DE102006033636A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einem Mittelsteg (1), der über einem Substrat angeordnet ist, einem ersten Seitensteg (2), der auf der einen Seite des Mittelstegs (1) über dem Substrat angeordnet ist, einem zweiten Seitensteg (3), der auf der anderen Seite des Mittelstegs über dem Substrat angeordnet ist, und einer seismischen Masse (9), wobei an der seismischen Masse (9) und den Seitenstegen (2, 3) jeweils Elektroden (7, 8) ausgebildet sind. Um einen Nullpunktfehler bei der Beschleunigungsmessung aufgrund von Verformungen eines Substrats zu minimieren, ist die seismische Masse (9) als Rahmen ausgebildet, der den Mittelsteg (1), die Seitenstege (2, 3) und die Elektroden (7, 8) umfasst, wobei die seismische Masse (9) mit dem Mittelsteg (1) verbunden ist, wobei der Mittelsteg (1) durch eine erste zentrale Verankerung (4) mit dem Substrat verbunden ist, wobei der erste Seitensteg (2) durch eine zweite zentrale Verankerung (5) mit dem Substrat verbunden ist und wobei der zweite Seitensteg (3) durch eine dritte zentrale Verankerung (6) mit dem Substrat verbunden ist.
Description
- Stand der Technik
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Ein solcher Beschleunigungssensor ist beispielsweise aus der
DE 197 19 779 bekannt und umfaßt ein Substrat, einen Mittelsteg, der über einem Substrat angeordnet ist, einen ersten Seitensteg, der auf der einen Seite des Mittelstegs über dem Substrat angeordnet ist, einen zweiten Seitensteg, der auf der anderen Seite des Mittelstegs über dem Substrat angeordnet ist, und eine seismischen Masse, wobei an der seismischen Masse und dem ersten und zweiten Seitensteg jeweils Elektroden ausgebildet sind. - Die Stegelektroden und der seismischen Elektroden sind zwischen dem ersten Seitensteg und dem Mittelsteg bzw. zwischen dem zweiten Seitensteg und dem Mittelsteg angeordnet. Die Seitenstege und der Mittelsteg sind auf einem Barunterliegenden Substrat verankert. Die Stellen, wo die Verankerungen der Seitenstege und des Mittelstegs ausgebildet sind, sind dabei relativ weit voneinander entfernt.
- Wenn das Substrat aus einem anderen Werkstoff besteht als die Stege, können mechanische Spannungen zwischen dem Substrat und den Stegen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftreten. Derartige Spannungen können aber auch entstehen, weil die Stege bereits mit inneren Spannungen hergestellt wurden. Außerdem können mechanische Spannungen im Substrat selbst durch den Herstellungsprozeß zum Beispiel durch Löten oder Kleben hervorgerufen werden. Da die Stege die vergleichsweise am schwächsten ausgebildeten Elemente sind, werden diese Spannungen dadurch abgebaut, daß sich die Stege verformen. Dadurch wird der Abstand der ineinandergreifenden Zinken verändert. Es ergibt sich ein Nullpunktfehler für die gemessene Kapazität.
- Offenbarung der Erfindung
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor zu schaffen, der so ausgebildet ist, daß ein Nullpunktfehler für die gemessene Kapazität vermieden wird.
- Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor, bei dem die seismische Masse als Rahmen ausgebildet ist, der den Mittelsteg, den ersten und zweiten Seitensteg und die Elektroden umfasst, wobei die seismische Masse mit dem Mittelsteg verbunden ist, wobei der Mittelsteg durch eine erste zentrale Verankerung mit dem Substrat verbunden ist, wobei der erste Seitensteg durch eine zweite zentrale Verankerung mit dem Substrat verbunden ist und wobei der zweite Seitensteg durch eine dritte zentrale Verankerung mit dem Substrat verbunden ist.
