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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
US 7 134 340 B2 ein Zweiachsen-Beschleunigungssensor bekannt, welcher eine relativ zu einem Substrat bewegliche Masse aufweist. Die bewegliche Masse ist mittels Massenhalterungsanordnungen derart am Substrat befestigt, dass bei einer Beschleunigung des Zweiachsen-Beschleunigungssensors parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats eine Auslenkung der beweglichen Masse relativ zum Substrat in Folge einer auf die bewegliche Masse wirkenden Beschleunigungskraft ermöglicht wird. Die Auslenkung der beweglichen Masse aus einer Ruhelage parallel zur Haupterstreckungsebene ist dabei in zwei voneinander unabhängige Detektionsrichtungen möglich, so dass der Zweiachsen-Beschleunigungssensor bezüglich dieser zwei Detektionsrichtungen sensitiv ist. Die Auslenkung der beweglichen Masse aus der Ruhelage entlang einer der zwei Detektionsrichtungen wird jeweils mittels ineinandergreifenden festen und beweglichen Fingerelektroden kapazitiv vermessen, wobei die beweglichen Fingerelektroden fest mit der beweglichen Masse und die festen Fingerelektroden fest mit dem Substrat verbunden sind. Nachteilig an dieser Sensoranordnung ist, dass eine Auslenkung der beweglichen Masse in eine der beiden Detektionsrichtungen zu einer Veränderung der Sensorempfindlichkeit bezüglich der anderen Detektionsrichtung führt, da sich mit der Bewegung der beweglichen Masse in die eine Detektionsrichtung die Grundkapazität zwischen den festen und beweglichen Fingerelektroden der anderen Detektionsrichtung ändert.
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Weiterhin ist aus der
US 2007/0034007 A1 ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem erste und zweite Detektionselektroden über Federn mit der seismischen Masse und mit dem Substrat verbunden sind, wobei die Federn so ausgelegt sind, dass sich Bewegungen der seismischen Masse in x-Richtung auf die erste Detektionselektrode und Bewegungen in y-Richtung auf die zweite Detektionselektrode übertragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß dem Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine erste Detektionsbewegung des ersten Detektionselements und eine zweite Detektionsbewegung des zweiten Detektionselements voneinander entkoppelt sind und die seismische Masse aufgrund der zentralen Verankerung weniger empfindlich gegenüber Verformungen des Substrats ist. Auf diese Weise wird die Stressempfindlichkeit verringert und die Abhängigkeit einer ersten bzw. zweiten Detektionsempfindlichkeit der Sensoranordnung bezüglich der ersten bzw. zweiten Richtung von einer Bewegung der seismischen Masse entlang der zweiten bzw. ersten Richtung in erheblicher Weise reduziert. In vorteilhafter Weise weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung daher eine im Wesentlichen konstante und voneinander unabhängige erste und zweite Detektionsempfindlichkeit auf. Gleichzeitig wird nur eine einzige seismische Masse als Detektionsmittel verwendet, so dass eine vergleichsweise platzsparende und damit kostengünstige Implementierung der Sensoranordnung gewährleistet wird. Die Entkopplung der ersten Detektionsbewegung von der zweiten Detektionsbewegung wird dadurch erreicht, dass das erste und das zweite Detektionselement jeweils nicht fest, sondern beweglich an der seismischen Masse befestigt sind. Dies ermöglicht eine erste Bewegung der seismischen Masse entlang der ersten Richtung, wobei das erste Detektionselement entlang der ersten Richtung mit der seismischen Masse mitbewegt wird, während das zweite Detektionselement entlang der ersten Richtung mit der seismischen Masse nicht mitbewegt wird. Umgekehrt wird bei einer zweiten Bewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Richtung das erste Detektionselement entlang der zweiten Richtung mit der seismischen Masse nicht mitbewegt, während das zweite Detektionselement entlang der zweiten Richtung mit der seismischen Masse mitbewegt wird. Die