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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem
Substrat mit einer Substratebene und einer seismischen Masse in
Form einer Wippe, die über der Substratebene drehbar aufgehängt
ist, wobei die Wippe eine Drehachse aufweist, die parallel zur Substratebene
verläuft, wobei die Wippe einen Massenschwerpunkt außerhalb
der Drehachse aufweist.
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Mikromechanische
Sensoren zur Messung von dynamischen Größen wie
Beschleunigungen, Drehraten und Kräften sind im Stand der
Technik bekannt. Insbesondere werden mikromechanische Elemente als
Airbag- oder Fahrdynamik-Sensoren in Automobilanwendungen eingesetzt.
Eine beispielhafte Anordnung weist eine federnd auslenkbare Kondensatorelektrode
auf, die mit zwei fest angebrachten Kondensatorelektroden jeweils
eine Testkapazität bildet. Das Sensorsignal wird nach einem
differenzkapazitiven Meßprinzip erfaßt. Mikromechanische
Sensoren können als funktionelle Struktur an der Oberfläche
eines Substrats ausgestaltet sein. Mikromechanische Beschleunigungssensoren
unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Detektionsrichtung. Insbesondere
können über unterschiedliche Designs in-plane,
d. h. in der Substratebene und out-of-plane, d. h. aus der Substratebene
heraus sensierende Elemente realisiert werden. Derzeitig out-of-plane
sensierende Elemente werden in einer beispielhaften Ausführung
als sogenannte z-Wippen-Struktur ausgeführt, wobei jeweils
eine Meßkapazität zwischen Wippe und einer fest
angebrachten Kondensatorelektrode detektiert wird. Die Meßelektroden
sind in asymmetrischem Abstand zur Aufhängung (Torsionsfeder)
der Wippe ausgeführt. Um eine Auslenkung unter anliegender Beschleunigung
zu gewährleisten, wird eine Seite der Wippe länger
ausgelegt als die in Bezug auf die Wippenachse gegenüberliegende
Seite. Hierbei ist einer der Arme, die vom Aufhängungspunkt
abgehen, länger ausgelegt als der andere Arm. Diese asymmetrische
Flächen- und damit Massenverteilung der Wippe führt
bei einer Beschleunigung der Struktur in einer Richtung außerhalb
der Substratebene zu einer Auslenkung der Wippen-Struktur. Ein derartiger
Sensor ist beispielsweise in der Patentanmeldung
DE 195 41 388 A1 beschrieben.
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Das
Ausgangssignal kann durch Änderungen des Substratpotentials
allerdings beeinflußt werden. Zum Beispiel kann die Kraftwirkung
elektrischer Ladungen auf die bezüglich des Drehpunktes
asymmetrisch aufgehängte Wippenstruktur einen Offset, d.
h. eine Vorauslenkung der Wippen-Elektrode zur Folge haben. Bei
homogener Ladungsverteilung ergibt sich auf der Seite mit der größeren
Fläche eine erhöhte Kraft gegenüber der
Wippen-Seite mit der geringeren Fläche. Insbesondere führen
Ladungsänderungen dadurch zu unvorteilhaften Änderungen des
Offsets des Sensors, die nicht durch eine Änderung der
Meßgröße Beschleunigung verursacht werden.
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Aus
der Patentschrift
DE
103 50 536 B3 ist ein „Verfahren zu Verringerung
des Einflusses des Substratpotentiales auf das Ausgangssignal eines mikromechanischen
Sensors” bekannt. Das dort beschriebene Verfahren basiert
unter anderem darauf, daß Kraftwirkungen durch homogen
verteilte Ladungen auf beide Auslenkungsseiten eines Sensors symmetrisch
wirken. Dieses Verfahren ist bisher nur mit in-plane detektierenden
Elementen (x-, y-Sensoren) nutzbar.
