigungsmessung mit wenigstens drei Beschleunigungssensoren nach den Ansprüchen 1 bis 13, die auf dem Substrat in Form eines Sensorarrays angeordnet sind, wobei die Federelemente der Beschleunigungssensoren gleich ausgebildet sind; die Massestruktur und die Federelemente der Beschleunigungssensoren in dem Array gleich oder spiegelsymmetrisch ausgerichtet sind; und die seismischen Massen in den Ringsegmenten der Beschleunigungssensoren des Arrays in verschiedenen Winkeln angeordnet sind.

Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung von Beschleunigungssensoren mit unterschiedlichen Masseschwerpunkten können Beschleunigungen in zwei Raumrichtungen und deren Richtung in der Ebene erfasst werden. Durch die redundante Anordnung gleichartiger Beschleunigungssensoren ist es auch möglich, überlagerte Störgrößen, die mit Hilfe eines einzelnen Beschleunigungssensors nicht erkennbar sind, quantitativ zu erfassen und anschließend das Messsignal zu korrigieren. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat außerdem den Vorteil, dass die einzelnen Feder-Masse-Dämpfersysteme unterschiedliche Detektionsrichtungen für die Beschleunigungsmessung haben, wobei es die gleiche Federgestaltung der Beschleunigungssensoren ermöglicht, dass Einflüsse von Störgrößen, wie z. B. der Temperatur oder mechanischer Spannungen, an allen Feder-Masse-Dämpfersystemen gleiche Auswirkungen haben.

Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist das Array halbkreisförmige Beschleunigungssensoren auf, deren seismische Massen im Winkel von jeweils 36° zueinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise können die einzelnen Ringsegmente der Massestrukturen je nach zu messender Detektionsrichtung verschieden belegt werden, so dass mit den fünf Beschleunigungssensoren fünf verschiedene Beschleunigungskomponenten in der Ebene erfasst werden können. Diese können dann vorteilhaft zur Berechnung der Beschleunigungskomponenten in x- und y-Richtung herangezogen werden, wobei durch die gleichen verwendeten Grundstrukturen der Beschleunigungssensoren Störgrößen aus dem Ausgangssignal weitgehend mittels nachgeordneter Module eliminiert werden können.

In einem weiteren bevorzugten Beispiel der Erfindung sind die Beschleunigungssensoren des Arrays räumlich dicht nebeneinander angeordnet. Je dichter die Beschleunigungssensoren nebeneinander angeordnet sind, um so weniger Fertigungstoleranzen bestehen zwischen den einzelnen Beschleunigungssensoren, so dass eine sehr gute Störgrößenkompensation unter Verwendung der Signale der Beschleunigungssensoren des Arrays möglich ist.

Entsprechend einem vorteilhaften Beispiel der Erfindung ist der maximale Abstand zwischen den Beschleunigungssensoren des Arrays kleiner als 3,4 mm. Dieser Abstand entspricht etwa zweimal dem Durchmesser einer Beschleunigungssensorstruktur. Mit dem angegebenen Maximalabstand kann eine hohe räumliche Dichtheit der Beschleunigungssensoren erreicht werden, wobei trotz der hohen Dichte gute Kontaktierungsmöglichkeiten vorsehbar sind.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend erläutert.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Layout eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit einer in der Mitte eines Ringssegmentes vorgesehenen seismischen Masse;
2 eine Draufsicht auf ein Layout eines weiteren erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit einem gegenüber dem Beschleunigungssensor von 1 verschobenen Schwerpunkt;
3 eine Draufsicht auf ein Layout eines weiteren erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit einem gegenüber den Beschleunigungssensoren von 1 und 2 verschobenen Schwerpunkt; und
4 ein erfindungsgemäßes Sensorarray.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout eines erfindungsgemäßen zweiachsigen Beschleunigungssensors 10. Der gezeigte Einzelsensor weist mittig eine mit einem Stützrahmen 9 verbundene Verankerungsvorrichtung 1 auf, die in der Draufsicht etwa quadratisch ausgebildet ist. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kann die Verankerungsvorrichtung 1 auch einen anderen z. B. rechteckigen oder auch runden Querschnitt aufweisen. Der Drehpunkt des Beschleunigungssensors 10 liegt auf der Verankerungsvorrichtung 1..
