DE102009046807A1

DE102009046807A1 - Verfahren zur der Empfindlichkeitsbestimmung eines Beschleunigungs- oder Magnetfeldsensors

Info

Publication number: DE102009046807A1
Application number: DE102009046807A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Arnd Kaelberer; Hans-Joerg Faisst; Axel Franke; Mirko Hattass; Holger Rank; Robert Sattler; Alexander Buhmann; Ramona Maas; Marian Keck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: DE102009046807B4; CN102095893A; US8461833B2; US20110140692A1; TW201140061A; ITMI20102090A1; CN102095893B; TWI531793B; IT1402870B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Sensors, uewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse (2), mindestens eine erste Elektrodenanordnung (3, 4) zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang einer Messachse (M), und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7) zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang der Messachse (M). Dabei umfasst das Verfahren den Verfahrensschritt a), in dem eine erste Auslenkspannung (U) an die erste Elektrodenanordnung (3, 4) und eine zweite Auslenkspannung (U) an die zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7) angelegt wird, wobei auf die Masse (2) eine erste elektrostatische Kraft (F) durch die erste Elektrodenanordnung (3, 4), eine zweite elektrostatische Kraft (F) durch die zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7) und eine Rückstellkraft (F) durch die Federung der Masse (2) ausgeübt wird, wobei sich zwischen der ersten elektrostatischen Kraft (F), der zweiten elektrostatischen Kraft (F) und der Rückstellkraft (F) ein Kräftegleichgewicht einstellt und die Masse (2) eine für das Kräftegleichgewicht charakteristische Auslenkposition (x) einnimmt, und ein für das Kräftegleichgewicht und die Auslenkposition (x) charakteristisches Ausgangssignal (U) gemessen wird, und den Verfahrensschritt b), in dem die Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis der ersten (U) und zweiten (U) ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Sensors, beispielsweise eines Beschleunigungs- oder Magnetfeldsensors, sowie einen für ein solches Verfahren ausgelegte Sensoren.
Stand der Technik
Magnetfeldsensoren (Magnetometer) dienen als Sensoren zur Erfassung des Erdmagnetfeldes für Kompassanwendungen. Es sind mikroelektromechanische (MEMS) Sensoren bekannt, welche – mittels der Lorentzkraft – ein anliegendes Magnetfeld in eine mechanische Auslenkung wandeln und diese kapazitiv auslesen. Dafür verfügen diese Sensoren über einen zumindest in Teilen senkrecht zum zu messenden Magnetfeld verlaufenden elektrischen Leiter. Die Druckschrift DE 198 27 056 A1 beschreibt einen derartigen Magnetfeldsensor.
Darüber hinaus sind Beschleunigungssensoren bekannt, welche auf einem kapazitiv auslesbaren mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basieren.
Die Empfindlichkeit von mikroelektromechanischen Sensoren setzt sich aus verschiedenen Parametern zusammen, die im Herstellungsprozess und im Betrieb unterschiedlich gut kontrolliert werden können.
Unter anderem wird die Empfindlichkeit von mikroelektromechanischen Sensoren dabei durch den Kantenverlust, der Differenz zwischen der im Layout vorgesehenen Breite einer Struktur in einer Funktionsschicht und der nach der Prozessierung tatsächlich erreichten Strukturbreite in der Funktionsschicht, beeinflusst. Der Kantenverlust kann beispielsweise eine verringerte Federsteifigkeit, seismische Masse und Nutzkapazität für die kapazitive Auswertung zur Folge haben.
Bei mikroelektromechanischen Magnetfeldsensoren wird die Empfindlichkeit insbesondere durch die folgenden Parametern beeinflusst:

– der für die Erzeugung der Lorentzkraft erforderliche Strom, welcher in seiner Genauigkeit maßgeblich durch die Auswerteschaltung definiert ist,
– die mechanische Empfindlichkeit des Sensors, welche im Wesentlichen durch die mechanische Steifigkeit der Federung bestimmt wird, welche wiederum von: – prozessbedingte Variationen im Kantenverlust (→ Breite der Feder und/oder Gesamtmasse) und – der Dicke der verwendeten Funktionsschicht (→ Dicke der Feder und/oder Gesamtmasse) abhängt, und
– die elektrostatische Empfindlichkeit des Sensors, welche wesentlich durch Schwankungen bei Elektrodenabständen variiert.

Bei Magnetfeldsensoren, welche eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Substratebene des Sensors messen (B_z-Elementen), führen im Wesentlichen Schwankungen des Kantenverlusts zu variierenden Elektrodenabständen und damit zur Variation der Grundkapazität. Je nach verwendetem Auswerteprinzip (ΔC oder ΔC/C) kann dabei auch die Dicke der Funktionsschicht einen Einfluss haben. Dabei ist bei einer ΔC-Auswertung die elektrostatische Empfindlichkeit abhängig von der Dicke der Funktionsschicht. Da sich Abhängigkeiten in der Federung und Kapazität kompensieren ist die Gesamtempfindlichkeit jedoch unabhängig hiervon. Bei einer ΔC/C-Auswertung ist die elektrostatische Empfindlichkeit hingegen unabhängig von der Dicke der Funktionsschicht. Die Gesamtempfindlichkeit ist jedoch aufgrund der Federkonstante von der Funktionsschichtdicke abhängig.
Bei Magnetfeldsensoren, welche Magnetfeldkomponenten parallel zur Substratebene des Sensors messen (B_x/B_y-Elementen), variiert die elektrostatische Empfindlichkeit im Wesentlichen aufgrund von Schwankungen in der Dicke der, den Abstand der Auswertelektroden definierenden Opferschicht.
Die Hauptursachen für Variationen der Empfindlichkeit von mikroelektromechanischen Magnetfeldsensoren und Beschleunigungssensoren sind somit insbesondere prozessbedingte Schwankungen des Kantenverlusts, der Funktionsschichtdicke und Opferschichtdicke.
Diese Schwankungen können durch eine äußere, mechanische Stimulation der Sensoren bestimmt und anschließend abgeglichen werden.
Der Abgleich von Magnetfeldsensoren findet üblicherweise am Bandende statt. Dabei wird der Magnetfeldsensoren einem wohl definierten, homogenen, äußeren Magnetfeld bekannter Größe ausgesetzt, die Empfindlichkeit und der Nullpunktsfehler (Offset) ermittelt, und schließlich durch Korrektur sensorinterner Parameter, beispielsweise von Offsetbits, auf den gewünschten Wert gebracht. Auch weitere Kennlinienparameter, wie der Temperaturkoeffizient des Offsets (TKO) und der Empfindlichkeit (TKE) sowie Nichtlinearitäten, etc., können dabei abgeglichen werden. Der Prozess gestaltet sich dann jedoch entsprechend aufwendiger.
Um auf einen mechanischen Empfindlichkeitsabgleich verzichten zu können, ist unter anderem eine möglichst genaue Kenntnis des Kantenverlusts erforderlich.
Die Druckschriften DE 10148585 A1 , US 5,618,989 und US 6,840,106 B1 schlagen Verfahren zur Funktionalitätsüberprüfung von Beschleunigungssensoren vor.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Sensors, insbesondere eines mikromechanischen Sensors, zum Beispiel eines Sensors zur kapazitiven Erfassung einer mechanischen Auslenkung, welcher ein Substrat, eine zum Substrat bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse, mindestens eine erste Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang einer Messachse und mindestens eine zweite Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang der Messachse. Das Verfahren umfasst dafür die Verfahrensschritte:

