-
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, der in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 102008001863 A1 beschrieben ist. Bei dieser Ausführungsform sind die feststehenden Elektroden von der seismischen Masse umgeben.
-
Weitere mikromechanische Beschleunigungssensoren sind in der europäischen Patentanmeldung
EP 1626283 A1 und in der Übersetzung der europäischen Patentschrift
DE 60311281 T2 beschrieben.
-
Ein Grundprinzip der Beschleunigungssensoren besteht darin, eine seismische Masse mithilfe einer Aufhängung auf einem Substrat beweglich gegenüber feststehenden Elektroden zu lagern. Mechanische Spannungen zwischen dem Substrat und der Aufhängung bzw. der seismischen Masse können eine unterschiedliche thermische Ausdehnung und/oder Verspannung zwischen dem Substrat, den feststehenden Elektroden und der seismischen Masse mit den beweglichen Elektroden hervorrufen. Dadurch können die mechanischen und die elektrischen Eigenschaften des Beschleunigungssensors beeinträchtigt werden.
-
Aus
US 5,025,346 A ist eine Mikrobrückenvorrichtung zur Verwendung als Sensor oder Stellglied bekannt, wobei parallel zu einem Substrat eine resonante Mikrostruktur vorgesehen ist. Die Mikrostruktur besteht aus einer stationären Dünnfilmelektrode, die am Substrat befestigt ist und sich in einer Ebene darüber befindet. Eine bewegliche Platte, die das Substrat überdeckt, ist darüber aufgehängt. Die bewegliche Platte und die Elektrode sind so strukturiert, dass sie mindestens einen Kamm mit Fingern aufweisen, die ineinandergreifen.
-
Aus
US 2007/0062261 A1 ist eine mikroelektromechanische Fluidzustandsmessvorrichtung bekannt, die einen Viskositätssensor umfasst. Der Viskositätssensor weist einen Ausgang auf, der mit der Viskosität eines Fluids variiert, in das der Viskositätssensor eingetaucht ist. Zudem ist mindestens ein weiterer Sensor vorgesehen, der einen Ausgang bereitstellt, der mit einem anderen vorbestimmten Parameter des Fluids variiert. Der Viskositätssensor ist vorzugsweise eine MEM-Vorrichtung, die mittels eines Deep-Etch-Verfahrens hergestellt wird. Die Sensoren werden vorzugsweise gemeinsam auf einem gemeinsamen Substrat integriert, können aber auch separat hergestellt und zu einer Hybridvorrichtung montiert werden. Weiterhin kann ein Datenverarbeitungsmittel vorgesehen sein, das die Sensorausgänge empfängt und einen oder mehrere Ausgänge bereitstellt, die den Zustand des Fluids anzeigen. Sensortypen, die Teil der vorliegenden Vorrichtung sein können, sind beispielsweise ein Temperatursensor, ein elektrochemischer MEM-Sensor, ein MEM-Beschleunigungssensor, ein MEM-Kontaktschaltersensor und/oder ein induktiver metallischer Verschleißsensor.
-
Aus
DE 196 39 946 A1 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt, bei dem auf einem Substrat eine einstückige Oberflächenstruktur ausgebildet ist. Die einstückige Oberflächenstruktur ist durch mindestens zwei Verankerungsbereiche auf der Oberfläche des Substrats befestigt. Die beiden Verankerungsbereiche weisen dabei einen geringen Abstand zueinander auf, der vergleichsweise gering ist im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur weist bewegliche Elektroden auf. Dem gegenüberliegend sind starre Elektroden vorgesehen, die durch weitere Verankerungsbereiche auf dem Substrat befestigt sind. Auch die Verankerungsbereiche weisen einen geringen Abstand auf.
-
Aus
WO 2004/010150 A2 ist ein Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem der Versatz des Beschleunigungsmessers verringert ist, indem Massestützstrukturen innerhalb eines Innenumfangs der Masse vorgesehen sind. Die Massestützstrukturen sind durch mindestens einen Anker, der nahe dem Massemittelpunkt der Masse positioniert ist, an einem Substrat befestigt. Zudem sind die Abtastfinger in der Nähe des Ankers befestigt. Die Massestützstrukturen können unter Verwendung eines einzelnen Ankers oder mehrerer Anker, die nahe beieinander positioniert sind, an dem Substrat befestigt werden. Die Erfassungsfinger können an dem Substrat oder an den Massenstützstrukturen befestigt sein. Die Masse ist typischerweise innerhalb ihres Umfangs, jedoch in Richtung ihres Außenumfangs befestigt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Beschleunigungssensor bereitzustellen, der unempfindlich gegenüber mechanischen Verspannungen und unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien ist.
