DE102009029248B4

DE102009029248B4 - Mikromechanisches System zum Erfassen einer Beschleunigung

Info

Publication number: DE102009029248B4
Application number: DE102009029248.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: US8783108B2; DE102009029248A1; US20110056297A1; CN102012436A

Abstract

Mikromechanisches System (100) zum Erfassen einer Beschleunigung, umfassend:- ein Substrat (105);- eine wippenförmige Massestruktur (125) mit einem ersten und einem gegenüberliegenden zweiten Hebelarm (130, 135), die mit Abstand zum Substrat (105) und um eine Drehachse (140) zum Substrat (105) kippbar angeordnet sind; und- am Substrat (105) ausgebildete erste und zweite Elektroden (110, 115), wobei jeweils eine Elektrode einem Hebelarm (130, 135) gegenüber liegt; wobei- jeder Hebelarm (130, 135) einen sich von der Drehachse (140) aus erstreckenden Abschnitt (160, 165) umfasst, der über einem Zwischenraum zwischen den Elektroden (110, 115) liegt, und die beiden Abschnitte (160, 165) unterschiedliche Massen aufweisen,- wobei die Massestruktur (125) mit der ersten Elektrode (110) einen ersten Kondensator (150) und mit der zweiten Elektrode (115) einen zweiten Kondensator (155) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass- sich die erste Elektrode (110) unterhalb eines Endabschnitts des ersten Hebelarms (130) und die zweite Elektrode (115) unterhalb eines Endabschnitts des zweiten Hebelarms (135) befinden und dass die Kondensatoren (150, 155) außerhalb der Abschnitte (160, 165), die eine Schwerpunkts-Asymmetrie bewirken, liegen.