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Sensoren
mit einer asymmetrischen Wippen-Struktur weisen für die
zwei unterschiedlichen Auslenkungsseiten eine veränderte
Anschlagsbeschleunigung auf. Die lange Seite der seismischen Masse
schlägt bei einer niedrigeren Beschleunigung mechanisch
auf den Boden des Substrates, verglichen mit der kürzeren
Seite, die bei entgegen gesetzter Beschleunigung anschlägt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem
Substrat mit einer Substratebene und einer seismischen Masse in
Form einer Wippe, die über der Substratebene drehbar aufgehängt
ist, wobei die Wippe eine Drehachse aufweist, die parallel zur Substratebene
verläuft, wobei die Wippe einen Massenschwerpunkt außerhalb
der Drehachse aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß die
Wippe in Projektion auf die Substratebene im wesentlichen spiegelsymmetrisch
zur Drehachse ausgestaltet ist. In Seitenansicht bedeutet das, daß die
beiden Arme der Wippe gleich lang sind.
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Vorteilhaft
ist, dass die, für die Beschleunigungsmessung notwendigen,
asymmetrischen Massenverhältnisse auf beiden Seiten des
Aufhängepunktes nicht, wie in bisherigen Designs, durch
unterschiedlich lange Hebelarme oder unterschiedlich große
Flächen realisiert ist, sondern durch unterschiedliche
Massen bei symmetrischen, das heißt gleich langen Hebelarmen,
oder auch gleich großen Flächen.
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Vorteilhaft
schafft die Erfindung ein out-of-plane messendes mikromechanisches
Sensorelement (einen z-Sensor), auf welches das in der Patentschrift
DE 103 50 536 B3 offenbarte „Verfahren zu
Verringerung des Einflusses des Substratpotentiales auf das Ausgangssignal
eines mikromechanischen Sensors” anwendbar ist.
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Vorteilhaft
schafft die Erfindung einen z-Sensor nach dem Wippenprinzip mit
zum Aufhängepunkt symmetrischen Kräften, wodurch
eine Auslenkung der seismischen Masse durch Ladungseinflüsse
vom Substrat verhindert oder wenigstens stark vermindert wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein
erstes Wippenteil auf einer ersten Seite der Drehachse im Mittel
eine andere Dicke aufweist als ein zweites Wippenteil auf einer
gegenüberliegenden zweiten Seite der Drehachse. Vorteilhaft
kann die Wippe so aus einem einzigen Material gefertigt sein und
dennoch einen Massenschwerpunkt außerhalb der Drehachse
aufweisen. Vorteilhaft kann die Wippe mit gleichförmiger
Dicke beispielsweise aus einer uniformen Schicht bestehen und zusätzlich
partiell zur Erhöhung der Dicke zusätzliche Masseelemente
aufweisen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die
Wippe aus wenigstens einem ersten Material besteht und an einem
ersten Wippenteil auf einer ersten Seite der Drehachse wenigstens bereichsweise
eine Beschichtung aus wenigstens einem zweiten Material aufweist.
Vorteilhaft wird durch die partielle Beschichtung der Wippe eine
zusätzliche Masse aufgebracht. Das zweite material kann
dabei gleich dem ersten Material sein. Das zweite Material kann
besonders vorteilhaft auch ein anderes, insbesondere ein schwereres
Material als das erste Material sein.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das
zweite Material ein Metall ist. Vorteilhaft ist auch, wenn das erste
Material ein Halbleiter, insbesondere Silizium ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die
Beschichtung auf einer dem Substrat zugewandten ersten Oberfläche
der Wippe angeordnet ist. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung auf einer
vom Substrat weggewandten zweiten Oberfläche der Wippe
angeordnet ist. Vorteilhaft bewirkt dies ein symmetrisches Anschlagsverhalten
der beiden Wippenarme oder Wippenteile für beide Beschleunigungsrichtungen
z und -z, also in Richtung des Substrats und davon weg. Insbesondere
ist auch die Anschlagsbeschleunigung gegenüber derjenigen in
bekannten Wippen-Designs vorteilhaft erhöht, weil ein längerer
Wippenarm nicht mehr vorgesehen ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das
Bauelement eine kapazitive Struktur aufweist, wobei dem ersten Wippenteil
gegenüber eine erste Festelektrode an dem Substrat angeordnet
ist und/oder wobei dem zweiten Wippenteil gegenüber eine
zweite Festelektrode an dem Substrat angeordnet ist. Vorteilhaft
weist ein solcher kapazitiver Sensor ein symmetrisches Kräfteverhältnis
für angreifende elektrostatische Kräfte an den
Wippenarmen auf.