Der Stützrahmen 9 ist mit einem nicht gezeigten Substrat monolithisch ausgebildet. Das Substrat ist dabei vorzugsweise ein Siliziumchip.
Von der Verankerungsvorrichtung 1 ragen im Winkel von je 90° drei Mäanderfedern 4 nach außen. An den äußeren Enden der Mäanderfedern 4 ist ein innerer Trägerring 16 einer beweglichen, halbkreisförmigen Massestruktur 3 angebracht. Die mittige Aufhängung der beweglichen Massestruktur 3 gewährleistet einen spannungsarmen Einbau und verringert den Spannungseintrag beim Packaging.
Die Massestruktur 3 weist fünf Teilsegmente 14 auf. In der gezeigten Ausführungsform umfassen die oberen beiden und die unteren beiden Teilsegmente 14 der Massestruktur 3 eine bewegliche erste Kondensatorplatteneinrichtung 6 des Beschleunigungssensors 10. Die erste Kondensatorplatteneinrichtung 6 weist eine Anzahl von Kammelektroden auf, von denen jede Kammzinke als schmale, tiefe Balkenstruktur ausgebildet ist.
Die schmalen, tiefen Balkenstrukturen können beispielsweise mit Hilfe verschiedener RIE(Reactive Ion Etching)-Prozesse hergestellt werden. Dabei wird möglichst gerade und tief eine Balkenstruktur in ein Substrat geätzt, deren Boden kann durch verschiedene Technologien freigelegt werden, so dass die Balkenstrukturen beweglich sind.
Die Kammelektrodenstrukturen der ersten Kondensatorplatteneinrichtung 6 sind astförmig an wenigstens einer Seite von Trägerbalken 15 angeordnet, die strahlenförmig von dem inneren Trägerring 16 des Ringsegmentes der Massestruktur 3 nach außen gerichtet sind. Dabei sind mehrere parallele Kammelektrodenstrukturen auf Ringen unterschiedlicher Radien in den Teilsegmenten 14 des Ringsegmentes der Massestruktur 3 angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 10 von 1 weist ein fünftes Teilsegment 14 auf, das eine seismische Masse 5 umfasst. Diese seismische Masse 5 ist etwa in der Mitte des Ringsegmentes angeordnet und definiert den Schwerpunkt des Beschleunigungssensors 10.
Die fünf Teilsegmente des Ringsegmentes der Massestruktur 3 des Beschleunigungssensors 10 sind um 36° zueinander versetzt angeordnet.
Unter dem Einfluss einer Beschleunigung führt die Massestruktur 3 des Beschleunigungssensors 10 eine Drehbewegung um einen in der Verankerungsvorrichtung 1 festgelegten Mittelpunkt in der Chipebene aus. Diese Bewegung stellt die Nutzbewegung des Beschleunigungssensors 10 dar.
Weiterhin weist der Beschleunigungssensor 10 eine mit dem Substrat verbundene feststehende zweite Kondensatorplatteneinrichtung 7 auf. Die zweite Kondensatorplatteneinrichtung 7 weist ebenfalls Kammelektroden auf, die zwischen die Kammelektroden der ersten Kondensatorplatteneinrichtung 6 so hineinragen, dass sich die etwa rechteckförmigen Platten der Kondensatorplatteneinrichtung 6, 7 zu einem großen Teil gegenüber sind.
Die erste und die zweite Kondensatorplatteneinrichtung 6, 7 sind der Form des Ringsegmentes der Massestruktur 3 angepasst, indem sie leicht bogenförmig ausgebildet sind. Die fest mit dem Chiprahmen 9 verbundene und unbewegliche zweite Kondensatorplatteneinrichtung 7 stellt elektrostatisch die Gegenelektrode zu der an der Massestruktur 3 befestigten und mit dieser Massestruktur in Rotationsrichtung beweglichen Kammelektrode 6 dar. Die erste und die zweite Kondensatorplatteneinrichtung 6, 7 bilden eine Differenzialkondensatoranordnung.