Description

Stand der Technik
Beschleunigungssensoren können als mikromechanische Systeme aufgebaut sein. Solche Sensoren finden beispielsweise Verwendung in Kraftfahrzeugen, wo Insassenschutzvorrichtungen (Airbag, Gurtstraffer, etc.) oder Fahrerassistenzsysteme (Bremsassistent beim Halt am Hang) ein Beschleunigungssignal auswerten. Eine Bauart solcher mikromechanischer Beschleunigungssensoren bestimmt eine senkrecht zu einem Substrat einwirkende Beschleunigung mit Hilfe einer wippenförmigen Massestruktur. Die Massestruktur ist um eine Drehachse, die parallel zum Substrat verläuft, zum Substrat kippbar angeordnet. Eine Torsionsfeder hält die Massestruktur in ihrer Ruhelage parallel zum Substrat. Zwei einander bezüglich der Drehachse gegenüberliegende Hebelarme der Massestruktur weisen unterschiedliche Längen auf, so dass ein Schwerpunkt der Massestruktur außerhalb der Drehachse liegt. Wirkt eine Beschleunigung senkrecht zum Substrat auf die wippenförmige Massestruktur ein, dann wird der Schwerpunkt entgegen der Kraft der Torsionsfeder ausgelenkt, so dass ein Hebelarm zum Substrat hin und der andere vom Substrat weg kippt.
Üblicherweise sind auf dem Substrat unterhalb der Massestruktur Elektroden ausgebildet, die zusammen mit der Massestruktur zu Kondensatoren verschaltet sind. Ändert sich ein Abstand zwischen einer Elektrode und der Massestruktur, so ändert sich auch die Kapazität des Kondensators. Die Kapazität wird bestimmt und auf ihrer Basis ein Beschleunigungssignal bereitgestellt.
Derartige mikromechanische Systeme sind aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 244 581 A1 oder dem Europäischen Patent EP 0 773 443 B1 bekannt. Bauartbedingt ist eine mit Hilfe eines solchen mikromechanischen Systems aufnehmbare maximale Beschleunigung auf einen Wert beschränkt, der die Massestruktur noch nicht so weit auslenkt, dass einer der Hebelarme eine Elektrode bzw. das Substrat berührt. Beschleunigungen, die oberhalb dieses Wertes liegen, können von dem mikromechanischen System nicht quantifiziert werden, so dass sie im resultierenden Beschleunigungssignal „abgeschnitten“ werden. Die kleinste Beschleunigung, bei der dieser Effekt eintritt, wird „Clipping-Beschleunigung“ genannt.
Aus der Druckschrift US 2009 / 0 107 238 A1 ist ferner ein Beschleunigungssensor mit einer pendelnden Masse bekannt, bei der verschiedene Seiten der Masse unterschiedliches Gewicht aufweisen.
Aus der Druckschrift US 2008 / 0 173 091 A1 ist ein weiterer Beschleunigungssensor bekannt.
Auch die Druckschrift WO 2007 / 131 835 A1 offenbart einen Beschleunigungssensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes mikromechanisches System anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung löst dieses Problem durch ein mikromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben weitere Ausführungsformen an.
Die Erfindung schlägt vor, ein mikromechanisches System mit einer wippenförmigen Massestruktur zum Erfassen einer Beschleunigung derart auszuführen, dass Kondensatoren, mit deren Hilfe eine Auslenkung der wippenförmigen Massestruktur bestimmt wird, an den Enden der Hebelarme der Massestruktur ausgebildet sind, und Abschnitte beider Hebelarme zwischen den Kondensatoren und der Drehachse unterschiedliche Massen aufweisen. Auf diese Weise können beide Hebelarme gleiche Längen aufweisen, so dass eine Clipping-Beschleunigung in beiden Richtungen gleich groß ist und Offset-Fehler reduziert sind, die bei konventionellen mikromechanischen Systemen durch asymmetrische Auslegung des Masseelements bedingt sind.
Ferner bildet die Massestruktur mit der ersten Elektrode einen ersten Kondensator und mit der zweiten Elektrode einen zweiten Kondensator. Außerdem befindet sich die erste Elektrode unterhalb eines Endabschnitts des ersten Hebelarms. Die zweite Elektrode befindet sich unterhalb eines Endabschnitts des zweiten Hebelarms. Die Kondensatoren liegen außerhalb der Abschnitte, die eine Schwerpunkts-Asymmetrie bewirken. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung des mikromechanischen Systems.
Im Vergleich mit einer konventionellen mikromechanischen Wippenstruktur liegen die Kondensatoren zur Erfassung einer Beschleunigung a weiter von der Drehachse entfernt. Dadurch ist die bis zum Eintreten des Clipping maximal mögliche Abstandsänderung der Elektroden der Kondensatoren und somit auch die relative Kapazitätsänderung ΔC/C jedes Kondensators größer als bei einer konventionellen Wippenstruktur. Bei Auslegung des mikromechanischen Systems auf die gleiche Sensierempfindlichkeit ΔC/Ca ist daher die Clipping-Beschleunigung vorteilhafterweise erhöht, typisch um einen Faktor 2.
Die unterschiedlichen Massen der beiden Abschnitte können in Form einer einseitigen Erleichterung als Aussparung oder Vertiefung, durch eine einseitige Ausbildung eines Zusatzgewichts in Form einer zusätzlichen Masse oder durch eine Kombination beider Möglichkeiten herbeigeführt werden. So kann die Herstellung der Massendifferenz an Randbedingungen, etwa Fertigungserfordernisse, abgestimmt werden.
In einem Bereich zwischen dem Substrat und der Massestruktur kann eine Zusatzelektrode auf dem Substrat ausgebildet sein, um eine darunter liegende Struktur vor elektrostatischen Einflüssen durch die Massestruktur abzuschirmen. Die Zusatzelektrode kann hierfür das elektrische Potential der Massestruktur aufweisen. Trotzdem können parasitäre Oberflächenladungen auf der Zusatzelektrode oder der Massestruktur eingefangen („getrapt“) werden, wodurch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen der Zusatzelektrode und der Massestruktur wirken, die eine Verkippung der Massestruktur und dadurch einen Offset-Fehler bewirken können. Durch die Anordnung der Zusatzelektrode im Bereich der Drehachse statt am äußeren Ende eines Hebelarms bewirken solche Kräfte eine um einen Faktor 2 geringere Verkippung der Massestruktur.
Die Massestruktur kann auf ihrer dem Substrat zugewandten Seite eine Abdeckschicht tragen, die bezüglich der Zusatzelektrode gleich große Oberflächen auf beiden Seiten der Drehachse bereitstellt. Die erwähnten elektrostatischen Kräfte durch parasitäre Oberflächenladungen können mittels der Abdeckschicht derart auf die beiden Hebelarme verteilt werden, dass sich die elektrostatischen Kräfte gegenseitig kompensieren und keine einseitige Auslenkung der Massenstruktur auftritt.
Im Gegensatz zu bekannten mikromechanischen Systemen dieser Art können drei statt zwei funktionale Schichten von dem System umfasst sein, wobei die erste funktionale Schicht die Elektroden, die zweite funktionale Schicht die Abdeckschicht und die dritte funktionale Schicht die Massestruktur umfasst. Das System kann unter nur geringem Mehraufwand hergestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:

- 1 ein mikromechanisches System;
- 2 eine Draufsicht auf das mikromechanische System aus 1; und
- 3 eine isometrische Explosionsansicht eines Ausführungsbeispiels des mikromechanischen Systems aus 1

1 zeigt ein mikromechanisches System 100 in Form eines Beschleunigungssensors zum Erfassen einer Beschleunigung. Ein Koordinatensystem gibt x-, y- und z-Richtungen an. Auf einem Substrat 105 sind eine erste Elektrode 110, eine zweite Elektrode 115 und eine dritte Elektrode 120 nebeneinander angeordnet. Eine Massestruktur 125, die in einem unausgelenkten Zustand parallel zur Oberfläche des Substrats 105 ausgerichtet ist, umfasst einen ersten Hebelarm 130 und einen zweiten Hebelarm 135. Die Massestruktur 125 ist um eine Drehachse 140 zum Substrat 105 kippbar angeordnet, so dass sich die erste Elektrode 110 unterhalb eines Endabschnitts des ersten Hebelarms 130, die zweite Elektrode 115 unterhalb eines Endabschnitts des zweiten Hebelarms 135 und die dritte Elektrode 120 im Bereich einer Befestigungsstruktur 170 zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 115 befindet. Eine (nicht sichtbare) Torsionsfeder wirkt gegen eine Verkippung der Massestruktur 125 zum Substrat 105.
Ein Schwerpunkt 145 der Massestruktur 125 liegt außerhalb der Drehachse 140 auf dem zweiten Hebelarm 135. Der erste Hebelarm 130 hat eine Länge von I1 von der Drehachse 140 aus und befindet sich in der Ruhelage der Massestruktur 125 in einem Abstand d1 über der ersten Elektrode 110. Der zweite Hebelarm 135 weist eine Länge I2 auf und befindet sich in einem Abstand d2 über der zweiten Elektrode 115. Ein Schwerpunkt 145 der Massestruktur 125 liegt außerhalb der Drehachse 140 auf dem zweiten Hebelarm 135.
Die Massestruktur 125 bildet mit der ersten Elektrode 110 einen ersten Kondensator 150 und mit der zweiten Elektrode 115 einen zweiten Kondensator 155. Der erste Hebelarm 130 umfasst einen ersten Abschnitt 160, der sich von der Drehachse 140 bis zu einem Bereich des ersten Hebelarms erstreckt, welcher der ersten Elektrode 110 gegenüber liegt. Ein zum ersten korrespondierender, zweiter Abschnitt 165 befindet sich spiegelsymmetrisch zur Drehachse 140 auf dem zweiten Hebelarm 135. Die Abschnitte 160 und 165 haben bezüglich der Drehachse 140 gleiche laterale Abmessungen und erstrecken sich von der Drehachse 140 bis zu Bereichen der Hebelarme 130 und 135, die der ersten Elektrode 110 oder der zweiten Elektrode 115 gegenüber liegen. Die Kondensatoren 150 und 155 sind somit in gleichen Abständen von der Drehachse 140 ausgebildet. Mittels der Befestigungsstruktur 170 ist die Massestruktur 125 am Substrat 105 bzw. an der dritten Elektrode 120 befestigt. Dabei kann die Befestigungsstruktur 170 stoffschlüssig mit dem Substrat 105 ausgebildet sein.
Wird das mikromechanische System 100 nach oben (in positiver z-Richtung) beschleunigt, so wird die Massestruktur 125 im Uhrzeigersinn um die Drehachse 140 gekippt, indem der Abstand d2 verringert und der Abstand d1 vergrößert wird. Die Kondensatoren 150 und 155 weisen bezüglich der Drehachse 140 entsprechende geometrische Ausdehnungen aus, daher wird eine Kapazität des zweiten Kondensators 155 um einen Betrag ⊐C vergrößert, um den gleichzeitig eine Kapazität des ersten Kondensators 150 verringert wird. Die Kondensatoren 150 und 155 können somit nach Art eines Differentialkondensators verschaltet und der Betrag ΔC kann im ΔC/C-Verfahren bestimmt werden.