-
Dies wird dadurch erreicht, dass die seismische Masse nahe dem Masseschwerpunkt der seismischen Masse mit dem Substrat verankert ist und die beweglichen Elektroden an einer Außenseite der seismischen Masse angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine stabile Struktur der seismischen Masse ermöglicht, die gegenüber Verspannungen unempfindlich ist.
-
In einer Weiterbildung weist die seismische Masse zwei parallele Stege auf, die über einen Massesteg miteinander verbunden sind, wobei der Massesteg durch den Massenmittelpunkt der seismischen Masse geführt ist.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die seismische Masse zwei Kammstrukturen aufweist, die die beweglichen Elektroden darstellen, und die den feststehenden Elektroden zugeordnet sind.
-
Erfindungsgemäß ist die Aufhängung in Form von Verbindungsbalken ausgebildet, die entlang der Mittenachse angeordnet sind, und die über ein Federelement jeweils mit der seismischen Masse verbunden sind. Auf diese Weise wird zum einen eine zentrale Verankerung der seismischen Masse nahe des Massenschwerpunktes der seismischen Masse ermöglicht und zudem eine federnde Halterung in relativ großem Abstand zum Massenschwerpunkt bereitgestellt. Dadurch werden die mechanischen und die elektrischen Eigenschaften des Beschleunigungssensors verbessert.
-
In einer Weiterbildung weist die Aufhängung ein S-förmiges oder U-förmiges oder gefaltetes Federelement auf. Insbesondere kann jeder Verbindungsbalken jeweils zwei symmetrisch zur Mittenachse angeordnete U-förmige Federelemente aufweisen. Dadurch wird eine platzsparende Federung der seismischen Masse ermöglicht.
-
In einer weiteren Ausgestaltung sind die zwei parallel zur Mittenachse angeordneten Stege der seismischen Masse jeweils in einem Endbereich über jeweils einen weiteren Massesteg miteinander verbunden. Auf diese Weise wird eine verwindungssteife Struktur bereitgestellt. Der weitere Massesteg kann beispielsweise in Form eines eckigen, offenen Ringelementes ausgebildet sein. Vorteilhaft umfasst der weitere Massesteg das jeweilige Federelement. Auf diese Weise wird eine kompakte Struktur bereitgestellt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung sind die feststehenden Elektroden nahe der Mittenachse, insbesondere nahe dem Massenschwerpunkt der seismischen Masse mit dem Substrat verbunden. Dabei können beispielsweise die einzelnen feststehenden Elektroden einzeln über eine Verankerung mit dem Substrat verbunden sein.
-
In einer weiteren Ausführung sind mehrere feststehende Elektroden mit einem dritten bzw. vierten weiteren Verbindungsbalken verbunden, der im seitlichen Randbereich außerhalb der seismischen Masse angeordnet ist. Der dritte bzw. vierte weitere Verbindungsbalken ist über einen ersten bzw. zweiten weiteren Verbindungsbalken in Richtung auf die Mittenachse geführt, wobei der erste bzw. zweite weitere Verbindungsbalken im Bereich eines Endes, das gegenüberliegend zum dritten bzw. vierten weiteren Verbindungsbalken und nahe der Mittenachse angeordnet ist, mit dem Substrat verbunden ist. Auf diese Weise wird eine zentrale Befestigung mehrerer feststehender Elektroden nahe dem Massenschwerpunkt ermöglicht.
-
In einer weiteren Ausgestaltung umgibt die seismische Masse die Aufhängung der seismischen Masse.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungssensors.
- 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Beschleunigungssensors.