- Vorteilhafterweise befinden sich die zentralen Verankerungen in unmittelbarer Nähe, so daß eine Verbiegung des Substrats die relative Ausrichtung der Stege zueinander kaum beeinflussen kann. Zudem können derartige Beschleunigungssensoren platzsparend auf dem Substrat ausgebildet werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rahmen mit gegenüberliegenden Enden des Mittelstegs über Federn verbunden.
- Vorteilhafterweise ist diese Anbringung der Federn besonders geeignet, ein Schwingen des Rahmens in einer Richtung entlang der Stege zu ermöglichen.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rahmen perforiert.
- Vorteilhafterweise kann dadurch der Rahmen vom Substrat während der Herstellung sicher getrennt werden, so daß der Rahmen frei beweglich ist.
- In noch einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zinken der seismischen Elektroden perforiert.
- Vorteilhafterweise können dadurch die Zinken vom Substrat während der Herstellung sicher getrennt werden, so daß die Zinken frei beweglich sind.
- In noch einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Verankerung des Mittelstegs, die Verankerungen der Seitenstege auf einer Linie, die den Mittelsteg und die Seitenstege quer schneidet.
- Vorteilhafterweise lassen sich die drei Stege so am dichtesten beieinander anordnen, so daß der Einfluß einer Verbiegung des Substrats auf die relative Ausrichtung der Stege minimiert werden kann.
- In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform liegt die Verankerung des Mittelstegs im wesentlichen unter dem gemeinsamen Schwerpunkt des Mittelstegs, des Rahmens, der Federn und der Zinken der linken seismischen Elektrode und der rechten seismischen Elektrode, liegt die Verankerung des ersten Seitenstegs im wesentlichen unter dessen Schwerpunkt, und liegt die Verankerung des zweiten Seitenstegs im wesentlichen unter dessen Schwerpunkt.
- Vorteilhafterweise können durch diese Anbringung der Verankerungen die auf die Verankerungen wirkenden Kräfte minimiert werden, so daß für jeden Steg eine einzige Verankerung ausreichend ist.
- In noch einer bevorzugten Ausführungsform sind Abschirmelektroden zwischen Zinken der seismischen Elektroden und der Stegelektroden vorgesehen.
- Vorteilhafterweise kann so die Linearität des Beschleunigungssensors erhöht und eine parasitäre Variation der Kapazität vermieden werden.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Ansicht eines Beschleunigungssensors; und -
2 einen Ansicht eines Beschleunigungssensors mir Abschirmelektroden. - Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt einen Beschleunigungssensor, der zum Beispiel hergestellt wird, indem eine Polysiliziumschicht auf einer Oxidschicht abgeschieden wird, die wiederum auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen ist. In der Oxidschicht sind Aussparungen ausgebildet, so daß in diesen Aussparungen Verbindungen von der Polysiliziumschicht zu dem Siliziumsubstrat entstehen. Die in1 gezeigten Strukturen werden daraufhin definiert und die Oxidschicht in einem Ätzprozeß entfernt. Die Polysiliziumschicht bleibt dabei mit dem Siliziumsubstrat verbunden. - Der Beschleunigungssensor umfaßt einen Mittelsteg
1 , einen rechten Steg2 und einen linken Steg3 , dabei verlaufen der rechte Steg2 und der linke Steg3 parallel zu dem Mittelsteg1 auf dessen rechter bzw. linker Seite. Der Mittelsteg1 , der rechte Steg2 und der linke Steg3 sind über einem Substrat, welches in der Papierebene verläuft, angeordnet und mit dem Substrat jeweils bei einem mittleren Verankerungsbereich4 , einem rechten Verankerungsbereich5 und einem linken Verankerungsbereich6 verbunden. Die Verankerungen4 ,5 ,6 mit dem Substrat befinden sich unter den Stegen1 ,2 ,3 und sind aus dieser Perspektive eigentlich nicht sichtbar und daher gestrichelt dargestellt. Jede der Verankerungen4 ,5 ,6 ist zentral gelegen, d.h. die Verankerungen4 ,5 ,6 liegen möglichst dicht oder sogar genau unter den Schwerpunkten der