Wird das mikromechanische System 100 nach unten (in negativer z-Richtung) beschleunigt, so wird in entsprechender Weise die Massestruktur 125 gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse 140 gekippt. Aufgrund der symmetrischen Auslegung des mikromechanischen Systems 100, insbesondere der übereinstimmenden Längen I1 und I2 der Hebelarme 130 und 135 ist eine maximale bestimmbare Beschleunigung (Clipping-Beschleunigung) in positiver und negativer z-Richtung betragsmäßig gleich groß. Eine Asymmetrie des auf der Basis der geänderten Kapazitäten der Kondensatoren 150 und 155 bestimmten Beschleunigungssignals bezüglich Vorzeichen der Beschleunigung wird so vermieden.
Nicht dargestellt ist eine externe Beschaltung zur Bestimmung der Kapazitätsänderungen der Kondensatoren 150 und 155. Eine solche kann beispielsweise einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) umfassen, der ebenfalls auf dem Substrat 105 angeordnet ist.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen mikromechanischen System liegen beim mikromechanischen System 100 die Kondensatoren 150 und 155 außerhalb der Abschnitte 160 und 165, die die Schwerpunkts-Asymmetrie bewirken. Der Abstand zwischen dem Schwerpunkt 145 und der Drehachse 145 ist daher kleiner als bei einem konventionellen mikromechanischen System, so dass eine Auslenkung der Massenstruktur 125 bei einer gegebenen Beschleunigung geringer als bei einem konventionellen mikromechanischen System ist. Zwar ist dadurch auch der Kippwinkel der Massenstruktur 125 geringer, jedoch ist die Genauigkeit der Bestimmung der Beschleunigung mittels des Systems 100 annähernd oder vollständig gleich gut, weil die Auslenkung der Massenstruktur 125 im Bereich der Kondensatoren 150 und 155, bedingt durch die längeren effektiven Hebelarme, größer als bei der konventionellen Wippenstruktur ist und somit eine Änderung der Abstände d1 und d2 größer ist, wodurch auch eine Kapazitätsänderung der Kondensatoren 150 und 155 größer ist.
2 zeigt eine Draufsicht 200 auf die Massestruktur 125 des mikromechanischen Systems 100 aus 1. Ein Koordinatensystem gibt x-, y- und z-Richtungen an. Die Hebelarme 130 und 135 erstrecken sich von der Drehachse 140 nach außen und haben übereinstimmende Längen I1 und I2. Der erste Hebelarm 130 weist eine erste Aussparung 210 und der zweite Hebelarm 135 eine zweite Aussparung 220 auf. Die Aussparungen 210 und 220 begrenzen eine Torsionsfeder 240, welche die Massestruktur 125 mit der Befestigungsstruktur 170 verbindet und einer Verkippung der Massestruktur 125 aus ihrer Ruhelage parallel zum Substrat 105 entgegenwirkt. Darüber hinaus ist die Massestruktur 125 in regelmäßigen Abständen durch Perforationsaussparungen 230 durchbrochen.
Eine erste, in 2 dargestellte Möglichkeit, die Masse des Abschnitts 165 größer als die des Abschnitts 160 auszulegen, besteht darin, die Aussparung 210 flächenmäßig größer als die Aussparung 220 zu dimensionieren. Dabei können die Aussparungen 210 und 220 in x-Richtung unterschiedlich groß sein und in y-Richtung gleich groß, wie in 2 dargestellt. Eine zweite, ebenfalls in 2 dargestellte Möglichkeit besteht darin, vorhandene Perforationsaussparungen 230 im zweiten Abschnitt 165 auszufüllen bzw. gar nicht erst vorzusehen und im ersten Abschnitt 160 zu belassen. Bei beiden Möglichkeiten entsteht eine Massestruktur 125 mit gleich langen Hebelarmen 130 und 135, deren Schwerpunkt (nicht eingezeichnet) außerhalb der Drehachse 140 auf dem zweiten Hebelarm 135 liegt.