-
Beschreibung
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt einen Beschleunigungssensor 1, der ein Substrat 11, eine seismische Masse 12 und eine Aufhängung 2, 3 aufweist. Die Aufhängungen weisen eine Verankerung, einen weiteren Verbindungsbalken und ein Federelement auf. Die seismische Masse 12 weist einen Massenschwerpunkt 6 auf. Die seismische Masse 12 weist im Wesentlichen zwei parallele Stege 13, 14 auf, die parallel zu einer Mittenachse 7 angeordnet sind. Die zwei Stege 13, 14 sind über einen Massesteg 10 miteinander verbunden, wobei der Massesteg 10 im Wesentlichen senkrecht zur Mittenachse 7 und über den Massenschwerpunkt 6 geführt ist. Die Stege und der Massesteg sind vorzugsweise aus dem gleichen Material einstückig hergestellt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auch auf den Massesteg 10 verzichtet werden. Die jeweiligen Enden der Stege 13, 14 sind über einen weiteren Massesteg 21, 22 miteinander verbunden. Die weiteren Massestege 21, 22 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als rechteckförmige offene Ringstruktur ausgebildet. Die weiteren ersten und zweiten Massestege 21, 22 sind spiegelsymmetrisch zur Mittenachse 7 ausgebildet. Auf diese Weise wird eine mechanisch stabile seismische Masse mit großen Massenanteilen mit relativ großem Abstand zu einer Verankerung 4, 5 der seismischen Masse auf dem Substrat 11 erreicht.
-
Es sind zwei Verankerungen 4, 5 vorgesehen, die das Substrat 11 mit einem ersten bzw. einem zweiten Verbindungsbalken 17, 18 verbinden, wobei die Verankerungen 4, 5 symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten in Bezug auf den Massenschwerpunkt 6 und entlang der Mittenachse 7 angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Verankerungen 4, 5 und dem Massenschwerpunkt 6 sind klein im Vergleich zu einer Ausdehnung der seismischen Masse entlang der Mittenachse 7. Insbesondere sind die Abstände kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 10 % der Länge der seismischen Masse entlang der Mittenachse 7. Die Verbindungsbalken 17, 18 sind entlang der Mittenachse 7 angeordnet und bis in Endbereiche der Stege 13, 14 geführt. An den Enden der Verbindungsbalken 17, 18, die abgewandt von den Verankerungen 4, 5 sind, ist jeweils ein Federelement 19, 20 ausgebildet, das den jeweils weiteren ersten bzw. weiteren zweiten Massesteg 21, 22 mit dem ersten bzw. zweiten Verbindungsbalken 17, 18 verbindet. In der dargestellten Ausführungsform der Federelemente 19, 20 sind die Enden der Verbindungsbalken 17, 18 über die Federelemente 19, 20 mit einem Anschlusspunkt des weiteren ersten bzw. zweiten Massesteges 21, 22 verbunden, der entlang der Mittenachse 7 und gegenüberliegend zu den Enden der Verbindungsbalken 17, 18 angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Federelemente 19, 20 in Form von zwei U-förmigen Federn ausgebildet, wobei die langen Schenkel der U-Form parallel zueinander und senkrecht zur Mittenachse 7 angeordnet sind. Die kurzen Schenkel sind an Außenseiten abgewandet von der Mittenachse 7 angeordnet.
-
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Federelement 19, 20 jeweils zwei Federn auf. Ein Federelement kann jedoch auch nur eine Feder aufweisen. Zudem können die eine oder die zwei Federn S-förmig, U-förmig oder in Form einer gefalteten Feder ausgebildet sein.
-
Der erste und der zweite Verbindungsbalken 17, 18 können in einer Ebene wie die seismische Masse 12, insbesondere die Stege 13, 14 und der Massesteg 10 angeordnet sein. Zudem können die Federelemente 19, 20 in einer Ebene wie die seismische Masse 12, insbesondere wie die weiteren Massestege 21, 22 angeordnet sein.
-
Die seismische Masse 12 weist Ausnehmungen 9 auf, die in Form von länglichen Schlitzen ausgebildet sind und seitlich im äußeren Randbereich geöffnet sind. Die Ausnehmungen 9 werden von Zähnen 30 der seismischen Masse 12 begrenzt. In der dargestellten Ausführungsform sind auf gegenüberliegenden Seiten zur Mittenachse 7 zwei Kammstrukturen 15, 16 in Form von Zähnen 30 der seismischen Masse 12 ausgebildet. Jeder der Zähne 30 ist mit dem ersten oder dem zweiten Steg 13, 14 verbunden und stellt eine bewegliche Elektrode dar. In den Ausnehmungen 9 der Kammstrukturen 15, 16 ist jeweils mindestens eine feststehende Elektrode 8 angeordnet.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an gegenüberliegenden Seiten eines Zahnes 30 jeweils eine feststehende Elektrode 8 angeordnet. Die feststehenden Elektroden 8 sind in Form von Stegen ausgebildet, die parallel zu den Zähnen 30 und damit senkrecht zur Mittenachse 7 angeordnet sind. Die feststehenden Elektroden 8 sind mit weiteren Verankerungspunkten 32 mit dem Substrat 11 verbunden, wobei die weiteren Verankerungspunkte 32 in Endbereichen der Stege angeordnet sind, die nahe dem ersten bzw. dem zweiten Steg 13, 14 ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine Befestigung der feststehenden Elektroden 8 nahe der Mittenachse 7 und damit nahe dem Massenschwerpunkt 6 erreicht.