a) Anlegen einer ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung und einer zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung, wobei auf die Masse eine erste elektrostatische Kraft (F₁) durch die erste Elektrodenanordnung, eine zweite elektrostatische Kraft (F₂) durch die zweite Elektrodenanordnung und eine Rückstellkraft (F_R) durch die Federung der Masse ausgeübt wird, wobei sich zwischen der ersten elektrostatische Kraft (F₁), der zweiten elektrostatischen Kraft (F₂) und der Rückstellkraft (F_R) ein Kräftegleichgewicht einstellt und die Masse eine für das Kräftegleichgewicht charakteristische Auslenkposition einnimmt, und Messen eines für das Kräftegleichgewicht und die Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals (U_A), und
b) Berechnen der Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis der ersten (U₁) und zweiten (U₂) Auslenkspannung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter den Ausdrücken „Berechnen auf Basis von ...” beziehungsweise „die Berechnung basiert auf ...” insbesondere verstanden, dass noch weitere als die in diesem Zusammenhang ausdrücklich genannten Werte in die Berechnung einfließen können.
Eine „Auslenkspannung” kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl eine Gleichspannung als auch eine modulierte Spannung, beispielsweise eine sinusförmige, gepulste und/oder pulsweitenmodulierte (PWM) Spannung, sein. Insbesondere wird unter einer „Auslenkspannung” im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Spannung verstanden, deren Gleichspannungswert beziehungsweise Effektivwert ungleich null ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es ermöglicht die Empfindlichkeit eines Sensors sehr genau, insbesondere genauer als mit den meisten derzeit bekannten Verfahren, zu bestimmen und abzugleichen, ohne dafür den Sensor von außen mechanisch und/oder magnetisch zu stimulieren. So kann vorteilhafterweise auf einen aufwändigen und dadurch kostenintensiven Abgleich auf der Basis einer äußeren mechanische oder magnetischen Stimulation verzichtet und der Abgleichvorgang vereinfacht werden. Darüber hinaus kann der Abgleichvorgang weitestgehend unabhängig von äußeren Störfeldern durchgeführt werde. Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise nicht nur die Empfindlichkeit eines Sensors direkt nach der Herstellung, sondern auch während des späteren Betriebes des Sensors (im Feld), insbesondere ohne zusätzliche Mittel, zu bestimmen und zu überwachen. Auf diese Weise können Änderungen der Empfindlichkeit (Empfindlichkeitsdrifts) detektiert und Sensorausfällen gegebenenfalls verhindert werden. Zudem kann der Abgleichvorgang bei abgeschaltetem Teststrom erfolgen, wodurch den Abgleichvorgang beeinträchtigende Magnetfelder verringert oder sogar vermieden werden können.
Wie bereits erläutert kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleichen, der Empfindlichkeit des Sensors ausgelegt sein. Dazu kann das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c): Abgleichen des Sensors auf der Basis der in Verfahrensschritt b) berechneten Empfindlichkeit, umfassen.
Im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens basiert in Verfahrensschritt b) die Berechnung der Empfindlichkeit des Sensors auf einer Berechnung des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀).
Als Kantenverlust wird dabei insbesondere die Differenz zwischen der in einem Layout vorgesehenen Breite einer Struktur und der tatsächlichen Breite einer hergestellten Struktur bezeichnet.
Als Vorauslenkung, welche unter anderem auch als Rohoffset bezeichnet wird, wird die Differenz zwischen der in einem Layout vorgesehenen nichtausgelenkten Lage (Mittellage/Nulllage) von zwei Strukturen zueinander und der tatsächlichen Ruhelage von zwei hergestellten Strukturen zueinander bezeichnet. Beispielsweise kann die tatsächliche Federung herstellungsbedingt von der im Layout vorgesehenen Federung abweichen und dadurch in Ruhelage die Masse bezüglich des Substrats um die Vorauslenkung, insbesondere aus der Mittellage/Nulllage, ausgelenkt sein. Insbesondere bei Elektrodenanordnungen, bei denen eine oder mehrere kammartige Substratelektroden und eine oder mehrere kammartige Massenelektroden, insbesondere alternierend, ineinandergreifen, kann als Vorauslenkung die Differenz zwischen der tatsächlichen Ruhelage der Massenelektroden in Bezug auf die Substratelektroden und der Mittellage der Massenelektroden in Bezug auf die Substratelektroden, bei welcher ein Kammzinken einer Massenelektrode mittig zwischen Kammzinken von einer oder mehreren Substratelektroden angeordnet ist, welche insbesondere bei ΔC/C und ΔC-Auswertung der Nulllage entspricht, da in dieser Lage das Ausgangssignal beziehungsweise die Ausgangsspannung der Elektrodenanordnung null Volt entspricht, bezeichnet werden.
Grundsätzlich kann der Verfahrensschritt a) mehrfach, beispielsweise mit unterschiedlichen ersten und/oder zweiten Auslenkspannungen und daraus resultierenden unterschiedlichen Auslenkpositionen und Ausgangssignalen U_A, durchgeführt werden. Aus den auf diese Weise erhaltenen Werten kann die Empfindlichkeit und/oder der Kantenverlust der Vorauslenkung durch Extrapolation, insbesondere der Spannung/en zum Erreichen der Mittellage/Nulllage beziehungsweise der Ruhelage, ermittelt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren vor dem Verfahrensschritt a) den Verfahrensschritt:

a₀) Messen eines für die Ausgangsposition, insbesondere Ruhelage, charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0), insbesondere durch die zweite Elektrodenanordnung oder durch ein Detektionselement, wobei an die Elektrodenanordnungen keine Auslenkspannungen, mit anderen Worten eine Auslenkspannung von null Volt (U₁ = U₂ = U₃ = U₄ = 0 V), angelegt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt in Verfahrensschritt b) die Berechnung der Empfindlichkeit des Sensors beziehungsweise die Berechnung des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) auf der Basis der ersten (U₁) und zweiten (U₂) Auslenkspannung und des Ausgangssignals (U_A), beispielsweise des für die Ausgangsposition, insbesondere Ruhelage, (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0).
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:

a₀) Messen eines für die Ausgangsposition (x₀), insbesondere Ruhelage, charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0), insbesondere durch die zweite Elektrodenanordnung oder durch ein Detektionselement, wobei an die Elektrodenanordnungen keine Auslenkspannungen (U₁, U₂, U₃, U₄) angelegt werden,
a) Anlegen einer ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung, wobei die Masse aus der Ausgangsposition (x₀) in eine erste Richtung entlang der Messachse in eine erste ausgelenkte Position (x₁) ausgelenkt wird, Anlegen einer zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung, wobei die zweite Auslenkspannung (U₂) derart eingestellt wird, dass die Masse aus der ersten ausgelenkten Position, (x₁) zurück in die Ausgangsposition (x₀), insbesondere Ruhelage, geführt wird, wobei das Erreichen der Ausgangsposition (x₀), insbesondere Ruhelage, durch Messen des für das Wiedererreichen der Ausgangsposition (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0ref), insbesondere durch die zweite Elektrodenanordnung oder durch das Detektionselement, bestimmt wird, und
b) Berechnen der Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis des für die Ausgangsposition (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0) beziehungsweise des für das Wiedererreichen der Ausgangsposition (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0ref), der ersten Auslenkungsspannung (U₁) und der zweiten Auslenkspannung (U₂).

