DE102010000739A1

DE102010000739A1 - Micromechanical magnetic field sense element for magnetic field sensor, has spring element that is arranged within frame, and is designed as leads for current

Info

Publication number: DE102010000739A1
Application number: DE201010000739
Authority: DE
Inventors: Mirko 70191 Hattass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-14

Abstract

The elements (20) has strip guard device (21) which is arranged over movable substrate, and is movably connected together with first capacitor plate device (28) and fixed second capacitor plate device (30). The strip guard device comprises frames (22) which are related to direction of deflexion (23). A spring element (26) is arranged within frame, and is designed as leads for current. An independent claim is included for magnetic field sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Magnetfeld-Sensorelement, und einen solchen Magnetfeldsensor.The invention relates to a micromechanical magnetic field sensor element, and such a magnetic field sensor.

Mikromechanische Magnetfeld-Sensoren beruhen typischerweise auf der Auslenkung einer Masse durch die auf einen stromführenden Leiter wirkende Lorentzkraft. Dabei sind prinzipiell verschiedene Topologien des Sensors möglich. Für Magnetfelder ”Bx, By” in der Sensorebene, ”x, y”, werden ”Wippen” verwendet, wobei der Leiter am Rand der Wippe geführt wird und hierdurch ein Drehmoment entsteht. Die Auslenkung der Wippe wird hierbei kapazitiv detektiert. Für die Messung von Magnetfeldern ”Bz” die senkrecht zur Sensorebene ”z” liegen, kommen Kammstrukturen zum Einsatz, wobei ebenfalls eine kapazitive Auswertung der Auslenkung vorgenommen wird, siehe 3. So offenbart die DE 198 27 056 einen Sensor mit einem mikromechanischen Magnetfeld-Sensorelement 10 mit einer Leiterbahneinrichtung 11, 12, welche elastisch in Richtung des Pfeils 13 auslenkbar über einem Substrat aufgehängt ist. Das Sensorelement 10 weist eine mit der Leiterbahneinrichtung verbundene, mit dieser zusammen auslenkbare erste Kondensatorplatteneinrichtung 14 sowie eine mit dem Substrat verbundene feststehende zweite Kondensatorplatteneinrichtung 15 auf, welche mit der ersten Kondensatorplatteneinrichtung eine Kondensatoreinrichtung bildet. Typischerweise wird die Zuleitung der Anregungsströme von außen durchgeführt, d. h. die Zuleitung geschieht über eine Substratanbindung 16 einer Feder. Die Einspeisung der Anregungsströme durch die außen angebundenen Federn hat Nachteile. Durch die Verbindung der Federn mit dem Substrat kommt es z. B. über Temperatur, Druck zu einem Stresseintrag auf die gesamte bewegliche Massenstruktur, so dass dies als scheinbares Messsignal detektiert wird.Micromechanical magnetic field sensors are typically based on the deflection of a mass by the Lorentz force acting on a current-carrying conductor. In principle, different topologies of the sensor are possible. For magnetic fields "Bx, By" in the sensor plane, "x, y", "rockers" are used, whereby the conductor is guided on the edge of the rocker and this creates a torque. The deflection of the rocker is detected capacitively. For the measurement of magnetic fields "Bz" which are perpendicular to the sensor plane "z", comb structures are used, wherein also a capacitive evaluation of the deflection is made, see 3 , So revealed the DE 198 27 056 a sensor with a micromechanical magnetic field sensor element 10 with a conductor track device 11 . 12 which are elastic in the direction of the arrow 13 deflectably suspended over a substrate. The sensor element 10 has a connected to the conductor arrangement, with this together deflectable first capacitor plate means 14 and a stationary second capacitor plate device connected to the substrate 15 which forms a capacitor device with the first capacitor plate device. Typically, the supply of the excitation currents is carried out from the outside, that is, the supply line via a substrate connection 16 a spring. The feeding of the excitation currents through the externally connected springs has disadvantages. By connecting the springs with the substrate, it is z. B. over temperature, pressure to a stress entry on the entire movable mass structure, so that this is detected as an apparent measurement signal.