Die elektrischen Anschlüsse an der ersten und an der zweiten Kondensatorplatteneinrichtung 6, 7 sind zu Bondpads 8 am Chiprand geführt. Die Bondpads 8 können elektrisch kontaktiert werden, um die elektrische Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatteneinrichtung 6, 7 auswerten zu können.
Durch eine Rotationsbewegung der Struktur des Beschleunigungssensors 10 ändert sich der Überdeckung der ersten und der zweiten Kondensatorplatteneinrichtung 6, 7 zueinander, womit die elektrische Kapazität variiert wird.
Technisch unterscheidet man Beschleunigungsaufnehmer, die nach dem Open-Loop- bzw. Ausschlagverfahren oder dem Closed-Loop- bzw. Kompensationsverfahren arbeiten. Da der beschriebene Beschleunigungssensor nach dem kapazitiven Auswerteprinzip arbeitet, ist er für beide Verfahren geeignet.
Die Kammelektroden dienen somit sowohl der kapazitiven Signalwandlung als auch der Erzeugung einer elektrostatischen Rückstellkraft für einen Closed-Loop-Betrieb. Die Detektionsrichtung ist dabei die x-Richtung eines Koordinatensystems, dessen Ursprung in der Verankerungsvorrichtung 1 liegt und dessen y-Achse zum jeweiligen Masseschwerpunkt des Ringsegmentes zeigt.
Wirkt auf den Beschleunigungssensor 10 eine Beschleunigung, wird die bewegliche Massestruktur 3 aufgrund der Trägheit der Masse gegenüber dem Chiprahmen 9 ausgelenkt. Die bewegliche Massestruktur 3 kann einschließlich der Kammstruktur zu einem Schwerpunkt zusammengefasst werden, woran die resultierende Kraft wirkt. Wirkt diese Kraft entlang der Y-Achse eines definierten Koordinatensystems, ergibt sich ein maximales Moment und somit eine maximale Auslenkung. Die Lage des Schwerpunktes des Beschleunigungssensors 10 bestimmt damit die Detektionsrichtung des Beschleunigungssensors 10.
Zur Begrenzung der Auslenkung des Beschleunigungssensors 10 sind am Chiprahmen 9 Endausschläge 2 strukturiert.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout eines weiteren erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 11 mit einem gegenüber dem Beschleunigungssensor 10 von 1 verschobenen Schwerpunkt. In 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in 1 gleiche Elemente.
Im Vergleich zu dem Beschleunigungssensor 10 von 1 weist bei dem Beschleunigungssensor 11 von 2 das Ringsegment der Massestruktur 3 die seismische Masse 5 in einem um 72° zu der Mitte des Ringsegmentes versetzten Teilsegment 14 auf. Die seismische Masse 5 befindet sich damit in 2 nahe dem Stützrahmen 9 des Beschleunigungssensors 11.
Die veränderte Anordnung der seismischen Masse 5 bewirkt eine Verlagerung des Schwerpunktes des Beschleunigungssensors 11 in Richtung der seismischen Masse 5, das heißt in 2 nach unten. Aufgrund des verschobenen Schwerpunktes ist die Detektionsrichtung des Beschleunigungssensors 11 in einem Winkel verdreht zu der Detektionsrichtung des Beschleunigungssensors 10, die etwa parallel zu der Ausrichtung des Stützrahmens 9 in 1 ist. Somit sind durch die Veränderung der Lage der seismischen Masse 5 und damit des Schwerpunktes der Beschleunigungssensoren 10, 11 verschiedene Detektionsrichtungen realisierbar, die beispielsweise schematisch anhand anderer Beschleunigungssensoren durch die Pfeilrichtungen der Pfeile A, B, C, D und E in 4 angedeutet sind.
3 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout eines weiteren Beschleunigungssensors 12 gemäß der vorliegenden Erfindung. In 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den 1 und 2 gleiche Elemente.