Mit anderen Worten, die zweite Auslenkspannung (U₂) wird dabei insbesondere derart eingestellt, dass das in Verfahrensschritt b) gemessene Ausgangssignal (U_A) dem für das Wiedererreichen der Ausgangsposition (x₀) charakteristischen Ausgangssignal (U_A,x0) entspricht.
Durch das Anlegen der ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung kann auf die Masse – zusätzlich zu der Rückstellkraft (F_R) der Federung der Masse – eine erste elektrostatische Kraft (F₁) ausgeübt werden. Durch das Anlegen der zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung kann auf die Masse – zusätzlich zu der Rückstellkraft (F_R) der Federung der Masse und der ersten elektrostatischen Kraft (F₁) der ersten Elektrodenanordnung – eine zweite elektrostatische Kraft (F₂) ausgeübt werden. Die erste elektrostatische Kraft (F₁) ist dabei vorzugsweise entgegengesetzt zur zweiten elektrostatischen Kraft (F₂) ausgerichtet. Wenn die Masse aus der ersten ausgelenkten Position (x₁) zurück in die Ausgangsposition (x₀), insbesondere Ruhelage, geführt ist, kann sich in der Ausgangsposition (x₀) ein Kräftegleichgewicht zwischen der ersten elektrostatische Kraft (F₁), der zweiten elektrostatischen Kraft (F₂) und der Rückstellkraft (F_R) einstellen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Sensor weiterhin eine dritte Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang der Messachse und eine vierte Elektrodenanordnung zum. Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang der Messachse. Dabei kann an die dritte Elektrodenanordnung ein dritte Auslenkspannung (U₃) und an die vierte Elektrodenanordnung ein vierte Auslenkspannung (U₄) angelegt werden. In Verfahrensschritt b) kann dann die Berechnung der Empfindlichkeit des Sensors beziehungsweise die Berechnung des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) auf der Basis der ersten (U₁), zweiten (U₂), dritten (U₃) und vierten (U₄) Auslenkungsspannung erfolgen
Das Verfahren umfasst dabei vorzugsweise die folgenden Verfahrensschritte:

a) Anlegen einer ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung, wobei die Masse aus der Ausgangsposition (x₀) in eine erste Richtung entlang der Messachse (M) in eine erste ausgelenkte Position (x₁) ausgelenkt wird, Anlegen einer zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung, wobei die zweite Auslenkspannung (U₂) derart eingestellt wird, dass die Masse aus der ersten ausgelenkten Position (x₁) in die Mittellage/Nulllage (derjenigen Lage, bei welcher beispielsweise ein Kammzinken einer Massenelektrode mittig zwischen Kammzinken von einer oder mehreren Substratelektroden angeordnet ist und bei der das Ausgangssignal U_A, null entspricht) geführt wird, wobei das Erreichen der Mittellage/Nulllage durch Messen des für die Mittellage/Nulllage charakteristischen Ausgangssignals (U_A = 0), insbesondere durch die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung und/oder durch ein Detektionselement, bestimmt wird, a1) Anlegen einer dritten Auslenkspannung (U₃) an die dritte Elektrodenanordnung, wobei die Masse aus der Ausgangsposition (x₀) in eine zweite, zur ersten entgegengesetzten Richtung entlang der Messachse (M) in eine zweite ausgelenkte Position (x₂) ausgelenkt wird, Anlegen einer vierten Auslenkspannung (U₄) an die vierte Elektrodenanordnung, wobei die vierte Auslenkspannung (U₄) derart eingestellt wird, dass die Masse aus der zweiten ausgelenkten Position (x₂) in die Mittellage/Nulllage geführt wird, wobei das Erreichen der Mittellage/Nulllage durch Messen des für das Erreichen der Mittellage/Nulllage charakteristischen Ausgangssignals (U_A = 0), insbesondere durch die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung und/oder durch das Detektionselement bestimmt wird, b) Berechnen der Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis der ersten (U₁), zweiten (U₂), dritten (U₃) und vierten (U₄) Auslenkspannung.