Dagegen hat ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Magnetfeld-Sensorelement den Vorteil, dass die Leiterbahneinrichtung einen Rahmen aufweist, und der Rahmen bezogen auf die Richtung der Auslenkung im Wesentlichen in der Mitte Federelemente aufweist, die den Rahmen mit dem Substrat verbinden, so dass nur ein geringer Stressunterschied, z. B. bei Verwölbung des Substrats, an den Aufhängungspunkten entsteht. Der Rahmen bildet als Masse-Rahmen die durch die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter ausgelenkte Masse, welche zentral an das Substrat angebunden ist.In contrast, a micromechanical magnetic field sensor element according to the invention has the advantage that the conductor track device has a frame, and the frame has spring elements, which connect the frame to the substrate relative to the direction of the deflection substantially in the middle, so that only a slight stress difference, z. B. at warping of the substrate, arises at the suspension points. The frame forms as mass frame the deflected by the force on the current-carrying conductor ground, which is centrally connected to the substrate.

Vorteilhaft sind die Federelemente im Inneren des Rahmens angeordnet. Abschnitte des Rahmens weisen Leiterbahnen auf. Hierfür kann es sich als vorteilhaft erweisen durch Aufbringen einer zusätzlichen Leiterbahn mit wesentlich höherer Leitfähigkeit als die unterliegende Massenstruktur, z. B. Aluminium, den Anregungsstrom zu führen. Alternativ können durch Auslegung der Breiten der Leiterbahn die Widerstände so gewählt werden, dass der Anregungsstrom im Wesentlichen nur entlang vorbestimmter Rahmenabschnitte fließt.Advantageously, the spring elements are arranged in the interior of the frame. Portions of the frame have tracks. For this purpose, it may prove to be advantageous by applying an additional conductor with significantly higher conductivity than the underlying mass structure, for. As aluminum, to guide the excitation current. Alternatively, by designing the widths of the conductor track, the resistors can be chosen such that the excitation current essentially flows only along predetermined frame sections.

In einer bevorzugten ersten Variante sind die Federelemente als Zuleitungen für Anregungsströme ausgebildet.In a preferred first variant, the spring elements are designed as supply lines for excitation currents.

In einer vorteilhaften zweiten Variante weist der Rahmen weiterhin Federkontakte auf, die als Zuleitungen für Anregungsströme ausgebildet sind. Die Federkontakte sind bevorzugt außerhalb des Rahmens angeordnet. Vorzugsweise weisen die Federkontakte eine wesentlich geringere Steifigkeit als die Federelemente auf, so dass die inneren Federn die mechanischen Eigenschaften des Systems bestimmen.In an advantageous second variant, the frame further comprises spring contacts, which are designed as supply lines for excitation currents. The spring contacts are preferably arranged outside the frame. Preferably, the spring contacts have a substantially lower rigidity than the spring elements, so that the inner springs determine the mechanical properties of the system.

In beiden Varianten wird so eine bessere Entkopplung der Detektionsstruktur von der Substratebene erreicht, was eine reduzierte Stressempfindlichkeit und damit z. B. eine bessere Temperaturstabilität des Messsignals zur Folge hat.In both variants, a better decoupling of the detection structure of the substrate level is achieved, resulting in a reduced stress sensitivity and thus z. B. has a better temperature stability of the measurement signal result.

Ein erfindungsgemäßer Magnetfeldsensor mit einem Magnetfeld-Sensorelement weist eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung zum Leiten eines vorbestimmten Stroms durch die Leiterbahneinrichtung und Erfassen der in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld auftretenden Kapazitätsänderung der Kondensatoreinrichtung auf.A magnetic field sensor according to the invention with a magnetic field sensor element has a magnetic field detection device for conducting a predetermined current through the printed conductor device and detecting the capacitance change of the capacitor device occurring as a function of an applied magnetic field.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert, in denen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings, in which:

1 eine schematische Darstellung eines Magnetfeld-Sensorelements gemäß der Erfindung mit Federelementen als Zuleitungen für Anregungsströme zeigt; 1 a schematic representation of a magnetic field sensor element according to the invention with spring elements as supply lines for excitation currents shows;