Der Beschleunigungssensor 12 hat einen gegenüber den Beschleunigungssensoren 10, 11 in den 1, 2 verschobenen Masseschwerpunkt. Der verschobene Masseschwerpunkt resultiert aus der im Vergleich zu den Beschleunigungssensoren 10, 11 verschobenen seismischen Masse 5, die bei dem Beschleunigungssensor 12 im vierten Teilsegment 14 vorgesehen ist, das um etwa 36° zu der Mitte des Ringsegmentes der Massestruktur 3 versetzt ist. Aus der Verlagerung des Schwerpunktes des Beschleunigungssensors 12 ergibt sich eine andere Detektionsrichtung als in den Beschleunigungssensoren 10, 11.
Die jeweils zwei differentiell betriebenen kapazitiven Kammstrukturen der ersten und zweiten Kondensatoreinrichtungen 6, 7 der Beschleunigungssensoren 10, 11 und 12 der 1 bis 3 können gleichzeitig getrennt angesteuert als Aktor uns Sensor verwendet werden.
4 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Form eines Sensorarrays 13. In dem in 4 beispielhaft dargestellten Sensorarray 13 sind 6 Beschleunigungssensoren räumlich sehr dicht nebeneinander auf einem Siliziumchip angeordnet. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Chipfläche etwa 50 mm². Am Chiprand sind Bondpads 8 zur Kontaktierung der Beschleunigungssensoren vorgesehen.
Die in dem Array 13 vorgesehenen Beschleunigungssensoren haben grundsätzlich die gleiche Struktur wie die in den 1 bis 3 dargestellten Beschleunigungssensoren 10 bis 12. Die Beschleunigungssensoren des Arrays 13 sind fest mit dem mittig vorgesehenen Stützrahmen 9 verbunden. Die links und rechts des Stützrahmens 9 vorgesehenen Beschleunigungssensoren sind jeweils spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Die Beschleunigungssensoren des Arrays 13 weisen seismische Massen 5 auf, die in unterschiedlichen Teilsegmenten 14 der Ringsegmente der Massestrukturen 3 der Beschleunigungssensoren positioniert sind. Aufgrund der unterschiedlichen Lage der seismischen Massen 5 ergeben sich für die einzelnen Beschleunigungssensoren des Sensorarrays 13 unterschiedliche Detektionsrichtungen bzw. unterschiedliche Messachsen zur Messung der Beschleunigung, die durch die Pfeile A, B, C, D und E schematisch dargestellt sind. Über die nachfolgende schaltungstechnische oder digitale Signalverarbeitung kann aus den einzelnen Beschleunigungsanteilen der Gesamtbetrag, des wie oben beschriebenen korrigierten Beschleunigungsignals und dessen Richtung in der Ebene ermittelt werden.
Die Beschleunigungssensoren des Sensorarrays 13 sind so aufgebaut, dass ihre Federelemente 4 innerhalb des Arrays 13 bzw. auf einem Chip gleich ausgerichtet sind. Der in den 1, 2 oder 3 beschriebene zweiachsige Beschleunigungssensor 10, 11 oder 12 ist somit in den Sensorarray 13 durch gleichartige, redundante Anordnungen ergänzt worden.
Als Chipmaterial kommt vorzugsweise Silizium in Betracht. Silizium weist variierende Materialeigenschaften in unterschiedlichen Kristallrichtungen auf. Durch die entsprechend konstruierten und in den einzelnen Beschleunigungssensoren in gleicher Kristallrichtung orientierten Federn 4 können diese Eigenschaften für die Federn 4 vereinheitlicht werden. Dadurch wirken Störeinflüsse auf alle Sensorfedern 4 des Beschleunigungssensorarrays 13 in gleicher Weise.
Obwohl in 4 ein Sensorarray 13 mit drei verschiedenen Detektionsrichtungen dargestellt ist, können die erfindungsgemäßen Beschleunigungssensoren, wie die Sensoren 10, 11, 12, auch beispielsweise in einem weiteren Sensorarray (nicht dargestellt) mit fünf ver schiedenen Detektionsrichtungen eingesetzt werden. In einer solchen Struktur erfolgt wiederum die Änderung des Schwerpunkts und damit der Detektionsrichtung durch Umordnen der seismischen Masse 5. Da die in den Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 gezeigten beweglichen Massestrukturen 3 in jeweils fünf Teilsegmente 14 untergliedert sind, bestehen die Beschleunigungssensoren eines solchen Arrays aus Sensorelementen mit fünf unterschiedlichen Messachsen.