-
Die seismische Masse 12, die Zähne 30 und die feststehenden Elektroden 8 können perforiert sein, d. h. mit einer regelmäßigen Anordnung von durchgehenden Löchern verbunden sein. Die Perforation ermöglicht es einem Ätzmedium bei der Herstellung des Beschleunigungssensors während des Ätzprozesses zu einer darunter liegenden Opferschicht durchzudringen, so dass die seismische Masse 12 und die beweglichen kapazitiven Elektroden sicher vom Substrat 11 getrennt werden können. Auch können die festen Elektroden perforiert sein.
-
Der Beschleunigungssensor 1 kann beispielsweise aus Halbleitermaterialien, Metallen und/oder Kunststoff hergestellt sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird einer beweglichen Elektrode, die durch einen Zahn 30 dargestellt ist, auf zwei gegenüberliegenden Längsseiten jeweils eine feststehende Elektrode 8 zugeordnet. Die bewegliche Elektrode 30 und die feststehende Elektrode 8 bilden zusammen einen Differentialkondensator. Bei Auslenkung der beweglichen Elektrode 30 erhöht sich der Kapazitätswert auf der einen und verringert sich der Kapazitätswert auf der anderen Seite des jeweiligen Elektrodenpaares, das durch die bewegliche Elektrode 30 und die jeweils zugeordnete feststehende Elektrode 8 gebildet wird. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Die feststehenden Elektroden 8 können über vier Netze von Leiterbahnen angeschlossen sein, wobei jeweils ein Netz für die ersten feststehenden Elektroden und ein anderes Netz für die zweiten feststehenden Elektroden der beweglichen Elektroden der ersten Kammstruktur 15 und entsprechend zwei Netze von Leiterbahnen für die feststehenden Elektroden der zweiten Kammstruktur 16 vorgesehen sind. Die elektrischen Verbindungen werden über die mechanischen Verankerungen zum Substrat 11 geleitet.
-
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die weiteren Verankerungen 32, mit denen nebeneinander angeordnete feststehende Elektroden mit dem Substrat 11 verbunden sind, seitlich zueinander in senkrechter Richtung zur Mittenachse 7 versetzt angeordnet. Auf diese Weise wird eine einfachere Herstellung mit mehr Platz für die jeweilige weitere Verankerung 32 ermöglicht.
-
Abhängig von der gewählten Ausführungsform enden die feststehenden Elektroden im gleichen äußeren seitlichen Endbereich wie die Zähne 30 der Kammstrukturen 15, 16 der seismischen Masse 12. Vorzugsweise definieren der erste und der zweite weitere Massesteg 21, 22 einen seitlichen Randbereich, in dem auch die feststehenden Elektroden 8 und die Zähne 30 enden. Somit werden die Kammstrukturen 15, 16 und die feststehenden Elektroden 8 an gegenüberliegenden Begrenzungsseiten, die senkrecht zur Mittenachse 7 angeordnet sind, durch den weiteren ersten Massesteg 21 und den weiteren zweiten Massesteg 22 begrenzt und abgedeckt. Somit weist der mikromechanische Beschleunigungssensor im Wesentlichen eine Rechteckform auf, wobei entlang der Längsseiten die Kammstrukturen und entlang der schmalen Querseiten die weiteren Massestege 21, 22 angeordnet sind.
-
2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Aufhängung 2, 3 die seismische Masse 12 und die Kammstrukturen 15, 16 entsprechend der Ausführungsform der 1 ausgebildet sind. Abhängig von der gebildeten Ausführungsform können weniger Zähne 30 für die zwei Kammstrukturen 15, 16 oder zumindest eine Ausnehmung im Bereich des Massesteges 10 in den Kammstrukturen vorgesehen sein.
