DE102007048882A1

DE102007048882A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102007048882A1
Application number: DE102007048882A
Authority: DE
Inventors: Lars Tebje; Johannes Classen; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil (20), welches über einem Substrat (10) angeordnet ist, wobei das mikromechanische Funktionsteil (20) mittels zweier Torsionsfedern (30) über ein gemeinsames Aufhängeteil (40) an dem Substrat (10) befestigt ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das gemeinsame Aufhängeteil (40) mittels wenigstens zweier Veränderungen (62, 64) an dem Substrat (10) befestigt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil welches über einem Substrat angeordnet ist, wobei das mikromechanische Funktionsteil mittels zweier Torsionsfedern über ein gemeinsames Aufhängeteil an dem Substrat befestigt ist.
Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene werden im Stand der Technik mikromechanische Strukturen mit sogenannten „Wippen" genutzt. Das Sensorprinzip dieser „Wippen" basiert auf einem Feder-Masse-System gemäß 1, in welchem eine bewegliche seismische Masse mit jeweils zwei auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden einen Plattenkondensator bildet. Die seismische Masse ist über eine mit zwei Torsionsfedern realisierte Drehachse mit der Unterlage verbunden. Sind die Massestrukturen auf den beiden Seiten der Drehachse unterschiedlich groß, so wird sich beim Einwirken einer Beschleunigung die Massestruktur relativ zu den beiden Torsionsfeder als Drehachse drehen. Eine solche Massendifferenz wird z. B. durch eine Zusatzmasse wie in 2 gezeigt hervorgerufen. Damit wird der Abstand der Elektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der anderen Seite größer. Die sich daraus ergebende Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung (2 und 3). Das Sensorprinzip dieser Wippen wird z. B. in Kapitel 6 der Dissertation „Oberflächenmikromechanik-Sensoren als elektrische Teststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse"; Maute, Matthias; Universität Tübingen; 2003 näher beschrieben. Die Europäische Patentanmeldung, EP 0 244 581 A1 zeigt einen Sensor zur selbsttätigen Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen. Die Europäische Patentschrift, EP 0 773 443 B1 offenbart einen mikromechanischen Beschleunigungssensor. Die Patentschrift US 6,122,963 zeigt ein elektronisches Bauteil zur Messung der Beschleunigung.
Bei der Herstellung von mikromechanischen Beschleunigungssensoren wird zunächst eine meist oberflächenmikromechanische Sensorstruktur auf einem Halbleitersubstrat geschaffen. Nach Durchlaufen weiterer Prozesse zur Verkapselung bzw. Verpackung der Sensorstrukturen kann sich das Substrat unterhalb der beweglichen Masse verformen. Hierdurch ergeben sich Auswirkungen auf den Nullpunktfehler (Offset) und die Empfindlichkeit des Sensors. Das Verformen kann später im Betrieb des Sensors zu Fehlern in der Beschleunigungsmessung führen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil welches über einem Substrat angeordnet ist, wobei das mikromechanische Funktionsteil mittels zweier Torsionsfedern über ein gemeinsames Aufhängeteil an einem Substrat befestigt ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das gemeinsame Aufhängeteil mittels wenigstens zwei Verankerungen an dem Substrat befestigt ist. Vorteilhaft erfolgt die Anbindung der beweglichen Strukturen an das Substrat nicht wie im Stand der Technik üblich in einem relativ kleinen zentralen Bereich des Sensors, sondern an mindestens zwei entfernt voneinander liegenden Aufhängungspunkte (Verankerungen). Bevorzugte Positionen stellen hierbei jeweils die Mittelpunkte (Flächenschwerpunkte) der beiden kapazitiven Elektroden dar. Eventuell auftretende ungleichmäßige Substratverbiegungen können durch die beiden Aufhängungspunkte besser ausgeglichen werden. Dies verringert den Einfluß von Substratverformungen auf die Kapazitäten beiderseits der Torsionsfeder und somit auf den Nullpunktfehler (Offset) und die Empfindlichkeit des Sensors.
Zeichnung
1 zeigt einen Beschleunigungssensor im Stand der Technik.
2 zeigt schematisch das Konstruktionsprinzip eines Beschleunigungssensors im Stand der Technik.
3 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip eines Beschleunigungssensors im Stand der Technik.
4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor.
5a zeigt schematisch einen Beschleunigungssensor im Stand der Technik mit einer Substratverkrümmung.
5b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit einer Substratverkrümmung.
Die 6.1 a, b, c zeigen die Empfindlichkeit eines Beschleunigungssensors im Stand der Technik abhängig von einer Substratverkrümmung.
