DE102006033636B4

DE102006033636B4 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102006033636B4
Application number: DE102006033636.4A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Schubert; Johannes Classen; Johannes Grabowski
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: DE102006033636A1

Abstract

Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einem Mittelsteg (1), der über dem 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, wobei 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, wobei der erste Seitensteg (2) und der zweite Seitensteg (3) parallel zum Mittelsteg (1) angeordnet sind, wobei 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.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 1.
Ein solcher Beschleunigungssensor ist beispielsweise aus der DE 197 19 779 A1 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 darunterliegenden 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.
Aus der Druckschrift EP 1 640 726 A1 ist eine mikroelektromechanische Struktur mit Eigenkompensation von einem durch thermomechanischen Stress verursachten thermischen Drift bekannt. Aus der Druckschrift CN 1 804 636 A ist ein differentieller kapazitiver Beschleunigungssensor mit Rahmenstruktur bekannt.
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, wobei der zweite Seitensteg durch eine dritte zentrale Verankerung mit dem Substrat verbunden ist, wobei der erste Seitensteg und der zweite Seitensteg parallel zum Mittelsteg angeordnet sind, wobei an der seismischen Masse 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 als Kammelektroden mit mehreren Zinken ausgebildet sind, wobei die Zinken der Elektrode des ersten Seitenstegs in die Zinken der ersten seismischen Elektrode eingreifen und wobei die Zinken der Elektrode des zweiten Seitenstegs in die Zinken der zweiten seismischen Elektrode eingreifen.
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.
Figurenliste
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 mit 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 in 1 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 Steg 2 und einen linken Steg 3, dabei verlaufen der rechte Steg 2 und der linke Steg 3 parallel zu dem Mittelsteg 1 auf dessen rechter bzw. linker Seite. Der Mittelsteg 1, der rechte Steg 2 und der linke Steg 3 sind über einem Substrat, welches in der Papierebene verläuft, angeordnet und mit dem Substrat jeweils bei einem mittleren Verankerungsbereich 4, einem rechten Verankerungsbereich 5 und einem linken Verankerungsbereich 6 verbunden. Die Verankerungen 4, 5, 6 mit dem Substrat befinden sich unter den Stegen 1, 2, 3 und sind aus dieser Perspektive eigentlich nicht sichtbar und daher gestrichelt dargestellt. Jede der Verankerungen 4, 5, 6 ist zentral gelegen, d.h. die Verankerungen 4, 5, 6 liegen möglichst dicht oder sogar genau unter den Schwerpunkten der jeweiligen Stege 1, 2, 3, so daß die auf die Verankerungen 4, 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 Stegs 1, 2, 3 auf dem Substrat ausreichend. Die Stege 1, 2, 3 müssen sich daher nicht verformen, um mechanische Spannungen relativ zu dem Substrat auszugleichen. Die Verankerungen 4, 5, 6 sind außerdem möglichst dicht beieinander gelegen. Sie liegen daher auf einer Linie, die den Mittelsteg 1, den rechten Steg 2 und den linken Steg 3 quer schneidet.
Auf der rechten Seite des rechten Stegs 2, die von dem Mittelsteg 1 abgewandt ist, sind Zinken 7 einer rechten Stegelektrode ausgebildet. Die Zinken 7 der rechten Stegelektrode greifen in die Zinken 8 einer rechten seismischen Elektrode ein. Auf der linken Seite des linken Stegs 3, die von dem Mittelsteg 1 abgewandt ist, sind Zinken 7 einer linken Stegelektrode ausgebildet. Die Zinken 7 der linken Stegelektrode greifen in die Zinken 8 einer linken seismischen Elektrode ein. Die Zinken 8 der linken seismischen Elektrode und der rechten seismischen Elektrode sind an einem geschlossenen Rahmen 9 angebracht. Der Rahmen 9 und die Zinken 8 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 Rahmen 9 und die Zinken 8 sich sicher vom Substrat trennen lassen. Aus dem gleichen Grund können auch die Zinken 7 und die Stege 1, 2, 3 perforiert sein.
Der Rahmen 9 ist an Federn 10 an gegenüberliegenden Enden des Mittelstegs 1 aufgehängt. Jede Feder 10 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 Federn 10 lassen sich daher senkrecht zu den parallel angeordneten Stäben leicht verformen, aber nicht parallel dazu. Die Federn 10 sind außerdem so angeordnet, daß der Rahmen vor allem entlang der drei parallelen Stege 1, 2, 3 verschiebbar ist. An den beiden Enden des Stegs 1 ist jeweils eine Querstrebe 11 ausgebildet, die die feinen Zinken 7, 8 der seismischen Elektroden vor einer Einwirkung durch die verformten Federn 10 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 Mittelstegs 1 gleich ist. Wenn sich aufgrund einer Beschleunigung jeweils eine Zinke 7 der linken Stegelektrode von einer benachbarten Zinke 8 der linken seismischen Elektrode entfernt, nährt sich jeweils gleichzeitig eine Zinke 7 der rechten Stegelektrode einer benachbarten Zinke 8 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 Abschirmelektroden 12 aufweist, die mit dem Substrat verbunden sind und parallel zu den Zinken 7, 8 verlaufen, wobei jeweils ein Paar Zinken 7, 8, die am dichtesten beieinander liegen, von zwei Abschirmelektroden 12 umgeben ist. Durch die Abschirmung wird erreicht, daß die gemessene Variation der Kapazität im wesentlichen nur durch die relativen Verschiebungen von jeweils einer Zinke 8 zu einer Zinke 7 verursacht wird. Eine parasitäre Variation der Kapazität wird vermieden und Linearitätsfehler des Beschleunigungssensors werden verringert.

Claims

Beschleunigungssensor mit einem Substrat, einem Mittelsteg (1), der über dem 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, wobei 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, wobei der erste Seitensteg (2) und der zweite Seitensteg (3) parallel zum Mittelsteg (1) angeordnet sind, wobei 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 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 (3) quer schneidet.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (9) perforiert ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinken (8) der seismischen Elektroden perforiert sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 5, 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 (6) des zweiten Seitenstegs (3) im wesentlichen unter dessen Schwerpunkt liegt.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Abschirmelektroden (12) zwischen Zinken (8) der seismischen Elektroden und Zinken (7) der Elektroden der Seitenstege (2, 3) vorgesehen sind.