2 eine schematische Darstellung eines Magnetfeld-Sensorelements gemäß der Erfindung mit Federelementen und separaten Federkontakten als Zuleitungen für Anregungsströme zeigt; und 2 a schematic representation of a magnetic field sensor element according to the invention with spring elements and separate spring contacts as leads for excitation currents shows; and

3 eine schematische Darstellung eines Magnetfeld-Sensorelements gemäß dem Stand der Technik zeigt. 3 a schematic representation of a magnetic field sensor element according to the prior art shows.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetfeld-Sensorelement 20 mit in einer ersten Variante der Erfindung mit Federelementen als Zuleitungen für Anregungsströme. Das mikromechanische Magnetfeld-Sensorelement 20 weist eine Leiterbahneinrichtung 21 auf, welche elastisch auslenkbar über einem Substrat aufgehängt ist. Die Leiterbahneinrichtung 21 ist als Rahmen 22 ausgeführt, wobei der Rahmen 22 bezogen auf die Richtung der Auslenkung, Pfeil 23, im Wesentlichen in der Mitte über Träger 24 angebundene Federelemente 25 aufweist, die den Rahmen 22 an Aufhängungen 26 mit dem Substrat verbinden. Mit dem Rahmen 22 verbunden und mit diesem zusammen auslenkbar sind Kondensatorplatten 27, die eine erste Kondensatorplatteneinrichtung 28 darstellen. Mit dem Substrat verbunden sind feststehende Kondensatorplatten 29, die eine zweite Kondensatorplatteneinrichtung 30 darstellen. Die Kondensatorplatten 27, 29 bilden paarweise Kondensatoren 31, so dass die erste und zweite Kondensatorplatteneinrichtungen 28, 30 eine Kondensatoreinrichtung 32 bildet. Der Rahmen weist weiterhin Streben 33 auf. Um den Anregungsstrom über ausgewählte Abschnitte des Rahmens 22 zu führen kann durch Aufbringen eine zusätzliche Leiterbahn mit wesentlich höherer Leitfähigkeit als die unterliegende Massenstruktur, z. B. aus Aluminium, geschaffen werden. Alternativ können durch Auslegung z. B. der Breiten die Widerstände so gewählt werden, dass der Anregungsstrom im Wesentlichen nur entlang eines der möglichen Pfade fließt. Dies ist in 1 mit Leiterbahnen 38 auf den Abschnitten 35, 36, 37 des Rahmens 22 sowie auf den Trägern 24 erfolgt. 1 shows a magnetic field sensor element according to the invention 20 with in a first variant of the invention with spring elements as supply lines for excitation currents. The micromechanical magnetic field sensor element 20 has a conductor track device 21 which is elastically deflectable suspended over a substrate. The conductor track device 21 is as a frame 22 Running, the frame 22 relative to the direction of the deflection, arrow 23 , essentially in the middle over carriers 24 Tailed spring elements 25 that has the frame 22 on suspensions 26 connect to the substrate. With the frame 22 connected and deflectable with this are capacitor plates 27 comprising a first capacitor plate device 28 represent. Connected to the substrate are fixed capacitor plates 29 comprising a second capacitor plate device 30 represent. The capacitor plates 27 . 29 form pairs of capacitors 31 such that the first and second capacitor plate devices 28 . 30 a capacitor device 32 forms. The frame still has struts 33 on. To get the excitation current over selected sections of the frame 22 can lead by applying an additional trace with much higher conductivity than the underlying mass structure, eg. B. aluminum, created. Alternatively, by design z. B. the widths of the resistors are chosen so that the excitation current flows substantially only along one of the possible paths. This is in 1 with tracks 38 on the sections 35 . 36 . 37 of the frame 22 as well as on the carriers 24 he follows.

Im Einsatz in einem Magnetfeldsensor mit einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung wird von dieser ein vorbestimmter Anregungsstrom I durch die Leiterbahneinrichtung 21 geleitet. Entsprechend der Stromstärke und der Feldstärke eines anliegenden Magnetfelds B senkrecht zur Zeichenebene erfolgt eine Auslenkung des Rahmens 22 in Richtung des Pfeils 23. Dadurch ändert sich der Plattenabstand der Kondensatorplatten der Kondensatoren 31 und somit die Kapazität der Kondensatoreinrichtung 32. Diese Änderung wird detektiert und Ausgewertet zur Bestimmung des Magnetfeldes B.When used in a magnetic field sensor with a magnetic field detection device of this a predetermined excitation current I through the conductor track device 21 directed. Corresponding to the current intensity and the field strength of an applied magnetic field B perpendicular to the plane of the drawing, the frame is deflected 22 in the direction of the arrow 23 , This changes the plate spacing of the capacitor plates of the capacitors 31 and thus the capacitance of the capacitor device 32 , This change is detected and evaluated to determine the magnetic field B.