Die 6.2 a, b, c zeigen die Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors abhängig von einer Substratverkrümmung.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt einen Beschleunigungssensor im Stand der Technik. Dargestellt ist ein Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil 20 welches über einem Substrat 10 angeordnet ist. Das mikromechanische Funktionsteil 20 ist mittels zweier Torsionsfedern 30 über ein gemeinsames Aufhängeteil 40 an dem Substrat 10 befestigt. Dazu ist zwischen dem Aufhängeteil 40 und dem Substrat 10 eine Verankerung 60 vorgesehen. Das Mikromechanische Funktionsteil 20 ist im wesentlichen symmetrisch zum Aufhängeteil 40 aufgebaut und angeordnet. Eine Symmetrieachse bilden dabei die Torsionsfedern 30. Allerdings weist das mikromechanische Funktionsteil 20 in Asymmetrie zu dieser Achse auf einer Seite einen zusätzlichen Bereich mit einer Zusatzmasse 22 auf. Hierdurch kann das mikromechanische Funktionsteil 20 als seismische Masse wirken. Der Beschleunigungssensor weist weiterhin zwei Elektroden 52 und 54 auf, von denen jeweils eine an jeder Seite der Torsionsfedern 30 angeordnet ist. Die Elektroden 52 und 54 sind zwischen dem mikromechanischen Funktionsteil 20 und dem Substrat 10 auf dem Substrat 10 flächig angeordnet.
2 zeigt schematisch das Konstruktionsprinzip eines Beschleunigungssensors im Stand der Technik gemäß 1. Die Elektroden 52 und 54 sind zwischen dem mikromechanischen Funktionsteil 20 und dem Substrat 10 auf dem Substrat 10 flächig angeordnet. Zwischen dem mikromechanischen Funktionsteil 20 und den gegenüberliegenden Elektroden 52 und 54 sind Kapazitäten C1 und C2 gebildet. Im Ruhezustand des Sensors ist C₁ = C₂.
3 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip eines Beschleunigungssensors im Stand der Technik. Bei Beschleunigungen 100 senkrecht zur Ebene des Substrats 10, über der das mikromechanische Funktionsteil 20 angeordnet ist, wird das mikromechanische Funktionsteil 20 in eine zur Richtung der Beschleunigung entgegengesetzte Richtung 110 ausgelenkt. Dabei ändern sich die Kapazitäten C₁ und C₂ wie in der 3 dargestellt.
Die Funktionsweise eines solchen Beschleunigungssensors ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Auswerteelektronik des Sensors erzeugt ein Signal, welches dem Quotienten
proportional ist. Wirkt keine Beschleunigung auf den Sensor, ist die Wippe, d. h. das mikromechanische Funktionsteil 20 entsprechend 2 parallel zum Substrat 10 ausgerichtet. Dann gilt C₁ = C₂ und folglich γ = 0, d. h. die gemessene Beschleunigung ist ebenfalls null. Im Falle einer Beschleunigung wird die Wippe 20 aufgrund der Massen-Asymmetrie infolge der Zusatzmasse 22, wie in 3 dargestellt, ausgelenkt. C₁ und C₂ sind nun verschieden, und es wird auf Grund von γ ≠ 0 eine Beschleunigung angezeigt.
Aus unterschiedlichen Gründen kann eine Asymmetrie von C₁ und C₂ auch ohne anliegende Beschleunigung auftreten, z. B. wenn das Substrat oder die Wippe ungleichmäßig verkrümmt sind. Die vom Sensor wegen γ ≠ 0 angezeigte Beschleunigung wird als Nullpunktfehler bezeichnet. Ein solcher Nullpunktfehler ist bei einer Kalibrierung des Sensors feststellbar und kann prinzipiell im Meßbetrieb berücksichtigt werden. Eine weitere Änderung des Nullpunktfehlers mit der Zeit, z. B. verursacht durch eine Substratverkrümmung, führt dann jedoch zu einem Meßfehler.
Die Erfindung zielt darauf ab, den Einfluß einer asymmetrischen Substratverbiegung auf den Nullpunktfehler zu minimieren. Hierzu wird an Stelle einer einzigen zentralen Aufhängung eine mehrfache dezentrale, insbesondere eine zweifache, Aufhängung zur Substratanbindung benutzt.
4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor. Im Unterschied zum Beschleunigungssensor im Stand der Technik gemäß 1 ist ausgehend vom Aufhängeteil 40 eine Verbindungsstruktur 45 vorgesehen, die zu zwei Verankerungen 62, 64 führt. Die Aufhängungspunkte (Verankerungen 62, 64) können hierbei z. B. jeweils in der Mitte (dem Flächenschwerpunkt) der Elektroden 52 und 54 liegen, wie in der 4 dargestellt. Die perforierte Verbindungsstruktur 45 selbst ist nicht am Substrat 10 angebunden.