Die Kombination von Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 in einem Sensorarray, wie dem Sensorarray 13, auf einem Substrat kann somit für mehrachsige Beschleunigungsmessungen in der Sensorebene verwendet werden. Hierbei können neben dem Betrag der wirkenden Beschleunigung auch die Richtungen der Beschleunigungskomponenten ermittelt werden.
In dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensorarray 13 werden für die Beschleunigungsmessung in der Ebene zusätzlich zu den zwei orthogonalen Detektionsrichtungen weitere Sensoren auf dem gleichen Substrat realisiert. Mit deren Hilfe können Störeinflüsse unter Nutzung einer anschließbaren Elektronik eliminiert werden. Diese Elektronik kann beispielsweise implementierte Korrekturalgorithmen aufweisen, die speziell der Auswertung redundanter Sensorsignale dienen. Zumindest sollte das Sensorarray, wie das Sensorarray 13, aus drei Beschleunigungssensoren, wie beispielsweise den Beschleunigungssensoren 10, 11, 12, mit unterschiedlichen Detektionsrichtungen bestehen. Wie oben ausgeführt, sind jedoch mit den in den 1 bis 3 gezeigten Sensoren fünf verschiedene Detektionsrichtungen möglich.
Das erfindungsgemäße Sensorarray 13 weist ausschließlich Orthogonalitätsfehler auf, die sich aus der Herstellung des Chips ergeben und somit für die Beschleunigungssensoren des Arrays 13 gleich sind. Die Beschleunigungssensoren eines Arrays 13 unterliegen zudem den gleichen technologischen Fertigungsbedingungen und den gleichen Umweltrandbedingungen. Da sich diese Faktoren auf das gesamte Array 13 auswirken, wird eine dynamische Fehlerkorrektur möglich. Durch die dynamische Fehlerkorrektur können Fehler beim Messen von Beschleunigungen in der Ebene vermindert oder gar eliminiert werden.
Die erfindungsgemäßen Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 können in Massenfertigung auf der Grundlage mikrotechnologischer Prozesse hergestellt werden.
In den 1 bis 4 sind jeweils halbkreisförmige Massestrukturen 3 gezeigt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Massestruktur 3 eine andere Ringsegmentform aufweist, die beispielsweise ein Viertelkreis oder ein Dreiviertelkreis sein könnte.
Zudem weisen die in den 1 bis 4 gezeigten Massestrukturen 3 Ringsegmente mit jeweils fünf Teilsegmenten 14 auf. Es könnten jedoch auch weniger oder mehr als fünf Teilsegmente 14 verwendet werden.
In Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Teilsegmente 5 werden diese bei von den Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 abweichenden Strukturen auch mit anderen Winkeln zueinander versetzt angeordnet sein.
Es sind in den 1 bis 4 nur Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 mit Mäanderfedern als Federelementen 4 dargestellt. Anstelle der Mäanderfedern können auch einfache Biegefedern verwendet werden. Zudem kann die Struktur der Mäanderfedern 4 auch anders als in den 1 bis 3 gestaltet sein.
Zudem kann sich die innere Struktur der Teilsegmente 14, insbesondere der ersten Kondensatorplatteneinrichtung 6, weiterer nicht dargestellter erfindungsgemäßer Beschleunigungssensoren von denen der dargestellten Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 unterscheiden. Beispielsweise können auch weniger oder mehr als drei Aststrukturen von Kammelektroden an einem Trägerbalken 15 befestigt sein. Zudem kann die Anzahl der verwendeten Kammelektrodenstrukturen für die erste Kondensatorplatteneinrichtung 6 erfindungsgemäß frei variiert werden. Es ist jedoch sinnvoll, soviel wie möglich Kammelektrodenstrukturen in der ersten Kondensatorplatteneinrichtung 6 vorzusehen, um eine gut auswertbare Kapazität zu erhalten.