In 1 sind die Federelemente 25 im Inneren 39 des Rahmens 22 angeordnet. Sie können jedoch auch zentral außen angebracht werden. Der Anbindungspunkt der Federn mit dem Substrat ist derart, dass nur ein geringer Stressunterschied z. B. bei Verwölbung, des Substrats an den Aufhängungspunkten entsteht.In 1 are the spring elements 25 internally 39 of the frame 22 arranged. However, they can also be installed centrally outside. The point of attachment of the springs with the substrate is such that only a slight stress difference z. B. warping, the substrate is formed at the suspension points.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetfeld-Sensorelement 50 mit in einer zweiten Variante der Erfindung mit Federelementen und separaten Federkontakten als Zuleitungen für Anregungsströme. Das mikromechanische Magnetfeld-Sensorelement 50 weist eine Leiterbahneinrichtung 51 auf, welche elastisch auslenkbar über einem Substrat aufgehängt ist. Die Leiterbahneinrichtung 51 ist als Rahmen 52 ausgeführt, wobei der Rahmen 52 bezogen auf die Richtung der Auslenkung, Pfeil 53, im Wesentlichen in der Mitte über Träger 54 angebundene Federelemente 55 aufweist, die den Rahmen 52 an Aufhängungen 56 mit dem Substrat verbinden. Mit dem Rahmen 52 verbunden und mit diesem zusammen auslenkbar sind. Kondensatorplatten 57, die eine erste. Kondensatorplatteneinrichtung 58 darstellen. Mit dem Substrat verbunden sind feststehende Kondensatorplatten 59, die eine zweite Kondensatorplatteneinrichtung 60 darstellen. Die Kondensatorplatten 57, 59 bilden paarweise Kondensatoren 61, so dass die erste und zweite Kondensatorplatteneinrichtungen 58, 60 eine Kondensatoreinrichtung 62 bildet. Der Rahmen weist weiterhin Streben 63 auf. In dieser Variante der Erfindung dienen die Federelemente 56 der mechanischen Anbindung des Rahmens an das Substrat. Die Aufhängung der Federelemente 56 innerhalb des Rahmens 52 ermöglicht eine zentrale Anbindung des Massenrahmens. Federkontakte 65 bilden die Zuleitungen für einen Anregungsstrom. Die Federkontakte 65 sind mit dem Rahmen 52 und über Anschlüsse 66 mit dem Substrat verbunden. Leiterbahnen 67, 68 sind auf den Abschnitten 69, 70 des Rahmens 52 aufgebracht und mit den Federkontakten 65 verbunden. Diese außen angebundenen Federkontakte 65 besitzen eine wesentlich geringere Steifigkeit als die im Inneren 71 des Rahmens 52 angeordneten Federelemente 56, so dass die Federelemente 56 die mechanischen Eigenschaften des Systems bestimmen. Der Verbindungspunkt der Federelemente mit dem Substrat liegt innerhalb des Rahmens 52. So wird eine gute Entkopplung der Detektionsstruktur von der Substratebene erreicht. 2 shows a magnetic field sensor element according to the invention 50 with in a second variant of the invention with spring elements and separate spring contacts as supply lines for excitation currents. The micromechanical magnetic field sensor element 50 has a conductor track device 51 which is elastically deflectable suspended over a substrate. The conductor track device 51 is as a frame 52 Running, the frame 52 relative to the direction of the deflection, arrow 53 , essentially in the middle over carriers 54 Tailed spring elements 55 that has the frame 52 on suspensions 56 connect to the substrate. With the frame 52 connected and deflected together with this. capacitor plates 57 that a first. Capacitor plate means 58 represent. Connected to the substrate are fixed capacitor plates 59 comprising a second capacitor plate device 60 represent. The capacitor plates 57 . 59 form pairs of capacitors 61 such that the first and second capacitor plate devices 58 . 60 a capacitor device 62 forms. The frame still has struts 63 on. In this variant of the invention serve the spring elements 56 the mechanical connection of the frame to the substrate. The suspension of the spring elements 56 within the frame 52 enables a central connection of the mass frame. spring contacts 65 form the supply lines for an excitation current. The spring contacts 65 are with the frame 52 and about connections 66 connected to the substrate. conductor tracks 67 . 68 are on the sections 69 . 70 of the frame 52 applied and with the spring contacts 65 connected. These externally connected spring contacts 65 have a much lower rigidity than those inside 71 of the frame 52 arranged spring elements 56 so that the spring elements 56 determine the mechanical properties of the system. The point of connection of the spring elements to the substrate lies within the frame 52 , Thus, a good decoupling of the detection structure is achieved by the substrate level.