Analog zu der zuvor beschriebenen Verfahrensführung kann auf die Masse – zu sätzlich zu der Rückstellkraft (F_R) der Federung der Masse – durch das Anlegen der ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung eine erste elektrostatische Kraft (F₁) und durch das Anlegen der zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung eine zweite elektrostatische Kraft (F₂) ausgeübt werden. Die erste elektrostatische Kraft (F₁) ist dabei ebenso vorzugsweise entgegengesetzt zur zweiten elektrostatischen Kraft (F₂) ausgerichtet. Wenn die Masse aus der ersten ausgelenkten Position (x₁) zurück in die Mittellage/Nulllage geführt ist, kann sich in der Mittellage/Nulllage ebenso ein Kräftegleichgewicht zwischen der ersten elektrostatische Kraft (F₁), der zweiten elektrostatischen Kraft (F₂) und der Rückstellkraft (F_R) einstellen.
Nach dem Abschluss des Verfahrensschritts a) werden die erste (U₁) und zweite (U₂) Auslenkspannung vorzugsweise von der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung entfernt.
Anschließend im Verfahrensschritt a1) kann auf die Masse – zusätzlich zu der Rückstellkraft (F_R) der Federung der Masse – durch das Anlegen der dritten Auslenkspannung (U₃) an die dritte Elektrodenanordnung eine dritte elektrostatische Kraft (F₃) und durch das Anlegen der vierten Auslenkspannung (U₄) an die vierte Elektrodenanordnung eine vierte elektrostatische Kraft (F₄) ausgeübt werden. Die dritte elektrostatische Kraft (F₃) ist dabei vorzugsweise entgegengesetzt zur vierten elektrostatischen Kraft (F₄) ausgerichtet ist. Die erste elektrostatische Kraft kann dabei beispielsweise gleichgerichtet mit der vierten elektrostatische Kraft (F₄) und die zweite elektrostatische Kraft (F₂) gleichgerichtet mit der dritten elektrostatische Kraft (F₃) sein. Wenn die Masse aus der zweiten ausgelenkten Position (x₂) zurück in die Mittellage/Nulllage geführt ist, kann sich in der Mittellage/Nulllage ebenso ein Kräftegleichgewicht zwischen der dritten elektrostatischen Kraft (F₃), der vierten elektrostatischen Kraft (F₄) und der Rückstellkraft (F_R) einstellen.
Zur Verbesserung des Empfindlichkeitsabgleichs kann im Fall eines, insbesondere schwach, gedämpften Federungssystems im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Güte des Federungssystems bestimmt werden. Die Bestimmung der Güte kann dabei zum Beispiel über das Abklingverhalten des Sensors, insbesondere als Sprungantwort auf ein elektrisches Testsignal, erfolgen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann, wenn der Druck im Bereich der Masse (Druckeinschluss) bekannt ist, die Güte auch rechnerisch auf Basis von mit den elektrischen Testsignalen geschätzten Prozessparameter ermittelt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens basiert die Berechnung der Empfindlichkeit beziehungsweise des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) in Verfahrensschritt b) daher weiterhin auf einem für das Federungssystem bestimmten Gütewert.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die zweite und/oder die vierte Elektrodenanordnung zusätzlich zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats, beispielsweise zur Wandlung einer mechanischen Auslenkung in ein Ausgangssignal, insbesondere zum Messen eines für eine Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals, ausgebildet. Zum Beispiel können die zweite und/oder die vierte Elektrodenanordnung kapazitive Abstands-Spannungs-Wandler sein.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Sensor ein zusätzliches Detektionselement zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats, beispielsweise zur Wandlung einer mechanischen Auslenkung in ein Ausgangssignal, insbesondere zum Messen eines für eine Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals, umfasst. Zum Beispiel kann das Detektionselement ein kapazitiver Abstands-Spannungs-Wandler sein. Das Detektionselement kann beispielsweise eine Kondensatorelektrodenanordnung sein, bei der sich bei einer Verlagerung der Masse entlang, der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator). Das Detektionselement kann jedoch ebenso eine Kondensatorelektrodenanordnung sein, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator). Ferner kann das Detektionselement ein Piezowandler oder eine Elektrodenanordnung auf Feldeffekttransistorbasis (Moving-Gate-Elektrodenanordnung) sein.
Die erste und zweite Elektrodenanordnung beziehungsweise die dritte und vierte Elektrodenanordnung sind vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet. Insbesondere kann die erste Elektrodenanordnung eine erste Kraft-Abstands-Kennlinie und die zweite Elektrodenanordnung eine zweite, von der ersten unterschiedliche Kraft-Abstands-Kennlinie beziehungsweise die dritte Elektrodenanordnung eine dritte Kraft-Abstands-Kennlinie und die vierte Elektrodenanordnung eine vierte, von der dritten unterschiedliche Kraft-Abstands-Kennlinie aufweisen.
Grundsätzlich können die erste, zweite, dritte und vierte Elektrodenanordnung unabhängig voneinander sowohl als kapazitive Plattenaktuatoren als auch als kapazitive Kammaktuatoren ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die erste und/oder dritte Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator), und die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung ist eine Kondensatorelektrodenanordnung, bei der sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator).
Es ist jedoch zum Beispiel ebenso möglich, dass die erste und zweite und/oder dritte und vierte Elektrodenanordnung Kondensatorelektrodenanordnungen sind, bei denen sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitive Plattenaktuatoren). Dabei kann sich der Abstand zwischen den Elektroden der ersten und zweiten und/oder dritten und vierten Elektrodenanordnung unterscheiden.
Die Elektroden der ersten und zweiten und/oder dritten und vierten Elektrodenanordnung sind vorzugsweise in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet. Die Kammzinken der Elektroden einer Elektrodenanordnungen können dabei jeweils zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sein.
Die erste und/oder dritte Elektrodenanordnung kann dabei mindestens eine am Substrat ausgebildete Substratelektrode und mindestens eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Die Substratelektrode/n und Massenelektroden können auch hierbei in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sein. Die Kammzinken der Massenelektroden einer Elektrodenanordnung können dabei jeweils zwischen den Kammzinken der Substratelektrode der Elektrodenanordnung angeordnet sein, oder umgekehrt.
Die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung kann dabei ebenfalls mindestens eine am Substrat ausgebildete Substratelektrode und mindestens eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Insbesondere kann die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung mindestens eine erste und eine zweite am Substrat ausgebildete Substratelektrode und eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Die Substratelektrode/n und Massenelektroden können in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sein. Die Kammzinken der Massenelektrode/n einer Elektrodenanordnung können dabei jeweils zwischen einem Kammzinken der ersten Substratelektrode und einem Kammzinken der zweiten Substratelektrode der Elektrodenanordnung angeordnet sein. Auf diese Weise können die erste und zweite Substratelektrode und die Massenelektrode einer Elektrodenanordnung einen Differenzialkondensator bilden.
Die erste und dritte Elektrodenanordnung können zu gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnet sein. Ebenso können die zweite und vierte Elektrodenanordnung zu gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnet sein. Vorzugsweise sind die erste und/oder dritte Elektrodenanordnung an Seiten der Masse angeordnet, welche senkrecht zu den Seiten der Masse stehen, an denen die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnungen angeordnet sind. Hierbei können zum Beispiel die Kammzinken der ersten Elektrodenanordnung parallel zu den Kammzinken der dritten Elektrodenanordnung und/oder die Kammzinken der zweiten Elektrodenanordnung parallel zu den Kammzinken der vierten Elektrodenanordnung und/oder die Kammzinken der ersten und/oder dritten Elektrodenanordnung senkrecht zu den Kammzinken der zweiten und/oder vierten Elektrodenanordnung sein.
Für den Fall, dass der Sensor eine erste und eine zweite Elektrodenanordnung umfasst und es sich bei der ersten Elektrodenanordnung um eine Kondensatorelektrodenanordnung handelt, deren Elektroden in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sind, wobei die Kammzinken der Elektroden zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sind und sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator), und es sich bei der zweiten Elektrodenanordnung um eine Kondensatorelektrodenanordnung handelt, deren Elektroden in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sind, wobei die Kammzinken der Elektroden zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sind, und bei der sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – der Abstand zwischen Kammzinken der Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator), können bei nur einseitiger Auslenkung der Masse – unter der Annahme dass die Parasitärkapazität C_p gleich Null ist – die folgenden Gleichungen gelten:
welche nach dem Kantenverlust (δ):
und/oder der Vorauslenkung (x₀):
auflösen werden können. Dabei ist:

n1: die Zahl der Kammzinken der ersten Elektrodenanordnung,
n2: die Zahl der Kammzinken der zweiten Elektrodenanordnung,
IC: die als Plattenkondensator wirksame Länge der Kammzinken der zweiten Elektrodenanordnung,
dC: der Abstand zwischen den Kammzinken der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung in der Mittellage/Nulllage ohne Kantenverlust,
U1: die erste Auslenkspannung,
U2: die zweite Auslenkspannung, und
UA,0: das für die Ruhelage (x₀) charakteristische Ausgangssignal.

Für den Fall, dass der Sensor eine durch eine U-Feder federnd gelagerte Masse und eine erste, zweite, dritte und vierte Elektrodenanordnung umfasst und es sich bei der ersten und dritten Elektrodenanordnung um an gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnete Kondensatorelektrodenanordnungen handelt, deren Elektroden in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sind, wobei die Kammzinken der Elektroden zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sind und sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator), und es sich bei der zweiten und vierten Elektrodenanordnung um an gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnete Kondensatorelektrodenanordnung handelt, deren Elektroden in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sind, wobei die Kammzinken der Elektroden zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sind, und bei der sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – der Abstand zwischen Kammzinken der Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator), können bei zweiseitiger Auslenkung der Masse für die Ausgangslage die folgenden Gleichungen gelten:
welche für x = 0 ebenfalls analytisch nach dem Kantenverlust (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) aufgelöst werden können und neben den Auslenkspannungen durchweg bekannte Größen wie Kammzinkenanzahl und -längen, Federlängen und -breiten, Gapweite und Elastizitätsmodul umfassen.
Hierbei kann der Kantenverlust (δ) anhand der Formel:
und/oder die Vorauslenkung (x₀) anhand der Formel:
ermittelt werden, wobei:

n1: die Zahl der Kammzinken der ersten und dritten Elektrodenanordnung,
n2: die Zahl der Kammzinken der zweiten und vierten Elektrodenanordnung,
IC: die als Plattenkondensator wirksame Länge der Kammzinken der zweiten und vierten Elektrodenanordnung,
dC: der Abstand zwischen den Kammzinken der Elektroden der ersten, zweiten, dritten und vierten Elektrodenanordnung in der Mittellage/Nulllage ohne Kantenverlust,
U1: die erste Auslenkspannung,
U2: die zweite Auslenkspannung,
U3: die dritte Auslenkspannung,
U4: die vierte Auslenkspannung,
bf: die Federbreite der U-Feder,
If: die Länge eines Schenkels der U-Feder,
ε0: die Dielektrizitätskonstante, und
Y: das Elastizitätsmodul des Federmaterials

