DE102008001863A1

DE102008001863A1 - Beschleunigungssensor mit umgreifender seismischer Masse

Info

Publication number: DE102008001863A1
Application number: DE102008001863A
Authority: DE
Inventors: Dirk Rehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-11-26
Also published as: ITMI20090822A1; FR2931247A1; US20090282914A1; IT1394066B1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat (100), mit einer Aufhängung (50), mit einer seismischen Masse (9) und mit feststehenden kapazitiven Elektroden (7, 71, 72). Dabei ist die seismische Masse (9) mittels der Aufhängung (50) über dem Substrat (100) aufgehängt. Die seismische Masse (9) weist einen Masseschwerpunkt (10) auf, und die Aufhängung (50) weist wenigstens zwei Verankerungen (41 und 42) an dem Substrat (100) auf, wobei die wenigstens zwei Verankerungen (41 und 42) neben dem Masseschwerpunkt (10) angeordnet sind, mit einem Abstand, der klein ist im Verhältnis zu einer horizontalen Ausdehnung (30) der seismischen Masse (9). Die feststehenden kapazitiven Elektroden (7, 71, 72) sind in Ausnehmungen (20) der seismischen Masse (9) vorgesehen. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß die seismische Masse (9) unmittelbar die Aufhängung (50) umgreift.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat, mit einer Aufhängung, mit einer seismischen Masse und mit feststehenden kapazitiven Elektroden. Dabei ist die seismische Masse mittels der Aufhängung über dem Substrat aufgehängt. Die seismische Masse weist einen Masseschwerpunkt auf, und die Aufhängung weist wenigstens zwei Verankerungen an dem Substrat auf, wobei die wenigstens zwei Verankerungen neben dem Masseschwerpunkt angeordnet sind, mit einem Abstand, der klein ist im Verhältnis zu einer horizontalen Ausdehnung der seismischen Masse. Die feststehenden kapazitiven Elektroden sind zwischen als Finger ausgestalteten beweglichen Elektroden der seismischen Masse vorgesehen. Ein solcher Gegenstand ist in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 047 592 gezeigt. Die beweglichen Elektroden sind hierbei am inneren Rand der seismischen Masse angeordnet. Die feststehenden kapazitiven Elektroden sind mittels gemeinsamer Aufhängestege unmittelbar in der Nähe des zentralen Aufhängestegs der seismischen Masse angeordnet.
Wenn das Substrat aus einem anderen Werkstoff besteht als die seismische Masse und deren Aufhängung, können mechanische Spannungen zwischen dem Substrat und der Aufhängung bzw. der seismischen Masse aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftreten. Derartige Spannungen können aber auch entstehen, weil die Aufhängung bzw. die seismische Masse bereits mit inneren Spannungen hergestellt wurde. Außerdem können mechanische Spannungen im Substrat selbst durch den Herstellungsprozeß zum Beispiel durch Löten oder Kleben oder Verkappen hervorgerufen werden. Da die Aufhängung und die seismische Masse im Vergleich zum Substrat die deutlich schwächer ausgebildeten Elemente sind, werden diese Spannungen dadurch abgebaut, daß sich die Aufhängung und die seismische Masse verformen. Dadurch wird die Anordnung der seismischen Masse relativ zum Substrat und anderen an dem Substrat befestigten festen Elementen verändert. Es ergibt sich beispielsweise bei kapazitiv arbeitenden Beschleunigungssensoren infolge einer Abstandsänderung mobiler Elektroden zu festen Elektroden ein Nullpunktfehler für die gemessene Kapazität.
Die Patentschrift DE 196 39 946 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer oberflächen-mikromechanischen Struktur mit zwei nahe beieinander liegenden Aufhängepunkten zwischen denen eine bewegliche seismische Masse verläuft, die an den beiden Aufhängepunkten mittels Aufhängefedern aufgehängt ist.