Im Einsatz in einem Magnetfeldsensor mit einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung wird von dieser ein vorbestimmter Anregungsstrom I1, I2 durch die Leiterbahneinrichtung 51 geleitet. Entsprechend der Stromstärke und der Feldstärke eines anliegenden Magnetfelds B senkrecht zur Zeichenebene erfolgt eine Auslenkung des Rahmens 52 in Richtung des Pfeils 53. Dadurch ändert sich der Plattenabstand der Kondensatorplatten der Kondensatoren 61 und somit die Kapazität der Kondensatoreinrichtung 62. Diese Änderung wird detektiert und Ausgewertet zur Bestimmung des Magnetfeldes B.When used in a magnetic field sensor with a magnetic field detection device of this a predetermined excitation current I1, I2 by the conductor track device 51 directed. Corresponding to the current intensity and the field strength of an applied magnetic field B perpendicular to the plane of the drawing, the frame is deflected 52 in the direction of the arrow 53 , This changes the plate spacing of the capacitor plates of the capacitors 61 and thus the capacitance of the capacitor device 62 , This change is detected and evaluated to determine the magnetic field B.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19827056 [0002]

Claims

Micromechanical magnetic field sensor element ( 20 . 50 ) with a conductor track device ( 21 . 51 ) which is elastically deflectable suspended over a substrate; one with the conductor track device ( 21 . 51 ), with this together deflectable first capacitor plate device ( 28 . 58 ) and a fixed to the substrate fixed second capacitor plate device ( 30 . 60 ) connected to the first capacitor plate device ( 28 . 58 ) a capacitor device ( 32 . 62 ), characterized in that the conductor track device ( 21 . 51 ) a frame ( 22 . 52 ), and the frame ( 22 . 52 ) substantially in the middle relative to the direction of the deflection ( 23 . 53 ) Spring elements ( 26 . 56 ), the frame ( 22 . 52 ) connect to the substrate.

Magnetic field sensor element according to claim 1, characterized in that the spring elements ( 25 . 55 ) internally ( 39 . 71 ) of the frame ( 22 . 52 ) are arranged.

Magnetic field sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that sections ( 35 . 36 . 37 ; 69 . 70 ) of the frame ( 22 . 52 ) Conductor tracks ( 38 . 67 . 68 ) exhibit.

Magnetic field sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the spring elements ( 25 ) are designed as supply lines for excitation currents (I).

Magnetic field sensor element according to one of claims 1 to 3, characterized in that frame ( 52 ) continue to use spring contacts ( 65 ), which are designed as supply lines for excitation currents (I1, I2).

Magnetic field sensor element according to claim 5, characterized in that the spring contacts ( 65 ) outside the frame ( 52 ) are arranged.

Magnetic field sensor element according to one of claims 5 or 6, characterized in that the spring contacts ( 65 ) a substantially lower rigidity than the spring elements ( 55 ) exhibit.

Magnetic field sensor having a magnetic field sensor element according to one of the preceding claims, which comprises a magnetic field detection device for conducting a predetermined current (I; I1, I2) through the conductor track device ( 21 ; 51 ) and for detecting the capacitance change of the capacitor device occurring as a function of an applied magnetic field.