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist der Sensor ein Beschleunigungssensor oder ein Magnetfeldsensor (Magnetometer). Beispielsweise kann. Insbesondere kann der Sensor ein Teil eines Kompasses, beispielsweise eines elektronischen Kompasses (E-Kompass), sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einem Magnetfeldsensor, welcher eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Ebene des Substrats misst (B_z-Magnetfeldsensor) als auch bei einem Magnetfeldsensor, welcher Magnetfeldkomponenten, insbesondere in zwei Raumrichtungen, parallel zur Ebene des Substrats misst (B_x/B_y-Magnetfeldsensor), eingesetzt werden.
Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Magnetfeldsensor eingesetzt werden, der ein Substrat, eine zum Substrat bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse, mindestens eine erste und eine zweite, beispielsweise eine erste, zweite, dritte und vierte, Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang einer Messachse und/oder zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats umfasst, wobei die Masse in die Richtung/en, welche senkrecht zu der/den zu messenden Magnetfeldkomponente/n ist/sind, bezüglich des Substrats beweglich ist und wobei die Masse einen zumindest in Teilen senkrecht zu der/den zu messenden Magnetfeldkomponente/n verlaufenden elektrischen Leiter aufweist. Bei B_z-Magnetfeldsensoren ist die Masse vorzugsweise parallel zur Ebene des Substrats beweglich. Bei B_x/B_y-Magnetfeldsensoren ist die Masse vorzugsweise durch einen wippenförmigen Aufbau bezüglich der Ebene des Substrats beweglich angeordnet.
Durch Anlegen eines Stroms an den elektrischen Leiter kann anhand der Lorentzkraft F_L = I_yL_yB_z die statische Empfindlichkeit S beispielsweise mittels einer ΔC/C-Auswertung und der Formel S =(I_yL_y)/(d_Ck_x) ermittelt werden, wobei I_y der an den elektrischen Leiter angelegte Strom, L_y die Länge, insbesondere die für die zu messende Magnetfeldkomponente wirksame Länge, des elektrischen Leiters, k_x die Steifigkeit der Feder und d_C der Abstand zwischen den Kammzinken der Elektroden der ersten und zweiten beziehungsweise ersten, zweiten, dritten und vierten Elektrodenanordnung in der Mittellage/Nulllage ohne Kantenverlust ist. Insbesondere die letzteren beiden Größen kann der Kantenverlust besonders stark beeinflussen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens basiert daher die Berechnung der Empfindlichkeit beziehungsweise des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) in Verfahrensschritt b) weiterhin auf der durch den elektrischen Leiter ausgeübte Lorenzkraft F_L.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens basiert die Berechnung der Empfindlichkeit beziehungsweise des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) in Verfahrensschritt b) insbesondere auf dem an dem elektrischen Leiter angelegte Strom I_y, der Länge des elektrischen Leiters, insbesondere der für die zu messende Magnetfeldkomponente wirksamen Länge des elektrischen Leiters, L_y und der Steifigkeit k_x der Federung basieren. Beispielsweise kann Verfahrensschritt b) zusätzlich auf dem an dem elektrischen Leiter angelegte Strom I_y, der Länge des elektrischen Leiters, insbesondere der für die zu messende Magnetfeldkomponente wirksamen Länge des elektrischen Leiters, L_y, der Steifigkeit k_x der Federung basieren und dem Abstand zwischen den Kammzinken der Elektroden der ersten und zweiten beziehungsweise ersten, zweiten, dritten und vierten Elektrodenanordnung in der Mittellage/Nulllage ohne Kantenverlust d_C basieren.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor, insbesondere ein mikromechanischer Sensor, beispielsweise ein Sensors zur kapazitiven Erfassung einer mechanischen Auslenkung, vorzugsweise geeignet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher

– ein Substrat,
– eine zum Substrat bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse, und
– mindestens eine erste, zu einer ersten Seite der Masse angeordnete Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang einer Messachse, und
– mindestens eine zweite, zu einer zweiten Seite der Masse angeordnete Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang der Messachse,