Die Patentanmeldung DE 19523895 A1 zeigt einen mikromechanischen Drehratensensor mit einer oberflächen-mikromechanischen Struktur mit einer Zentralaufhängung (ein zentraler Aufhängepunkt) mit einer darum herum angeordneten seismischen Masse, die mittels Aufhängefedern an der Zentralaufhängung aufgehängt ist.
Die Patentanmeldung DE 19500800 A1 zeigt in den 5 und 6 einen mikromechanischen Sensor mit einer Zentralaufhängung und zwei einander gegenüberliegend daneben angeordneten seismischen Massen, die mittels Verbindungsstegen miteinander verbunden und an der Zentralaufhängung aufgehängt sind.
Die Europäische Patentanmeldung EP 1083144 A1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Zentralaufhängung und zwei einander gegenüberliegend daneben angeordneten seismischen Massen, die mittels Verbindungsstegen miteinander verbunden und an der Zentralaufhängung mittels eines Verbindungsbalkens aufgehängt sind. Die Zentralaufhängung ist im Zentrum (an der zentralen Achse des Flächen- oder Massenschwerpunkts) der gesamten beweglichen Struktur angeordnet.
Die Europäische Patentanmeldung EP 1626283 A1 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit einer Zentralaufhängung und zwei einander gegenüberliegend daneben angeordneten seismischen Massen, die mittels Verbindungsstegen miteinander verbunden und an der Zentralaufhängung mittels eines Verbindungsbalkens aufgehängt sind. Die Zentralaufhängung ist im Zentrum (an der zentralen Achse) der gesamten beweglichen Struktur angeordnet. Weiterhin sind an der beweglichen Struktur eine Mehrzahl beweglicher Elektroden und zusätzlich eine Mehrzahl fester Elektroden offenbart. Die Mehrzahl fester Elektroden weist dabei eine gemeinsame Aufhängung auf, welche in der Nähe der Zentralaufhängung angeordnet ist. Die Patentanmeldung DE 10 2006 033 636 A1 zeigt einen ähnlichen Gegenstand.
Die internationale Patentanmeldung WO-2004010150 A2 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer Zentralaufhängung und einer ringförmigen seismischen Masse sowie als Finger ausgestaltete bewegliche Elektroden am inneren Umfang der ringförmigen seismischen Masse.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat, mit einer Aufhängung, mit einer seismischen Masse und mit feststehenden kapazitiven Elektroden. Dabei ist die seismische Masse mittels der Aufhängung über dem Substrat aufgehängt. Die seismische Masse weist einen Masseschwerpunkt auf, und die Aufhängung weist wenigstens zwei Verankerungen an dem Substrat auf, wobei die wenigstens zwei Verankerungen neben dem Masseschwerpunkt angeordnet sind, mit einem Abstand, der klein ist im Verhältnis zu einer horizontalen Ausdehnung der seismischen Masse. Die feststehenden kapazitiven Elektroden sind in Ausnehmungen der seismischen Masse vorgesehen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, daß die seismische Masse unmittelbar die Aufhängung umgreift. Die seismische Masse ist dabei von der Aufhängung beabstandet, derart, daß die gewünschte Beweglichkeit der seismischen Masse ermöglicht ist. Zwischen einem inneren Randbereich der seismischen Masse und der Aufhängung ist dabei jedoch kein weiteres Wirkelement angeordnet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Sensor als linearer Beschleunigungssensor mit wenigstens einer Meßachse ausgebildet ist. Vorteilhaft ist die Aufhängung dabei als Balken ausgebildet, in dessen Längsrichtung die Meßachse angeordnet ist. Vorteilhaft ist auch, daß die seismische Masse die Aufhängung ringförmig geschlossen umgreift. Die seismische Masse läßt sich so besonders robust gegen Verformungen gestalten. Vorteilhaft ist, daß die Ausnehmungen ringförmig geschlossen ausgestaltet sind. Die Ausnehmungen, deren Randbereiche mobile kapazitive Elektroden bilden, sind dadurch besonders robust gegen Verformungen. Vorteilhaft sind die kapazitiven Elektroden einzeln auf dem Substrat verankert vorgesehen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß je zwei Elektroden in jeder Ausnehmung angeordnet sind. Vorteilhaft lassen sich so zwischen der entsprechenden Elektrode und dem gegenüberliegenden Randbereich der Ausnehmung Kondensatorstrukturen schaffen, die gut nach außen abgeschirmt sind. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß je eine Elektrode in jeder Ausnehmung angeordnet ist. Diese Anordnung ist platzsparend, sodaß vorteilhaft kleinere und somit mehr Ausnehmungen in der seismischen Masse vorzusehen sind, was die darstellbare Kapazität und somit die Meßgenauigkeit des Sensors erhöht.