jeweiligen Stege1 ,2 ,3 , so daß die auf die Verankerungen4 ,5 ,6 einwirkenden Kräfte aufgrund einer Beschleunigung senkrecht zu dem Substrat minimiert sind. Zudem ist dann die Vorsehung genau eines Verankerungsbereichs zur Verankerung eines jeden Stegs1 ,2 ,3 auf dem Substrat ausreichend. Die Stege1 ,2 ,3 müssen sich daher nicht verformen, um mechanische Spannungen relativ zu dem Substrat auszugleichen. Die Verankerungen4 ,5 ,6 sind außerdem möglichst dicht beieinander gelegen. Sie liegen daher auf einer Linie, die den Mittelsteg1 , den rechten Steg2 und den linken Steg3 quer schneidet. - Auf der rechten Seite des rechten Stegs
2 , die von dem Mittelsteg1 abgewandt ist, sind Zinken7 einer rechten Stegelektrode ausgebildet. Die Zinken7 der rechten Stegelektrode greifen in die Zinken8 einer rechten seismischen Elektrode ein. Auf der linken Seite des linken Stegs3 , die von dem Mittelsteg1 abgewandt ist, sind Zinken7 einer linken Stegelektrode ausgebildet. Die Zinken7 der linken Stegelektrode greifen in die Zinken8 einer linken seismischen Elektrode ein. Die Zinken8 der linken seismischen Elektrode und der rechten seismischen Elektrode sind an einem geschlossenen Rahmen9 angebracht. Der Rahmen9 und die Zinken8 der seismischen Elektroden sind perforiert, d.h. weisen ein regelmäßige Anordnung durchgehender Löcher auf. Die Perforation ermöglicht es einem Ätzmedium, während dem Ätzprozeß zu einer darunterliegenden Schicht zu dringen, so daß der Rahmen9 und die Zinken8 sich sicher vom Substrat trennen lassen. Aus dem gleichen Grund können auch die Zinken7 und die Stege1 ,2 ,3 perforiert sein. - Der Rahmen
9 ist an Federn10 an gegenüberliegenden Enden des Mittelstegs1 aufgehängt. Jede Feder10 besteht aus mehreren länglichen dünnen Stäben, die parallel zueinander angeordnet sind. Zwei aneinandergrenzende Stäbe sind beabstandet entweder an ihren Enden oder in ihrem Zentrum miteinander verbunden. Die Federn10 lassen sich daher senkrecht zu den parallel angeordneten Stäben leicht verformen, aber nicht parallel dazu. Die Federn10 sind außerdem so angeordnet, daß der Rahmen vor allem entlang der drei parallelen Stege1 ,2 ,3 verschiebbar ist. An den beiden Enden des Stegs1 ist jeweils eine Querstrebe11 ausgebildet, die die feinen Zinken7 ,8 der seismischen Elektroden vor einer Einwirkung durch die verformten Federn10 schützt. - Das Paar aus der linken Stegelektrode und der linken seismischen Elektrode und das Paar aus der rechten Stegelektrode und der rechten seismischen Elektrode bilden zusammen einen Differenzkondensator. Bei der Auswertung wird eine linksseitige Kapazität zwischen der linken Stegelektrode und der linken seismischen Elektrode von einer rechtsseitigen Kapazität zwischen der rechten Stegelektrode und der rechten seismischen Elektrode abgezogen. Ohne eine Beschleunigung ist diese Differenz null, weil der Abstand von benachbarten Zinkenpaaren
7 ,8 auf beiden Seiten des Mittelstegs1 gleich ist. Wenn sich aufgrund einer Beschleunigung jeweils eine Zinke7 der linken Stegelektrode von einer benachbarten Zinke8 der linken seismischen Elektrode entfernt, nährt sich jeweils gleichzeitig eine Zinke7 der rechten Stegelektrode einer benachbarten Zinke8 der rechten seismischen Elektrode an. Dadurch nimmt die linksseitige Kapazität ab und die rechtsseitige Kapazität zu. Deren Differenz ist besonders sensitiv für eine Beschleunigung. -
2 zeigt einen weiteren Beschleunigungssensor, der Abschirmelektroden12 aufweist, die mit dem Substrat verbunden sind und parallel zu den Zinken7 ,8 verlaufen, wobei jeweils ein Paar Zinken7 ,8 , die am dichtesten beieinander liegen, von zwei Abschirmelektroden12 umgeben ist. Durch die Abschirmung wird erreicht, daß die gemessene Variation der Kapazität im wesentlichen nur durch die relativen Verschiebungen von jeweils einer Zinke8 zu einer Zinke7 verursacht wird. Eine parasitäre Variation der Kapazität wird vermieden und Linearitätsfehler des Beschleunigungssensors werden verringert.