Ein derartiger Sensor benötigt vorteilhafterweise weniger Fläche als ein Sensor, welcher auf gegenüberliegenden Seiten Elektrodenanordnungen aufweist, und kann daher als kostengünstiger betrachtet werden.
Auf der Seite der Masse, welche der zweiten Seite gegenüberliegt, kann gegebenenfalls eine weitere Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang einer Messachse, angeordnet sein.
Zumindest eine der Elektrodenanordnungen kann dabei zusätzlich zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats, beispielsweise zur Wandlung einer mechanischen Auslenkung in ein Ausgangssignal, insbesondere zum Messen eines für eine Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals, ausgebildet sein. Zum Beispiel können die zweite und/oder die weitere Elektrodenanordnung kapazitive Abstands-Spannungs-Wandler sein.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Sensor ein zusätzliches Detektionselement zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats, beispielsweise zur Wandlung einer mechanischen Auslenkung in ein Ausgangssignal, insbesondere zum Messen eines für eine Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals, umfasst. Zum Beispiel kann das Detektionselement ein kapazitiver Abstands-Spannungs-Wandler sein. Das Detektionselement kann beispielsweise eine Kondensatorelektrodenanordnung sein, bei der sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator). Das Detektionselement kann jedoch ebenso eine Kondensatorelektrodenanordnung sein, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator). Ferner kann das Detektionselement ein Piezowandler oder eine Elektrodenanordnung auf Feldeffekttransistorbasis (Moving-Gate-Elektrodenanordnung) sein.
Die erste und zweite Elektrodenanordnung beziehungsweise die weitere Elektrodenanordnung sind vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet. Insbesondere kann die erste Elektrodenanordnung eine erste Kraft-Abstands-Kennlinie und die zweite Elektrodenanordnung eine zweite, von der ersten unterschiedliche Kraft-Abstands-Kennlinie aufweisen.
Grundsätzlich können die erste, zweite und weitere Elektrodenanordnung unabhängig voneinander sowohl als kapazitive Plattenaktuatoren als auch als kapazitive Kammaktuatoren ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die erste Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator), und die zweite und/oder weitere Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung, bei der sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator).
Es ist jedoch zum Beispiel ebenso möglich, dass die erste und zweite und/oder weitere Elektrodenanordnung Kondensatorelektrodenanordnungen sind, bei denen sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitive Plattenaktuatoren). Dabei kann sich der Abstand zwischen den Elektroden der ersten und zweiten und/oder weiteren Elektrodenanordnung unterscheiden.
Die Elektroden der ersten und zweiten und/oder weiteren Elektrodenanordnung. sind vorzugsweise in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet. Die Kammzinken der Elektroden einer Elektrodenanordnungen können dabei jeweils zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sein.
Die erste Elektrodenanordnung kann dabei mindestens eine am Substrat ausgebildete Substratelektrode und mindestens eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Die Substratelektrode/n und Massenelektrode/n können auch hierbei in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sein. Die Kammzinken der Massenelektrode/n einer Elektrodenanordnung können dabei jeweils zwischen den Kammzinken der Substratelektrode der Elektrodenanordnung angeordnet sein, oder umgekehrt.
Die zweite und/oder weitere Elektrodenanordnung kann dabei ebenfalls mindestens eine am Substrat ausgebildete Substratelektrode und mindestens eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Insbesondere kann die zweite und/oder weitere Elektrodenanordnung mindestens eine erste und eine zweite am. Substrat ausgebildete Substratelektrode und eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Die Substratelektrode/n und Massenelektrode/n können in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sein. Die Kammzinken der Massenelektrode/n einer Elektrodenanordnung können dabei jeweils zwischen einem Kammzinken der ersten Substratelektrode und einem Kammzinken der zweiten Substratelektrode der Elektrodenanordnung angeordnet sein. Auf diese Weise können die erste und zweite Substratelektrode und die Massenelektrode einer Elektrodenanordnung einen Differenzialkondensator bilden.
Die zweite und weitere Elektrodenanordnung können zu gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnet sein. Vorzugsweise ist die erste Elektrodenanordnung an einer Seite der Masse angeordnet, welche senkrecht zu den Seiten der Masse steht, an denen die zweite und/oder weitere Elektrodenanordnungen angeordnet sind. Hierbei können zum Beispiel die Kammzinken der zweiten Elektrodenanordnung parallel zu den Kammzinken der weiteren Elektrodenanordnung und/oder die Kammzinken der ersten Elektrodenanordnung senkrecht zu den Kammzinken der zweiten und/oder weiteren Elektrodenanordnung sein.
Insbesondere kann der Sensor ein Beschleunigungssensor oder ein Magnetfeldsensor (Magnetometer) sein. Insbesondere kann der Sensor ein Teil eines Kornpasses, beispielsweise eines elektronischen Kompasses (E-Kompass), sein. Beispielsweise kann der Sensor ein Magnetfeldsensor sein, welcher ein Substrat, eine zum Substrat bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse, mindestens eine erste und eine zweite, beispielsweise eine erste, zweite und dritte, Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang einer Messachse umfassen, wobei die Masse in die Richtung/en, welche senkrecht zu der/den zu messenden Magnetfeldkomponente/n ist/sind, bezüglich des Substrats beweglich ist und wobei die Masse einen zumindest in Teilen senkrecht zu der/den zu messenden Magnetfeldkomponente/n verlaufenden elektrischen Leiter aufweist. Dabei kann es sich sowohl um einen Magnetfeldsensor, welcher eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Ebene des Substrats misst (B_z-Magnetfeldsensor) als auch bei einen Magnetfeldsensor, welcher Magnetfeldkomponenten, insbesondere in zwei Raumrichtungen, parallel zur Ebene des Substrats misst (B_x/B_y-Magnetfeldsensor), handeln. Im Fall eines B_z-Magnetfeldsensors ist die Masse vorzugsweise parallel zur Ebene des Substrats beweglich. Im Fall eines B_x/B_y-Magnetfeldsensors ist die Masse hingegen vorzugsweise durch einen wippenförmigen Aufbau bezüglich der Ebene des Substrats beweglich angeordnet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein mikromechanischer Magnetfeldsensor, vorzugsweise geeignet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher

– ein Substrat,
– eine zum Substrat bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse, mindestens eine erste und eine zweite, beispielsweise eine erste, zweite, dritte und vierte, Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats entlang einer Messachse umfasst,