Zeichnung
1 zeigt einen ersten Beschleunigungssensor im Stand der Technik.
2 zeigt einen zweiten Beschleunigungssensor im Stand der Technik.
3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit umgreifender seismischer Masse.
4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit umgreifender seismischer Masse.
Beschreibung
1 zeigt einen ersten Beschleunigungssensor im Stand der Technik, wie er in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 047 592 beschrieben ist. Der Beschleunigungssensor weist ein Substrat 100, eine seismische Masse 9, eine Aufhängung 50 mit zwei zentrumsnahen Verankerungen 41 und 42, einem Aufhängebalken 1 und mit Federelementen 15 auf. Der Massenschwerpunkt 10 (auch oft bezeichnet als der Flächenschwerpunkt oder auch die zentrale Achse) der seismischen Masse 9, bzw. dessen Projektion in Draufsicht, verläuft dabei durch den Aufhängebalken 1. Die zwei Verankerungen 41 und 42 sind nicht am Massenschwerpunkt 10 angeordnet, sondern in geringem Abstand daneben. Sie sind unter dem Aufhängebalken angeordnet und daher strichliniert gezeichnet. Die zwei Verankerungen 41 und 42 verankern den Aufhängebalken 1 an dem Substrat 100. Bei dem gezeigten Beschleunigungssensor befindet sich der Massenschwerpunkt 10 zwischen den Verankerungen 41 und 42. An den beiden äußeren Enden des Aufhängebalkens 1 sind Querstreben 11 und an diesen wiederum die Federelemente 15 in Form von üblichen gefalteten Federn vorgesehen, welche die ringförmige seismische Masse 9 federnd aufhängen. Die Federelemente 15 ermöglichen eine Bewegung der seismischen Masse 9 in einer Meßachse, welche entlang der größten Ausdehnungsrichtung des Aufhängebalkens 1 verläuft. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Aufhängebalkens 1 sind weitere Aufhängebalken 2 und 3 vorgesehen, welche feststehende kapazitive Elektroden 7 tragen. Die weiteren Aufhängebalken 2 und 3 sind jeweils mit einer Verankerung 5 und 6 in der Nähe des Massenschwerpunkts 10 auf dem Substrat verankert. Den feststehenden kapazitiven Elektroden 7 gegenüber sind bewegliche kapazitive Elektroden 8 angeordnet, welche mit den feststehenden Elektroden 7 Kondensatorstrukturen bilden. Die beweglichen kapazitiven Elektroden 8 sind aus kammförmigen Ausformungen der seismischen Masse 9 gebildet, welche sich von einem inneren Rand der seismischen Masse 9 zum Aufhängebalken 1 hin erstrecken. Die feststehenden Elektroden 7 und die beweglichen Elektroden 8 bilden dabei ineinander verschränkte Kammstrukturen.
