DE102006026880B4

DE102006026880B4 - Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102006026880B4
Application number: DE102006026880.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Ohl; Harald Emmerich; Volker Frey; Holger Wolfmayr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2026-06-10
Also published as: DE102006026880A1; EP2032994A2; JP2009540280A; WO2007141070A2; WO2007141070A3; US20090308159A1

Abstract

Mikromechanischer Beschleunigungssensor, mit einem Substrat (6), welches eine Verankerungseinrichtung (5) aufweist, und einer Schwungmasse in Form einer Wippe (1), die eine bezüglich einer Torsionsachse asymmetrische Geometrie aufweist und die über eine Biegefedereinrichtung (4) mit der Verankerungseinrichtung (5) verbunden ist, so dass die Schwungmasse durch senkrecht zum Substrat (6) wirkende Beschleunigungen elastisch aus ihrer Ruhelage um die Torsionsachse auslenkbar ist,wobei bei unterschiedlich langen Hebelarmen (2, 3) der Wippe (1) , auf der Seite des kürzeren Hebelarms (2) eine die mögliche Auslenkung verkürzende Anschlagseinrichtung (8)vorgesehen ist, so dass die maximal mögliche mechanische Auslenkung der Schwungmasse auf beiden Seiten der asymmetrischen Wippe (1) gleich groß ist,dadurch gekennzeichnet,dass der längere Hebelarm (3) einen Durchbruch (7) aufweist, wobei der Durchbruch (7) parallel zur Torsionsachse angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, mit einem Substrat, welches eine Verankerungseinrichtung aufweist, und einer Schwungmasse in Form einer Wippe, die eine bezüglich ihrer Torsionsachse asymmetrische Geometrie aufweist und die über eine Biegefedereinrichtung mit der Verankerungseinrichtung verbunden ist, so dass die Schwungmasse durch senkrecht zum Substrat wirkende Beschleunigungen elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar ist.
Ein derartiger Beschleunigungssensor mit Sensierachse in z-Richtung ist zum Beispiel aus der DE 100 00 368 A1 bekannt. Die Wippe des bekannten Sensors weist unterschiedlich lange Hebelarme auf. Aus der Druckschrift US 5,488,864 A ist ein Torsions-Strahl-Beschleunigungsmesser mit geschlitzter Neigungsplatte bekannt. Aus der Druckschrift WO 2006/083376 A1 ist ein Z-Achsen-Beschleunigungsmesser mit wenigstens zwei Lückengrößen und Auslenkungsbegrenzern bekannt, die außerhalb eines aktiven Kondensatorbereichs angeordnet sind.
Beschleunigungssensoren werden in Fahrzeugen als Crashsensoren zur Erkennung von Seitenaufprallen, Frontcrashs oder auch zur Crashschwere-Erkennung im Frontbereich bereits seit Jahren eingesetzt. Seit etwa einem Jahrzehnt sind beschleunigungsempfindliche oberflächenmikromechanisch hergestellte Sensoren mit Sensierachse in x-Richtung, also parallel zur Chipebene, auf dem Markt, die eine interdigitale Struktur aufweisen. Diese Sensoren umfassen zwei Komponenten, die fingerförmig oder kammartig ineinander greifen. Unter Einwirkung einer Be-schleunigung bewegen sich diese Komponenten relativ zueinander, quer zur Chipebene, wobei sie mehr oder weniger ineinander eintauchen. Seit neuerem werden zunehmend auch so genannte „z-Sensoren“ eingesetzt, die keine interdigitale Struktur, sondern eine mikromechanisch freigelegte, bewegliche Wippenstruktur aus Polysilizium aufweisen, die eine elastische Vertikalempfindlichkeit des Sensors, also eine senkrecht zur Chipebene stehende Detektionsrichtung auf Beschleunigung, ermöglicht. Um aus der Auslenkung der Wippe ein elektrisches Signal zu gewinnen, umfasst der Beschleunigungssensor üblicherweise eine Differentialkondensatoranordnung, bestehend aus Elektroden, die auf dem Torsionskörper, also der Wippe, angebracht sind, und aus feststehenden Gegenelektroden auf dem Substrat.