Insbesondere kann die Auswertungsvorrichtung dabei dazu ausgelegt sein die Empfindlichkeit des Sensors ohne das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes zu bestimmen und abzugleichen. Dabei kann es sich sowohl um einen Magnetfeldsensor, welcher eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Ebene des Substrats misst (Bz-Magnetfeldsensor) als auch bei einen Magnetfeldsensor, welcher Magnetfeldkomponenten, insbesondere in zwei Raumrichtungen, parallel zur Ebene des Substrats misst (Bx/By-Magnetfeldsensor), handeln. Im Fall eines Bz-Magnetfeldsensors ist die Masse vorzugsweise parallel zur Ebene des Substrats beweglich. Im Fall eines Bx/By-Magnetfeldsensors ist die Masse hingegen vorzugsweise durch einen wippenförmigen Aufbau bezüglich der Ebene des Substrats beweglich angeordnet.
Auch hierbei kann zumindest eine der Elektrodenanordnungen zusätzlich zum Auslenken der Masse bezüglich des Substrats zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats, beispielsweise zur Wandlung einer mechanischen Auslenkung in ein Ausgangssignal, insbesondere zum Messen eines für eine Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals, ausgebildet sein. Zum Beispiel können die zweite und/oder die vierte Elektrodenanordnung kapazitive Abstands-Spannungs-Wandler sein.
Es ist jedoch auch hierbei ebenso möglich, dass der Sensor ein zusätzliches Detektionselement zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Substrats, beispielsweise zur Wandlung einer mechanischen Auslenkung in ein Ausgangssignal, insbesondere zum Messen eines für eine Auslenkposition charakteristischen Ausgangssignals, umfasst. Zum Beispiel kann das Detektionselement auch hierbei ein kapazitiver Abstands-Spannungs-Wandler sein. Das Detektionselement kann beispielsweise eine Kondensatorelektrodenanordnung sein, bei der sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator). Das Detektionselement kann jedoch ebenso eine Kondensatorelektrodenanordnung sein, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator). Ferner kann das Detektionselement ein Piezowandler oder eine Elektrodenanordnung auf Feldeffekttransistorbasis (Moving-Gate-Elektrodenanordnung) sein.
Die erste und zweite Elektrodenanordnung beziehungsweise die dritte und vierte Elektrodenanordnung sind auch hierbei vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet. Insbesondere kann die erste Elektrodenanordnung eine erste Kraft-Abstands-Kennlinie und die zweite Elektrodenanordnung eine zweite, von der ersten unterschiedliche Kraft-Abstands-Kennlinie aufweisen.
Grundsätzlich können die erste und zweite und/oder dritte und vierte Elektrodenanordnung auch hierbei unabhängig voneinander sowohl als kapazitive Plattenaktuatoren als auch als kapazitive Kammaktuatoren ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist auch hierbei die erste und/oder dritte Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben (kapazitiver Kammaktuator), und die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung, bei der sich – bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse – der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitiver Plattenaktuator).
Es ist jedoch auch hierbei zum Beispiel ebenso möglich, dass die erste und zweite und/oder dritte und vierte Elektrodenanordnung Kondensatorelektrodenanordnungen sind, bei denen sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert (kapazitive Plattenaktuatoren). Dabei kann sich der Abstand zwischen den Elektroden der ersten und zweiten und/oder weiteren Elektrodenanordnung unterscheiden.
Die Elektroden der ersten und zweiten und/oder dritten und vierten Elektrodenanordnung sind auch hierbei vorzugsweise in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet. Die Kammzinken der Elektroden einer Elektrodenanordnungen können dabei jeweils zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sein.
Die erste und/oder dritte Elektrodenanordnung kann dabei mindestens eine am Substrat ausgebildete Substratelektrode und mindestens eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Die Substratelektrode/n und Massenelektrode/n können auch hierbei in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sein. Die Kammzinken der Massenelektrode/n einer Elektrodenanordnung können dabei jeweils zwischen den Kammzinken der Substratelektrode der Elektrodenanordnung angeordnet sein, oder umgekehrt.
Die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung kann dabei ebenfalls mindestens eine am Substrat ausgebildete Substratelektrode und mindestens eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Insbesondere kann die zweite und/oder vierte Elektrodenanordnung mindestens eine erste und eine zweite am Substrat ausgebildete Substratelektrode und eine an der Masse ausgebildete Massenelektrode aufweisen. Die Substratelektrode/n und Massenelektrode/n können in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sein. Die Kammzinken der Massenelektrode/n einer Elektrodenanordnung können dabei jeweils zwischen einem Kammzinken der ersten Substratelektrode und einem Kammzinken der zweiten Substratelektrode der Elektrodenanordnung angeordnet sein. Auf diese Weise können die erste und zweite Substratelektrode und die Massenelektrode einer Elektrodenanordnung einen Differenzialkondensator bilden.
Die erste und dritte beziehungsweise die zweite und vierte Elektrodenanordnung können zu gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnet sein. Vorzugsweise sind die erste und dritte Elektrodenanordnung an Seiten der Masse angeordnet, welche senkrecht zu den Seiten der Masse stehen, an denen die zweite und vierte Elektrodenanordnungen angeordnet sind. Hierbei können zum Beispiel die Kammzinken der ersten Elektrodenanordnung parallel zu den Kammzinken der dritten Elektrodenanordnung und/oder die Kammzinken der zweiten Elektrodenanordnung parallel zu den Kammzinken der vierten Elektrodenanordnung und/oder die Kammzinken der ersten und/oder dritten Elektrodenanordnung senkrecht zu den Kammzinken der zweiten und/oder vierten Elektrodenanordnung sein.
Insbesondere kann auch hierbei der Sensor ein Teil eines Kompasses, beispielsweise eines elektronischen Kompasses (E-Kompass), sein.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Sensors, welcher auf einer Seite der Masse keine Elektrodenanordnung aufweist; und
2 eine schematische Draufsicht auf einen, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Sensors mit vier Elektrodenanordnungen.
1 zeigt, dass der Sensor ein Substrat 1, eine zum Substrat 1 bewegliche, federnd gelagerte seismische Masse 2, und drei Elektrodenanordnungen 3, 4; 5, 6, 7, 5', 6', 7' zum Auslenken der Masse 2 bezüglich des Substrats 1 entlang der Messachse M aufweist. Die Federn zur beweglichen Aufhängung der Masse 2 sind in 1 nicht dargestellt. 1 illustriert, dass die erste Elektrodenanordnungen 3, 4, zu einer ersten Seite der Masse 2 und die zweite Elektrodenanordnung 5, 6, 7 zu einer zweiten Seite der Masse 2 angeordnete ist. 1 veranschaulicht weiterhin, dass auf der Seite der Masse, welche der zweiten Seite gegenüberliegt, eine weitere Elektrodenanordnung 5', 6', 7' angeordnet ist. Zu der Seite der Masse 2, welche der ersten Seite gegenüberliegt ist jedoch erfindungsgemäß keine Elektrodenanordnung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Fläche des Sensors verringert werden kann.
1 veranschaulicht ferner, dass die zweite 5, 6, 7 und die weitere 5', 6', 7' Elektrodenanordnungen Kondensatorelektrodenanordnungen sind, bei denen sich – bei einer Verlagerung der Masse 2 entlang der Messachse M – der Abstand zwischen den Elektroden 5, 6, 7; 5', 6', 7' verändert. Weiterhin zeigt 1, dass die erste Elektrodenanordnung 3, 4 eine Kondensatorelektrodenanordnung ist, deren Elektroden 5, 6, 7; 5', 6', 7' sich bei einer Verlagerung der Masse 2 entlang der Messachse M bezüglich einander parallel verschieben.
Darüber hinaus zeigt 1, dass die Elektroden der ersten, zweiten und weiteren Elektrodenanordnung 3, 4; 5, 6, 7; 5', 6', 7' in Form von Kammelektroden mit einem Kammrücken und Kammzinken ausgebildet sind. 1 illustriert, dass die Kammzinken einer Elektrodenanordnungen 3, 4; 5, 6, 7, 5', 6', 7' jeweils zueinander parallel ausgerichtet sowie beabstandet und alternierend angeordnet sind. 1 veranschaulicht darüber hinaus, dass die Kammzinken der zweiten Elektrodenanordnung 5, 6, 7 zu den Kammzinken der weiteren Elektrodenanordnung 5', 6', 7' parallel und die Kammzinken der ersten Elektrodenanordnung 3, 4 senkrecht zu den Kammzinken der zweiten 5, 6, 7 und weiteren 5', 6', 7' Elektrodenanordnung ausgerichtet sind.
Ferner zeigt 1 die als Plattenkondensator wirksame Länge I_C der Kammzinken der zweiten 5, 6, 7 und weiteren 5', 6', 7' Elektrodenanordnung und den Abstand d_C zwischen den Kammzinken der Elektroden der ersten 3, 4, zweiten 5, 6, 7 und weiteren 5', 6', 7' Elektrodenanordnung in der Mittellage/Nulllage ohne Kantenverlust.
Insbesondere zeigt 1, dass die erste Elektrodenanordnung 3, 4 eine kammartige, am Substrat 1 ausgebildete Substratelektrode 4 und eine kammartige, an der Masse 2 ausgebildete Massenelektrode 3 aufweist, wobei die Kammzinken der Substratelektrode 4 zwischen den Kammzinken der Massenelektrode 3 angeordnet sind.