Die seismische Masse 9 und die beweglichen kapazitiven Elektroden 8 sind perforiert, d. h. weisen ein regelmäßige Anordnung durchgehender Löcher auf. Die Perforation ermöglicht es einem Ätzmedium bei der Herstellung des Sensors, während eines Ätzprozesses zu einer darunterliegenden Opferschicht zu dringen, so daß die seismische Masse 9 und die beweglichen kapazitiven Elektroden 8 sich sicher vom Substrat 100 trennen und somit beweglich machen lassen. Auch die festen kapazitiven Elektroden 7 und die Stege 1, 2, 3 können perforiert sein.
2 zeigt einen zweiten Beschleunigungssensor im Stand der Technik, wie er in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 047 592 beschrieben ist. Der Beschleunigungssensor weist eine Aufhängung 50 mit zwei zentrumsnahen Verankerungen 41 und 42 und, im Unterschied zum Gegenstand der 1, mit einem geteilten Aufhängebalken 12, 13 mit Federelementen 15 auf. Jeder Teil des geteilten Aufhängebalkens 12, 13 ist mittels einer der zwei Verankerungen 41 und 42 an einem darunterliegenden, allen Elementen gemeinsamen Substrat verankert. An den beiden äußeren Enden des geteilten Aufhängebalkens 12, 13 sind die Federelemente 15 in Form von üblichen gefalteten Federn vorgesehen, die eine ringförmige seismische Masse 9 federnd aufhängen. Die Federelemente 15 ermöglichen eine Bewegung der seismischen Masse 9 in einer Meßachse, welche entlang der größten Ausdehnungsrichtung des Aufhängebalkens 12, 13 verläuft.
3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit umgreifender seismischer Masse. Die Figur zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem Substrat, mit einer Aufhängung 50, mit einer seismischen Masse 9 und mit feststehenden kapazitiven Elektroden 7. Die seismische Masse 9 ist mittels der Aufhängung 50 über dem Substrat 100 aufgehängt. Die seismische Masse weist einen Masseschwerpunkt 10 auf. Die Aufhängung 50 weist wenigstens zwei Verankerungen 41 und 42 an dem Substrat 100 auf. Die wenigstens zwei Verankerungen 41 und 42 sind dicht neben dem Masseschwerpunkt 10 angeordnet. Dicht daneben angeordnet bedeutet dabei, daß die zwei Verankerungen 41 und 42 jeweils mit einem Abstand neben dem Masseschwerpunkt 10 angeordnet sind, der klein ist im Verhältnis zu einer gesamten horizontalen Ausdehnung 30 der seismischen Masse 9 oder auch der gesamten horizontalen Ausdehnung der Aufhängung 50 über dem Substrat 100. Die seismische Masse 9 umgreift unmittelbar die Aufhängung 50. Die seismische Masse 9 weist ringförmig geschlossene Ausnehmungen 20 auf, in denen die feststehenden kapazitiven Elektroden 7 angeordnet sind. Der Beschleunigungssensor weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Aufhängung 50 mit zwei zentrumsnahen Verankerungen 41, 42 und einem geteilten Aufhängebalken 12, 13 mit Federelementen 15 auf, wie der Gegenstand, der in der 1 dargestellt und beschrieben ist. An den beiden äußeren Enden des geteilten Aufhängebalkens 12, 13 sind die Federelemente 15 in Form von üblichen gefalteten Federn vorgesehen, die eine ringförmige seismische Masse 9 federnd aufhängen. Dazu sind die Federelemente 15 in einem ersten Bereich mit einem Querbalken 11 verbunden, welcher wiederum an einem Ende des Aufhängebalkens 12 bzw. 13 angeordnet ist. In einem zweiten Bereich sind die Federelemente 15 mit der seismischen Masse 9 verbunden. Im Unterschied zum Gegenstand der 1 umgreift die seismische Masse 9 unmittelbar die Aufhängung 50, das heißt sie umgreift den geteilten Aufhängebalken 12, 13 mit den Querbalken 11 und mit den Federelementen 15. Die seismische Masse 9 ist dabei von der Aufhängung 50 beabstandet, derart, daß die gewünschte Beweglichkeit der seismischen Masse 9 ermöglicht ist. Zwischen einem inneren Randbereich der seismischen Masse 9 und der Aufhängung 50 ist dabei jedoch kein weiteres Wirkelement angeordnet. Die seismische Masse 9 weist Ausnehmungen 20 auf, in denen jeweils eine feststehende kapazitive Elektrode 7 angeordnet ist, welche zum Substrat 100 hin mittels einer Verankerung 70 verankert ist. Die feststehende kapazitive Elektrode 7 ist einem Randbereich der Ausnehmung 20 gegenüberliegend und nahebei angeordnet. Der Randbereich wirkt als bewegliche Elektrode 8 und bildet mit der feststehenden kapazitiven Elektrode 7 eine Kondensatorstruktur.