Bewegungen des ersten und des zweiten Detektionselements sind daher voneinander entkoppelt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Detektionselement mittels eines ersten Federelements an der seismischen Masse aufgehängt ist und/oder dass das zweite Detektionselement mittels eines zweiten Federelements an der seismischen Masse aufgehängt ist, so dass in einfacher Weise eine Kopplung bzw. Entkopplung zwischen der seismischen Masse und dem ersten oder zweiten Detektionselement erzielt wird. Das erste oder zweite Federelement umfasst vorzugsweise Biegefedern in Form von U-Federn und/oder S-Federn. Besonders bevorzugt sind das erste und/oder zweite Federelement gegenüber einer Auslenkung senkrecht zur Haupterstreckungsebene steif ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Federelement steifer gegenüber einer Deformation entlang der ersten Richtung, als gegenüber einer Deformation entlang der zweiten Richtung ausgebildet ist und/oder dass das zweite Federelement steifer gegenüber einer Deformation entlang der zweiten Richtung, als gegenüber einer Deformation entlang der ersten Richtung ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft sind somit mittels des ersten bzw. zweiten Federelements eine Kopplung zwischen der seismischen Masse und dem ersten bzw. zweiten Detektionselements bezüglich der ersten bzw. zweiten Richtung und gleichzeitig eine Entkopplung zwischen der seismischen Masse und dem ersten bzw. zweiten Detektionselements bezüglich der zweiten bzw. ersten Richtung möglich. Beispielweise wird die Detektionsempfindlichkeit des zweiten Detektionselements bei einer ersten Bewegung der seismischen Masse entlang der ersten Richtung nicht verändert, da sich das zweite Detektionselement bei der ersten Bewegung der seismischen Masse nicht mit der seismischen Masse entlang der ersten Richtung mitbewegt. Andererseits wird das erste Detektionselement bei einer zweiten Bewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Richtung mitbewegt, so dass eine Detektion der zweiten Bewegung mittels der zweiten Detektionselemente ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse mittels eines fünften Federelements am Substrat und/oder an dem Verankerungselement aufgehängt ist, wobei das Verankerungselement fest mit dem Substrat verbunden ist. Besonders vorteilhaft wird somit die seismische Masse beweglich am Substrat befestigt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steifigkeit des fünften Federelements entlang der ersten Richtung im Wesentlichen gleich der Steifigkeit des fünften Federelements entlang der zweiten Richtung ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft weist die Sensoranordnung somit eine ähnliche Detektionsempfindlichkeit gegenüber der ersten und der zweiten Bewegung auf. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das fünfte Federelement gegenüber einer Bewegung der seismischen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene steif ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Detektionselement mittels eines dritten Federelements und das zweite Detektionselement mittels eines vierten Federelements jeweils am Substrat und/oder am Verankerungselement aufgehängt sind, so dass in vorteilhafter Weise die Bewegungsfreiheitsgrade des ersten und zweiten Detektionselements eingeschränkt werden und somit die Entkopplungswirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Detektionselement vergrößert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das dritte Federelement steifer gegenüber einer Deformation entlang der zweiten Richtung, als gegenüber einer Deformation entlang der ersten Richtung ausgebildet ist und/oder dass das vierte Federelement steifer gegenüber einer Deformation entlang der ersten Richtung, als gegenüber einer Deformation entlang der zweiten Richtung ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird somit die Bewegungsfreiheit des ersten Detektionselements auf Bewegungen entlang der ersten Richtung beschränkt. Analog wird die