Z-Sensoren mit Wippenstruktur setzten eine asymmetrisch an der Torsionsachse aufgehängte Schwungmasse voraus, damit die Beschleunigung, entsprechend dem auf einer Seite der Wippe größeren Gesamtmoment (d. h. Masse mal Momentarm) um die Torsionsachse, asymmetrisch angreifen und die Wippe aus der Ruhelage auslenken kann. Da aus Prozessgründen eine lokale, einseitige Verdickung der Wippenstruktur kaum zu realisieren ist, wird die asymmetrische Aufhängung heute allgemein so realisiert, dass ein Hebelarm der Wippe länger (und damit auch schwerer) als der gegenüberliegende Hebelarm ausgeführt wird, vgl. 6 der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift. Auf der längeren Seite des Hebelarms resultiert damit auf jeden Fall ein größeres Gesamtmoment.
Beschleunigungssensoren mit Sensierachse in x- oder z-Richtung haben eine mechanische Grenze, bis zu welcher die beweglich angeordnete Finger- bzw. Wippenstruktur ausgelenkt werden kann. Ist diese Grenze (maximal möglicher Auslenkungsbetrag) erreicht, führen auch höhere Beschleunigungswerte nicht mehr zu einer Änderung des Ausgangssignals des Sensors. Diese Erscheinung wird auch als mechanisches Clipping bezeichnet. Durch das Abschneiden des Signalverlaufs an der Clippinggrenze geht die gesamte Information über den Signalverlauf jenseits der Clippinggrenze verloren.
Die bekannten z-Sensoren schlagen bei einer senkrecht ‚von oben‘ einwirkenden Beschleunigung mit dem Ende des längeren Hebelarms früher, d. h. bei einem kleineren Auslenkbetrag am Substrat an, als es - auf der anderen Seite der Wippe und bezüglich des Endes des kürzeren Hebelarms - bei einer ‚von unten‘ einwirkenden Beschleunigung der Fall ist, so dass ein asymmetrisches Clipping auftritt.
Dadurch, dass die Clippinggrenzen auf den beiden Seiten der asymmetrischen Wippe nicht gleich groß sind, ergibt sich durch die Integration des durch Clipping beschnittenen Beschleunigungssignals im Vergleich zu einem integrierten unverfälschten Beschleunigungssignal in nachteiliger Weise ein Offset in der aus dem Signal rekonstruierten, den Geschwindigkeitsabbau betreffenden Information. Dieser Offset stellt also ein unerwünschtes Artefakt des asymmetrischen Beschneidungsprozesses dar.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vermeidet diesen Nachteil dadurch, dass die auf einer Seite der Wippe und in einer Ebene mit der restlichen Schwungmasse angeordnete notwendige Zusatzmasse, trotz der asymmetrischen Geometrie nicht zu einem asymmetrischen, ‚früheren‘ Anschlagen einer Seite der Wippe auf das Substrat führt. Während dies bei unterschiedlich langen Hebelarmen der Wippe dadurch erreicht wird, dass auf der Seite des kürzeren Hebelarms eine die mögliche Auslenkung verkürzende Anschlagseinrichtung vorgesehen ist, ist im Falle gleich langer Hebelarme, der nicht Teil der Erfindung ist, an einem Hebelarm mindestens eine seitlich angeordnete Zusatzmasse vorgesehen, so dass in beiden Fällen die maximal mögliche mechanische Auslenkung der Schwungmasse auf beiden Seiten der asymmetrischen Wippe gleich groß ist. Auf Grund der erfindungsgemäßen Auslegung resultiert demnach eine Wippen-struktur, deren asymmetrische Geometrie nicht mehr zu einem asymmetrischen Clipping führen kann.
Besonders in fertigungstechnischer Hinsicht ist es gemäß einer Ausführungsform mit gleich langen Hebelarmen der insbesondere aus Polysilizium herstellbaren Wippenstruktur vorteilhaft, die an einem der Hebelarme seitlich anzuordnende Zusatzmasse als Querarm des Hebelarms auszubilden.
Diese Ausführungsform kann vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, dass der Hebelarm auf beiden Seiten Querarme aufweist, die einander symmetrisch gegenüberliegen. Dabei ergibt sich eine fertigungstechnisch und hinsichtlich der sensormechanischen Funktion als besonders bevorzugt geltende Ausgestaltung dadurch, dass der Hebelarm mit zwei gegenüberliegenden Querarmen ausgebildet ist, die sich jeweils über seine gesamte Länge erstrecken. Der mit der Zusatzmasse versehene Hebelarm hat bei dieser Ausgestaltung insgesamt ungefähr die Form eines Querbalkens.
Bei der anderen, durch unterschiedlich lange Hebelarme gekennzeichneten erfindungsgemäßen Alternative erweist es sich als vorteilhaft, dass die Anschlagseinrichtung einen fest auf dem Substrat gelagerten Anschlagspunkt aufweist.
Figurenliste