4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors mit umgreifender seismischer Masse. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 3 weist die seismische Masse 9 riggförmig geschlossene Ausnehmungen 20 auf, in denen jeweils zwei feststehende kapazitive Elektroden 71, 72 angeordnet sind, welche zum Substrat 100 hin verankert sind. Jede feststehende kapazitive Elektrode 71, 72 ist einem Randbereich einer Ausnehmung 20 gegenüber angeordnet, wobei der Randbereich als bewegliche Elektrode 8 wirkt und mit der feststehenden kapazitiven Elektrode 71 oder 72 jeweils eine Kondensatorstruktur bildet.
Die Merkmale der gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele sind erfindungsgemäß auch miteinander kombinierbar. Die Erfindung ist auch mit zusätzlichen Merkmalen kombinierbar, die bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007047592 [0001, 0016, 0018]
- DE 19639946 [0003]
- DE 19523895 A1 [0004]
- DE 19500800 A1 [0005]
- EP 1083144 A1 [0006]
- EP 1626283 A1 [0007]
- DE 102006033636 A1 [0007]
- WO 2004010150 A2 [0008]

Claims

Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem Substrat (100), mit einer Aufhängung (50), mit einer seismischen Masse (9) und mit feststehenden kapazitiven Elektroden (7, 71, 72), – wobei die seismische Masse (9) mittels der Aufhängung (50) über dem Substrat (100) aufgehängt ist, – wobei die seismische Masse (9) einen Masseschwerpunkt (10) aufweist, – wobei die seismische Masse (9) unmittelbar die Aufhängung (50) umgreift, – wobei die Aufhängung (50) wenigstens zwei Verankerungen (41, 42) an dem Substrat (100) aufweist, – wobei die wenigstens zwei Verankerungen (41, 42) neben dem Masseschwerpunkt (10) angeordnet sind, mit einem Abstand, der klein ist im Verhältnis zu einer horizontalen Ausdehnung (30) der seismischen Masse (9) – wobei die feststehenden kapazitiven Elektroden (7, 71, 72) in Ausnehmungen (20) der seismischen Masse (9) vorgesehen sind.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als linearer Beschleunigungssensor mit wenigstens einer Meßachse ausgestaltet ist.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (9) die Aufhängung (50) ringförmig geschlossen umgreift.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (20) ringförmig geschlossen ausgestaltet sind.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung (50) wenigstens einen Aufhängebalken (1, 12, 13) aufweist.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Ende des Aufhängebalkens (1, 12, 13), insbesondere vermittels eines Querbalkens (11), ein Federelement (15) angeordnet ist, welches an einem ersten Bereich mit dem Aufhängebalken (1, 12, 13) verbunden ist und an einem zweiten Bereich mit der seismischen Masse (9) verbunden ist.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei feststehende kapazitive Elektroden (71, 72) in jeder Ausnehmung (20) angeordnet sind.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je eine feststehende kapazitive Elektrode (7) in jeder Ausnehmung (20) angeordnet ist.
Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden kapazitiven Elektroden (7, 71, 72) einzeln auf dem Substrat (100) verankert vorgesehen sind.