Bewegungsfreiheit des zweiten Detektionselements auf Bewegungen entlang der zweiten Richtungen beschränkt. Die gegenseitige Mitkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Detektionselement wird somit erheblich reduziert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Detektionselement Kammelektroden aufweisen, welche vorzugsweise mit am Substrat und/oder am Verankerungselement befestigten Gegenkammelektroden zusammenwirkend vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft wird somit in einfacher Weise eine kapazitive Auswertung der ersten und der zweiten Bewegung ermöglicht. Alternativ ist ebenso denkbar, dass die Detektion der ersten bzw. zweiten Bewegung mittels des ersten bzw. zweiten Detektionselements durch „Moving Gate FET“ oder piezoresistive Detektionselemente erfolgt. Die Kammelektroden und Gegenkammelektroden bilden vorzugsweise eine Differenzkapazitätsanordnung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die seismische Masse einen Rahmen umfasst, wobei vorzugsweise das erste Detektionselement, das zweite Detektionselement und/oder das Verankerungselement parallel zur Haupterstreckungsebene innerhalb des Rahmens angeordnet sind. Besonders vorteilhaft wird somit eine vergleichsweise kompakte Bauweise der Sensoranordnung ermöglicht. Dies führt zu einer Reduktion der Waferfläche und somit zu einer Senkung der Herstellungskosten der Sensoranordnung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verankerungselement im Wesentlichen als Kreuz ausgebildet ist, wobei das Verankerungselement in einem Zentralbereich des Kreuzes mit dem Substrat verbunden ist und wobei das Verankerungselement in den Endpunkten des Kreuzes mit der seismischen Masse verbunden ist. Besonders bevorzugt weist die seismische Masse über den Zentralbereich lediglich eine vergleichsweise kleine Kontaktfläche zum Substrat auf, so dass die Empfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber Verbiegungen des Substrats beispielsweise durch mechanischen Stress vergleichsweise gering ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100 aufweist. Die Sensoranordnung 1 weist ferner eine seismische Masse 3 in Form eines Rahmens 3` auf, welcher mittels fünften Federelementen 4 an einem Verankerungselement 5 derart befestigt ist, dass der Rahmen 3` relativ zum Substrat 2 beweglich ist, wobei der Rahmen 3` gleichermaßen beweglich bezüglich einer ersten zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Richtung 11 und einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen und zur ersten Richtung 11 senkrechten zweiten Richtung 21 ausgebildet ist. Die fünften Federelemente 4 sind vorzugsweise bezüglich einer Bewegung senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 steif ausgebildet. Das Verankerungselement 5 umfasst im Wesentlichen eine Kreuzform, wobei ein Zentralbereich des Kreuzes 5` fest am Substrat 2 verankert ist und wobei die vier Enden des Kreuzes 5` über die vier fünften Federelemente 4 mit den vier Ecken des Rahmens 3` verbunden sind. Innerhalb des Rahmens 3` sind zwei erste Detektionselemente 10 und zwei zweite Detektionselemente 20 jeweils spiegelsymmetrisch zum Zentralbereich des Kreuzes 4` angeordnet. Die zwei ersten Detektionselemente 10 sind jeweils mittels zwei ersten Federelementen 13 an der seismischen Masse 3 befestigt, während die zwei zweiten Detektionselemente 20 jeweils mittels zwei zweiten Federelementen 23 an der seismischen Masse 3 befestigt sind. Die ersten Federelemente 13 sind steif gegenüber einer Relativbewegung zwischen der seismischen Masse 3 und dem ersten Detektionselement 10 entlang der ersten Richtung 11 und weich gegenüber einer Relativbewegung zwischen der seismischen Masse 3 und dem ersten Detektionselement 10 entlang der zweiten Richtung 21 ausgebildet. Die zwei ersten Detektionselemente 10 sind ferner jeweils mittels zwei dritten Federelementen 15 mit dem Verankerungselement 5 verbunden, wobei die dritten Federelemente 15 weich gegenüber einer Relativbewegung zwischen dem ersten