Verbiegt sich das Substrat im Bereich der Kapazitäten C₁ und C₂ ungleichmäßig, verhalten sich Sensoren im Stand der Technik nach 1 und erfindungsgemäße Sensoren z. B. nach 4 unterschiedlich.
5a zeigt schematisch einen Beschleunigungssensor im Stand der Technik mit einer Substratverkrümmung. Die zentral aufgehängte Wippe 20 behält bei einer Verbiegung des Substrats 10 wie der in 5a dargestellten ihre Position bei, wodurch ein Nullpunktfehler entsteht.
5b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit einer Substratverkrümmung. Durch die asymmetrische Verbiegung werden sich die beiden dezentralen Aufhängungspunkte 62 und 64 ebenfalls vertikal verschieben. Dies bewirkt eine Rotation der Wippe 20, die zu einer Symmetrisierung von C₁ und C₂ führt. Der Nullpunktfehler wird entsprechend vermindert.
Die Empfindlichkeit des Sensors hängt maßgeblich vom effektiven (mittleren) Abstand zwischen den Kondensatorflächen, d. h. zwischen der Elektrode 52 bzw. 54 einerseits und dem gegenüberliegenden mikromechanischen Funktionsteil 20 andererseits ab. Eine Vergrößerung des Abstands führt beispielsweise zu einer verkleinerten Empfindlichkeit. Das Ziel der Erfindung bezüglich der Empfindlichkeit besteht daher in einer Verringerung der aus einer Substratverbiegung resultierenden Abstandsänderung.
Die 6.1 a, b, c zeigen die Empfindlichkeit eines Beschleunigungssensors im Stand der Technik abhängig von einer Substratverkrümmung. Dargestellt ist in 6.1a mit gestrichelter Linie das Substrat 10, darüber mit durchgezogener Linie das mikromechanische Funktionsteil 20, welches mittels der Verankerung 60 über dem Substrat aufgehängt ist. Der Zwischenraum zwischen den Kondensatorflächen ist schraffiert dargestellt. Die Darstellung in 6.1a ist ohne Substratverkrümmung. Im Falle einer zentralen Aufhängung mittels einer Verankerung 60, wie sie im Stand der Technik realisiert ist, führt ein nach oben gebogenes Substrat 10 gemäß 6.1b zu einer Verkleinerung des mittleren Abstands, während eine Verbiegung nach unten gemäß 6.1c einen größeren Abstand ergibt. Entsprechend resultiert eine vergrößerte bzw. verkleinerte Empfindlichkeit.
Die 6.2 a, b, c zeigen die Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors abhängig von einer Substratverkrümmung. Im Unterschied zur 6.1 liegt hier gemäß 6.2a eine dezentrale Aufhängung mit Verankerungen 62 und 64 vor. Infolge dieser dezentralen Aufhängung bleibt der mittlere Abstand gleich, weil die auftretenden Abstandsänderungen jeweils symmetrisch zu den beiden Aufhängungspunkten sind. Die Empfindlichkeit ändert sich durch die Substratverformung nicht, wie den 6.2b und 6.2c zu entnehmen ist.
Die Erfindung kann prinzipiell an jedem nach dem Wippenprinzip aufgebauten Beschleunigungssensor eingesetzt werden. Insbesondere Sensoren mit geringer Nennbeschleunigung können von der Erfindung profitieren, weil hierbei eine Verminderung des Nullpunktfehlers häufig von großer Bedeutung ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0244581 A1 [0002]
- EP 0773443 B1 [0002]
- US 6122963 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Oberflächenmikromechanik-Sensoren als elektrische Teststrukturen zur Charakterisierung ihrer Herstellungsprozesse"; Maute, Matthias; Universität Tübingen; 2003 [0002]

Claims

Beschleunigungssensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil (20) welches über einem Substrat (10) angeordnet ist, wobei das mikromechanische Funktionsteil (20) mittels zweier Torsionsfedern (30) über ein gemeinsames Aufhängeteil (40) an dem Substrat (10) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Aufhängeteil (40) mittels wenigstens zwei Verankerungen (62, 64) an dem Substrat (10) befestigt ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungssensor wenigstens zwei Elektroden (52, 54) aufweist, welche zwischen dem mikromechanischen Funktionsteil (20) und dem Substrat (10) auf dem Substrat (10) flächig angeordnet sind, wobei jede der Elektroden (52, 54) einen Flächenschwerpunkt aufweist und die zwei Verankerungen (62, 64) an den zwei Flächenschwerpunkten an dem Substrat (10) befestigt sind.