3 zeigt eine isometrische Explosionsansicht 300 einer Ausführungsform des mikromechanischen Systems 100 aus 1. Ein dreidimensionales Koordinatensystem gibt x-, y- und z-Richtungen an. Nicht dargestellt ist eine Verankerung der Befestigungsstruktur 170 in der dritten Elektrode 120 bzw. im Substrat 105.
Die Massestruktur 125 ist allgemein so ausgeformt wie in 2 dargestellt, jedoch sind die Perforationsaussparungen 230 im zweiten Abschnitt 165 nicht wie dort ausgefüllt. Außerdem trägt die Massestruktur 125 an ihrer gesamten Unterseite eine Abdeckschicht 310, die eine Perforation aufweist, die mit den Perforationsaussparungen 230 der Massestruktur 125 korrespondiert und die Aussparungen 210, 220 abdeckt. Zu beiden Seiten der Drehachse 140 weist die Abdeckschicht 310 gleich große Flächen auf, die der dritten Elektrode 120 auf dem Substrat 105 gegenüber liegen. Elektrostatische Anziehungskräfte, die sich zwischen der Abdeckschicht 310 und der dritten Elektrode 120 aufgrund von parasitären (getrapten) Oberflächenladungen auch dann bilden können, wenn die dritte Elektrode 120 und die Abdeckschicht 310 leitend miteinander verbunden sind, haben auf beiden Seiten der Kippachse 140 den gleichen Betrag und die gleiche Richtung, so dass sich die elektrostatischen Anziehungskräfte gegenseitig kompensieren.
Das mikromechanische System kann in Form von mehreren auf dem Substrat 105 abgeschiedenen Schichten realisiert werden. Die drei Elektroden 110, 115 und 120 sind Teil einer ersten funktionalen Schicht 320, die mit dem Substrat 105 verbunden ist. Die Abdeckschicht 310 bildet eine zweite funktionale Schicht 330, die an ihrer Oberseite mit einer dritten funktionalen Schicht 340 verbunden ist, welche die Massestruktur 125 umfasst. Während eines Fertigungsprozesses können die drei Schichten 320, 330 und 340 untereinander sowie die erste funktionale Schicht 320 am Substrat 105 direkt oder mittels individueller Opferschichten (nicht dargestellt) befestigt sein, die im Laufe eines Fertigungsprozesses teilweise oder vollständig entfernt werden. Eine solche Opferschicht ist insbesondere zwischen der ersten funktionalen Schicht 320 und der zweiten funktionalen Schicht 330 erforderlich, um nach ihrem Entfernen eine Beweglichkeit der Massestruktur 125 im fertigen mikromechanischen System zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Aussparung 210 auch in Form einer die Schicht 340 nicht durchbrechenden Vertiefung in der Massestruktur 125 ausgebildet sein. Die Abdeckschicht 310 kann dann als ein Abschnitt der selben funktionalen Schicht 330, 340 wie die Massestruktur 125 ausgebildet sein. Die Perforationsaussparungen 230 dienen einer Unterstützung eines Herstellprozesses für das mikromechanische System 100, indem sie ein Strömen eines Ätzmediums ermöglichen, um Abschnitte von Opferschichten oder funktionalen Schichten 320 bis 340 zu entfernen. Für die Erfindung sind die Perforationsaussparungen 230 nicht grundsätzlich erforderlich.