Die Beschleunigungssensoren 10, 11, 12 der 1 bis 4 weisen Kammelektrodenstrukturen der ersten Kondensatorplatteneinrichtung 6 auf, die auf einem Siliziumchip präpariert werden. Die Kammstrukturen sind etwa 30 bis 50 μm tief geätzt und etwa 5 μm breit. Zwischen den Kammelektroden ist ein minimaler Abstand von ca. 2 μm und ein maximaler Abstand von etwa 6 μm zu der jeweils gegenüberliegenden Seite vorgesehen. Die verwendeten Federn 4 weisen ebenfalls eine Ätztiefe von etwa 30 bis 50 μm auf und haben eine Federbreite von etwa 6 μm. Die angegebenen Abmessungen sind jedoch in Abhängigkeit von dem jeweiligen Beschleunigungssensorentwurf frei wählbar.

Claims

Beschleunigungssensor (10, 11, 12) mit einem Substrat, welches eine auf dem Substrat vorgesehene Verankerungsvorrichtung (1) aufweist; einer durch eine zu erfassende Beschleunigung auslenkbaren Massestruktur (3), die über wenigstens ein Federelement (4) an der Verankerungsvorrichtung (1) aufgehängt ist; wenigstens einer mit der Massestruktur (3) verbundenen auslenkbaren ersten Kondensatorplatteneinrichtung (6); und wenigstens einer mit dem Substrat verbundenen feststehenden zweiten Kondensatorplatteneinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Massestruktur (3) in Form eines Teilsegmente (14) aufweisenden Ringsegmentes ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teilsegment (14) eine seismische Masse (5) aufweist und wenigstens ein anderes Teilsegment (14) die erste Kondensatorplatteneinrichtung (6) aufweist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Kondensatorplatteneinrichtung (6, 7) als Kammelektroden ausgebildet sind, die der Form des Ringsegmentes angepasst sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Massestruktur (3) eine Halbkreisform aufweist.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massestruktur (3) mit Mäanderfedern (4) aufgehangen ist.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massestruktur (3) mit drei Federn (4) aufgehangen ist, die gleichmäßig verteilt mit dem Ringsegment verbunden sind.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungsvorrichtung (1) an einem festen Stützrahmen (9) befestigt ist.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (5) etwa in der Mitte des Ringsegmentes angeordnet ist.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (5) um 36° oder um 72° zu der Mitte des Ringsegmentes versetzt angeordnet ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegment fünf Teilsegmente (14) aufweist, die um 36° zueinander versetzt angeordnet sind, wobei vier der Teilsegmente (14) die Kondensatorplatteneinrichtungen (6, 7) aufweisen und eines der Teilsegmente (14) die seismische Masse (5) aufweist.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammelektroden der ersten Kondensatorplatteneinrichtung (6) astförmig an wenigstens einer Seite von Trägerbalken (15) angeordnet sind, die strahlenförmig von einem inneren Trägerring (16) des Ringsegmentes nach außen gerichtet sind.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallele Kammelektrodenstrukturen auf Ringen unterschiedlicher Radien in den Teilsegmenten (14) des Ringsegmentes angeordnet sind.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammelektroden der ersten Kondensatorplatteneinrichtung (6) als schmale, tiefe Balkenstruktur ausgebildet sind.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Stützrahmen (9) wenigstens ein Anschlag (2) für die bewegliche Massestruktur (3) vorgesehen ist.
Sensoranordnung zur Beschleunigungsmessung mit wenigstens drei Beschleunigungssensoren (10, 11, 12) nach den Ansprüchen 1 bis 13, die auf dem Substrat in Form eines Sensorarrays (13) angeordnet sind, wobei die Federelemente (4) der Beschleunigungssensoren (10, 11, 12) gleich ausgebildet sind;. die Massestruktur (3) und die Federelemente (4) der Beschleunigungssensoren (10, 11, 12) in dem Array (13) gleich oder spiegelsymmetrisch ausgerichtet sind; und die seismischen Massen (5) in den Ringsegmenten der Beschleunigungssensoren des Arrays (13) in verschiedenen Winkeln angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (13) fünf halbkreisförmige Beschleunigungssensoren (10, 11, 12) aufweist, deren seismische Massen (5) im Winkel von jeweils 36° zueinander versetzt angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (10, 11, 12) räumlich dicht nebeneinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abstand zwischen den Beschleunigungssensoren (10, 11, 12) des Arrays (13) kleiner als 3,4 mm ist.