Claims (8)
- Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einem Mittelsteg (
1 ), der über einem Substrat angeordnet ist, einem ersten Seitensteg (2 ), der auf der einen Seite des Mittelstegs (1 ) über dem Substrat angeordnet ist, einem zweiten Seitensteg (3 ), der auf der anderen Seite des Mittelstegs über dem Substrat angeordnet ist, und einer seismischen Masse (9 ), wobei an der seismischen Masse (9 ) und dem ersten und zweiten Seitensteg (2 ,3 ) jeweils Elektroden (7 ,8 ) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (9 ) als Rahmen ausgebildet ist, der den Mittelsteg (1 ), den ersten und zweiten Seitensteg (2 ,3 ) und die Elektroden (7 ,8 ) umfasst, wobei die seismische Masse (9 ) mit dem Mittelsteg (1 ) verbunden ist, wobei der Mittelsteg (1 ) durch eine erste zentrale Verankerung (4 ) mit dem Substrat verbunden ist, wobei der erste Seitensteg (2 ) durch eine zweite zentrale Verankerung (5 ) mit dem Substrat verbunden ist und wobei der zweite Seitensteg (3 ) durch eine dritte zentrale Verankerung (6 ) mit dem Substrat verbunden ist. - Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (
9 ) mit gegenüberliegenden Enden des Mittelstegs (1 ) über Federn (10 ) verbunden ist. - Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zentrale Verankerung (
4 ) des Mittelstegs (1 ), die zweite zentrale Verankerung (5 ) des ersten Seitenstegs (2 ) und die dritte zentrale Verankerung (6 ) des zweiten Seitenstegs (3 ) auf einer Linie liegen, die den Mittelsteg (1 ), den ersten Seitensteg (2 ) und den zweiten Seitensteg (2 ) quer schneidet. - Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (
9 ) perfo riert ist. - Beschleunigungssensor einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß an der seismischen Masse (
9 ) eine erste seismische Elektrode und eine zweite seismische Elektrode ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite seismische Elektrode und die Elektroden des ersten und zweiten Seitenstegs (2 ,3 ) als Kammelektroden mit mehreren Zinken (7 ,8 ) ausgebildet sind, wobei die Zinken (7 ) der Elektrode des ersten Seitenstegs (2 ) in die Zinken (8 ) der ersten seismischen Elektrode eingreifen und wobei die Zinken (7 ) der Elektrode des zweiten Seitenstegs (2 ) in die Zinken (8 ) der zweiten seismischen Elektrode eingreifen. - Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinken (
8 ) der seismischen Elektroden perforiert sind. - Beschleunigungssensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zentrale Verankerung (
4 ) des Mittelstegs (1 ) im wesentlichen unter dem gemeinsamen Schwerpunkt des Mittelstegs (1 ), des Rahmens (9 ), der Federn (10 ) und der Zinken (8 ) der seismischen Elektroden liegt, daß die zweite zentrale Verankerung (5 ) des ersten Seitenstegs (2 ) im wesentlichen unter dessen Schwerpunkt liegt, und daß die dritte zentrale Verankerung (5 ) des zweiten Seitenstegs (3 ) im wesentlichen unter dessen Schwerpunkt liegt. - Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Abschirmelektroden (
12 ) zwischen Zinken (7 ,8 ) der seismischen Elektroden und der Seitenstege (2 ,3 ) vorgesehen sind.
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