1a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste, eine Wippenstruktur mit unterschiedlich langen Hebelarmen aufweisende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit Anschlagseinrichtung,
2a zeigt, in gleicher Darstellung, eine zweite, nicht zur Erfindung gehörende, Ausführungsform, bei der eine Wippenstruktur mit gleich langen Hebelarmen vorgesehen ist,
1b und 2b zeigen die erste bzw. zweite Ausführungsform jeweils in Seitenansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
1a und 1b zeigen eine mikromechanisch freigelegte, bewegliche Wippe 1 eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors, die aus Polysilizium besteht und gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen kürzeren Hebelarm 2 und einen längeren Hebelarm 3 aufweist. Die Wippenstruktur 1 ist über zwei Torsionsfedern 4 an einer Verankerungseinrichtung 5 aufgehängt, die selbst wiederum auf dem Substrat 6 verankert ist. In den Figuren sind die parallel zum Substrat 6 verlaufenden x-y-Koordinatenachsen sowie die senkrecht dazu verlaufende z-Richtung durch Pfeile definiert. Der längere Hebelarm weist einen Durchbruch 7 auf, der in an sich bekannter Weise zu den gewünschten Dämpfungseigenschaften des Feder-Masse-Systems 1, 4 beiträgt. Bei dieser ersten Ausführungsform bildet der rechts vom Durchbruch 7 gelegene Teil des längeren Hebelarms 3 die Zusatzmasse, die erforderlich ist, um eine auf einer asymmetrischen Geometrie beruhende asymmetrische Anordnung der Schwungmasse des Sensors um die Torsionsachse (Torsions- bzw. Biegefedern 4) zu realisieren.
Wie aus 1b zu erkennen ist, würde - ohne die weiteren, erfindungsgemäßen Maßnahmen - der längere Hebelarm 3 bei einer von oben (d. h. in negativer z-Richtung) einwirkenden Beschleunigung auf Grund seiner Länge bei einem kleineren Auslenkungsbetrag (Winkel) am Substrat 6 anschlagen als der kürzere Hebelarm 2 bei einer von unten (d. h. in positiver z-Richtung) einwirkenden Beschleunigung. Dies würde in der eingangs beschriebenen Weise zu einem unerwünschten, asymmetrischen Clipping führen. Erfindungsgemäß ist deshalb ein unterhalb des kürzeren Hebelarms 2 angeordneter, fest auf dem Substrat 6 gelagerter Anschlagspunkt 8 vorgesehen, der die maximal mögliche Auslenkung auf dieser Seite der Wippe 1 auf den gleichen Auslenkungsbetrag begrenzt, der - auf der anderen Seite der Wippe 1 - dem längeren Hebelarm 3 möglich ist. (Schichtdicken und andere geometrische Merkmale, etwa die Höhe und Form des hier nur beispielhaft buckelförmig dargestellten Anschlagspunktes 8, sind in den 1 und 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt.) Der Anschlagspunkt 8 kann beispielsweise durch eine Materialerhöhung als integrierter Bestandteil des Substrats 6 hergestellt, oder extern hergestellt und nachträglich an der vorgesehenen Stelle angebracht werden.
2 zeigt eine, nicht zur Erfindung gehörende, Wippenstruktur 1, bei der trotz gleich langer Hebelarme 9 und 10 durch seitlich am Hebelarm 10 angebrachte Zusatzmassen 11 eine asymmetrisch aufgehängte Schwungmasse realisiert ist. Durch die gleich langen Hebelarme 9 und 10 ist gleichzeitig gewährleistet, dass keiner der Hebelarme 9 oder 10 ‚früher‘ anschlägt als der andere, so dass sich nur ein - als unproblematisch angesehenes - symmetrisches Clipping ergibt. Wenn, wie in 2 dargestellt, der Hebelarm 10 mit zwei symmetrisch gegenüberliegenden Querarmen (Zusatzmassen 11) ausgebildet ist, die sich jeweils über seine gesamte Länge erstrecken, ist es günstig, den Hebelarm 10 im Bereich des Übergangs zu den Querarmen 11 jeweils mit einem länglichen, parallel zum Hebelarm 10 verlaufenden Durchbruch 12 zu versehen.
Die Erfindung ist im Übrigen nicht auf Ausführungen beschränkt, bei denen die Wippenstruktur 1, wie in der 1 dargestellt, an einer ‚inneren‘ Verankerung 5 aufgehängt ist. Ebenso in Frage kommen Ausführungen, bei denen die Wippenstruktur 1 in einem äußeren Rahmen aufgehängt ist.

Claims

Mikromechanischer Beschleunigungssensor, mit einem Substrat (6), welches eine Verankerungseinrichtung (5) aufweist, und einer Schwungmasse in Form einer Wippe (1), die eine bezüglich einer Torsionsachse asymmetrische Geometrie aufweist und die über eine Biegefedereinrichtung (4) mit der Verankerungseinrichtung (5) verbunden ist, so dass die Schwungmasse durch senkrecht zum Substrat (6) wirkende Beschleunigungen elastisch aus ihrer Ruhelage um die Torsionsachse auslenkbar ist, wobei bei unterschiedlich langen Hebelarmen (2, 3) der Wippe (1) , auf der Seite des kürzeren Hebelarms (2) eine die mögliche Auslenkung verkürzende Anschlagseinrichtung (8)vorgesehen ist, so dass die maximal mögliche mechanische Auslenkung der Schwungmasse auf beiden Seiten der asymmetrischen Wippe (1) gleich groß ist, dadurch gekennzeichnet, dass der längere Hebelarm (3) einen Durchbruch (7) aufweist, wobei der Durchbruch (7) parallel zur Torsionsachse angeordnet ist.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagseinrichtung einen fest auf dem Substrat (6) gelagerten Anschlagspunkt (8) aufweist.