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Vorteile
der Erfindung sind zum einen eine Verringerung des Einflusses von
möglichen Kräften durch elektrische Ladungen auf
den Sensor, die sich in veränderli chen Signal-Offsets zeigen,
zum anderen in der Erhöhung der Anschlagsbeschleunigung (mechanisches
Clipping) unter Beibehaltung der wesentlichen Sensor-Parameter.
Zudem wird ein asymmetrisches Clipping/Anschlagen der Beiden Auslenkungsseiten
verhindert bzw. vermindert. Letztlich wird durch die Erfindung eine
Verkleinerung des Sensorkerns in lateraler Ausdehnung ohne Einschränkungen
bei der Leistungsfähigkeit des Sensors möglich.
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Zeichnung
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Sensors,
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Sensors,
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Sensors.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Sensors. Dargestellt ist ein mikromechanisches
Bauelement mit einem Substrat 1 mit einer Substratebene (x;
y). Über dem Substrat ist eine mikromechanische Funktionsschicht
mit einer mikromechanischen Struktur, nämlich einer seismischen
Masse in Form einer Wippe 4 angeordnet. Die Wippe 4 ist über
der Substratebene mittels einer Feder drehbar aufgehängt.
Die Wippe 4 weist dabei eine Drehachse 3 auf, die
parallel zur Substratebene (x, y) verläuft. Die Wippe 4 weist
einen Massenschwerpunkt 10 auf, der außerhalb
der Drehachse 3 verläuft. Beschleunigungen, beispielsweise
beschleunigte Bewegungen oder Gravitationswirkung, in Richtung z
bzw. -z, führen deshalb zu einer Auslenkung, genauer einem
Verkippen der Wippe 4. Gezeigt ist weiter ein erstes Wippenteil 41 auf
einer ersten Seite 31 der Drehachse 3, welches
wenigstens teilweise eine andere Dicke aufweist als ein zweites
Wippenteil 42 auf einer gegenüberliegenden zweiten
Seite 32 der Drehachse. Dies ist darin begründet,
daß an dem ers ten Wippenteil 41 bereichsweise
eine Beschichtung 5 aus einem zweiten Material angeordnet
ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 5 auf
einer zweiten Oberfläche 420 der Wippe 4,
also auf der Oberseite angeordnet. Erfindungsgemäß ist
die Wippe 4 in Projektion auf die Substratebene (x, y)
gesehen im wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Drehachse 3 ausgestaltet.
Das heißt, in Draufsicht (z-Richtung) auf die Wippe 4 sind
form und Größe des ersten Wippenteils 41 gleich
dem zweiten Wippenteil 42. In Seitenansicht bedeutet das,
daß die beiden Arme der Wippe gleich lang sind. Das mikromechanische
Bauelement weist eine kapazitive Struktur auf, wobei dem ersten Wippenteil 41 gegenüber
eine erste Festelektrode 2 an dem Substrat 1 angeordnet
ist und wobei dem zweiten Wippenteil 42 gegenüber
eine zweite Festelektrode 6 an dem Substrat 1 angeordnet
ist.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Sensors. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Beschichtung 5 auf einer ersten Oberfläche 410 der Wippe 4,
also auf der Unterseite angeordnet. Die Beschichtung 5 ist
gegenüber der ersten Festelektrode 2 angeordnet
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
mikromechanischen Sensors. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Beschichtung 5 nicht gegenüber der ersten
Festelektrode 2, sondern dazu versetzt angeordnet. Die
erste Festelektrode ist deshalb unmittelbar gegenüber einem
unbeschichteten Bereich des ersten Wippenteils 41 angeordnet.
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Die
in den 1, 2 und 3 dargestellten
erfindungsgemäßen Sensoren sind dadurch gekennzeichnet,
daß sie in Silizium-Mikromechanik oder auch einer anderen
einer Technologie, die eine, insbesondere differentielle, kapazitive
Auswertung der Auslenkung einer mikromechanischen Struktur ermöglicht,
dargestellt sind. Kapazitäten sind dabei zwischen der ersten
Festelektrode 2 und dem ersten Wippenteil 41 sowie
zwischen der zweiten Festelektrode 6 und dem zweiten Wippenteil 42,
sowie gegebenenfalls zwischen der Beschichtung 5 auf dem
ersten Wippenteil 41 an der ersten Oberfläche 410 und der
ersten Festelektrode 2.