-
Unterschiedlich zur Ausführungsform der 1 ist die Ausbildung der feststehenden Elektroden 8. Die feststehenden Elektroden 8 einer Kammstruktur 15, 16 sind jeweils nach außen zu einem Randbereich der seismischen Masse und damit aus der Kammstruktur der beweglichen Elektroden 30 herausgeführt. Angrenzend an die Kammstruktur 15, 16 der beweglichen Elektroden 30 ist jeweils ein dritter bzw. vierter weiterer Verbindungsbalken 23, 24 vorgesehen, der parallel zur Mittenachse 7 angeordnet ist. Die feststehenden Elektroden 8 einer Kammstruktur sind mit dem jeweiligen dritten bzw. vierten weiteren Verbindungsbalken 23, 24 verbunden. Der dritte bzw. vierte weitere Verbindungsbalken 23, 24 sind jeweils mit einem erstem bzw. zweiten weiteren Verbindungsbalken 25, 26 verbunden, der in die jeweilige Kammstruktur hineinragt und sich in Richtung auf den Massesteg 10 erstreckt. In einer Ausführungsform sind der erste und zweite weitere Verbindungsbalken 25, 26 auf einer Achse mit dem Massesteg 10 angeordnet. Nahe dem Massesteg 10 sind der erste und zweite weitere Verbindungsbalken 25, 26 jeweils über einen weiteren Verbindungspunkt 33 mit dem Substrat 11 verbunden. Auf diese Weise sind zwei weitere Kammstrukturen von feststehenden Elektroden vorgesehen, die nahe dem Massenmittelpunkt 6 der seismischen Masse 12 mit dem Substrat 11 verbunden sind.
-
In dieser Ausführungsform ist einer beweglichen Elektrode 30 nur jeweils eine feststehende Elektrode 8 zugeordnet, so dass eine bewegliche und eine feststehende Elektrode jeweils ein Elektrodenpaar und damit zunächst einen Einfachkondensator bilden. Die feststehenden Elektroden werden bei der ersten Kammstruktur 15 der beweglichen Elektroden 30 in Bezug auf die Mittenachse 7 oberhalb der jeweiligen beweglichen Elektrode 30 angeordnet. In der zweiten Kammstruktur 16 werden die feststehenden Elektroden 8 in Bezug auf die Mittenachse 7 jeweils unterhalb der jeweiligen beweglichen Elektrode 30 angeordnet. Ein Differentialkondensator entsteht durch die Bewertung der Differenzkapazität zwischen den beiden Kammstrukturen 15, 16. Bei Auslenkung der beweglichen Elektroden 30 erhöht sich der Kapazitätwert auf der einen Kammstruktur und verringert sich der Kapazitätwert auf der gegenüberliegenden Kammstruktur. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung.
-
Die feststehenden Elektroden sind über zwei Netze von Leiterbahnen angeschlossen, wobei jeweils ein Netz für die erste feststehende Elektrode auf der ersten Kammstruktur und ein anderes Netz für die zweite feststehende Elektrode auf der gegenüberliegenden zweiten Kammstruktur vorgesehen ist. Die elektrischen Verbindungen werden durch die mechanischen Verankerungen dargestellt. Durch die Verankerung der feststehenden Elektroden nahe dem Massenschwerpunkt 6 der seismischen Masse 12 wird eine verbesserte Nullpunktstabilität erreicht.
-
In der Ausführungsform der 1 wird eine hohe Ruhekapazität auf kleiner Fläche mit moderater Nullpunktstabilität erreicht. Bei der Ausführungsform der 2 wird eine Nullpunktstabilität erreicht, die um einen Faktor 2 verbessert ist. Für eine mit dem Ausführungsbeispiel der 1 vergleichbaren Ruhekapazität ist aber eine Vergrößerung der mit Elektroden belegten Fläche oder der Elektrodenhöhe um den Faktor 2 erforderlich.
-
Auch in der Ausführungsform der 2 sind die feststehenden Elektroden 8 auf gleicher Höhe wie die beweglichen Elektroden 30 angeordnet. Die feststehenden Elektroden 8 und der erste und zweite weitere Verbindungsbalken 25, 26 können aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein. Insbesondere können der dritte und vierte weitere Verbindungsbalken 23, 24 aus dem gleichen Material wie der erste und zweite weitere Verbindungsbalken 25, 26 ausgebildet sein.