Detektionselement 10 und dem Verankerungselement 5 entlang der ersten Richtung 11 und steif gegenüber einer Relativbewegung zwischen dem ersten Detektionselement 10 und dem Verankerungselement 5 entlang der zweiten Richtung 21 ausgebildet ist. Die ersten Detektionselemente 10 sind relativ zum Substrat 2 somit lediglich parallel zur ersten Richtung 11 beweglich ausgebildet. Die entsprechende Ausbildung der ersten und dritten Federelemente 13, 15 haben daher zur Folge, dass bei einer ersten Bewegung 12 der seismischen Masse 3 parallel zur ersten Richtung 11 die zwei ersten Detektionselemente 10 mit der seismischen Masse 3 mitbewegt werden, während die zwei ersten Detektionselemente 10 bei einer zweiten Bewegung 22 der seismischen Masse 3 parallel zur zweiten Richtung 21 nicht mit der seismischen Masse 3 mitbewegt werden. Die zweite Bewegung 22 hat somit keinen Einfluss auf die Detektionsempfindlichkeit der ersten Detektionselemente 10 bezüglich der ersten Bewegung 12. Analog sind die zwei zweiten Detektionselemente 20 mittels vierten Federelementen 25 ebenfalls mit dem Verankerungselement 5 verbunden, wobei die vierten Federelemente 25 steif gegenüber einer Relativbewegung zwischen dem ersten Detektionselement 20 und dem Verankerungselement 5 entlang der ersten Richtung 11 und weich gegenüber einer Relativbewegung zwischen dem zweiten Detektionselement 20 und dem Verankerungselement 5 entlang der zweiten Richtung 21 ausgebildet sind. Entsprechend sind die zweiten Federelemente 23 steif gegenüber einer Relativbewegung zwischen der seismischen Masse 3 und dem ersten Detektionselement 10 entlang der zweiten Richtung 21 und weich gegenüber einer Relativbewegung zwischen der seismischen Masse 3 und dem ersten Detektionselement 10 entlang der ersten Richtung 11 ausgebildet, so dass analog zum ersten Detektionselement 10 bei einer zweiten Bewegung 22 der seismischen Masse 3 parallel zur zweiten Richtung 21 die zwei zweiten Detektionselemente 20 mit der seismischen Masse 3 mitbewegt werden, während die zwei zweiten Detektionselemente 20 bei der ersten Bewegung 12 der seismischen Masse 3 parallel zur ersten Richtung 11 nicht mit der seismischen Masse 3 mitbewegt werden. Die zwei ersten Detektionselemente 10 und die zwei zweiten Detektionselemente 20 weisen jeweils eine Mehrzahl von Kammelektroden 7 auf, welche mit einer Mehrzahl von Gegenkammelektroden 6 zusammenwirken, wobei die Gegenkammelektroden 6 jeweils mit dem Substrat 2 fest verbunden sind. Die Kammelektroden 7 und die Gegenelektroden 6 greifen jeweils derart ineinander, dass eine Bewegung der ersten Detektionselemente 10 entlang der ersten Richtung 11 zu einer Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Kammelektroden 7 der ersten Detektionselemente 10 und den entsprechenden Gegenkammelektroden 6 führt, wodurch eine Detektion der ersten Bewegung 21 ermöglicht wird. Analog führt eine Bewegung der zweiten Detektionselemente 20 entlang der zweiten Richtung 21 zu einer Änderung einer elektrischen Kapazität zwischen den Kammelektroden 7 der zweiten Detektionselemente 20 und den entsprechenden Gegenkammelektroden 6, wodurch die zweite Bewegung 22 detektierbar ist. Die Gegenelektroden 6 sind bei der dargestellten Ausführungsform beispielhaft jeweils als Doppelfinger ausgebildet, so dass zusammen mit den Kammelektroden 7 eine Differenzkapazitätsanordnung gebildet wird. Die beiden Elektroden der Doppelfinger sind dabei jeweils nicht miteinander elektrisch leitfähig verbunden. Eine Bewegung einer einzelnen Kammelektrode 7 führt zu einer Abstandsverringerung zwischen der Kammelektrode 7 und einer benachbarten Doppelfingerelektrode und gleichzeitig zu einer entsprechenden Abstandsvergrößerung zwischen der Kammelektrode 7 und der anderen benachbarten Doppelfingerelektrode. Aufgrund der elektrischen Isolierung der Doppelfingerelektroden voneinander, sind die Abstandsvergrößerung und die Abstandsverringerung getrennt voneinander auswertbar, so dass das Detektionsempfindlichkeit insgesamt gesteigert wird.