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Es
ist also erfindungsgemäß eine mikromechanische
Trägerstruktur (seismische Masse) über einem Substrat 1 derart
an einer Torsionsfeder mit einer Drehachse 3 drehbar aufgehängt,
daß die Flächen zu beiden Seiten der Drehachse 3 im
Wesentlichen gleich sind. Das heißt, der erste Wippenteil 41 und
der zweite Wippenteil 42 sind in der Draufsicht von oben
im Wesentlichen gleich geformt und gleich groß ausgestaltet.
In der in den Figuren gezeigten Seitenansicht entspricht dies gleich
langen Wippenarmen 41 und 42 auf beiden Seiten
der Wippe 4. Hierdurch werden Kräfte (z. B. durch
elektrische Ladungen), die zwischen Substrat 1 und seismischer Masse 4 auftreten
können in der Art kompensiert, daß sie zu keiner
Auslenkung der Wippe 4 führen. Diese wird dadurch
erreicht, daß die Kräfte, die proportional zur
Flächengröße auftreten, sich gegenseitig
kompensieren. Wirkt, beispielsweise ausgelöst durch elektrische
Ladungen, eine Kraft nach unten, dann unterliegen bei dem Sensor
in Gleichgewichtslage gemäß 1 beide
Seiten der Wippe 4 einer Kraft mit dem gleichen Betrag
und werden somit gleich stark nach unten, also in Richtung des Substrats 1,
gezogen. Im Resultat bewegt sich die seismische Masse 4 nicht
aus ihrer Ruhelage. Zum Vergleich würde, bei Sensoren im
Stand der Technik mit ihren asymmetrischen Wippen, die Kraft auf
den längeren Arm der Wippe überwiegen und die
seismische Masse 4 auf der längeren Seite nach
unten auslenken, die kürzere Seite würde sich
nach oben bewegen.
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Insbesondere
führt bei erfindungsgemäßen Sensoren
eine homogene Veränderung der Kräfte, die durch
Ladungen verursacht werden, nicht zu einer Änderung der
Wippen-Lage und damit nicht zu einer Änderung des Offsets.
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Sollten
sich vorzugsweise Kräfte zwischen einer Kappe über
der Mikromechanik und der seismischen Masse ausbilden, so sind die
Konzepte in 2 und 3 vorteilhaft,
weil die Abstände der Wippenoberfläche zur Kappe
nahezu identisch über die gesamte Fläche sind
und damit im Gleichgewichtszustand Kräfte durch z. B. elektrische
Ladungen die Wippe nicht einseitig auslenken.
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Um
auf Beschleunigungen sensitiv zu reagieren muß eine Asymmetrie
der Massenverhältnisse auf beiden Armen der seismischen
Masse 4 hergestellt werden. Anstatt, wie in bekannten Designs, die
Länge der Arme zu variieren wird beispielsweise die Dicke
der zwei Arme unterschiedlich ausgeführt. Insbesondere können
auch andere Materialien, als das der Arme, wie schwere Materialien,
beispielsweise Metalle, auf und auch unter den Armen als Beschichtung 5 deponiert
werden. Die gewünschte Lage des Massenschwerpunkts 10 der
Wippe 4 ergibt sich dabei aus Anpassungen der Dicke und
der Länge IM oder der Grundfläche
und des Materials der Beschichtung 5.
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Wenn
ausschließlich die Massen auf der Oberseite der Wippe 4 verändert
werden, also Beschichtungen 5 auf der zweiten Oberfläche 420 der Wippe 4 angeordnet
sind, schlagen die jeweiligen Arme bei gleicher Auslenkung an – unabhängig
von der Richtung der Beschleunigung. Damit wird ein symmetrisches
mechanisches Clipping-Verhalten sichergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19541388
A1 [0002]
- - DE 10350536 B3 [0004, 0008]