1 zeigt weiterhin, dass die zweite 5, 6, 7 und weitere 5', 6', 7' Elektrodenanordnung jeweils eine erste 6; 6' und eine zweite 7; 7', kammartige am Substrat 1 ausgebildete Substratelektrode und eine kammartige, an der Masse ausgebildete Massenelektrode 5, 5' aufweisen, wobei die Kammzinken der Massenelektrode 5, 5' einer Elektrodenanordnung jeweils zwischen einem Kammzinken der ersten Substratelektrode 6; 6' und einem Kammzinken der zweiten Substratelektrode 7; 7' der Elektrodenanordnung angeordnet sind und Differenzialkondensatoren 5, 6, 7; 5', 6', 7' ausgebildet werden.
Der in 2 gezeigte Sensor unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Sensor dadurch, dass der Sensor vier Elektrodenanordnungen 3, 4; 5, 6, 7; 3', 4'; 5', 6', 7' aufweist, wobei auch zu der Seite der Masse 2, welche der ersten Seite gegenüberliegt eine ähnlich Elektrodenanordnung 3', 4' wie die erste Elektrodenanordnung 3, 4 angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19827056 A1 [0002]
DE 10148585 A1 [0013]
US 5618989 [0013]
US 6840106 B1 [0013]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Sensors, umfassend – ein Substrat (1), – eine zum Substrat (1) bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse (2), – mindestens eine erste Elektrodenanordnung (3, 4) zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang einer Messachse (M), und – mindestens eine zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7) zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang der Messachse (M), umfassend die Verfahrensschritte: a) Anlegen einer ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung (3, 4) und einer zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite. Elektrodenanordnung (5, 6, 7), wobei auf die Masse (2) eine erste elektrostatische Kraft (F₁) durch die erste Elektrodenanordnung (3, 4), eine zweite elektrostatische Kraft (F₂) durch die zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7) und eine Rückstellkraft (F_R) durch die Federung der Masse (2) ausgeübt wird, wobei sich zwischen der ersten elektrostatische Kraft (F₁), der zweiten elektrostatischen Kraft (F₂) und der Rückstellkraft (F_R) ein Kräftegleichgewicht einstellt und die Masse (2) eine für das Kräftegleichgewicht charakteristische Auslenkposition (x) einnimmt, und Messen eines für das Kräftegleichgewicht und die Auslenkposition (x) charakteristischen Ausgangssignals (U_A), und b) Berechnen der Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis der ersten (U₁) und zweiten (U₂) Auslenkspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt b) die Berechnung der Empfindlichkeit des Sensors auf einer Berechnung des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vordem Verfahrensschritt a) den Verfahrensschritt a₀): Messen eines für die Ausgangsposition, insbesondere Ruhelage, (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0), wobei an die Elektrodenanordnungen (3, 4, 5, 6, 7) keine Auslenkspannungen (U₁, U₂) angelegt werden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt b) die Berechnung der Empfindlichkeit des Sensors beziehungsweise die Berechnung des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) auf der Basis der ersten (U₁) und zweiten (U₂) Auslenkspannung und des Ausgangssignals (U_A) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a₀) Messen eines für die Ausgangsposition (x₀), wobei an die Elektrodenanordnungen (3, 4, 5, 6, 7) keine Auslenkspannungen (U₁, U₂) angelegt werden, a) Anlegen einer ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung (3, 4), wobei die Masse (2) aus der Ausgangsposition (x₀) in eine erste Richtung entlang der Messachse (M) in eine erste ausgelenkte Position (x₁) ausgelenkt wird, Anlegen einer zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7), wobei die zweite Auslenkspannung (U₂) derart eingestellt wird, dass die Masse (2) aus der ersten ausgelenkten Position (x₁) zurück in die Ausgangsposition (x₀) geführt wird wobei das Erreichen der Ausgangsposition (x₀) durch Messen des für das Wiedererreichen der Ausgangsposition (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0ref) bestimmt wird, und b) Berechnen der Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis des für die Ausgangsposition (x₀) charakteristischen Ausgangssignals (U_A,x0, U_A,x0ref), der ersten Auslenkungsspannung (U₁) und der zweiten Auslenkspannung (U₂).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin eine dritte Elektrodenanordnung (3', 4') zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang der Messachse (M) und eine vierte Elektrodenanordnung (5', 6', 7') zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang der Messachse (M) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Anlegen einer ersten Auslenkspannung (U₁) an die erste Elektrodenanordnung (3, 4), wobei die Masse (2) aus der Ausgangsposition (x₀) in eine erste Richtung entlang der Messachse (M) in eine erste ausgelenkte Position (x₁) ausgelenkt wird, Anlegen einer zweiten Auslenkspannung (U₂) an die zweite Elektrodenanordnung (5, 6, 7), wobei die zweite Auslenkspannung (U₂) derart eingestellt wird, dass die Masse (2) aus der ersten ausgelenkten Position (x₁) in die Mittellage geführt wird, wobei das Erreichen der Mittellage durch Messen des für die Mittellage charakteristischen Ausgangssignals (U_A = 0) bestimmt wird, a₁) Anlegen einer dritten Auslenkspannung (U₃) an die dritte Elektrodenanordnung (3', 4'), wobei die Masse (2) aus der Ausgangsposition (x₀) in eine zweite, zur ersten entgegengesetzten Richtung entlang der Messachse (M) in eine zweite ausgelenkte Position (x₂) ausgelenkt wird, Anlegen einer vierten Auslenkspannung (U₄) an die vierte Elektrodenanordnung (5', 6', 7'), wobei die vierte Auslenkspannung (U₄) derart eingestellt wird, dass die Masse (2) aus der zweiten ausgelenkten Position (x₂) in die Mittellage geführt wird, wobei das Erreichen der Mittellage durch Messen des für das Erreichen der Mittellage charakteristischen Ausgangssignals (U_A = 0) bestimmt wird, b) Berechnen der Empfindlichkeit des Sensors auf der Basis der ersten (U₁), zweiten (U₂), dritten (U₃) und vierten (U₄) Auslenkspannung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite (5, 6, 7) und/oder die vierte (5', 6', 7') Elektrodenanordnung zusätzlich zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) zum Messen der Auslenkung (x) der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste (3, 4) und/oder dritte (3', 4') Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung ist, deren Elektroden sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse bezüglich einander parallel verschieben, und – die zweite (5, 6, 7) und/oder vierte (5', 6', 7') Elektrodenanordnung eine Kondensatorelektrodenanordnung ist, bei der sich bei einer Verlagerung der Masse entlang der Messachse der Abstand zwischen den Elektroden verändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Empfindlichkeit beziehungsweise des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) in Verfahrensschritt b) weiterhin auf einem für das Federungssystem bestimmten Gütewert basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Beschleunigungssensor oder ein Magnetfeldsensor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Magnetfeldsensor ist, dessen Masse (2) in die Richtung beziehungsweise in die Richtungen, welche senkrecht zu der zu messenden Magnetfeldkomponente beziehungsweise zu den zu messenden Magnetfeldkomponenten sind, bezüglich des Substrats (1) beweglich ist und wobei die Masse einen zumindest in Teilen senkrecht zu der zu messenden Magnetfeldkomponente beziehungsweise zu den zu messenden Magnetfeldkomponenten verlaufenden elektrischen Leiter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Empfindlichkeit beziehungsweise des Kantenverlusts (δ) und/oder der Vorauslenkung (x₀) in Verfahrensschritt b) weiterhin auf der durch den elektrischen Leiter ausgeübte Lorenzkraft F_L, basiert.
Sensor, umfassend – ein Substrat (1), – eine zum Substrat (1) bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse (2), und – mindestens eine erste, zu einer ersten Seite der Masse (2) angeordnete Elektrodenanordnung (3, 4) zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang einer Messachse (M), und – mindestens eine zweite, zu einer zweiten Seite der Masse (2) angeordnete Elektrodenanordnung (5, 6, 7) zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang der Messachse (M), dadurch gekennzeichnet, dass zu der Seite der Masse (2), welche der ersten Seite gegenüberliegt keine Elektrodenanordnung angeordnet ist.
Magnetfeldsensor, umfassend – ein Substrat (1), – eine zum Substrat (1) bewegliche, federnd gelagerte, seismische Masse (2), – mindestens eine erste (3) und eine zweite (4) Elektrodenanordnung zum Auslenken der Masse (2) bezüglich des Substrats (1) entlang einer Messachse (M) umfasst, wobei die Masse (2) in die Richtung/en, welche senkrecht zu der/den zu messenden Magnetfeldkomponente/n ist/sind, bezüglich des Substrats (1) beweglich ist und wobei die Masse (2) einen zumindest in Teilen senkrecht zu der/den zu messenden Magnetfeldkomponente/n verlaufenden elektrischen Leiter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor eine Auswertungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Empfindlichkeit des Sensors ohne das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes zu bestimmen.