Claims

Mikromechanisches System (100) zum Erfassen einer Beschleunigung, umfassend: - ein Substrat (105); - eine wippenförmige Massestruktur (125) mit einem ersten und einem gegenüberliegenden zweiten Hebelarm (130, 135), die mit Abstand zum Substrat (105) und um eine Drehachse (140) zum Substrat (105) kippbar angeordnet sind; und - am Substrat (105) ausgebildete erste und zweite Elektroden (110, 115), wobei jeweils eine Elektrode einem Hebelarm (130, 135) gegenüber liegt; wobei - jeder Hebelarm (130, 135) einen sich von der Drehachse (140) aus erstreckenden Abschnitt (160, 165) umfasst, der über einem Zwischenraum zwischen den Elektroden (110, 115) liegt, und die beiden Abschnitte (160, 165) unterschiedliche Massen aufweisen, - wobei die Massestruktur (125) mit der ersten Elektrode (110) einen ersten Kondensator (150) und mit der zweiten Elektrode (115) einen zweiten Kondensator (155) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass - sich die erste Elektrode (110) unterhalb eines Endabschnitts des ersten Hebelarms (130) und die zweite Elektrode (115) unterhalb eines Endabschnitts des zweiten Hebelarms (135) befinden und dass die Kondensatoren (150, 155) außerhalb der Abschnitte (160, 165), die eine Schwerpunkts-Asymmetrie bewirken, liegen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Abschnitte (160, 165) eine größere Aussparung (210, 220) als der andere Abschnitt (160, 165) aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Abschnitte (160, 165) eine Zusatzmasse umfasst.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich beide Hebelarme (130, 135) gleich weit von der Drehachse (140) weg erstrecken.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzelektrode (120) auf dem Substrat (105) im Zwischenraum zwischen den Elektroden (110, 115) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Massestruktur (125) auf einer dem Substrat (105) zugewandten Unterseite eine Abdeckschicht (310) aufweist, die spiegelsymmetrisch bezüglich der Drehachse (140) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass drei funktionale Schichten (320, 330, 340) vorgesehen sind, wobei die Elektroden (110, 115) Teil der ersten funktionalen Schicht (320), die Abdeckschicht (310) Teil der zweiten funktionalen Schicht (330) und die Massestruktur (125) Teil der dritten funktionalen Schicht (340) ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massestruktur (125) mit dem Substrat (105) über eine Befestigungsstruktur (170) verbunden ist, wobei die Befestigungsstruktur (170) eine Torsionsfeder (240) umfasst, die einer Verkippung der Massestruktur (125) zum Substrat (105) entgegenwirkt.
System nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionsfeder (240) zwischen den Aussparungen (210, 220) gebildet ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (170) mit dem Substrat (105) verbunden ist.